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GFK/CFK Werkstoffe mit hoher Beständigkeit einsetzen

So widerstehen Ihre Bauteile Wasser, Chemikalien, Öl, Witterung und Temperaturen

Immer wenn Bauteile gefragt sind, die widerstandsfähig sind gegen verschiedenste äußere Einflüsse, gehören die Faserverbundstoffe CFK und GFK zur ersten Wahl. Ob es beispielsweise um Oberflächen geht, die häufig mit aggressiven Mitteln gereinigt werden müssen oder um Bauteile, die ständig heißem Dampf ausgesetzt sind: Speziell abgestimmte Faserverbundwerkstoffe lösen viele Probleme sehr flexibel und preisgünstig.

Chemie:
Welche chemischen Eigenschaften haben Faserverbundwerkstoffe?

CFK und GFK sind chemisch sehr beständig, in der Regel "inert". Das heißt, sie reagieren nicht mit potenziellen Reaktionspartnern wie Luft oder Wasser. Somit sorgen sie für eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen.
Auch sind CFK und GFK eine sehr gute Lösung für Produkte, die UV-beständig sein sollen. Durch Hinzugabe von Additiven kann ein UV-beständiger Kunststoff erzeugt werden, der als Matrix den ganzen Verbundwerkstoff UV-beständig werden lässt. Die Composites sind auch beständig gegen Säuren und Chemikalien. Hier sind als Grund für die chemische Beständigkeit der Kunststoffe und ihre Eigenschaften zu sehen. Wird ein Kunststoff mit gewünschten chemischen Eigenschaften als Matrix gewählt, schützt dieser die im Werkstoff verwendeten Fasern (Glasfaser, Kohlenstofffaser, Aramid) gegen äußere Einflüsse.
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Welche chemischen Eigenschaften haben CFK/Carbon?

  • CFK sind chemisch inert, reagiert also nicht mit potenziellen Reaktionspartnern wie Luft oder Wasser
  • Carbon-Composites korrodieren nicht – die Materialien nehmen also praktisch kein Wasser auf
  • Faserverbundstoffe haben eine gute Beständigkeit gegen Lösungsmittel, Säuren und Alkalien.
Sie bewähren sich auch in extremen Witterungsbedingungen, ohne zu korrodieren. Somit können sie gut im Freien verwendet werden: Seien es in Form von Behältern für industrielle Anlagen oder auch als Bauteile von Booten.
Als Matrix wird bei CFK in der Regel Epoxidharz verwendet. Dabei handelt es sich um einen Duroplast: Das sind Kunststoffe, die, einmal ausgehärtet, nicht mehr durch Wärme verformbar sind und starke mechanische Belastungen aushalten.
WerkstoffBeständig gegen Nicht beständig z.B. gegenBrennbarkeit Reparatur
Polyesterharze
Wasser, wässrige Lösungen, Heizöl, Benzin
heisses Wasser, konzentrierte Säuren und Laugen, Benzol, Alkohol, Toluol
nicht selbst verlöschend
auflaminieren, kleben
Epoxydharze
Benzin, Benzol, Mineralöle, Fette
Heisses Wasser, Ester, konzentrierte Säuren und Laugen, Ketone, Aceton
schwer entzündlich, brennt
auflaminieren, kleben
Vinylesterharze
37% HCL, Chlordioxid, Meerwasser, Kohlenwasserstoffe
75% H2SO, Wasser, 15% NaOH
nicht selbst verlöschend
auflaminieren, kleben

Welche chemischen Eigenschaften haben GFK?

Sie sind im wesentlichen ähnlich wie die von CFK. Bei der Verwendung eines geeigneten Kunststoffs ist der Korrosionsschutz von GFK hervorragend, auch in Umgebungen die sehr aggressiv sind.

Einsatzgebiete:
Wo können die chemischen Eigenschaften von Kunststoff, Glasfaser und Kohlestoffaser genutzt werden?

In der Praxis unserer Kunden bei PRK Kunststoffverarbeitung haben sich beispielsweise folgende Einsatzbereiche bewährt:
  • Maschinenverkleidungen können von der Widerstandsfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen gegen aggressive Kühlschmiermittel profitieren.
  • Für Oberflächen, die häufig gereinigt werden müssen, sind Composites mit Vinylesterharzen als Matrix ein sehr gutes Material. Sie haben gegen verschiedenste Reinigungsmittel eine hohe chemische Beständigkeit.
  • Auch Bauteile, die permanent heißem Wasserdampf ausgesetzt sind, sind dankbare Anwendungsfälle für CFK und GFK.
  • Auch können Bauteile mit speziellen Brandschutzeigenschaften erstellt werden. Hier können besondere Oberflächeneigenschaften verschiedener Harze genutzt werden.
  • Mechanische Bauteile, die häufig und stark belastet werden, können je nach Werkstoff irgendwann ermüden, beispielsweise wenn man Aluminium verwendet. Indem wir die Eigenschaften der Kohlenstofffaser kombiniert mit einer Matrix aus Epoxidharzen nutzen, können wir Bauteile herstellen die nicht ermüden und eine hohe Dauerschwingfestigkeit aufweisen.
  • Auch im Bootsbau können Composites gute Dienste für eine bessere Beständigkeit, beispielsweise gegen Korrosion, leisten. Gerade Epoxide sind bekannt für ihre Verwendung als Korrosionsschutz. Der Rumpf und auch andere Bauteile, die ständig der Witterung, Feuchtigkeit und chemischen Einflüssen der Umwelt ausgeliefert sind, können sehr davon profitieren wenn man für sensible Bauteile glasfaserverstärkte Kunststoffe oder CFK verwendet.


