Hitzebeständigkeit von GFK

Auf die Frage, wie hitzebeständig GFK ist, gibt es so wenig eine einzelne Zahl wie bei der Dichte. Glasfaserverstärkter Kunststoff verbindet zwei Bestandteile, die sehr verschieden auf Wärme reagieren: Die Glasfaser verträgt mehrere Hundert Grad Celsius, das Harz – die Matrix – wird schon weit darunter weich. Weil die Matrix die Fasern stützt und die Kräfte zwischen ihnen überträgt, verliert das Laminat mit ihr an Festigkeit und Steifigkeit; so beschreibt es auch der Bemessungsbericht der Gemeinsamen Forschungsstelle der EU-Kommission (JRC) für Faserverbundtragwerke. Jede Temperaturangabe braucht deshalb ihren Bezug: welcher Kennwert, an welchem Probekörper, nach welcher Härtung.

Die Grenze setzt das Harz

Die Tabelle fasst zusammen, welche Werte dieses Portal für die gängigen Matrixsysteme führt. Sie beziehen sich auf das unverstärkte Reinharz im jeweils genannten Härtezustand, soweit die Quelle es angibt am gegossenen Probekörper, und stammen aus Herstellerdatenblättern und dem Fachhandel. Für ein konkretes Bauteil zählt das Datenblatt des verwendeten Systems samt der dort genannten Härtung.

Zwei Dinge fallen auf. Ein nur bei Raumtemperatur gehärtetes Epoxid hat mit 50 bis 60 °C eine niedrige Glasübergangstemperatur; in eine Rangfolge mit den Wärmeformbeständigkeiten der warm nachgehärteten Polyester- und Vinylester-Gießlinge lässt sie sich aber nicht bringen, weil Kennwert und Härtezustand verschieden sind. Und innerhalb einer Harzfamilie streuen die Werte stark: Ein wärmebeständiger Polyester-Sondertyp übertrifft nach Warmhärtung einen Standard-Vinylester. Wie schnell solche Grenzen im Alltag erreicht sein können, zeigt ein Hinweis des JRC-Berichts: Dunkle Farben können die Temperatur im Bauteil über die zulässige Grenze treiben.

Glasübergang, Wärmeformbeständigkeit, Dauereinsatz: drei verschiedene Zahlen

Die Glasübergangstemperatur (Tg) bezeichnet den Bereich, in dem ein ausgehärtetes Harz vom harten, glasartigen in einen weicheren, gummiartigen Zustand übergeht. Es schmilzt dabei nicht, verliert aber stark an Steifigkeit. Gemessen wird sie meist per dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC), die den Wärmestrom erfasst, oder per dynamisch-mechanischer Analyse (DMA), die die Steifigkeit misst, seltener per thermomechanischer Analyse (TMA). Die Verfahren liefern für dasselbe Laminat unterschiedliche Werte, und schon die Heizrate verschiebt das Ergebnis – eine Tg ohne Verfahren ist nur die halbe Angabe. Dazu kommt die Feuchte: Aufgenommenes Wasser senkt die Tg, beim Luftfahrtharz HexPly 8552 von 200 °C trocken auf 154 °C feucht.

Die Wärmeformbeständigkeit (HDT, englisch Heat Deflection Temperature) nach DIN EN ISO 75 ist ein Kurzzeitversuch: Ein genormter Stab liegt in Dreipunktbiegung unter konstanter Last – bei Verfahren A mit 1,80 MPa Biegespannung –, wird um 2 K pro Minute erwärmt, und festgehalten wird die Temperatur, bei der er sich um ein festgelegtes Maß durchbiegt. Für dasselbe Harz liegen HDT und Tg auseinander, bei Derakane 411-350 etwa 105 und 120 °C, ein fester Abstand lässt sich daraus aber nicht ableiten. Am faserverstärkten Probekörper verliert die HDT ihre Aussagekraft für die Matrix, weil die Fasern die Durchbiegung bremsen: Das Lexikon der Kunststoffprüfung nennt für den Thermoplast PET unverstärkt 70 °C, mit 30 Masseprozent Glasfaser 210 °C; bei teilkristallinen Thermoplasten ist der Effekt besonders ausgeprägt, Laminate werden nach DIN EN ISO 75-3 geprüft. Für die Grenze der Matrix zählt deshalb der Wert am Reinharz.

Weder Tg noch HDT ist eine zulässige Dauertemperatur. Wie viel Abstand ein Bauteil braucht, hängt von Last, Einwirkdauer, Feuchte und Aufbau ab und gehört in den Nachweis; ein pauschaler Abstand ersetzt ihn nicht. Einen dokumentierten Maßstab gibt es für tragende Faserverbundtragwerke im Bauwesen: Der vornormative JRC-Bericht von 2016, eine Vorstufe der heutigen Vornorm CEN/TS 19101, verlangt eine Glasübergangstemperatur des Harzes – per DMA als Beginn des Steifigkeitsabfalls bestimmt – von mindestens 20 K über der höchsten Einsatztemperatur und von mindestens 60 °C; ersatzweise die HDT, ebenfalls mindestens 20 K über der höchsten Einsatztemperatur. Für Einsatztemperaturen im Normalbereich von −20 bis +40 °C schlägt er Umrechnungsbeiwerte vor – für Verformung und Stabilität 1,0 bis Tg minus 40 K und 0,9 zwischen Tg minus 40 K und Tg minus 20 K, für die Festigkeit 0,9 –; für dauerhaft höhere Einsatztemperaturen verlangt er Versuche.

