Van carbon heeft elke bergvriend en -vriendin vast al eens gehoord. Dit materiaal zit namelijk in allerlei sportartikelen en wordt door de bijzondere eigenschappen zoals lichtheid en stijfheid (niet vastheid!) geprezen door menig gearhead.
Als dit onderscheid al vragen bij je oproept, moet je zeker verder lezen, want wij hebben in dit artikel het materiaal carbon eens goed onder de loep genomen en weten nu precies hoe het zit met de eigenschappen, samenstelling of de voor- en nadelen ten opzichte van de vaak voordeligere materialen zoals aluminium.
Carbon, wat is dat eigenlijk?
Het breukvaste en lichte carbon wordt steeds populairder als materiaal voor allerlei sportartikelen. De naam is een kunstwoord dat voortkomt uit het Latijnse woord voor houtskool en slaat op het chemische element koolstof. In principe iets heel natuurlijks, want zonder koolstof zou de aarde niet veel meer zijn dan een steen zonder biologische structuren – dus ook zonder mensen. Zo zou je carbon eigenlijk als natuurlijk materiaal kunnen aanprijzen, als je tenminste door alle gedaanteverwisselingen in de lange keten heen kijkt. Voor carbon wordt koolstof gebruikt dat ooit in werd omgeven door rottende planten in de aarde, waaruit de tegenwoordig alom bekende aardolie ontstond. Deze aardolie is de drager van veel koolwaterstoffen die tegenwoordig de grondstof vormen voor de kunststofproductie.
Toegegeven, dat was een behoorlijk uitvoerige uitleg en slechts de halve waarheid. Wat wij in de spreektaal carbon noemen, bestaat slechts voor een deel uit flinterdunne koolstofvezels. Daarom luidt de correcte omschrijving eigenlijk ook: met carbonvezel versterkt kunststof (CFK). Dat verklaart nog steeds niet, wat carbon eigenlijk precies is. Daarom is de betere benaming: met koolstofvezel versterkt kunststof.
Waaruit bestaat carbon?
Laten we om te beginnen uitleggen dat het mengsel, dat in de volksmond carbon genoemd wordt, eigenlijk alleen het vezelgehalte uit carbon/koolstof bestaat en de rest van het materiaal wordt aangevuld door andere chemicaliën. Het gaat dus om een composietmateriaal. Om het nog ingewikkelder te maken, wordt bij verbindingen van CFK en GFK ook over carbon gesproken, waarbij GFK staat voor “glasvezel versterkt kunststof”.
De koolstofvezels liggen dus in een “bedje” van een kunststofmatrix. De matrix verbindt de vezels als een als roosterstructuur en vult de tussenruimten op. Dit wordt meestal gevormd door epoxyhars, een zogenaamde duroplast die alle mogelijk chemische elementen bevat, maar geen koolstofvezels. Duroplasten zijn eenvoudig gezegd kunststoffen die na het uitharden niet meer vervormbaar zijn door warmte en hoge mechanische belastingen kunnen doorstaan.
Carbon: stijf, maar niet bepaald vast
Maak je geen zorgen, we willen je hier geen college materiaalkennis geven, maar wel voldoende uitleg om de eigenschappen van equipment van carbon te begrijpen en het te kunnen vergelijken met andere materialen zoals aluminium. Het is belangrijk te weten dat het composietmateriaal profiteert van de trekvastheid en stijfheid van de koolstofvezels. De matrix voorkomt op haar beurt weer dat de vezels bij belasting ten opzichte van elkaar verschuiven. Aangezien de composiet alleen werkelijk stabiel in de richting van de vezels is, worden de vezels meestal in verschillende richtingen gelegd.
Met dank aan dit complexe verbindingspatroon behaalt carbon de bijzondere stijfheid, waarom het bekend staat. Stijfheid mag overigens niet met vastheid worden verward. Het beschrijft een hoge weerstandskracht tegen (elastische) vervorming – het materiaal trilt en beweegt niet onder groeiende belasting, maar breekt abrupt bij overbelasting.
Vastheid betekent daartegen de breukresistentie tegen mechanische belasting. Een stof die zeer stijf is, hoeft dus niet bepaald vast te zijn, maar kan juist heel makkelijk te breken zijn. Omgekeerd hoeft een heel vaste stof niet bepaald stijf te zijn, deze kan beslist elastisch meegeven. Klassieke carbon sportartikelen zoals vishengels of sportpijlen moeten heel stijf zijn, maar niet bepaald heel vast.
Niet elk carbon is hetzelfde
De hiervoor genoemde matrixen vormen vezelmatten (carbon- of glasvezel) die voor de verwerking tot een carbonbuis in bepaalde hoeken met elkaar worden verweven. Aangezien er diverse carbonmengsels en vezelrangschikkingen zijn die allemaal verschillende trek-, druk-, slag-, en breukvastheden, maar ook verschillende stijfheden en dempingen creëren, is het heel moeilijk om zonder de informatie van de fabrikant een exact beeld van de constructiemethode en de eigenschappen van het gebruikte carbon te vormen.
De gecompliceerde opbouw maakt carbon niet alleen “ondoorzichtiger”, maar ook duurder dan soortgelijke belastbare metalen. Waarom neemt men dan überhaupt carbon in plaats van aluminium, dat oppervlakkig ook alle gewenste eigenschappen vertoont? Welnu, bij sportartikelen zoals wandelstokken, racefietsen of vishengels wordt een enorm hoge mate aan stijfheid met een zo laag mogelijk gewicht gevraagd. En hierin is hoogwaardig carbon niet te overtreffen. Wacht even; hoogwaardig carbon? Bestaat er dan ook minderwaardig carbon?
Minderwaardig carbon tref je zeer zelden aan, maar het begrip kan in principe heel breed worden uitgelegd. Hoogwaardig carbon heeft, anders dan vaak wordt aangenomen niet bepaald het hoogste carbonvezelgehalte, maar de beste mix in de beste matrix. Het kan te veel van het goede zijn als een stok met de omschrijving “100% Carbon” weliswaar ultralicht en stijf is, maar door de hogere brosheid ook snel breekt.
Een gehalte van 80-90% carbon geldt als ideaal compromis dat zowel een goede stijfheid alsmede demping en breeksterkte mogelijk maakt. 60-70% carbon betekent in de regel wat meer gewicht, maar ook meer stabiliteit en voordeliger geprijsd. Bij een gehalte van minder dan 60% zien de kenners geen voordelen meer ten opzichte van de net zo dure/goedkope aluminiumstokken.
Echter volstaat alleen het percentage niet als criterium voor de kwaliteit. De overige factoren zijn alleen herkenbaar met meer achtergrondinformatie en niet zonder expertise. Maar: bij gerenommeerde fabrikanten zoals Leki of Komperdell kun je absoluut vertrouwen op het gebruik van hoogwaardige basismaterialen c.q. composieten. Tenzij je een goedkoop model van een discountwinkel koopt, kun je bij normaal gebruik bij bergwandelingen in de regel rekenen op een betrouwbare performance. Je moet al met een klap tussen rotsen of wortels blijven steken om een trekkingstok die niet van een discountzaak komt, te laten breken.
Carbon vs. aluminium
Kort samengevat: aluminium is vaster, terwijl carbon stijver is. Dat betekent in duidelijke bewoordingen:
Aluminium trilt bij stootbelastingen en verbuigt min of meer bij overbelasting. Carbon reageert amper op mechanische impulsen, maar breekt bij overbelasting en dat gaat gepaard met scherpe randen.
Het langzamere meegeven van aluminium is bij een val in theorie minder gevaarlijk. Echter spreken we hier over situaties waarbij het volle lichaamsgewicht van een volwassene met een gemiddeld gewicht met een schok de stok belast. Hier hoef je niet bang te worden, want zolang de wandel- en trekkingstokken niet afkomstig zijn van een goedkope winkel, kunnen ze eigenlijk alleen breken door dwarsbelastingen tijdens ongecontroleerde bewegingen op losse ondergronden.
Een beetje voorzichtigheid wordt echter aangeraden als de stokken heel ver zijn uitgeschoven. Dit kan met name bij aluminium problemen geven met de stabiliteit. Daarom, en vanwege de betere schokabsorptie van deze stokken, worden vooral voor nordic walking hoogwaardige carbonstokken geadviseerd. Voor lange of zware personen in het bijzonder geldt over het algemeen het advies te kiezen voor stabielere, kwalitatief hoogwaardigere en ook wel wat zwaardere stokken.
Niet beter of slechter, maar anders
Bij ongeveer dezelfde breeksterkte en stabiliteit hebben de carbonmodellen ten opzichte van hun aluminium soortgenoten een gewichtsvoordeel van circa 10% van het gewicht. Een voordeel dat in het hogere prijssegment goed zichtbaar is. Bij de basismodellen voor beginners of als er minder hoge eisen worden gesteld, valt het prijsvoordeel duidelijk ten gunste van aluminium uit. Deze gegevens zijn echter slechts schattingen, die zijn gebaseerd op mijn niet representatieve steekproef dwars door het Bergfreunde-assortiment. Wat het percentage ook precies mag zijn, het lagere gewicht brengt ook andere voordelen zoals een comfortabelere hantering en langzamer vermoeid raken van de gebruiker met zich mee.
Daar komt nog bij dat aluminiumstokken op vocht kunnen reageren met corrosie. Haal ze daarom na een tocht in de regen uit elkaar en laat ze drogen. Nu denk je wellicht dat carbon duidelijk in het voordeel is. Dat hoeft echter niet zo te zijn. Je kunt niet per definitie zeggen dat carbon beter is dan aluminium. Voor alpinisten die bijvoorbeeld vaak op grove rots- en steengruisondergrond op pad zijn, zouden (goede) aluminiumstokken een betere keuze kunnen zijn.
Aangezien de voordelen van carbon en aluminium bij stokken elkaar niet uitsluiten, mengen fabrikanten zoals Leki of Black Diamond bij sommige modellen de materialen om de afstemming tussen eigenschappen als zwenkgedrag, stijfheid en robuustheid te perfectioneren.
De balans tussen de voor- en nadelen van carbon varieert natuurlijk afhankelijk van het sportartikel. Als stabiliserende tussenlaag in de zool van ski- en skitourschoenen of als buitenmateriaal voor wielrenschoenen komen de voordelen van (dun) carbon veel duidelijker naar voren, terwijl aluminium hier met zijn vervormbaarheid blijkbaar minder geschikt is.
