Verbundwerkstoff

Kohlenstofffasergewebe in Leinwandbindung

Kohlenstofffaser im Vergleich zu einem menschlichen Haar

Ein Verbundwerkstoff oder Kompositwerkstoff (englisch composite (material)) ist ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien, der andere Werkstoffeigenschaften besitzt als seine einzelnen Komponenten. Für die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe sind stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung. Insbesondere spielen oft Größeneffekte eine Rolle. Die Verbindung erfolgt durch Stoff- oder Formschluss oder eine Kombination von beidem. Bei Verpackungen wird daneben der Begriff Verbundstoff für zu diesem Zweck hergestellte Materialien verwendet. Gelegentlich wird auch die Bezeichnung Compound (englisch für ‚Mischung‘) für Verbundwerkstoffe mit Kunststoffanteil verwendet.

Eigenschaften

Verbundwerkstoffe sind Gemische aus sortenreinen Grundstoffen. Eine Lösung der einzelnen Grundstoffe untereinander findet dabei nicht oder nur oberflächlich statt. Durch die Compoundierung werden somit mindestens zwei Stoffe miteinander verbunden. Ziel der Compoundierung ist es, einen Werkstoff zu erhalten, der besonders günstige Eigenschaften der Bestandteile kombiniert. Meist ist es von Bedeutung, eine innige Verbindung der Phasen auch langfristig und unter Belastung sicherstellen zu können.

Ziele der Compoundierung

Die Ziele der Compoundierung sind vielfältig und richten sich nach den gewünschten Eigenschaften des späteren Bauteils. Hierbei sind in der Summe der Anforderungen oft Kompromisse einzugehen, da sich bestimmte Eigenschaften gegenseitig negativ beeinflussen können.

Typische Ziele der Compoundierung sind:

• Veränderung der mechanischen Eigenschaften eines Bindemittels (Grundpolymer). Hierbei werden über die Zugabe von Verstärkungs- und Füllstoffe, sowie über eine Schlagzähmodifizierung mechanische Kenngrößen wie die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung (s. hierzu auch Zugversuch) und die Schlagzähigkeit eingestellt.
• Farbeinstellungen. Über die Zugabe von Pigmenten oder sogenannten Masterbatches wird die gewünschte Farbe eingestellt. Bestimmte Farbeinstellungen können jedoch die mechanischen Eigenschaften sehr deutlich beeinflussen.
• Flammschutz. Durch Zugabe von Flammschutzmitteln kann verhindert werden, dass entflammbare Bindemittel entzündet werden oder nach Entfernen der Zündquelle weiterbrennen.
• Zugabe von Stabilisatoren und Stabilisatorsystemen. Gründe für die Stabilisierung sind im Wesentlichen:
  • Temperaturinitiierter Kettenabbau von Polymeren während der Verarbeitung. Diese kann durch eine zu hohe Scherung des Materials oder durch zu lange Verweilzeiten in den verarbeitenden Maschinen entstehen. Sie wird durch eine einfache, auf eine kurzfristige Belastung hin ausgelegte Stabilisierung verhindert.
  • Temperaturinitiierter Kettenabbau in der Anwendung. Kunststoffteile, welche in der Anwendung stark temperaturbelastet werden, z. B. im Motorraum eines Kfz, müssen auf diese Belastung hin stabilisiert werden.
  • Verbesserung der Witterungsbeständigkeit: Kunststoffteile in Außenbereichen sind starken Schädigungen durch Oxidation und Hydrolyse ausgesetzt. Diese können in einem gewissen Umfang durch spezielle Stabilisatoren ausgeglichen werden. Je nach Grundpolymer und Stabilisierung können diese Effekte unterschiedlich lang aufgehalten werden.
• Zugabe von Verarbeitungshilfsstoffen. Diese Gruppe von Stoffen verbessert im Wesentlichen die Verarbeitung der Polymere. Auf diese Weise wird z. B. durch Entformungshilfsmittel die Entformung im Spritzgießprozess vereinfacht. Für die Endanwendung ist diese Gruppe von Additiven weniger relevant.

Geometrische Unterteilung

Nach der Geometrie des Verbunds unterscheidet man:

• Teilchenverbundwerkstoffe, auch als Partikelverbunde oder Dispersionswerkstoffe bezeichnet,
• Faserverbundwerkstoffe,
  • Kurzfaser
  • Langfaser
• Schichtverbundwerkstoffe, auch als Laminate bezeichnet,
• Durchdringungsverbundwerkstoffe,
• Strukturverbundwerkstoffe.

Die Komponenten eines Verbundwerkstoffs können dabei selbst wieder Verbundwerkstoffe sein. Bei Teilchen- und Faserverbundwerkstoffen sind Teilchen bzw. Fasern in eine andere Komponente des Verbundwerkstoffes, die sogenannte Matrix, eingebettet. In Faserverbundwerkstoffen können die Fasern in einer oder mehreren bestimmten Richtungen verlaufen bzw. Vorzugsrichtungen haben.

