Materialrevolution: Nachhaltige und multifunktionale Materialien für Design und Architektur 9783034610780, 9783034605755

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Akromid ® S 40 Alkemi ™ 78 Alulife ® 77 Alulight ® 104 Alusion ™ 78 Ambient Glow Technology – AGT ™ 171 Amorim ® 51 Arbofill ® 56 Arboform ® 38 AR-hard ® 156

Produktindex 3mesh ® 116 3XDRY ® 119

A Accoya ® 48 Admonter ® 48 aerofabríx ™ 116 Aerosil ® 156 AgPURE ™ 157 Agriboard ™ 87 AgriPlast BW 38 Air Clean  ® Pflastersteine 155 Air Clean ® Wandfarbe 155

Bio-Glass ® 79 Biograde ® 38 Biomax ® TPS 37 Biomer ® 36 Bioni Hygienic ® 157 Biopar ® 37 Bioplast TPS ® 37 Blauer Engel 91 Blazestone ™ 79 Blingcrete 175 © Buzzispace 84

B

C

Balsaboard 86 Barktex ® 58 Batyline ® 84 Baytubes ® 120 BeeCore ® 96 Biofiber ™ Wheat 56 Bioflex ® 35

Calymer ™ 102 Capa ® 66 Capromer ™ 66 Cartamela 88 ccflex ® 147 Celbloc Plus 149 Cellucomp ® 56

CenoTec ® 118 Chromicolor ® 145 Climacell ® 107 Cocodots ® 46 Coconut Tiles 46 CurV ® 121

D Dakota Burl ® 56 DalLastic ® 74 Dämmstatt ® 107 DigitalDawn 171 Dines ® 145 Doluflex ® 78 Duocel ® SiC-Schaum 103 duraAir ® 155 Durat ® 73 Duripanel ® 86

E Ecogehr ® PLA 35 ECOGEHR ® WPC 45 Ecopan ® 87 Ecovio ® 35 Edilfiber ® 73 Elvanol ® 65 Enka ® -Moss 152 Envirez ® 40 Environ biocomposite ™ 90 Essemplex ™ 127 Eurolight ® 96

F Fasal ® 45 Ferrotec 148 Fibertex Pan ® 84 FIBRIL™ 120 Fibrolon ® 45 fineFloc ® 107 Fireclay ® BottleStone 82 Firstwood ® 48 Flamexx ® decotech 96 Flupis ® 106 foamet ™ 104 Foamglas ® 81 Frontier Carbon Corporation 120 FSC 91

G Glassshells 80 Globocer ® 113 Globomet ® 113 Gohsenol™ 64 Green LinE ® 55

H

K

Hafttextilien 191 © Hailstone 80 Homasote ™ 90 Hybrix ® 98 HyProtect ™ 157

Keridur ® 73 Kovalex ® 45 kraftplex ® 87 Kupilka ® 45

I Icestone ™ 79 Ingeo™ 35 InstaCoustic Cradle ® 74 Isofloc ® 107 isolcell ® 90 Isolgomma RTA ® 74 Isolith ® 88 Isospan ® 88

L LCR Hallcrest ™ 145 Ledano ® 85 Lederett ® 85 Liaver ® Blähglasdämmung 81 Lifocork ® 51 Lignobond 56 Litracon ® 175 Litracube ® 175 LockPlate ® 111

Luccon ® 175 Luminal ® 171 Luminex ® 171 Luminoso ® 175 Lupranol ® 40

M Maderón 52 Makrofol ® 171 Makrolon ® Ambient 112 Makrolon ® AR 156 Maxit Clima 26 ® 149 Megawood ® 45 Moniflex ® 38 Moso ® 47 Mowiol ® 65 m.pore ® 104

Patagonia © 84 PCM Smartboard ™ 149 Pilkington Activ ™ 147 Plascore ® 96 Polyviol ® 65 Poraver ® Blähglasgranulat 81 Porocom ® 82 ProClimate ® 153 proSolve 370e ® 155 Pure ® 121 Pure Moss ® 127 Pyrogel ® 112

N NaBasCo ® 56 Nanoclay 156 Nano-Cyclodextrine 119 Nanogel ® 112 Nanoklettverschluss 191 Nanopapier 158 Nano-Quarz-Gitter ® 156 NanoSphere ® 119 Nanotol ® 147 Nano-X ® 119 Native ® bamboo 47 Natureplast ® 36 NatureWorks ® -Polymer 35 Neopor ® 102 Neptutherm ® 109

R

o OHT Holz 48 Okagel ® 112 Ökopa plus 91 Original-Umweltschutzpapier (UWS) 91

P Papercrete ™ 90 PaperFoam ® 106 PaperStone ™ 90 Papier aus tierischen Exkrementen 88 Parabeam ® 116 Parallam ® 86

Rastra ® 82 Recoflex 87 © Relight 80 Resopal ® -A2coustic 81 Reversacol™ 145 RheOil ® 148 Robatex ® 175 © Rockglass 80 ® Rubex  NaWaRo 40

S Salamander Bonded Leather 85 Seele Cover ® 118 Siotec ® 73 Smile Plastics ™ 73 SOCC Gran ® 74 Sokufol ® 65 Solid Poetry ® 146 Sorona ® 37 Stax ™ 79 Stelex ® 103 Subertres ® 51 SwissCell ® 96

T Tectan ® 73 Tencel ® 38 Terramac ® 152 Thermofix ® 51 Thermofloc ® 107 Thermoholz Baladur ® 48 Thermowood ® 48 TorHex ® 96 Trend Glasmosaike 79 Tretford veledo 85 © TTURA 80

V Varia Ecoresin ™ 73 Variotec ® VIP 111 Veritex ™ 127

Vestamid ® Terra 40 Vinnex ® 51

W Waferboard 86 Waterfront 84 wellboard ® 90 Werzalit ® 45

X XYLOMER ® 45

Z zBoard 90 Zelfo ® 38 Zincopor ® 104 zwei-KomponentenKeramikschaum 103

MATERIALREVOLUTION

Sascha Peters

MATERIALREVOLUTION NACHHALTIGE UND MULTIFUNKTIONALE MATERIALIEN FÜR DESIGN UND ARCHITEKTUR

Birkhäuser Basel

INHALT

I Einleitung

Nachhaltige und multifunktionale Werkstoffe – Die Revolution der Materie…006 — Die Bedeutung von professionellen Kreativen für technische Innovationsprozesse…012 II MATERIALIEN

Biobasierte Materialien…030 — Biologisch abbaubare Materialien…060 — Recycling-Materialien…068 — Leichtbaumaterialien und Dämmwerkstoffe…092 — Formverändernde Materialien…122 — Multifunktionsmaterialien…140 — Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien…160 — Nachhaltige Produktionsverfahren…178 III Anhang

Über den Autor…195 — Index…196 — Literatur­ verzeichnis…205 — Ausgewählte Publikationen des Autors…206 — Ausgewählte Vorträge des Autors…207

1 Biobasierte Materialien

5 Formverändernde Materialien

Biokunststoffe auf Basis von Polymilchsäure…034 — Biokunststoffe auf Basis von Polyhydroxybuttersäure…035 — Biokunststoffe auf Basis thermoplastischer Stärke…037 — Biokunststoffe auf Basis von Zellulose…038 — Biokunststoffe auf Basis von Pflanzenölen…040 — Biokunststoffe auf Basis von Lignin…041 — Biokunststoffe auf Basis von Algen…041 — Biokunststoffe auf tierischer Basis…042 — Acrylglas auf Basis von Zucker…043 — Naturgummi…043 — Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC)…044 — Kokosholzverbunde…046 — Bambus…047 — Thermisch vergütete Naturhölzer…048 — Thermo-hygro-mechanisch verdichtetes Holz…049 — Kork-Polymer-Werkstoffe (CPC)…050 — Mandel-Polymer-Werkstoffe (ACP)…052 — Algenbasierte Materialien…053 — Pilzbasierte Materialien…054 — Naturfaserkomposite (NFK)…055 — Linoleum…057 — Rindentuchwerkstoffe…058 — Maize Cob Board (MCB)…059

Formgedächtnislegierungen (FGL)…126 — Formgedächtniskunststoffe (SMP)…127 — Thermobi­ metalle…128 — Piezoelektrische Keramiken (PEK)…128 — Piezoelektrische Kunststoffe (PEP)…129 — Elektroaktive Polymere (EAP)…130 — Bucky Paper…131 — Hydrogel…132

2 Biologisch abbaubare Materialien

Wasserlöslicher Polyvinylalkohol…064 — Laugen­ lösliche Kunststoffe…065 — Polycaprolactone…066 3 Recyclingmaterialien

Recyclingkunststoffe…072 — Recyclingelastomere…074 — Recyclingstahl…075 — Recyclingkupfer…076 — Recyclingaluminium…077 — Recyclingglas…078 — Schaumglas (Blähglas)…080 — Recyclingmineralwerkstoffe…082 — Recyclingtextilien…083 — Leder­ faserstoffe…085 — Holzverbundmateri­a lien…085 — Holzbeton…087 — Papier aus organischen Abfällen…088 — Recyclingpapier…089 4 Leichtbaumaterialien und Dämmwerkstoffe

Wabenstrukturen…096 — Doppelstegpaneele…097 — Edelstahlmikrosandwich…098 — Karbonfaserstein (CFS)…099 — Ultrahochfestbeton…099 — Basaltfaserverstärkte Werkstoffe…101 — Mineralpartikeloptimierte Kunststoffe…102 — Keramikschaum…103 — Metallschaum…104 — Holzschaum…105 — Papierschaum…106 — Zelluloseflocken…106 — Naturfaserdämmung…108 — Polyurethan-Hartschaum…110 — Vakuumisolationspaneele…110 — Aerogel…111 — Hohlkugelstrukturen…113 — Technische Texti­lien…114 — Abstandstextilien…115 — Membrantextilien…117 — Nanotextilien…118 — Kohlenstoffnano­röhren (CNT)…120 — Eigenverstärkte Thermoplaste…121

6 Multifunktionsmaterialien

Biomimetische Materialien…144 — Farb- und transparenzverändernde Materialien…145 — Schmutzabweisende Oberflächen…146 — Elektro- und mag­net­orheologische Flüssigkeiten…147 — Phasenwechselmaterialien (PCM)…148 — Lehm…150 — Moos…150 — Zeolithe…152 — CO2-speichernde Materialien…153 — Duftmikrokapseln…154 — Nano­ titandioxid…154 — Nanosiliziumdioxid…155 — ­Nanosilber…156 — Nanogold…157 — Nanopapier…158 — Selbstheilende Materialien…159 7 Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien

Fotovoltaische Materialien…164 — Dünnschichtsolarzellen…165 — Mehrfachsolarzellen…166 — Black Silicon…166 — Grünalgen…167 — Thermoelektrische Materialien…168 — Ferroelektrische Polymere…169 — Licht emittierende und nachleuchtende Materialien…170 — Leuchtdioden (LED)…172 — Organische Leuchtdioden (OLED)…173 — Multitouchfolien…174— Retroreflektierende Materialien…174 — Lichtdurchlässige Materialien…175 — Metamaterialien…176 8 Nachhaltige Produktionsverfahren

Mehrkomponentenspritzgießen…182 — InMold-Techniken…182 — Metal Injection Molding…183 — Inkrementelle Blechumformung (IBU)…184 — Freie Innenhochdruckumformung (FIDU)…185 — Laserstrahlumformung…186 — Wölbfacettierung…186 — Additive Formgebung…187 — Laserstrukturieren…187 — 3D-Wasserstrahlschneiden…188 — Mehrfunktionales Anodisieren…189 — Trockenzerspanung…189 — ­K leberfreies Fügen…191

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Nachhaltige und multifunktionale Werkstoffe – Die Revolution der Materie

Blumenvasen aus Algenfasern, Handyschalen aus Baumrinde, Särge aus Mandelschalen, Mosaike aus Kokosnüssen oder Fahrradrahmen aus Bambus: So lauten einige der prominentesten Indizien für eine Entwicklung, die in der nächsten Zeit einen revolutionären Charakter haben wird. Naturmaterialien, Recyclingwerkstoffe und ressourcenschonende Produktkonzepte sind im Vormarsch. Die Welt scheint im Umbruch, so suggerieren uns die von den Unternehmen für die zunehmenden Umweltprobleme angebotenen umweltverträglichen biobasierten Lösungen. Materialien sollen natürlicher, gesünder und nachhaltiger werden. Es geht um nicht weniger als um die Rettung unseres Klimas, die Sicherung unseres Lebensstandards und die Schaffung einer Lebensgrundlage für nachfolgende Generationen. Fahrradrahmen aus Bambus (Quelle: Craig Calfee) → S. 047

Spätestens seitdem klar ist, dass die Ressourcen an fossilen Energieträgern in den kommenden Jahrzehnten zur Neige gehen und viele Rohstoffe nur noch in begrenztem Rahmen zur Verfügung stehen werden, wird intensiv an Alternativen gearbeitet. Die werkstofflichen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts, die wir vor allem dem Erdöl als Ressource zu verdanken hatten, werden in einigen Jahren schon ihre Bedeutung verloren haben. Bakelit® (ein duroplastisches Phenolharz) als Gehäusewerkstoff der ersten Elektrogeräte in den 1930ern, Polyvinylchlorid (PVC) für Schallplatten in den 1950ern, sich dem Körper anschmiegende Skischuhe aus Polyurethan in den 1970ern oder glasfaserverstärkte Kunststoffe für Stabhochsprungstäbe: Materialinnovationen mit neuen mechanischen Eigenschaften und funktionalen Qualitäten ermöglichten neue Produktlösungen. Handyschale aus Rindentuch (Quelle: Barktex) → S. 058

Der bevorstehende Innovationssprung im Bereich der Materialien wird aber nicht mehr fokussiert sein auf die Entwicklung neuer Funktionalitäten. Es geht vielmehr um das Hervorbringen von Werkstoffen, die ressourcenschonend und materialeffizient eingesetzt werden können und keine Gefahren für den Menschen darstellen. Das Bewusstsein für den umweltverträglichen Umgang mit Werkstoffen und das Denken in Materialkreisläufen ist beim Konsumenten angekommen, so dass sich Investitionen in nachhaltige Produkte inzwischen lohnen. Die Verwendung umweltverträglicher Materialien mit multifunktionalen Eigenschaften und die Nutzung nachhaltiger Produktionsverfahren werden vom Kunden in vielen Bereichen sogar bereits vorausgesetzt.

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Skischuh mit einem Schaft aus dem Bio­ kunststoff „Hytrel® RS“ (Quelle: DuPont)

Die Herausforderungen scheinen mittlerweile so groß, dass politische Maßnahmen getroffen werden müssen, um den Wandel zu beschleunigen. Zwar ist der Klimagipfel von Kopenhagen 2010 an dem Widerstand der Schwellenländer gescheitert, doch sehen die westlichen Industriestaaten, insbesondere Europa, eine Chance gekommen, die umweltpolitischen Notwendigkeiten mit den wirtschaftlichen Herausforderungen zur Sicherung der Innovationsfähigkeit zu kombinieren. Die Europäische Union hat daher das Klimaschutzpaket 20–20–20 aufgesetzt, mit dem bis 2020 Energieverbrauch und Emissionen um 20 Prozent gesenkt werden sollen und gleichzeitig der Anteil der regenerativen Energien am Gesamtverbrauch um ein Fünftel erhöht werden soll. Behältnisse aus Zellulosekunststoffen (Quelle: Biowert) → S. 038

Unternehmen bietet sich die Gelegenheit, sich mit neuen Angeboten zu profilieren. So verspricht der Markt der auf nachwachsenden Rohstoffen, wie Maisstärke oder Zellulose, basierenden Biokunststoffe in den nächsten Jahren ein Wachstum von jährlich 25–30 Prozent.

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Zahlreiche Angebote wurden von den Chemiegrößen und der mittelständischen Industrie bereits entwickelt und ständig werden es mehr. Doch ob die biobasierten und/oder bioabbaubaren Werkstoffe wirklich klimaneutral sind, ist noch nicht abschließend geklärt. Es fehlen meist Aussagen dazu, wie viele Ressourcen, welche Wasserund Energiemenge über die gesamte Produktlebensdauer von der Produktion über den Transport und Gebrauch bis hin zur Entsorgung benötigt werden. Nur langsam entwickeln sich Normen und Messgrößen, um eine objektive Vergleichbarkeit zu ermöglichen. Der „Ökologische Rucksack“ hat sich zur Darstellung der Menge aller benötigten Ressourcen bei der Herstellung, dem Gebrauch und der Entsorgung eines Produkts bewährt. Er wird bei der Erstellung einer Ökobilanz meist ebenso herangezogen wie der „Carbon Footprint“, unter dem die Summe aller Treibhausgasemissionen über den Lebenszyklus zusammengefasst werden, oder das „Virtuelle Wasser“, also die Menge Wasser, die zur Erzeugung eines Produkts aufgewendet werden muss. Typische Werte für den „Ökologischen Rucksack“ von Materialien sind ein Faktor 5 für Polymerwerkstoffe, was bedeutet, dass für die Herstellung von einem Kilogramm Kunststoff rund fünf Kilogramm Ressourcen benötigt werden. Da für die Erzeugung von Aluminium rund 85 Kilogramm und für Kupfer gar 500 Kilogramm Ressourcen notwendig sind, kann auf das Recycling insbesondere dieser Massenmaterialien nicht mehr verzichtet werden. Doch bis für die wichtigsten Werkstoffe und Materialien gesichertes Datenmaterial erstellt ist, wird wohl noch Zeit vergehen.

Plattenmaterial aus 100 Prozent recyceltem Glas (Quelle: Coverings Etc) → S. 079

Bis wir es mit Materialien zu tun haben, die keine negativen Auswirkungen mehr auf Klima und Umwelt haben, gilt es vor allem, die vorhandenen Ressourcen bestmöglich zu verwenden und ideal auf den Einsatzzweck auszurichten. Die Steigerung der Materialeffizienz ist daher eines der wichtigsten Ziele aktueller Forschungsaktivitäten. So wurden Beschichtungssysteme in Nano- oder Mikrodimensionen entwickelt, die die Materialeigenschaften optimieren, sie über einen längeren Zeitraum gewährleisten und Zusatzfunktionen (wie hohe Kratzfestigkeit oder easy-to-clean Eigenschaften) ermöglichen.

Auch die Entwicklung von Materialien auf Basis von recycelten Rohstoffen wurde in der letzten Zeit von einigen Herstellern forciert. So sind mittlerweile Angebote in nahezu allen Werkstoffklassen erhältlich, die die Nutzungsdauer der Rohstoffe erheblich verlängern. Metalle, Kunststoffe oder Papier aus recycelten Rohstoffen sind dabei fast schon als Klassiker zu bezeichnen. Jüngst hinzugekommen sind neue Materialien aus recyceltem Glas, recycelten Textilien oder Mineralwerkstoffen samt Sammelsystem.

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Pilzbasierter Hartschaum für Verpackungen (Quelle: ecovative design) → S. 054

Neue Produktionsverfahren, die sich von natürlichen Wachstumsprozessen ableiten und die Materialentstehung als biologischen Vorgang verstehen, werden erforscht. In anderen Entwicklungen dienen landwirtschaftliche Abfallprodukte dazu, konventionelle Komponenten in Werkstoffverbunden zu ersetzen und somit den Ressourcenverbrauch zu reduzieren. Mittlerweile ist es gar gesellschaftlicher Konsens Materialien nachzufragen, die nach Beendigung der Lebensdauer eines Produkts nicht auf einer Deponie entsorgt werden müssen, sondern Ausgangspunkt für die Verwendung in einem neuen Produkt sein können. Leichtbaustruktur auf Basis metallischer Hohlkugeln (Quelle: hollomet) → S. 113

Aufgrund der großen Distanzen, die Produkte und Materialien heute zwischen Herstellung und Gebrauch hinter sich bringen, nimmt die Bedeutung von Werkstoffen und Verbundmaterialien mit einem geringen Gewicht immer weiter zu. Sie sorgen für einen geringeren Energieverbrauch beim Transport auf der Straße sowie in der Luft und haben positive Effekte auf Montage und Handling. In der Architektur lässt sich durch Verwendung von Leichtbaumaterialien auch der Aufwand der Baukonstruktion verringern, so dass Gebäude mit einem geringeren Materialaufwand realisiert werden können. Insbesondere Werkstoffe mit CO2 speichernder Wirkung werden mit Blick auf die zunehmende Klimaerwärmung in Zukunft mehr an Bedeutung gewinnen. Da rund 40 Prozent des Endenergieverbrauchs

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der Welt auf den Bau und Betrieb von Gebäuden zurückgeht, sind die Einsparpotenziale im Baugewerbe besonders groß. Der Optimierung der Wärmedämmung wird eine immer größer werdende Bedeutung beigemessen. Für Designer und Architekten sind in diesem Zusammenhang Werkstoffe von Interesse, die Sonnenstrahlen direkt in Strom überführen, Wärme und Feuchtigkeit speichern können und zu einer natürlichen Klimatisierung beitragen. Dass unter Einsatz innovativer Materialien und neuer Konstruktionstechniken ungeahnte Möglichkeiten erschlossen werden können, zeigte die TU Darmstadt mit ihren Beiträgen zum Solar Decathlon 2009 und 2007. Unter Verwendung von Vakuumisolationspaneelen, modernster Solartechnik und klima­ beeinflussender Phasenwechselmaterialien erzeugten die Teilnehmer um Prof. Hegger mehr Energie, als das Gebäude verbrauchte, und gewannen den Wettbewerb in Washington.

