Kohlefasern – wie gefährlich sind sie?

REM Aufnahme von Kohlefasern

In den letzten Jahren sind Kohlefasern oder auch Carbonfasern und die von ihnen möglicherweise ausgelösten Gesundheitsgefahren immer wieder in den Fokus geraten. Gewöhnlich passierte dies nach Unfällen, in denen carbonfaserverstärkte Werkstoffe (CFK) betroffen waren. Und das kann dann durchaus alltägliche Gegenstände betreffen wie etwa Automobile oder Windkraftanlagen ebenso wie Flugzeuge oder Sportgeräte.

Zunehmend werden auch mögliche Gesundheitsgefahren diskutiert, sei es bei der Bearbeitung dieser Materialien, aber eben auch im Zuge von Unfällen wie z.B. Brandereignissen. Gerade in Bezug auf die Fasergeometrie beziehungsweise deren Veränderung bei Belastung wird gerne auf eine zum Asbest vergleichbare Gesundheitsgefährdung verwiesen. Man kann dann schnell den Eindruck bekommen, hier würden Menschen unkontrolliert einer großen Gesundheitsgefahr ausgesetzt werden.

REM Aufnahme von Kohlefasern
REM Aufnahme von Kohlefasern. Die Dicke der Faser beträgt hier über 7 µm. Sie ist damit nicht Lungengängig. Mit freundlicher Genehmigung der CRB-Analyse Service GmbH

Abgesehen davon, dass hier auch gerne „normale“ Kohlefasern mit Carbon-Nanotubes vermengt werden, hilft der ständige Hinweis auf einen Verdacht der krebsauslösenden Wirkung sowie der Vergleich mit Asbest auch nicht, um die Diskussion zu versachlichen, sondern trägt meiner Meinung nach zu einer unnötigen Emotionalisierung bei. Vielfach mag das auch durchaus gewollt sein, scheinen doch manche diese Thematik als Argument direkt gegen z.B. Windenergieanlagen zu verwenden.

Ich will im Folgenden mal versuchen, das Thema etwas mehr auf eine solidere, wissenschaftlich haltbare Basis zu stellen. Dazu muss einmal geklärt werden, was diese Kohlefasern eigentlich sind, wie sie sich unter Belastung verhalten und welche Wirkung sie im Körper haben können.

Dabei werde ich mich relativ eng an die Bewertung dieser Fasern durch die Träger der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung halten. Das halte ich erstens für eine seriöse Quelle, da hier auch immer die entsprechenden Expositionen dargestellt und die daraufhin zu ergreifenden Schutzmaßnahmen geregelt werden. Ich werde außerdem hauptsächlich auf Kohlefasern eingehen und die oft mit ihnen verwechselten Nanotubes zumindest in diesem Beitrag erst einmal außer Acht lassen. Sie können möglicherweise mal in einem weiteren Blogbeitrag verarbeitet werden.

Was sind Kohlefasern?

Kohlefasern (nicht zu verwechseln mit Carbon-Nanotubes) teilen sich grob gesagt in zwei Arten: Zum einen sind dies die polyacrylnitrilbasierte Carbonfasern (PAN-CF) und pechbasierte Carbonfasern. Dabei sind die PAN-CF der zumindest derzeit dominierende Typ, der sich auch in den meisten Anwendungen wiederfindet. Darunter fallen unter anderem Karosserieteile für den Automobil- und Flugzeugbau, Flügel von Windenergieanlagen und Sportgeräte. Sie sind deutlich kostengünstiger herzustellen als die pechbasierten -CF, die allerdings in Bezug auf Zugfestigkeit und Steifigkeit Vorteile haben, derzeit aber nur in speziellen Anwendungen zu finden sind.

Im Jahr 2018 lag die Nachfrage von Kohlefaserverstärkten Kunststoffen bei rund 130 000 Tonnen, wobei die Wachstumsrate mit rund 11 % pro Jahr angegeben wird [Bäger et al. 2019], sodass die Nachfrage aktuell um einiges höher sein dürfte.

In der Regel zeigen die Kohlefasern einen Durchmesser zwischen 5 und 10 µm, fallen also nicht unter die Kriterien der alveolen- oder schlicht lungengängigen Fasern. Damit könnte dieser Blogbeitrag dann auch eigentlich schließen, denn wenn die Fasern nicht lungengängig sind, brauchen sie auch keine Einstufung. Bei Fasern dieser Dimensionen sollten nicht in die tieferen Atemwege gelangen bzw. dort von den Selbstreinigungskräften der Lunge wieder hinausbefördert werden. Eigentlich, denn jetzt können einige der Eigenschaften von Kohlefasern ins Spiel kommen. Dazu aber unten mehr.

Welche Fasern machen krank?

Wir müssen erst einmal klären, warum uns bestimmte Fasern oder auch Stäube (wobei ich hier gerne erst mal einfach bei Fasern bleiben möchte, aber prinzipiell gilt vieles auch für einfache lungengängige Stäube) krank machen können, während andere nicht einmal im Verdacht stehen. Der Hauptgrund liegt hier in der Geometrie. Eine Faser muss, um tief in die Alveolen der Lunge eindringen zu können, gewisse Dimensionen aufweisen, welche von der WHO definiert wurden. Daher werden die Fasern, welche diese Definition erfüllen, auch gerne verkürzt als „WHO-Fasern“ bezeichnet.

WHO-Fasern

Um die WHO-Definition für eine lungengängige Faser zu erfüllen, muss eine Faser länger als 5 µm sein, nicht dicker als 3 µm und ein Länge zu Durchmesser Verhältnis von 3 : 1 aufweisen.

Als weiteres Kriterium kommt dann noch die Biopersistenz hinzu, also die Frage, wie schnell kann der Körper die betreffende Faser abbauen. Stellt sie sich als sehr schlecht biolöslich dar, kann dies zu einer dauerhaften Entzündungsreaktion führen, die letztlich zu weiteren schweren Krankheiten und sogar zu Krebs führen kann. Das perfekte Beispiel hierfür ist Asbest, eine natürliche Mineralfaser, die problemlos lungengängige Bruchstücke erzeugt und eine extreme Biopersistenz zeigt. Die Folgen sind bekannt, Asbest zählt zu den erwiesenermaßen krebserzeugenden Substanzen und ist damit absolut zu Recht verboten. Asbestfasern lassen sich auch noch sehr lange nach einer Expositionen im Lungengewebe nachweisen, wenn ich mich recht erinnere auch noch nach mehreren Jahrzehnten [Feder et al. 2017].

Das Problem der Biolöslichkeit begleitet unter anderem auch die Debatten um die künstlichen Mineralfasern. Hier wurden zum Beispiel an Mai 2000 alle neu in Verkehr gebrachten KMF Dämmwollen auf ihre Biolöslichkeit geprüft. Sie dürfen eine gewisse Halbwertszeit im Körpermilieu nicht überschreiten. Üblicherweise handelt es sich hier um 40 Tage.

Belastung durch KMF und CFK

Nun haben Dämmwollen aus relativ naheliegenden Gründen meist auch WHO-Fasern. Die auf Zugbelastung ausgelegten KMF, die ähnlich den hier zu betrachtenden Kohlefasern auf Zugbelastung ausgelegt sind und mit denen man die bekannten glasfaserverstärkten Kunststoffe (GFK) herstellt, haben andere Dimensionen, gerne mit Dicken deutlich über 5 µm. Damit liegen sie auch in ähnlichen Dimensionen wie die Kohlefasern, die wir uns hier ansehen wollen. Sie gelten daher auch als relativ unproblematisch.

Wenn aber Glasfasern, welche nicht die WHO-Kriterien erfüllen als unproblematisch gelten, aber dennoch oft und ausgiebig über die ähnlich großen und damit nicht-lungengängigen Kohlefasern diskutiert wird, was ist hier der Unterschied?

Einer der Gründe dafür ist die Bearbeitung der Materialien. Wenn ich die entsprechend verstärkten Materialien bearbeite, sie schleife, spinne, webe oder säge zum Beispiel, dann können sicher auch lungengängige Bruchstücke entstehen. Das ist bei glasfaserverstärkten Materialien der Fall und eben auch bei Kohlefasern. Die Vorgänge, nach denen hier die lungengängigen Fasern entstehen, sind auch sehr ähnlich. So ähnlich, dass entsprechende Expositionsdaten bis zum Jahr 2011 zusammen erfasst wurden.

Lassen wir einfach mal die Feinheiten der Messung unter diesen Bedingungen beiseite, so liegt der Median (50 %) der ermittelten Werte bei der Bearbeitung zwischen 10 000 und 20 000 Fasern / m³. Der 90 % Wert liegt für viele Tätigkeiten immer noch unterhalb 100 000 Fasern / m³, wobei erwartungsgemäß die höhere Zahlen beim Schleifen und Sägen erreicht werden. Unter Umständen können auch Werte deutlich über 250 000 Fasern / m³ erreicht werden. Je nach Länge der Arbeiten im Verhältnis zur Schichtlänge ist hier entsprechender Atemschutz geboten [Mattenklott & van Gelder 2019].

Welche Gesundheitsgefahren drohen?

Während eben entsprechende Expositionsdaten für die verarbeitende Industrie vorliegen, ist dies für die Exposition bei Rettungskräften bislang meiner Information nach noch nicht der Fall. Für 2019 wurden Messprogramme der Unfallversicherungsträger angekündigt, aber über deren Fortschritt konnte ich zumindest bislang nichts weiter finden.

Welche Regelwerke gelten?

Da die Kohlefasern im Normalfall mit Faserdurchmessern deutlich oberhalb der 3 µm in Verkehr gebracht werden, besteht für diese keine Einstufung. Für die bei der Bearbeitung entstehenden lungengängigen Splitter gilt die technische Regel für Gefahrstoffe Nr. 905.

Allerdings sind Kohlefasern im Abschnitt 2.3 nicht explizit erwähnt. Das bedeutet, eine Einstufung der lungengängigen Fasern und Faserbruchstücke erfolgt nach Abschnitt 2.3 Absatz 7 „anorganische Faserstäube, soweit nicht anders erwähnt“. Dazu muss auch erwähnt werden, dass es sich um eine Verdachtseinstufung aller anorganischen Fasern handelt, die nicht explizit in einer anderen Einstufung erwähnt werden.

Da ein eigener Grenzwert für Kohlefasern nicht existiert, müssen die Schutzmaßnahmen am besten in Analogie zu denen anderer Faserarten wie etwa den alten (vor Mai 2000) künstlichen Mineralfasern der Kategorie 1B (CLP Verordnung, Stoffe, die wahrscheinlich beim Menschen karzinogen sind) getroffen werden, wie etwa die TRGS 521.

Wo droht Gefahr?

Welche Gefahren drohen bei Kohlefasern? Da wäre zum einen die Tatsache, dass Kohlefasern leitend sind. Das gilt auch für die Stäube. Sie können zu Kurzschlüssen führen und eventuell auch zu Bränden.

Bei direktem Hautkontakt können allergische Ekzeme sowie mechanische Reize, wie etwa starker Juckreiz auftreten. Zusätzlich besteht ein Risiko durch das Einatmen einatembaren (sogenannten E-Stäuben) und alveolengängigen (A-Stäube) Partikeln. Diese werden vorsichtshalber in die Kategorie 2 der CLP Verordnung eingestuft (Verdacht auf Karzinogene Wirkung beim Menschen). Eine genauere Einstufung für alveolengängige Partikel aus Kohlefasern ist hier Aufgrund mangelnder Daten nicht möglich. Das liegt auch daran, dass die bei der Bearbeitung entstehenden Partikel mit der entsprechenden Abmessung (WHO, wir erinnern uns)nur einen kleinen Teil der bei der Bearbeitung anfallenden Partikel ausmachen, gewöhnlich weniger als 0,1 Massen%. Da sie auch nicht angereichert werden können, stehen für die toxikologischen Tests bislang schlicht nicht genug zur Verfügung[Mattenklott & van Gelder 2019].

Der Vergleich mit Asbest

Es werden aber alternative Ansätze ausprobiert, um Kohlefasern und die aus ihrer Bearbeitung entstehenden Partikel toxikologisch bewerten zu können. Erste Ergebnisse am Institut für Prävention und Arbeitsmedizin der Deutschen gesetzlichen Unfallversicherung haben gezeigt, dass die Stäube eine schwach entzündliche Wirkung sowie eine schlechte Löslichkeit aufweisen. Dies deutet auf eine höhere Biopersistenz hin. Sollte sich dies in weiteren Untersuchungen bestätigen, dürften die aus Kohlefasern resultierenden Stäube in die Kategorie 1B (wahrscheinlich beim Menschen karzinogen) eingestuft werden.

Hier möchte ich noch einmal auf den von verschiedenen Seiten so gerne gezogenen Vergleich mit Asbest zu sprechen kommen. Der wird zumindest meiner Meinung nach ja auch gerne gezogen, um Techniken wie etwa die Nutzung der Kohlefaser-Verbundwerkstoffe im Automobilbau oder in den Flügeln von Windenergieanlagen im Misskredit zu bringen oder schlicht auch, um Ängste zu schüren. Leider wird dabei vergessen, dass Asbest in einer ganz anderen Kategorie eingestuft ist. Asbest ist nach CLP-Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 als krebserzeugender Stoff er Kategorie 1A (nachgewiesene Wirkung beim Menschen)
eingestuft (Vollständige Einstufung: Carc. 1A; H350, STOT RE 1; H372**) eingestuft. Das ist tatsächlich eine gute Stufe höher.

Wobei Rettungskräfte ja nicht nur die entsprechend verstärkten Kunststoffe bearbeiten müssen, z.B. beim Zerschneiden von Karosserien nach Unfällen. Hier kommt nämlich noch eine weitere Eigenschaft der Kohlefasern mit ins Spiel.

Unterschiede Glasfasern und Kohlefasern

Gerade bei Kohlefasern und den damit verstärkten Verbundwerkstoffen bekommt nicht nur die Mechanische Bearbeitung nach Unfällen eine Bedeutung, etwa wenn Rettungskräfte bei PKW die Karosserien auftrennen, um die Insassen zu bergen. Kohlefasern haben auch noch eine andere Eigenschaft, durch die unter Umständen bei Havarien lungengängige Fasergrößen entstehen können.

Im Gegensatz zu den Glasfasern können Kohlefasern beim Brand der Verbundwerkstoffe ebenfalls lungengängige Faserfragmente bilden. Während Glasfasern verschmelzen und dabei Schmelzperlen bilden, weisen Kohlefasern nur eine begrenzte thermische Stabilität auf. Bei Temperaturen oberhalb von 600 °C tritt unter atmosphärischen Bedingungen ein thermischer Abbau auf.

Während dieses Prozesses kommt es auf der einen Seite zu einer Verringerung des Durchmessers der Fasern und gleichzeitig werden Defekte an den Faseroberflächen erzeugt. Diese Defekte können sich zu Löchern weiten und die betreffenden Fasern werden mechanisch sehr instabil. Sie brechen leicht und erzeugen auch dabei lungengängige Bruchstücke [Eibl et al. 2014][Eibl 2017].

In Brandversuchen wurden 100 000 Fasern /m³ mit WHO Dimensionen erreicht, ein Wert, der auch bei einem Absturz und Band eines Hubschraubers auftrat und bei der Bergung des Flugschreibers gemessen wurde [Eibl 2017].

Gefahren für Rettungskräfte?

Um eine Abschätzung der Gefährdung für Rettungskräfte bei Unglücksfällen vernünftig durchführen zu können, muss neben der absoluten Höhe der Belastung auch die Dauer und die Häufigkeit der Exposition berücksichtigt werden. [Mattenklott & van Gelder 2019] haben mal zwei Expositionsszenarien miteinander verglichen. Zum einen in der Bearbeitung von CFK Karosserieteilen und einmal den Einsatz von Feuerwehr bei der Bergung aus einem Fahrzeug mit CFK Karosserie.

Vergleich Rettungskräfte und Industrie

Bei dieser Gegenüberstellung wird schnell deutlich, dass, selbst wenn die Exposition in der Spitze eventuell vergleichbar ist, die Dauer bei Rettungseinsätzen sich signifikant von der Exposition in der Industrie unterscheidet. Das liegt zum einen an der Dauer eines Einsatzes im Bereich der CFK-haltigen Werkstoffe. Hier wurde für Rettungseinsätze Dauern von wenigen Minuten bis eine halbe Stunde angesetzt, ich könnte mir vorstellen, dass sie auch mal gerne länger dauern, aber es zählt hier nicht die Gesamtdauer, sondern nur die Dauer während der Exposition. In der verarbeitenden Industrie liegt die Expositionsdauer typischerweise im Bereich von 4 bis 8 Stunden täglich. Und das jeden Tag, während die Autoren für die Rettungseinsätze aufgrund der bislang noch recht seltenen CFK-Karosserien bis zu 2 Einsätze pro Jahr ansetzten.

