Kohlenstofffaser vs. Glasfaser bei der Kunststoffmodifizierung

Im Bereich der Kunststoffmodifizierung zählen Kohlenstoff- und Glasfasern zu den am häufigsten verwendeten Verstärkungsmaterialien. Beide tragen wesentlich zur Verbesserung der Kunststoffeigenschaften bei, unterscheiden sich jedoch deutlich hinsichtlich Materialeigenschaften, Kosten und Anwendungsgebieten.

Unterschiede in den Materialeigenschaften

Festigkeit und Steifigkeit

Kohlenstofffasern besitzen eine extrem hohe Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul. Die Zugfestigkeit liegt typischerweise zwischen 3.000 und 7.000 MPa oder sogar darüber, der Elastizitätsmodul über 230 GPa und ist damit 4- bis 5-mal höher als der von Stahl. Bei der Verstärkung von Kunststoffen können Kohlenstofffasern die Festigkeit und Steifigkeit des Materials deutlich verbessern und so die strukturelle Stabilität von Bauteilen auch unter hoher Belastung gewährleisten. Beispielsweise können kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffteile in der Luft- und Raumfahrtindustrie auch in komplexen mechanischen Umgebungen zuverlässig funktionieren.

Glasfasern hingegen weisen im Allgemeinen eine Zugfestigkeit zwischen 1.500 und 3.500 MPa auf. Zwar können sie auch die Festigkeit und Steifigkeit von Kunststoffen erhöhen, die Verbesserung ist jedoch im Vergleich zu kohlenstofffaserverstärkten Werkstoffen bei gleicher Belastung relativ geringer.

Dichte

Kohlenstofffasern weisen eine geringe Dichte von typischerweise 1,7–1,9 g/cm³ auf, wodurch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht erreichen. Dies macht sie ideal für Anwendungen, die eine Gewichtsreduzierung erfordern, wie beispielsweise Leichtbaukomponenten im Automobilbereich, die das Fahrzeuggewicht verringern und die Kraftstoffeffizienz verbessern.

Glasfasern sind mit 2,4–2,7 g/cm³ relativ dichter, daher sind glasfaserverstärkte Kunststoffe unter ähnlichen Bedingungen schwerer als ihre kohlenstofffaserverstärkten Pendants.

Elektrische und thermische Eigenschaften

Kohlenstofffasern weisen eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Mit Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe eignen sich für Anwendungen, die antistatische Eigenschaften oder elektromagnetische Abschirmung erfordern, wie beispielsweise Gehäuse für elektronische Geräte oder explosionsgeschützte Schalter.

Glasfaser ist ein Isoliermaterial und leitet keinen Strom. Glasfaserverstärkte Kunststoffe weisen daher diese Eigenschaften nicht auf und werden hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen die elektrische Leistungsfähigkeit nicht entscheidend ist, jedoch eine mechanische Verstärkung erforderlich ist.

Ermüdungsresistenz

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe weisen eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit auf und widerstehen wiederholter Belastung ohne nennenswerte Schäden. Dadurch eignen sie sich für Sportgeräte wie Fahrradrahmen und Tennisschläger, bei denen langfristige Leistungsstabilität wichtig ist.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine relativ geringere Dauerfestigkeit auf und sind unter häufiger zyklischer Belastung anfälliger für Ermüdungsschäden.

Kostenunterschiede

Kohlenstofffaserverstärkte Werkstoffe sind im Allgemeinen deutlich teurer als glasfaserverstärkte Werkstoffe. Aus Rohstoffsicht durchlaufen Kohlenstofffaservorprodukte wie Polyacrylnitril (PAN) oder Pech mehrere komplexe Verarbeitungsschritte, um zu Kohlenstofffasern zu werden, was zu hohen Kosten führt. Glasfasern hingegen werden im Wesentlichen aus Glas gesponnen, wodurch die Rohstoffkosten wesentlich geringer sind.

