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Glasfaserverstärkter Kunststoff, kurz GFK, ist ein Faserverbundwerkstoff aus einem Kunststoff (z. B. Polyesterharz, Epoxidharz oder Polyamid) und Glasfasern.
GFK ist auch unter der Bezeichnung Fiberglas bekannt. Fiber kommt hier aus dem Englischen (fibre, amerikanisch: fiber) und bedeutet Faser. Er ist der am häufigsten eingesetzte langfaserverstärkte Kunststoff.
Klassifizierung von glasfaserverstärktem Kunststoff
Man klassifiziert glasfaserverstärkte Kunststoffe anhand der Länge der eingesetzten Verstärkungsfasern oder anhand des verwendeten Matrixsystems. Die Grenzen der Einteilung nach Faserlänge sind fließend. Sie orientieren sich hauptsächlich am Anwendungszweck.
Einteilung nach der Faserlänge
Kurzfasern L=0,1 bis 1mm:
Kurzfasern werden in der Spritzgusstechnik eingesetzt und können direkt mit einem Extruder verarbeitet werden. Es existieren thermoplastische Granulate die bereits mit einem bestimmten Faservolumenanteil bzw. Fasermassenanteil mit Kurzfasern versehen wurden.
Langfasern L=1 bis 50mm:
Langfasern können ebenfalls noch in Extrudern verarbeitet werden. Sie finden im großen Umfang beim der Faserspritzen Anwendung. Langfasern werden häufig Duroplasten als Füllstoff zugemischt.
Endlosfasern L>50mm:
Endlosfasern werden als Rovings oder Gewebe in glasfaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Bauteile mit Endlosfasern erzielen die höchsten Steifigkeits- und Festigkeitswerte.
Einteilung nach dem Matrixsystem
Grundsätzlich unterscheidet man glasfaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer (Thermoplast) und duroplastischer (Duroplast) Matrix. Für jeden Matrixtyp werden die Glasfasern mit einem speziellen Überzug versehen, der Schlichte. Die Schlichte hilft, die Haftung zwischen Matrix und Faser herzustellen. Fasern mit einer Expoidschlichte (Silanschlichte) sind z.B. nur eingeschränkt in Thermoplasten einsetzbar.
Thermoplastische Matrix:
Als Matrix sind grundsätzlich alle gängigen Thermoplasten verwendbar. Glasfaserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix lassen sich nachträglich umformen oder verschweißen. Nach dem Abkühlen der Matrix sind glasfaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix einsatzbereit. Sie erweichen jedoch bei erhöhter Temperatur. Mit zunehmendem Glasgehalt sinkt ihre Kriechneigung. Als thermoplastische Werkstoffe bei hohen Temperaturen eignen sich z.B.:
Polyetheretherketon (PEEK)
Polyphenylensulfid (PPS)
Polysulfon (PSU)
Duroplastische Matrix:
Als Matrix kommen hauptsächlich die folgenden Harze zur Anwendung:
Epoxidharz (EP)
ungesättigtes Polyesterharz (UP)
Vinylesterharz (VE)
Phenol-Formaldehydharz (PF)
Diallylphthalatharz (DAP)
Methacrylatharz (MMA)
Polyurethan (PUR)
Aminoharz
Glasfaserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Die Temperatureinsatzgrenze wird durch die Lage der Glasübergangstemperatur bestimmt. Glasfaserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf.
Elastomere Matrix:
Als typische Vertreter von Elastomeren als Matrix in glasfaservertärkten Kunststoffen sind Gummi und Polyurethan (PU) zu nennen. Elastomere kommen, aufgrund ihrer geringen Steifigkeit, nicht in Strukturbauteilen zu Einsatz. Eine Ausnahme bilden schlaufenförmige Bauteile wie Keil- oder Zahnriemen.
Wahl eines Matrixsystems:
Die Wahl des Matrixsystems entscheidet über die Einsatzgrenzen des glasfaserverstärkten Kunststoffs. Neben den mechanischen Eigenschaften der Matrix z.B. des Elastizitätsmoduls gibt es eine Reihe von weiteren Kriterien:
Temperatureinsatzbereich (Schmelzpunkt, Glasübergangstemperatur)
Medienbestädigkeit (sauer, basisch)
Strahlungsbeständigkeit (UV-Strahlung)
Langzeitverhalten (Kriechen, Relaxation)
Feuchteaufnahme
Einsatzbereich
Spoiler für Autos, Front-, Heckklappen, Kotflügel und Dachmodule für PKW, Cabrio-Hardtops, Ölwannen für Nutzfahrzeuge, Windabweiser für Nutzfahrzeug-Zugmaschinen (Dach- und Seitenspoiler), Nutzfahrzeug-Stoßfänger, -Einstiege, -Kotflügel, -Seitenverkleidungen, -Frontklappen, etc., Zugverkleidungen, Kühlwaggons, Rotorblätter für Hubschrauber und Windenergieanlagen, Sportboote, Caravans, Segelflugzeuge, Zeltgestänge bis hin zu Fußgängerbrücken, Leuchttürme oder Rohrleitungssystemen und Behältern im Kraftwerksbau und der chemischen Industrie sowie Werbe- bzw Dekorationsfiguren