Team Germany, Solar Decathlon 2009 (Quelle: TU Darmstadt) → S. 149

Versprechen sich einige Hersteller, durch Einsatz nachwachsender und natürlicher Rohstoffe die von ihren Angeboten ausgehende Umweltbelastung zu reduzieren, gehen andere Produzenten einen ganz anderen Weg. Sie entwickeln Materialien, die neben ihrer mechanischen Funktion weitere Qualitäten aufweisen, beispielsweise durch Farb- und Formveränderung auf Einflüsse der Umgebung reagieren, bei stets trockener Oberfläche Wasser speichern können oder Verunreinigungen abweisende Oberflächen besitzen. Insbesondere formverändernde Materialien, die bei Überschreiten eines bestimmten Temperaturniveaus selbsttätig in ihre Ausgangsgeometrie zurückgehen, haben in der jüngeren Vergangenheit das Interesse vieler Gestalter gefunden. Nicht zu vergessen sind die Möglichkeiten, die sich durch Materialoberflächen ergeben, die beispielsweise die Luft vor schädlichen Abgasen und Gerüchen befreien können, eine antibakterielle Wirkung aufweisen oder Antireflexionseigenschaften haben. Das klassische mechanisierte Verständnis von Materialität scheint also einer neuen Werkstoffkultur zu weichen. In dieser zeigen Mate­ rialien multifunktionelle Potenziale, kommen mal leichtgewichtig, mal schmutzabweisend, mal farbverändernd oder retroreflektierend daher und dienen vor allem einem Zweck: dem verantwortungsvollen Umgang mit den Ressourcen dieser Welt.

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Die Bedeutung von professionellen Kreativen für technische Innovationsprozesse

Bei dem skizzierten Wandel von ressourcenbelastenden Materialien mit eindimensionaler Funktionalität hin zu einer ressourcenschonenden Werkstoffkultur mit multifunktionalen Potenzialen in ganzheitlichen Werkstoffkreisläufen übernehmen professionelle Kreative wie Designer und Architekten eine besondere Verantwortung. Denn sie sind es meist, die bei materialbasierten Entwicklungen heute die Auswahl eines Werkstoffs übernehmen und Produktkonstruktionen beeinflussen. Die damit einhergehende Verantwortung ist dem Wandel des Rollenverständnisses professioneller Kreativer in den letzten Jahren geschuldet, bei dem man gar von einer Umkehrung des traditionell technologieorientierten Innovationsverständnisses sprechen kann. Designer und Architekten entwickeln sich von anwendungsbezogenen Umsetzern hin zu konzeptionell argumentierenden Vordenkern, die im Diskurs mit Herstellern die Entwicklung neuer Materialien und Fertigungsverfahren anregen oder diese gleich selbst in die Hand nehmen. Neue Werkstoffe mit den gewünschten Qualitäten werden aus Sicht des Anwenders gedacht und die notwendigen technischen Funktionalitäten für die möglichen Einsatzszenarien ausgelegt. Das Augenmerk wechselt von den Eigenschaften der Materialien zu ihrer Performance. Gestalter greifen in die Technologisierung der Materialien ein und bestimmen das Werkstoffverhalten, anstatt dieses nur zu berücksichtigen. Retroreflektierender Beton (Quelle: Universität Kassel) → S. 174

Zahlreiche Entwicklungen der letzten Zeit belegen diesen Wandel hin zu einer Innovationskultur, die maßgeblich durch die besonderen Blickwinkel von Profikreativen getrieben ist. Eines der Paradebeispiele ist die Entwicklung eines Betonwerkstoffs mit retroreflektierenden Eigenschaften (siehe Kapitel 07). Der Ansatz stammt von der Künstlerin Heike Klussmann in Kooperation mit dem Architekten Thorsten Klooster. Ende der 1990er Jahre hatte sich Klussmann in verschiedenen Kunstprojekten mit Möglichkeiten für besondere Reflexionen in Markierungen für Straßenbeläge, Parkhäuser und U-Bahn-Linien beschäftigt. Rund zehn Jahre später schaffte sie es, ihre Vorstellungen des optischen Phänomens der Retroreflexion, bei dem Lichtstrahlen

immer genau in die Richtung zurückgeworfen werden, aus der sie kommen, fest in Mineraloberflächen zu integrieren. Zur Kennzeichnung von Gefahrenstellen und für retroreflektierende Flächenbeleuchtungen wird das Material derzeit in einem interdisziplinären Entwicklungsteam aus Physikern, Ingenieuren und Betonspezialisten entwickelt. Aufgrund seiner besonderen Haptik kann der Werkstoff auch für taktile Blindenleitsysteme genutzt werden.

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Lichtdurchlässige Holzwand (Quelle: Luminoso) → S. 175

Dass professionelle Kreative Zukunftsmärkte schaffen können, zeigt auch die Entwicklung lichtdurchlässigen Betons durch den ungarischen Architekten Áron Losonczi. In enger Zusammenarbeit mit einem Technologieführer, der Schott AG, bettete er Licht leitendes Fasermaterial in den mineralischen Werkstoff ein und machte ihn damit durchlässig für Lichtstrahlen. In der Folge kopierten einige Unternehmen nicht nur das Produktkonzept des Architekten, der mittlerweile als eigener Produzent erfolgreich ist. Seine Idee wurde auch in einen ganz anderen Bereich transferiert. Das Einbetten von lichtleitenden Glasfasern in eine Werkstoffmatrix wurde 2009 unter dem Namen „Luminoso“ erfolgreich auf einen Holzwerkstoff übertragen (siehe Kapitel 07). Heat Seats temperaturempfindliche Sitzgelegenheit (Quelle: Jürgen Mayer H.) → S. 145

Die Erkenntnis, dass sich innovative Materialien und Werkstoffoberflächen auch für grafische Aufgaben eignen, ging nicht von Kommunikationsdesignern aus, sondern von einigen Architekten. So war Jürgen Mayer H. einer der ersten, der thermosensitive Farben im Textil- und Möbeldesign einsetzte und schon vor rund zehn Jahren die erstaunlichen Kommunikationspotenziale von Stoffen und Alltagsgegenständen aufzeigte. Seitdem sind zahlreiche Anwendungsbeispiele wie auf Temperaturunterschiede mit Farbwechsel reagierende Tapeten, Glas, das mit wechselnder Transparenz auf die Intensität eintreffender Lichtstrahlen eingeht, oder Beton, der auf Wetterumschwünge regiert (siehe Kapitel 06) , realisiert worden.

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Die niederländischen Designer Frederik Molenschot und Susanne Happle geben Betonsteinen mit einer besonderen Oberflächen­ beschichtung bei Regen eine florale Ornamentik. Das Wasser enthüllt versteckte Dekorationen auf öffentlichen Plätzen und Fußwegen und sorgt für eine neue Zeichensprache urbaner Qualität. Unter dem Namen „Solid Poetry“ sorgt der Blumenbeton für ein ganz neues Lebensgefühl im öffentlichen Raum.

Wasserempfindlicher Beton (Quelle: Solid Poetry) → S. 146

Im Bereich der Produktionstechniken zählt die „Freie Innenhochdruck-Umformung“ (FIDU) (siehe Kapitel 08) des polnischen Architekten und Designers Oskar Zieta zu einem der herausragenden Beispiele für eine Stärkung des Anwendungsbezugs, auch in der Fertigung. 2008 wurde das Verfahren vor allem mit dem Aufblashocker „Plopp“ und dessen verblüffender Ästhetik bekannt. Im Januar 2010 zeigte Zieta auf der IMM Cologne erstmals die Anwendung der Technologie an einer architektonischen Leichtbaustruktur aus hochglänzend polierten Blechmodulen. Im Herstellungsprozess werden die Blechstrukturen mit einem Laser zugeschnitten, an den Rändern zusammengeschweißt und mit Druckluft aufgeblasen. Messestand aus aufgeblasenen Metall­ blechelementen (Quelle: Oskar Zieta, Foto: gee-ly) → S. 185

Auch die Verwendung metallischer Schwämme und Schaumstrukturen im Möbel- und Interiordesign geht auf die Arbeit von professionellen Kreativen zurück. Ein Beispiel ist der Lampenentwurf des Designers Andreas Robertz, den er während seiner Tätigkeit am Gießerei-Institut der RWTH Aachen entwickelte. Verwendete er 2006 noch das Ausschmelzverfahren auf Basis eines Polymerschwamms für die Herstellung der Bauteilgeometrie, gelang ihm 2010 die Produktion unter Verwendung der Sintertechnik der hollomet GmbH aus Dresden.

15 Lampe „Twinkle Little Star“ mit Metall­ schaumschirm (Quelle: Zoon Design) → S. 104

Auch die Potenziale von biobasierten Materialien werden derzeit durch Designer erschlossen. So hat sich das Mehrwerk Designlabor auf die Entwicklung von Produkten aus Naturfaserverbunden spezialisiert. Bislang wird diese Werkstoffklasse lediglich als Substitut für petrochemische Bauteile verstanden. Ziel der Designer aus Halle ist es vor allem, die eigenständigen Materialqualitäten hervorzuheben und so die Verwendung nachwachsender Rohstoffe für Massenmärkte konkurrenzfähig und Gestalter weltweit auf die Potenziale biobasierter Werkstoffe aufmerksam zu machen. Lounge Chair aus einem Naturfaser­ verbund (Quelle: Mehrwerk Designlabor) → S. 055

Die erste Anwendung von Algenfasern in einem Verbundmaterial gelang der niederländischen Designerin Mandy den Elzen. Sie goss die Faserstränge in ein Harzsystem ein und erzeugte dreidimensionale Behältergeometrien mit natürlicher Anmutung und lichtdurchlässiger Struktur (siehe Kapitel 01). Die Verwendung von Algen als Grundlage für Materialien scheint in den nächsten Jahren an Bedeutung zu gewinnen. Denn Algen gelten als Energiequelle der Zukunft für die Produktion von Biomasse oder als Wasserstofflieferant und sind weltweit verfügbar. Ihre Kultivierung hätte keinen negativen Einfluss auf die Preisentwicklung von Lebensmitteln. Behältnis aus einem Algenfaserverbund (Quelle: Mandy den Elzen) → S. 053

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Dass bei steigenden Transport- und Energiekosten Architekten eine Verantwortung für den nachhaltigen Umgang mit Materialressourcen im Baugewerbe übernehmen, zeigt eindrucksvoll der Bau des Turms zu Bhaktapur in Nepal (siehe Kapitel 06). Das komplette Baumaterial wurde aus dem Aushub des Baugrundes gewonnen und lokal hergestellt. Auf Material aus anderen Regionen der Welt wurde verzichtet. Vor dem Hintergrund der aktuellen Entwicklungen scheint das Konzept zur Nachahmung aufzurufen.

Turm zu Bhaktapur (Quelle: Atelier Rang) → S. 150

Designer und Architekten erkennen die Möglichkeiten und Poten­ ziale, die ihnen neue Materialien bieten und werden mehr und mehr zu Innovatoren einer neuen Werkstoffkultur!

1 Biobasierte Materialien 030 – 059

2 biologisch abbaubare materialien 060 – 067

3 recyclingmaterialien 068 – 091

4 Leichtbaumaterialien und Dämmwerkstoffe 092–121

5 Formverändernde Materialien 122–132

6 Multifunktionsmaterialien 140 –159

7 Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien 160 –177

8 Nachhaltige Produktions­ verfahren 178 –191

Oskar Zieta „Bones“ u mformung (FIDU) // Nachhaltige Produktionsverfahren Freie Innenhochdruck­ → S. 185

Oskar Zieta „Plopp“ Freie Innenhochdruck­ u mformung (FIDU) // Nachhaltige Produktionsverfahren → S. 185

„Lo Glo“ von Jürgen Mayer H. für Vitra Edition Licht emittierende und nachleuchtende Materialien // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien → S. 170

DigitalDaw n von Loop.pH Licht emittierende und nachleuchtende Materialien // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien → S. 171

Mehrwerk Designlabor Becher aus Bark Cloth ® Rindentuchwerkstoffe // Biobasierte Materialien → S. 058

Pulp Collection von Jo Meesters Recyclingpapier // Recyclingmaterialien → S. 089

Kapuze mit eingenähten Formgedächtnisdrähten des Designers Max Schäth Formgedächtnislegierungen (FGL) // Form verändernde Materialien

→ S. 125/126

Lampe mit Schirm aus Keramikschaum von Nextspace, serien.lighting Keramikschaum // Leichtbaumaterialien und Däm mwerkstoffe → S. 103

Installation „Mossy Hill“ von Makoto Azuma Moos // Multifunktionsmaterialien → S. 151

Installation „Mossy Hill“ von Makoto Azuma Moos // Multifunktionsmaterialien → S. 151

Hallenbad im französischen Neydens mit einer Gebäudehülle aus transparenten ETFE-Kissen auf einem hölzernen Raumfachwerk PVC-Membran Membrantextilien // Leichtbaumaterialien und Däm mwerkstoffe → S. 117

OLED-Baum von Hannes Wettstein Organische Leuchtdioden (OLED) // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien → S. 173

„E-Static Shadows“-Lichtinstallation von Zane Berzina Leuchtdioden (LED) // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien → S. 172

„E-Static Shadows“-Lichtinstallation von Zane Berzina Leuchtdioden (LED) // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien → S. 172

Anwendung mit Luminex ® Licht emittierende und nachleuchtende Materialien // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien → S. 171

30 BIObasierte MaterialIen

Biokunststoffe auf Basis von Polymilchsäure…034 — Biokunststoffe auf Basis von Polyhydroxybuttersäure…035 — Biokunststoffe auf Basis thermoplastischer Stärke…037 — Biokunststoffe auf Basis von Zellulose…038 — Biokunststoffe auf Basis von Pflanzenölen…040 — Biokunststoffe auf Basis von Lignin…041 — Biokunststoffe auf Basis von Algen…041 — Biokunststoffe auf tierischer Basis…042 — Acrylglas auf Basis von Zucker…043 — Naturgummi…043 — Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC)…044 — Kokosholzverbunde…046 — Bambus…047 — Thermisch vergütete Naturhölzer…048 — Thermo-hygro-mechanisch verdichtetes Holz…049 — Kork-Polymer-Werkstoffe (CPC)…050 — Mandel-Polymer-Werkstoffe (ACP)…052 — Algenbasierte Materialien…053 — Pilzbasierte Materialien…054 — Naturfaserkomposite (NFK)…055 — Linoleum…057 — Rindentuchwerkstoffe…058 — Maize Cob Board (MCB)…059

— 01 —

31 BIObasierte Materialien

32 BIObasierte Materialien

Schaumstoffe auf Basis von Rizinusöl, Einweggeschirr aus Kartoffelstärke oder Kunststoffe mit Karottenfaserverstärkung: wohlklingende Beispiele für Anwendungen von Biowerkstoffen. Einer Gruppe von Werkstoffen also, die in letzter Zeit eine sehr positive Entwicklung genommen hat. Sie bestehen vollständig oder zu mindestens 20 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen. Infolge dieser Entwicklung wird in den nächsten Jahren vor allem das Erdöl als Grundlage für die Herstellung von Kunststoffen seine Bedeutung zum Teil einbüßen. Bis zum Jahr 2020 rechnet man alleine bei den Biokunststoffen mit jährlichen Zuwachsraten von 25 bis 30 Prozent und einer Steigerung der Produktionskapazitäten auf ca. 3 Millionen Tonnen (heute 350.000 Tonnen). Vor allem im Verpackungsbereich sollen die petrochemisch hergestellten Thermoplaste wie Polystyrol, Polyethylen oder Polypropylen mittelfristig durch Biopolymere ersetzt werden. Ausgangsrohstoffe bei den vielfältigen Entwicklungen sind natürliche Polymere wie Stärke, Kautschuk oder Zucker. Thermoplastische Stärke hat heute den größten Anteil (80 Prozent). Aber auch Stoffe wie Lignin, Zellulose, Chitin, Casein, Gelatine oder Pflanzenöle werden zur Herstellung von Biokunststoffen verwendet. Polylactid und Polyhydroxybuttersäure werden aus natürlichen Polymeren gewonnen und schon jetzt in ganz unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Neben den Biokunststoffen bilden Biokomposite weitere Schwerpunkte unter den Biowerkstoffen. Zu diesen zählen vor allem naturfaserverstärkte Kunststoffe oder Holz-Kunststoff-Verbunde (WPC, wood plastic composites). Zum Beispiel haben KorkPolymer-Komposite mit ihrer besonderen Oberflächenstruktur und den schall- bzw. schwingungsdämpfenden Eigenschaften Anwendungsmöglichkeiten bei Sportartikeln und im Innen­aus­­bau gefunden.

33 BIObasierte Materialien

Skulptur „Fragmente“ unter Verwendung von Bioharz (Quelle: Galerie Adler; Künstler: Gregor Gaida)

Wegwerfbecher auf PLA-Basis (Quelle: NatureWorks ®)

Verarbeitung von Folien aus Biokunststoffen (Quelle: alesco)

Übersicht Biokunststoffe Einteilung der Biokunststoffe nach Herkunft NWR = nachwachsende Rohstoffe aus NWR, jedoch nicht abbaubar, z.B. aus Rizinusöl

aus NWR, biologisch abbaubar

aus fossilen Rohstoffen, bio­ logisch abbaubar, z.B.­ ­Polyvinylalkohol

Mikroorganischer Ursprung z.B. Poly milchsäure

Pflanzlicher Ursprung

Tierischer Ursprung z.B. Chitin

Zellulose

Lignin

Stärke

Prognostizierte Entwicklung von Biokunststoffen bis 2020 VERPACKUNGSUND LEBENSMITTELINDUSTRIE

AGRARINDUSTRIE, GARTEN- UND LANDSCHAFTSBAU

KONSUMGÜTER­INDUSTRIE

AUTOMOBIL­INDUSTRIE

Gesamtmarkt 2005

3,5 Mio. t Kunststoffverpackungen 1,8 Mio. t kurz­ lebige Produkte

230.000 t Gesamtmarkt Landwirtschaft. Davon ca. 30.000 t besonders geeignet für Substitution (bgfS)

1,8 bis 2,7 Mio. t Konsumgüter aus Kunststoff

800.000 t Gesamtmenge Kunststoff in Fahrzeugen ca. 400.000 t Kunststoff als Fahrzeuginnenteile

Bio­k unststoffe

2005: < 15.000 t Prognose 2010: 110.000 t (5 % der kurzlebigen Kunststoffe) Prognose 2020: 520.000 t (20 % der kurzlebigen Kunststoffe)

2005: < 100 t Prognose 2010: 3.500 t (10 % der bgfS) Prognose 2020: 130.000 t (30 % der bgfS)

2005: < 100 t Prognose 2010: 24.000 t (1 % des Gesamtmarktes) Prognose 2020: 290.000 t (10 % des Gesamtmarktes)

2005: < 10 t Prognose 2010: 48.000 t (10 % der Fahrzeug­i nnenteile) Prognose 2020: 230.000 t (40 % der Fahrzeuginnenteile)

Bio­k unststoffe

2005: < 45 Mio. Euro 2010: 165 Mio. Euro 2020: 780 Mio. Euro

2005: < 300.000 Euro 2010: 5 Mio. Euro 2020: 20 Mio. Euro

2005: < 300.000 Euro 2010: 35 Mio. Euro 2020: 440 Mio. Euro

2005: < 30.000 Euro 2010: 72 Mio. Euro 2020: 350 Mio. Euro

Markt­w achstum

2005-2010: > 30 % 2010-2020: ca. 16 %

2005-2010: > 70 % 2010-2020: ca. 15 %

2005-2010: > 160 % 2010-2020: ca. 29 %

2005-2010: > 380 % 2010-2020: ca. 17 %

34

Die Polymilchsäure (PLA) zählt zu einem der wichtigsten Bio-Rohkunststoffe der aktuellen Nachhaltigkeitsdiskussion, da ihre Eigen­ schaften mit denen von PET vergleichbar sind. Bio-Rohkunststoffe sind in aller Regel nicht direkt gebrauchsfertig, sondern werden erst durch Compoundierung, also durch Beimischung von Zuschlagstoffen und Addi­ tiven auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgerichtet. Obwohl das Material bereits in den 1930er Jahren entdeckt wurde, startete erst NatureWorks die großtechnische Produktion.

Biokunststoffe auf Basis von Polymilchsäure

Verwendungsbeispiel von PLA (Quelle: NatureWorks ®)

Verwendungsbeispiel von PLA (Quelle: FKuR)

Folienherstellung durch Blasextrusion (Quelle: FKuR)

160 140 120 100 80 60 40 VST B50 [°C]

Vicat-Temperatur verschiedener Poly mere im Vergleich zu konventionellen Kunststoffen

PA6

PS

PET

ABS

PP

PE-HD

Stärkeblends

PLA

Zellulosederivate

180

PLA-Blends

200

PHAs

Wärmeformbeständigkeit von Biopolymeren Biopolyester

Biokunststoffe haben sich in jüngster Zeit vor allem im Bereich der Verpackungsindustrie zum Beispiel für Folien oder Joghurtbecher einen Platz erobert. Aufgrund der PET-ähnlichen Eigenschaften ist zu erwarten, dass Polylactide mittelfristig ihre Bedeutung für Verpackungssysteme weiter ausbauen werden. Zudem zeigen Unternehmen der Automobil- und Unterhaltungsindustrie großes Interesse an ihrem Einsatz. Die Möglichkeit der biologischen Abbaubarkeit macht das Material für Anwendungen in Geotextilien für den Agrarsektor oder den Landschaftsbau interessant. Auch die Verwendung in technischen Produkten scheint durch die Möglichkeit zur Faserverstärkung gegeben. Biokompatible Qualitäten machen PLA auch für medizintechnische Produkte

Schutzhülle für Mobiltelefone aus PLA-Biokunststoffen (Quelle: NatureWorks ®)

PCL

Verwendung und Verarbeitung

Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis // nachwachsender ­ Rohstoffe // recyclingfähig // in industriellen Anlagen // kompostierbar

BIObasierte Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

PLA wird entweder durch Vergärung dickflüssigen Zuckersirups oder bakterielle Fermentation von Stärke oder jeder Art von Zucker erzeugt. Der Rohstoff ist farblos glänzend und erinnert an Polystyrol. Er kann auf natürlichem Weg abgebaut werden. Das geringe Migrationsverhalten für Sauerstoff oder Wasserdampf macht PLA vor allem für Lebensmittelverpackungen interessant. Nachteilig wirkt sich aus, dass manche Polylactide im Vergleich zu anderen alternativen Kunststoffen bei sehr niedrigen Temperaturen erweichen. Vor allem die mechanische Festigkeit kann durch Beimischen von Fasern verbessert werden. PLAOberflächen sind wasserabweisend. Das Material kann je nach Zusammensetzung sowohl schnell biologisch abbaubar sein als auch eine über mehrere Jahre reichende Stabilität aufweisen. Auch wenn PLA aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, ist der CO2-Footprint bei der Herstellung relativ hoch. Der benötigte Energieaufwand liegt auf einem ähnlichen Niveau wie bei Polypropylen. Im Vergleich zu den typischen Massenkunststoffen ist die Herstellung von PLA immer noch sehr kostenintensiv, der Preis liegt über dem von PET.

