Glasfaserverstärkter Kunststoff

Glasfaserverstärkter Kunststoff, oft auch kurz Glasfaserkunststoff (GFK), ist ein Faser-Kunststoff-Verbund aus einem Kunststoff und Glasfasern. Als Basis kommen sowohl duroplastische Kunststoffe (z. B. Polyesterharz [UP] oder Epoxidharz) als auch thermoplastische Kunststoffe (z. B. Polyamid) in Frage.

Endlos-Glasfasern wurden erstmals 1935 industriell in den USA als Verstärkungsfasern hergestellt. Die Massenproduktion wurde in den 1930er Jahren von Games Slayter (Owens Corning) und anderen entwickelt – damals diente das Material vor allem der Dämmung von Häusern.<ref name="Schürmann">H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer, 2005, ISBN 978-3-540-40283-1.</ref> Im PKW-Bereich wurde es in den 1950er Jahren eingesetzt, unter anderem im Kaiser Darrin und in der ersten Corvette. Das erste Flugzeug aus GFK war die Fs 24 Phönix der Akaflieg Stuttgart aus dem Jahr 1957.<ref name="Schürmann"/>

GFK ist umgangssprachlich auch als Fiberglas bekannt. Das Wort Fiberglas ist ein Anglizismus, der sich aus fiberglass (AE) bzw. fibreglass (BE), dem englischen Wort für Glasfaser, gebildet hat. In der Nicht-Fachwelt wird oft nur von den Fasern gesprochen, wenn von GFK oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) die Rede ist. Immer sind aber die faserverstärkten Kunststoffe gemeint, denn ohne die gestalt- und oberflächengebende Kunststoffmatrix wären die Bauteile gar nicht herstellbar.<ref>AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. (Hrsg.): Handbuch Faserverbund-Kunststoffe. Vieweg + Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-0881-3.</ref>

Eigenschaften und Anwendungsgebiete

Eigenschaften
Fasertyp: E-Glasfaser Matrixtyp: Epoxidharz Faservolumenanteil 60 % alle Angaben sind charakteristische Durchschnittswerte
Grundelastizitätsgrößen
}</math>	44 500 N/mm²
<math>E_{\perp}</math>	13 000 N/mm²
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<math>G_{\perp\perp}</math>	5 100 N/mm²
\perp}</math>	0,25
Dichte
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Grundfestigkeit
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}</math>	900 N/mm²
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<math>R^{-}_{\perp}</math>	120 N/mm²
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Wärmeausdehnungskoeffizienten
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Datei:Rasterelektronenmikroskopie Glasfaserverstaerkter Kunststoff.jpg

Rasterelektronenmikroskopie der Bruchkante eines Glasfaserverstärkten Kunststoffs. Die Glasfasern sind gelb dargestellt, die Polymermatrix blau. Die Aufnahme wurde künstlich eingefärbt.

Datei:Glass reinforced plastic SEM Stereo 50x.JPG

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 50× (bez. auf Mittelformatnegativ)

Datei:Glass reinforced plastic SEM Stereo 200x.JPG

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 200× (bez. auf Mittelformatnegativ)

Datei:Glass reinforced plastic SEM Stereo 500x.JPG

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 500× (bez. auf Mittelformatnegativ)

Datei:Glass reinforced plastic SEM Stereo 1000x.JPG

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 1000× (bez. auf Mittelformatnegativ)

Datei:Museo di Santa Giulia Vittoria alata copia vetroresina Brescia.jpg

GFK Kopie einer antiken römischen Statue im Santa Giulia Museum in Brescia

Datei:Eames-stapelstuhl.jpeg

Stapelstuhl aus GFK

Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind ein kostengünstiger und dennoch sehr hochwertiger Faser-Kunststoff-Verbund. In mechanisch hoch beanspruchten Anwendungen findet sich glasfaserverstärkter Kunststoff ausschließlich als Endlosfaser in Geweben oder in UD-Bändern.

Verglichen mit Faser-Kunststoff-Verbunden aus anderen Verstärkungsfasern hat der glasfaserverstärkte Kunststoff im Verbund mit einer passenden Kunststoffmatrix hohe Bruchdehnung, hohe elastische Energieaufnahme, aber einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul. Selbst in Faserrichtung liegt er unter dem von Aluminium. Für Bauteile mit hohen Steifigkeitsanforderungen ist er daher nicht geeignet, dafür aber gut für Blattfedern und ähnliche Bauteile.

Glasfaserverstärkter Kunststoff hat auch in aggressiver Umgebung ein ausgezeichnetes Korrosionsverhalten. Dies macht ihn zu einem geeigneten Werkstoff für Behälter im Anlagenbau oder auch für Bootsrümpfe. Da diese Rümpfe auch unmagnetisch sind, wurde das Material schon ab 1966 zum Bau von Minensuchbooten verwendet.<ref>Ю.В.Апальков: Корабли ВМФ СССР. Том IV – Десантные и минно-тральные корабли. Sankt Petersburg 2007, ISBN 978-5-8172-0135-2, S. 111 und folgende</ref>

Die über der von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff liegende Dichte wird bei diesen Anwendungen in Kauf genommen.

Mit einer geeigneten Matrix hat glasfaserverstärkter Kunststoff eine gute elektrische Isolationswirkung, was ihn zu einem gut brauchbaren Werkstoff der Elektrotechnik macht. Besonders Isolatoren, die hohe mechanische Lasten übertragen müssen, werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Schaltschränke für den Außenbereich werden wegen der Beständigkeit und Stabilität des Materials häufig aus GFK gefertigt.

Marktlage

2015 wurden in Europa ca. 1.069.000 Tonnen GFK hergestellt. Wichtigster Abnehmer war mit 35 % der Gesamtmenge die Transportindustrie, gefolgt von der Konstruktionsindustrie (unter anderem für Rotorblätter von Windkraftanlagen) sowie die Elektronik- und Sportgeräteindustrie mit 30 %.<ref>Möglichkeiten zur Wiederverwertung von Rotorblättern von Onshore-Windenergieanlagen (PDF){{#switch:

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Im Jahr 2014 wurden in Europa die folgenden Mengen an glasfaserverstärktem Kunststoff verarbeitet:

Behälter und Rohre, überwiegend im Faserwickel- und Schleuderverfahren: Vorlage:ZahlExp
GMT und LFT (siehe Faser-Matrix-Halbzeuge): Vorlage:ZahlExp
Kontinuierliche Verfahren, wie z. B. die Pultrusion: Vorlage:ZahlExp
RTM-Verfahren: Vorlage:ZahlExp
Pressen von SMC und BMC: Vorlage:ZahlExp
Verfahren mit offener Form, wie z. B. Handlaminieren oder Faserspritzen: Vorlage:ZahlExp
andere Verfahren: Vorlage:ZahlExp

Insgesamt wurden 1.043 kt glasfaserverstärkter Kunststoff in Europa im Jahr 2014 verarbeitet.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:Elmar Witten, Thomas Kraus, Michael Kühnel|Elmar Witten, Thomas Kraus, Michael Kühnel: }}{{#if:|{{#if:Composites-Marktbericht 2015|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Composites-Marktbericht 2015}}]{{#if:PDF; 1,3 MB| (PDF; 1,3 MB)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.avk-tv.de/files/20151214_20150923_composites_marktbericht_gesamt.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Composites-Marktbericht 2015}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.avk-tv.de/files/20151214_20150923_composites_marktbericht_gesamt.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Composites-Marktbericht 2015}}}}]}}{{#if:PDF; 1,3 MB| (PDF; 1,3 MB{{#if:avk-tv.deAVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe2015-09-21{{#if: 2016-04-11 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Sorten

Einige typische Sorten glasfaserverstärkter Kunststoffe sind:

	EN 60893-3	NEMA LI 1-1998	MIL
Epoxidharz-Laminat	EP GC 202	FR-4	MIL-I-24768/27 (GEE-F)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 204	FR-5	MIL-I-24768/28 (GEB-F)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 201	G-10	MIL-I-24768/2 (GEE)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 203	G-11	MIL-I-24768/3 (GEB)
Melaminharz-Laminat	MF GC 201	G-5	MIL-I-24768/8 (GMG)
Melaminharz-Laminat	MF GC 201	G-9	MIL-I-24768/1 (GME)
Phenol-Formaldehydharz-Laminat	PF GC 301	G-3	MIL-I-24768/18 (GPG)
Polyesterharz-Laminat	UP GM 201	GPO-1	MIL-I-24768/4 (GPO-N-1)
Polyesterharz-Laminat	UP GM 202	GPO-2	MIL-I-24768/5 (GPO-N-2)
Polyesterharz-Laminat	UP GM 203	GPO-3	MIL-I-24768/6 (GPO-N-3)
Polyesterharz-Laminat		GPO-1P	MIL-I-24768/31 (GPO-N-1P)
Polyesterharz-Laminat		GPO-2P	MIL-I-24768/32 (GPO-N-2P)
Polyesterharz-Laminat		GPO-3P	MIL-I-24768/33 (GPO-N-3P)
PTFE-Laminat			MIL-I-24768/7 (GTE)
Silikonharz-Laminat	SI GC 201	G-7	MIL-I-24768/17 (GSG)

Typische Bauteile

Kurz- und langfaserverstärkte Bauteile

Kurzfaserverstärkte Bauteile finden vor allem Verwendung als Verkleidungen oder werden wegen der guten Formbarkeit und großen Gestaltungsfreiheit hergestellt. Kurzfaserverstärkte Bauteile weisen meist ein quasiisotropes Verhalten auf, da die Kurzfasern zufällig verteilt vorliegen. Eine schwach ausgeprägte Orthotropie kann beim Spritzguss von kurzfaserverstärkten Thermoplasten entstehen. Die Fasern orientieren sich dabei entlang der Fließlinien. Die Beimischung von Kurzglasfasern zu Thermoplasten verbessert deren Steifigkeit, Festigkeit und insbesondere deren Verhalten bei hohen Temperaturen. Das Kriechen kurzfaserverstärkter Thermoplaste ist geringer als das des Grundmaterials.

