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definition - Faserverbundwerkstoff

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synonyms - Faserverbundwerkstoff

see also - Faserverbundwerkstoff

Faser (n.f.)

geädert

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phrases

analogical dictionary


 

(Faser)[Thème]

(Nervensystem)[Thème]

(Holz)[Thème]

systèmes du corps humain (fr)[DomainDescrip.]

Faser[ClasseHyper.]

système nerveux (fr)[DomainDescrip.]

bois (matière) (fr)[DomainDescrip.]

Faser (n.)




Wikipedia

Verbund

                   

Verbund steht für:

Diese Seite ist eine Begriffsklärung zur Unterscheidung mehrerer mit demselben Wort bezeichneter Begriffe.
   
               

Werkstoff

                   
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Werkstoffe sind Materialien, die in Produktionsprozessen verarbeitet werden und in die Endprodukte eingehen. In der Regel handelt es sich dabei um Rohstoffe, Hilfsstoffe, Halbzeuge und Halbfertigprodukte.

Die Qualität und die Eigenschaften der Endprodukte oder Fertigprodukte werden durch die Wahl geeigneter Werkstoffe entscheidend beeinflusst. Zur Sicherstellung der Güte (Qualität) werden Werkstoffe im Rahmen der Werkstoffprüfung geprüft.

Inhaltsverzeichnis

  Gliederung

Voraussetzung für die Herstellung von Gütern, Waren und Werken ist nach der betriebswirtschaftlichen Systematik die Verfügbarkeit von Betriebsmitteln und Werkstoffen. Die Werkstoffe können weiter untergliedert werden: Typische Gliederungen für die Werkstoffe sind:

In der heutigen Werkstoffkunde unterscheidet man im Allgemeinen fünf Werkstoffgruppen:

Darüber hinaus stellen die Verbundwerkstoffe eine Kombination aus Werkstoffen mehrerer Werkstoffgruppen dar. Eine weitere Einteilungsmöglichkeit unterscheidet nach:

  Geschichte

Der Einsatz von Werkstoffen zieht sich bereits durch die gesamte Vorgeschichte der Menschheit. Das Material für einen Faustkeil (Stein) ist ein Werkstoff und ein Charakteristikum der Steinzeit.

Im 8. Jahrtausend v. Chr. begann die technische Nutzung von Metallen. Zunächst wurde mit gediegenen (elementar vorkommenden) Metallen wie Gold, Silber und Kupfer gearbeitet. Der Gebrauchswert dieser Werkstoffe war jedoch noch zu gering, was zur Entdeckung und Herstellung der ersten Legierung, nämlich der Bronze, führte. Die Herstellung von Bronze setzt bereits einen fortschrittlichen Bergbau zur Bereitstellung von Kupfer- und Zinnerzen voraus. Außerdem waren Verhüttungstechniken nötig. Die immer bessere Beherrschung dieser Technologien führte schließlich dazu, dass auch Eisen verhüttet werden konnte. Nach dem Dreiperiodensystem werden die jeweiligen Perioden nach den fortschrittlichsten eingesetzten Werkstoffen bezeichnet (siehe auch Hauptartikel Archäometallurgie).

Parallel dazu wuchs mit der Entstehung von Siedlungen und Städten der Bedarf nach Werkstoffen für das Bauwesen (Stein, Holz), Hieb- und Stichwaffen, Münzen (Metalle) und Haushaltsgegenständen (zum Beispiel Keramikgefäße, Glaskunst).

  Eigenschaften

Dieser Artikel oder Abschnitt besteht hauptsächlich aus Listen, an deren Stelle besser Fließtext stehen sollte.

  Physikalische Werkstoffeigenschaften

Elektrische Eigenschaften:

Mechanische Eigenschaften:

Optisch-akustische Eigenschaften:

Tribologische Eigenschaften:

Thermische Eigenschaften:

Sonstige physikalische Eigenschaften:

  Chemische Werkstoffeigenschaften

  Technologische Werkstoffeigenschaften

  Ökologische Werkstoffeigenschaften

  • Rohstoffverbrauch bei Herstellung, Transport, Verarbeitung und Gebrauch
  • Emissionen durch Herstellung, Transport, Verarbeitung und Gebrauch
  • Energieverbrauch bei Herstellung, Transport, Verarbeitung und Gebrauch
  • Giftigkeit
  • Recyclingfähigkeit

sowie die mögliche Zusammensetzung des Werkstoffes aus verschiedenen chemischen Stoffen

  Siehe auch

  Literatur

  Weblinks

   
               

Faserverbundwerkstoff

                   
  Textilbetonbrücke in Lautlingen, Deutschland
  Textilbeton-Brücke in Lautlingen vor dem Stauffenberg-Schloss

Ein Faserverbundwerkstoff ist ein aus im Allgemeinen zwei Hauptkomponenten (einer bettenden Matrix sowie verstärkenden Fasern) bestehender Mehrphasen- oder Mischwerkstoff. Durch gegenseitige Wechselwirkungen der beiden Komponenten erhält dieser Werkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.

Inhaltsverzeichnis

  Allgemeines

Im Unterschied zu bisherigen Verbundwerkstoffen, wie zum Beispiel Stahlbeton, wird mit der Einführung extrem dünner Fasern (einige µm Durchmesser) unter Anderem der Effekt der spezifischen Festigkeit genutzt. Dieser Zusammenhang wurde in den zwanziger Jahren von Griffith entdeckt und lautet: Ein Werkstoff in Faserform hat in Faserrichtung eine vielfach größere Festigkeit als dasselbe Material in anderer Form. Je dünner die Faser ist, desto größer ist ihre Festigkeit. Die Ursache hierfür liegt in einer zunehmenden Gleichrichtung der Molekülketten mit abnehmender zur Verfügung stehender Fläche. Zudem werden zum Bruch führende Fehlstellen (weakest link theory) im Material auf sehr große Abstände verteilt, sodass die Fasern weitgehend frei von Fehlstellen sind, die einen Bruch verursachen können. Da bei gleicher Festigkeit die schwere, feste Komponente eingespart und durch eine leichtere ersetzt werden kann, entsteht ein Werkstoff mit einer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis aus Festigkeit und Gewicht). Außerdem führt ein Fehler im Material nicht zum Versagen des gesamten Bauteils, sondern vorerst nur zum Bruch einer einzelnen Faser im Verbund.

Da die Fasern je nach Beanspruchung ausgerichtet und in ihrer Dichte (Anzahl pro Fläche) angepasst werden können, entstehen mit Hilfe entsprechender Herstellungsverfahren maßgeschneiderte Bauteile. Um die Festigkeit in verschiedene Richtungen zu beeinflussen, werden statt einzelner Fasern Gewebe oder Gelege verwendet, die vor dem Kontakt mit der Matrix hergestellt werden.

  Funktionsweise

Die höherwertigen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffes werden erst durch das Zusammenspiel beider Komponenten erreicht. Aus zwei Komponenten ergeben sich somit drei wirkende Phasen im Material: Sehr zugfeste Fasern, eine relativ weiche, sie bettende Matrix und eine beide Komponenten verbindende Grenzschicht.

  Bedingungen für die Verstärkungswirkung von Fasern

Nicht alle Kombinationen von Faser- und Matrixwerkstoffen führen zu einer Erhöhung der Festigkeit und der Steifigkeit des neuen Verbundes. Es müssen drei Bedingungen erfüllt sein, damit in faserparalleler Richtung eine Verstärkungswirkung eintritt:

  1. EFaser, längs > EMatrix
    Der Elastizitätsmodul der Faser in Längsrichtung muss größer sein als der Elastizitätsmodul des Matrixwerkstoffs.
  2. εBruch, Matrix > εBruch, Faser
    Die Bruchdehnung des Matrixwerkstoffs muss größer sein als die Bruchdehnung der Fasern.
  3. RFaser, längs > RMatrix
    Die Bruchfestigkeit der Fasern muss größer sein als die Bruchfestigkeit des Matrixwerkstoffs.

