5 Fragen zur Kunststoffmatrix
Wenn von modernen und leichten Verbundwerkstoffen die Rede ist, steht früher oder später auch das Wort „Kunststoffmatrix“ im Raum. Doch was genau ist das? Und wie beeinflusst die Matrix den Werkstoff? Wir beantworten fünf Fragen zur Kunststoffmatrix!
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Inhalt
Was ist die Kunststoffmatrix?
Die sogenannte Kunststoffmatrix ist ein Bestandteil von jedem Faser-Kunststoff-Verbund, kurz FKV. Auch als faserverstärkte Kunststoffe oder Faserverbundkunststoffe bezeichnet, bilden FKV eine Untergruppe der Verbundwerkstoffe.
Sie setzen sich aus der Kunststoffmatrix und Verstärkungsfasern zusammen. Dabei sind die Fasern von der Matrix umgeben und an sie gebunden. Durch die Verknüpfung aus der Matrix und den Fasern entstehen Materialien, die viele nützliche Eigenschaften aufweisen und hohen Belastungen standhalten.
Anders ausgedrückt: Die Kunststoffmatrix ist das Fundament eines Faser-Kunststoff-Verbunds. Sie gibt die Richtung für das Material vor und die verstärkenden Fasern sorgen für den letzten Schliff.
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Aus welchen Materialien kann die Kunststoffmatrix bestehen?
Als polymere Kunststoffmatrix sind Kunststoffe aus allen drei Grundtypen denkbar. Es kann sich also um Duroplaste wie Polyesterharze, Epoxidharze oder Vinylester, um Thermoplaste wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyamid (PA) oder Polyethylenterephthalat (PET) oder um Elastomere wie Silikone oder Polyurethan (PU) handeln.
Als Fasern werden in erster Linie Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und Naturfasern verwendet. Umgangssprachlich ist oft von Produkten oder Bauteilen aus Fiberglas oder Kohlenstofffasern die Rede.
Gemeint sind dabei aber so gut wie immer Faser-Kunststoff-Verbunde, die aus der Kunststoffmatrix und Verstärkungsfasern bestehen. Denn die Fasern alleine eignen sich nicht als Material, um daraus feste Bauteile zu fertigen.
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Wie kommen die Kunststoffmatrix und die Fasern zusammen?
Damit aus einer Kunststoffmatrix und Fasern ein fester Faser-Kunststoff-Verbund entsteht, werden verschiedene Herstellungsverfahren eingesetzt. Die Gemeinsamkeit dieser Verfahren besteht darin, dass die Fasern nicht einzeln verarbeitet werden.
Stattdessen kommen für eine bessere Handhabung Gewebe, Vliese oder vergleichbare, textilähnliche Formen zum Einsatz. Diese Materialien sind sogenannte Halbzeuge.
Neben den reinen Halbzeugen, die nur die Fasern enthalten, werden zunehmend bereits imprägnierte Faser-Matrix-Halbzeuge eingesetzt. Sie werden auch Prepregs genannt und bestehen aus Faserhalbzeug, das schon im Vorfeld in Kunststoff getränkt wurde. Damit kommen die Fasern nicht erst mit der Kunststoffmatrix in Kontakt, wenn das Bauteil hergestellt wird.
Bei den Halbzeugen lassen sich thermoplastische und duroplastische Halbzeuge voneinander unterscheiden.
Thermoplastische Halbzeuge haben eine Matrix aus thermoplastischen Kunststoffen und sind in zwei Varianten erhältlich:
- Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) entstehen in zwei unterschiedlichen Verfahren. Beim G-LFT-Verfahren liegt das Halbzeug als Granulat vor, wird durch Extrusion in die Kunststoffmatrix eingearbeitet und unmittelbar in Form gebracht. Im Unterschied dazu wird die Kunststoffmatrix beim D-LFT-Verfahren im Extruder verarbeitet und danach mit den Fasern vermischt. Anschließend wird das Gemisch in Form gepresst. Bei beiden Verfahren bildet meist Polypropylen als Kunststoffmatrix die Basis.
