Aramidfasern sind nicht so bekannt wie Glas- oder Kohlenstofffasern. Sie haben jedoch interessante Eigenschaften und interessante Anwendungen. Ihr Eigenschaftsprofil bietet eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, die heute zum großen Teil genutzt werden. Die Aramidfasern nehmen eine besondere Stellung unter den Hightech Faserwerkstoffen ein. Diese goldgelben Kunstfasern (siehe Foto links) wurden 1965 bei der Firma DuPont entwickelt und unter dem bekannten Markennamen „Kevlar“ auf den Markt gebracht.
Aramidfasern bilden eine Gruppe von hochfesten, hitze- und chemikalienbeständigen Kunstfasern. Der Name kommt von „aromatische Polyamide“ – also Kunststoffe mit einer speziellen chemischen Struktur, die ihnen außergewöhnliche Eigenschaften verleiht.
Das Makromolekül eines Aramids besteht aus einer Verkettung von aromatischen Benzolringen über Amidgruppen. Die Molekülketten untereinander sind durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft. Die Benzolringe in den Molekülketten verleihen den Aramiden eine hohe Steifigkeit, da ihre Atome dreidimensional zueinander anordnet sind und nicht etwa in einer Reihe liegen.
Die Aramide zählen zu den flüssigkristallinen Polymeren (engl. Liquid Crystalline Polymers – LCP). Im Vergleich zu anderen Thermoplasten besitzen sie im festen Zustand eine hochkristalline Struktur, was gute Festigkeit zur Folge hat. Eine Besonderheit der Aramide ist, dass auf Grund der chemischen Struktur ihre Schmelztemperatur über der Zersetzungstemperatur liegt. Dies führt dazu, dass sie nur aus einer Lösung hergestellt werden können. Polymere, auf die dieses Verhalten zutrifft, werden mit dem Adjektiv „lyotrop“ bezeichnet.
Zur Herstellung von Fasern aus Polymeren wird heute das Spinnverfahren eingesetzt, wobei es unterschiedliche Prozesstypen gibt. Es gibt das Schmelzspinnen, das Lösungsspinnen und einige Sonderverfahren. Für die Aramide kommt, wie bereits erwähnt, nur das Lösungsspinnen in Betracht, welches wiederum unterschiedliche Gestaltungsformen kennt.
Grundsätzlich wird zwischen Meta-Aramiden und Para-Aramiden unterschieden. Die Bezeichnungen meta und para beschreiben näher welche Kohlenstoffatome des Benzolringes Bindungen mit anderen Molekülen in der Kette eingehen. Auf dem Markt werden die Meta- und Para-Aramide in verschiedenen Formen und unter unterschiedlichen Handelsnamen vertrieben.
Die Aramidfaser hat einen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser von etwa 12µm. Die Oberfläche der Faser ist glatt, weist jedoch eine leichte Struktur auf. Mit einer Dichte von 1,45 g/cm³ ist die Aramidfaser sehr leicht, dabei bietet sie gleichzeitig eine hohe spezifische Festigkeit und extreme Zähigkeit. Die Zähigkeitswerte sorgen dafür, dass die Faser gut Energie aufnehmen kann, bevor sie bricht. Darüber hinaus kann die Faser auch sehr gut umgeformt werden.
Durch ihre chemische Struktur und die Herstellung weisen die Aramidfasern ein stark anisotropes Verhalten auf. Auf Grund dieser Anisotropie besitzen sie die höchste gewichtsbezogene axiale Zugfestigkeit unter den Faserwerkstoffen. Ein Vergleich der Festigkeit und der Dichte verschiedener Fasern zeigt Abb. 1.
Abb. 1 Zugfestigkeit und Dichte wichtiger Faserstoffe
Die Druckfestigkeit der Faser ist dagegen niedriger als die Zugfestigkeit, was im molekularen Aufbau von Polymeren begründet ist. Unter Druck brechen die miteinander verknüpften Molekülketten bzw. die Wasserstoffbrückenbindungen auf. Wird die Faser auf Zug belastet werden die festeren kovalenten Bindungen in Molekülrichtung beansprucht, daher sollten aramidfaserverstärkte Bauteile eher Zugbelastungen als Druck oder Biegung ausgesetzt werden.
Bedingt durch ihre Struktur neigen die Aramidfasern dazu Wasser aufzunehmen (bis 7%) sowie auf energiereiche UV-Strahlung mit einem deutlichen Festigkeitsabfall zu reagieren. Die Wasseraufnahme beeinträchtigt die Haftung zwischen der Faser und der Matrix in einem Verbund.
Die Aramidfasern können mit allen herkömmlichen Harzen und auch Thermoplasten verarbeitet werden. Dabei ist jedoch die Haftung zwischen den Fasern und Matrixstoffen relativ schlecht. Durch Elektronenbestrahlung oder Plasmabeschichtung kann dieses Verhalten verbessert werden und die Faser müssen vor einer Verarbeitung müssen getrocknet werden.
Die Aramidfasern sind nicht besonders temperaturfest, jedoch können sie höhere Temperaturen für eine gewisse Zeit aushalten.
Das Eigenschaftsprofil der Aramidfasern ist für einige Anwendungen besonders interessant, da andere Werkstoffe diese Eigenschaften so nicht bieten. Vor allem sind die extreme Zähigkeit und die Temperaturbeständigkeit bzw. das Verhalten der Faser bei höheren Temperaturen der Grund warum die Aramidfaser heute häufig eingesetzt wird. Die hohe spezifische Festigkeit macht die Faser besonders für Leichbaukonstruktionen interessant.
Die Aramidfasen werden heute hauptsächlich als Asbestersatz in Reib- und Bremsbelägen und als Verstärkungsstoff in Gummi für Reifen und Antriebsriemen eingesetzt. Ein moderner Autoreifen wiegt heute bis zu 25% weniger, da Aramidfasern anstelle von Stahl den Reifen verstärken. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet der Aramidfasern ist der Textilbereich, hier wird Elastizität und die Zähigkeit der Aramidfasern ausgenutzt, um Arbeitskleidung herzustellen, die komfortabel zu tragen ist und gleichzeitig vor Schnitt- und sogar Schussverletzungen schützt.
Der Marktanteil der aramidfaserverstärkten Werkstoffe ist jedoch noch sehr gering, was in den Kosten der komplexen Fertigungsprozesse begründet ist. Aramidfaserverstärkte Laminate finden deswegen beispielsweise heute vornehmlich in der Luft- und Raumfahrtindustrie Anwendung, wo das Gewichtseinsparungspotential wichtiger ist als die Kosten. Der Trend faserverstärkte Verbundwerkstoffe und so auch die Aramidfasern zu nutzen ist dennoch positiv.<<