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Zusammensetzung:
Welche Einflüsse haben die Komponenten (Matrix, Fasern, Grenzschicht) auf die chemischen Eigenschaften des Materials?

Die Matrix aus Kunststoff

Sie bestimmt das Aussehen und die chemischen Eigenschaften des Bauteils, also die Farbe, Oberflächenstruktur, Beständigkeit gegen UV, Korrosionsbeständigkeit etc. Die äußeren Eigenschaften der Werkstoffe sind so flexibel gestaltbar.

Die Fasern

Glasfasern und Kohlenstofffasern sorgen für die Festigkeit des Kunststoff-Faser-Verbundes.

Die Grenzschicht

Sie überträgt die Spannung zwischen den Fasern und der Matrix. Dies erfolgt über Schub entweder durch Reibung oder Klebehaftung.

Schutzfunktion:
Wie ist die chemische Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen gegen Öl, Säuren, Rost, Korrosion, Witterung, UV-Strahlung?

PRK GFK CFK Bestaendigkeit Oel Wasser

Wie ist die Beständigkeit gegen Öl von Faserverbundwerkstoffen verwendbar?

Grundsätzlich hat Öl einen neutralen PH-Wert von 7. Durch verschiedene Additive, z. B. aus Gründen des Korrosionsschutzes, kann der PH-Wert jedoch sinken. Dies tritt umso mehr ein, je mehr das Öl altert, bedingt durch hohe Betriebstemperaturen und Verunreinigungen. Man spricht hier von einer Versäuerung durch Öl-Oxidation. Die Folgen sind hier vor allem Korrosion von Metallen die ständig mit Öl in Berührung sind und eine schleichende Zerstörung von Gummi- und Kautschukmaterialien, beispielsweise an Dichtungen. Bei Bauteilen, die viel mit Öl in Berührung kommen, ist es eine gute Wahl, Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen zu verwenden. Ein Beispiel sind hier Öltanks, die aus GFK gefertigt werden können oder Maschineneinhausungen.

Wie ist bei GFK die Beständigkeit gegen Chemie/Säuren?

Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) sind chemisch sehr beständige Werkstoffe. Generell kann man sagen, dass Kunststoffe gegen alle chemischen Medien ein gutes Mittel darstellen, beispielsweise auch gegen Laugen und Säuren. Somit sind Faserverbundwerkstoffe auch ein guter Ersatz für säurebeständige Stähle wie beispielsweise Austenine.

Wie geeignet sind CFK/GFK für Rostschutz?

Faserverbundwerkstoffe bieten im Bereich Rostschutz Möglichkeiten, anfällige Metalle durch CFK oder GFK zu ersetzen. Nicht nur in der Industrie eröffnen sich so Alternativen, beispielsweise für den Rostschutz am Auto. Auch privat gibt es findige Schrauber, die ihr an ihrem Auto Rostschutz betreiben indem sie befallene Stellen mit GFK „überpinseln“. Interessant ist diese Möglichkeit der Vorbeugung gegen Rost auch für alle Maschinenbauteile die ganzjährig im Freien stehen, wie beispielsweise Kühltürme, Schaltschränke etc.

Was ist Korrosion/ Korrosionsschutz?

Chemische und elektrochemische Korrosion bezeichnet den Prozess, wenn ein Werkstoff elektrochemisch angegriffen und zersetzt wird. So ist in der Regel bei dem Begriff der Korrosion Metall gemeint. Jedoch kann die Bezeichnung auch beispielsweise bei Glas und Kunststoffen angewandt werden. Häufig bezeichnet "Korrosion" jedoch den Prozess, wenn ein Werkstoff aus Metall mit seiner Umgebung reagiert. Dies tritt insbesondere auf, wenn die relative Luftfeuchte 80% übersteigt und es wärmer als 0°C ist. Wenn jedoch die Luft mit reaktiven Stoffen verunreinigt ist oder Salze hygroskopisch auf den Werkstoff einwirken, kann die Korrosion des Metalls auch schon bei niedriger Luftfeuchtigkeit einsetzen.
Um den Prozess der Korrosion zu verhindern, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Übergeordnet kann man aktiven Korrosionsschutz und passiven Korrosionsschutz unterscheiden.

Was ist passiver Korrosionsschutz?

Beim passiven Korrosionsschutz überzieht man den zu schützenden Werkstoff mit einem Überzug wie Lack oder Gummi. Auch metallische Deckschichten sind möglich wie Kupfer, Zinn oder Nickel.

