Glasfaser

Glasfasern

EineGlasfaserist eine ausGlasbestehende lange dünneFaser.Bei der Herstellung werden aus einer Glasschmelze dünne Fäden gezogen und zu einer Vielzahl von Endprodukten weiterverarbeitet.

Glasfasern werden alsLichtwellenleiter(zurDatenübertragungund zum flexiblen Lichttransport), alstextilesGewebe (zurWärme-undSchalldämmung) sowie fürglasfaserverstärkte Kunststoffeals Faserbündel (Roving) verwendet. Die faserverstärkten Kunststoffe zählen heute zu den wichtigsten Konstruktionswerkstoffen. Sie sind alterungs- und witterungsbeständig, chemisch resistent und unbrennbar.Den hohenElastizitätsmodulder Fasern nutzt man, um die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen zu verbessern.

Geschichte

Bereits vor fast 4000 Jahren verwendeten die Phönizier, Griechen und Ägypter aus der Schmelze gezogene Glasfäden, um Gefäße zu verzieren. 1713 wiesFerchault de Réaumurauf die Möglichkeit hin, feine Glasgarne zu verweben.Glasbläser aus dem Thüringer Wald stellten ebenfalls bereits im 18. Jahrhundert sogenanntes Feen- oder Engelshaar her.Erst nur als Dekorationsmittel genutzt, wurden die Möglichkeiten der Fasern (z. B. Wärmeisolation der Glaswolle) in Thüringen (Lauscha, Steinach) nach und nach entdeckt. In der von H. und J. Schuller 1896 gegründetenGlasfabrikHaselbach(heuteVitrulan Technical Textiles GmbH) wurden in den 1930er Jahren spinnbare Glasfäden mit genau definiertem Durchmesser erstmals als Rollenware hergestellt. Das dazu entwickelte und eingesetzte Stabtrommelabziehverfahren wurde in den 1930er Jahren zum Patent angemeldet.

Herstellung

Je nach Einsatzzweck werden Glasfasern aus einer Preform gezogen oder aus einer Glaswanne durch beheizte Düsen gezogen.

Eine Preform (Vorform) ist ein vergrößertes „Abbild “des späteren Querschnitts optischer Fasern. Sie enthalten die Ausgangsstoffe in ihrer Anordnung und Struktur (siehe auchPhotonischer Kristall).

Das Düsenverfahren verwendet beheizte Düsen (mittels direktem Stromdurchfluss geheizte Metallblöcke bzw.bushingsaus Platin/-legierungen mit tausenden Löchern), durch die das Glas mit definierter Temperatur (z. B. 1200 °C) austritt und sofort dünn und lang ausgezogen sowie gekühlt wird. Die Abziehgeschwindigkeit ist wesentlich höher (z. B. 50 m/s) als die Austrittsgeschwindigkeit aus den Düsen.

Beiden Verfahren gemeinsam ist die Abhängigkeit des Enddurchmessers von der Ausgangstemperatur und der Ziehgeschwindigkeit.

Die Ausgangsstoffe sind hauptsächlichSiliciumdioxid,Al₂O₃,MgO,B₂O₃,CaO,wobei diese und ihre 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. Diese sogenannteSchlichte (sizing)ist meist ein Betriebsgeheimnis der Hersteller und besteht aus einer Beschichtung und/oder einem Haftvermittler. Es richtet sich zum Beispiel auch an dem eingesetztenKunstharzaus, mit dem dierovingszuglasfaserverstärkten Kunststoffen(GFK) verarbeitet werden.Alkoxysilaneals Haftvermittler haben zum Beispielhydrophile(bindet am Glas) undhydrophobe(Bindung zum Harz) Atomgruppen.

Nutzung als Lichtleiter

In Faserrichtung kann sich Licht in Glasfasern nahezu ungehindert ausbreiten. Durch einen radial nach außen abnehmendenBrechungsindex,stetig oder stufig, wird das Licht in der Faser geführt. Diese Eigenschaft alsLichtleiterwird in vielen technischen Anwendungen genutzt.

Datenübertragung

→Hauptartikel:Lichtwellenleiter

Glasfasern werden unter anderem alsLichtwellenleiterinGlasfasernetzenzur optischenDatenübertragungverwendet. Dies hat gegenüber elektrischer Übertragung den Vorteil einer erheblich höheren maximalenBandbreite.Es können mehr Informationen pro Zeitspanne übertragen werden, außerdem ist das übertragene Signal unempfindlich gegenüber elektrischen und magnetischen Störfeldern und in höherem Maße abhörsicher.