Eigenschaften  ähnliches Eigenschafts­ profil wie PET // geringe ­ Durchlässigkeit Oberfläche für Gase // wasserabweisende ­ // transparent // relativ geringe Wärmeformbeständigkeit von knapp über 60 °C ­

geeignet. Sie werden in der Schönheitschirurgie zur Unterfütterung von Falten verwendet. Die geringe Dichte ist ein ausschlaggebendes Kriterium für Leichtbauanwendungen. PLA-Blends lassen sich mit den üblichen Techniken wie Spritzgießen, Thermoformen oder Blasformen formgebend verarbeiten (Temperaturen: 170–210 °C). Folien werden extrudiert, Fügeverbindungen durch Schweißen oder Kleben erzeugt. PLA-Halbzeuge können mit den üblichen Techniken der Holz- und Metallverarbeitung bearbeitet werden. Produkte

®  ®

NatureWorks  -Polymer Seit 2002 ist NatureWorks  weltweit der größte Produzent für den Bio-Rohkunststoff Polymilchsäure (PLA). Das Unternehmen hat ein Verfahren entwickelt, natürlichen Pflanzenzucker in ein patentiertes Polylactid-Polymer zu überführen, das unter den Marken NatureWorks  -Polymer und Ingeo -Fasern vertrieben wird.

®

™

®

Ecovio  Ecovio  ist der erste Kunststoffblend von BASF, der auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt wird und sich biologisch abbauen lässt. Hauptbestandteil mit einem Anteil von 45 Prozent ist Polymilchsäure (PLA). Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften ist der Kunststoff vor allem für Verpackungen geeignet. Er kann achtfarbig bedruckt werden und besitzt eine hohe mechanische Festigkeit. Besondere Modifikationen können im Spritzgießverfahren verarbeitet oder tiefgezogen werden.

®

®

Bioflex  Bioflex  ist ein PLA-basiertes Copolyesterblend, das je nach benötigtem Eigenschaftsprofil fast

®

Das zweite Schwergewicht unter den BioRohkunststoffen ist Polyhydroxybuttersäure (PHB), da sein Eigenschaftsprofil dem des Massenkunststoffs Polypropylen (PP) ähnelt. In Frankreich vor knapp 90 Jahren entdeckt, wird das Polyester in nahezu jedem lebenden Organismus aus Zucker, Stärke oder Ölen erzeugt. Es ist der bedeutendste Vertreter der Polyhydroxyalkanoate (PHA). Derzeit verhindern die hohen Produktionskosten noch den massenhaften Einsatz des Biokunststoffs. Es werden jedoch unterschiedliche Ansätze verfolgt, diese zu senken. Vor allem Unternehmen der südamerikanischen Zuckerindustrie steigen verstärkt in die industrielle Herstellung von PHB ein. Schätzungen gehen davon aus, dass Mikroben drei Kilogramm Zucker in ein Kilogramm Biokunststoff verwandeln können.

35 BIObasierte Materialien

vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Es ist insbesondere für die Herstellung dünnwandiger Folien mit hoher Reißfestigkeit geeignet und weist ähnliche Eigenschaften wie die klassischen Verpackungskunststoffe PE, PP oder PS auf. Bioflex  kann eingefärbt und bedruckt werden, ist für den Lebensmittelkontakt zugelassen und lässt sich in seiner Dehnbarkeit sehr flexibel einstellen.

Kunststoffhalbzeuge aus Ecogehr ®PLA (Quelle: GEHR Kunststoffwerk)

®

®

Ecogehr  PLA Seit Sommer 2008 ist das GEHR Kunststoffwerk weltweit der erste Hersteller technischer Halbzeuge aus Biopolymeren. Unter der Marke Ecogehr  PLA werden alle Werkstoffe zusammengefasst, die auf Polymilchsäure basieren. Für verschiedene Anforderungen befinden sich Mischungen aus Polylactiden mit Lignin oder Holzfasern mit unterschiedlichen Qualitäten im Programm. Die Materialien sind physiologisch unbedenklich und können kompostiert bzw. verbrannt werden.

® 

™

Ingeo Als einer der ersten Hersteller für Sportbekleidung hat Salewa eine Outdoorbekleidung aus PLAFasern von NatureWorks  auf den Markt gebracht, die sich auf natürliche Weise abbauen lässt. Die Stoffe haben zudem gegenüber konventionellen Polyesterfasern den Vorteil, Schweiß nicht bloß aufzusaugen, sondern vom Körper wegzutransportieren.

®

Schutzhelm unter Verwendung von PLA-Fasermaterial (Quelle: NatureWorks ®)

Eigenschaften  ähnliches Eigenschaftsprofil wie PP // geringe Sauerstoffdurchlässigkeit // UV-stabil // biokompatible Qualitäten // hohe Bruchanfälligkeit // PHB schmilzt oberhalb von 130 °C Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe // biologische Abbaubarkeit ohne schädliche Rückstände

Biokunststoffe auf Basis von Polyhydroxybuttersäure

36

Materialkonzept und Eigenschaften

Polyhydroxybuttersäure ist ein nicht transparentes Biopolymer. Vor allem seine Zugfestigkeit ist vergleichbar mit der von Polypropylen. PHB ist ein Thermoplast und schmilzt in einem Bereich zwischen 170 und 180 °C, was ihn mit den üblichen Produktionsverfahren der Kunststoffindustrie verarbeitbar macht. Stabile Eigenschaften hat der Werkstoff bei Temperaturen zwischen -30 und +120 °C. Polyhydroxybuttersäure ist unlöslich für Lösungsmittel oder Wasser und reagiert stabil auf UV-Licht. Die Durchlässigkeit für Sauerstoff ist sehr niedrig. Aufgrund seiner biokompatiblen Eigenschaften lassen sich mit PHB auch medizintechnische Produkte herstellen. Nachteilig im Vergleich zu Polypropylen ist die hohe Bruchanfälligkeit. Zur Optimierung der mechanischen

BIObasierte Materialien

Eigenschaften wird PHB mit anderen Bestandteilen wie Zelluloseacetat, Kork oder anorganischen Materialien zu Blends vermischt. Verwendung und Verarbeitung

güterindustrie sowie im Verpackungsbereich. Je nach Mischungsverhältnis können PHB-Blends auch als Kleber bzw. Hartgummi verwendet werden. PHB lässt sich mit den für die Kunststoffindustrie typischen Techniken verarbeiten. Dazu zählen insbesondere das Spritzgießen oder die Extrusion. Wegen der Gefahr der Depolymerisation sollte die Verarbeitungstemperatur einen Wert von 195 °C nicht überschreiten. Durch den scharfen Übergang zwischen flüssig und fest sind sehr schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeiten möglich. Die umformende Bearbeitung ist aufgrund der großen Sprödigkeit schwierig. Produkte

Für die nächsten Jahre ist eine Substitution von Polypropylen durch PHB in einigen Bereichen zu erwarten. Große Einsatzmöglichkeiten sieht man vor allem im Automobilbereich, in der Konsum-

®

Biomer  Biomer  Thermoplaste sind Polyester auf Basis von Polyhydroxybuttersäure. Bauteile aus dem Material sind wärmebeständig, wasserfest und biologisch vollständig abbaubar. Die Granulate können auf konventionellen Maschinen verarbeitet und in dünnwandige Teile mit komplexer Geometrie überführt werden.

®

®

Raketenkörper aus PHB (Quelle: Biomer ®)

Im munostick für medizinische Anwendung aus PHB (Quelle: Biomer ®)

Natureplast  Der französische Hersteller hat sich auf die Produktion von Biokunststoffen wie Polylactid und Polyhydroxybuttersäure konzentriert. Neben PLA und PHA werden auch Polymere auf Basis thermoplastischer Stärke (TPS) angeboten.

PCL

Biopolyester

PHAS

PLA (unbeschichtet)

PLA (beschichtet)

PLA-Blends

PVAL

Stärkeblends

Zellulosederivate

CH (unbeschichtet)

CH (beschichtet)

PE-LD

PET

PP

PS

EVAL

1400

0,03

303

110

466

5

550

513

7500

35

3650

35

1250

1118

1

[cm³/m²·d·bar]

1192

Sauerstoffdurchlässigkeit nach DIN 53380, ISO 15105-2 bei 23 °C, 0-5 % relativer Feuchte, Dicke der Folie: 50 μm

7500

6000

4500

3000

1500

0

Sauerstoffdurchlässigkeit verschiedener Biopoly mere im Vergleich zu verschiedenen konventionellen Verpackungsstoffen

Den größten Anteil an der weltweiten Biokunststoffproduktion (knapp 80 Prozent) haben Polymere auf Basis thermoplastischer Stärke (TPS). Sie ist überall verfügbar, hat ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und wird aus Mais, Getreide oder Kartoffeln gewonnen. Materialkonzept und Eigenschaften

Da thermoplastische Stärke die ungünstige Eigenschaft aufweist, Wasser aufzunehmen (Hygroskopie), bildet sie nur eine Komponente bei der Kunststoffproduktion. Die andere ist ein biologisch abbaubares Polymer wie Polyvinyl­ alkohol oder Polyester, das den wasserunlöslichen Anteil im Kunststoffblend bildet. Die jeweilige Zusammensetzung der Mischung wird für den spezifischen Anwendungsfall entwickelt. So haben TPS-Blends ein breites Verwendungsspektrum. Zur Steigerung der Plastifizierbarkeit während der Verarbeitung wird beispielsweise das natürliche Glycerin beigemischt. Verwendung und Verarbeitung

Die Qualität thermoplastischer Stärke, flüssige Substanzen aufnehmen zu können, wird vor allem im Pharmabereich für die Herstellung von Medikamentenkapseln genutzt. Darüber hinaus liegen die Einsatzmöglichkeiten in den für Biokunststoffe typischen Bereichen der Verpackungsindustrie und bei Hygieneartikeln. Produktbeispiele sind Wegwerfbesteck, Verpackungsfolien, Joghurtbecher, Pflanzentöpfe, Kunststofftaschen oder beschichtete Pappen. TPS-Blends lassen sich wie gewöhnliche Kunststoffe spritzgießen, extrudieren und tiefziehen (Verarbeitungstemperatur: 120–180 °C). Zur Bedruckung und Beschichtung stehen die üblichen Bearbeitungstechniken der Kunststoffindustrie zur Verfügung.

37 BIObasierte Materialien

Eigenschaften  Fähigkeit zur Aufnahme von Flüssigkeiten // gutes Preis-Leistungs-Verhältnis // mechanische Qualitäten zwischen LDPE und PS // ausgezeichnete Gasbarriereeigenschaften // energieeffiziente Herstellung Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe // gute biologische Abbaubarkeit // geringer Energiebedarf bei Herstellung

Biokunststoffe auf Basis thermoplastischer Stärke die gute Dimensionsstabilität, die das Material für eine Vielzahl von Industrie- und Konsumgütern sowie elektronische Komponenten attraktiv machen.

®

Biopar  Dieser zu 100 Prozent natürlich abbaubare Thermoplast wird aus Kartoffelstärke erzeugt. Mit seinen Eigenschaften tritt er in Konkurrenz zu Polyethylen, Polypropylen und PVC. Die besonderen Barriereeigenschaften für Gase machen ihn speziell für den Verpackungsbereich geeignet. Er kann auf Folienblas- und Spritzgussanlagen verarbeitet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen wird bei Herstellung und Verarbeitung nur ein Drittel der Energie benötigt.

BioplastTPS  Das Unternehmen Bioplast aus Frankreich hat sich auf die Entwicklung thermoplastischer Kunststoffe aus Kartoffelstärke spezialisiert. Diese sind essbar, lösen sich in Wasser und sind vollständig biologisch abbaubar. BioplastTPS  besitzt zudem eine sehr gute Durchlässigkeit für Wasserdampf und bietet gleichzeitig hervorragende Sperreigenschaften gegenüber Sauerstoff und Kohlendioxid. Somit eignet sich der Biokunststoff als Umverpackung für Lebensmittel und wird zu Schalen für Fast-Food-Verpackungen geschäumt oder zu wasserlöslichen Folien weiterverarbeitet. Der Werkstoff ist als Granulat erhältlich und lässt sich sowohl rein als auch als Blendkomponente zusammen mit anderen Polymeren verarbeiten.

Verpackungsfolien aus Biopar ®

Spritzgussteile aus Biomax ® TPS

®

®

Produkte

® 

Biomax  TPS An der Verwendung von Biokunststoffen in technischen Konstruktionen arbeiten vor allem die Entwickler bei DuPont in Neu-Isenburg. So eignet sich Biomax   TPS, eine auf Basis biologischer Rohstoffe hergestellte thermoplastische Stärke, für den Verpackungsbereich sowie zur Herstellung von Behältern und anderen Formteilen für den Kunststoffspritzguss. Auch Tiefziehfolien sind verfügbar.

®

®

Sorona  Sorona  ist ein auf Maisstärke basierender Kunststoff, dessen Eigenschaften denen des technischen Kunststoffs PBT ähneln. Neben der hohen Festigkeit und Steifigkeit sind es vor allem die verbesserte Oberflächenqualität, der hohe Glanz und

®

38

Zellulose ist die am häufigsten vorkommende organische Verbindung der Welt, da sie in den Zellwänden jeder Pflanze zu finden ist. Wie Stärke ist sie ein natürliches Biopolymer, das sich zur Herstellung von thermoplastischen Biokunststoffen für lichtdurchlässige Bauteile hervorragend eignet. Die wichtigsten Vertreter sind Zelluloseacetat (CA) und Zellulosetriacetat (CTA). Materialkonzept und Eigenschaften

Auf Zellulose basierende Kunststoffe können eine Lichtdurchlässigkeit von bis zu 90 Prozent aufweisen. Bereits vor 90 Jahren wurde Zelluloseacetat erstmalig verarbeitet. Vor allem die selbsttätig polierende Oberfläche, der seidene Glanz und die gute Einfärbbarkeit machen Zellulosekunststoffe seit jeher interessant für die Herstellung einer Vielzahl von Produkten. Sie sind allerdings nicht für den Kontakt mit Lebensmitteln zugelassen. Durch Mischung mit anderen Kunststoffen sind Polymerblends mit vielfältigen Eigenschaften möglich.

Eigenschaften  gute mechanische Eigenschaften (wie PS) // optische Transparenz // selbstpolierende Eigenschaften // guter thermischer Widerstand // Weichmacher meist notwendig für die Verarbeitung Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nach­ wachsender Rohstoffe // recyclingfähig aber nicht biologisch abbaubar

BIObasierte Materialien

Biokunststoffe auf Basis von Zellulose Feuchtigkeitsaufnahmen im Vergleich [cm³/m²·d·bar]

25  % 20  %

Verwendung und Verarbeitung

15  % 10  % 5  %

Typische Verwendungsbeispiele von Zellulose­ estern sind Griffe von Schreibgeräten und Regenschirmen, Brillenfassungen, Zigarettenfilter, Taucherbrillen, Kfz-Lenkradummantelungen, Lampenschirme, Zahnbürstenstiele, Spielzeuge und Werkzeuggriffe. Da sie nur schwer entflammbar sind, lassen sich interessante Sicherheitsanwendungen realisieren. CA-Folien kommen in Flachbildschirmen und Displays zum Einsatz. Im Textilbereich ersetzen sie Naturseiden. Da das Zellulosemolekül sehr steif ist, richtet sich die Verarbeitbarkeit nach der Menge der beigefügten Weichmacher. Grundsätzlich lassen sich CA und CAB vor allem sehr gut spritzgießen, extrudieren und strangpressen. Die Verarbeitungstemperaturen liegen zwischen 190 und 240 °C. Zur Veredelung können Zelluloseesteroberflächen bedruckt, lackiert oder metallisiert werden. Produkte

®

Moniflex  Bereits vor mehr als 60 Jahren wurden Dämmplatten aus Zellulose das erste Mal in skandinavischen Eisenbahnwaggons zur Isolierung verbaut. Seitdem bildet das Leichtbaumaterial den Kern von Einschalungselementen in Waggonkonstruktionen. Moniflex  ist lichtdurchlässig, biegesteif, hat eine lange Lebensdauer und ist auf natürliche Weise abbaubar. Es lässt sich mit den üblichen Techniken verarbeiten.

®

0  % Polyester

Baumwolle

®

Zelfo  Dieser Werkstoff geht vollständig auf Zellulosefasern pflanzlicher Herkunft (z.B. Hanf, Flachs, Altpapier) zurück. Sie werden durch physikalische Aufbereitung unter Zugabe von Wasser und ohne Verwendung von Bindemitteln in eine formbare Masse umgewandelt und können durch Spritzgießen, Extrudieren oder Formpressen verarbeitet werden. Hergestellt werden aus dem Material bereits Musikinstrumente, Lampen, Möbel und Einrichtungsgegenstände.

®

Biograde  Dieser thermoplastische Biokunststoff wurde insbesondere für die Verarbeitung auf Spritzgieß- und Tiefziehanlagen entwickelt. Er besteht zu einem Großteil aus Zellulose, weist eine hervorragende Wärmeformsteifigkeit bis zu einer Temperatur von 122 °C auf und hat ähnliche Eigenschaften wie Polystyrol. Außerdem ist er beständig bei Kontakt mit Lebensmitteln. AgriPlast BW In Brensbach/Odenwald betreibt die Biowert Industrie GmbH eine Grasveredelungsanlage, die auf den Prinzipien der „Grünen Bioraffinerie“ basiert und feuchte, faserhaltige Biomasse ohne chemische Zusätze und Lösungsmittel zu einem spritzgießfähigen Verbundstoffgranulat

Tencel®

Wolle

verarbeitet. Dieses besteht zu 50 bis 75 Prozent aus Zellulosefasern und zu 25 bis 50 Prozent aus Polyethylen bzw. Polypropylen. Aus AgriPlast BW hergestellte Bauteile haben im Vergleich zu PPBauteilen ein um 20 Prozent geringeres Gewicht. Das Unternehmen bietet auch das Dämmmaterial AgriCellBM auf Basis natürlicher Biomasse an.

®

Tencel  Tencel  ist eine Textilfaser auf Basis von Zellulose mit einer besonders starken Feuchtigkeitsauf­ nahme für optimale klimatische Bedingungen. Die hydrophile Qualität resultiert aus einer neuartigen Nanostruktur, so dass Tencel  -Textilien um 50 Prozent mehr Feuchtigkeit aufnehmen können als vergleichbare Baumwolle-Produkte. Die Zellulose stammt von Eukalyptus-Hölzern.

®

®

®

Arboform  Der thermoplastische Biokunststoff Arboform  wurde bereits 1998 entwickelt und besteht in der Hauptsache aus Lignin und Zellulose. Diese stammen von Reststoffen der Papierindustrie. In der Produktion werden weitere Naturfasern wie Hanf, Flachs und Chinaschilfgras beigemischt sowie natürliche Additive ergänzt. Der Biokunststoff kann durch Spritzguss und Extrusion formgebend verarbeitet werden und ist recyclingfähig.

®

39 BIObasierte Materialien

Behältnisse aus dem Zellulose enthaltenden Arboblend ® (Quelle: Tecnaro)

Stuhl „Liga“ aus Zelfo ® (Quelle: Elise Gabriel & TheGreenFactory)

Aufbewahrungsboxen aus Zellulosekunststoffen (Quelle: Biowert)

Becher aus dem Zellulosekunststoff Biograde ® (Quelle: Biowert)

Lampenschirm aus Zelfo ® (Quelle: TheGreenFactory)

40

Neben Stärke, Zellulose und Lignin können auch Pflanzenöle als Rohstofflieferanten für Biokunststoffe dienen und die biobasierte Herstellung von Polyamiden für technische Produkte, von Harzen für Faserverbünde oder von Schaumstoffen ermöglichen.

Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nach­ wachsender Rohstoffe // nicht immer biologisch abbaubar

BIObasierte Materialien

MaterialkonzeptE und Verwendung

Biobasierte Polyamide Polyamide zählen zu den klassischen thermoplastischen Kunststoffen, die mit ihren Eigenschaften vielfältige Anwendung in technischen Bereichen finden. Bei der Herstellung von PA 6.10 kommt Sebacinsäure zum Einsatz, zu deren Produktion man auch Rizinusöl verwenden kann. Dieses wird aus den Samen des Baumes Ricinus Communis gewonnen, dessen Nutzung nicht mit dem Anbau von Nahrungsmitteln konkurriert. Biobasierte Polyamide, deren Herstellungsprinzip bereits seit 50 Jahren bekannt ist, können mit erdölbasierten in Konkurrenz treten. Über den gesamten Lebenszyklus gesehen haben sie im Vergleich zu petrochemisch erzeugten Polyamiden eine günstigere CO2-Bilanz. Biobasierte Schaumstoffe Der größte Teil der Weichschäume wird nach dem Mischverfahren hergestellt. Die Grundlage bilden Polyole, Isocyanate, Zusatzmittel und Wasser, die vermischt und zur Reaktion gebracht werden. Am Ende eines Förderbandes wird die aufschäumende Mischung in Blöcke geschnitten und konfektioniert. Einigen Herstellern ist es erfolgreich gelungen, ein Polyol auf der Basis von Rizinusöl zu produzieren, was den Anteil petrochemischer Rohstoffe bei der Schaumstoffherstellung deutlich reduziert. Neben Rizinusöl bietet auch die Verwendung von Soja- oder Rapsöl diese Möglichkeit.

Biokunststoffe auf Basis von Pflanzenölen Biobasierte Harze Auch bei Polyesterharzen lassen sich die zur Erzeugung erforderlichen Monomere auf Basis nachwachsender Rohstoffe herstellen. An der Entwicklung dieser biobasierten Harzsysteme wird derzeit intensiv gearbeitet. Produkte

®

Lupranol  Lupranol  ist der Markenname für ein Polyol zur Herstellung von Weichschaumstoffen, das 2008 auf den Markt gebracht wurde und zu 31 Prozent aus dem zähflüssigen Rizinusöl besteht. Die Verwendung von Raps-, Sonnenblumenoder Olivenöl für die Herstellung von Poly­ etherolen ist vor allem an unerwünschten Geruchs- und Emissionswerten gescheitert.

®

Getreidefeld (Quelle: Ashland)

®

Vestamid  Terra Diese Polymere basieren größtenteils auf pflanzlichen Fettsäuren, als Hauptquelle dient Rizinusöl. Vestamid Terra DS ist ein vollständig biobasiertes Polyamid 1010 und liegt mit seinen Qualitäten zwischen denen langkettiger Hochleistungspolyamide wie PA 12 oder PA 1212 und denen kürzerkettiger Standardpolyamiden wie PA 6 oder PA 66. Daher wird es insbesondere bei der Herstellung glasfaserverstärkter Formmassen genutzt. In den nächsten Jahren sollen weitere Polyamide auf der Basis von Palmkern- und Rapsöl entwickelt werden.

®

®

Envirez  Envirez ist der Markenname des ersten auf dem Markt befindlichen ungesättigten Polyesterharzes, das zu 25 Prozent auf erneuerbaren Rohstoffen wie Sojaöl (13 Prozent) und Ethanol auf Getreidebasis (12 Prozent) basiert. Es weist die gleichen Leistungsparameter auf wie ein synthetisches Harzsystem und kann in konventionellen Pressen verarbeitet werden. Die Verwendungsgebiete liegen in der Landwirtschaft, der Konstruktion, dem Transportwesen sowie dem Schiffsbau. Der Werkstoff wurde in seinen Eigenschaften für pressfertige Formmassen, Faserwickelbauteile und das Strangziehverfahren optimiert.

®

Akromid  S Dies ist ein Polyamid 6.10, das zu 60 Prozent auf Rizinusöl zurückgeht und in seinen technischen Eigenschaften so optimiert wurde, dass es im Automobilbau zur Anwendung kommen kann.

®

Schaumstoff auf Basis von Rizinussöl (Quelle: BASF/Elastogran)

Granulat von Vestamid ® Terra (Quelle: Evonik)

Rubex  NaWaRo Diese Schaumstoffe bestehen zu einem großen Anteil aus Rohstoffen, die aus Pflanzenölen gewonnen werden. Hierzu eignet sich der Anbau von Raps ebenso wie der von Sonnenblumen. Die Schaumstoffe sind umweltverträglich und gesundheitlich unbedenklich.

Nach Zellulose ist Lignin das zweithäufigste Biopolymer in der Natur. Auf Lignin geht der verholzende und verfestigende Effekt in der Außenhaut jeder pflanzlichen Zelle zurück. So besteht ein Baum mit bis zu 30 Prozent aus dem natürlichen Material.

41

Eigenschaften  gute mechanische Eigen­ schaften // hohe Steifigkeit // bräunliche Farbigkeit // duroplastische Qualitäten Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nach­ wachsender Rohstoffe // Lignin ersetzt beim Vibrationsschweißen synthetische Kleber

BIObasierte Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

Für die industrielle Nutzung wird Lignin aus Holzspänen und -fasern in einem Kochprozess herausgelöst und anschließend mit zum Beispiel Methanol und Salzsäure zu einem harzähnlichen Stoff vernetzt. Dieser dient der Beimischung in ein Polymerblend oder zur direkten Herstellung eines duroplastischen Kunststoffs. Blends mit Lignin als Bestandteil weisen gute mechanische Eigenschaften auf und haben eine hohe Steifigkeit. Lignin hat eine bräunliche Färbung.

Biokunststoffe auf Basis von Lignin

Verwendung und Verarbeitung

Kunststoffe auf Basis von Lignin werden heute beispielsweise zur Herstellung von Gehäusen, Kfz-Armaturen, Knöpfen oder Spielzeugen ver-

40 %

Bagasse

Maisspindeln

Weizenstroh

Buchenholz

Birkenholz

Nadelholz

Ligninanteil in pflanzlicher Biomasse

Snowboard hergestellt durch Vibrations­ schweißen (Quelle: Berner Fachhochschule, Architektur, Holz und Bau)

Porenstruktur durch Vibrationsschweißen verbundener Holzoberflächen (Quelle: Berner Fachhochschule, Architektur, Holz und Bau)

wendet. Die Verarbeitungseigenschaften sind mit denen von Holz vergleichbar. In der Schweiz wurde in den letzten Jahren ein Vibrationsschweißverfahren entwickelt, bei dem durch Gegeneinanderreiben der Holzoberflächen der zu verbindenden Bauteile mit einer Frequenz von 100 Hertz unter Druck das in der Holzstruktur vorhandene Lignin aufgrund der entstehenden

Wärme bei Temperaturen im Bereich von 180–230 °C aufgeschmolzen wird. Anschließend wirkt es als natürlicher Kleber in den Poren der Holzteile, der diese nach Abkühlung fest miteinander verbindet. Die Verklebung hat eine für die industrielle Produktion von Möbeln und Paneelen ausreichende Festigkeit.

35 % 30 % 25 % 20 % 15 % 10 % 5 % 16-21

15-19

18-25

22-23

19-20

27-32

0 %

So wie Energieerzeuger Algen derzeit als Wasserstofflieferant für sich entdecken, hat auch die Kunststoffindustrie die Vorzüge des nachwachsenden Materials erkannt.

Schaumstoff Alginsulat (Quelle: Verpackungszentrum Graz)

Eigenschaften  Qualitäten wie EPS // form­ stabil unter Wasser // Resistenz gegenüber Schimmelbefall Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nach­ wachsender Rohstoffe // keine Schadstoffe während der Herstellung // natürliche Kompostierbarkeit // recyclingfähig

Biokunststoffe auf Basis von Algen

Materialkonzept und Eigenschaften

An der TU Graz ist es jüngst gelungen, aus den schnell wachsenden Algen (Wachstum pro Tag bis zu ein Meter) den Schaumstoff Alginsulat zu erzeugen, der mit seinem Eigenschaftsprofil perspektivisch expandiertes Polystyrol ersetzen könnte. Bemerkenswert ist, dass bei der Produktion keine Schadstoffe anfallen und zum Aufschäumen nur Luft verwendet wird. Das fertige Produkt kann nach Gebrauch kompostiert oder mit Altpapier recycelt werden. Es löst sich aber unter Wasser nicht. Zudem ist es resistent gegenüber Insektenfraß und den Befall durch Schimmel oder Pilze.

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Labormuster aus Alginsulat (Quelle: Verpackungszentrum Graz)

Neben den Biokunststoffen auf Basis von Mikroorganismen (z.B. PLA, PHB) und denen mit pflanzlichem Ursprung (z.B. Zellulose, Lignin) sind tierische Bestandteile die dritte Hauptquelle zu ihrer Herstellung. In diesem Kontext ist Chitin der am häufigsten diskutierte Ausgangsstoff.

Verwendung und Verarbeitung

Alginsulat-Schaumstoffe sind überall dort denkbar, wo heute noch umweltbelastendes EPS verwendet wird, also zum Beispiel als Transportverpackung, im Fast-Food-Bereich, als Wärmedämmung oder für die Kfz-Innenausstattung. Die natürlichen und flammhemmenden Eigenschaften machen das Material auch für das Bauwesen interessant. Im Vergleich zu herkömmlichen Schaumstoffen ist Alginsulat in der Anschaffung kostenintensiv. Betrachtet man allerdings den gesamten Produktlebenszyklus und die Möglichkeiten der einfachen Entsorgung, werden dem Werkstoff als Ersatz für Styropor gute Markt­chancen vorausgesagt. Alginsulat-Schaumstoffe können mit konventionellen Bearbeitungstechniken geschnitten und mit Kleber gefügt werden. Zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften wird derzeit an der Beimischung von Additiven geforscht.

Eigenschaften  blutstillend // antibakteriell // löslich in Wasser und Laugen // Sauerstoffbarriere Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis natür­ licher Rohstoffe // biologisch abbaubar

Materialkonzept und Eigenschaften

Wie Zellulose zählt Chitin zu den Polysacchariden. Es ist Hauptbestandteil des Skeletts von Spinnen und Krebsen und kommt auch in den Zellwänden von Pilzen vor. Gewonnen wird es zum Beispiel durch Mahlen getrockneter Krabbenschalen und anschließendes Waschen mit Natronlauge. In einem Verseifungsprozess wird Chitosan gebildet. Je nach Molekülstruktur weist dieses interessante Löslichkeiten in Wasser und Laugen auf, die es mit seinen blutstillenden und antibakteriellen Eigenschaften vor allem für medizinische Produkte und die Biotechnologie interessant werden lassen. Es wirkt als Barriere gegen Sauerstoff.

Biokunststoffe mit tierischem Ursprung

Bandage HemCon ® mit antibakterieller Wirkung (Quelle: HemCon ®)

Verwendung und Verarbeitung

Obwohl Chitin ein sehr interessantes Eigenschaftsspektrum aufweist, sind die Anwendungsoptionen im Vergleich zu Zellulose oder Lignin vergleichsweise überschaubar. Aus Chitin abgeleitetes Chitosan wird mit seinen Qualitäten zur Fettbindung bei der Filterung in Kläranlagen sowie in Arzneimitteln genutzt. Weitere Verwendungszecke sind Wundauflagen, Zahncreme, biologisch abbaubares Nahtmaterial, Holzschutzmittel oder Binde- sowie Glättungsmittel in der Papierindustrie. Chitosan lässt sich unter Einfluss von Essigsäure lösen und kann dann beispielsweise zu einer Folie gegossen werden. Auch die Verarbeitung zu Schaumstoffen und Fasern ist möglich.

Derzeit befindet sich ein Verfahren in der Entwicklung, mit dem in einigen Jahren die großtechnische Herstellung von Polymethylmethacrylat (Handelsname „Plexiglas“) aus natürlichen Rohstoffen wie Zucker, Alkohol oder Fettsäure möglich sein wird. Der Erfinder Thore Rohwerder wurde 2008 als einer von drei Kandidaten für den Europäischen Evonik-Forschungspreis nominiert.

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Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis natürlicher Rohstoffe // geringerer Energieverbrauch bei der Produktion // weniger Abfall

BIObasierte Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

PMMA ist eines der klassischen künstlichen Materialien mit glasähnlicher Qualität und wurde bereits 1933 von Otto Röhm auf den Markt gebracht. Es basiert auf der Polymerisierung von Methylmethacrylat (MMA). Wissenschaftler haben nun in einem Bakterienstamm ein Enzym gefunden, das zur biotechnologischen Herstellung einer Vorstufe von MMA dienen kann. In Zusammenarbeit mit der Evonik Röhm GmbH versuchen die Forscher derzeit, die Produktion von Acrylglas erstmals aus nachwachsenden Rohstoffen zu realisieren. Dieses soll die gleichen Eigenschaften haben wie das schon seit rund 80 Jahren in Anwendungen befindliche Acrylglas, also glasklar und sicher vor Splittern sein.

Acrylglas auf Basis von Zucker

Verwendung

Für die nächsten Jahre ist der Betrieb einer Pilotanlage in Planung. Langfristig sollen bis zu 10 Prozent des heutigen MMA-Bedarfs biotechnologisch erzeugt werden. Das neue Verfahren ist im Vergleich zum bisherigen chemischen Herstellungsprozess umweltfreundlicher. Es benötigt weniger Energie bei reduzierten Abfallmengen.

Der Naturgummi, den die Maya zur Anfertigung des Balles für das traditionelle PelotaSpiel, eine Art frühkulturelles Basketball, verwendeten, wurde aus dem Saft des Kautschukbaums (Latex) gewonnen. Der Ball symbolisierte vermutlich die Sonne, sein Flug den Lauf am Firmament, und dieser sollte niemals enden. Deshalb durfte der Ball während des Spiels auch nicht den Boden berühren. Misslang dies einem Spieler, hatte seine Mannschaft verloren. Besondere Eigenschaft des Kautschukballs war seine enorme Sprungkraft und Elastizität. Materialkonzept und Eigenschaften

Naturgummi besteht aus Naturkautschuk, Wasser und Schwefel. Er hat hervorragende elastische Eigenschaften. Daraus gefertigte Bänder können teilweise auf das Zehnfache ihrer Ausgangslänge gedehnt werden. Zudem ist das Naturprodukt

Mikroskopaufnahmen des entdeckten Bakterienstam ms (Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung)

Eigenschaften  hohe Elastizität // Bernsteinfarbigkeit // in durchnässtem Zustand klebrig // Gummi neigt zur Alterung und wird spröde // anfällig für Pilzbefall Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe // biologisch abbaubar

Naturgummi hoch belastbar, weshalb es in beinahe jeder Gummimischung für Reifen verwendet wird. Knapp 40 Prozent der gesamten industriellen Gummiproduktion wird heute noch durch Naturkautschuk abgedeckt. Da die Kautschukpflanze derzeit

von starkem Pilzbefall betroffen ist, arbeiten Wissenschaftler an einer alternativen Gewinnung. So hat man festgestellt, dass die Milch des Löwenzahns ähnliche Eigenschaften wie Latex hat. Das Problem dabei ist, dass die Milch sofort

nach dem Austritt polymerisiert. Wissenschaftler haben jetzt ein Enzym lokalisiert, das diesen Effekt auslöst. Man verspricht sich, durch gentechnische Modifizierung der Pflanze die Latexmilch für die industrielle Verwertung nutzbar zu machen und die Menge natürlich produzierter Milch erheblich zu steigern.

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Verwendung

Natürliche Elastomere werden in Ballons, Kondomen, Handschuhen und Textilien ebenso verwendet wie in technischen Produkten wie Reifen, Gummifedern, Membranen, Motorlagern oder Dichtungen. Naturgummi findet sich in Fußbodenbelägen und wird zu Dichtringen, Schläuchen oder Kabelummantelungen verarbeitet. Naturgummi ist in durchnässtem Zustand klebrig und eignet sich als Klebesubstanz.

Schnuller aus Naturlatex

Eigenschaften  thermoplastisch // gleich­ mäßige Eigenschaftsverteilung // hohe Steifigkeit, Biegefestigkeit // gute Feuchteresistenz // hohe Maßhaltigkeit // akustische Qualitäten Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe // Ersatz für Tropen­­ hölzer in Außenanwendungen // Abbaubarkeit gewährleistet bei erdölfreiem Matrixmaterial

Holz-PolymerWerkstoffe (WPC)

Naturkautschukgewinnung in Thailand

Für den Bereich der Holz-Polymer-Werkstoffe hat sich international der Begriff der „wood plastic composites“ (WPC) entwickelt. Im deutschsprachigen Raum ist auch das Wort „Flüssigholz“ gebräuchlich, da man WPC thermoplastisch verarbeiten, also aufschmelzen und dreidimensional verformen kann. Materialkonzept und Eigenschaften

WPC bestehen aus Holzfasern, einer Kunststoffmatrix (PP, PE oder PLA) und verschiedenen Additiven. Der Holzfaseranteil liegt in der Regel zwischen 50 und 90 Prozent. Da diese im späteren Formteil keine Faserrichtung aufweisen, besitzt Flüssigholz eine gleichmäßige Eigenschaftsverteilung. Die positiven Qualitäten von WPC sind der geringe Formschwund bei hoher Steifigkeit, die niedrige Wärmedehnung und eine hohe Feuchteresistenz. Diese Eigenschaften sind vor allem bei der Herstellung von Präzisionsbauteilen gefragt, Produkten also, die in der Regel nicht oder nur schwer aus Holz anfertigbar sind. Verwendung und Verarbeitung

WPC-Regalsystem (Quelle: Mehrwerk Designlabor)

Die Verwendung von WPC ist überall dort interessant, wo komplexe Geometrien mit einer Holz­ optik erzeugt werden sollen. Typische Produkte sind Gehäuse für elektronische Geräte, Griffe, Möbel, Außenbodenbeläge, Bio-Urnen, Schmuck oder Bauteile für das Kfz-Interior. Für den Innenausbau werden sie zu Fußbodenleisten oder Regal­ systemen verarbeitet. Holz-Polymer-Werkstoffe können mit den für die Kunststoffverarbeitung

typischen Techniken wie Spritzgießen, Extrudieren, Formpressen oder Thermoformen verarbeitet werden. Die Bearbeitungstemperaturen sollten aufgrund des Holzanteils eine Obergrenze von 200 °C nicht überschreiten. Produkte

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Fasal  Fasal  wurde zur Herstellung von Produkten mit Holzoptik auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie Holz und Mais am Institut für Naturstofftechnik in Tulln entwickelt und ist für die Verarbeitung im Spritzguss optimiert. Die Produkte erhalten eine hohe Oberflächenhärte, Holzhaptik, hohe Biegefestigkeit und gute Maßhaltigkeit. Die hohe Dichte verleiht dem Material besondere akustische Qualitäten. Hauptanwendungen für Fasal  sind biologisch abbaubare Verpackungen, Spielzeuge, Musikinstrumente und Kfz-Innenverkleidungen.

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Megawood  Megawood  ist der Name eines Werkstoffs aus bis zu 75 Prozent nachwachsenden Rohstoffen (Holzpartikel) und etwa 25 Prozent Polymeren und Additiven. Er ist schimmelbeständig, äußerst robust und eignet sich daher als Barfußdielen für Terrassen, Balkone oder den Garten. Der Pflegeaufwand für den Werkstoff ist minimal. Bei der Herstellung werden ausschließlich Hölzer aus regionalem Anbau verwendet.

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Schuh mit einem Absatz aus Flüssigholz (Quelle: Tecnaro)

Terrassendielen aus WPC (Quelle: Kovalex ®)

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Kupilka  Unter diesem Namen werden in Finnland Mehrzweckgefäße auf Basis von 50 Prozent Holzfasern und 50 Prozent Polymeren hergestellt. Im Vergleich zu Kunststoffen haben Kupilka  -Produkte eine höhere Wärmebeständigkeit (-30 bis +100 °C), gegenüber Holz ist die bessere Hygiene und Formbeständigkeit zu nennen. Die Produkte können geschreddert und wieder neu spritzgegossen werden. Es werden persönliche Laserbeschriftungen angeboten.

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Fibrolon  Unter diesem Namen sind WPC-Angebote zusammengefasst. Diese lassen sich sowohl spritzgießen, pressen als auch extrudieren. Es sind Varianten mit holzähnlicher Steifigkeit, hoher mechanischer Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit verfügbar. Die Holzfasern stammen von europäischen Weichhölzern. Verbunde auf Basis einer PLA-Matrix sind zu 100 Prozent biologisch abbaubar.

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Werzalit  Werzalit  besteht aus Holzpartikeln, die in eine Matrix fest eingebunden werden. Im Herstel­ lungsprozess wird zunächst der Kunststoff geschmolzen, anschließend die Holzpartikel zugeführt und in die Form gepresst. Es sind vielfältige Halbzeuge aus Werzalit  am Markt erhältlich.

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Weitere Bauteile aus Flüssigholz (Quelle: Tecnaro)

Fibrowood - Automobilinterior unter Verwendung von Holzfasermatten mit Acrylharzbinder (Quelle: Johnson Controls)

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Weitere WPC-Marken sind: Xylomer  , Ecogehr  WPC, Kovalex  oder Thermofix 

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Um die Verwendung wertvoller Tropenhölzer und damit das Abholzen von Regenwald zu vermeiden, wurden in den letzten Jahren Techniken entwickelt, die das Holz von Kokospalmen aus Plantagen für die Möbelindustrie und zur Herstellung von Fußböden nutzbar machen (z.B. coconut wood project).

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Eigenschaften  sehr hartes Randmaterial // Dichte > 800 kg/m³ // Struktur ohne Jahresringe // dimensionsstabil // hohe Biege­ festigkeit Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe // Verhindern der Abholzung tropischer Regenwälder

Materialkonzept und Eigenschaften

Kokosholz weist keine Jahresringe auf. Es ist gekennzeichnet von einer punktartigen Struktur, von der der niederländische Hersteller Kokoshout den Namen „Cocodots“ abgeleitet hat. Da das Holz an der Peripherie des Stammes (äußere 5 cm) wesentlich härter ist als im Innern, wird vorrangig dieses für die Werkstoffproduktion verwendet. Kokosholz schwindet und quillt nur wenig, seine Härte übersteigt die von Eiche. Verbunde bestehen aus einem 12 bis 18 mm starken MDF-Kern, auf den das Kokosnussholz aufgebracht ist.

Kokosholzverbunde

Verwendung

Die Materialverbunde werden zu Möbeloberflächen verarbeitet und kommen im Interiordesign zum Beispiel für Parkettfußböden, Lampen, Vasen, Schalen und Accessoires zum Einsatz. Auch Wandpaneele wurden bereits entwickelt, so dass sich Kokosholzverbunde für komplette Innenausbauten eignen. Mit seiner interessanten Oberflächenstruktur wird Kokosholz gerne für Schmuck verwendet. Die Verarbeitung erfolgt mit den in der Holzindustrie üblichen Techniken. Durch Ölen erzielt man eine besonders tiefe Farbigkeit.

Wand aus Kokosholz (Quelle: Kokoshout)

Produkte

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Cocodots  Der Kokosholzverbund der Firma Kokoshout besteht aus 16 x 22,5 cm großen Kokosholz­ stücken, die auf Holzfaser- oder Sperrholzplatten aufgebracht sind. Die gepunktete Struktur macht den optisch ansprechenden Werkstoff interessant für hochwertige Hotel- oder Schiffsausbauten. Er eignet sich besonders als Material für Tischplatten und Fußböden. Da das Kokosholz die Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt, ist darauf zu achten, die relative Luftfeuchte konstant auf einen Wert zwischen 50–70 Prozent zu halten. Große Schwankungen können zu Beschädigungen führen. Im Verbund mit Holzwerkstoffplatten erhält Cocodots  eine hohe Biegefestigkeit und gute Dimensionsstabilität.