Was ist aktiver Korrosionsschutz?

Um beispielsweise einen metallischen Werkstoff, der viel dem Wasser ausgesetzt ist, zu schützen, nutzt man Schichten aus weniger edlen Metallen. So schützt man beispielsweise eine Schleuse eines Wasserbauwerkes, indem man Schichten von so genannten „Opferanoden“ bzw. „Schutzanoden“ aus Legierungen mit Aluminium, Zink oder Magnesium aufträgt. Die Schutzschicht mit dem unedleren Stoff opfert sich für das zu schützende Metall, wird angegriffen und muss dann irgendwann wieder erneuert werden.

Wie können Faserverbundwerkstoffe zum Schutz vor Korrosion beitragen?

Faserverbundwerkstoffe sind korrosionsbeständig. Die Kunststoffmatrix eines Faserverbundwerkstoffes bestimmt hier die Eigenschaften der Oberfläche – maßgeblich ist also die Kunstststoff-Beständigkeit, genauer gesagt die chemische Beständigkeit der Kunststoffe, die verwendet werden. Für eine hohe Beständigkeit können den Kunststoffen spezielle Additive hinzugefügt werden.
Da bei Faserverbundwerkstoffen Korrosion keine Rolle spielt, können sie besonders als Ersatz für korrosionsanfällige Metalle genutzt werden. So spielt bei der Vermeidung von Korrosion Kunststoff eine zentrale Rolle.
Häufig können mehrere Vorteile von Faserverbundwerkstoffen genutzt werden, um Metalle zu ersetzen: CFK ähnliche Eigenschaften wie Stahl, was Festigkeit betrifft, und GFK sind in einigen Materialeigenschaften Werkstoffen aus Aluminium ähnlich. So kann man durch die Nutzung von Faserverbundwerkstoffen nicht nur eine Aluminium-Korrosion oder die Korrosion von Stahl / Edelstahl verhindern – man bekommt auch viel leichtere Bauteile.

Was bedeutet witterungsbeständig?

Witterungsbeständigkeit meint, wie gut Materialien bestehen können gegen äußere Faktoren wie Temperatur, Sauerstoffgehalt der Luft, Ozonwert, UV-Strahlung, die relative Feuchtigkeit, den Anteil von Stickoxiden oder Schwefeldioxiden in der Luft oder auch Niederschlägen wie Hagel. Schlechte Witterungsbeständigkeit bedeutet, dass ein Material in Wechselwirkung mit den Umständen über eine gewisse Zeit viel von seinen ursprünglichen Eigenschaften verliert. Hier ist der Unterschied zwischen witterungsbeständig und wetterfest noch eine Sache: Die Begriffe werden oft synonym verwendet, aber im Zweifel ist „witterungsbeständig“ als höherwertiger einzustufen als „wetterbeständig“, weil der Begriff „Witterung“ mehr Eigenschaften umfasst.

Sind GFK witterungsbeständig?

Glasfaserverstärkte Kunststoffe gelten als sehr witterungsbeständiges Material – sie sind langlebig und beständig gegen äußere Einflüsse. So können beispielsweise Kunststoffplatten witterungsbeständig gestaltet werden – das kann eine Alternative dazu sein, mitteldichte Faserplatten (MDF) witterungsbeständig herzustellen.
Zudem kann man GFK mit so genanntem Gelocat überziehen, also einer faserfreien Harzschicht. Es entsteht eine chemisch sehr starke Verbindung der beiden Stoffe. Die Werkstoffe sind so sehr robust gegen Kratzer oder Einschläge. Es ist kein Abplatzen der Gelcoatschicht möglich, wie das beispielsweise bei Lackierungen der Fall wäre.
Mit ihren besonderen chemischen Eigenschaften stellen GFK somit auch eine Möglichkeit dar, Oberflächen im Vergleich zur Verwendung von Metallen wie Aluminium witterungsbeständig zu gestalten bzw. eine Art witterungsbeständiger Kunststoff zu benutzen.

Was bedeutet UV-Beständigkeit?

Als UV-beständig bezeichnet man Stoffe, die der UV-Strahlung der Sonne oder anderer Quellen ausgesetzt werden können, ohne ihr Aussehen oder ihre mechanischen Eigenschaften zu verändern, z. B. durch Ausbleichen, Verfärbung, Bildung von Rissen, Versprödung, Verringerung der Elastizität, Verlust an Härte und Festigkeit.

Wie UV-beständig sind Faserverbundwerkstoffe?

Die Beständigkeit von Composites hängt vor allem von der UV-Beständigkeit der Kunststoffe ab, die verwendet werden. Wir bei PRK Kunststoffverarbeitung nehmen für unsere Bauteile in der Regel Polyesterharz – ein sehr UV-beständiger Kunstststoff - zur Oberflächengestaltung. So können preiswerte Oberflächen entstehen gerade bei großen Bauteilen. Die Harze sind mit Hilfe von Additiven gut so gestaltbar, dass diese Kunststoffe UV-Beständigkeit haben.
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