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Faserglas

Definition
Unter Faserglas versteht man aus Glas bestehende, dünne Fasern oder Fäden, welche aus einer Glasschmelze herausgeblasen oder -gezogen und zu einer Vielzahl von Endprodukten wie Isolierglasfasern (Glaswolle), Textilglasfasern, Verstärkungsglasfasern, Glasfaserkabeln (Übertragungsglasfasern) usw. weiterverarbeitet werden.

Geschichte
Dass sich die heisse, zähflüssige Glasschmelze zu Fäden ziehen lässt, wusste man schon in der Frühzeit der Glasherstellung. Um 1500 v. Chr. stellten altägyptische Glasmacher Gefässe her, indem sie Glasfäden spiralförmig um eine runde Sandform wickelten und sie miteinander verschmolzen. Nach dem Erkalten des Glases entfernten sie den Sand und erhielten auf diese Weise kleine Hohlgefässe (sogenannte Sandkerngefässe). Auch die venezianische Netzglastechnik, welche die Glasmacher auf der Insel Murano im 16. Jh. zur Verzierung von edlen Gläsern entwickelten, arbeitet mit aus einer Schmelze gezogenen Glasfäden.(Schaeffer & Benz-Zauner, 2009, 264)

Die industrielle Glasfaserfertigung geht allerdings nicht direkt auf diese frühen Techniken zurück, sondern auf die Produktion von sogenanntem Engelshaar im 19. Jh. durch Glasbläser aus dem Thüringer Wald. Auf den Anfang des 19. Jh. datieren auch die ersten Versuche zum Einsatz von Glasfäden für Prunkgewänder. Der Franzose Jules de Brunfaut gründete 1866 in Wien die erste Glasspinnmanufaktur. Er soll bereits Fäden von 6 μm produziert haben, aus denen er Perücken, Kappen und Brautschleier herstellte. Die durch Hermann Schuller 1896 im thüringischen Haselbach gegründete Glasfabrik stellte 1936 erstmals spinnbare Glasfäden mit genau definiertem Durchmesser als Rollenware her. Das weiterentwickelte Herstellungsverfahren wurde als sogenanntes Stabtrommelziehverfahren zum Patent angemeldet.

Die seit 1904 hergestellten Isolierglasfasern (Glaswolle) wurden ursprünglich aus Glasstäben gezogen. Bei der Firma Hager in Bergisch-Gladbach (D) wurde 1930 erstmals Glaswolle direkt aus einer Glasschmelze hergestellt (Hager-Verfahren). Als Vorlage diente die Technik der Herstellung von Zuckerwatte aus flüssigem Honig. Flüssiges Glas tropft auf eine rotierende Platte und wird durch das Ausschleudern zu Fasern ausgezogen, die an der Luft sofort erstarren. Ab 1933 kam zur Herstellung von Glaswolle das Düsenblasverfahren der amerikanischen Firma Owens-Illinois Glas Corporation in Toledo (Ohio) zum Einsatz.
Dieses Verfahren ist nicht zu verwechseln mit dem Düsenziehverfahren, welches 1937 vom neuen Joint-Venture-Unternehmen Owens-Corning Fiberglass Corporation (Toledo, Ohio) entwickelt wurde und bis heute für den überwiegenden Teil der Endlosfasern angewendet wird.
Das in Thüringen durch Werner Schuller entwickelte Trommelziehverfahren, bei dem Glasfäden endlicher Länge auf eine grosse Trommel aufgewickelt werden, liefert vor allem sogenannte Stapelfasern, die zum Einsatz kommen, wenn keine Anforderungen an die Zugkräfte der Fasern gestellt werden (z. B. bei glasfaserverstärkten Textiltapeten oder Vorhangstoffen).

Die Herstellung der für die Datenübertragung geeigneten optischen Glasfasern (Übertragungsfasern) gelang erstmals 1970 dem amerikanischen Unternehmen Corning Inc. und wurde seither weiterentwickelt, sodass Übertragungsdistanzen von bis zu 100 km ohne Verstärker möglich sind.

Herstellung
Das wichtigste Herstellungsverfahren für Textilglasfasern ist das Düsenziehverfahren, bei dem mittels der Schwerkraft Glasfäden (Glasfilamente) als dünne Elementarfäden aus dem Boden der Schmelzwanne ausgezogen und zu Spinnfäden zusammengefasst werden. Der Wannenboden ist ein Platinblech mit Hunderten kleiner Düsenbohrungen, sogenannten Bushings. Durch die Geschwindigkeit der Aufwicklung auf die Spule kann die Ausziehgeschwindigkeit (25–150 m/s) und somit die Dicke der einzelnen Fasern reguliert werden. Vor dem Aufwickeln werden die Fasern gekühlt und mit einer Schlichte versehen. Dieses Verfahren eignet sich nur zur Herstellung von Endlosfasern. Kurzfasern können mit diesem Verfahren nur hergestellt werden, indem die aufgewickelten Fäden nachträglich geschnitten werden.