Senkrecht zur Faser tritt in der Regel keine Steigerung der Festigkeiten auf. Grund ist die Dehnungsvergrößerung.

  Aufgaben der Komponenten

  • Die Matrix gibt dem Faserverbundwerkstoff sein Aussehen. Sowohl der Farbe als auch der Oberflächenstruktur sind kaum Grenzen gesetzt. In mechanischer Hinsicht muss sie die verstärkenden Fasern in ihrer Position halten und Spannungen zwischen ihnen übertragen und verteilen. In Bezug auf die Dauerhaftigkeit hat sie die Aufgabe, die Fasern vor äußeren mechanischen und chemischen Einflüssen zu schützen.
  • Die Fasern geben dem Faserverbundwerkstoff die notwendige Festigkeit. Neben der Zugfestigkeit kann, falls der Werkstoff auf Druck beansprucht wird, auch die Biegefestigkeit eine Rolle spielen.
  • Die Grenzschicht dient der Spannungsübertragung zwischen den beiden Komponenten. Sie überträgt ausschließlich Schub und kann sehr abstrakte Formen annehmen, wenn der Schub beispielsweise über reine Reibung erfolgt. In anderen Fällen jedoch, beispielsweise bei Schub über Klebehaftung, ist sie herstellungstechnisch gewollt und physisch vorhanden. Im letzteren Fall werden die Fasern vor dem ersten Kontakt mit der Matrix mit einem Kopplungsmittel beschichtet, welches chemisch mit beiden Komponenten reagieren kann und einen möglichst ununterbrochenen Übergang garantiert.

Ein wichtiger Faktor bei der Bemessung von Faserverbundwerkstoffen ist das Volumenverhältnis (Faservolumenanteil) zwischen Fasern und Matrix. Je höher der Anteil an Fasern ist, desto fester, jedoch auch starrer und spröder wird der Werkstoff. Dies kann zu Problemen führen, wenn gewisse Verformungen überschritten werden.

  Prinzip der Kraftübertragung

  Abb.:1 Veranschaulichung der Spannungsübertragung in Faserverbundwerkstoffen mit Darstellung der mitwirkenden Länge und der Spannungsverteilung in der Faser.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist es im Falle einer konzentriert aufgebrachten Zugkraft unmöglich, diese direkt an den Fasern angreifen zu lassen, da diese immer von einer Matrixschicht überdeckt sind. Die Zugkraft wirkt somit nur auf die Matrix in Form von konzentrierten Spannungen und wird von dieser auf die nächstliegendsten Fasern verteilt. Die Größe dieses „Ausbreitfeldes“ (die mitwirkende Länge einer Faser) hängt vom Spannungsverhältnis zwischen Faser und Matrix ab: Eine weiche Matrix kombiniert mit steifen Fasern ergeben große mitwirkende Längen, eine steife Matrix mit weichen Fasern ergibt kleine mitwirkende Längen. Spannungen müssen jedoch nicht unbedingt in konzentrierter Form aufgebracht werden, eine Variante zur Erzeugung von Zugspannungen ist zum Beispiel ein aufgebrachtes Drehmoment. Das Wirkungsprinzip ändert sich nicht.

  Abb.:2 Veranschaulichung des Funktionsprinzips druckbeanspruchter, in eine Matrix eingebetteter Fasern.

Im Falle von längs zum Faserverlauf wirkendem Druck, wie er auch bei Biegung auftritt, funktioniert die Matrix wie eine Bettung und die Faser (das Faserbündel) wie ein elastisch gebetteter Balken, siehe auch Abbildung 2. Hier sind wichtige Materialeigenschaften die Matrixsteifigkeit k und die Biegesteifigkeit der Faser E·I (Steifigkeit multipliziert mit dem Flächenträgheitsmoment). Die Berechnung wird nun sehr viel komplexer, da nun außer der schieren Zugfestigkeit der Faser auch deren Durchmesser wegen des Flächenträgheitsmoments eine Rolle spielt. Der Fall Druck wird seit Mitte der sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts erforscht und stellt noch heute eine wissenschaftliche Herausforderung dar. Durch Rechnereinsatz und moderner FEM Programme wird gegenwärtig versucht, die theoretischen Ansätze numerisch zu beweisen und nachzuvollziehen. Die Probleme liegen einerseits in der Tatsache, dass es sich um ein Stabilitätsproblem handelt und somit schon kleinste Veränderungen in der Werkstoffzusammensetzung erhebliche Auswirkungen auf die ertragbaren Kräfte haben können. Zum anderen versagt ein hochentwickelter Mehrphasenwerkstoff in vielfältiger Weise und unterschiedliche Mechanismen wechseln sich während des Versagens ab und bedingen sich teilweise gegenseitig. Druckversagen findet sehr plötzlich, schnell und teilweise ohne Vorwarnung statt. Somit ist er sehr schlecht zu beobachten, was die Analyse erschwert.

  Materialien

Neben den rein mechanischen Eigenschaften, also der notwendigen berechneten Festigkeit, spielen vor allem Dauerhaftigkeits- und Preisfragen eine große Rolle bei der Wahl der Materialien. Um ein gutes Funktionieren zu gewährleisten, sollten die Steifigkeiten der beiden Komponenten aufeinander abgestimmt werden, so dass sich auftretende Kraftspitzen gut im Material verteilen können. Im Einzelnen werden folgende Materialien eingesetzt:

  Fasern

  • Glasfasern
    Glasfasern sind hauptsächlich wegen ihres relativ geringen Preises die am häufigsten verwendeten Fasertypen. Es gibt Glasfasertypen für unterschiedliche Einsatzgebiete.
  • Kohlenstofffasern
    Siehe dort.
  • Keramikfasern
    Endlose Keramikfasern aus Aluminiumoxid, Mullit (Mischoxid aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid), SiBCN, SiCN, SiC etc. sind teure Spezialfasern für hochtemperaturbelastbare Verbundwerkstoffe mit einer Keramikmatrix. Die nicht-oxidischen Fasern werden, ähnlich wie Kohlenstofffasern, aus organischen Harzen gewonnen, in denen neben Kohlenstoff auch Silicium enthalten ist.
  • Aramidfasern
    Siehe dort.
  • Borfasern
  • Stahlfasern
    Stahlfasern werden hauptsächlich im Bauwesen bei Stahlfaserbeton verwendet. Diese Anwendung ist stark im wachsen und hat besonders wirtschaftliche Vorteile.
  • Naturfasern
    Die am häufigsten für die Produktion von Faserverbundwerkstoffen eingesetzten Fasern sind die heimischen Flachs- und Hanffasern sowie subtropische und tropische Fasern wie Jute-, Kenaf-, Ramie- oder Sisalfasern.
  • Nylonfasern
    Fasern mit einer hohen Bruchdehnung sind von Vorteil, wenn das Bauteil Stöße aufnehmen muss und diese Eigenschaft für die Bemessung maßgebend ist.

  Matrix

Die Wahl der Matrix teilt die Faserverbundwerkstoffe in zwei Gruppen: Faser-Kunststoff-Verbunde (verstärkter Kunststoff, faserverstärkte Kunststoffe) und Andere.

Während die Kunstharze und Elastomere bis zu ihrer Aushärtung flüssig vorliegen, sind Thermoplaste bis ca. 150 °C (teilweise bis 340 °C) fest. Die duroplastischen Kunstharze sind in der Regel glassspröde und verformen sich nicht plastisch. Faserverstärkte Kunststoffe aus Thermoplaste lassen sich unter Hitze nachträglich umformen. Die Mikro- und Makrotränkung der Fasern ist bei Kunstharzen einfacher als bei festen Thermoplasten. Thermoplaste werden zur Tränkung erhitzt oder in einem Lösungsmittel gelöst.

