Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische ... - Ulaga Partner AG

Grundlagen
Die Matrix
Funktion und Eigenschaften
Die Matrix hält die Fasern eines Faserverbundwerkstoffs zusammen, damit diese ihre
Verstärkungsfunktion erfüllen können. Diese Aufgabe umfasst drei Punkte: Fixieren der
Fasern in der gewählten geometrischen Anordnung, Kräfteübertragung auf die Fasern
und zwischen den Fasern sowie das Stützen der Fasern bei Druckbeanspruchungen. Da
die Matrix die Fasern vollständig einbettet und gegenüber der Umgebung versiegelt,
dient sie auch als Schutz vor schädigenden äusseren Einwirkungen (z.B. Angriff durch
Feuchtigkeit, Chemikalien oder Strahlung).
Verschiedene Matrixtypen
Je nach Auslegung des Begriffs „Faserverbundwerkstoff“ können sehr viele Werkstoffe
als Matrixmaterial betrachtet werden, so zum Beispiel auch Beton oder Metalle. Im
Sinne der kunststofftechnologischen Definition sind aber aussschliesslich polymere
Werkstoffe gemeint, auf andere Materialien wird daher nicht weiter eingegangen.
In der bisherigen Geschichte der Faserverbundwerkstoffe wurden vor allem duromere
Kunststoffe als Matrixmaterial verwendet. Die Duromere entstehen durch eine
Härtungs- bzw.Vernetzungsreaktion aus niedermolekularen Monomeren. Nach diesem
chemischen Prozess sind die Moleküle dreidimensional vernetzt, so dass der Werkstoff
thermisch nicht mehr verformt werden kann. Unter den wichtigsten Vertretern der Duromere
findet man die ungesättigten Polyesterharze, Vinylesterharze, Phenolharze und
die für die Herstellung der im Bauwesen eingesetzten Lamellen Sika CarboDur verwendeten
Epoxidharze. Auf die erstgenannten dieser Duromere wird nicht näher eingegangen.
Epoxidharze entstehen durch die Polyadditionsreaktion (Härtung bzw. Vernetzung)
eines Harzes (Epoxid) mit einem Härter (Amine, Phenole oder Säuren). Die gute Eignung
als Matrixwerkstoff kommt daher, dass die niedermolekularen Präpolymere eine
geringe Viskosität besitzen und sich deshalb sehr gut zur Faserimprägnierung eignen,
während der ausgehärtete Werkstoff gute mechanische Eigenschaften aufweist. Durch
die Wahl der Komponenten Harz und Härter können diese Merkmale sowie auch der
Härtungsverlauf gesteuert werden. Der bezüglich der Produktion wichtigste Nachteil ist
die beschränkte Vernetzungsgeschwindigkeit, die keine besonders schnelle Herstellung
erlaubt.
Thermoplastische Kunststoffe gewinnen je länger je mehr an Bedeutung für die Herstellung
von Faserverbundwerkstoffen. Bei diesen Kunststoffen liegt das Grundmaterial
in bereits vollkommen polymerisierter Form vor. Zur Verarbeitung wird es erwärmt bis
in den Schmelzezustand, umgeformt und wieder abgekühlt bis zur Erstarrung. Dieser
Vorgang ermöglicht eine hohe Prozessgeschwindigkeit.
Zur genaueren Beschreibung der Eigenschaften der Thermoplaste müssten die einzelnen
Vertreter gesondert betrachtet werden. Viele besitzen aber gute mechanische Eigenschaften,
eine gute Medienbeständigkeit und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme.
Allen gemeinsam ist die thermische Schweissbarkeit und die Wiederverwertbarkeit der
Abfälle. Zu den wichtigsten Nachteilen zählen die Kriechneigung bei höheren Temperaturen
und die wegen der hohen Viskosität der Schmelze schwierige Faserimprägnierung.
15