GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff), allgemein als Glasfaserkunststoff bekannt, ist ein Verbundwerkstoff, bestehend aus:
- einer Matrix aus duroplastischem Polyesterharz
- einer Verstärkung aus kontinuierlichen Glasfasern
Die Harzmatrix gewährleistet eine hohe Korrosionsbeständigkeit, während die Glasfaser eine hohe mechanische Festigkeit verleiht und dem Verbundwerkstoff chemische und mechanische Eigenschaften gibt, die ihn für zahlreiche Anwendungen geeignet machen, von der Industrie über den Bau bis hin zu Infrastrukturen.
DUROPLASTISCHE HARZE: DIE MATRIX VON GFK
Duroplastische Harze sind eine Klasse von Polymeren, die nach dem Aushärten durch Erwärmung oder chemische Reaktion eine starre und irreversible dreidimensionale Struktur bilden. Im Gegensatz zu thermoplastischen Harzen, die mehrfach wieder aufgeschmolzen werden können, können duroplastische Harze nach dem Aushärteprozess nicht mehr umgeformt werden.
Duroplastische Harze bestehen aus reaktiven Monomeren oder Präpolymeren, die in Gegenwart von Wärme, Katalysatoren oder Härtern vernetzte kovalente Bindungen bilden.
Polyesterharze entstehen durch die Reaktion (Veresterung) zwischen zwei Monomertypen: einer Polysäure und einem Polyalkohol (Glykol). Dabei entsteht die Esterbindung (-COO-). Das Vorhandensein von “Ungesättigten” (C=C-Doppelbindungen) ist für die Aushärtung wesentlich.
So entsteht ein Polymer, das in einem reaktiven Monomer (meist Styrol) gelöst ist.
ARTEN DUROPLASTISCHER HARZE, DIE IN GFK VERWENDET WERDEN
Die wichtigsten Polyesterharze, die M.M. bei der Herstellung von Glasfaser – GFK verwendet, sind:
- Orthophthalharz
Standard und am weitesten verbreitet; basiert auf der Verwendung von Phthalsäureanhydrid. Guter Kompromiss zwischen Kosten und Leistung. - Isophthalharz
Bietet eine höhere chemische Beständigkeit als Orthophthalharz. Verwendet Isophthalsäure als Säurekomponente. - Vinylesterharz
Hat eine hybride chemische Struktur zwischen Epoxid- und Polyesterharz. Es ist das beständigste Harz und ideal für stark korrosive Umgebungen.
Einstufung der Harze nach chemischer Beständigkeit:
VINYLESTER > ISOPHTHAL > ORTHOPHTHAL
Diese Hierarchie steht in direktem Zusammenhang mit der Anfälligkeit der Esterbindungen. Vinylesterharze haben weniger davon und diese sind innerhalb der Hauptkette geschützt; dadurch bieten sie maximalen Schutz und sind die ideale Wahl für besonders anspruchsvolle Anwendungen.
GLASFASERN: DIE VERSTÄRKUNG IN GFK
Die Verstärkungen der Polymermatrix sind typischerweise Glasfasern. Glasfasern werden durch ein Schmelzspinnverfahren aus Rohstoffen (Quarzsand, Kalkstein, Kaolin usw.) bei hohen Temperaturen von etwa 1300-1500 °C hergestellt.
Glasfasertypen
- E-Glas (“Electrical”): der am weitesten verbreitete Typ. Besteht aus Calcium-Aluminium-Bor-Silikaten. Bietet gute mechanische und elektrische Eigenschaften zu angemessenen Kosten.
- S-Glas (“Strength”): gekennzeichnet durch einen hohen Gehalt an Siliciumdioxid und Aluminiumoxid. Entwickelt für Anwendungen, die im Vergleich zu E-Glas eine höhere Zugfestigkeit, einen höheren Elastizitätsmodul und eine höhere Temperaturbeständigkeit erfordern.