In den letzten Jahren wurde die Forschung im Bereich der Biopolymere stark intensiviert. Durch den Einsatz von duroplastischen und thermoplastischen Biokunststoffen lassen sich biologisch abbaubare oder dauerhafte Verbundwerkstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe herstellen, die oftmals vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie natur- und glasfaserverstärkte erdölbasierte Polymere.

  Typen und Herstellungsverfahren

  Laminate

Die Gruppe der Laminate nutzt alle Vorteile der individuellen Faserausrichtung. Sie bestehen meist aus mehreren übereinander gelegten Faserhalbzeugen (z.B. Gewebe, Gelege, Matten) mit unterschiedlichen Hauptfaserrichtungen. Für ihre Herstellung gibt es mehrere Verfahren:

  • Handlegeverfahren
    Die Faserhalbzeuge (Gewebe/Gelege/Fasermatten) werden von Hand in eine Form eingelegt und mit Kunstharz getränkt. Anschließend werden sie mit Hilfe einer Rolle durch Anpressen entlüftet. Dadurch soll nicht nur die im Laminataufbau vorhandene Luft, sondern auch überschüssiges Harz entfernt werden. Dieses Vorgehen wird so oft wiederholt, bis die gewünschte Schichtstärke vorhanden ist. Man spricht auch von einem „Nass in Nass“-Verfahren. Nach dem Aufbringen aller Schichten härtet das Bauteil durch die chemische Reaktion des Harzes mit dem Härter aus. Das Verfahren stellt keine großen Ansprüche an die Werkzeuge und ist auch für sehr große Bauteile geeignet. Es wird oft im Serienbau eingesetzt, wo zwar leichte Bauteile erwünscht sind, aber auch kostengünstig produziert werden soll.
    Vorteile sind geringer Werkzeug- und Ausstattungsaufwand, dem gegenüber stehen die geringere Bauteilqualität (geringerer Fasergehalt) und der hohe manuelle Aufwand, der geschulte Laminierer voraussetzt. Die offene Verarbeitung des Harzes stellt hohe Ansprüche an den Arbeitsschutz.
  • Handauflegen mit Vakuumpressen
    Nach dem Einbringen aller Verstärkungs- und Sandwichmaterialien wird die Form mit einer Trennfolie, einem Absaugvlies und einer Vakuumfolie abgedeckt. Zwischen der Vakuumfolie und der Form wird ein Unterdruck erzeugt. Dieser bewirkt, dass der Verbund zusammengepresst wird. Eventuell noch enthaltene Luft wird abgesaugt. Überschüssiges Harz wird vom Absaugvlies aufgenommen. So kann gegenüber dem Handauflegeverfahren eine noch höhere Bauteilqualität erzielt werden.
  • Prepreg-Technologie
    Mit Matrixwerkstoff vorimprägnierte (also bereits getränkte) Fasermatten werden auf die Form aufgelegt. Das Harz ist dabei nicht mehr flüssig, sondern hat eine leicht klebrige feste Konsistenz. Der Verbund wird anschließend mittels Vakuumsack entlüftet und danach, häufig im Autoklaven, unter Druck und Hitze ausgehärtet. Das Prepregverfahren ist aufgrund der notwendigen Betriebsausstattung (Kühlanlagen, Autoklav) und der anspruchsvollen Prozessführung (Temperaturmanagement) eines der teuersten Herstellungsverfahren. Es ermöglicht neben dem Faserwickeln und den Injektions- und Infusionsverfahren jedoch die höchsten Bauteilqualitäten. Das Verfahren findet vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, sowie für Leistungssportgeräte Anwendung.
  • Vakuum-Infusion
      Vakuumaufbau
      Fertiges Bauteil
    Bei diesem Verfahren wird das trockene Fasermaterial (Rovings, Matten, Gelege, Gewebe, …) in eine mit Trennmittel beschichtete Form eingelegt. Darüber wird ein Trenngewebe sowie ein Verteilermedium gelegt, das das gleichmäßige Fließen des Harzes erleichtern soll. Mittels Vakuum-Abdichtband wird die Folie gegen die Form abgedichtet und das Bauteil anschließend mit Hilfe einer Vakuumpumpe (meist Drehschieberpumpen) evakuiert. Der Luftdruck presst die eingelegten Teile zusammen und fixiert sie. Das temperierte flüssige Harz wird durch das angelegte Vakuum in das Fasermaterial gesaugt. Um zu verhindern, dass überschüssiges Harz nach dem Passieren der Fasern in die Vakuumpumpe gerät, wird vor der Pumpe eine Harzbremse und/oder Harzfalle montiert. Nachdem die Fasern vollständig getränkt sind, wird die Harzzufuhr unterbunden und der getränkte FVK kann nach dem Aushärten entformt werden. Die Aushärtezeiten sind abhängig vom gewählten Matrix-Werkstoff (Harz) und der Temperatur. Vorteil dieses Verfahrens ist die gleichmäßige und fast blasenfreie Tränkung der Fasern und somit die hohe Qualität der produzierten Bauteile sowie die Reproduzierbarkeit. Es werden heute schon Bauteile wie zum Beispiel Rotorblätter für Windkraftanlagen mit einer Länge von mehr als 50 Metern mit diesem Verfahren gefertigt. Weiterentwicklungen zum Vakuuminfusionsverfahren sind das Differential Pressure Resin Transfer Moulding (DP-RTM) und Single Line Injection-Verfahren (SLI).
  • Faserwickeln
    Das Faserwickelverfahren ist eine Technik zum Ablegen von Endlosfasersträngen (Rovings) auf einer (zumindest annähernd) zylindrischen Form. Mit diesem Verfahren werden Fasern sehr straff und eng aneinander liegend mit einer hohen Maßgenauigkeit positioniert. Zum Wickeln der Fasern ist ein Körper notwendig, der dem Bauteil seine spätere Gestalt gibt. Diesen Körper nennt man wie beim Urformen üblich Kern. Auch beim Faserwickeln unterscheidet man zwischen verlorenen und wiederverwendbaren Kernen.
    Verlorene Kerne werden meist aus leichtem Hartschaum gefertigt, der entweder im Bauteil verbleibt oder chemisch aufgelöst wird.
    Bei gewickelten Druckbehältern besteht die Besonderheit darin, dass der dünnwandige Kern (zum Beispiel aus HD-Polylethylen bestehend) als gasdichte Barriere im Inneren verbleibt. Sind diese sogenannten Liner aus Metall, dann können sie auch mittragend sein und bilden zusammen mit der Matrix aus Verbundwerkstoff ein Hybrid-System. Hier ist der Kern zwar auch „verloren“, ist aber gleichzeitig funktionaler Bestandteil der Konstruktion.
    Wiederverwendbare Kerne sind meist aus Aluminium gefertigt; sie schränken naturgemäß die Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion ein, da sich der Kern aus dem Bauteil entfernen lassen muss.
    Beispiele für fasergewickelte Teile sind Leuchttürme, Hüllen von Straßenbahnwaggons und Bussen oder Silos.
    Als Tränkverfahren sind üblich:
    • Die Endlosfaser beziehungsweise der Strang wird zunächst durch ein Tränkbad geführt, in dem sie mit dem Matrixwerkstoff benetzt wird und dann um eine Form gewickelt wird.
    • Es werden Prepreg-Faserbahnen aufgewickelt, die erst durch Erwärmen ausgehärtet werden.
    • Es werden ungetränkte Fasern gewickelt, die danach mit einem Harzinjektionsverfahren (siehe oben) getränkt werden.
  • Faserspritzen
    Das Faserspritzen ist strenggenommen keine Laminiertechnik, da das Material nicht im Schichten (lat.: lamina) aufgebracht wird. Das Ergebnis und die Anwendung des Materials sind jedoch vergleichbar mit laminierten Produkten, daher wird diese Technik hier mit aufgeführt.
    Beim Faserspritzen werden Endlosfasern (Rovings) von einem Schneidwerk auf die gewünschte Länge geschnitten und zusammen mit Harz und Härter mittels einer Faserspritzpistole in die Form gebracht. Zusätzlich verwendet man wie beim Handlaminieren eine Laminierrolle, um das Laminat zu verdichten. Der größte Nachteil dieser Variante ist die deutlich geringere Festigkeit gegenüber laminiertem Gewebe.