Die Herstellung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen erfordert spezielle Ausrüstung und Fachkenntnisse, darunter Oberflächenbehandlung, präzise Gewebeausrichtung, Klebeverbindung und Aushärtung, was die Produktionskosten erhöht. Die Herstellung von Glasfaserverbundwerkstoffen ist vergleichsweise einfacher.

Zudem erfreut sich Glasfaser einer hohen Marktnachfrage, was Skaleneffekte ermöglicht und die Kosten weiter senkt. Der Markt für Kohlenstofffasern hingegen ist kleiner, die Produktion begrenzt und die Kosten bleiben hoch. Typischerweise ist Kohlenstofffaser um ein Vielfaches teurer als Glasfaser, wodurch Glasfaser in kostensensiblen Anwendungen vorteilhafter ist.

Anwendungen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen

Luft- und Raumfahrt: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe finden breite Anwendung bei der Herstellung von Flugzeugkomponenten wie Tragflächen und Rumpfstrukturen. Führende Flugzeughersteller wie Airbus und Boeing nutzen kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische oder duroplastische Verbundwerkstoffe, um deren hohe Festigkeit und geringe Dichte auszunutzen. Dadurch lässt sich das Flugzeuggewicht reduzieren, während gleichzeitig Treibstoffeffizienz und Flugleistung verbessert werden.

Automobilbranche: Kohlefaser wird in Motorhauben, Karosserieteilen, Radnaben und anderen Komponenten eingesetzt, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, das Fahrverhalten zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Hochwertige Sportwagen und Fahrzeuge mit alternativen Antrieben verwenden zunehmend Kohlefaserteile.

Elektronik: Anwendungsgebiete sind unter anderem Laptop-Gehäuse, Smartphone-Rahmen und andere Elektronikgehäuse. Kohlenstofffasern gewährleisten die Festigkeit der Produkte bei gleichzeitig reduziertem Gewicht, und ihre elektrische Leitfähigkeit ermöglicht eine elektromagnetische Abschirmung.

Sportgeräte: Carbonfaser wird in Golfschlägern, Tennisschlägern, Badmintonschlägern und Fahrradrahmen verwendet und verbessert die Leistung der Ausrüstung sowie die Wettkampffähigkeiten der Sportler.

Anwendungen von glasfaserverstärkten Kunststoffen

Automobilindustrie: Glasfaserverstärkte Kunststoffe finden breite Anwendung in Innenraumkomponenten, Stoßfängern und Motorteilen. So erreichen beispielsweise mit Glasfaser verstärkte Kunststoff-Innenausstattungsteile eine höhere Festigkeit und Formstabilität.

Elektronik und elektrische Geräte: Wird häufig für Gehäuse, Sockel und Trägermaterialien für Leiterplatten verwendet. Anwendungsbereiche sind unter anderem TV-Gehäuse, Computerchassis und andere Elektronikgehäuse, wo die Glasfaserverstärkung die Materialfestigkeit erhöht und die internen Komponenten schützt.

Baumaterialien: Glasfaserverstärkte Kunststoffe werden zur Herstellung von GFK-Rohren, Kühltürmen, Gebäudeschalungen und anderen Bauelementen verwendet und spielen eine Rolle in Wasserversorgungs-, Entwässerungs-, Belüftungs- und Wärmeabfuhrsystemen.

Produkte des täglichen Bedarfs: Gegenstände wie Tische und Stühle aus Kunststoff, Mülltonnen und Haushaltsbehälter profitieren von der Glasfaserverstärkung, die die Leistung verbessert und die Lebensdauer verlängert.

Kohlenstoff- und Glasfasern weisen jeweils spezifische Vor- und Nachteile bei der Kunststoffmodifizierung auf. In der Praxis ist es wichtig, Faktoren wie Produktleistungsanforderungen und Kostenbeschränkungen sorgfältig abzuwägen und das Verstärkungsmaterial gezielt auszuwählen, um ein optimales Verhältnis zwischen Leistung und Wirtschaftlichkeit zu erzielen.