- C-Glas (“Chemical”): bietet dank eines hohen Gehalts an Calcium- und Boroxid eine ausgezeichnete chemische Korrosionsbeständigkeit. Speziell für aggressive chemische Umgebungen. Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
Glasfasern sind in verschiedenen Formen erhältlich, die für unterschiedliche Produktionsverfahren geeignet sind:
- Roving
Bündel kontinuierlicher Filamente, ideal für Faserwickeln (filament winding) und Pultrusion.- Matten
Schichten zufällig orientierter Fasern (chopped strand mat) oder orientierter Fasern (stitched mat), häufig bei Handlaminierung oder RTM verwendet.- Gewebe
In verschiedenen Bindungen gewebte Fasern (plain, twill, satin), um spezifische mechanische und richtungsabhängige Eigenschaften zu erzielen.- Schnittfasern
Fasern definierter Länge, die für Spritzguss oder Compounding (Mischen) verwendet werden.
EIGENSCHAFTEN VON GFK
Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
Mechanische Eigenschaften von Glasfaser
Thermische Eigenschaften von GFK
Brandverhalten
Beständigkeit gegen chemische und Umwelteinflüsse
Elektrische Eigenschaften von GFK
Hygroskopisches Verhalten
Dauerhaftigkeit und Alterung
HOHES FESTIGKEITS-GEWICHTS-VERHÄLTNIS
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Glasfaserkunststoff – GFK ist das ausgezeichnete Verhältnis zwischen mechanischer Festigkeit und spezifischem Gewicht. Dank der Verstärkung mit Glasfasern weist das Material eine Zug- und Biegefestigkeit auf, die mit einigen Metallen vergleichbar ist, bei deutlich geringerer Dichte. Dadurch können leichte und zugleich robuste Konstruktionen hergestellt werden, mit erheblichen Vorteilen bei der Handhabung, der Reduzierung statischer und dynamischer Lasten sowie geringeren Transport- und Montagekosten.
Vergleich mit anderen Materialien*
| Material | Zugfestigkeit (MPa) | Dichte (g/cm³) | Verhältnis σ/ρ (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Stahl | ~500–800 | ~7,8 | ~64–103 |
| Aluminium | ~300–550 | ~2,7 | ~111–204 |
| GFK | ~400–1200 | ~1,5–2,0 | ~200–800 |
Mechanische Eigenschaften von Glasfaser
Die mechanische Festigkeit von Glasfaser – GFK hängt von der kombinierten Wirkung des Gehalts und der Ausrichtung der Glasfaserverstärkung ab, aber auch von der Art des Harzes und der Sorgfalt der Verarbeitung. Mit steigendem Anteil der Glasfaserverstärkung nehmen sowohl die Zug- als auch die Biegebruchlast sowie die Schlagfestigkeit zu.
Hinsichtlich der Faserausrichtung wird die maximale Festigkeit erreicht, wenn alle Filamente parallel nebeneinander angeordnet sind (unidirektionale Anordnung); sind die Filamente zu gleichen Teilen im rechten Winkel zueinander angeordnet, ist die Festigkeit geringer, aber immer noch beträchtlich (orthogonale Anordnung); sind die Filamente ohne bevorzugte Ausrichtung angeordnet, ist die Festigkeit in allen Richtungen gleich (isotrope Anordnung).
Je geordneter die Faseranordnung ist, desto höher ist der erzielbare Glasgehalt und damit die mechanische Festigkeit.
GFK weist eine gute Schlagfestigkeit auf, dank der Fähigkeit der Fasern, Energie zu absorbieren und Spannungen zu verteilen. Im Gegensatz zu Stahl, der sich dauerhaft verformen kann (plastische Phase), verformt sich GFK nicht dauerhaft. GFK besitzt eine gute Oberflächenhärte und ein zufriedenstellendes Verhalten gegenüber abrasivem Verschleiß, wodurch es sich für strukturelle Anwendungen und Bauteile eignet, die mäßiger mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind. Das Material zeigt zudem eine gute Ermüdungsfestigkeit, insbesondere wenn die Fasern in Richtung der zyklischen Belastungen ausgerichtet sind.
Thermische Eigenschaften von GFK
GFK weist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, die typischerweise zwischen 0,2 und 0,4 W/m·K liegt, abhängig vom Anteil und der Ausrichtung der Glasfasern. Dies macht es im Vergleich zu Metallen und Legierungen (k = 36-54 W/m°C) zu einem ausgezeichneten Wärmeisolator, weshalb es in Anwendungen eingesetzt wird, die eine Reduzierung der Wärmeübertragung erfordern.
Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) wird vom Gehalt und der Ausrichtung der Fasern beeinflusst: Er ist in Faserrichtung geringer. Bedeutsam ist der Vergleich mit Stahl: Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von GFK beträgt 1,5×10⁻⁵/°C, der von Stahl dagegen 12×10⁻⁶/°C. Dies ist sowohl in der Planungsphase als auch bei der Verlegung von großer Bedeutung, insbesondere bei der Ausführung von Verbindungen.
Die Formbeständigkeitstemperatur (HDT – Heat Distortion Temperature) von GFK variiert je nach Harztyp. Gitterroste gewährleisten den Erhalt der mechanischen Eigenschaften bei kontinuierlicher Exposition bis zu Temperaturen von 105 °C (Vinylesterharz).
Brandverhalten
Bei Verbundwerkstoffen aus Polyesterharz ist die Polymermatrix hauptverantwortlich für das Brandverhalten, da es sich um ein organisches und brennbares Material handelt. Glasfasern sind anorganisch und brennen nicht, ihre mechanische Integrität kann jedoch durch hohe Temperaturen beeinträchtigt werden. Das Brandverhalten von Verbundwerkstoffen aus Polyesterharz kann durch die Zugabe von Flammschutzmitteln erheblich verbessert werden. Diese Zusatzstoffe wirken über verschiedene Mechanismen, um die Verbrennung zu hemmen. M.M. verwendet als Flammschutzmittel Aluminiumhydroxid, das sich bei etwa 180 °C zersetzt, wobei eine beträchtliche Menge an Wärme absorbiert und Wasserdampf freigesetzt wird. Neben seiner flammhemmenden Wirkung ist es sehr wirksam als Rauchunterdrücker. Es werden keine Halogene verwendet.
Die IFR-Gitterroste von M.M. sind gemäß EN 13501-1 in die Klasse Bfl-s1 eingestuft. Die IFR-Gitterroste wurden auch hinsichtlich des Tropfverhaltens bewertet, das den Verlust geschmolzener Tropfen des Produkts oder die Bildung brennender Partikel vor und nach der Verbrennung beschreibt, wobei die Klasse d0 erreicht wurde, d. h. kein Abtropfen.
Beständigkeit gegen chemische Mittel und Umwelteinflüsse
Eine der vorteilhaftesten Eigenschaften von GFK ist seine hohe Korrosionsbeständigkeit. Dieses Material wird häufig als Alternative zu Stahl in aggressiven Umgebungen eingesetzt, wie etwa in chemischen Anlagen und Infrastrukturen, die salzhaltiger Exposition oder Witterungseinflüssen ausgesetzt sind.
Bei Metallen ist Korrosion ein elektrochemischer Prozess, bei dem das Material dazu neigt, in eine stabilere Form (wie ein Oxid) zurückzukehren. Polymere „korrodieren“ in diesem Sinne nicht, sondern durchlaufen einen chemischen Abbauprozess. Stoffe wie Säuren, Basen, Lösungsmittel oder auch Wasser können die chemischen Bindungen des Polymers angreifen, die Ketten aufbrechen und das Material schwächen.
In Verbundwerkstoffen bildet das dichte Netzwerk kovalenter Bindungen eine sehr stabile und kompakte Struktur (dreidimensionales Netzwerk). Für ein aggressives chemisches Agens ist es äußerst schwierig, diese Barriere zu durchdringen und eine Schwachstelle zum Angriff zu finden. Die Natur des Netzwerks selbst macht das Material unlöslich. Während ein nicht vernetztes Polymer durch ein geeignetes Lösungsmittel „gelöst“ werden kann, kann ein Duroplast höchstens leicht aufquellen, sich jedoch nicht auflösen.
Elektrische Eigenschaften von GFK
Glasfaserprodukte besitzen dielektrische Eigenschaften, die sie zu ausgezeichneten elektrischen Isolatoren machen.
Die Tests zum spezifischen Oberflächenwiderstand Rs und Durchgangswiderstand Rt, zum Sicherheitswiderstand gegen Erde (Modell menschlicher Körper) sowie zur dielektrischen Durchschlagfestigkeit bei Nennspannung ergaben einen Widerstand von mehr als 200 MΩ und eine Stromaufnahme von etwa 300 μA: Das Material kann daher als ausgezeichneter Isolator bezeichnet werden, der den Sicherheitsnormen entspricht.
