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Der mysteriöse Ursprung des faserverstärkten Kunststoffs: Wie wurde er hergestellt?
Faserverstärkter Kunststoff (FRP), auch als faserverstärktes Polymer (oder Faser im amerikanischen Englisch) bekannt, ist ein Verbundwerkstoff, der aus einer mit Fasern verstärkten Polymermatrix besteht. Diese Fasern bestehen normalerweise aus Glas, Kohlenstoff, Aramid oder Basalt, obwohl auch weniger gebräuchliche Fasern wie Papier, Holz, Bor oder Asbest verwendet werden. Bei dem Polymer handelt es sich üblicherweise um ein Epoxid-, Vinylester- oder Polyester-Duroplast, obwohl heute immer noch Phenolharze verwendet werden. Heute wird FRP häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Automobilindustrie, der Schifffahrt und im Bauwesen eingesetzt und findet sich sogar in ballistischen Panzerungen und Atemschutzflaschen für unabhängige Atemschutzgeräte.
Geschichtsrückblick
Die ersten faserverstärkten Kunststoffe erregten aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften die Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftler. Bakelit galt Anfang des 20. Jahrhunderts als der erste faserverstärkte Kunststoff. Um diesen Prozess zu verstehen, können wir ihn auf den Chemiker Leo Baekeland zurückführen, dessen Forschung darauf abzielte, einen Ersatz für Muschelleim zu finden. Als sein Verständnis für viele natürliche Harze und Fasern als Polymere wuchs, begann Baekeland mit den Reaktionen von Phenol und Formaldehyd zu experimentieren. Im Jahr 1905 gelang ihm erstmals die Herstellung eines harten, formbaren Materials: des weltweit ersten synthetischen Kunststoffs: Bakelit.
In den 1930er Jahren lief die Forschung zur kommerziellen Anwendung von faserverstärkten Kunststoffen auf Hochtouren. In Großbritannien wurde von Pionieren wie Norman de Bruyne viel Forschung betrieben, insbesondere in der Luftfahrtindustrie. Die erstaunliche Entdeckung machte der Forscher Games Slayter 1932, als er zufällig Glasfasern herstellte, indem er Druckluft auf einen Strom aus geschmolzenem Glas blies. Anschließend schlossen sie sich mit Corning zusammen und begannen 1935, diese Technologie bei der Herstellung ihres patentierten Materials „Fibreglas“ anzuwenden.
„Faserverstärkte Kunststoffe zeigen zunehmend großes Potenzial als strukturelle Baumaterialien.“
FRP-Herstellungsprozess
Die Herstellung von FRP umfasst zwei Hauptprozesse: Zum einen die Herstellung und Formgebung der Rohstoffe und zum anderen die Bindung der Fasermaterialien an die Matrix. Als Matrix bezeichnet man das Ausgangsmaterial des Polymers, einen relativ spröden Kunststoff, der mit Fasern verstärkt wird, um ihm Festigkeit und Elastizität zu verleihen.
„Bei faserverstärkten Kunststoffen werden durch die Anwesenheit von Fasern die mechanischen Eigenschaften des Materials deutlich verbessert.“
Faserherstellungs- und Formprozess
Beim FRP-Herstellungsprozess werden Fasern in zwei- oder dreidimensionaler Form hergestellt, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Diese Entwicklung ist auf die Anforderungen in Bezug auf Kosten, mechanische Eigenschaften und Toleranz gegenüber Aufprallschäden zurückzuführen. Die vorgeformte Form der Faser ist die Materialform vor der weiteren Verbindung mit der Matrix, wozu Techniken wie Weben, Stricken, Flechten und Nähen gehören.
Formgebungsprozess
Die meisten faserverstärkten Kunststoffteile werden spanend mithilfe von Formen hergestellt. Die vorgefertigten Fasern können Trockenfasern oder mit Harz vorimprägnierte Fasern sein, während das Endteil in einer Form ausgehärtet wird, um die gewünschte Form anzunehmen. Durch eine ausgefeilte Formenkonstruktion sowie die Anwendung von Hitze und Druck kann die Materialqualität verbessert werden.
Vorteile und Einschränkungen von FRP
Das Aufkommen faserverstärkten Kunststoffs hat nicht nur die Materialwissenschaft revolutioniert, sondern auch die Entwicklung zahlreicher Branchen gefördert. Beispielsweise werden FRP-Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrt häufig aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihres geringen Gewichts und ihrer ausgeprägten Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Der Herstellungsprozess dieser Materialien ist jedoch kostspielig, was ihre weitverbreitete Verwendung in bestimmten Anwendungsbereichen einschränkt.
In der Geschichte der gesamten Materialwissenschaft sind faserverstärkte Kunststoffe sowohl das Produkt technologischer Innovationen als auch die Verkörperung wachsender industrieller Nachfrage. Wie wird die Entwicklung faserverstärkten Kunststoffs angesichts des technologischen Fortschritts und der Ausweitung der Anwendungsbereiche unser Leben in der Zukunft beeinflussen?