  Spritzgussteile

(Quasi-)Isotrope faserverstärkte Kunststoffe werden kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt. Die Kurzfasern (max. wenige Millimeter lang) werden dabei zusammen mit dem Matrixwerkstoff in die Form gespritzt.

  Spritzpressteile

Beim Spritzpressen oder auch Resin Transfer Moulding (RTM) können trockenen Fasern in eine Form eingelegt werden und anschließend mit flüssigem Harz unter Druck umströmt werden. Durch Wärme wird das Harz ausgehärtet. Die Faserorientierung kann dabei durch Näh- und Stickverfahren im Vorformling durch gezieltes Ablegen den Lastfällen angepasst werden.

  Strangziehteile

Kompakte und hohle Profile mit Dimensionen von 1 mm Durchmesser bis zu etwa 250 mm x 500 mm Außenabmessungen und weitgehend gleich bleibenden Querschnitten werden sehr effizient im Strangziehverfahren hergestellt. Dabei sind alle Fasern in Längenrichtung gleich ausgerichtet, was zu sehr guter Reproduzierbarkeit führt. Die mechanischen Eigenschaften sind im beschränkten Maße durch die Zuführung von Faserrovings, Matten und Vliesen zu beeinflussen.

  Sheet Molding Compounds (SMC)

Bei Sheet Molding Compounds, einer Art von faserverstärkten Kunststoffen, wird in einer Vorfertigung aus Harzen, Härtern, Füllstoffen, Additiven, etc. und Glasfaserstücken bis 50 mm Länge eine sogenannte Harzmatte gefertigt. Nach eine Reifezeit (Lagerzeit), einige Tage bei ca. 30 – 40 °C, erhöht sich die Viskosität der Harzmatte von honigartig auf wachsfest bis lederartig. Bei dieser definiert festzulegenden Viskosität, abhängig von der Harzmattenrezeptur kann die Matte weiterverarbeitet werden.

Die Weiterverarbeitung erfolgt dann in beheizten Werkzeugen im Pressverfahren. Die Harzmatte wird, je nach Bauteilgröße und -geometrie, in genau definierte Größen zerschnitten und nach einem definierten Einlegeplan im Werkzeug platziert. Beim Schließen der Presse wird die Harzmatte im gesamten Werkzeug verteilt. Hierbei sinkt die vorher während der Reifezeit erreichte Viskositätserhöhung fast wieder auf des Niveau der Halbzeugfertigung.

Dabei kommt es zu zwei Phänomenen:

  1. Das Fließen der Harzmatte im Werkzeug hat zur Folge, dass es an den Ecken des Werkzeuges (aber auch an Verstärkungsrippen und Domen) zu einem Aufeinandertreffen von verschiedenen Fließfronten kommen kann. Bei nicht ausreichender Durchdringung der Fließfronten kommt es dann zu sogenannten Bindenähten. An diesen Bindennähten sind die mechanischen Eigenschaften des Bauteils teilweise deutlich reduziert gegenüber dem übrigen Bauteil.
  2. Die leichteren und feineren Bestandteile der Harzmatte (Harze, Additive etc.) fließen schneller als die größeren Bestandteile (Glasfasern, Füllstoffe). Dadurch kann es bei langen Fließwegen an den Bauteilgrenzen zu einer Anreicherung der kleineren Bestandteile kommen, es bildet sich eine „Harzschicht“ aus. Diese Harzschicht ist spröde und kann zu kleineren Abplatzungen bei mechanischer Beanspruchung führen.

Der Vorteil dieser Werkstoffklasse liegt in der leichten Darstellung dreidimensionaler Geometrien und Wanddickenunterschieden in nur einem Arbeitsschritt. Die endgültige Bauteilform wird durch die Kavität eines mindestens zweiteiligen Werkzeugs gegeben und zeigt üblicherweise beidseitig glatte, optisch ansprechende Oberflächen.

Nach einer Aushärtezeit von 30 Sekunden bis mehreren Minuten bei Temperaturen von 140 °C bis 160 °C – deren Dauer und Höhe von der Bauteildicke und dem verwendeten Reaktionssystem abhängt – kann das fertige Bauteil aus der Form entnommen werden. Das Bauteil muss aber aufgrund der noch hohen Bauteiltemperaturen vorsichtig gleichmäßig gekühlt werden, damit es nicht zu Mikrorissen im Bauteil kommt. SMC-Bauteile sind – aufgrund der größeren Faserlänge als bei BMC – in der Regel höher belastbar als BMC-Bauteile. SMC-Bauteile können bei entsprechender Auslegung auch in lackierten Sichtbereichen eingesetzt werden.

  Faserbeton

Die Festigkeit (Zug und auch Druck) von Beton oder Zement kann durch Beigabe von Fasern erhöht werden. Die Fasern haben nur wenige Zentimeter Länge (der hohe E-Modul des Betons macht lange Fasern unsinnig) und werden orientierungslos in der Matrix verteilt. Das Ergebnis ist ein isotroper Werkstoff. Die Fasern werden wie normaler Zuschlag mit dem Beton angerührt und zusammen in einer Schalung ausgehärtet …

  Sicherheitsvorkehrungen bei der Verarbeitung

Schutzbrille und Schutzhandschuhe stellen einen Mindestschutz vor dem Kontakt mit dem Harzsystem her. Harz und speziell Härter und Beschleuniger enthaltenen häufig Stoffe, die neben ihrer Giftigkeit auch allergiefördernd wirken. Im ausgehärteten Zustand wird hingegen teilweise sogar Lebensmittelechtheit erreicht.

Beschleuniger und Härter werden nie direkt zusammengegeben. Beide Komponenten können heftig miteinander reagieren, dabei besteht Verletzungsgefahr. Deshalb wird der Beschleuniger in aller Regel vor dem Vermischen mit dem Härter dem Harz zugegeben.

Beim mechanischen Bearbeiten (Zerspanen) von faserverstärkten Kunststoffen entstehen sehr feine Partikel, die je nach Fasertyp lungengängig sein können. Deshalb ist ein Mundschutz obligatorisch.

Kohlenstofffaserstaub kann durch seine elektrische Leitfähigkeit elektrische Geräte beschädigen. Daher wird die Bearbeitung unter Ex-Schutz durchgeführt.

  Berechnung der elastischen Eigenschaften

Die elastischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen werden auf der Grundlage der Eigenschaften von elementaren Einzelschichten berechnet (unidirektionale Schichten). Dieses Berechnungsverfahren ist als klassische Laminattheorie bekannt. Gewebe werden dabei als zwei, in einem Winkel von 90° gedrehte, unidirektionale Schichten abgebildet. Einflüsse durch die Ondulation der Fasern im Gewebe werden durch Abminderungsfaktoren berücksichtigt. Eine Entwurfsmethode für gewichtsoptimale Laminate ist die Netztheorie.

