NederlandsFranšaisEnglish

Glasvezel - Fibre

Wat is glasvezel?

WAAROM ZIJN COMPOSIETMATERIALEN ZO INTERESSANT … VOOR ONTWERPERS én voor gebruikers ?

Ignaas Verpoest
Departement Metaalkunde en Toegepaste Materiaalkunde
K.U.Leuven


Janus zou een goede ontwerper zijn

Wat is een goed ontwerp anders dan een gematerialiseerde droom, een in tastbare en zichtbare materie gerealiseerde ideale oplossing van een functioneel probleem?
Een goede ontwerper zou dus tweehoofdig moeten zijn. Beide kijken ze naar hetzelfde functionele probleem (aan tafel zitten, een fles ontkurken, je verplaatsen van A naar B…), maar de inspiratie, het denk- of droomkader is totaal verschillend. Het ene hoofd tracht eerst de functionaliteit tot haar essentie te ontleden, en spint daar rond een droom van vormen, betekenissen, verwijzingen, emoties… . Het andere hoofd denkt reeds keihard aan het eindproduct, hoe je het produceert, hoeveel het zal kosten, of het sterk genoeg zal zijn…
Hoewel de meeste ontwerpers dit vermoedelijk nog niet ontdekt hebben, kunnen composietmaterialen beide hoofden danig op hol brengen.
De materiaalkundige weet al langer dat deze vezelversterkte kunststoffen een unieke combinatie van stijfheid, sterkte en lichtheid bezitten. De productieingenieurs, vertrouwd met frezen en draaien, metaalgieten en plaatvervormen, hebben zich moeten herscholen tot lichtvoetiger technologieën die eerder doen denken aan hoogtechnologische snit-en-naad of aan verfijnde spuitgiettechnieken uit de kunststofindustrie.
Maar ook het andere hoofd weet niet wat hem/haar overkomt. Flinterdunne glasvezelcomposieten kunnen een bijna transparante, esoterische fragiliteit bezitten, maar tezelfdertijd kan je datzelfde materiaal met steengruis vermengen tot een keihard “graniet”, of er meteen een kleurige emailachtige coating inbakken. En als in het dasboard van een Ferrari een satijnweefsel van koolstofvezels zichtbaar is doorheen een acryl- of epoxyhars, dan is de link naar een sexy zwart-satijnen avondjurk of –pak heel snel gelegd. De connotatie met de gesofisticeerde high-tech-wereld van de lucht- en ruimtevaart en, recenter, de topsport, verhogen verder de ongrijpbare aantrekkingskracht van “carbon”. Héél nieuw is tenslotte de herontdekking van de natuurlijke vezels als uitstekende versterking van kunststoffen. Henry Ford’s “hennepvezel in sojabonenkunststof”-auto uit de jaren ’40 zal niet meteen gerestyled worden, maar aan de binnenkant van je auto zit reeds heel wat natuurvezelversterkte polypropyleen, en de vlas-fiets of jute-stoel zijn wellicht niet meer zo ver weg!




Wat zijn composieten?

Hoe kan het dat één materiaal of materiaalfamilie zoveel verschillende interessante eigenschappen in zich combineert? Omdat composietmaterialen op zichzelf “gecombineerde” materialen zijn!
De meest algemene definitie voor een composietmateriaal is dat het een combinatie is van twee of meer materialen, waardoor het de eigenschappen van de samenstellende materialen overneemt, en zelfs totaal nieuwe eigenschappen verkrijgt. Het ene materiaal, de matrix, omvat en verbindt het andere materiaal, meestal een versterkende vezel.
Binnen deze zeer algemene definitie vallen vele bekende materialen: gewapend beton, radiaalbanden (rubber versterkt met staalkoord), gipsverbanden (vroeger plaaster met katoenweefsel), enz… . De grootste doorbraak is echter gekomen wanneer, reeds rond WO II,  kunststoffen (plastics) versterkt werden met vezels. In het verdere verhaal zal de term “composietmaterialen” dan ook beperkt ingevuld worden als “vezelversterkte kunststoffen”. Hoewel in de laatste decennia zeer interessante ontwikkelingen in vezelversterkte metalen en ceramieken konden vastgesteld worden, zijn vezelversterkte kunststoffen zowel economisch als wat diversiteit van eigenschappen en toepassingen betreft, véél belangrijker dan de twee andere groepen.

Plastics: leuk, maar kan het niet wat beter?

Kunststoffen of plastics hebben, zowel voor de ontwerper als voor de gebruiker, heel vele voordelen: zij zijn licht en kleurrijk, in alle mogelijke vormen verkrijgbaar (films, platen, buizen, korrels, poeders…), zij zijn makkelijk te verwerken en te bewerken, zij roesten niet en kunnen steeds beter gerecycleerd worden… Maar toch merk je dat deze materialen soms nog een negatieve connotatie met zich meesleuren, die alles te maken heeft met hun eerste markpenetratie midden vorige eeuw. In die naoorlogse periode werden kunststoffen in vele consumptiegoederen gebruikt als goedkoop maar ook “zwakker” alternatief voor de klassieke constructiematerialen (metalen, hout,…).
Die “zwakke” reputatie is ook niet helemaal uit de lucht gegrepen: kunststoffen zijn veel minder stijf en sterk dan bijvoorbeeld metalen  . In vergelijking met het meest gebruikte constructiemateriaal, staal, zijn kunststoffen gemiddeld honderd maal minder stijf, en tienmaal minder sterk! Dat compenseren zij natuurlijk voor een flink stuk door hun veel lagere soortelijk gewicht ( of soortelijke massa: aantal kilogram per liter of per kubieke decimeter). Voor staal is dit 7.8, terwijl de meeste kunststoffen slechts 0.9 tot 1.2 halen, of gemiddeld 7 keer minder!  Het is dan ook logisch dat in vele consumptieproducten waar sterkte de bepalende factor is, metalen geleidelijk verdrongen worden door kunststoffen… althans wanneer de gebruikstemperatuur laag is! Dagdagelijkse plastics als polypropyleen (PP) en polyethyleen (PE) kan je slechts tot 60 à 80°C gebruiken, nylon (PA) en polyester (PET) scoren reeds wat beter, maar je moet echt al de duurdere “engineering plastics” gebruiken als je gebruikstemperaturen rond 150°C wil aankunnen.

Het geheime wapen: de vezels!

Fenolhars (of bakeliet), de eerste commercieel beschikbare kunststof, werd reeds “versterkt” met katoen- of vlasvezels. Bakeliet was immers zeer bros, en de taaiere natuurvezels konden de scheurtjes afstoppen. Moderne kunststoffen (PP, PE, PA, PET…) zijn op zichzelf reeds vrij taai, dus ging men vooral op zoek naar een middel om de stijfheid te verhogen!
De ontwikkeling van glasvezels in de jaren dertig van vorige eeuw was een eerste, belangrijke stap. Uit gesmolten glas, ongeveer van dezelfde samenstelling als gewoon vensterglas, kan je “glaswol” spinnen, een beetje zoals suikerspin op de kermis wordt gemaakt. Maar je kan er ook haarfijne glasvezels uit vervaardigen, door het gesmolten glas doorheen een spinpotje met honderden fijne gaatjes te trekken. Die glasvezels zijn zowat een honderdste millimeter dik (menselijk haar is gemiddeld vijfmaal dikker!) en vrij van defecten. Hoewel glas intrinsiek bros is, zijn de glasvezels daardoor erg sterk (er zijn geen defecten aanwezig van waaruit de vezels zouden kunnen beginnen scheuren; dit is wel het geval in gewoon vensterglas). Bovendien is glas driemaal lichter dan staal … Als je glasvezels dus zou kunnen mengen met de nog lichtere kunststoffen, ontstaat een zéér licht en zéér sterk materiaal!
Glasvezels hebben nog vele andere voordelen: zij zijn relatief goedkoop (2 Euro per kg) en even transparant als vensterglas, je kan ermee weven en breien, zij zijn niet brandbaar en absorberen geen vocht. Maar toch was het verlangen naar het “ultieme” materiaal bij de materiaalwetenschappers nog niet vervuld: glasvezels hebben immers maar een matige stijfheid, éénderde van die van staal en ongeveer gelijk aan die van aluminium. In het figuurtje kan je immers zien dat daardoor de specifieke stijfheid  niet hoger is dan die van staal! Glasvezelcomposieten vind je dus vooral in toepassingen waar sterkte de bepalende parameter is, en niet stijfheid!
De echte doorbraak van composietmaterialen is er gekomen in de creatieve jaren zestig, bij de ontwikkeling van de koolstofvezels. Op het eerste gezicht erg eenvoudig om te maken: je “verkoolt” een kunststofvezel door hem onder zuurstofarme atmosfeer te verhitten tot boven 2000°C, totdat (bijna) alleen koolstofatomen overblijven, netjes gerangschikt in een perfecte zeshoekige grafietstructuur. Het eigenlijke geheim is tenslotte dat deze vezeltjes (ook éénhonderste millimeter dun) tezelfdertijd uitgerokken worden, zodat de grafietplaatjes netjes evenwijdig komen te liggen met de as van de vezeltjes. In vergelijking met het ordeloze en minder perfecte grafiet in je potlood, ontstaat hierdoor een materiaal dat schitterende eigenschappen heeft: het is stijver dan staal ( in sommige varianten zelfs drie keer stijver, dus bijna even stijf als diamant!), terwijl het vijfmaal lichter is dan staal. En in sterkte moeten koolstofvezels niet onderdoen voor glasvezels.
Naast die uitstekende mechanische eigenschappen zijn koolstofvezels bovendien chemisch inert, en dus ook onaantastbaar voor vocht. Bij temperatuurschommelingen zetten zij niet uit (zij krimpen zelfs een beetje bij opwarming), zij zijn doorlaatbaar voor allerlei straling, en je kan er (bijna) even goed mee weven, breien en vlechten als met glasvezels! Geen schaduwzijden? Eéntje toch, en een héél vervelende: tot enkele jaren geleden waren koolstofvezels onbetaalbaar duur! Sinds 1985, dus op zo’n  vijftien jaar tijd, is de koolstofvezelprijs echter gedaald van 150 tot 15 Euro per kilogram. In combinatie met zijn uitstekende eigenschappen werden zij dus het aantrekkelijkste constructiemateriaal voor alle toepassingen waar een laag gewicht én een goede sterkte en stijfheid absoluut vereist zijn.
Na de koolstofvezels zijn vrij snel de ultrasterke kunststofvezels ontwikkeld, zoals aramidevezels (beter bekend onder de Amerikaanse merknaam Kevlar) en polyethyleenvezels (ook bekend als Spectra). Hoewel zij nog lichter zijn dan koolstofvezels, is hun lage temperatuursbestendigheid (vooral PE) en vochtgevoeligheid (aramide) de oorzaak van hun geringe toepassing in composietmaterialen. De laatste jaren tenslotte hebben de natuurlijke vezels een revival doorgemaakt. Vlas, hennep, jute, sisal, bananenbladeren, kokosnoten… allen leveren zij uitstekende vezels. Vooral vlas- en hennepvezels benaderen de eigenschappen van glasvezels (zeker in specifieke stijfheid), maar voorlopig is hun toepasbaarheid beperkt omwille van hun degradatie in vochtige omgevingen. Verder in de toekomst wordt zeer veel verwacht van (genetisch gemanipuleerd) spinrag en andere biomimetische vezels, en van koolstof-nano-vezeltjes (nog duizend keer fijner dan de huidige koolstofvezels).

Een gebreid vliegtuig?

Urbanus heeft het reeds voorgedaan. In zijn album “De Sponskesrace” wordt een vliegtuig gebreid uit staalwol ( de “sponskes” uit de titel, zie figuur). Leuk idee, maar toch geen winnend ontwerp, want het zal niet vliegen! Ten eerste had hij minstens glas- of koolstofvezels moeten gebruiken, want die vezels zijn veel lichter dan staal. En ten tweede, een breisel op zichzelf is heel erg rekbaar, je moet het “immobiliseren” om ten volle de vezeleigenschappen te exploiteren, en dus een “dragende” constructie te maken.
Hiermee is meteen de essentie van het concept “vezelversterkte kunststof” uitgelegd! Enerzijds zal de (lichte) kunststof, als een goede lijm, de glas-of koolstofvezels op hun plaats houden en verbinden, zodat krachten die op de constructie of het product werken, wel degelijk door de sterke en stijve vezels kunnen opgevangen worden. Anderzijds kan je evengoed stellen dat de kunststof van binnenuit versterkt wordt door de vezels. Het eindresultaat is hoe dan ook: een materiaal met de sterkte en stijfheid van metalen, en de lichtheid en verwerkbaarheid van plastics!

Toch zijn er nog andere opvallende eigenschappen, die de ontwerper zouden kunnen verleiden. Hoewel glas- en koolstofvezels op zichzelf erg brosse materialen zijn, behoren zij, als composiet, tot de beste crash- en schokabsorberende materialen. Crash-zones in Formule-1 racewagens en nu ook reeds in de duurdere personenauto, kogelwerende beschermingsplaten voor pope-mobiels en gevechtstanks, brandweer- en (motor)fietshelmen… overal worden vezelversterkte kunststoffen gebruikt.
En dan is er de anisotropie, een wat moeilijker concept, maar absoluut te ontdekken voor de innovatieve ontwerper. Onderstel, je legt alle vezeltjes netjes evenwijdig met mekaar in de kunststof. De stijfheid in de vezelrichting zal maximaal zijn, voor een koolstofvezelversterkte kunststof (met bijvoorbeeld 50% koolstofvezels) tot 50 keer hoger dan de stijfheid van de onversterkte kunststof! In de richting loodrecht op de vezels zal de winst echter slechts een factor 5 hoger zijn. Het composiet heeft dus erg verschillende eigenschappen in verschillende richtingen. Het interessante hieraan is niet alleen dat die extreme anisotropie kan geëxploiteerd worden (je kan dus een plaat maken die in één richting tien keer makkelijker doorbuigt dan in de andere richting!), maar ook dat je alle tussenwaarden van anisotropie kan verkrijgen door de vezelorientaties aan te passen. Een composiet versterkt met een weefsel is even stijf (en sterk) in ketting- en inslagrichting) maar ongeveer driemaal zwakker in de diagonaalrichting. En omdat er zoveel verschillende breisteken zijn, kan je met een gebreid composiet zowat alles doen wat je als ontwerper kan bedenken…

Van beperkte, exclusieve serie tot massaproduct.

Hoe komt het dan toch dat, tot nu toe, relatief weinig ontwerpers composietmaterialen gebruiken? Er zijn natuurlijk de grote iconen die je in alle “design in de 20ste eeuw” overzichten vindt, maar zeker is dat composietmaterialen geen evidente keuze zijn voor de huidige ontwerper. Wellicht zijn de intrinsieke voordelen van koolstof- en glasvezelversterkte kunststoffen nog onvoldoende bekend. Maar een meer doorslaggevende reden lijkt de onbekendheid van het productieproces te zijn.

Initieel (1950-1970) werden vooral glasvezelversterkte polyesterharsen in open mallen gebruikt, in onaangename (geur) en zelfs ongezonde werkomstandigheden. De recente verbeteringen in materialen (styreen-arme harsen) en productiemethoden (geslotenmalprocessen) zijn nog onvoldoende bekend, maar gelukkig schakelen steeds meer, ook kleinschalige, producenten schakelen hierop over. Ook de materiaalkennis verbetert geleidelijk: dat weefselcomposieten vele malen sterker kunnen zijn dan composieten met korte, gespoten vezels, is bekend maar nog te weinig in praktijk toegepast; specifieke CAD- en rekenprogramma’s voor composieten zijn beschikbaar, maar te weinig ingenieursbureaus zijn ermee vertrouwd,…

Nog te weinig ontwerpers beseffen dat produceren met composietmaterialen tegelijk simpel en ingewikkeld, voor unieke exemplaren en zéér grote series, heel gesofisticeerd en heel eenvoudig kan zijn. Een composiet is een “vezelversterkte kunststof” , en dit wil zeggen dat je de productie zowel kan concipiëren vanuit de component “vezel”, als vanuit de component “kunststof”!
Omdat je de vezels kan weven, breien, vlechten en stikken zoals elke andere vezel, kan je dus in principe alle behandelingen die voor textielen gangbaar zijn, ook op composieten toepassen: je knipt een vorm, drapeert hem in een mal, verspreid er een (nog vloeibare) thermohardende kunststof over en laat het geheel uitharden. Dit alles kan (voor kleine series) volledig handmatig, of voor grotere series volledig geautomatiseerd verlopen.
Anderzijds kan je een composiet ook als kunststof verwerken, in het bijzonder thermoplastische composieten versterkt met korte vezels. Spuitgieten, het massaproductieproces bij uitstek, is dus zonder meer mogelijk, maar ook extrusie en vormpersen kunnen.

Volledige vormvrijheid.

De veelheid van mogelijke productieprocessen leidt ook tot een zeer grote vormvrijheid voor composietproducten, en dit zelfs voor kleine series. Daar waar bij metalen dikwijls dure diepdrukmallen, complexe frees- en draaibewerkingen, of moeilijke gietprocessen nodig zijn als men een product van iets complexere vorm wil realiseren, is dit voor composietproducten dikwijls veel eenvoudiger én goedkoper. De mallen (voor polyester en epoxy-composieten) zijn immers aan veel kleinere drukken onderhevig, en kunnen dus veel goedkoper uitgevoerd worden. En voor het persen van zeer complexe thermoplastische composietstukken (de achterdeur of de front-end van een auto bijvoorbeeld) is slechts één matrijs nodig, tegenover een heel stel diepdrukmatrijzen indien het product uit staalplaat zou vervaardigd worden.
Gelukkig vind dit besef van vormvrijheid geleidelijk ingang in de wereld van de ontwerpers. Schitterende voorbeelden zijn de composietfietsen (zie foto), waarvan de vorm in het geheel niet meer aan het klassieke fietskader refereert, en die toch een optimale combinatie van lichtheid, stijfheid en duurzaamheid, aërodynamische efficiëntie en verleidelijke vormgeving realiseren.

Het Composites-on-Tour project probeerde de composietmaterialen beter bekend te maken bij het brede publiek. Als nog meer ontwerpers geboeid worden door deze ietwat eigenzinnige materialen, zal dit brede publiek hun ontwerpen hopelijk  met interesse en nieuwsgierigheid verwelkomen!


Vele verwarrende namen…

Eén van de redenen waarom composietmaterialen zo weinig bekend zijn bij het brede publiek, én bij ontwerpers, is wellicht dat zij vele, zelfs totaal verschillende namen gekregen hebben. Bovendien dekken die namen nooit de hele lading! Een (onvolledig) lijstje…
polyester: hier wordt enkel de naam van de kunststofmatrix gebruikt om het hele, meestal glasvezelversterkte, materiaal te benoemen. Polyester is de meest gebruikte, thermohardende kunststof in composieten. Thermohardende kunststoffen (naast polyesters ook vinylesters, epoxies, fenolharsen…) zijn in onverharde toestand vloeibaar, en kunnen dus makkelijk in de vezelbundels en textielen geïmpregneerd worden. Meestal bestaan zij uit twee of meer componenten die, wanneer deze samengebracht worden, chemisch beginnen te reageren tot een vaste, harde stof.
Glassfiber, fiberglas: hier gebeurt het omgekeerde! De naam van de (glas)vezel wordt gebruikt om het composietmateriaal te benoemen. Meestal wordt hier de combinatie glasvezel-polyester bedoeld, maar dit is helemaal niet zeker! Bovendien is “fiberglas” een merknaam (van Owens-Corning).
Carbon: zoals bij glassfiber gebruikt men ook hier de naam van de (koolstof) vezel om het gehele composiet aan te duiden. Hier is de onzekerheid over de gebruikte matrix heel groot, alhoewel de meeste koolstofvezels gebruikt worden in een epoxy-matrix.
FRP, GRP, CFRP…: zijn engelstalige afkortingen voor “fibre reinforced plastics” of “glassfibre reinforced polymers” of “carbon fiber reinforced polymers”. In die zin zijn het correcte afkortingen, die echter uitsluitend in technische en wetenschappelijke litteratuur gebruikt worden. In Nederland probeert men de term “GVK”, die staat voor glasvezelversterkte kunststof, ingang te doen vinden.

De meest algemene en correcte naam blijft echter “composiet” of “composietmateriaal”…

detail roostersglasvezel trapjevoorbeeld glasvezel trap

Ascali bvba • Mispelweg 25 A • 2830 Willebroek • Tel +32 3 877 21 13 • GSM +32 471 63 96 95 • Fax +32 3 877 01 14
BTW BE 0810 313 947 • IBAN BE 72 7795 9858 5216 • info@ascali.be • Constructions in aluminium & fibre

Webdevelopment by Creatief NV