Wie groß der Abstand in der Praxis ausfällt, zeigen zwei Beispiele. HexPly 8552 ist nach Hexcel für Einsatzumgebungen bis 121 °C entwickelt, bei 200 °C Tg trocken und 154 °C feucht. Und die bauaufsichtliche Zulassung der pultrudierten GFK-Profile „krafton“, beschrieben im Leitartikel GFK im Bauwesen, begrenzt die Temperatureinwirkung auf höchstens +80 °C und berücksichtigt den Temperatureinfluss mit einem Faktor, der mit der Auslegungstemperatur wächst: Mit der dort angesetzten Wärmeformbeständigkeit von 90 °C beträgt er bei 80 °C 1,4, bei niedrigen Temperaturen mindestens 1,1. Ohne Last sieht es anders aus: Für vollständig ausgehärtete Laminate aus dem Isophthalsäureharz Crystic 199 gibt Scott Bader an, dass sie ein Jahr bei bis zu 150 °C ohne ernsthaften Eigenschaftsverlust überstehen – mehr als die Wärmeformbeständigkeit des Gießlings von 127 °C.

Tempern hebt die Grenze – bis zum Systemwert

Bei kalthärtenden Harzen ist die Tg keine Materialkonstante, sondern eine Folge der Härtung. Nach R&G erreichen Epoxide bei reiner Raumtemperaturhärtung 50 bis 60 °C. In seinem Vergleichsblatt nennt der Händler für Harz L mit den Härtern GL 1 und GL 2 nach 15 Stunden bei 70 °C bis zu 87 beziehungsweise 85 °C (DSC am Reinharz), mit anderen Härtern 76 °C nach 15 Stunden bei 60 °C und 96 °C nach 15 Stunden bei 80 °C; spezielle Warmhärtersysteme kommen nach entsprechender Warmhärtung auf bis zu 235 °C. Für das wärmebeständige Polyesterharz Crystic 199 empfiehlt Scott Bader für optimale Wärmebeständigkeit, kalt gehärtete Laminate sieben Tage bei 18 bis 20 °C härten zu lassen und dann in Stufen von 20 K bis zu der Temperatur nachzuhärten, die das Laminat später aushalten soll – mindestens fünf Stunden je Stufe.

Außerhalb der Form wird langsam getempert und das Bauteil spannungsfrei gelagert; R&G nennt dafür höchstens 10 K pro Stunde beim Aufheizen und beim Abkühlen. In der Form darf nach dem Gelieren gleich mit der vollen Temperatur nachgehärtet werden, bei sehr dicken Laminaten erst nach dem Abklingen der größten Reaktionswärme. Das Vorgehen beschreibt die Anleitung GFK tempern und warmhärten, die Entscheidung der Vergleich Muss ich tempern?. Aus einem Laminierharz macht die Temperung aber kein Hochtemperaturharz: Sie holt heraus, was im System steckt, und wie viel das ist, steht im Datenblatt.

Die Glasfaser hält mehr aus – aber nicht unbegrenzt

E-Glas, die übliche Faser im GFK, ist unbrennbar. Der Fachhändler R&G nennt E-Glasfasern hitzefest bis etwa 400 °C, das Produktblatt seiner gemahlenen E-Glasfaser eine Dauer-Trockenhitzebeständigkeit von etwa 315 °C und eine Erweichungstemperatur von etwa 840 °C. Festigkeit verliert die Faser aber lange vor dem Erweichen: Gewebe aus E-Glas behalten nach R&G-Angaben nach 24 Stunden bei 300 °C noch 82 Prozent ihrer Zugfestigkeit, nach 24 Stunden bei 400 °C noch 65 Prozent. Hochfestes S2-Glas reicht weiter; R&G gibt dafür eine Dauertemperaturbeständigkeit von 750 °C an, nennt aber auch eine Zugfestigkeit von 2.400 MPa bei 530 °C gegenüber 4.890 MPa bei 23 °C (S- und R-Glas). Im Bauteil spielt das selten eine Rolle, weil das Harz lange vorher aufgibt – wohl aber beim thermischen Recycling, das bei 400 bis 700 °C arbeitet; wie viel Festigkeit die Faser dort verliert, zeigt der Vergleich der Recyclingverfahren, unter anderen Prüfbedingungen als die R&G-Gewebewerte.

Hitzebeständig heißt nicht feuerfest

Oberhalb seiner Glasübergangstemperatur wird das Harz weich, bei weiter steigender Temperatur zersetzt es sich – die Pyrolyse, mit der Faserverbund recycelt wird, arbeitet je nach Matrix bei 400 bis 700 °C –, und im Feuer brennt es: Polyester-, Vinylester- und Epoxidharz sind brennbar, nur die Glasfaser bleibt als Gerüst zurück. Wie GFK brennt und welche Klassen es mit Flammschutz erreichen kann, behandelt das Dossier Brandverhalten und Brandschutzklassen. Bauteile an Abgasanlagen, Öfen oder Kaminen liegen damit außerhalb dessen, wofür ein Laminat aus diesen Harzen gedacht ist.

Wenn Standard-GFK nicht reicht

Für höhere Temperaturen gibt es mehrere Wege. Naheliegend ist ein wärmebeständigerer Typ: Novolak- statt Standard-Vinylester oder ein wärmebeständiger Isophthalsäure-Polyester; ausgewiesene Hochtemperatur-Vinylester liegen nach Herstellerangabe noch darüber (Harzvergleich). Ein zweiter Weg sind heißhärtende Systeme, wie sie im Prepreg-Verfahren üblich sind, mit Glasübergangstemperaturen (trocken) bis rund 200 °C. Phenolharz wird vor allem wegen seines Brandverhaltens gewählt (Phenolharz). Und für Dauertemperaturen um 200 °C und darüber gibt es Sonderwerkstoffe wie Bismaleimid- und Polyimidharze, jenseits der Polymere keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC).