Glasfaser

Glasfasern

Aus Glas bestehende Fasern in Längen von einigen Millimetern bis hin zu mehreren Kilometern.
Bei der Herstellung werden aus einer Glasschmelze dünne Fäden gezogen und zu einer Vielzahl von Endprodukten weiterverarbeitet.

Geschichte

Bereits vor fast 4000 Jahren verwendeten die Phönizier, Griechen und Ägypter aus der Schmelze gezogene Glasfäden, um Gefäße zu verzieren. 1713 wies Ferchault de Reamur auf die Möglichkeit hin, feine Glasgarne zu verweben.
Der Ursprung war die Fähigkeit von Glasbläsern aus dem Thüringer Wald, bereits im 18. Jahrhundert, sogenanntes Feen- oder Engelshaar herzustellen, es wurde als Dekorationsmittel genutzt. Im thüringischen Haselbach wurden nach 1896 erstmals spinnbare Glasfäden mit genau definiertem Durchmesser sozusagen als „Rollenware“ hergestellt. Dieses Verfahren wurde in den 1930er Jahren als Stabtrommelabziehverfahren zum Patent angemeldet.
Endlos-Glasfasern wurden erstmals 1935 industriell in den USA als Verstärkungsfasern hergestellt. Die Massenproduktion wurde in den 1930er Jahren von Games Slayter (Owens Corning) und anderen entwickelt - damals diente das Material vor allem der Isolierung von Häusern.

Verwendung

Glasfasern sind etwa 7 bis 11 μm dicke Fasern begrenzter Länge (bis 120 mm, Kurz- oder Stapelfaser). Sie haben eine Dichte zwischen 80 und 150 kg/m³ und werden als Filz, Vlies, Glasmatte oder Glaswatte (-motte) geliefert.
Glasfäden sind endlos gezogene Elementarfäden von 5 bis 7 μm Dicke; aus 200 solcher Fäden stellt man Glasseide aus 60 Elementarfäden Rovings (Stränge), aus verdrillten Glasseidefäden Garn sowie Zwirn her.

Garne und Zwirne - auch aus Kurzfasern und Rovings - sind die Halbzeuge zur Fertigung von Glasgewebe, dessen Gebrauchswert durch Richten (z. B. stärkere Kettfäden, Kreuzen der Fäden) erhöht werden kann.

Unterscheidung der Verwendung.

optische Eigenschaften
- Datenübertragung
  Eine Spezialanwendung von Glasfasern sind Lichleitkabel (Faseroptik, Datenübertragung) für Medizin und Technik.
- Dekoration und Kunst
mechanische und thermische Eigenschaften
- Zur Verstärkung (Bewehrung) von Kunstharzen (glasfaserverstärkte Kunststoffe, GFK) können je nach Festigkeitsanforderung alle Lieferformen, als Füllmaterial für Leichtbauplatten Kurzfasern eingesetzt werden. Solche Mischwerkstoffe bezeichnet man als Glasfaser-Verbundwerkstoffe.
- Dämmmaterialien
  Glasfaservliese und -matten werden auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit ( ≤ 0,05 W/(m · K)) vor allem als Wärmedämmstoff (bis 500 °C, Kieselglasfasern bis 1000 °C), Glasgewebe für Filtertücher, Dekorationsstoffe und Vorhänge (in Theatern, Schiffen u. a.) verwendet.

Herstellung

Typische Eigenschaften von Glasfasern
Dichte	2,45…2,58 g/cm³
Filamentdurchmesser	5…24 µm
Zugfestigkeit	1,8…5 GPa (kN/mm²)
Zug-E-Modul	70…90 GPa
Bruchdehnung	< 5 %

Kurzfasern lassen sich durch Schleudern oder Verblasen flüssigen Glases herstellen.
(Endlose) Fäden erhält man durch das Stabziehverfahren, bei dem eine ganze Batterie vorgefertigter Glasstäbe(Preform) gemeinsam durch Gasflammen abgeschmolzen wird, oder nach dem Düsenziehverfahren, bei dem das Glas aus einer erhöht angeordneten kleinen Schmelzwanne (beim Platinwannen-Düsenziehverfahren eine elektrisch beheizte Platinwanne) durch Düsen im Wannenboden abgezogen wird.
Eine Preform (Vorform) ist ein vergrößertes „Abbild“ des späteren Querschnitts optischer Fasern. Sie enthalten die Ausgangsstoffe in ihrer Anordnung und Struktur.