Inneneinrichtung mit Kokosmosaiken (Quelle: Decor Pietra)

Wandabschnitt mit Kokosmosaiken (Quelle: Decor Pietra)

Thekenfront aus Kokosmosaiken (Quelle: Decor Pietra)

Einrichtungsgegenstand mit Kokosmosaiken (Quelle: Decor Pietra)

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Coconut Tiles Kokosmosaike des Herstellers Ekobe aus Brasilien sind mit ihrer Ästhetik vor allem geeignet zur dekorativen Beschichtung von Wand- und Möbelflächen. Die Verwendung in Fußböden ist nur für mittelstark frequentierte Flächen zu empfehlen.

Es sollte darauf geachtet werden, dass die Kokosmosaike nicht dauerhaft Wasser ausgesetzt sind. Die Feuchteanfälligkeit kann durch Oberflächenbehandlung mit Öl oder Wachs reduziert werden.

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Als schnell wachsendes und überaus leichtes Baumaterial hat Bambus in vielen Gebieten dieser Erde eine große Bedeutung. Die starke Vibrationsdämpfung ist der Grund dafür, dass es als Alternative zu karbonfaserverstärkten Kunststoffen oder Aluminium für Fahrradrahmen in einer Reihe von Designstudien zur Anwendung kommt.

Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe // biologisch abbaubar BIObasierte Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

Bambus kann eine Höhe von knapp 40 Metern sowie einen Halmumfang von weit über einem halben Meter erreichen. Das Holz ist 25 Prozent härter als Eiche und hat eine größere Zähigkeit als Harthölzer. Die inneren Hohlräume sind Grund für die gute Elastizität des Werkstoffs und sein geringes Gewicht (Dichte: 600–800 kg/m3). Die außerordentliche Biegesteifigkeit und die mit Baustahl vergleichbare Reißfestigkeit prädestiniert Bambus als erdbebensicheren Bauwerkstoff. Allerdings kann der Werkstoff splittern. Bei Außen­anwendungen ist es zudem notwendig, das Naturprodukt vor Feuchteeinflüssen zu schützen und es gegen Insektenfraß und Pilzbefall resistent zu machen. Bambus ist frei von Harzen und Gerbsäuren, was eine gute Haftung von Lack und Ölen ermöglicht.

Eigenschaften  hohe Elastizität // sehr hohe Biege- und Reißfestigkeit // 25 Prozent härter als Eiche // Dichte 600-800 kg/m³ // feuchtanfällig

Bambus Produkte

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Native  bamboo Native  bamboo ist ein neuer Gewebetyp des Architekturtextilienherstellers GKD aus Düren. Gewebter Stahl ist in puristischer Optik kombiniert mit einem Naturmaterial. Der Werkstoff lässt sich gleichsam für Indoor- wie Outdooranwendungen nutzen. In unterschiedlicher Dichte und mit variabler Kettseilteilung kann die besondere Konstruktion dem Einsatzfall angepasst werden.

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Moso  Unter diesem Namen werden Parkettböden, Fußbodendielen und Schichtholzplatten aus Bambusholz angeboten. Die Anwendungen reichen von Sitzmöbeln über Tischplatten bis hin zu Badewannen und Inline-Skates, die aus dem Holz gefertigt werden.

Verwendung und verarbeitung

Traditionell findet Bambus im Bauwesen, Gerüst-­und Möbelbau, in Haushaltswaren und für Fußböden Verwendung. Es ist Teil von Holzwerkstoffen (zum Beispiel OSB, Stäbchenplatten) und wird unter Harzeinfluss zu strapazierfähigem Parkett und hochfesten Bodenbelägen verarbeitet. Bambusfasern werden darüber hinaus in Verbundmaterialien wie WPC, Faserbeton und Biokunststoffen eingesetzt. Dabei können vergleichsweise hohe Festigkeiten erzielt werden. Während die Anwendung von Bambus in der Architektur rückläufig ist, werden die Potenziale des nachwachsenden Rohstoffs derzeit von Zweiradtüftlern entdeckt. Die Rohre werden ausgeräuchert und in einer Wärmebehandlung getrocknet. Die Verbindung der Rahmenelemente erfolgt mittels in Epoxidharz eingebetteten Hanffaserwicklungen.

Konstruktionslösung aus Bambusrohren (Quelle: Conbam ®)

Bambusrohre im Querschnitt (Quelle: Moso ®)

Fahrradrahmen aus Bambusrohren (Quelle: Craig Calfee)

Bank für den öffentlichen Raum aus Bambusrohren (Quelle: Conbam ®)

Deckenkonstruktion unter Einsatz von Bambusholz am Flughafen in Madrid (Quelle: Moso ®)

Holz ist ein natürliches Material, dessen Eigenschaften sich unter Umwelteinflüssen verändern. Vor allem das Aufquellen unter Feuchtigkeit fällt bei einigen tropischen Hölzern wesentlich geringer aus als bei europäischen Sorten, so dass unter Nachhaltigkeitsaspekten, dem Schutz des tropischen Bestandes, die Aufwertung niederwertiger Hölzer für Außenanwendungen an Bedeutung gewonnen hat. Materialkonzept und Eigenschaften

Eine mögliche Technik, die Quell- und Schwindeigenschaften positiv zu beeinflussen, ist das ther-­­ mische Vergüten in heißem Öl (170–250 °C). Infolge der Wärmebehandlung (24 bis 48 Stunden) verändert sich der Zellaufbau so sehr, dass Wasseraufnahme und Ausgleichsfeuchte entscheidend verringert werden. Flüchtige Stoffe wie Harze werden entzogen, der Anteil von Hemizellulose und Lignin verringert. Das Quellverhalten von Thermovollholz reduziert sich um etwa 50 Prozent. Die Farbe des Holzes wird deutlich dunkler. Außerdem verlieren Bakterien und Holz abbauende Pilze ihre Nahrungsgrundlage. Die akustischen Eigenschaften verbessern sich. Werden die obersten Holzschichten bei noch höheren Temperaturen verkohlt, entsteht ein natürlicher Schutz gegen Insektenfraß und Verrottung. Die traditionelle Technik des Verkohlens wurde in den letzten Jahren in der Architektur wiederentdeckt. Eine weitere Möglichkeit, niederwertige Hölzer für Außenanwendungen zu präparieren, ist die Acetylierung. Hier bringt man wenig dauerhafte Hölzer unter Druck und Wärme mit Essigsäureanhydrid zur Reaktion. Die Fähigkeit zur Absorbierung von Wasser wird wesentlich verringert, was das Holz für Außenanwendungen besonders geeignet macht. Mit dem Ziel eine homogenere und dunklere Farbigkeit zu erzielen, können Holzsorten auch Dämpfen (Temperatur etwa 100 °C) bei hoher Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Die Holzeigenschaften verändern sich durch diesen Prozess jedoch nur unwesentlich. Bekanntes Beispiel ist gedämpfte Rotbuche.

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Eigenschaften  geringe Wasseraufnahme // sehr hohe Maßhaltigkeit // dunkle Farbigkeit // resistent gegen Pilzbefall // gute akustische Eigenschaften

BIObasierte Materialien

Thermisch vergütete Naturhölzer

Müritzeum - Fassade aus verkohlten Lärchenbrettern (Quelle: Müritzeum GmbH)

Verwendung und Verarbeitung

Sowohl thermisch modifizierte als auch acetylierte Holzsorten treten in den letzten Jahren in Konkurrenz zu den für Außenanwendungen und Nassbereiche üblichen Tropenhölzern wie beispielsweise Teak oder Mahagoni. Man findet sie im Garten- und Landschaftsbau, als Fassadenverkleidungen, in Wellnessbereichen, als Massivholzdielen und Spielgeräte sowie für Terrassendecks. Die Bearbeitung von vergütetem Holz mit den üblichen Holzbearbeitungstechniken ist möglich. produkte

Terrassenboden mit thermisch vergütetem Naturholz (Quelle: Menz Holz)

Nachhaltigkeitsaspekte  Ersatz tro­pischer Hölzer durch heimische Sorten // Verringerung des Energieaufwands für die Beschaffung // Steigerung der Haltbarkeit durch Verringerung von Rissbildung

OHT Holz Zur Aufwertung niederwertiger heimischer Holzsorten wie Esche oder Ulme werden diese bei Menz Holz in einem etwa 22 Stunden dauernden mehrstufigen Prozess bei einer Temperatur von 220 °C in ein Rapsölbad getaucht. Das Holz wird wesentlich dauerhafter und erhält eine mit Tropenhölzern vergleichbare dunkle Farbigkeit.

Bei dem Prozess kommen keine chemischen Zusätze oder Biozide zum Einsatz. Das Altöl wird anschließend zur Wärmeerzeugung genutzt, wodurch der Prozess eine gute Ökobilanz aufweist.

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Admonter  Ein Beispiel für die Nutzung von Holz für den Fußbodenbereich ist Admonter  , das aus einheimischen Holzarten ohne Zusatz von chemischen Substanzen hergestellt wird und somit einen Beitrag zu einem nachhaltigen Umgang mit Materialien darstellt.

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Accoya  Die Widerstandsfähigkeit von Accoya  Holz ist vergleichbar mit nahezu allen tropischen Harthölzern. Infolge eines Acetylierungsprozesses werden die Quelleigenschaften verringert und Accoya  Holz deutlich maßhaltiger gemacht. Es eignet sich daher selbst für Architekturanwendungen.

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Weitere Thermohölzer sind: ThermoWood  , Thermoholz Baladur  , Firstwood 

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Dunkler Fußboden aus thermisch vergütetem Naturholz (Quelle: Admonter)

Konstruktionstechnik für thermisch vergütetes Naturholz (Quelle: Menz Holz)

Fassade aus Thermoholz (Quelle: Römermuseum Osterburken)

Brücke aus acetyliertem Holz (Quelle: Enno Roggemann)

Zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften von Vollholz zum Einsatz für technische Anwendungen hat sich die thermomechanische Verdichtung bewährt. Bei Tem­peraturen von 140 °C und unter Druckein­ wirkung von 5 MPa lässt sich die Festigkeit von heimischem Nadelholz deutlich steigern, das auf diese Weise in tragenden Anwendungen vielfältig eingesetzt werden kann.

Eigenschaften  deutliche Festigkeitssteigerung hohe Dichte // Materialeinsparung von 80 Prozent bei Formholzrohren // hohe Witterungsbeständigkeit

Materialkonzept und Eigenschaften

Die mechanische Komprimierung findet bei Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Lignins statt. Dabei wird das Holz, das einen Porenanteil von 60 Prozent aufweist, auf weniger als die Hälfte seines ursprünglichen Volumens komprimiert. Festigkeit und Steifigkeit lassen sich auf diese Weise deutlich steigern. Die Erwärmung auf eine Temperatur von über 200 °C bewirkt außerdem eine Zunahme der biologischen Resistenz. Das Verfahren versteht Holz als zellularen Werkstoff. Die Stauchung findet ohne Schädigung der Zellstruktur statt, kann rückgängig gemacht und fixiert werden. Das Prinzip macht man sich vor allem bei der Herstellung von Formholzrohren mit tragwerksnahen Abmessungen zunutze. Dabei entstehen abwickelbare Profile aus einachsig verdichtetem Holz, deren Form durch Querbiegen erzeugt wird. Die Materialeinsparung im Vergleich zu Rundholz beträgt rund 80 Prozent. Verschnitt kann nahezu vollständig vermieden werden.

Nachhaltigkeitsaspekte  Materialeinsparung im Vergleich zu Rundholz // Geringerer Energie­ aufwand als bei der Herstellung von Holzfaserwerkstoffen

Thermo-hygro-mechanisch verdichtetes Holz Prozess zur Herstellung geformter Holzprofile aus verdichtetem Kant- und Rundholz

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Verwendung und Verarbeitung

Thermo-hygro-mechanisch geformte Holzprofile können in Bauwesen und Architektur, beim Leicht- und Möbelbau sowie in der Verpackungsindustrie Einsatz finden. Für eine verbesserte Aufnahme von Quer- und Schubbeanspruchungen sowie zur Erhöhung der Witterungsbeständigkeit sind Verbunde in Kombination mit faserverstärkten Kunststoffen realisierbar.

Rundholzprofil aus thermo-hygro-mechanisch verformtem Holz (Quelle: Prof. Peer Haller; Foto: ddp N. Millauer)

Formholzrohre für architektonische Anwendungen (Quelle: Rolf Disch SolarArchitektur, Prof. Peer Haller)

2007 wurde ein neuer Verbundwerkstoff auf der Basis von Naturkork der Öffentlichkeit präsentiert, der für das Baugewerbe, den Möbelbau sowie für Sport- und Medizinartikel neue Anwendungspotenziale aufweist.

Eigenschaften  interessante Haptik // einstellbare Flexibilität // schall- und schwingungsdämpfend // thermoplastische Verarbeitungseigenschaften // wasserundurchlässig // fäulnisresistent Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe // Abbaubarkeit gewähr­ leistet bei Verwendung eines erdölfreien Matrixprodukts // recyclingfähig

Materialkonzept und Eigenschaften

CPC bestehen aus Korkpartikeln mit einer Größe von 0,5 bis 2 mm, die in einer Bindung aus Polyvinylacetat, TPE oder Weich-PVC fixiert sind. Das thermoplastische Bindemittel verleiht dem Werkstoff interessante Eigenschaften und eine besondere Haptik. Die Flexibilität lässt sich zwischen steif und hoch flexibel einstellen, ohne einen Weichmacher zu verwenden. Die neue Werkstoffgruppe vereint die wasserundurchlässigen Qualitäten von Naturkork mit der guten Verarbeitbarkeit thermoplastischer Kunststoffe. Je nach Anwendung enthalten CPC zwischen 20 und 80 Prozent Kork. Das Naturmaterial ist zu 100 Prozent wasserdicht, gegen Verfaulung resistent und eignet sich vorzüglich sowohl für den Gebrauch im Innen- als auch im Außenbereich. Kork-PolymerKomposite können wiederverwertet werden. Verwendung und Verarbeitung

Die hervorragenden schall- und schwingungsdämpfenden Eigenschaften machen CPC-Biokomposite für eine Vielzahl von Sportartikeln und orthopädischen Produkten geeignet. Auch immer mehr Designer lernen die wasserabweisenden

Kork-PolymerWerkstoffe (CPC) Bestandteile des Korks

Suberin

Vanillin, Gerbsäure Cerin

Zellulose

Wasser

Lignin

Eigenschaften von Kork zu schätzen und setzen es für Möbel, Lampen oder Vasen ein. Bekannt wurden vor allem Wandpaneele oder Waschbecken, bei denen das Material auf eine bislang ungewohnte Weise eingesetzt wurde. Weitere typische Produkte sind Fahrrad- und Skistockgriffe, Sportmatten, Schuhteile und Einlagen.

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CPC-Granulat kann in Extrudern und Spritzgießanlagen verarbeitet werden. Der Werkstoff lässt sich thermisch verformen. Ansonsten sind die typischen holzverarbeitenden Verfahren anwendbar. Produkte

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Lifocork  Der Kork-Biokomposit Lifocork  besteht aus Korkpartikeln und einem thermoplastischen Kunststoff wie Weich-PVC, TPU oder TPE. Die Anwendungsbereiche sind, neben den bereits genannten, Möbel, Deko- oder Haushaltsartikel. Durch Extrusion lassen sich auch Coextrudate mit PP und PE herstellen. Die gleichen Kombinationen gelten auch für den Zweikomponentenspritzguss. In geschäumter Form findet es Einsatz als dämpfende Komponente für Orthopädieprodukte.

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Flexible CPC-Matten (Quelle: Pallmann Maschinenfabrik)

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Vinnex  Zur Herstellung von Biokompositen mit Korkpartikeln wird eine thermoplastische Bindung benötigt, in die die Korkpartikel fest eingebunden sind. Vinnex  ist ein auf Polyvinylacetat basierendes rieselfähiges Pulver, das thermoplastisch verarbeitet werden kann und ausgezeichnet an Naturfasern haftet.

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Amorim  Als weltweit größter Hersteller von Korkprodukten hat das portugiesische Unternehmen neben klassischen Korkanwendungen auch Produkte für technologisch anspruchsvolle Produktanwendungen in der Automobilindustrie, der Raumfahrt, dem Schiffsbau und dem Bausektor im Programm.

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Thermofix  Dieser Kork-Polymer-Werkstoff besteht zu 30 Prozent aus Korkpartikeln, zu 30 Prozent aus Kokosnuss und zu 40 Prozent aus PVA. Das Material lässt sich sehr gut thermisch in Pressen verformend bearbeiten. Es findet vor allem als Wandverkleidung oder Fußbodenbelag Verwendung.

Koffer aus CPC (Quelle: Müller Kunststoffe GmbH)

Lifocork ® Platten

Gartenschere aus CPC (Quelle: Müller Kunststoffe GmbH)

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Subertres  Subertres  ist ein Spritzkork, der sich für zahlreiche Anwendungen im Bauwesen, der Fahrzeugindustrie oder im Schiffsbau eignet. Die Korkpartikel werden mit Acrylharz, pflanzlichen Fetten und Wasser vermischt und zu Isolationszwecken auf Dächer, Terrassen oder Fassaden aufgebracht. Die Haftungseigenschaften sind gut. Nach 8 bis 48 Stunden ist das Material getrocknet.

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Schutzhelm aus Kork (Quelle: Kévin Goupil)

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Lampenschirm aus Kork (Quelle: Tiago da Costa)

Neben Holz und Kork lassen sich weitere pflanzliche Partikel und Fasern zur Herstellung von Materialien mit ausreichenden Festigkeiten für den Möbelbau nutzen, so auch Mandel- oder Nussschalen.

Materialkonzept und Eigenschaften

Der Name „Maderón“ beschreibt ein recyclingfähiges Gemisch aus gemahlenen Mandelschalen, die wie Holz hauptsächlich aus Zellulose und Lignin bestehen, und einer biologisch abbaubaren Harzmatrix. Die Masse wird in Formpressen zu den gewünschten Bauteilgeometrien verarbeitet. Es entstehen hochfeste und beständige Formkörper mit homogener Oberfläche und luftdichter Struktur ohne Zusatz giftiger Stoffe oder Formaldehyde. Mandel-Polymer-Werkstoffe mit einem erölfreien Matrixmaterial können ohne Probleme kompostiert und recycelt werden.

Eigenschaften  hochfest und beständig // homogene Oberflächenstruktur // luftdicht // thermoplastische Verarbeitungseigenschaften // kompostierbar // recyclingfähig Nachhaltigkeitsaspekte  Ersatz von Holz durch pflanzliche Abfallprodukte // schnelleres Wachstum des Rohstoffs im Vergleich zu Holz // biologische Abbaubarkeit gewährleistet bei erdölfreier Harzmatrix

Mandel-PolymerWerkstoffe (APC)

Verwendung und verarbeitung

„Maderón“ wird zum Bau von Möbeln und als Beschichtungswerkstoff im Interiordesign verwendet. Aufgrund seiner Luftdichtigkeit wurde es zunächst für Särge mit edler Oberflächenstruktur entwickelt, die sich später im Erdreich zersetzen sollen. Mandel-Polymer-Werkstoffe können mit den für die Holzindustrie typischen Techniken wie Sägen, Fräsen oder Kleben verarbeitet werden. Im Sieb- und Tampondruck lässt sich die feine Struktur individuell beschichten.

Mandelschalen

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Sarg aus Mandel-Poly mer-Werkstoff (Quelle: Maderón)

Sie haben so eigenartige Namen wie Chlorophyta, Phaeophyta, Rhodophyta, Cyanobakterien, Pyrrhophyta oder Haptophyta und werden aufgrund ihrer Farbigkeit in unterschiedliche Gruppen unterteilt. Gemeint sind Algen, die in warmen wie kalten Gewässern auf der ganzen Welt in mikroskopisch kleinen Strukturen (z.B. Kieselalge) bis hin zu meterlangem Seetang (z.B. Braunalgen) vorkommen. Rund 80.000 Arten sind bekannt, knapp 200 werden industriell genutzt. Werden sie in Mitteleuropa nur selten als Nutzpflanze verwendet, haben Algen vor allem im asiatischen Raum wegen der vielen wertvollen Inhaltsstoffe in Nahrungsmitteln, Viehfutter oder Kosmetika einen hohen Nutzwert. Die weltweite Produktion beträgt rund 3,5 Millionen Tonnen. Dies könnte sich bald ändern, denn immer häufiger werden Algen als natürliches Verstärkungsmaterial in Materialverbunden eingesetzt.

Eigenschaften  schnelles Wachstum // weltweite Verfügbarkeit // ästhetische Transparenz // flammhemmende Eigenschaften Nachhaltigkeitsaspekte  Ersatz konventioneller Verstärkungsfasern // Abbaubarkeit bei Verwendung einer natürlichen Harzmatrix

Algenbasierte Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

Algen sind weltweit verfügbar und relativ einfach zu kultivieren. Grund für die Verwendung im Gestaltungsbereich ist die natürliche Transparenz des Fasermaterials und seine besondere Ästhetik. Langfasrige Algen (z.B. Laminaria Alge) werden gekocht und in feuchtem Zustand verarbeitet. Unter Zugabe eines Harzsystems werden sie in ein Formwerkzeug eingebettet und die ge­w ünsch­te Geometrie fixiert. Eingebracht in Flächen­ materialien lassen sich besondere Lichteffekte erzeugen. Verwendung

Die Verarbeitung von langfasrigen Algen ist im Gestaltungsbereich vor allem durch den Bau von Behältnissen und Wandpaneelen für die Innenraumgestaltung bekannt geworden. Auch in der Kunst bieten sich Einsatzchancen.