Hygroskopisches Verhalten
Glasfaser – GFK weist eine moderate Wasseraufnahmefähigkeit auf, die hauptsächlich durch die hygroskopische Natur der Polymermatrix beeinflusst wird. Die Wasseraufnahme kann je nach Umgebungsbedingungen und Harztyp zwischen 0,1 % und 1,0 % des Gewichts variieren und einige mechanische Eigenschaften im Laufe der Zeit beeinflussen.
Dauerhaftigkeit und Alterung
Glasfaser – GFK zeigt eine gute Langzeitbeständigkeit und behält seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften auch nach Jahren der Exposition bei. Es können stabilisierende Zusatzstoffe oder Schutzbeschichtungen hinzugefügt werden, um die Farbstabilität bei UV-Exposition zu verbessern.
WELCHE PRODUKTIONSTECHNOLOGIEN VERWENDET M.M.?
Glasfasergitterroste: der Produktionsprozess
Die GFK-Roste von M.M. werden mit zwei Haupttechnologien hergestellt:
- RTM (Resin Transfer Moulding), also Injektionsformungovvero stampaggio a iniezione
- HLU (Hand Lay Up)
In beiden Fällen basiert der Prozess auf dem Einlegen von Glasfaser-Roving in eine Form. Die Faser wird so angeordnet, dass ein Gitter entsteht, wobei mehrere Schichten übereinandergelegt werden:
- bei der RTM-Technologie wird die Faser trocken eingelegt
- bei der HLU-Technologie ist sie bereits mit Harz imprägniert
Nach Abschluss des Einlegens:
- bei der RTM-Produktion wird das Harz in die Form injiziert.
Die Injektion muss langsam und kontrolliert erfolgen, um die vollständige Imprägnierung der Fasern zu gewährleisten;- bei der HLU-Produktion wird Harz eingegossen, das die Form ausfüllt.
Der fertige Rost besteht aus einem monolithischen Gitterrost aus Trägern. Die Träger stehen orthogonal zueinander und besitzen die gleiche mechanische Festigkeit.
GFK-PROFILE: DIE PULTRUSIONSTECHNOLOGIE
Die Herstellung von GFK-Profilen basiert auf einer industriellen Technologie namens Pultrusion (von pull + extrusion), also einem Extrusionsverfahren durch Zug.
Diese Technologie ermöglicht die kontinuierliche Herstellung von Verbundwerkstoffteilen, auch mit hohem Verstärkungsanteil, in einfachen oder komplexen Formen mit konstantem Querschnitt.
Der Pultrusionsprozess:
- die Glasfasern werden von einem mechanischen System durch ein Imprägnierbad gezogen, wo sie das duroplastische Harz aufnehmen;
- die imprägnierten Fasern werden in eine beheizte Form gezogen, in der die Polymerisation stattfindet;
- die endgültige Form wird in der profilierten Matrize der Form erzeugt;
- das Bauteil tritt ausgehärtet aus, nicht durch Druck, sondern dank des kontinuierlich ausgeübten Zugs.
VERGLEICH ZWISCHEN METALLROSTEN UND GLASFASER-/GFK-ROSTEN UND -KONSTRUKTIONEN
Metallroste, ebenso wie verschiedene Stahlkonstruktionen, sind wahrscheinlich die bekannteste Art. Sie werden seit jeher verwendet, vor allem, weil sie eine geringe Anfangsinvestition erfordern. Metallroste und Metallkonstruktionen weisen jedoch einige Nachteile auf, die bei entsprechenden Glasfaserprodukten nicht auftreten, insbesondere wenn man den gesamten Lebenszyklus berücksichtigt.
WAS KOSTET GLASFASER – GFK IM VERGLEICH ZU METALL?
Im Gegensatz zu GFK-Rosten und -Konstruktionen weisen Metallprodukte nämlich folgende Kosten auf:
- hohe Kosten für Zuschnitt/Formgebung
- hohe Installationskosten
- Wartungskosten aufgrund geringer chemischer Beständigkeit und Witterungsbeständigkeit
- höhere Transportkosten aufgrund des höheren Materialgewichts
- höhere Erdungskosten, sofern aufgrund von Stromschlagrisiken erforderlich
- Umweltkosten im Zusammenhang mit der möglichen Freisetzung gefährlicher Stoffe.
- sicherheitsbezogene Kosten, da sie keine rutschhemmende Oberfläche haben