Ergebnis der klassischen Laminattheorie sind die sogenannten Ingenieurskonstanten des Verbundwerkstoffs \hat E_x, \hat E_y, \hat G_{xy}, \hat \nu_{xy}, \hat \nu_{yx} und die Scheiben-Platten-Steifigkeitsmatrix. Diese Matrix besteht aus folgenden Elementen:

  • Scheibensteifigkeits-Matrix A
  • Plattensteifigkeits-Matrix D
  • Koppel-Matrix B

Anhand dieser Matrizen können die Reaktionen des Verbundwerkstoffs auf

  • Scheibenbelastungen: Normalspannungen \sigma_1, \sigma_2 und Schub \tau_{12} in der Ebene
  • Plattenbelastungen: Biegemomente m_1, m_2 und Drillmoment m_{12}

berechnet werden.

Die Koppel-Matrix koppelt dabei die Scheibenbelastungen mit den Plattenverformungen und umgekehrt. Für die Praxis von Interesse ist, dass eine besetzte Koppel-Matrix zu thermischen Verzug führt. Da auch thermische Dehnungen gekoppelt werden, verziehen sich Faserverbundbauteile, deren Koppelmatrix besetzt ist. Ziel vieler Forschungsvorhaben ist es, die Kopplungen in der Scheiben-Platten-Steifigkeitsmatrix gezielt konstruktiv zu nutzen.

Für den genauen Berechnungsablauf sei auf die Literatur und Lehrbücher verwiesen.

  Berechnung und Nachweis

Der Festigkeitsnachweis, insbesondere von Faserkunststoffverbunden, erfolgt über Bruchkriterien. Aufgrund der Festigkeitsanisotropie der meisten Faserverbundwerkstoffe sind spezielle Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde notwendig.

Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Bruchkriterien und damit auch Nachweismethoden. Oft haben einzelne Firmen (zum Beispiel im militärischen oder zivilen Großflugzeugbau) eigene Nachweisverfahren entwickelt.

  Berechnungsprogramme

  Compositor

Dieses Excel-basierte Programm ist eine Entwicklung des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen. Es enthält – neben der Berechnung der Schichtspannungen und der Ingenieurskonstanten nach der klassischen Laminattheorie – ein Modul, in dem die Puck’schen Wirkebenenkriterien (siehe: Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde) für eine Festigkeitsanalyse implementiert sind. Neben den schichtweisen Spannungen sind somit auch Versagenslasten berechenbar.

  ESAComp

ESAComp wurde im Auftrag der europäischen Raumfahragentur ESA entwickelt. Es bietet eine Schnittstelle zu FE-Programmen, es kann aber auch ohne FE-Programm eingesetzt werden. Neben der schichtenweisen Spannungsanalyse können mit Hilfe verschiedener Bruchkriterien Versagenslasten ermittelt werden.

ESAComp wurde am Institut für Leichtbau der TU Helsinki entwickelt.

  LamiCens

Eine kostenlos erhältliche, einfach zu bedienende Excel-Anwendung zur Ermittlung wichtiger Eigenschaften faserverstärkter Kunststoff-Laminate wurde von H. Funke entwickelt. Damit lassen sich Halbzeuge menügeführt auswählen und stapeln, wie beim Laminieren. LamiCens ermittelt produktionsspezifische Kennwerte wie Laminatstärke und -gewicht, Fasergewicht, Harzverbrauch und Kostenkennwerte. Die Ingenieurskonstanten für die homogene Scheibenbelastung (Elastizitätsmoduln E_x und E_y, Schubmoduln G_{xy}, Querdehnzahlen \nu_{xy} und \nu_{yx}) werden mit Hilfe der klassischen Laminattheorie berechnet. Eine Festigkeitsanalyse ist nicht möglich.

  Composite Star

Diese Software wurde von der belgischen Firma Material S. A., Brüssel, entwickelt. Insbesondere ist sie in Verbindungen mit gewickelten Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund und der entsprechenden Simulationssoftware Cadwind (gleiche Fa.) zu verwenden.

  eLamX – expandable Laminate eXplorer

eLamX ist ein frei nutzbares, in Java geschriebenes Laminatberechnungsprogramm, das am Lehrstuhl für Luftfahrzeugtechnik der Technischen Universität Dresden entwickelt wurde.[1] Die Berechnungen basieren auf der klassischen Laminattheorie. Die Software ist modular aufgebaut und wird ständig erweitert. Derzeit (Oktober 2010) sind Module zur Laminatberechnung inklusive Festigkeitsanalyse, Ingenieurskonstanten und hygrothermalen Effekten, zu Stabilitäts- und Verformungsuntersuchungen beliebig gelagerter Faserverbundplatten mit und ohne Versteifungselementen und zum Vergleich verschiedener Festigkeitskriterien (3D-Darstellung der Bruchkörper, The World-Wide-Failure Exercise) vorhanden. Erweiterungen auf dem Gebiet der Stabilitäts- und Deformationsbetrachtungen und neue Module, beispielsweise bezüglich der Mikromechanik von Laminatschichten, der nichtlinearen Berechnung gemäß VDI-Richtlinie VDI 2014 und der Stabilitätsberechnung mittels Methoden des Luftfahrttechnischen Handbuchs, befinden sich in der Entwicklung.

  Natürlicher Faserverbundwerkstoff

Holz in seiner natürlich gewachsenen Form ist häufig Vorlage bei der Auslegung von Faser-Kunststoff-Verbunden. Die Ursache hierfür ist, dass Holzfasern, genau wie andere Naturfasern, aus unterschiedlichen „Einzelbausteinen“ zusammengesetzt sind. Steife Cellulosefibrillen sind in eine Matrix aus Hemicellulose und Lignin eingebettet und dienen als festigendes Element in der Zellwand. Auch in seinen künstlich geschaffenen Formen Pressspan oder MDF werden zumindest die Naturfasern als Komponente eingebracht.

Knochen ist ein Faserverbundwerkstoff in zweierlei Hinsicht: im Nanometerbereich sind die Kollagenfasern eingebettet in Hydroxylapatitkristalle, in kortikalem Knochen im Mikrometerbereich wirken Osteons zusätzlich als Fasern.

  Anwendungsgebiete

Faserverbundwerkstoffe umgeben uns in allen Lebensbereichen, meist ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Das Spektrum reicht von Kleidern, Möbeln, Haushaltsgeräten bis hin zu mehrstöckigen Bauwerken, Brücken, Booten und der Luft- und Raumfahrt. Das Haupteinsatzgebiet für die Naturfaserverstärkten Kunststoffe ist die Automobilindustrie.

  Wirtschaftliche Bedeutung

Die Faserverbundwerkstoffe mit der größten wirtschaftlichen Bedeutung sind die glasfaserverstärkten Kunststoffe (GFK) mit einem Anteil von über 90 %. 2009 wurden in Europa 815.000 t glasfaserverstärkte Kunststoffe produziert. Die größten Produzenten im europäischen Markt sind Spanien, Italien, Deutschland, Großbritannien und Frankreich. Infolge der Wirtschaftskrise ist die Produktionsmenge in allen Anwendungsindustrien gleichermaßen um etwa ein Drittel gegenüber 2007 geschrumpft. Am stärksten sind die offenen Verarbeitungsverfahren wie Handlaminieren oder Faserspritzen von dieser Marktentwicklung betroffen.[2] Diesem allgemeinen Trend widersetzen sich allein die biobasierten Faserverbünde. Ein Vergleich der wirtschaftlichen Entwicklung in den unterschiedlichen Teilbranchen zeigte, dass einzig die naturfaserverstärkten Kunststoffe im Wachstum begriffen sind – mit einem deutlichen Wirtschaftsplus von gut 20 %.[3]

  Einzelnachweise

  1. tu-dresden.de
  2. Elmar Witten (2009): Der Composites-Markt Europa 2008/2009. Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe ([1] download)
  3. Elmar Witten (2009) auf dem Biowerkstoff-Kongress

  Literatur

  • A.A. Griffith. The phenomenon of rupture and flow in solids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 221A:163–198, 1920.
  • M. Flemming und S. Roth. Faserverbundbauweisen, Springer 2003, ISBN 3-540-00636-2
  • Michaeli, Huybrechts und Wegener. Dimensionieren mit Faserverbundkunststoffen, Hanser 1994, ISBN 3-446-17659-4
  • Bernhard Wietek: Stahlfaserbeton. Grundlagen und Praxisanwendung. 2. Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0872-1.
  • Ehrenstein (Hrsg.): Faserverbund-Kunststoffe – Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften, Hanser 2006, ISBN 3-446-22716-4
  • A. Puck: Festigkeitsanalyse von Faser-Matrix-Laminaten, Hanser 1996, ISBN 3-446-18194-6, kostenlos zum Runterladen
  • P.A. Fowler, J.M. Hughes & R.M Elias, “Review Biocomposites: technology, environmental credentials and market forces”, Journal of the Science of the Food and Agriculture Ausgabe 86, 2006, S. 1781-1789

  Siehe auch

  Weblinks

   
               

Faser

                   
Dieser Artikel befasst sich mit dem Begriff Faser in der Biologie und der Technik. Es gibt den Begriff der Faser außerdem in der Mathematik, siehe Urbild (Mathematik).

Eine Faser ist ein im Verhältnis zur Länge dünnes und flexibles Gebilde. Fasern können keine Druck-, sondern nur Zugkräfte aufnehmen, da sie bei Druckbelastung knicken. In Natur und Technik kommen Fasern meist in einem größeren Verbund vor, sie bilden eine bestimmte Struktur.

Fasern kommen in Natur und Technik häufig vor, da zwei Phänomene zu beobachten sind:

  • Eine Struktur aus Fasern ist fester und häufig steifer als eine Konstruktion der gleichen Form aus dem kompakten Werkstoff "aus dem Vollen".
  • Zwei Fasern sind zusammen verdreht stärker als beide einzeln.

Fasern grenzen sich von Stäben wegen ihrer mangelnden Knicksteifigkeit ab, von Drähten unterscheidet sie der geringere Durchmesser.

Inhaltsverzeichnis

  Einteilung

Fasern sehr großer, praktisch unbegrenzter Länge heißen Filamente, Fasern begrenzter Länge heißen Spinnfasern. Spinnfasern teilen sich wiederum in tatsächlich verspinnbare Stapelfasern und sehr kurze Flockfasern, die Grenze wird bei ca. 15 mm angenommen.

Eigenschaften von Fasern können durch die unterschiedliche qualitative (Brennprobe) und quantitative Methoden bestimmt oder gemessen werden. Bei der Brennprobe wird die Flamme (Rußentwicklung), der Geruch, der pH-Wert des Rauchs und die Konsistenz des Rückstands beobachtet. Mit quantitativen Messungen wird zum Beispiel Zugfestigkeit oder der Elastizitätsmodul bestimmt.

  Naturfasern

Hauptartikel: Naturfaser

Als Naturfasern werden alle Textilfasern und Faserwerkstoffe bezeichnet, die ohne chemische Veränderung aus pflanzlichem und tierischem Material gewonnen werden. Sie sind damit abzugrenzen von Chemiefasern („Kunstfasern“), die synthetisch hergestellt werden. Regeneratfasern wie Bambusviskose oder Lyocell sind keine Naturfasern. Auch die relativ kurzen Holzfasern werden – nicht zuletzt auch wegen ihrer mengenmäßigen Bedeutung – gesondert betrachtet.

Naturfasern können organischen (pflanzlich oder tierisch) oder anorganischen Ursprungs (mineralisch) sein.

  Pflanzenfasern

Pflanzenfasern kommen bei Pflanzen als Leitbündel im Stängel oder Stamm, der Rinde (etwa als Bast) und als Samen-Fortsätze vor.

Mit der Eigenschaft fasrig – und auch holzig und krautig – werden unspezifisch die stark von Fasern durchsetzten sowie die verholzten Teile einer krautigen Pflanze bezeichnet, in Unterscheidung zum Jungtrieb und der Blattmasse, insbesondere sind dies bei Lebensmitteln die nicht zum Verzehr geeigneten Anteile. Einen Überblick zu den landwirtschaftlich angebauten Lieferanten von Pflanzenfasern gibt der Artikel Faserpflanzen.

Pflanzenfaser ist ein Sammelbegriff für Fasern pflanzlicher Herkunft, die als Material verwendet werden. Es folgt eine Liste mit der gültigen Kurzbezeichnung nach DIN 60001-1:

Daneben werden auch verschiedene Binsengräser und andere Pflanzen für Pflanzenfasern verwendet.

Bastreste von Linde und Eiche stellen die häufigsten Funde von jungsteinzeitlichen Faserresten dar. Die langen Fasern dieser Baumarten dienten als Werkstoff zur Herstellung von Körben, Matten und Schnüren. Die derzeit bekanntesten Beispiele dürften Umhang und Schuhwerk des Mannes von Hauslabjoch, vulgo „Ötzi“, sein.

  Fasern tierischen Ursprungs

Bei Tieren bilden die Haarfollikel Fasern. Ausnahmen sind Seidenfasern von der Verpackung verpuppter Seidenraupen und Muskelfasern, quasi-zelluläre kontraktile Bestandteile des Muskels. Fasern die sich textil nutzen lassen sind:

  • Wollen und feine Tierhaare
    • Wolle von Schafen (WO) (Schurwolle (WV)) wird meist durch jährliches Scheren gewonnen und auch als Schurwolle bezeichnet.
    • Alpaka (WP) , Lama (WL) (, Vikunja (WG), Guanako (GU) sind die Haare von den gleichnamigen Lamaarten bzw. Schafkamelen. Die Haare sind fein, weich, glänzend und wenig gekräuselt.
    • Kamelhaar (WK) ist das Flaumhaar der Kamele, die Tiere werfen es jährlich ab. Es ist sehr fein, weich und leicht gekräuselt und beigebraun.
    • Angora (WA) (Haare vom Angorakaninchen), Kanin (WN) (gewöhnliche Kaninchenhaare) sind sehr fein, glatt und sehr leicht. Da sie Wasserdampf gut aufnehmen, sind Stoffe aus Kanin sehr warmhaltend.
    • Kaschmir (WS) gewinnt man durch Auskämmen und sortieren der Flaum- oder Grannenhaare der Kaschmirziege. Diese Haare sind so fein wie die feinste Merinowolle, und Bekleidung aus Kaschmir ist deshalb fein, weich, leicht und glänzend.
    • Mohair (WM) bezeichnet die Haare der Angora- oder Mohairziege. Sie sind lang, leicht gelockt und glänzend. Ihre Farbe ist weiß und sie filzen kaum.
  • Grobe Tierhaare
    • Ziegenhaar (HZ)
    • Rinderhaar (HR) Hier haben vor allem die Haare des Yaks eine textile Bedeutung.
    • Rosshaar (HS) ist sehr grob und wird als Polster und Füllung von Matratzen verwendet.
  • Seiden
    • Maulbeerseide (SE) (Zuchtseide) wird aus dem Kokon des Maulbeerspinners, der Seidenraupe gewonnen.
    • Tussahseide (ST) (Wildseide) wird aus dem von Bäumen und Sträuchern gesammelten Kokon des wildlebenden Tussahspinners hergestellt. Da hier der Schmetterling meist ausgeschlüpft ist, sind die Fasern kürzer und nicht abhaspelbar. Eine Zucht des Tussahspinners ist bisher nicht gelungen.
    • Muschelseide besteht aus den Byssusfäden von Muscheln, die sich damit am Meeresboden festhalten können. Die Fasern sind um ein vielfaches feiner als Seide und wegen der aufwändigen Gewinnung sehr begehrt und wertvoll.

  Mineralfasern geologischen Ursprungs

Mineralfasern (Fasern ohne organisch gebundenen Kohlenstoff) kommen natürlich praktisch nur in dieser Form vor:

  • Asbest (AS) wurde wegen der hohen Temperaturbeständigkeit im letzten Jahrhundert vor allem in der Bauindustrie eingesetzt. Sie hat keine textile Bedeutung und ihr Einsatz ist heute weitgehend verboten.
  • Fasergips

  Chemiefasern (früher: Kunstfasern)

Es existiert eine sehr große Anzahl Handelsnamen und ehemaliger Handelsnamen, die durchwegs bekannter sind als ihre chemische Zusammensetzung. Die meisten Chemiefasern sind Polymere:

  Fasern aus natürlichen Polymeren

  • Zellulosische Fasern
    • Viskose (CV) wird nach dem Viscoseverfahren aus reiner Zellulose, hauptsächlich aus Buchen- und Pinienholz oder Eukalyptus gewonnen, zunehmend auch aus Bambus, hergestellt.
    • Modal (CMD) wird nach dem modifizierten Viscoseverfahren hergestellt und hat deshalb eine höhere Festigkeit als Viskose im trockenen und nassen Zustand.
    • Lyocell (CLY) wird in einem Nassspinnverfahren hergestellt. Als Lösungsmittel dient N-Methylmorpholin-N-oxid Monohydrat. Die Faser zeichnet sich durch sehr hohe Trocken- und Nassfestigkeit aus.
    • Cupro (CUP) wird nach dem Kupferoxid-Ammoniak-Verfahren hergestellt.
    • Acetat (CA) wird im Trockenspinnverfahren aus in Aceton gelöstem Zelluloseacetat ersponnen (siehe Acetat-Fasern)
    • Triacetat (CTA) wird ebenfalls aus Zelluloseacetat hergestellt, nun allerdings in Dichlormethan gelöst.
    • Cellulon wird aus bakterieller Zellose hergestellt
  • Gummifasern
  • Pflanzeneiweißfasern
  • Tiereiweißfasern

  Fasern aus synthetischen Polymeren

  • Polykondensationsfasern
    • Polyester (PES), meist Polyethylenterephthalat (PET), Handelsnamen Diolen, Trevira etc., zeigen vielseitige Eigenschaften und nehmen deshalb eine Spitzenposition unter den synthetischen Fasern ein. Die Polyesterfaser ist sehr reiß- und scheuerfest und nimmt kaum Feuchtigkeit auf.
    • Polyamid (PA), Handelsnamen Nylon, Perlon, Dederon, Grilon, ist sehr elastisch und knittert wenig. Polyamid lässt sich durch Hitze dauerhaft verformen, dies wird beim Thermofixieren ausgenutzt.
    • Polyimid (PI), Handelsname P84, Hochtemperaturkunstfaser, Einsatz in technischen Textilien, zum Beispiel Filtermedien.
    • Polyamidimid (PAI), Handelsname Kermel
    • Polyphenylensulfid (PPS), Handelsnamen Procon, Torcon, Nexylene etc., zeigt eine gute Temperatur- und hervorragende Chemikalienbständigkeit, Einsatz in technischen Textilien, zum Beispiel Filtermedien.
    • Aramid, Handelsnamen Kevlar, Nomex, Twaron, hat eine sehr hohe Reißfestigkeit und wird für technische Textilien, zum Beispiel in schusssicheren Westen, benutzt.
  • Polymerisationsfasern
    • Polyacrylnitril (PAN), Handelsnamen Dralon, Orlon etc., weist einen wollähnlichen Griff und gute Licht- und Chemikalienbeständigkeit auf. Es ist neben Pech ein wichtiges Ausgangsmaterial zur Herstellung von Kohlenstofffasern. Polyacrylnitril wird auch zur Herstellung von Hohlfasern für die Membrantechnik verwendet.
    • Polytetrafluorethylen (PTFE), Handelsnamen Teflon, Toyoflon, Profilen, Rastex etc., ist temperaturbeständig, chemisch weitgehend inert, wasserabweisend und kaum färbbar. Der Einsatz als Faser erfolgt hauptsächlich in technischen Textilien. Es wird auch als Membran mit Mikroöffnungen – beispielsweise in Wetterschutzbekleidung, Handelsname Gore-Tex oder laminiert auf Filtermedien, Handelsnamen Tetratex, Pristyne etc. – verarbeitet.
    • Polyethylen (PE), Handelsname Dyneema, asota
    • Polypropylen (PP), Handelsnamen z. B. Polycolon, asota, leichteste Textilfaser überhaupt, mit guter Scheuerfestigkeit und praktisch keiner Wasseraufnahme, durch Kochfestigkeit gute Pflegeeigenschaften, elastisch, im Sportfunktions- und Unterwäschebereich, Geotextil, Teppich, Automobiltextilien häufig eingesetzt.
    • Polyvinylchlorid (Bei Fasern CLF sonst PVC) ist gut warmhaltend und wird für Rheumawäsche eingesetzt.
  • Polyadditionsfasern
    • Polyurethan (EL) als Elastomer (Elasthan bzw. Spandex), Handelsnamen Lycra und Dorlastan. Elasthan besteht aus mindestens 85 % Polyurethan und hat eine sehr hohe elastische Dehnung. Da es in Vergleich zu Gummi gut anfärbbar ist, wird es meist in Verbindung mit anderen Fasern für dehnbare Gewebe, Badebekleidung und Strümpfe, eingesetzt. Elastodien hat für den textilen Einsatz praktisch keine Bedeutung.

  Industriell erzeugte anorganische Fasern

  • Glasfasern (GF) sind im Vergleich zu Polymerfasern weniger dehnbar und spröde. Sie werden u. a. in Dekostoffen und für die Inneneinrichtung benutzt. In großem Maße werden sie zur Verstärkung von Kunststoffen und in technischen Textilien eingesetzt. Außerdem werden Lichtwellenleiter zur optischen Datenübertragung in Telefon- und EDV-Netzen verwendet.
  • Basaltfasern besitzen ähnliche Eigenschaften wie Glasfasern. Eingesetzt werden sie in Faser-Kunststoff-Verbunden oder als Hitzeschutzmaterial sowie in technische Textilien.
  • Kohlenstofffasern (CF) sind sehr leicht und haben eine hohe Festigkeit. Sie werden ebenfalls zur Verstärkung von Kunststoffen, in Verbundkeramik und in technischen Textilien eingesetzt. Als Faserfilz finden sie Verwendung zur Wärmeisolation von Hochtemperatur-Schutzgas- oder Vakuumöfen.
  • Metallfaser (MTF), sehr dünner Draht
  • Keramikfasern bilden eine spezielle Klasse von anorganischen Fasern. Sie bestehen aus einer faserförmigen Keramikstruktur. Sie kommen als oxidische (Aluminiumoxide, Mullite, Yttriumoxide) und nichtoxidische (SiC, SiCN, SiBCN) Fasertypen vor. Ihr Haupteinsatzgebiet liegt bei Hochtemperaturanwendungen für Dämmstoffe (bei Kurzfasern) und als Verstärkungsfasern in hochbelasteten Verbundwerkstoffen wie zum Beispiel in faserverstärkter Keramik. Die als „Keramikfaser“ bekannte Aluminiumsilikatwolle, wird als Hochtemperaturwolle zur Wärmedämmung bei Temperaturen über 700 °C eingesetzt.
  • Nanotubefasern bestehen nahezu vollständig aus Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes). Sie besitzen sehr hohe Festigkeiten und sind noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Die NASA untersucht derartige Fasersysteme zum Bau von Weltraumliften.