Algenverstärktes Objekt (Quelle: Mandy den Elzen)

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Eigenschaften  Eigenschaften wie Styropor // wärmeisolierend // stoßdämpfend Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis natürlicher Abfallmaterialien // energieeffizienter Herstellungsprozess // kompostierbar

BIObasierte Materialien

Pilzbasierte Materialien

Während ein Schwerpunkt ökologischer Werkstoffe auf der Verwendung natürlicher Fasern als Verstärkungsstoff oder von Naturmaterialien in Werkstoffverbunden liegt, arbeiten einige Forscher und Hersteller schon an Produktionsprozessen, um Materialien auf organische Weise wachsen zu lassen. Dabei kommen beispielsweise Pilzsorten zum Einsatz, die einen festen Verbund zwischen pflanzlichen Abfallmaterialien bewirken. Auf Erdöl wird vollkommen verzichtet. Materialkonzept und Eigenschaften

Der organische Herstellungsprozess basiert auf der in natürlichen Abfällen wie den Hülsen von Reis und Weizen enthaltenen Zellulose sowie Lignin als verbindendem Matrixmaterial. Ein neues Verfahren nutzt die Wachstumsprinzipien des fadenförmigen Myzels von Pilzen, die sich in der Natur vor allem auf festen Substraten wie Holz, dem Erdboden oder organischen Abfällen ansiedeln, um auf natürliche Weise Hartschaumstoffe herzustellen. Die Pilze bilden ein Geflecht aus mikroskopisch kleinen Fäden, das die organischen Abfallstoffe fest miteinander verbindet. Der im Dunkeln stattfindende Wachstumsprozess wird abgeschlossen durch Dehydration und Trocknung des Materials in einem Ofen bei einer Temperatur über 43 °C. Bei der Herstellung wird zehn Mal weniger Energie verbraucht als bei der Erzeugung synthetischer Schaumstoffe. Nach Gebrauch lässt sich das Material auf natürliche Weise kompostieren. Verwendung

Mit ähnlichen stoßdämpfenden Eigenschaften wie Styropor kommt es mit Markennamen Eco­Cradle bislang vor allem als biologisch abbaubares Verpackungsmaterial zum Einsatz. Die besondere Ästhetik und Oberflächenstruktur macht den Werkstoff insbesondere auch für die Innenraumgestaltung und für Kunstobjekte interessant.

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Verpackungsmaterial auf Basis von Pilzen (Quelle: ecovative design)

Mit seiner hohen Wärmedäm mung ließe sich das Material auch in Verbundstrukturen für das Baugewerbe einsetzen. (Quelle: ecovative design)

Kunstobjekt aus pilzbasiertem Hartschaum (Quelle: ecovative design)

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Die Verbesserung von Werkstoffeigenschaften durch Beimischen von Fasermaterial ist ein lange bekanntes Verfahren. Wurden bislang vor allem Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasern verwendet, stehen mit dem neu entfachten Umweltbewusstsein vor allem natürliche Fasern wie Hanf, Sisal oder Flachs im Fokus der Entwickler. Beispielsweise wurde jüngst die Extraktion von Nanofasern aus Karotten vermeldet, die, eingebunden in Kunstharz, Bauteile mit besonders hoher Biegefestigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht möglich machen sollen.

Nachhaltigkeitsaspekte Ersatz von konven­ tioneller Verstärkungsfaser durch nachwach­ sende Rohstoffe // rund ein Drittel leichter als herkömmliche Faserverbunde // Abbau­ barkeit gewährleistet bei erdölfreier Matrix

BIObasierte Materialien

Naturfaserkomposite (NFK)

Materialkonzept und Eigenschaften

Die größte Herausforderung der Entwickler ist die Sicherstellung gleichbleibender Eigenschaften bei der Verwendung eines Naturprodukts. Hier hat es in den letzten Jahren große Fortschritte gegeben, so dass die Nutzung von Verstärkungsfasern aus Flachs, Hanf, Kenef, Abaca, Kokos, Jute, Ramie oder Sisal inzwischen in einigen Produktbereichen möglich ist. Vor allem naturfaserverstärktes Polypropylen ist eine kostengünstige Alternative zu technischen Kunststoffen wie ABS, POM oder PA, da es effizient im Spritzguss verarbeitet werden kann und vergleichbare Materialeigenschaften mitbringt. Als Matrix-Werkstoff werden neben synthetischen Kunststoffen auch 100 Prozent erdölfreie Biopolymere verwendet, so dass biologisch abbaubare Produkte entstehen.

Eigenschaften  schnelles Wachstum // welt­ weite Verfügbarkeit // ästhetische Transpa­ renz // flammhemmend

Bestandteile der Flachsfaser

Zellulose

Mineralstoffe Fette, Wachse Lignin

Hemizellulose

Protein Pektin

Wasser

Verwendung und verarbeitung

Ein viel zitiertes Produktbeispiel für die Verwendung von Pflanzenfaserverstärkungen ist ein Schutzhelm, bei dem das Fasermaterial durch einen Pressvorgang in eine duroplastische Matrix eingebettet wurde. Faserverstärkte Formteile werden auch häufig in Türverkleidungen oder Hutablagen im Fahrzeugbau verwendet. Aus dem Gestaltungsbereich sind Sitzschalen für Möbel oder Transportbehälter bekannt. Die typischen Verarbeitungstechniken für mit Pflanzenfasern verstärkte Kunststoffe sind das Formpressen und der Spritzguss.

Rundrohre aus naturfaserver­ stärktem Kunststoff (Quelle: H. Hiendl GmbH)

Montageprofil aus naturfaserver­ stärktem Kunststoff (Quelle: H. Hiendl GmbH)

Produkte

Verarbeitung von Flachs (Quelle: Hess Natur)

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Green LinE  Unter dieser Marke wird die Herstellung naturfaserverstärkter Kunststoffe für den Kofferoder Behälterbau durch Spritzgießen, Fließ- und Formpressen angeboten. Der Naturfasereinsatz ist neben ökologischen Gründen vor allem wegen des geringen Gewichts der Formteile und der guten mechanischen Eigenschaften bei ähnlichen Produktionskosten sinnvoll.

Granulat aus einem Naturfaserkomposit (Quelle: H. Hiendl GmbH)

Schutzhelm aus naturfaserver­ stärktem Kunststoff (Quelle: Schuberth)

Lignobond Dieses Biokomposit besteht aus 40 Prozent Polypropylen und 60 Prozent Naturfasern. Es wurde für den Spritzgießprozess optimiert, hat entsprechend gute Fließfähigkeiten und eine hervorragende Elastizität. Die Wasseraufnahme ist gering.

56 BIObasierte Materialien

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Cellucomp  Mit einem neuen Verfahren extrahiert Cellucomp  Nanofasern aus Karotten und nutzt diese als Faserverstärkung für Kunstharze. Auf diese Weise sind Bauteile mit besonders hoher Biegefestigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht möglich.

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Dakota Burl Der Verbundwerkstoff Dakota Burl basiert auf landwirtschaftlichen Fasermaterialien und Sonnen­blumenkernschalen. Er tritt als Plattenmaterial in Konkurrenz zu Hartholz. Das Material kann mit herkömmlichen Techniken bearbeitet und mit Holzlasuren gefärbt werden. Es besitzt eine natürliche bräunliche Färbung und eine optisch interessante Oberflächenstruktur für den Ladenbau und Inneneinrichtungen.

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Biofiber Wheat Die gelbliche Färbung dieses Plattenmaterials geht auf Weizenstroh zurück. Die Oberfläche ist sehr fein strukturiert und weist eine natürliche Maserung auf. Der Werkstoff ist mit den üblichen Techniken bearbeitbar und für eine Vielzahl von Anwendungen in Architektur und Möbelbau geeignet. Es gasen keine gefährlichen Stoffe aus.

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Arbofill  Unter der Marke Arbofill  werden hochwertige Verbundmaterialien aus Kunststoffen und Natur­faserzusätzen zusammengefasst. So werden beispielsweise Polymere unter Zusatz von Fichteund Buchenfasern für den Spritzguss angeboten, aus denen komplexe Bauteile für den Haushalt hergestellt werden können.

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NaBasCo  NaBasCo  ist ein Biowerkstoff aus Naturfasern wie Flachs und Hanf, die in ein erdölbasiertes Harzsystem aus Polyester oder Epoxid eingebunden sind. Gegenüber Glasfasern sind Naturfasern um rund 30 Prozent leichter. Der Verbundwerkstoff hat ähnliche akustische Eigenschaften wie Holz. Mit einer interessanten Oberflächenstruktur bietet er sich vor allem für den Einsatz in Sanitäranlagen an.

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Bodenbewehrungssystem aus naturfaserverstärkten Strukturen (Quelle: Greengran)

Leichtbauplatten aus NFK (Quelle: Jakob Winther)

Tischdeko aus NFK (Quelle: Tecnaro)

Koffer- und Behälterbau unter Naturfaser­ einsatz (Quelle: Jakob Winther)

Bereits vor 150 Jahren erfand der englische Chemiker Frederick Walton den Bodenbelag Linoleum, der aufgrund der natürlichen Zusammensetzung und gesundheitlichen Unbedenklichkeit in den letzten Jahren eine Renaissance erlebt.

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Eigenschaften  hohe Widerstandsfähigkeit // bakterienabtötend // hohe Trittfestigkeit // feuchteempfindlich Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis natürlicher Rohstoffe // kompostierbar

BIObasierte Materialien

Linoleum Materialkonzept und Eigenschaften

Hergestellt wird Linoleum auf Basis von Leinöl, Naturharzen, Holz- und Kalkmehl sowie natürlichen Farbpigmenten. Sein Name geht auf die lateinischen Wörter „linum“ für Lein und „oleum“ für Öl zurück. Bis in die 1920er Jahre war der Belag weit verbreitet, verlor in den 1950er Jahren aber seine Bedeutung an textile Bodenbeläge und neue Werkstoffe wie PVC. Linoleum besitzt eine hohe Trittfestigkeit und ist daher vorrangig als Tisch- und Bodenbelag in der Anwendung. Bei der Herstellung werden die Rohstoffe erhitzt und auf ein Trägermaterial (zum Beispiel Jutegewebe) aufgetragen. Aufgrund seiner hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber Ölen und Fetten sowie der leicht bakterienabtötenden Wirkung besitzt es eine hohe Langlebigkeit, kann auf einfache Weise gereinigt bzw. gepflegt werden und ist nach Ende der Nutzungsdauer kompostierbar. Verwendung

Durch die leichte Einfärbbarkeit und seine interessante Strukturierung ist Linoleum seit jeher ein bei Architekten und Designern beliebter Werkstoff für Boden- und Tischbeläge. Aufgrund des besonderen Eigenschaftsprofils ist er insbesondere für Räume mit hohen Hygieneanforderungen geeignet (nicht für Feuchträume). Früher nutzte man Linoleum auch als Wandbeschichtung. Zur Pflege von Linoleumbelägen sind besondere Reinigungsmittel am Markt erhältlich.

Linoleumtischoberfläche (Quelle: Franz Faust Linoleumprodukte)

Barktex® ist ein innovatives Material aus der Rinde des wild wachsenden Mutubu-Feigenbaums. Bereits 1999 hatte das Unternehmen Bark Cloth gemeinsam mit ugandischen Bauern die Rindentuchproduktion gestartet. Das Material ist seitdem vor allem bei Mode- und Interior-Designern beliebt. 2006 erklärte die Unesco den handwerklichen Herstellungsprozess zum Weltkulturerbe. Mittlerweile steht das einstige Entwicklungshilfeprojekt auf eigenen Füßen und sichert hunderten afrikanischen Familien die Existenz.

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Eigenschaften  beige bis dunkelbraune Farbigkeit // Qualitäten individuell einstellbar // wasserfeste Imprägnierung // lichte Transparenz Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nach­ wachsender Rohstoffe // Kleinbauernanbau in Entwicklungsgebieten // biologische Abbaubarkeit gewährleistet durch erdölfreie Harzmatrix

BIObasierte Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

Reines Rindentuch wird zur Anwendung im Design mit Textiladditiven versiegelt und abriebfest gemacht. Es ist aufgrund seiner feinen bis ledrigen Struktur ein geschätztes Naturmaterial. Die Farbigkeiten reichen je nach Baum von Beige bis Dunkelbraun. Unter Verwendung besonderer Zusätze kann die Struktur elastische aber auch wasserabweisende Qualitäten annehmen oder reiß- und feuerfest sein. Um die individuelle Oberflächenstruktur auch für industrielle Erzeugnisse nutzbar zu machen, werden Laminate des dreidimensional verformbaren Werkstoffs mit einer Kernschicht aus imprägnierten Phenol- oder Aminoplastpapieren verpresst.

Rindentuchwerkstoffe

Verwendung und verarbeitung

Rindentuchlaminate haben Einzug gefunden in den Möbel-, Automobil- und Jachtbau. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt testet sie für Verbundplatten mit hoher Biegeelastizität und Schlagzähigkeit. Auch Leuchten aus Barktex  sind am Markt verfügbar. Mit seiner lichten Transparenz wird der Werkstoff für Lichtsegel, Raumteiler, Türverkleidungen und beim Bühnenbau verwendet.

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Rindentuchlaminate werden mithilfe von Hartmetall bestückten Werkzeugen bearbeitet. Um die Fasern nicht zu beschädigen, sollte beim Sägen mit ziehendem Schnitt gearbeitet werden. Zum Verleimen sind insbesondere Dispersions- und Kondensationsharzklebstoffe geeignet.

Rindentuchverarbeitung in Uganda (Quelle: Bark Cloth ®)

Rindentuchstruktur (Quelle: Bark Cloth ®)

Rindentuchkomposite im Fahrzeugbau (Quelle: Bark Cloth ®)

59 BIObasierte Materialien

Lampenschirm aus Rindentuch (Quelle: Bark Cloth ®)

Für Leichtbauplatten im Sandwichaufbau werden immer häufiger landwirtschaftliche Abfallprodukte und Naturmaterialien verwendet. Ein Beispiel sind Maize Cob Boards, Holzwerkstoffe mit einer Mittellage aus Maisspindeln (Kolben ohne Körner), die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

Eigenschaften  bislang keine industrielle Nutzung für Maisspindeln // Dichte 250-300 kg/m³ // hohe Festigkeit in axialer Richtung // Qualitäten vergleichbar mit denen von Spanplatten // hohe Wärmedämmung Nachhaltigkeitsaspekte  Verwendung von landwirtschaftlichen Abfallprodukten // Gewichtseinsparung im Vergleich zu Spanplatten um 50 Prozent // gute Schallabsorption

Maize Cob Board (MCB) Materialkonzept und Eigenschaften

Verwendung und verarbeitung

Maisspindeln besitzen mit ihrer schaumartigen Kernstruktur besonders hohe Wärmedämmeigenschaften und werden bislang noch keiner industriellen Nutzung zugeführt. Sie haben darüber hinaus eine geringe Dichte (180 bis 200 kg/m³) und widerstehen mechanischem Druck vor allem in axialer Richtung. Als Abfallprodukt sind Maisspindeln in großen Mengen kostengünstig verfügbar. Maize Cob Boards haben vergleichbare Festigkeiten wie Spanplatten, was sie für den Möbel-, Innen- und Türenbau geeignet macht. Der Gewichtsvorteil zu herkömmlichen Holzfaserplatten beträgt ungefähr 50 Prozent. Die Dichte der fertigen Platten liegt zwischen 250 und 300 kg/m³.

Ziel aktueller Forschungen ist es, das Maize Cob Board als biologische Leichtbauplatte für Möbel- und Interiordesigner zu qualifizieren. Die Verarbeitbarkeit wird derzeit getestet und muss für einen konkurrenzfähigen Einsatz mit den für die Holzbearbeitung üblichen Techniken zu realisieren sein. Problematisch sind derzeit noch die Zerteilung der Maisspindeln und die Bildung der Mittellage. Neben den guten Wärmedämmeigenschaften wird insbesondere auch eine gute Schallabsorption erwartet.

Maisspindel im Querschnitt (Quelle: Kompetenzzentrum Holz GmbH)

Herstellung eines Maize Cob Boards (Quelle: Kompetenzzentrum Holz GmbH)

60 BIOlogisch abbaubare Materialien

Wasserlöslicher Polyvinylalkohol…064 — Laugenlösliche Kunststoffe…065 — Polycaprolactone…066

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61 BIOlogisch abbaubare Materialien

62 BIOlogisch abbaubare Materialien

In der europäischen Union gilt ein Werkstoff als biologisch abbaubar, wenn er sich im Rahmen einer industriellen Kompostierung in zwölf Wochen zu mindestens 90 Prozent zersetzt hat. Neben Materialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe erfüllen auch einige erdölbasierte Werkstoffe unter gewissen Rahmenbedingungen dieses Kriterium. Dies macht sie insbesondere für Anwendungen in der Medizin und Landwirtschaft sowie im Hygiene- oder Verpackungsbereich wertvoll. Hier bietet die Option zur Zersetzung in ungefährliche Stoffe wie Kohlendioxid, Biomasse oder Wasser meist ein Alleinstellungsmerkmal. Beispielanwendungen sind sich über einen gewissen Zeitraum zersetzende Wundverbände, temporär wirkende Klebstoffe zum rückstandslosen Anbringen von Gegenständen in Hygieneumgebungen oder wasserlösliche Kapseln für Reinigungsmittel bzw. Medikamente. Biologisch abbaubare Materialien haben sich als Grundlage für Verpackungen bewährt. Mittlerweile sind kompostierbare Tragetaschen in nahezu jedem Supermarkt erhältlich. Kunststoffe auf Zellulose- oder Stärkebasis kommen häufig in der Produkterstellung zum Einsatz. Dazu eignen sich aber auch erdölbasierte Materialien wie Polycaprolactone, Polyvinylalkohol, bestimmte Copolyester oder Polymilchsäure. Angetrieben durch den Wunsch nach einem Denken in Werkstoffkreisläufen wurden zudem Werkstoffe entwickelt, die sich unter bestimmten Umgebungsbedingungen auflösen. Ein Beispiel sind Kunststoffe, die sich unter Einfluss einer Lauge zersetzen. Durch Veränderung des ph-Werts kann der Abbauprozess gesteuert werden.

63 BIOlogisch abbaubare Materialien

Ecoflex ® ist ein biologisch abbaubarer Kunststoff auf Basis aliphatisch aromatischer Copolyester. Er hat ähnliche Verarbeitungseigenschaften wie
PE-LD und eignet sich daher für Folienverpackungen. (Quelle: Pressefoto BASF)

Polyvinylalkohol wurde erstmals 1924 hergestellt und ist unter dem Kurzzeichen PVOH in Gebrauch. Besonderes Merkmal ist die Wasserlöslichkeit, wodurch sich der Kunststoff vor allem für wasserlösliche Folien und Verpackungen eignet.

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Eigenschaften  thermoplastisch // hohe Flexibilität // Eigenschaften abhängig von Luftfeuchte // hohe Zugfestigkeit // beständig gegen Lösungsmittel // adhäsive Qualitäten Nachhaltigkeitsaspekte  nicht aus nachwachsenden, sondern aus fossilen Rohstoffen // biologisch abbaubar nach Lösung in Wasser

BIOlogisch abbaubare Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

PVOH ist ein Kunststoff mit thermoplastischen Eigenschaften und einer weißlich gelben Farbigkeit. Er hat exzellente adhäsive Eigenschaften. Sowohl die Zugfestigkeit als auch die Flexibilität sind sehr hoch. Die mechanischen Eigenschaften sind allerdings abhängig von der Luftfeuchtigkeit, da der Kunststoff Wasser absorbiert, was ihn zunächst weich werden lässt und später ganz auflöst. Gegen Öle, Fette und Lösungsmittel ist der Kunststoff beständig. PVOH riecht nicht und dünstet keine gefährlichen Dämpfe aus.

Wasserlöslicher Polyvinylalkohol (PVOH)

Verwendung und verarbeitung

Hauptanwendungsgebiet ist der Verpackungsbereich, wo Polyvinylalkohol vor allem für wasserlösliche Verpackungen (z.B. Badekugeln) eingesetzt wird. Als Adhäsions- und Verdickungsmittel ist er enthalten in Shampoos, Salben, Klebstoffen, Latexlacken und Haarsprays. Außerdem wird er zur Herstellung von Knetmassen und als Dichtemittel in Hygieneprodukten verwendet. Die guten adhäsiven Eigenschaften werden zudem in der Papierindustrie genutzt. Als Bindemittel verbessert PVOH die Helligkeit von Papier. Bei der Herstellung von Faserverbundkonstruktionen kommt er als Formentrennmittel zum Einsatz. Mit Weichmachern (z.B. Glycerin) kann Polyvinylalkohol zu lederartigen Erzeugnissen verarbeiten werden. Polyvinylalkohol bildet in der Textilproduktion meist die schützende Schicht für gesponnene Garne. Er kommt als Bindermaterial beim Metal Injection Molding (Seite 183) zum Einsatz. Wie andere thermoplastische Kunststoffe kann auch Polyvinylalkohol mit den üblichen Verarbeitungstechniken Extrudieren, Spritzgießen und Tiefziehen zu Folien, Beuteln, Behältern, Kanistern und Schalen verarbeitet werden. Die Folienproduktion durch Blasen oder Gießen hat nur geringe Bedeutung.

Badekapseln aus PVOH

Produkte

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Gohsenol Unter der Marke Gohsenol ist in Japan ein Polyvinylalkohol auf dem Markt erschienen, der mit seiner Wasserlöslichkeit und chemischen Stabilität in vielen technischen Bereichen wie der Textil- und Papierindustrie Anwendung findet.

PVOH-Einsatz in Dispersionsfarben (Quelle: Kuraray Europe GmbH)

Wasserlösliche PVOH-Folien (Quelle: Kuraray Europe GmbH)

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Darüber hinaus wird Gohsenol zur Herstellung von Beschichtungen verwendet und kommt in kosmetischen Produkten und der Pharmazie zum Einsatz. Sokufol  Vor allem für den Verpackungsbereich sind wasserlösliche PVOH-Folien und -Beutel entwickelt worden. Sie haben hohe Barriereeigenschaften für Gase, sind ungiftig und lösungsmittelbeständig. Sobald sich PVOH-Folien im Wasser aufgelöst haben, sind sie biologisch abbaubar. Die Lösung wird von Mikroorganismen in den Kläranlagen zu Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. In der Müllverbrennung wird PVOH-Folie rückstandsfrei in CO2 und Wasser überführt.