Beleuchtung, Dekoration, Kunst und Architektur

• 
  LED-beleuchtetes Glasfaserbündel als Deko-Objekt.
• 
  Indirekte Beleuchtung mittels Glasfasern.
• 
  Derthyssenkrupp-Testturmist mit Glasfasergewebe umhüllt

In einer Vielzahl von Lampen und Beleuchtungsinstallationen werden Glasfasern heutzutage verwendet, wobei die Fasern nicht nur zum Lichttransport, sondern selbst auch als abstrahlende Elemente benutzt werden. Eine ungewöhnliche Anwendung ist die Herstellunglichtdurchlässigen Betons:durch das Einarbeiten von drei bis fünf Prozent Glasfaseranteil entstehen transluzente Betonelemente, durch die manLicht,SchattenwürfeundFarbennoch bis zu einer Wandstärke von 20 cm sehen kann (siehe auch:Litracon). Aber auch Gebäude werden mit Glasfaser umhüllt, um sie zu verschönern. Im Bereich der Wandbeläge sind auchGlasfasertapetenverfügbar.

Beleuchtung und Abbildung in Medizin und Messtechnik

Glasfasern und Glasfaserbündel werden zu Beleuchtungs- und Abbildungszwecken z. B. anMikroskopen,Inspektionskameras oderEndoskopenoder auch beiKaltlichtquellenbenutzt (siehe auch:Faseroptik).

Sensoren

Glasfasern finden verstärkt Anwendung in der Messtechnik. So dienenfaseroptische Sensoren,bei denen dieMessgrößenicht wie typischerweise durch eine elektrische Größe repräsentiert bzw. übertragen wird, sondern durch eine optische, zur Messwerterfassung in schwer zugänglichen Bereichen wieStaudämmenoder unter extremen Bedingungen wie inStahlwerkenoderMagnetresonanztomographen.Man unterscheidet zwei Klassen von faseroptischen Sensoren:

• extrinsisch:Hier dient die Glasfaser nur als Überträger der vom Sensor erfassten Messgröße, die jener als optisches Signal zur Verfügung stellen muss. Beispiele sindGlasfaser-Pyrometer,faseroptische TemperatursondenoderoptischeMikrofone.
• intrinsisch:Hier dient die Glasfaser direkt als Messaufnehmer und ist somit zugleich Sensor als auch Leitung. Beispiele sindfaseroptische Drucksensoren,diefaseroptische Temperaturmessungoder derFaserkreiselzur Messung derWinkelgeschwindigkeit.

Laser

Faserlaser in Doppelmantelfaser-Aufbau

Zum flexiblen Transport vonLaserstrahlungwerden Glasfasern eingesetzt, um die Strahlung zum einen bei der Materialbearbeitung und in der Medizin zur Bearbeitungsstelle (schneiden, schweißen usw.) und zum anderen in der Messtechnik,MikroskopieundSpektroskopiezur Probe zu leiten.

In derLasershowtechnikwird Laserlicht von einer zentralen Quelle über Lichtleitkabel zu verschiedenen im Raum verteilten Projektoren geleitet. Die Leistungen betragen hier einige hundert Milliwatt bis zu zweistelligen Wattbeträgen.

Laserstrahlen können nicht nur in Glasfasern geleitet, sondern auch in ihnen erzeugt und verstärkt werden. So finden z. B.FaserlaserundErbium-dotierte FaserverstärkerEinsatz im Telekommunikationsbereich. Auf Grund der guten Effizienz des Konversionsprozesses und der guten Kühlung durch die große Oberfläche der Faser sowie der sehr hohen Strahlqualität werden Faserlaser mit hoher Leistung in der Materialbearbeitung und Medizin verwendet.

Nutzung der mechanischen Eigenschaften

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

Ein Bündel Glasfasern für die Kunststoffverstärkung (Glasfaserroving)

Für mechanische Anwendungen liegen die Glasfasern meistens alsRoving,Vliesstoffoder alsGewebevor.Für Profile verwendet man hingegen unidirektionale (nur in eine Richtung verlaufende) Fasern; so werden zum BeispielSportpfeilefür dasBogenschießen,Stäbe zur Isolation oder z. B. in manchen Regenschirmen aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt.

Da Glasfasern sehr kerbempfindlich sind, werden sie bei der Herstellung bzw. vor dem Verweben mit einer sogenanntenSchlichteversehen. Diese Schlichte (z. B. eine Silanschlichte) dient beim Weben als Schmierstoff und wird nach dem Weben chemisch entfernt. Danach wird das sog. Finish auf die Glasfasern aufgetragen, das für die Verwendung inFaserverbundwerkstoffenalsHaftvermittlerzwischen den Glasfasern und dem Kunstharz wirkt. Finish wird auch als haftmittelhaltige Schlichte bezeichnet. Sie kann bis zu zwei Masseprozent ausmachen, liegt jedoch meist bei 0,3 bis 0,8 Prozent.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe zeigen nur eine sehr geringe Kriechneigung und nehmen nur sehr wenigFeuchteauf.

Festigkeit

AlssprödesMaterial ist Glas empfindlich gegenüber Spannungsspitzen, wie sie an Fehlstellen wie Kerben auftreten (vergl. Wirkungsweise einesGlasschneiders). 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. DieBruchdehnungeiner einzelnen Faser kann bis zu 5 Prozent betragen. Sie sind jedoch anfällig gegenüber Knicken und scharfen Kanten.

Die Zug- und Druckfestigkeitder Glasfaser sorgt für eine besondere Aussteifung desKunststoffesbei gleichzeitiger Erhaltung einer gewissenDuktilitätdank der (verglichen mit Stahl) hohen 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 vonR_G= 1,8 GPa verwendet.

Steifigkeit

DerElastizitätsmodulvon Glasfasern unterscheidet sich nur wenig von dem eines kompakten Werkstoffvolumens aus Glas. Anders alsAramidfasernoderKohlenstofffasernhat die Glasfaser eineamorpheStruktur. Wie beim kompakten Fensterglas ist die molekulare Orientierung regellos. Die Glasfaser hatisotropemechanische Eigenschaften. Glasfasern verhalten sich bis zum Bruch ideal linear elastisch. Ihre Werkstoffdämpfungist sehr gering.

DieSteifigkeiteines realen Bauteils ausglasfaserverstärktem Kunststoffergibt sich aus Elastizitätsmodul, Richtung undVolumenanteil(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 vonAluminium.

Arten von Verstärkungsfasern

Das Glas, aus dem die Verstärkungsfasern hergestellt sind, beeinflusst die Eigenschaften des Kompositwerkstoffs. Daher sind unterschiedliche Qualitäten der Verstärkungsfasern im Handel:

• E-Glas (E =Electric): Aluminiumborosilikat-Glas mit weniger als 2 % Alkalioxiden; gilt als Standardfaser für allgemeine Kunststoffverstärkung und für elektrische Anwendungen, ca. 90 % des Marktes, wird in basischer und saurer Umgebung angegriffen;
• S-Glas (S =Strength): Aluminiumsilikat-Glas mit Zusätzen von Magnesiumoxid; hohe mechanische Anforderungen auch bei hohen Temperaturen;
• R-Glas (R =Résistance): Aluminiumsilikat-Glas mit Zusätzen von Calcium- und Magnesiumoxid, hohe mechanische Anforderungen auch bei hohen Temperaturen;
• M-Glas (M =Modulus): berryliumhaltiges Glas; Faser mit erhöhter Steifigkeit (E-Modul), Anwendung bei höchsten mechanischen Anforderungen;
• C-Glas (C =Chemical): Faser mit erhöhter Chemikalienbeständigkeit;
• ECR-Glas (E-Glass Corrosion Resistant): Faser mit besonders hoherKorrosionsbeständigkeit
• D-Glas (D =Dielectric): Faser mit niedrigem dielektrischen Verlustfaktor, z. B. dieRadomeeinerRadarstation
• AR-Glas (AR =Alkaline Resistant): Für die Anwendung in Beton entwickelte Faser, die mitZirconium(IV)-oxidangereichert ist. Sie ist gegenüber einer basischen Umgebung weitgehend resistent.
• Q-Glas (Q = Quarz): Faser ausQuarzglas(SiO₂). Eignet sich für die Anwendung bei hohen Temperaturen von bis zu 1450 °C
• Hohlglasfasern: Fasern (meist E-Glas) mit einem Hohlquerschnitt

Bemerkung: R-, S- und M-Glas sind alkalifrei und haben eine gesteigerte Feuchtebeständigkeit.