- Glasmattenverstärkte Thermoplaste werden hergestellt, indem das Thermoplast zwischen zwei Glasfasermatten eingespritzt wird. Dadurch entsteht eine dreischichtige Matte, die von einer thermoplastischen Folie umschlossen wird. Hitze und das darauffolgende Abkühlen bewirken, dass sich die Kunststoffmatrix und die Glasfasern dauerhaft miteinander verbinden.
Duroplastische Halbzeuge mit Langfasern, bei denen die Matrix aus duroplastischen Kunststoffen besteht, gibt es ebenfalls in zwei verschiedenen Formen:
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Sheet Moulding Compounds (SMC) enthalten meist Glasfasern in Form von Schnittfasern. Die Fasern und die duroplastische Kunststoffmatrix werden miteinander vermischt und zu weichen Platten verarbeitet.
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Bulk Moulding Compounds (BMC) haben zwar die gleichen Komponenten wie SMC. Allerdings ist das Halbzeug eine teigige, formlose Masse.
Um die Halbzeuge zum Verbundwerkstoff und schließlich zum fertigen Bauteil zu verarbeiten, kommen Verfahren wie das Handlaminieren oder das Faserspritzen, das Nasspressen, das Profilziehverfahren oder das Wickelverfahren zur Anwendung.
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Welchen Einfluss hat die Kunststoffmatrix auf die Materialeigenschaften?
Kunststoffe in ihrer reinen Form haben sowohl Vor- als auch Nachteile. So sind sie zum Beispiel vergleichsweise leicht und deshalb überall dort attraktiv, wo ein möglichst geringes Gewicht vorteilhaft ist.
Andererseits sind Duroplaste oft sehr spröde oder Thermoplaste für eine Anwendung zu flexibel. Solche ungünstigen Eigenschaften können die Verstärkungsfasern in der Kunststoffmatrix ausgleichen und minimieren.
Die Fasern im FKV bewirken, dass zum Beispiel ein spröder Kunststoff besser mit Biegung und Druck zurechtkommt.
Innerhalb des Verbundwerkstoffs übernimmt die Kunststoffmatrix verschiedene Aufgaben.
Dazu gehört, dass sie
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die Fasern hinsichtlich Anordnung und Abstand wie gewünscht fixiert.
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die Fasern miteinander verklebt.
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die mechanischen Lasten übernimmt.
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die Fasern bei Belastung durch Druck stützt.
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die einzelnen Laminatschichten miteinander verklebt.
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die Fasern vor Außeneinflüssen schützt.
Die Kunststoffmatrix gibt den Rahmen für Eigenschaften des Verbundwerkstoffs wie Dichte, Festigkeit, chemische und thermische Beständigkeit oder das Brandverhalten vor.
Die Fasern können solche Eigenschaften zwar beeinflussen und Schwächen ausgleichen, die grundsätzlichen Eigenschaften aber nicht komplett verändern. Deshalb muss eine geeignete Kunststoffmatrix ausgewählt werden, damit der Verbundstoff am Ende die gewünschte Qualität erreicht.
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Was gibt es mit Blick auf die Kunststoffmatrix Neues?
Wenn es um die Weiterentwicklung und Optimierung von Materialien und Verarbeitungsverfahren geht, stehen oft die Eigenschaften der fertigen Bauteile im Mittelpunkt. Tatsächlich gelingt es regelmäßig, innovative Kunststoffe, Zusätze und Technologien auf den Weg zu bringen.
Hochleistungskunststoffe, die selbst unter extremen Bedingungen eingesetzt werden können, effiziente Recyclingverfahren für einen geschlossenen Kreislauf oder spezielle Farbpigmente für schwarze Kunststoffe sind ein paar Beispiele.
Eine weitere, sehr spannende Neuerung sind besondere Marker zum Schutz vor Produktpiraterie. Bei diesen Markern handelt es sich um Pigmente, die in die Kunststoffmatrix eingebettet und von entsprechenden Detektoren aufgespürt werden können.
Dadurch wird es möglich, schnell und zuverlässig Originale von optisch identischen Fälschungen zu unterscheiden, ohne dass eine aufwändige chemische Analyse notwendig ist.
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