Aramide
Aramidfasern sind goldgelbe organische Kunstfasern aus aromatischen Polyamiden. Die Fasern wurden 1965 von Stephanie Louise Kwolek bei DuPont entwickelt und unter dem Markennamen Kevlar™ zur Marktreife gebracht.
Die Fasern zeichnen sich durch sehr hohe Festigkeit, hohe Schlagzähigkeit, hohe Bruchdehnung, gute Schwingungsdämpfung sowie Beständigkeit gegenüber Säuren und Laugen aus und sind darüber hinaus sehr hitze- und feuerbeständig. Aramidfasern schmelzen bei hohen Temperaturen nicht, sondern beginnen ab etwa 400 °C zu verkohlen. Bekannte Markennamen für Aramidfasern sind Nomex und Kevlar von DuPont oder Teijinconex, Twaron und Technora von Teijin.
Man unterscheidet zwischen meta-Aramiden (Teijinconex und Nomex) sowie para-Aramiden (Twaron, Kevlar™, Technora).
Als Aramide oder aromatische Polyamide (Polyaramide) werden nicht Polyamide mit aromatischen Gruppen in der Hauptkette per se bezeichnet, sondern, nach einer Definition der U.S. Federal Trade Commission, nur solche langkettigen synthetischen Polyamide, bei denen mindestens 85 % der Amidgruppen direkt an zwei aromatische Ringe gebunden sind.
Anwendungen
Die bekanntesten Anwendungen für para-Aramidfasern sind im Sicherheitsbereich zu finden (Splitterschutz- und schusssichere Westen, Schutzhelme, Panzerungen für Fahrzeuge, Schnittschutzhandschuhe). Sie werden jedoch auch als Asbestersatz in Bremsbelägen und Dichtungen sowie als Verstärkungsmaterial zum Beispiel für Glasfaserkabel oder Gummimaterialien eingesetzt. In diesen Bereichen werden vor allem die mechanischen Eigenschaften der Fasern Kevlar und Twaron genutzt.
Für Reibbeläge, Hitzeschutz und Dichtungen als Asbestersatz wurden grundlegende Arbeiten im Jahr 1985 in einem vom deutschen Forschungsministerium geförderten Projekt über Aramid bei der Enka AG unter Leitung von Karlheinz Hillermeier Entwicklungen durchgeführt, die zu einem entscheidenden Durchbruch führten.
Sie kommen auch bei Membranen im Bauwesen, z.B. bei Stadionüberdachungen zum Einsatz. Und zwar als Grundmaterial für die gewebten Textile, aus denen durch beschichtung mit PVC oder PTFE die Membrane entstehen.
Auch bei Sportgeräten werden Aramidfasern wegen ihrer Reißfestigkeit oft verwendet, so zum Beispiel für die Fangleinen bei Gleitschirmen, für Segel von Segelbooten und Surfbrettern oder als Saiten für Tennisschläger. Außerdem werden sie als Faserverbundkunststoff im Flugzeugbau, vor allem für den Bau von Segelflugzeugen verwendet. Auch im Airbus A310 und Airbus A380 kommen Aramidfasern u.a. als Triebwerksträgerverkleidung zum Einsatz, sowie für den Hubschrauber vom Typ MBB BO 105 und BK117.
Die meta-Aramidfasern Nomex oder Teijinconex werden speziell für den Brandschutz eingesetzt. Sie sind in feuersicherer Bekleidung (etwa Schutzanzüge bei Feuerwehren, Rennfahrerkombi, ...) bekannt geworden. Eine weitere Anwendung für meta-Aramid ist die Verarbeitung zu einem Werkstoff für Sandwichwabenkerne, so genannte Honeycombs aus Nomex-Papier, in der Faserverbundtechnologie.
Eigenschaften
Die Fasern weisen, ähnlich wie auch Kohlenstofffasern, einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, werden also bei Erwärmung kürzer, sind aber in ihrer spezifischen Festigkeit und ihrem E-Modul deutlich niedriger. In Verbindung mit dem positiven Ausdehnungskoeffizienten des Matrixharzes lassen sich hoch maßhaltige Bauteile fertigen. Gegenüber von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen sind die Eigenschaften unter Druckbelastung deutlich geringer. Kevlar und Twaron sind überaus hitzebeständig, so halten sie Temperaturen über 370 °C problemlos aus ohne zu schmelzen.
Man unterscheidet zwischen zwei Modi:
- Low Modulus: Dichte 1,45g/cm³, mit Zugfestigkeit 2800N/mm2 und E-Modul 59 kN/mm2
- High Modulus: Dichte 1,45g/cm³, mit Zugfestigkeit 2900N/mm2 und E-Modul 127 kN/mm2
Die Hochmodulfasern werden in erster linie für stoss- und schlag-beanspruchte Bauteile benutzt, Low Modus Fasern in "Kugelsicheren Westen"
Verarbeitung
Beim Umgang und der Verarbeitung muss auf die leichte Feuchtigkeitsaufnahme und die schlechte UV-Beständigkeit Rücksicht genommen werden. Die ursprünglich goldgelben Fasern nehmen bei UV-Einstrahlung (Sonnenlicht) einen bronzebraunen Farbton an und verlieren bis zu 75 % ihrer Festigkeit. Die Fasern können je nach Lagerung bis zu 7 % Wasser aufnehmen. Fasern mit einer zu hohen Feuchtigkeit können getrocknet werden. In der Luft- und Raumfahrt ist ein Wassergehalt von unter 3 % üblich.
Zum Schneiden von Aramidfasern sind spezielle mikroverzahnte Schneidwerkzeuge notwendig. Auch die mechanische Bearbeitung fertiger Faserverbundbauteile erfolgt mit hochwertigen Bearbeitungswerkzeugen oder durch Wasserstrahlschneiden.
Faserverbundteile werden in der Regel mit Epoxidharzen hergestellt. Chemische Haftvermittler sind nicht bekannt.
Literatur
- VDI-Gesellschaft Kunststoffe, Philip G. Rose und Karlheinz Hillermeier, Kohlenstoff- und aramidfaserverstärkte Kunststoffe, VDI-Verlag 1977