Beim Düsenblasverfahren wird die aus den Düsenbohrungen austretende Glasschmelze durch einen Dampfstrahl zerfasert. Mit diesem Verfahren können kurze Stapelfasern und Isolierfasern gewonnen werden, die als verfilztes Vlies ohne regelmässige Anordnung (Glaswolle) Verwendung finden oder nach Zusatz von Bindemitteln zu Platten, Filzen, Schalen usw. verformt werden.
Bei dem Blasverfahren werden Glastropfen mit Pressluft aus der Platinwanne zu Fasern verzogen, über eine Lochtrommel in Längsrichtung zu 5–30 cm langen Fasern orientiert und zu einem fortlaufenden Band geformt, das verdichtet und aufgewickelt wird.

Bei all diesen Verfahren werden die Glasfasern, nachdem sie den Wannenboden verlassen haben, mit einer Schlichte versehen. Mit dieser Nachbehandlung, dem sogenannten Finish, soll das weitere Verarbeiten der Fasern ermöglicht bzw. erleichtert werden. Bei glasfaserverstärktem Beton dient diese Oberflächenbeschichtung gleichzeitig als Schutz gegen den Angriff des Zementsteins. Früher war es erforderlich, die bei der Glasfaserherstellung aufgebrachte Schlichte wieder zu entfernen, um die Glasfasern mit anderen Produkten, z. B. Harzen, zu kombinieren. Dies ist heute nicht mehr nötig.

Eigenschaften
Faserglas besitzt eine hohe Festigkeit und Steifigkeit. Die Zug- und Druckfestigkeit von Faserglas sorgt z. B. bei glasfaserverstärktem Kunststoff für eine besondere Aussteifung bei gleichzeitiger Erhaltung einer gewissen Flexibilität dank der (verglichen mit Stahl) hohen elastischen Bruchdehnung. Die Steifigkeit eines glasfaserverstärkten Materials ergibt sich aus Elastizitätsmodul, Richtung und Volumenanteil der Glasfasern sowie zu einem geringen Anteil aus den Eigenschaften des Matrixmaterials.
Der Elastizitätsmodul der reinen Glasfaser liegt mit 70'000 bis 90'000 MPa etwa in der Grössenordnung von Aluminium. Der Elastizitätsmodul von Glasfasern unterscheidet sich nur wenig von dem eines kompakten Werkstoffvolumens aus Glas. Anders als Aramidfasern oder Kohlenstofffasern haben die Glasfasern eine amorphe Struktur. Wie beim kompakten Fensterglas ist die molekulare Orientierung regellos. Die Glasfasern haben isotrope mechanische Eigenschaften und verhalten sich bis zum Bruch ideal linear-elastisch (Hookesches Gesetz). Ihre Werkstoffdämpfung ist sehr gering.

Anwendung
Glasfasern werden einerseits gebündelt als Glasfaserkabel zur Datenübertragung und zum flexiblen Lichttransport (z. B. Laserstrahlung, Endoskope usw.), anderseits als Glaswolle (Glasfasermatte) zur Wärme- und Schalldämmung sowie als Gewebe oder einzelne Fasern zur zusätzlichen Verstärkung von Textilien, Kunststoffen (glasfaserverstärkter Kunststoff) oder Beton (Glasfaserbeton) eingesetzt. Je nach Anwendung und Weiterverarbeitung der Glasfasern werden unterschiedliche Ansprüche an Durchmesser, Länge und Präzision in der Verarbeitung gestellt. Während die zur Wärme- und Schalldämmung weiterverarbeiteten Isolierglasfasern keine besonderen Ansprüche zu erfüllen haben, verlangen elektrotechnische Anwendungen wie Datenübertragung und Lichttransport möglichst lange und in Durchmesser und Verarbeitung sehr präzise hergestellte Fasern.
Eine grosse Bedeutung haben Glasfasern in glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), welcher u. a. in der Fahrzeugindustrie (Luft- und Raumfahrt, Boote, Bobschlitten, Automobile usw.) teilweise als tragende Struktur verwendet wird.
In der Verfahrenstechnik werden Glasfasern hauptsächlich in gewickelten Rohren genutzt. Hier zeichnet sich die Glasfaser durch ihre sehr gute Medienbeständigkeit und elektrische Isolierwirkung aus.
In der Elektrotechnik werden Glasfasern als Verstärkungsfasern in Leiterplatten, in elektromagnetisch transparenten Verkleidungen (Radome) oder in der Hochspannungstechnik als Isolatoren verwendet.
Beim manuellen Technischen Zeichnen auf Zeichenfolie oder zur Reinigung von Leiterplatten werden Glasfaserradierer verwendet.

Einteilung
Faserglas lässt sich aufgrund seines Verwendungszwecks folgendermassen unterteilen:
- Isolierglasfasern
- Textilglasfasern
- Verstärkungsglasfasern
- Übertragungsglasfasern

Quellen
Schaeffer, H. & Benz-Zauner, M. (2009). Glastechnik. Spezialglas (Band 4). Berlin: Deutsches Museum.
Hagen, H. (2. Auflage 1961). Glasfaserverstärkte Kunststoffe. Berlin: Springer-Verlag.

HSLU T&A, ZH, 2015
Lektorat, CS, 2017

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