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R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH • D-71111 Waldenbuch • Phone [phone]* • Fax [phone]* • www.r-g.de
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Panzenfasern
Verstärkungsmaterialien aus Pflanzenfasern sind als Vliese und teilweise
auch als Gewebe erhältlich. Insbesondere der hochwertigen Ramie-Faser,
die aus dem subtropischen Chinagras gewonnen wird, kommt wachsende
Bedeutung zu. Hinsichtlich ihrer gewichtsbezogenen Festigkeit ist die
Ramie-Faser durchaus mit der E-Glasfaser vergleichbar. Natürlich stellt sich
bei der Verwendung biologisch abbaubarer Werkstoffe die Frage nach
der Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen wie Temperatur, Feuchte,
Chemikalien und Strahlung oder auch Mikroben. Die Entwicklung zielt vor
allem auf Anwendungsbereiche, für die heute noch glasfaserverstärkte
Polyesterharze verwendet werden. Wesentliche Zielgruppe sind somit z.B.
Verkleidungselemente mit tragenden Inserts im Automobil- und Waggonbau
sowie der Möbelindustrie.
Wärmebeständigkeit
Die Wärmebeständigkeit von Faserverbundwerkstoffen wird allgemein
durch die Wärmebeständigkeit der polymeren Matrix (des Harzes) bestimmt
und liegt langzeitig nicht höher als 230 °C. Kurzfristig kann die Temperatur-
beständigkeit jedoch sehr viel höher sein. Man erinnere sich z.B. an die
Hitze-schilde für Raumfahrzeuge, wo die Temperaturbeständigkeit eine
Folge der geringen Wärmeleitung des Harzes ist, die durch geschickte
geometrische Anordnung der Fasern (keine Wärmebrücken!) noch weiter
verbessert werden kann.
Dennoch haben auch die Fasern unterschiedliche Wärmebeständigkeiten.
Aramidfasern erleiden schon Festigkeitsverluste bei erhöhter Raumtemperatur
in inerter Atmosphäre. Ab 200 °C zeigen sich Festigkeitsverluste bei
E-Glasfasern. Erst ab 1000 °C werden Kohlenstoffasern thermisch
beeinflußt.
Einfluß der Temperatur auf die Zugfestigkeit
Feuchtigkeitsaufnahme der Verstärkungsfasern
Viele Untersuchungen haben gezeigt, daß sowohl Glas- wie auch Kohlen-
stoffasern keine Feuchtigkeit aufnehmen, sondern im Laminat sogar eine
Sperrwirkung gegenüber Wasserdampf haben.
Eine Ausnahme bilden die synthetischen Fasern, wie z.B. die Aramide.
Ihre Feuchtigkeitsaufnahme kann ganz erheblich sein, abhängig vom
Trocknungsgrad und der Faserart. Sehr unterschiedlich in Bezug auf die
Faserachse sind auch ihre Quelldehnungen. Messungen zeigen eine z.T. sehr
hohe Quellung in radialer und eine Kontraktion in Achsrichtung.
In der nachfolgenden Tabelle sind eine Vielzahl von Meßergebnissen, auch
für die neueren natürlichen Faserverstärkungen, zusammengefaßt. Die
Messungen wurden entweder bei einer relativen Umgebungsfeuchte von
65 % vorgenommen oder auf diese Feuchte umgerechnet, da dieser Wert dem
langzeitigen Feuchtgleichgewicht in unseren Breitengraden entspricht.
VERSTÄRKUNGSFASERN EINFÜHRUNG IN DAS GEBIET DER FASERVERBUNDSTOFFE
REINFORCING FIBRES AN INTRODUCTION TO THE FIELD OF FIBRE COMPOSITES
Vegetable bres
Reinforcing materials of vegetable fibres are available primarily as non-
wovens, but fabrics are also possible. In particular, high-quality ramie fibre,
obtained from the subtropical Chinese grass plant, is gaining in importance.
With respect to its weight-related strength, ramie fibre compares well with
E glass fibre. When biodegradable materials must be used, the obvious
question is how they resist external influences such as temperature, moisture,
chemicals, radiation, or even microbes. This development is primarily
targeting fields of application in which glass-fibre-reinforced polyester resins
are still being used today. So the key target groups include, for example, trim
finishers with supporting inserts in automobile manufacture, wagon building,
and the furniture industry.
Heat resistance
A fibre composite’s resistance to heat is defined in general by the resistance
to heat exhibited by the (resin’s) polymeric matrix and, over the long term, is
no higher than 230 °C. For short periods, however, the temperature resistance
can be very much higher. One good example is given by the heat shields for
spacecraft, whose temperature resistance is based directly on the resin’s
low thermal conduction, a property that can be enhanced even further
when the fibres are skilfully arranged in the optimal geometry (there must
be no heat bridges!).
However, also the fibres exhibit different temperature resistances.
Aramid fibres suffer losses in strength at a raised ambient temperature in
an inert atmosphere. The strength of E glass fibres starts to deteriorate at
temp-eratures greater than 200 °C. Carbon fibres, however, remain immune
to thermal effects up to 1000 °C.
Effects of temperature on tensile strength
Moisture absorption by reinforcing fibres
Many investigations have shown that both glass and carbon fibres do not
absorb moisture. On the contrary, they even give rise to a barrier effect in
the laminate against water vapour.
The exceptions are the synthetic fibres, e.g. the aramids. Their moisture
absorption can be considerable, depending on the degree of drying and the
type of fibre. Their swelling behaviour also differs along each of the fibre
alignments. Measurements have shown that there is sometimes very great
swelling in the radial and a contraction in the axial directions.
The following table summarises a great number of values measured on
reinforcing fibres, including the more recent natural fibre reinforcements. The
measurements were either taken in an environment of 65% relative humidity
or afterwards modified to this value, which corresponds to the long-term
stable humidity values typical of our latitude.
Relative Zugfestigkeit Relative tensile strength
Temperatur/ temperature
C-Faser/ C-fibre
R-Glas/ R-glass
E-Glas/ E-glass
Aramid-Faser/ Aramid-fibre