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Kohlenstofffasern

Makromoleküle
Kunststoffe / Einige wichtige Kunststoffe
KohleFasern (auch Carbonfasern oder Graphit-Fasern), sind industriell hergestellte anorganische Fasern aus kohlenstoffhaltigen Basismaterialien, die durch Pyrolyse (Oxidation und Carbonisation) oder durch drastische Dehydratisierung in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden.

Kohlefaser (dunkel) und menschliches Haar (hell)

Kohlefaser (dunkel) und menschliches Haar (hell)

Als Basis diente anfangs Cellulose, später auch synthetische Fasern, besonders Polyacrylnitril (PAN)

Zur Herstellung wird erst PAN aus Acrylnitril polymerisiert (1.) dann das PAN einem Cyclisierungsprozess unterworfen (2.) und anschließend das Polymer mit Sauerstoff behandelt, wodurch der Wasserstoff zu Wasser oxidiert und entfernt wird (3.).

(schematische) Herstellung von Kohlefasern

(schematische) Herstellung von Kohlefasern

In dieser Phase heißt das Produkt „Black Orlon“ und besitzt bereits technische Anwendungen, zur Kohlefaser fehlt aber noch weiterer Schritt: Die Carbonisierung bei ca. 1200–1500°C für ca. 1min unter Schutzgas (4.). Bereits jetzt heißt das Produkt Kohlefaser, genauer hochfeste-Kohlefaser (HT-Kohlefaser oder HT-CF).

Für einige Anwendungen ist aber weniger wichtig, dass die Faser enorm hohen Kräften standhält: dann wird die Kohlefaser noch einmal bei 2000-3000°C für 20s in einer Argon – Atmosphäre Graphitisiert, wodurch Hochmodul – Kohlefaser (Hochmodul-Kohlefaser, HM-CF) erhalten wird, die zwar bereits bei etwas (unerheblich) weniger Kraft reißt, sich bis dahin aber nicht in die Länge zieht. Der zweite Typ ist die eigentliche Graphitfaser und wird z.B. für Flugzeugtragflächen verwendet, bei denen ein zu starkes Durchbiegen sehr unerwünscht wäre.

Generell werden Kohlefasern überall dort eingesetzt, wo man mit einem möglichst geringen Gewicht hohe Stabilität erzielen möchte und der Preis eher unwichtig ist, da sie relativ teuer in der Herstellung sind, aber bei nur einem Viertel der Dichte 7x so reißfest sind wie Edelstahl:

Material

Reißfestigkeit

[MPa]

Kohlefasern

6370

Micro – Melt® (Spezialstahl)

5205

Glasfasern

4710

Polyaramid (Kevlar®)

3757

Polyethylen (PE-UHMW)

3500

Wolfram

1510

Spinnenseide

1000

Titanlegierungen

940

Edelstahl

860

Messing

550

Aluminiumlegierungen

483

menschliches Haar

380

Polypropylen (PP)

80

Nylon® (PA)

78

Eichenholz

60

Zerreisfestigkeiten einiger Materialien in Megapascal

Zudem hält die Faser diese Belastungen auch noch bei über 2000°C aus, was in Spezialbauteilen tatsächlich genutzt wird. Der überwiegende Teil wird aber zur Faserverstärkung von Kunststoffen (=CFK) und anderes verwendet, u.a. für

  • Fahrzeugbauteile
  • Hitzeschilde
  • Sportgeräte
  • medizinische Implantate
  • Filter
  • Elektronikbauteile
  • Glühlampenfäden
Lückentext
Bitte die Lücken im Text sinnvoll ausfüllen.

Das Produkt heißt bereits nach der Carbonisierung Kohlefaser, genauer -Kohlefaser (HT-Kohlefaser oder HT-CF).