Faserverbundwerkstoffe können schichtweise hergestellt werden, sind dadurch aber noch keine Schichtverbundwerkstoffe, wenn die aufeinanderfolgenden Schichten gleichartig sind. Der Begriff Laminat wird hier allerdings auch verwendet. Schichtverbundwerkstoffe bestehen aus aufeinanderliegenden Schichten unterschiedlicher Anzahl. Der Spezialfall von drei Schichten, davon zwei identische Außenschichten, wird auch als Sandwichverbund bezeichnet.

Bei Durchdringungsverbundwerkstoffen bilden die einzelnen Komponenten für sich jeweils zusammenhängende, offenporige Materialien. Sie werden zum Beispiel durch Tränken eines offenporigen gesinterten Werkstoffs (zum Beispiel einer Schaumkeramik) mit einem geschmolzenen zweiten Stoff hergestellt.

Stoffliche Unterteilung

Aus der stofflichen Einteilung der Werkstoffe in polymere (Kunststoffe), metallische, keramische und organische Werkstoffe ergeben sich die grundsätzlichen Kombinationsmöglichkeiten für Verbundwerkstoffe. Dabei wird anwendungsspezifisch versucht, die unterschiedlichen Vorteile der einzelnen Werkstoffe im Endwerkstoff zu kombinieren und die Nachteile auszuschließen.

Beispiele für Teilchenverbundwerkstoffe

Verbundwerkstoff	Teilchen	Matrix
Schleifscheiben	keramisch	polymer/Glas
Hartmetall	keramisch	metallisch
Keramikverbunde	keramisch	keramisch
Spanplatten	organisch	polymer
Beton	keramisch (mineralisch)	keramisch (mineralisch)
Polymerbeton	mineralisch	polymer

Beispiele für Faserverbundwerkstoffe:

• glasfaserverstärktes Glas,
• Metallmatrix-Verbundwerkstoff, z. B. borfaserverstärktes Aluminium
• Faserzement (z. B. „Eternit“),
• Keramischer Faserverbundwerkstoff (z. B. kohlenstofffaserverstärktes Siliciumcarbid in Hochleistungsbremsscheiben)
• eigenverstärkte Thermoplaste (Kunststofffasern in Kunststoffmatrix der gleichen Zusammensetzung)
• Stahlbeton,
• Faserbeton, Stahlfaserbeton,
• Faser-Kunststoff-Verbunde
  • kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK)
  • glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)
  • aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK)
  • naturfaserverstärkter Kunststoff (NFK)
  • Wood-Plastic-Composites (WPC)

Beispiele für Schichtverbundwerkstoffe:

• Verbundplatten (z. B. Sperrholz)
• Verbundrohre
• TiGr-Composit: Ein Werkstoff aus Titan, Kohlenstofffasern und Epoxidharz
• Glasfaserverstärktes Aluminium: Ein Werkstoff aus glasfaserverstärktem Kunststoff und Aluminium
• Sandwich-Konstruktion
• Bimetall
• Hylite, eine Sandwich-Struktur aus einer Kunststoffplatte, die zwischen zwei Aluminiumplatten/-folien eingebettet ist.

Verwendete Zuschlagstoffe

Verstärkungsstoffe

Unter Verstärkungsstoffe (reinforcement) versteht man in Kunststoffen eingesetzte anorganische oder organische Zusatzstoffe, die die Kunststoffmatrix verstärken. Unter Verstärkung ist die Verbesserung mechanischer und physikalischer Eigenschaften, wie Elastizität, Biegefestigkeit, Kriechmechanik und Wärmeformbeständigkeit zu verstehen. Verstärkungsstoffe werden gezielt zur Verbesserung dieser Werkstoffeigenschaften eingesetzt.

Einteilung der Verstärkungsstoffe

Erfolgt einerseits nach der chemischen Zusammensetzung, andererseits auch nach der physikalischen Gestalt des Stoffes. So gibt es flächige Verstärkungsstoffe in Form von Gewebe, Gelege, Gestricke, Gewirke.

Ausgangsstoffe für diese flächigen Verstärkungsstoffe sind faserförmige Verstärkungsstoffe, wobei die Fasern meist aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, Polyester oder Naturprodukte wie z. B. Flachs, Jute. gebildet sind.

Neben den faserförmigen Verstärkungsstoffen gibt es auch eine Vielzahl an teilchenförmigen Verstärkungsstoffen, wie beispielsweise Talkum, Glimmer, Graphit, Aluminiumhydroxid.

Die Eigenschaften verstärkter Thermoplaste werden vor allem vom Volumenanteil des Verstärkungsstoffes, dessen Form (Formfaktor, Länge/Durchmesser-, L/D- oder Aspektverhältnis) und der Wechselwirkung an der Grenze zur Matrix beeinflusst.

Aspektverhältnis

Zum Füllen und Verstärken von Thermoplasten werden Zusatzstoffe stark unterschiedlicher Form verwendet. Der für die mechanischen Eigenschaften des Verbunds bedeutsame Formfaktor ist definiert als das Verhältnis seiner Länge zu seiner Dicke (L/D-Verhältnis).

• Kugelförmige und kubische Partikel haben einen Formfaktor von 1. Beispiele sind Glaskugeln oder Calciumcarbonat.
• Fasern oder andere anisotrope plättchenförmige Füllstoffe können sehr hohe Formfaktoren aufweisen und dieser liegt meist deutlich über 100.
• Plättchenförmige Verstärkungsstoffe, zu denen Schichtsilikate wie Talk und Glimmer zählen, liegen meist zwischen 5 und 50.

Verstärkungsstoffe mit hohem L/D-Verhältnis versteifen Polymermatrices in der Regel stärker als Füllstoffe mit geringerem Aspektverhältnis.

Die Verstärkungswirkung beruht darauf, dass eine angelegte mechanische Spannung von der Polymermatrix aufgenommen wird und auf den Verstärkungsstoff übertragen wird. Je größer das Aspektverhältnis des Verstärkungsstoffes ist, desto besser kann die durch die Spannung verursachte Energie im Material abgeführt werden. Eine Beschichtung der Zusatzstoffe mit Kupplungsreagenzien (sog. Koppler) kann die Verträglichkeit mit der Matrix und damit die Verarbeitbarkeit und auch die resultierenden mechanischen Eigenschaften zusätzlich deutlich verbessern. So gelingt es innovativen Compounding-Betrieben durch optimale Formulierung der Rezeptur und Einsatz von geeigneten Kopplersystemen hochqualitative Compounds herzustellen.

Plättchenförmige Verstärkungsstoffe weisen zwar meist einen geringeren E-Modul als faserförmige Verstärkungsstoffe auf, erhöhen aber den E-Modul trotzdem beträchtlich. Ein wesentlicher Vorteil der teilchenförmigen Verstärkungsstoffe ist, dass die Endeigenschaften des Kunststoffbauteils durch die Teilchenform nahezu isotrop, also richtungsunabhängig sind. Durch das Aspektverhältnis zwischen 5 und 50 sind plättchenförmige Verstärkungsstoffe, wie beispielsweise Talkum eine sehr gute Lösung, um Kunststoffe zu verstärken, gleichzeitig jedoch die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften nicht allzu sehr negativ zu beeinflussen.

Die Eigenschaftsverbesserung durch Verstärkungsstoffe betrifft beispielsweise:

• die Erhöhung des E-Moduls
• die Erhöhung der Biegefestigkeit
• die positive Beeinflussung des Schwindungsverhaltens
• die Verbesserung des Kriechverhaltens
• oder die Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit.

Einsatz findet Talkum als Verstärkungsstoff beispielsweise bei der Verstärkung von Polyolefinen, wie HDPE oder PP, für einen vielseitigen Einsatz in der Auto- oder Bauindustrie. Verstärkte Polypropylencompounds sind seit ca. 30 Jahren auf dem Markt. Ende der 60er Jahre wurden erstmals talkum- (TV) und glasfaserverstärkte (GFV) Produkte auf Basis PP angeboten.

Beispiele:

• Glasfaser: Kurz- ("KGF") oder Langglasfaser ("LGF") sind die am häufigsten zugegebenen Verstärkungsstoffe. Sie sind deutlich preisgünstiger als zum Beispiel Kohlenstofffasern.
• Kohlenstofffasern: Die leichteste, aber auch teuerste Faser für Verstärkungen.
• Wollastonit: Wollastonit ist ein Grenzfall zwischen Verstärkung und Füllung. Wegen seiner stäbchenförmigen Kristallstruktur kann aber durch Beimischung ein verstärkender Effekt erzielt werden.

Füllstoffe

• Talkum
• Kreide
• Glimmer (Mica)
• EPDM
• Bariumsulfat
• Ruß
• Keramikpulver
• Metallpulver

Häufige Compounds

• alle TPE (Thermoplastische Elastomere)
• eingefärbte Materialien
• PP mit 40 % Kreide
• PP mit 30 % Glasfaser (KGF oder LGF)
• PA 6 oder 66 mit 30 % Glasfaser (KGF oder LGF)
• ABS mit 16 % Glasfaser (KGF)
• PC mit 20 % Glasfaser
• ABS, PC, PP flammgeschützt

Siehe auch

• Verbundbau
• Komposit-Nanopartikel

Literatur

• Walter Krenkel: Verbundwerkstoffe. John Wiley & Sons, 2009, ISBN 978-3-527-62712-7.
• Manfred Neitzel: Handbuch Verbundwerkstoffe. Carl Hanser Verlag, 2014, ISBN 978-3-446-43697-8.

Weblinks

 Commons: Verbundwerkstoffe – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien