Wie lagert man Kohlenstofffasermaterial langfristig richtig?

Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit sollten konstant bleiben (20–25 °C, 30–50 % rF)

Um sicherzustellen, dass die Kohlenstofffasermaterialien keine molekulare Zersetzung erfahren, ist es entscheidend, die Umweltfaktoren innerhalb der vorgegebenen Grenzen konstant zu halten. Diese Faktoren müssen die chemische Struktur des Harzes bewahren und gleichzeitig die Absorption des Harzes in die Kohlenstofffasern kontrollieren. Die Temperatur sollte zwischen 20 und 25 Grad Celsius (68 bis 77 Grad Fahrenheit) liegen, und die Luftfeuchtigkeit sollte zwischen 30 und 50 Prozent betragen. Bei erheblichen und häufigen Temperaturschwankungen von mehr als 2 Grad Celsius unterliegen die Fasern und das Harz einer chemorheologischen Ausdehnung und Kontraktion, wodurch die Bildung von Mikrorissen zunimmt. Auch die Luftfeuchtigkeit bestimmt die chemische Zusammensetzung der Materialien. Canadian Springs sind ein Beispiel für eine Klimakammer, in der die Luftfeuchtigkeit innerhalb eines Betriebsbereichs von 40 % bis 70 % rel. Luftfeuchtigkeit zyklisch variiert wird; dabei wurde festgestellt, dass die Zugfestigkeit der Materialien um nahezu 18 % abnimmt. Am anderen Ende des Luftfeuchtigkeitsbereichs neigen Materialien, die einer relativen Luftfeuchtigkeit von <30 % ausgesetzt sind, dazu, chemisch auszutrocknen und spröde zu werden. Viele der Sizing-Mittel innerhalb der Harzsysteme sind duroplastische Polymere, die bei Einwirkung einer heißen und trockenen Umgebung ebenfalls chemisch erschöpft werden können.

Um die optimalen Lagerbedingungen das ganze Jahr über aufrechtzuerhalten, ist ein gut konzipiertes Lagerklimasteuerungssystem erforderlich, das eine vollständig integrierte, automatisierte Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage, vollständig kalibrierte und vollautomatische Datenlogger sowie regelmäßige Überprüfungen des Klimasteuerungssystems umfasst.

Warum Tiefkühlung oder Kühlung Harzsysteme beschädigt und die Haltbarkeit beeinträchtigt

Es besteht ein Missverständnis, dass die Lagerung von Kohlenstofffasermaterialien im Gefrierschrank oder Kühlschrank die Qualität bewahrt. In den meisten Fällen wird ein Kohlenstofffasermaterial, das im Gefrierschrank oder Kühlschrank gelagert wird, beschädigt – dies betrifft auch die chemischen Bestandteile des Materials. Bei der Lagerung von Materialien im Gefrierschrank oder Kühlschrank können grundsätzlich drei Probleme auftreten: Erstens thermischer Schock beim Entnehmen des Materials aus dem Gefrierschrank oder Kühlschrank; zweitens Kondensation von Feuchtigkeit beim Entnehmen des Materials aus der Kältespeicherung; und drittens Phasentrennung bei gehärteten Epoxid-Systemen, sobald die Temperatur des Materials unter 10 °C fällt. Wenn Harze in einem auf −18 °C eingestellten Gefrierschrank einfrieren, kristallisieren sie aus, wodurch nach Laboruntersuchungen die Schlagzähigkeit des Materials um 40 bis 60 Prozent sinkt. Auch die Lagerung von Materialien bei etwa 4 °C im Kühlschrank ist kaum besser, da dadurch ein Prozess namens Aminkrustenbildung („amine blush“) beschleunigt wird. Dabei wandern die Härtungsbestandteile an die Oberfläche und erzeugen Schwachstellen im Verbundmaterial. Insgesamt verlieren Materialien, die im Gefrierschrank oder Kühlschrank gelagert werden, im Vergleich zu Materialien, die bei Raumtemperatur gelagert werden, rund 50 bis 75 % ihrer Haltbarkeit.

Die beste Möglichkeit, Kohlefaser-Materialien verwendbar zu halten, ist die Lagerung bei Raumtemperatur statt der Versuch, der Natur mit Kühlmethoden zu widersprechen.

Richtige Verpackungsmethoden zur Erhaltung der Integrität von Kohlefaser-Materialien

Verpackung mit vakuumversiegelten Barrieren und Trockenmitteln für ungehärtete Gewebe und Prepregs

Die meisten Hersteller verwenden eine Kombination aus vakuumversiegelten Verpackungen und Trockenmitteln, um trockene Gewebe und Prepregs bestmöglich zu schützen. Es ist entscheidend, die innere Luftfeuchtigkeit der Verpackung unter 30 bis 50 % relative Luftfeuchtigkeit zu halten. Feuchtigkeit zerstört Harzsysteme nachhaltig und führt zu einem Verlust der potenziellen Festigkeit des Endprodukts. Sowohl Feuchtigkeit als auch Oxidation können Harzsysteme bereits vor der Verwendung beeinträchtigen. Dreilagige Aluminiumfolienfilme bieten eine gute Feuchtigkeitsbarriere und unterstützen dichte Versiegelungen gegen Feuchtigkeit. Folienfilme stellen eine wirksame Barriere gegen Feuchtigkeit dar. Es ist üblich, dass Prepreg-Hersteller Sauerstoffabsorber zusetzen, um die Alterung der Harzsysteme durch Oxidation zu verlangsamen. Unternehmen, die bei der Verpackung Kosten sparen, erhalten aufgrund der aus der Atmosphäre eindringenden Feuchtigkeit schlecht konditionierte Prepregs. Die Lagerdauer von Prepregs kann durch unzureichende Verpackung innerhalb von weniger als 30 Tagen um bis zu 70 % verkürzt werden. Die Qualitätskontrolle ist ein wichtiger Faktor, um dies korrekt umzusetzen.

UV-Schutz mit statisch ableitenden Eigenschaften und integrierten sekundären Barrieren

Epoxidharze unterliegen bei Bestrahlung mit UV-Strahlung einem Zerfallsprozess, der als Photodegradation bezeichnet wird. Dieser Zerfall äußert sich in Kettenbrüchen, Vergilbung, Rissbildung und Abblättern der Schichten. Prüfungen nach der ASTM-D4329-Methode für beschleunigtes Wetterbeständigkeitstesten zeigen, dass die Photodegradation nach 500 Stunden Bestrahlung mit UV-Lampen zu einem Festigkeitsverlust von mehr als 40 % des Materials führen kann. Die Festigkeit des Materials korreliert direkt mit der Anzahl der Monate, während der das Material vor einem Fenster oder einer UV-Intensitätsquelle in einer normalen Büro-Umgebung ausgesetzt ist. Dies stellt natürlich ein ernstes Problem dar, dem Hersteller durch den Einbau von UV-blockierenden Komponenten in die obersten Schichten des Außenmaterials entgegenwirken. Zudem entwickeln sie eine Beschichtung, die zur Kontrolle der statisch ableitenden Oberfläche beiträgt. Um den Schutz vor Lichtexposition zu verbessern, können Hersteller das Produkt zudem in einen lichtundurchlässigen sekundären Behälter – beispielsweise einen harten Kunststoff-Polymerbehälter – verpacken. Diese verschlossenen sekundären Behälter filtern zudem Staub heraus und fördern durch Begrenzung des verfügbaren Sauerstoffs eine stabile vernetzte Struktur des Epoxids. Dadurch wird die Lebensdauer des Produkts vor Eintritt einer Degradation verlängert.

Lagerung von Kohlenstofffasern und die daraus resultierenden Umweltrisiken

Die Auswirkungen von Witterungseinflüssen und UV-Strahlung auf Harz sowie ASTM D4329

Für Hersteller von Kohlenstofffasern stellt UV-Strahlung eines der größten Risiken dar. Unsere Verpackungsprüfungen gemäß ASTM D4329 zeigten, dass UV-Schäden kumulativ und irreversibel sind. Bereits nach wenigen Monaten konnten wir UV-bedingte Schäden wie Vergilbung, Oberflächenrissbildung und Delamination beobachten. Da UV-Schäden nicht rückgängig gemacht werden können, sind die Folgen vollständig und dauerhaft. Dies ist einer der Gründe, warum Hersteller große Anstrengungen unternehmen, um für jedes Kohlenstofffaserprodukt eine Verpackung mit wirksamer UV-Blockierung sowie lichtdichte Behälter sicherzustellen.

Minimierung mechanischer Belastung: Ziel ist es, Kompression, Biegung und Schwingungsexposition zu vermeiden

Kohlenstofffasermaterialien sind bei mechanischer Belastung erheblichen Risiken ausgesetzt. Kleine Risse können sich in den Prepreg-Schichten bilden, sobald statische Lasten etwa 10 psi überschreiten. Außerdem kann es während der Vibrationsphase zur Entfaserung von Harz und Fasern kommen. Für die Lagerung wird empfohlen, Rollen senkrecht auf einem weichen, reibungsarmen Gestell aufzubewahren. Gehärtete Laminatschichten sollten flach liegend gelagert werden, wobei die oben genannten speziellen Abstandshalter zwischen ihnen eingelegt werden müssen. Niemals Komponenten stapeln. Eine Verformung einer Komponente kann das Risiko von Rissen in den Harzstrukturen erhöhen, wodurch diese bereits nach zwei Dritteln der üblichen Zeit ermüdungsbeständig werden. Kanten- und Randenschutz sowie eine senkrechte Lagerposition tragen dazu bei, die Oberflächen der Artikel während der routinemäßigen Handhabung vor Exposition und mechanischer Beanspruchung zu schützen – ein wesentlicher Faktor für Beschädigungen beim Umgang.

Lagerhinweise nach Art des Kohlenstofffasermaterials: Gewebe, Prepreg und gehärtete Laminatschichten

Bevor Sie Speicherfunktionen verwechseln, ist zu verstehen, dass sie sich in grundlegender Hinsicht unterscheiden.

Um die Qualität der Harzinfusion und des Laminats auf trockenem Kohlenstofffasergewebe nicht zu beeinträchtigen, muss dieses in feuchtigkeitsdichten, vakuumversiegelten Verpackungen mit Trockenmitteln gelagert werden. Dies ist erforderlich, um zu verhindern, dass das Gewebe hygroskopisch wird.

Prepregs müssen bei kalten Temperaturen [Gefriertemperatur (−18 °C bis −23 °C)] gelagert werden, um eine vorzeitige Aushärtung des Harzes zu vermeiden. Dies mag ungewöhnlich erscheinen, da zuvor festgestellt wurde, dass eine Kühlung nicht erforderlich ist; hierbei handelt es sich jedoch um eine Ausnahme. Der Grund hierfür liegt in ihrer Chemie: Während das Gewebe selbst noch nicht reagiert hat, weist das Prepreg bereits teilweise reagiertes Harz auf. Das bedeutet, dass die Haltbarkeit des Harzes im Prepreg von niedrigen Lagertemperaturen abhängt. Dies ist zutreffend und wird sowohl in den technischen Daten der Hersteller als auch in den vorliegenden, gemäß ISO 10993 durchgeführten Stabilitätsstudien dargelegt.

Ausgehärtete Laminatschichten müssen nicht kühl gelagert werden, um chemisch stabil zu sein. Sie müssen jedoch physisch geschützt gelagert werden. Das bedeutet, dass sie senkrecht auf gepolsterten Gestellen mit Kantenschutz gelagert werden müssen, nicht gestapelt und mit Zwischenlagen versehen, um Beschädigungen der Oberflächen zu vermeiden.

Die angegebenen Lagerprotokolle beziehen sich jeweils auf die Hauptart der Degradation des jeweiligen Materials: Trockene Prepregs unterliegen einer chemischen Degradation, trockenes Gewebe nimmt Feuchtigkeit auf, und fertige Laminatschichten degradieren mechanisch.

FAQ

Welche Temperaturen und Luftfeuchtigkeitswerte sind für die Lagerung von Kohlenstofffasermaterialien am besten geeignet?

Die optimalen Lagerbedingungen liegen bei 20–25 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30–50 %. Diese Bedingungen verhindern am wirksamsten eine Degradation der Materialstruktur.

Warum sollten Kohlenstofffasermaterialien nicht in einem Gefrierschrank gelagert werden?

Es treten thermische Schocks, Kondensation von Feuchtigkeit und Phasentrennung in gehärteten Epoxidharzsystemen auf. Diese stellen ein Risiko für die Schlagzähigkeit dar und erschweren strukturelle Reparaturen. Wie ist Kohlefaser-Material am besten zu verpacken, um dessen Integrität sicherzustellen?

Um die Integrität zu gewährleisten, ist eine vakuumversiegelte Barriereverpackung mit zusätzlichen Trockenmitteln die beste Lösung für trockene Gewebe und Prepregs, um niedrige Luftfeuchtigkeit und geringe Feuchtigkeitswerte aufrechtzuerhalten, da andernfalls die Harze degradieren würden.

Welche Auswirkung hat UV-Strahlung auf Kohlefaser-Materialien?

UV-Strahlung führt zur thermischen Degradation von Epoxidharzen, was zu Kettenbrüchen, Verfärbungen und einer Schwächung der Struktur führt.

Wie sind die verschiedenen Arten von Kohlefaser-Materialien zu lagern?

Trockene Gewebe müssen in vakuumversiegelten, feuchtigkeitsdichten Verpackungen gelagert werden. Prepregs müssen im Kühlschrank oder Gefrierschrank aufbewahrt werden, um sicherzustellen, dass das Harz in seinem vorverarbeiteten, fließfähigen Zustand bleibt. Gehärtete Laminatschichten müssen in einem physikalisch schützenden Behälter aufbewahrt werden und bedürfen keiner Lagerung unter klimakontrollierten Bedingungen.