Für einige Anwendungen ist aber weniger wichtig, dass die Faser enorm hohen Kräften standhält: dann wird die Kohlefaser noch einmal bei 2000-3000°C für 20s in einer Argon – Atmosphäre Graphitisiert, wodurch – Kohlefaser (Hochmodul-Kohlefaser, HM-CF) erhalten wird, die zwar bereits bei etwas (unerheblich) weniger Kraft reißt, sich bis dahin aber nicht in die zieht. Der zweite Typ ist die eigentliche und wird z.B. für Flugzeugtragflächen verwendet, bei denen ein zu starkes Durchbiegen sehr unerwünscht wäre.

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Vorstellung des Online-Kurses Organische ChemieOrganische Chemie
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Organische Chemie

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Diese Themen werden im Kurs behandelt:

[Bitte auf Kapitelüberschriften klicken, um Unterthemen anzuzeigen]

  • Grundlagen der Kohlenstoffchemie
    • Einleitung zu Grundlagen der Kohlenstoffchemie
    • Orbitalmodell
    • Überblick und Formen der Orbitale
    • Grundregeln der Orbitaltheorie
    • Verteilung der Elektronen auf die Atome im Grundzustand
    • Hybridisierung
    • Hybridorbitale
    • Übersicht über die Bindungstypen
  • Nomenklatur nach IUPAC
    • Einleitung zu Nomenklatur nach IUPAC
  • Labormethoden
    • Einleitung zu Labormethoden
    • Vorbeugendes Gefahrstoffrecht
  • Organische Verbindungen - Typen, Eigenschaften und Reaktionen
    • Einleitung zu Organische Verbindungen - Typen, Eigenschaften und Reaktionen
    • Alkane
    • Typen von Kohlenstoffatomen
    • Wichtige Reaktionstypen der Alkane: radikalische Substitution
    • Cycloalkane
    • Alkene
    • Sonderfall Doppelbindung
    • Isomerisierung zu Cycloalkanen
    • Typische Reaktionen: Elektrophile Addition
    • Halogenalkane
    • Eliminierungsreaktion E
    • Polyene
    • Alkine
    • Alkohole
      • Einleitung zu Alkohole
      • Mehrwertige Alkohole
      • Eigenschaften der Alkanole
      • Kohlenstoff-Partner-Konstellationen
      • Bildung von Alkanolen durch eine nucleophile Substitution
      • Oxidationszahlen
      • Partielle Oxidation von Alkoholen
      • Andere typische Reaktionen der Alkohole:SN1&SN2
    • Ether
      • Einleitung zu Ether
      • Synthese von Ethern
    • Carbonylverbindungen: Aldehyde und Ketone
      • Einleitung zu Carbonylverbindungen: Aldehyde und Ketone
      • Aldehyde
        • Einleitung zu Aldehyde
        • Nachweisreaktion der Aldehyde
        • Wichtige Aldehyde
      • Ketone
      • Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
        • Einleitung zu Reaktionen von Aldehyden und Ketonen
        • Keto-Enol-Tautomerie
        • Hydratisierung
        • Halbacetalbildung
        • Acetalbildung
        • Aldolbildung
    • Carbonsäuren
      • Einleitung zu Carbonsäuren
      • Monoalkansäuren
      • Mehrwertige Carbonsäuren
      • Carbonsäurederivate
        • Einleitung zu Carbonsäurederivate
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      • Einleitung zu Ester: Bildung und Spaltung
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    • Einleitung zu Aromaten – Aromatische Kohlenwasserstoffe
    • Das aromatische System
    • Benzol: Eigenschaften und aromatische Struktur
      • Einleitung zu Benzol: Eigenschaften und aromatische Struktur
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    • Mesomerie = mesomere Grenzstrukturen
    • Typische aromatische Reaktionen
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      • Übersicht der Arten der elektrophilen aromatische Substitution
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        • Strukturebenen der Proteinfaltung
    • Nukleinsäuren
      • Einleitung zu Nukleinsäuren
      • Nukleinsäuren: DNA
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    Ein Kursnutzer am 07.03.2015:
    "sehr gute Erklärung"

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