  Internationale Kurzzeichen für Textilfasern

Auszug aus der Liste der Abkürzungen für die Bezeichnung von natürlichen und Chemiefasern herausgegeben vom internationalen Standardisierungsbüro in Brüssel (BISFA) in Anlehnung an DIN 7728:

Benennung Zeichen Benennung Zeichen
Baumwolle CO Elastoiden EL
Flachs, Leinen LI Glas GF
Hanf HF Jute JU
Kamelhaar WK Kokos CC
Lama WL Modal CMD
Mohair WM Polyakryl PAN
Polyamid PA Polyester PES
Polyethylen PE Polypropylen PP
Ramie RA Schafwolle WV
Seide (Maulbeerseide) SE Sisal SI
Viskose CV Ziegenhaar HZ

Die internationale Norm für die Kurzzeichen von Chemiefasern ist die DIN EN ISO 1043-1. Bei Naturfasern werden die Kurzzeichen für Deutschland in der DIN 60001-1 festgelegt.

  Textile Eignung

Nach dem Textilkennzeichnungsgesetz ist Textilfaser ein “Erzeugnis, das durch seine Flexibilität, seine Feinheit und durch seine große Länge im Verhältnis zum Durchmesser gekennzeichnet ist“.

Die Bedingungen für jede Art Herstellung und Anwendung werden durch Mindestanforderungen an einzelne Eigenschaften (Länge, Feinheit, Elastizität, Feuchtigkeitstransport, Isolierwirkung usw.) näher spezifiziert.

Zum Beispiel: Baumwolle für ein bestimmtes Garn muss mindestens 12 mm Länge und 10 cN/tex Festigkeit haben, für Nassvliesstoffe genügen 4 mm und für Beflockung 2 mm Länge.

Kunstfasern aus Polymeren eignen sich sehr gut für Textilien, für Kleidung wie für technische Anwendungen. Da die Fasern eigens hergestellt werden, kann ihre Form, Dicke und Länge fast frei gewählt werden. Dies erklärt u. a. den Erfolg der synthetischen Fasern gegenüber den traditionell genutzten Naturfasern seit Beginn der 1960er Jahre. Naturfasern können sich insbesondere dort behaupten, wo sie Vorteile gegenüber den Kunstfasern aufweisen können. Neben dem textilen Bereich werden sie auch zunehmend in technischen Textilien eingesetzt.

Naturfasern, Glasfasern und Kohlenstofffasern werden zu Geweben oder zu Vliesstoffen verarbeitet; meist um sie später zu nichttextilen Faserverbundwerkstoffen weiterzuverarbeiten, selten um sie direkt in dieser Form einzusetzen. Beispielsweise werden Glasfasergewebe als temperaturbeständige Isolierung für Kabel eingesetzt.

Dünne Metalldrähte spielen eine erhebliche Rolle bei der Herstellung von Kabeln, wo sie meist geflochten werden.

Sollen Fasern textil verwendet werden, müssen sie gesponnen werden. Ausnahme: Vliesstoffe, Filze und Filamente.

  Fasermischungen

Es ist heute üblich, für textile Anwendungen Fasern zu mischen. Ziel ist immer, ein Garn mit veränderten Eigenschaften zu bekommen. Hier wird einerseits versucht, bessere Gebrauchseigenschaften, bessere bekleidungsphysiologische oder bessere Pflegeeigenschaften zu erhalten. Auf der anderen Seite versucht man eine Veränderung des Aussehens oder eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Von der Verarbeitung her sind Gemische manchmal schwieriger zu handhaben als pure Fasern. Teilweise lassen sich jedoch gerade Fasergemische besser verarbeiten.

  • eine Fasermischung (Melange) als mehrfarbiger Farbeffekt in einem Garn
  • Vigogne ist eine Mischung aus Baumwolle und Viskose
  • Vigoureux ist eine teilweise streifenförmig walzenbedruckte Fasermischung zur Erzielung hochwertiger, ruhiger Melange-Farbeffekte

  Erzeugung und Verbrauch

  Die größten Kunstfaserproduzenten

Das bedeutendste Herstellerland von Kunstfasern ist mit großem Abstand China, gefolgt von Taiwan und den USA. In Europa sind Deutschland und Italien die wichtigsten Produzenten.

  Die wichtigsten Produzenten für Kunstfasern
Die größten Kunstfaserproduzenten weltweit (2001)[2]
Rang Land Produktion
(in Tsd. t)
Rang Land Produktion
(in Tsd. t)
1 China 7905 8 Thailand 838
2 Taiwan 3105 9 Deutschland 800
3 USA 2744 10 Türkei 672
4 Südkorea 2381 11 Mexiko 555
5 Indien 1681 12 Italien 550
6 Japan 1347 13 Russische Föd. 423
7 Indonesien 1289 14 Brasilien 318

Bei obigen Zahlen ist zu beachten, dass insbesondere die Produktion in China seit 2001 deutlich angestiegen ist. Im Jahre 2006 betrug die dortige Produktion knapp über 19 Millionen Tonnen [3][4].

  Die größten Naturfaserproduzenten

Naturfasern werden in fast allen Ländern der Welt angebaut und verarbeitet – jährlich insgesamt fast 30 Millionen Tonnen. Baumwolle ist dabei mit 20 Mio. t die weitaus dominierende Naturfaser, gefolgt von Wolle und Jute mit rund 2–3 Mio. t. Trotz der weiten Verbreitung sind mit Südasien, Ostasien und China, Mittel- und Osteuropa, Ostafrika und Brasilien Schwerpunkte in der Naturfaserproduktion erkennbar.[5]

  Textilfaserverbrauch

Im Jahr 2009 wurden insgesamt ca. 76 Millionen Tonnen Textilfasern produziert (11 Kg / Weltbewohner). Davon:

Anteile am Textilfaserverbrauch 2009
Rang Gruppe Höchste Anteile  %
1 Baumwolle China, USA, Indien 033[6]
2 Filamente PES, PA, PP 033[6]
3 Chemische Stapelfasern PES, PAN, CV 024[6]
4 Sonst. pflanzl. Fasern JU, LI, CC, SI 07[7]
5 Tierische Fasern WO, WL, WK, WM 02[6]

Die Statistik beinhaltet keine Glasfasern, von den 1,7 Millionen Tonnen allein für Verbundstoffe gebraucht wurden.[8]


  Literatur

  • Fabia Denninger , Elke Giese, Herbert Ostertag, Alfons Hofer (bis 7. Auflage): Textil- und Modelexikon. 2 Bände: Band 1 A - K und Band 2 L - Z. 8., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, Deutscher Fachverlag, Frankfurt am Main 2006, ISBN 978-3-87150-848-6 .
  • Alfons Hofer: Stoffe 1. Textilrohstoffe, Garne, Effekte. 7. völlig überarbeitete Auflage, Deutscher Fachverlag, Frankfurt am Main 1992, ISBN 3-87150-366-5, S. 228-251.

  Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Faser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

  Einzelnachweise

  1. Hans Beyer; Lehrbuch der Organischen Chemie; Leipzig 1968; S.343
  2. Handelsblatt Die Welt in Zahlen (2005)
  3. Man-Made Fiber Yearbook 2007, IBP International Business Press Publishers GmbH, ISSN 1434-3584
  4. H.-J. Koslowski: Chemiefaser-Lexikon. 12. Auflage, Deutscher Fachverlag GmbH, Frankfurt/M. 2008.
  5. Carus et al.: Studie zur Markt- und Konkurrenzsituation bei Naturfasern und Naturfaser- Werkstoffen (Deutschland und EU).
  6. a b c d [1]
  7. [2]
  8. [3]
   
               

 

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