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Die knapper werdenden Ressourcen machen das Denken in Werkstoffkreisläufen immer notwendiger. Heute können gebrauchte Kunststoffe aufgrund von Verschmutzungen selten ihrer Ursprungsnutzung zugeführt werden. Für die Zukunft wird es aber notwendig sein, genutzte Rohstoffe nach Beendigung von Produktlebenszyklen vollständig rückzuführen und die eingesetzte Energie zu erhalten. Möglich machen ganzheitliche Kreisläufe nun in Laugen lösliche Kunststoffe,deren Löslichkeit sich in Zeitpunkt und Lösungsgeschwindigkeit programmieren lässt. Materialkonzept und Eigenschaften

Diese besondere Eigenschaft wird bei einem Polymer auf Basis von Acrylaten und Styrol durch Einbau von Carboxylgruppen erzielt. Der Kunststoff ist unter Wasser beständig, lässt sich jedoch unter Einfluss von alkalisch-wässrigen Lösungen auflösen. Selbst aus vermischten Abfällen ist damit die sortenreine Rückgewinnung möglich, da andere Kunststoffe sich nicht in Lauge lösen lassen. Die extrahierten Polymerketten werden gereinigt und durch Senken des pH-Werts mit einer schwachen Säure wieder ausgefällt. Die Qualität des recycelten Materials ist vergleichbar mit der des Ausgangsmaterials.

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65

Polyviol  Durch die hohe Adhäsion von Polyviol  an an­ organischen Pigmenten wie Kaolin und Kalzium­ karbonat wird das Polymer vor allem als optischer Aufheller in der Papier- und Kartonindustrie genutzt.

BIOlogisch abbaubare Materialien

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Elvanol  Zu den wichtigsten Anwendungen der Elvanol  Polyvinylalkohol-Familie gehören Klebstoffe für Papier, Holz, Textilien, Leder und andere Wasser aufnehmende Substrate, Beschichtungen für Textilien, wasserlösliche aber gasdichte Folien sowie Bindemittel für pigmentierte Papierbeschichtungen.

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Mowiol  Diese PVOH-Produkte finden breite Anwendungsmöglichkeiten. Sie verbessern die Weiße von Papier, kommen als Bindemittel in lichtempfindlichen Substanzen zur Anwendung und unterstützen die Herstellung von Salben und Emulsionen. Als Füllstoffe sind sie in Dispersions­farben enthalten.

Eigenschaften  thermoplastische Verarbeitungsqualitäten // programmierbare Löslichkeit // Gebrauchseigenschaften ähneln Polystyrol // Recycling ohne Qualitäts­verlust Nachhaltigkeitsaspekte  abbaubarer Kunststoff // vollständige Rückführung der Rohstoffe in den Werkstoffkreislauf

Laugenlösliche Kunststoffe

Müllaufkom men nach einer Veranstaltung (Quelle: Belland)

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Verwendung und verarbeitung

Die Verwendungsmöglichkeiten des thermoplastischen Polymers sind mit denen des Massenkunststoffs Polystyrol vergleichbar. Die Verarbeitung ist daher auf allen üblichen Produktionsanlagen für die Extrusion, das Tiefziehen oder Spritzgießen möglich. Die besondere Löslichkeit prädestiniert den Werkstoff vor allem als Verpackungswerkstoff (z.B. Cateringgeschirr, Folien, Schalen, Etikette, Heißkleber). Weitere Einsatzgebiete sind medizinische Klebebänder zum temporären Fixieren von OP-Tüchern oder temporäre Beschichtungen. Beim Waschen wird das Klebeband vollständig entfernt, und die Tücher können wiederverwendet werden.

BIOlogisch abbaubare Materialien

Medizinisches Klebeband (Quelle: Belland)

Obwohl Polycaprolactone auf Erdöl basieren, sind die Kunststoffe biologisch abbaubar. Die Verrottung wird durch Mikroorganismen eingeleitet, die den Werkstoff unter Ausschluss von Sauerstoff zersetzen. In der Erde wird er innerhalb weniger Tage abgebaut. Der aerobe Abbau in Klärschlamm dauert etwas länger.

Laugenlösliches Einweggeschirr (Quelle: Belland)

Eigenschaften  thermoplastische Verarbeitungsqualitäten // Zersetzung durch Mikro­ organismen // Eigenschaften ähneln Polyethylen // hohe Elastizität // niedrige Schmelztemperatur Nachhaltigkeitsaspekte  biologisch abbaubar

Materialkonzept und Eigenschaften

Da die Kristallstruktur von Polycaprolactonen der des Massenkunststoffs Polyethylen ähnelt, verfügten sie auch über ähnliche thermoplastische Qualitäten. Sie sind leicht zu verarbeiten, können mit Naturrohstoffen wie Lignin oder Stärke vermischt werden und haben bei Raumtemperatur elastische Eigenschaften. Da der Kunststoff bei etwas über 60 °C schmilzt, ist bei der Anwendung ein abrupter Temperaturanstieg auszuschließen. Der Kunststoff kann stark gedehnt werden, bevor er reißt. Die Zugfestigkeit liegt bei 26 bis 42 N/mm2. Polycaprolactone dünsten keine giften Stoffe aus. Sie haften gut auf anderen Oberflächen und können leicht mit anderen thermoplastischen Kunststoffen vermischt werden.

setzt. Sie können die kontrollierte Abgabe von Medikamenten oder Dünger unterstützen und werden als Wundverbände oder Heizschmelzkleber genutzt.

Verwendung

Produkte

Mit diesem besonderen Eigenschaftsprofil finden Polycaprolactone vor allem in abbaubaren Verpackungen wie Flaschen und Folien Verwendung und werden in medizinischen Bereichen einge-

Capromer Unter Capromer bietet BASF mehrere Polycaprolacton-Typen an, die als Bausteine zur Herstellung von Polyurethanen und Gießelastomeren

Polycaprolactone

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sowie als Bindemittel für Beschichtungssysteme und Klebstoffe dienen.

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Capa  Diese Polycaprolacton-Typen sind teilkristallin, besitzen einen niedrigen Schmelzpunkt und eine geringe Viskosität. Sie sind hochverträglich mit einer Vielzahl anderer Polymere und ungiftig. Die Grundfarbe der Werkstoffreihe ist weiß. Sie werden allerdings nicht im medizinischen Bereich verwendet.

67 BIOlogisch abbaubare Materialien

Eingebettet in Mikrokugeln aus Polycaprolactonen (PCL) wartet das Pflanzenschutzmittel auf seine Freisetzung. (Quelle: BASF Pressefoto)

68 RecyclingMaterialien

Recyclingkunststoffe…072 — Recyclingelastomere…074 — Recyclingstahl…075 — Recyclingkupfer…076 — Recyclingaluminium…077 — Recyclingglas…078 — Schaumglas (Blähglas)…080 — Recyclingmineralwerkstoffe…082 — Recyclingtextilien…083 — Leder­faserstoffe…085 — Holzverbundmaterialien…085 — Holzbeton…087 — Papier aus organischen Abfällen…088 — Recyclingpapier…089

— 03 —

69 RecyclingMaterialien

70 RecyclingMaterialien

Spätestens seit sich abzeichnet, dass neben Erdöl auch andere Ressourcen in den kommenden Jahrzehnten zur Neige gehen, wird der Wiederverwendung, also dem Recycling, von Werkstoffen ein zunehmend größerer Stellenwert beigemessen. Nach heutiger Expertenmeinung wird sich die Erdölförderung bis 2030 nahezu halbiert haben. Auch wird es Probleme bei der Beschaffung wichtiger Metalle wie Gallium, Neodym, Titan oder Indium geben, die für Zukunftstechnologien wie Dünnschichtsolarzellen, energieeffiziente Flachbildschirme oder Elektromagnete für Hybridfahrzeuge eine entscheidende Bedeutung haben. Vor allem die Aufbereitung von Metallen wie Stahl, Aluminium oder Kupfer, das Sammeln und erneute Aufschmelzen von Glas sowie die Wiederverwendung von Altpapier werden bereits seit einigen Jahrzehnten erfolgreich praktiziert. Dies spart nicht nur Werkstoffressourcen, sondern reduziert auch signifikant den Energie­bedarf für die Materialproduktion. So werden je verwendeter Tonne Weißblechschrott in der Stahlproduktion beispielsweise 1,5 Tonnen Eisenerz und rund 650 Kilogramm Kohle eingespart. Wichtige Voraussetzung für die Wiederverwertbarkeit ist meist die sortenreine Trennung der Abfallmaterialien. Daher wurde eine Reihe von Technologien entwickelt, um einen problemlosen Recyclingprozess zu ermöglichen. Ein Beispiel ist das Recycling von Getränkekartons, die aus einem Verbund von 80 Prozent Papier, einer PE-Folienbeschichtung und einer hauchdünnen Aluminiumkaschierung bestehen. Diese werden zerkleinert und die Schnipsel in ein Wasserbad eingebracht, in dem der Zellstoff aufquillt und entnommen werden kann. Das Folienmaterial schwimmt nach oben und lässt sich ebenso wiederverwenden wie das wesentlich schwerere Aluminium für zum Beispiel die Herstellung von Plattenwerkstoffen oder Zementprodukten.

71 RecyclingMaterialien

Gebrauchte Getränkekartons

3. Verwertung Restverbund 1. Zerreißen und Trennen

zement

Rohgestein

hygienepapiere, wellpappe

2. Verwerten der Fasern

Recycling von Getränkekartons (Quelle: ALBA DASS Betriebs GmbH)

72

Der Markt der auf nachwachsenden Rohstof­ fen basierenden Kunststoffe ist noch klein. Die Masse der für Design und Architektur zur Verfügung stehenden Polymerwerkstoffe geht auf Erdöl zurück. Daher ist die Ver­ wendung von Kunststoffen unter Umwelt­ gesichtspunkten noch immer kritisch zu sehen. Betrachtet man jedoch den gesamten Lebenszyklus eines Produktes samt Herstel­ lung, Transport und Entsorgung, schneiden Kunststoffe meist besser ab als einige der klassischen Materialien.

Nachhaltigkeitsaspekte  Obwohl selten durchgeführt, ist die Wiederverwendung thermoplastischer Kunststoffe möglich // Recyclate von Duroplasten dienen als Verstärkungs­ material // Energieeinsparung im Vergleich zur Neuproduktion

RecyclingMaterialien

Recyclingkunststoffe

Materialkonzept und Eigenschaften

Die vielfach konkurrenzlosen Qualitäten polymerer Werkstoffe sind vor allem auf die Möglichkeiten zur nahezu idealen Anpassung des Eigenschaftsprofils auf den Anwendungszweck zurückzuführen. Das geringe Gewicht von Kunststoffen macht einen energieeffizienten Gebrauch möglich und hat positiven Einfluss auf einen ressourcenschonenden Transport. Durch Integration von Funktionselementen in ein Kunststoffbauteil kann die Teileanzahl in einer technischen Konstruktion reduziert und der Produktionsaufwand verringert werden.

Entsorgungsmethoden für Kunststoffe nach Handbuch für technisches Produktdesign Wiederverwertung

Recycling thermoplastischer Kunststoffe (Quelle: ALBA DASS Betriebs GmbH)

Werkstoffliches Verwerten sortierter Kunststoffverpackungen

Zerreißen und Trennen

Trocknen und Umschmelzen

Produktrecycling

Erzeugnismehrfachnutzung für gleiche oder unterschiedliche Zweckbestim mung

Stoffrecycling

Wiederverarbeitung aufbereiteter Rücklaufmaterialien (Recyclate) als Regenerate bzw. Regranulate

Verarbeiten

Blumenkästen, Rohre, Getränkekästen

Folien

ps

1

san

6

abs

6

1

1

pa

5

6

6

1

PET

pe-ld

pe-hd

pp

PVC

pc

pmma

pa

abs

Mischbarkeit verschiedener Kunststoffe nach Handbuch für technisches Produktdesign san

Chemisches Recycling durch Stoffumwandlung (Pyrolyse, Salvolyse u.a.)

Endlagerung

Die Qualität der Wiederverwendung ist stets abhängig von der sortenreinen Trennung thermoplastischer Abfallprodukte. Ist dies nicht möglich, besteht immer noch die Möglichkeit zur Herstellung von Polymerblends oder dickwandigen Kunststoffprodukten. Polymerblends sind Gemische aus mehreren thermoplastischen Kunststoffen, deren Eigenschaften sich durch die Zusammensetzung sehr gut bestimmen lassen. Bei der Herstellung muss allerdings auf die Mischbarkeit zwischen den einzelnen Thermoplasten geachtet werden. Neuere Aufbereitungstechniken machen

Bank aus Durat ® von Karim Rashid (Quelle: Durat ®)

ps

Nach Beendigung der Produktlebensdauer bieten Polymerwerkstoffe vielfältige Verwertungsmöglichkeiten. Die einfachste ist die Wiederverwendung eines Bauteils mit gleicher Funktion (z.B. Kunststoffpaletten, Getränkekästen). Vor allem thermoplastische Kunststoffe (z.B. PP, PA, PMMA oder PET) bieten die Möglichkeit zum Recycling. Sie lassen sich unter Wärmezufuhr erweichen und können zu in der Kunststoffverarbeitung verwendbaren Granulaten umgeschmolzen werden. Bei der Produktion von Hochleistungskunststoffen ist die Verwendung von Altkunststoffen aufgrund der schlechter werdenden Qualität jedoch meist unüblich. Eingeschränkte Recyclingmöglichkeiten weisen auch duroplastische Harzsysteme und elastomere Kunststoffe auf. Hier sind die Verwertungsmöglichkeiten auf die chemische Stoffumwandlung in die Grundbestandteile und die Nutzung von zerkleinerten Recyclaten als Füllstoff begrenzt.

Energierecycling

Verbrennung von Abfall-, Alt- und Reststoffen

Deponierung

Kompostierung biologisch abbaubarer Stoffe Kompostierung biologisch abbaubarer Stoffe

1 Kunststoffherstellung

pc

6

2

2

6

1

pmma

4

1

1

6

1

1

PVC

6

2

3

6

5

1

1

pp

6

6

6

6

6

6

6

Kunststoffverarbeitung

Kunststoffanwendung

1

pe-ld

6

6

6

6

6

6

6

6

1

pe-hd

6

6

6

6

6

6

6

6

6

1

PET

5

6

5

5

1

6

6

6

6

6

1 = gut mischbar

6 = schlecht mischbar

1

Institutioneller Verbrauch

Individueller Verbrauch

z.B. Gewerbe, Logistik, Landwirtschaft

Haushalt

die Überführung grob sortierter Kunststoffabfälle zu Pfosten, Bänken oder Spielplatzgeräten möglich. Hierzu werden die Reste zerkleinert in einem Extruder erwärmt und zu einer teigigen Masse umgewandelt. Diese ist Ausgangsmaterial für die Herstellung von Bauteilen in Formpressen.

73 RecyclingMaterialien

Verwendung und Verarbeitung

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Waschbecken aus Durat ® mit einem Recyclinganteil von 30 % (Quelle: Durat ®)

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Plattenmaterial aus alten Handyschalen (Quelle: Smile Plastics™)

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Edilfiber  Dieses Material wurde zur Wärmedämmung und Schallisolierung speziell für das Baugewerbe entwickelt. Es basiert zu 80 Prozent auf PET der kommunalen Abfallwirtschaft. Edilfiber  enthält keine giftigen Zusatzstoffe oder Bindemittel und ist daher unbedenklich für den menschlichen Organismus. Sowohl die mechanischen als auch akustischen Eigenschaften bleiben über einen längeren Zeitraum bestehen. Das Material kann zu 100 Prozent recycelt werden.

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Varia Ecoresin In den letzten Jahren haben sich zahlreiche Kunstharzplatten für den Innenausbau, als Raumteiler und für Türen am Markt etabliert, in die so ziemlich alles eingegossen wurde, was aus ästhetischen Gründen sinnvoll erschien. Die Verwendung organischer Materialien wie Rosenblätter, Bananenfasern oder Bambusringen ist aus Umweltgesichtspunkten ebenso positiv zu bewerten wie der Recyclinganteil bei der Kunstharzproduktion in Höhe von 40 Prozent. Über einen Konfigurator lässt sich auch selber Hand anlegen. Unter Kombination verschiedener Strukturen und Inhaltsstoffe können Gestalter Materialeindrücke erproben und den eigenen Werkstoff entwickeln.

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Durat  Durat  ist ein massiver Werkstoff für Oberflächen im Interiordesign, der mit einer Standard­ stärke von 12 mm vertrieben wird. Er basiert auf Polyester und hat einen Rohstoff-Recyclinganteil von 30 Prozent. Durat  ist extrem strapazierfähig und widerstandsfähig gegen den Einfluss von Feuchtigkeit und Chemikalien. Die samtweich wirkende Oberfläche kann durch leichtes Schleifen erneuert werden.

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Siotec  Siotec  setzt sich zu 30 Prozent aus recyceltem Kunststoff und zu 70 Prozent aus Sand zusammen. Bei einer bestimmten Temperatur verschmelzen

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Keridur  Keridur  ist eine Verbundtafel auf Basis von recyceltem PVC, die ausgesprochen gute Leichtbaueigenschaften besitzt. In mobilen Anwendungen zum Beispiel im LKW- oder Schiffsbau weisen Keridur  -Platten ein Gewicht auf, das bei rund 40 Prozent dessen der Konkurrenzprodukte liegt. Gleichzeitig besitzt die Struktur aus Wabenkern und Deckschichten eine hohe Stabilität. Das PVCRecyclat wird zu 85 bis 95 Prozent aus alten Fensterrahmen und Verpackungsfolien gewonnen. Es findet Einsatz im Fassaden- und Innenausbau und wird für Betonverschalungen genutzt.

produkte

Tectan  Das Material Tectan  basiert auf benutzten Getränkekartons und Reststoffen der Verpackungsherstellung. Die Ausgangsstoffe werden sortiert, in 5 mm große Partikel zerkleinert und thermisch behandelt. In einem speziellen Verfahren entsteht ein Papier-/Kunststoffgranulat, das sich durch Spritzgießen verarbeiten lässt. Typische aus Tectan  hergestellte Produkte sind Behälter, Kantenschutz und Hülsenstopfen.

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Auf dem Kunststoffmarkt hat sich in den letzten Jahren eine Reihe von Recyclingangeboten entwickelt. Diese kommen in den unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz und weisen meist unveränderte Verarbeitungseigenschaften auf. Zudem sind Plattenmaterialien oder Filze erhältlich, die aus Kunststoffabfällen erzeugt werden. Einige Designer haben mit Möbelentwürfen auf Basis recycelter Polymere von sich reden gemacht.

Smile Plastics Das Unternehmen aus England hat sich seit 1994 konsequent auf die Herstellung von Polymerwerkstoffen aus Kunststoffschrott wie Flaschen, CDs, Rohren, Gummistiefeln oder Handyschalen spezialisiert. Die Altmaterialien werden zerkleinert und in Formpressen unter Wärmezufuhr zu Platten gepresst. Mit ihrer speziellen Anmutung sind sie ideal geeignet für die Verwendung im Möbel- und Interiordesign, für Tischplatten, als Thekenverkleidung oder als wasserfester Bodenbelag in Bad und Küche.

die Komponenten miteinander. Es entsteht ein Baumaterial mit witterungsbeständigen, wärmedämmenden, säureresistenten und schlagfesten Eigenschaften. Die Bruchsicherheit übersteigt die von Beton. Zudem ist Siotec  rund 30 Prozent leichter. Das Material kann auf einfache Weise verarbeitet werden, ist schweißbar und lässt sich kleben. Typische Anwendungen sind wasser- und dampfundurchlässige Bäderwände, Säureauffangwannen oder die Wandplatten von Ställen. Siotec  kann mehrfach recycelt werden.

Plattenmaterial aus alten Gum mistiefeln (Quelle: Smile Plastics™)

Da sich Elastomere unter Wärmeeinfluss nicht plastifizieren lassen, ist das Recycling elastomerer Kunststoffe nicht ganz so einfach. Wurden die elastomeren Rohstoffe aus Reifen, Bodenbelägen, Schläuchen oder Schuhsohlen lange Jahre auf Mülldeponien gelagert, hat man heute ihre Recyclingpotenziale erkannt. Sie werden zu Granulat zerkleinert oder zu feinem Pulver gemahlen. Dieses findet als Verstärkungsmaterial in Kunststoffen Verwendung und wird in einer ganzen Reihe von Anwendungen eingesetzt. Materialkonzept und Eigenschaften

Recycelte Elastomere haben ähnliche Qualitäten wie das Ursprungsmaterial. Die durch Zermahlen entstehenden Partikel weisen eine besonders große Oberfläche auf und zeigen hervorragende isolierende Qualitäten und Antirutscheigenschaften. Sie lassen sich in gummiartige Harze eingießen. Der Gewichtsanteil von Recyclinggranulat in Fußböden, Matten und Wandelementen kann bis zu 70 Prozent betragen. Fein gemahlenes Pulver wird Formmassen beigemischt und lässt sich bei einem Gewichtsanteil von bis zu 10 bis 20 Prozent in konventionellen Spritzgießanlagen verarbeiten.

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Eigenschaften  elektrische und thermische Isolationseigenschaften // Antirutsch­ qualitäten // stoßdämpfend // wasserfest Nachhaltigkeitsaspekte Wiederverwendung elastomerer Abfallmaterialien // je nach Verwendung erneut recyclingfähig

RecyclingMaterialien

Recyclingelastomere

Verwendung und Verarbeitung

Elastomeres Recyclinggranulat kann hervorragend in Laufbahnen, Böden von Spielplätzen, Fallschutzmatten oder in Komponenten für Stadtmobiliar und den Straßenbau verwendet werden. In loser Form wird es als Einstreugranulat für Kunstrasen genutzt. Dies ermöglicht gelenkschonenden Sport und verringert die Gefahr des Wegrutschens. Als Verstärkungsmaterial kommt es in Schuhsohlen, Schreibwaren, Kofferrollen und Kfz-Zubehörteilen zum Einsatz. Produkte

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SOCC Gran  Gummigranulat wird in Kunstrasen eingestreut, um Stöße abzufedern und den Körper vor Überbelastungen zu schützen. SOCC Gran  ist ein Recyclingprodukt, das auf alte Fahrzeugreifen zurückgeht. Die Verwendung des Recycling­materials ist nur halb so teuer wie Neugummigranulat. Um die Spielqualitäten eines Naturrasens nachzubilden, kommen auf einem Fußballplatz 40 bis 90 Tonnen Granulat zum Einsatz. Das Material dämpft Schwingungen und senkt die Verletzungsgefahr.