Das summiert sich in der Industrie auf rund 800 bis 1600 Stunden Exposition pro Jahr, wohingegen die Rettungskräfte in diesem Vergleich bei gut 1 Stunde pro Jahr landen. Zumal die Rettungseinsätze vermutlich überwiegend im Freien stattfinden, die industrielle Arbeit hingegen in Gebäuden. Im Freien dürfte eine Spitzenexposition mit guter Wahrscheinlichkeit deutlich schneller abklingen als innerhalb von Gebäuden.

In der Industrie sind faserspezifische Schutzmaßnahmen ab Expositionen von mehr als 50 000 Fasern / m³ vorgeschrieben und ab 250 000 Fasern m³ das Tragen einer persönlichen Schutzausrüstung (PSA, diese muss ab 50 000 F/m³ zur Verfügung stehen). Auch Rettungskräfte tragen bei ihren Einsätzen vermutlich ebenfalls in der Hauptsache ihre PSA.

Fazit

Wenn man die Exposition bei der verarbeitenden Industrie der möglichen von Rettungskräften gegenüberstellt, zeigt sich das Expositionsrisiko durch Kohlefasern doch relativ überschaubar. Daraus nun eine besondere Gefährdung von Rettungskräften bei Einsätzen herzuleiten, halte ich für nicht zulässig.

Das dürfte sich wohl auch nicht signifikant ändern, wenn man CFK-haltige Windkraftanlagen hinzunimmt. Diese können durchaus auch in Brand geraten und aufgrund ihrer Höhe meist nicht direkt gelöscht werden. Hier ist der kontrollierte Abbrand wohl die häufigste Methode, was die direkte Exposition der Rettungskräfte vermutlich ebenfalls niedrig hält. Eventuell sollten aber Kräfte, die hinterher mit der Bergung und Räumung beauftragt sind, auf ihre persönliche Schutzausrüstung achten. Auf jeden Fall sollten Übungen und eventuell auch Einsätze im Bereich der CFK-Werkstoffe von Fasermessungen begleitet werden, damit auch Daten für eventuelle Verbesserungen von Schutzmaßnahmen zur Verfügung stehen.

Literaturverzeichnis

Bäger, D., Simonow, B., Kehren, D., Dziurowitz, N., Wenzlaff, D. & Thim, C.,2019 Pechbasierte Carbonfasern als Quelle alveolengängiger Fasern bei mechanischer Bearbeitung von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft,79 (2019), 13 – 16

Feder, I.S., Tschoff, I., Theile, A., Schmitz, I., Merget, R. & Tannapfel, A.,2017 The asbestos fibre burden in human lungs: new insights into the chrysotile debate, European Respiratory Journal,49, 10 S.

Mattenklott M. & van Gelder, R.,2019 Carbonfasern und carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) Teil 1: Charakterisierung, Exposition, Bewertung und Schutzmaßnahmen, Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft,79 (2019), 317 – 322

TRGS 905: Technische Regeln für Gefahrstoffe, TRGS 905 Verzeichnis krebserzeugender, keimzellmutagener oder reproduktionstoxischer Stoffe, 2016

Eibl, S., Reiner, D. & Lehnert, M.,2014 Gefährdung durch lungen-gängige Faserfragmente nach dem Abbrand Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft,74 (Nr. 7/8), 285 – 286

Eibl, S., Gesundheitsgefährdung durch lungengängige Kohlenstofffasern beim Abbrand von Carbonkunststoffen, 2017

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Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

2 Kommentare

  1. Herzlichen Dank für die Infos. Ich meinte mich zu erinnern, dass Kohlefasern überwiegend quer brechen, so dass auch die Bruchstücke nicht lungengängig sind. Leider konnte ich die Quelle nicht mehr auftreiben, aber diese Präsentation besagt dasselbe, jedenfalls in Bezug auf nicht carbonatisierte Fasern.

  2. Kohlefasern sind üblicherweise in Kunststoff/-kleber eingebettet. Wenn man solche Werkstücke schneiden muss, dann geht dies nur mit sehr schnell drehenden Sägen/Schleifscheiben. (Denn mit langsam drehenden Werkzeugen splittern die Werkstücke/-enden auf – und weisen deutliche Schäden auf)

    Aus diesem Grund muss man mit guter Absaugung/Entlüftung arbeiten – da die schnell rotierenden Sägen immer sehr feinen Staub erzeugen.

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