Die Ausgangsstoffe sind hauptsächlich Siliciumdioxid, Al₂O₃, MgO, B₂O₃, CaO, wobei die Ausgangsstoffe und deren Reinheit die optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften bestimmen.

Sowohl textile als auch optische Fasern müssen sofort nach dem Ziehen geschützt werden, ansonsten würden sie zerbrechen oder sich aneinander zerreiben. Dieses sogenannte sizing ist meist ein Betriebsgeheimnis der Hersteller und besteht aus einer Beschichtung und/oder einem Haftvermittler. Es richtet sich zum Beispiel auch an dem eingesetzten Kunstharz aus, mit dem die rovings zu glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) verarbeitet werden. Alkoxysilane als Haftvermittler haben zum Beispiel hydrophile (bindet am Glas) und hydrophobe (Bindung zum Harz) Atomgruppen.

Nutzung der mechanischen Eigenschaften

Für mechanische Anwendungen liegen die Glasfasern meistens als Roving, Vliesstoff oder als Gewebe vor. Für Profile verwendet man hingegen unidirektionale (nur in eine Richtung verlaufende) Fasern; so werden zum Beispiel Sportpfeile für das Bogenschießen, Stäbe zur Isolation oder z. B. in manchen Regenschirmen aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt.

Festigkeit

Als sprödes Material ist Glas empfindlich gegenüber Spannungsspitzen, wie sie an Fehlstellen wie Kerben auftreten. Risse setzen sich durch den gesamten Körper fort. Durch die Faserform ist die Fehlstellengröße im Gegensatz zum kompakten Werkstoff auf den Faserquerschnitt begrenzt, die molekulare Festigkeit des Glases wird nutzbar. Die Bruchdehnung einer einzelnen Faser kann bis zu 5 Prozent betragen. Sie sind jedoch anfällig gegenüber Knicken und scharfen Kanten

Die Zug- und Druckfestigkeit der Glasfaser sorgt für eine besondere Aussteifung des Kunststoffes bei gleichzeitiger Erhaltung einer gewissen Flexibilität dank der (verglichen mit Stahl) hohen elastischen Bruchdehnung. Die Eigenschaften von Glasfasern werden beispielsweise bei der Herstellung von hochfesten und leichten Bauteilen wie Sportbooten, GFK-Profilen, GFK-Bewehrungen oder Angelruten genutzt. Auch Tanks und Rohre für hochkorrosive Stoffe bestehen meist aus glasfaserverstärktem Kunststoff.

Typischerweise wird für die Konstruktion die mittlere quasistatische Festigkeit einer unverstärkten E-Faser von R_G = 1,8 GPa verwendet.

Steifigkeit

Der Elastizitätsmodul von Glasfasern unterscheidet sich nur wenig von dem eines kompakten Werkstoffvolumens aus Glas. Anders als Aramidfasern oder Kohlenstofffasern hat die Glasfaser eine amorphe Struktur. Wie beim kompakten Fensterglas ist die molekulare Orientierung regellos. Die Glasfaser hat isotrope mechanische Eigenschaften. Glasfasern verhalten sich bis zum Bruch ideal linear elastisch. Ihre Werkstoffdämpfung ist sehr gering.

Die Steifigkeit eines realen Bauteils aus glasfaserverstärktem Kunststoff ergibt sich aus Elastizitätsmodul, Richtung und Volumenanteil (Standard: 60 %) der Glasfasern sowie zu einem geringen Anteil aus den Eigenschaften des Matrixmaterials, da meist ein deutlich weicherer Kunststoff verwendet wird. Der Elastizitätsmodul der reinen Glasfaser liegt mit 70 bis 90 GPa etwa in der Größenordnung von Aluminium.