Endlosfaserverstärkte Bauteile

Endlosfaserverstärkte Bauteile werden mit definierten Materialeigenschaften hergestellt. Immer häufiger finden sie Verwendung im Leichtbau.

GFK aus Geweben oder Gelegen
GFK aus Rovings oder unidirektionalen Geweben/Gelegen (hergestellt im Strangziehverfahren)
Mischformen aus den oben genannten Arten

Dabei werden als Matrix meist Duroplaste verwendet. Zum Beispiel wurde unter dem Begriff Fiberglas ein Verbundwerkstoff aus gewobenen Glasfasermatten und Polyesterharz bekannt.

Anwendungen (Auswahl)

Bewehrung im Betonbau
Blattfedern
Duschwannen und Badewannen
Fahrzeugteile (z. B. Motorhauben, Kotflügel)
Hüllen und Umwandungen
Kleinformteile
Kletterhilfen für die Fassadenbegrünung mit Kletterpflanzen
Profile und Bewehrungen
Rohre
Rotorblätter für Windenergieanlagen und Helikopter
Rümpfe und Tragflächen von Segelflugzeugen oder Hochleistungs-Motorflugzeugen
Rümpfe von Booten und Yachten
Fahrzeugverkleidungen im Automobilrennsport
Spielplatzrutschen/Rutschbahnen
Wasserrutschen
Taktstöcke und Violinbögen
Verkleidungen und Fassaden
Wurfarme für den Bogensport etwa Armbrüste und Compoundbögen
Angelbauteile
Ski
Ausleger für Straßenbahnoberleitungen
Hangar- und Industrietore
Leiterplatten
Kühltürme
Schutzhülle für UHF-Sendeantennen
Tanks für Lebensmittel- und chemische Industrie
Herstellung von Skulpturen

Probleme bei der Herstellung und Verarbeitung

Bei der Verwendung von Polyesterharzen werden Styroldämpfe freigesetzt. Diese reizen die Schleimhäute und Atemwege. Deshalb schreibt die GefStoffV einen maximalen Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 86 mg/m³ vor. In bestimmten Konzentrationen kann sogar ein explosionsfähiges Gemisch entstehen. Bei der Weiterbearbeitung von GFK-Bauteilen (Schleifen, Schneiden, Sägen) entstehen Feinstäube und Späne mit glasigen Filamenten sowie klebrige Stäube in erheblichen Mengen. Diese beeinträchtigen die Gesundheit von Menschen und die Funktionalität der Maschinen und Anlagen. Damit Arbeitsschutzvorschriften eingehalten und die Wirtschaftlichkeit nachhaltig gewährleistet werden kann, ist die Installation von effektiven Absaug- und Filteranlagen nötig.<ref>{{#if:2012-08-13|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}| |}}}}{{#if:Volker Türschmann, Christian Jakschik, Hans-Jürgen Rothe|Volker Türschmann, Christian Jakschik, Hans-Jürgen Rothe: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20120813034819/http://www.ult.de/filebase/whitepaper_reine_luft_bei_gfk_fertigung_1103.pdf%7C{{#if:Problemlösungen in der GFK-Fertigung – Thema: Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK)|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20120813034819/http://www.ult.de/filebase/whitepaper_reine_luft_bei_gfk_fertigung_1103.pdf}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Problemlösungen in der GFK-Fertigung – Thema: Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK)}}]{{#if:PDF| (PDF)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.ult.de/filebase/whitepaper_reine_luft_bei_gfk_fertigung_1103.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C1}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Problemlösungen in der GFK-Fertigung – Thema: Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK)}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.ult.de/filebase/whitepaper_reine_luft_bei_gfk_fertigung_1103.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Problemlösungen in der GFK-Fertigung – Thema: Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK)}}}}]}}{{#if:PDF| (PDF{{#if:1ult.deULT AG2011-03https://web.archive.org/web/20120813034819/http://www.ult.de/filebase/whitepaper_reine_luft_bei_gfk_fertigung_1103.pdf{{#if: 2016-04-11 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}

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Entsorgung/Verwertung

GFK kann in der Zementproduktion als Ersatzbrennstoff beigemischt werden, wobei der Kunststoffanteil Energie liefert und der Glasanteil Teil des Zementrohstoffs wird.<ref>Antwort auf die mündliche Anfrage: Wie entsorgt man ein Windrad? Niedersächsisches Institut für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz, 15. Juni 2017, abgerufen am 23. September 2019.</ref> Die Firma Neocomp GmbH hat dieses Verfahren entwickelt und wendet es derzeit an (Stand: September 2019).<ref>Simon Schomäcker: Recycling von Glasfaser-Kunststoff: Aus Windkrafträdern wird Straßenbelag. Deutschlandfunk, 10. Februar 2017; abgerufen am 23. September 2019</ref>

Siehe auch

Weblinks

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Literatur

Detlef Jens: Die klassischen Yachten. Band 2: Die Kunststoffrevolution. Koehlers Verlagsgesellschaft, Hamburg 2007, ISBN 978-3-7822-0945-8.
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Einzelnachweise