Anwendung von Verstärkungsfasern

Glasfasern werdenBetonbeigemischt, bei dem sie alsBewehrungdienen. Glasfaserverstärkter Beton wird beiWellplatten,Fassadenplatten oder beiverlorenen Schalungeneingesetzt. Ebenso wird Glasfaser imEstrichverwendet. Außerdem wird Feinbeton mit Glasfasertextilien bewehrt, das heißt dann textilbewehrter Beton.

Eine große Bedeutung haben Glasfasern inglasfaserverstärktem Kunststoff(GFK) (Luft- und Raumfahrt, Leiterplatten, Boote, Bobschlitten usw.). In der Luft- und Raumfahrt werden aus Langglasfasern überwiegend tragende Strukturen gebaut (z. B.SegelflugzeugSchleicher ASK 21). In derAutomobilindustriewerden zurzeit Langglasfasern noch hauptsächlich zur Versteifung von thermoplastischen Bauteilen (z. B. Verkleidungen) genutzt. Es geht aber hier ein Trend zu tragenden Bauteilen.

In derVerfahrenstechnikwerden Glasfasern hauptsächlich in gewickelten Rohren genutzt. Hier zeichnet sich die Glasfaser durch ihre sehr gute Medienbeständigkeit und elektrische Isolierwirkung aus.

In derElektrotechnikwerden Glasfasern als Verstärkungsfasern inLeiterplattenoder in elektromagnetisch transparenten Verkleidungen (Radome) genutzt. DieHochspannungstechniknutzt die hohen Festigkeiten und die Isoliereigenschaft der Fasern inIsolatoren.

Beim manuellenTechnischen ZeichnenaufZeichenfolieund zur Reinigung werdenGlasfaserradiererverwendet.

Arbeitsschutz in Textilglaswebereien

In Textilglaswebereien werden textile Glasfasern verarbeitet. Dabei unterscheidet man zwischen Glasfilamenten und Glasstapelfasern.Die in Textilglaswebereien eingesetzten Glasfilamente fallen nicht unter die Geometriekriterien der in derTechnischen Regel für Gefahrstoffe(TRGS) 905 eingestuftenWHO-Fasern.Textilglasfilamente können jedoch bei der Verarbeitung zu Partikeln zerbrechen oder zersplittern, die einer WHO-Faser entsprechen. Die BG/BGIA-Empfehlungen geben praxisgerechte Hinweise, wie durch Schutzmaßnahmen in Textilglaswebereien der Stand der Technik zu erreichen ist. Beim Verarbeiten von Glasfilamenten gibt es keinenArbeitsplatzgrenzwertfür Fasern.

Siehe auch

• Glaskorrosion
• Mineralwolle
• Polymere optische Faser
• Schlackenfaser
• Dip (Glasfaser)

Literatur

• Gerhard Neckermann, Hans Wessels:Die Glasindustrie – ein Branchenbild.Duncker & Humblot, Berlin 1987,ISBN 3-428-06216-7,S. 72 ff.
• Peter H. Selden (Hrsg.):Glasfaserverstärkte Kunststoffe.Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1967.
• Alfred Hummel, Josef Sittel, Kurt Charisius, Fridel Oberlies, Deodata Krüger, Hans Lenhard, Martin Herrmann, Wolfgang Dohmöhl, Lothar Krüger:Neuere Untersuchungen an Baustoffen und Bauteilen.Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1942, S. 25–27.

Weblinks

Commons:Glasfaser– Sammlung von Bildern

Commons:Glasfaserkabel– Sammlung von Bildern

Wiktionary: Glasfaser– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Künstliche Mineralfasern.UmweltWissen – Bayerisches Landesamt für Umwelt (PDF; 595 kB)
• Fiberglass – Systems Glasfaserverstärkte Kunststoffrohrsysteme(abgerufen am 4. Januar 2018)
• Neuartige Glasfasern mit innovativen Beschichtungen für Riemenanwendungen(abgerufen am 4. Januar 2018)
• Zur Beurteilung von AR-Glasfasern in alkalischer Umgebung(abgerufen am 4. Januar 2018)
• Glasfaser: Häufige Fragen und Antworten zum Glasfaser-Anschluss