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DalLastic  Dieser Markenname steht für einen Bodenbelag für den Außenbereich, der zu 100 Prozent aus Recycling-Gummigranulat gefertigt wird. Es wird in farbigem Polyurethan-Harz gebunden,

DalLastic ® Bodenbelag

Däm m matte aus recycelten Elastomeren

ist daher wasserfest und gilt als Alternative zu herkömmlichen Bodenbelägen aus Holz, Keramik oder Stein. DalLastic  ist in Dicken zwischen 30 und 90 mm erhältlich. Typische Anwendungen sind die Bereiche um einen Swimmingpool, begrünte Flächen auf Dächern oder die Böden von Balkonen und Terrassen.

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Auflager

Ausgleichsstreifen 2 mm oder 5 m m

30 m m

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InstaCoustic Cradle  Dieses Material setzt sich zu über 90 Prozent aus Fasern und Granulat recycelter Altreifen zusammen. Es weist sehr gute elektrische und thermische Isolationseigenschaften auf. So wird das Material beispielsweise als Dämmstoff für Fußböden eingesetzt.

InstaCoustic Cradle ®

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Isolgomma RTA  Isolgomma RTA  wurde zur Schalldämmung entwickelt und besteht zu 90 Prozent aus recyceltem Elastomergranulat. Dieses ist zusammen mit Korkpartikeln in eine Latex-Matrix eingebunden. Es eignet sich zur Verbesserung der akustischen Qualitäten im Bauwesen und wird meist in Fußböden oder Wandelementen verbaut.

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Basisplatte 30 m m oder 10 m m

DalLastic ® Bodenbelag für Außenanwendungen

Obwohl in den letzten Jahren eine Ablösung von Eisen- und Stahlerzeugnissen durch leichtere Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium sowie faserverstärkte Kunststoffe beobachtet werden kann, sind Eisenlegierungen immer noch die bedeutendsten Metallwerkstoffe für industrielle Erzeugnisse. Aufgrund der ökonomischen Produktion sowie der Möglichkeit zur Veränderung der Materialqualitäten durch eine Wärmebehandlung oder Zulegieren mit anderen Metallen, bilden Eisen und Stahl die Grundlage für 90 Prozent aller Metallanwendungen. Rund 40 Prozent der gesamten Stahlproduktion (45 Prozent bei Stahlblechen) basieren heute auf Recyclingstahl. Neue Verfahren unterstützen die Erschließung von Einsparpotenzialen bei der Herstellung von Stahlerzeugnissen aus Alteisen im Vergleich zu der aus Roheisen.

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Nachhaltigkeitsaspekte  Recycling generell // verbesserte Energiebilanz durch neue Verfahrenstechnik // Reduzierung des CO²-Ausstoßes um 85 Prozent // Reduktion von Umweltzerstörung durch geringeren Erzbedarf

RecyclingMaterialien

Recyclingstahl

Materialkonzept und Eigenschaften

Stahl kann ohne Qualitätseinbuße und ohne Beschränkung eingeschmolzen und zu Bauteilen geformt werden. Hierzu kommt das Elektrolichtbogenverfahren zum Einsatz. Stahlschrott wird mit Elektroden auf elektroinduktivem Weg bei einer Temperatur von rund 3.500 °C zu Rohstahl aufgeschmolzen. Selbst Edelstahlreste und Legierungselemente mit hohen Schmelzpunkten können mit dieser Technologie verwertet werden. Um Wärmeverluste zu verringern, wird die entstehende Schlacke in modernen Anlagen aufgeschäumt und isoliert den heißen Stahl gegenüber der Ofenwand. Auf diese Weise können der Energieverbrauch um 70 Prozent und der CO2-Ausstoß um 85 Prozent verringert werden. Die Schlacke wird anschließend in der Zementindustrie verwendet. Mit einem Anteil von 0,06 bis 2,06 Prozent enthält Stahl im Vergleich zu Eisen wesentlich weniger Kohlenstoff. Die Dehnbarkeit wird deutlich erhöht. Er ist daher nicht hart und spröde wie Eisenwerkstoffe und kann sehr gut umformend verarbeitet werden. Durch Beimischen von anderen Metallen wie Aluminium, Kobalt oder Vanadium können die Stahleigenschaften an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Dies ist auch bei der Verwendung recycelter Stahlsorten möglich. Chrom führt zu einer Verbesserung der Verschleißeigenschaften, Wolfram macht Stahl warmfester. Während durch Beimischen von Silizium die Zerspanbarkeit erhöht wird, werden mit Mangan Durchhärtung und Zähigkeit verbessert.

Unsortierte Metallabfälle (Quelle: Becker GmbH Metall- und Schrotthandel)

sondern wird in der Bauindustrie als Armierungsstahl, Walzprofil oder grobe Bleche für den Stahlbau genutzt. In der Schweiz beispielsweise liegt der Anteil des in der Baubranche verwendeten Recyclingstahls bei nahezu 100 Prozent. Im Verpackungsbereich gehen heute rund 60 Prozent des Stahls auf recyceltes Material zurück. Für Architekten und Bildhauer ist die Korrosionsneigung unlegierter Stahlsorten besonders interessant. In den letzten Jahren sind eine ganze Reihe von Skulpturen und Installationen entstanden, die den rotbraunen Rost als ästhetisches Gestaltungsmerkmal nutzen. Erst nach einer gewissen Zeit entfaltet die entstehende Patina ihre eigentliche Farbigkeit. Funktionsweise des Elektrolichtbogen­ verfahrens nach Handbuch für technisches Produktdesign

Filteranlage

Stahlbänder auf der Rolle (Quelle: ferrex)

Kohlenelektronen

Schrott und Eisenschwam m abnehmbarer Deckel Ofengefäß

Stahl

Schlacke

Verwendung

Recyclingstahl findet heute in nahezu allen Produktbereichen Verwendung. In aller Regel gelangt Autoschrott nicht mehr in die Produktion,

Pflock aus verrostetem Stahl Stahlpfanne

Schlackenpfanne

Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit, besonderen mechanischen Eigenschaften und der sehr guten thermischen sowie elektrischen Leitfähigkeit zählen Kupfer und seine Legierungen (Bronzen, Messing) seit jeher zu den bedeutendsten metallischen Werkstoffen für Architektur, Sanitäranlagen, den Kesselbau sowie Wasser- und Stromleitungen. Da es nach Gebrauch ohne Qualitätsverlust vollständig rückgewonnen werden kann, hat Kupfer eine besonders hohe Recyclingquote. Das European Copper Institute schätzt, dass circa 80 Prozent des Kupfers, das die Menschheit seit der Antike gewonnen hat, noch in Gebrauch ist. 40 Prozent des weltweiten Kupferbedarfs wird durch Recyclingprodukte gedeckt. In Deutschland liegt der Recyclinganteil sogar bei 50 Prozent. Materialkonzept und Eigenschaften

Recyclingkupfer kann mit geringem Energieaufwand aus Schrott oder elektrischen Kabeln, Draht und Rohren wiedergewonnen werden. Es hat die gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften wie der Primärrohstoff. Da die Kupferhütten einen Reinheitsgrad des Recyclingkupfers von 99,99 Prozent gewährleisten wollen, wird Elektroschrott zerkleinert und die enthaltenen Kunststoffe, eisenhaltigen Metalle und Kupferkomponenten voneinander getrennt. Reststoffe der Kupferproduktion werden in geschlossenen Werkstoffkreisläufen rückgeführt. Aufgrund des hohen Materialwertes ist die Ablagerung von Kupferabfällen auf Deponien heute weitgehend ausgeschlossen.

10 €-Cent-Stück aus „Nordischem Gold“

Kupferabfälle (Quelle: NordSchrott International GmbH)

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Nachhaltigkeitsaspekte  recyclingfähig ohne Qualitätsverlust // geringer Energieaufwand zur Wiederaufbereitung

RecyclingMaterialien

Recyclingkupfer Das Eigenschaftsprofil des reinen Kupfers kann durch Beimischen von Legierungselementen auf den Anwendungsfall ausgelegt werden. So haben vor allem Legierungen aus Kupfer und Zink wie Messing oder solche aus Kupfer und Zinn eine hohe Bedeutung in vielen Einsatzfeldern. KupferZinn-Legierungen mit einem Kupfergehalt von mindestens 60 Prozent werden als „Bronzen“ bezeichnet. Entsprechend dem Anteil der verschiedenen Legierungselemente unterscheidet man Phosphor-, Zinn-, und Aluminiumbronzen. Der Zusatz von Nickel führt zu einer silberweißen bzw. edelstahlartigen Oberfläche. Kupferlegierungen mit Zink und Nickel sind als Neusilber bekannt.

durch Bewitterung über die Jahre entsteht, lässt sich mit drei Teilen Kupfercarbonat, einem Teil Ammoniumchlorid (Salmiak), einem Teil Kupferacetat, einem Teil Weinstein und acht Teilen Essigsäure (Essigessenz) künstlich erzeugen.

Verwendung und verarbeitung

Da Kupferblech leicht zu verarbeiten ist, eine sehr gute Wetterbeständigkeit aufweist und interessante optische Qualitäten zeigt, sind Kupferwerkstoffe in den letzten Jahren für Dächer und als Fassadenmaterial besonders beliebt. Weitere für Designer und Architekten interessante Anwendungen für recycelte Kupfermaterialien sind Komponenten für den Schiffsbau, dekorative Wandplatten für das Interiordesign sowie Elemente in Türen oder Fenstern. Die antibakteriellen Eigenschaften machen es vor allem für Griffe, Klinken und Münzen interessant. So bestehen die 10, 20 und 50 €-CentStücke aus sogenanntem „Nordischem Gold“, einer Legierung aus 89 Prozent Kupfer, 5 Prozent Aluminium, 5 Prozent Zink und 1 Prozent Zinn. Auch Formgedächtnislegierungen werden häufig auf Basis von Kupfer erstellt. Diese haben in der jüngeren Vergangenheit Einsatz in Produkt- und Modedesign gefunden. Recyceltes Kupfer oder Kupferlegierungen werden in der Regel durch Gießen formgebend oder unter Wärmeeinfluss umformend verarbeitet. Sie können geschweißt oder gelötet werden und sind für eine Oberflächenbehandlung bestens geeignet. Kupferwerkstoffe lassen sich mit chemischen Mitteln dauerhaft färben. Die aus ästhetischen Gründen oft gewünschte grünliche Patina, die

Fassade aus Kupferblechen (Quelle: Bauklempnerei Peter Ness)

Die Aluminiumgewinnung aus Bauxit ist äußerst energieaufwendig. Im Vergleich dazu wird für die Kupferproduktion etwa nur 1 Prozent dieser Energie benötigt. Doch wegen seines geringen Gewichts und der einfachen Verarbeitbarkeit finden Aluminiumlegierungen breite Anwendung in industriellen Erzeugnissen. Deshalb wird in den meisten Industrienationen mittlerweile ein Drittel der Aluminiumproduktion aus recyceltem Sekundäraluminium gewonnen. Denn die Aufbereitung von Aluminiumschrott benötigt nur etwa 10 Prozent der Energie im Vergleich zur Erstgewinnung.

77

Nachhaltigkeitsaspekte  vollständig recyclingfähig bei gleichbleibenden Eigen­ schaften // Energieeinsparung im Vergleich zur Neuproduktion

RecyclingMaterialien

Recyclingaluminium

Materialkonzept und Eigenschaften

Aluminium kann vollständig recycelt werden, ohne seine ursprünglichen Eigenschaften zu verlieren. Hierzu muss es jedoch zunächst gereinigt und von Fremdkörpern befreit werden. Aluminiumoberflächen erkennt man an ihrer silbrig-weißen Farbe. Eine dünne Oxidschicht schützt das Metall vor Korrosion. Aluminium weist mit 2,7 g/cm3 eine im Vergleich zu anderen Metallen geringe Dichte auf. Aufgrund der niedrigen Gasdurchlässigkeit wird Aluminium oft zur Verpackung von Lebensmitteln verwendet. Die elektrischen Eigenschaften sind gut. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erfährt es meist eine Auflegierung mit Kupfer, Mangan, Magnesium oder Zink.

Gebrauchte aluminiumverpackungen

1. Zerreißen und Trennen

aluminiumdosen, -Folien, -Schalen

Verwendung und verarbeitung

Recycelte Aluminiumprodukte kommen in all jenen Bereichen zum Einsatz, wo auch Aluminiumschrott rückgeführt wird. Im Verkehrssektor beträgt der Recyclinganteil über 50 Prozent. Es folgen das Baugewerbe sowie der Verpackungsbereich. Aluminiumlegierungen können leicht umgeformt und gießtechnisch verarbeitet werden. Auch Schäumen ist möglich (siehe Metallschaum Seite 104). Produkte

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Alulife  Dieses Plattenmaterial wird aus nahezu 100 Prozent recyceltem Aluminium hergestellt und eignet sich mit seiner hochwertigen Oberflächenqualität für Fußböden, Türen, Tische, Regale und andere Möbel. Es ist sowohl für Indoor- als auch Outdoorumgebungen geeignet. Als Wandbeläge wird das 3 bis 5 mm dicke Plattenmaterial in verschiedenen Farbigkeiten angeboten.

4. Walzen

2. Abschneiden von Fremdstoffen

3. Schmelzen und Gießen

Recycling von Aluminium (Quelle: ALBA DASS Betriebs GmbH)

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Alkemi Dieser Verbundwerkstoff besteht zu knapp 40 Prozent aus Aluminiumspänen, die in eine Harzmatrix fest eingelagert sind. Das Plattenmaterial ist in einer Vielzahl von Farben erhältlich und eignet sich mit seiner geschlossenen und widerstandsfähigen Oberfläche für Küchen und Möbel. Es bietet zahlreiche ästhetische Potenziale in Kombination mit Stein, Glas und Kunststofflaminaten für den Innenausbau.

78 RecyclingMaterialien

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Alusion Bei der Herstellung von Aluminiumschäumen (vgl. Metallschäume Seite 104) kommt in aller Regel Recyclingaluminium zum Einsatz. Alusion ist ein Plattenmaterial mit offen- oder geschlossenzelliger Struktur, das nur 10 Prozent der Masse des Vollmaterials aufweist. Bei großen Poren ist der Aluminiumschaum durchlässig für Licht und kann beim Einsatz in Lampen attraktive Raumatmosphären erzeugen. Darüber hinaus wird es für Möbel und beim Innenaus- bzw. Messebau verwendet.

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Doluflex  Diese Sandwichplatte mit hochfesten Eigenschaften für den Leichtbau wird zu 50 Prozent aus recyceltem Aluminium hergestellt. Sie besteht im Kern aus einer trapezförmigen Aluminiumstruktur, auf die zwei Decklagen aufgebracht sind. In Kombination mit Edelstahl oder Deckschichten aus verzinktem Blech können vielfältige Lösungen für den Innenausbau erzielt werden. Das Plattenmaterial ist bis zu einer Kantenlänge von 3,5 Metern erhältlich.

Alkemi™ Plattenmaterial (Quelle: Alkemi™)

Glas ist ein amorpher Feststoff mit einer flüssigkeitsähnlichen Struktur. Dieser verdankt es seine lichtdurchlässigen Eigenschaften. Die weiteren Glaseigenschaften gehen auf seine chemische Zusammensetzung und die beigemischten Zusätze zurück. Entsprechend dem Einsatz können sie variiert werden.

Alusion™ Plattenmaterial (Quelle: Alusion™)

Nachhaltigkeitsaspekte  Schonung von natür­ lichen Rohstoffressourcen // energie­ effiziente Produktion // recyclingfähig

Materialkonzept und Eigenschaften

Recyclingglas

Ein nicht unerheblicher Teil der bei der Glasproduktion verwendeten Rohstoffe geht heute auf das Glasrecycling zurück. Aufgrund seiner Härte und Trägheit kann Glas nach der Reinigung zerkleinert und direkt in den Herstellungsprozess rückgeführt werden. Die ungeordnete Atomstruktur erleichtert die Beimischung von Fremdmaterialien. Allerdings richtet sich die Verwendbarkeit des recycelten Glasmaterials nach der jeweiligen Glassorte. Normales Gebrauchsglas kann dem Produktionsprozess ohne Qualitätsverlust unendlich viele Male zugeführt werden. Gläser mit einem Recyclinganteil von 100 Prozent basieren üblicherweise auf normalem Haushaltsglas.

79

Anwendung und verarbeitung

Produktbeispiele für den Einsatz von recyceltem Glas, die über Alltagsgegenstände hinausgehen, gibt es viele. Glasreste werden zur Herstellung von Trennwänden, Lampenschirmen, Fliesen und dreidimensional strukturierten Glaswerkstoffen genutzt. Plattenmaterialien aus recyceltem Glas sind ebenso am Markt erhältlich wie Mosaikfliesen mit einem Recyclatanteil zwischen 65 und 80 Prozent sowie Wandbeläge und Fußböden aus Glasabfällen. Gläsern aus recycelten Materialien stehen alle aus der Glasindustrie bekannten Verarbeitungstechniken zur Verfügung.

RecyclingMaterialien

Altglas

Glasflaschen gläser

1. Farbgetrenntes Erfassen in Containern

Produkte

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Bio-Glass  Dieses Plattenmaterial wird zu 100 Prozent aus recyceltem Glas hergestellt. Da es weder Additive noch Farbmittel enthält, kann es vollständig wiederverwertet werden. Für die Herstellung wird nur wenig Energie benötigt. Mit seiner besonderen Ästhetik und geschlossenen Oberfläche wird Bio-

4. Formen

2. Sortieren, Zerkleinern, Abschneiden

Einsatz recycelter Glaswerkstoffe in der Küche (Quelle: Coverings Etc)

3. Schmelzen Recycling von Glas (Quelle: ALBA DASS Betriebs GmbH)

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Glass  für Arbeitsplatten, Fußböden, Möbeloberflächen und im Interiordesign verwendet.

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Stax Stax Glasplatten werden auf Basis von Altglas durch Verschmelzen gestapelter Glasstücke hergestellt. Ergebnis ist eine Materialoberfläche mit dreidimensionaler Optik und lichtreflektierenden Flächen und Kanten. Ein Quadratmeter des Glases hat ein Gewicht von rund 14,5 kg, die Dicke variiert zwischen 1 und 1,5 mm. Durch Hinterkleben mit einer Spiegeloberfläche können die besonderen optischen Qualitäten überzeichnet werden. Zudem wird die Stabilität erhöht.

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Plattenmaterial aus recyceltem Glas (Quelle: Coverings Etc)

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Blazestone Blazestone wird ohne Zusatz von Oxiden oder Farbstoffen zur Hälfte aus dem Altglas von Fla-

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schen oder Fenstern hergestellt und für Keramikfliesen, Geschirr oder Dekoartikel verwendet. Trend Glasmosaike Mosaiksteine werden von Trend unter Einsatz von bis zu 80 Prozent recyceltem Glas im traditionellen quadratischen Format und Abmaßen von 20 x 20 mm sowie 15 x 15 mm hergestellt. Sie finden in Fußböden, als Wandbelag oder in Skulpturen Verwendung. Für den Einsatz im Außenbereich weisen die Mosaike eine wasserdichte und somit frostbeständige Oberflächenstruktur auf. Zur individuellen Gestaltung steht Designern, Künstlern und Architekten ein Konfigurator im Internet zur Verfügung. Icestone Icestone besteht aus Glaspartikeln von Abfallprodukten, die in eine Matrix aus Zement ein-

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gebunden wurden. Das Material ist in 24 Farben erhältlich, kann aber durch Variation der Zusammensetzung spezifisch auf den Kundenwunsch ausgelegt werden. Der Gesteinswerkstoff kommt als Oberflächenbeschichtung in Bad und Küche oder zur Schaffung besonderer Atmosphären in öffentlichen und gewerblichen Gebäuden zum Einsatz.

RecyclingMaterialien

Rockglass© Mit einer steinanmutenden Ästhetik besteht Rockglass© zu 30 Prozent aus recyceltem Glas. Das Fliesenmaterial ist in verschiedenen Größen und Farben erhältlich und findet in dekorativen Beschichtungen, Waschbecken und Boden­be­lä­gen für Wohn- und Geschäftshäuser Verwendung. Hailstone© Dieses Material besteht fast vollständig aus Recyclingglas medizinischer Abfälle wie kleinen Fläschen oder Ampullen. Es wird im Interiordesign als Beschichtungswerkstoff verwendet, ist aber auch an Außenwänden einsetzbar. Das Plattenmaterial wird mit Kantenlängen zwischen 7,5 und 35 cm vertrieben.

Plattenmaterial aus Muschelschalen und recyceltem Glas (Quelle: Glassshells)

werden ohne Zusatz von Lösungsmitteln in Harz gebunden und sind für Anwendungen im Innenund Außenraum geeignet.

Glassshells Bei der Herstellung dieses Laminats aus Glas und natürlichen Muschelschalen kommt recyceltes Glas zum Einsatz. Das Material überrascht mit einer besonderen Transparenz und ist vor allem für hinterleuchtete Anwendungen geeignet. TTURA© Das Plattenmaterial besteht hauptsächlich aus Glasscherben und -resten. Die Partikel und Glasstücke

Fliesen aus recyceltem Glas (Quelle: Blazestone™)

Eigenschaften  hohe Festigkeiten // lange Lebensdauer // formstabil // nicht brennbar // dampfdicht // mittlere Wärmeleitfähigkeit Nachhaltigkeitsaspekte  positive Energieund Emissionsbilanz // überdurchschnittliche Lebensdauer // recyclingfähig

Relight© Das Unternehmen Relight hat sich auf die Beseitigung und Verwertung von alten Elektrogeräten spezialisiert. Kalk-Natron-Glas wird aus den Resten von Leuchtstofflampen gewonnen. Dieses lässt sich beispielsweise zur Beschichtung von Steinzeug und Porzellan verwenden.

Schaumstrukturen aus Glas werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Langlebigkeit seit rund 50 Jahren vor allem zur Wärmedämmung druckbeanspruchter Bereiche eingesetzt. Für die Herstellung kommt heute vorrangig Glasrecyclat zum Einsatz. Blähglas enthält keine Schadstoffe, ist gesundheitlich unbedenklich und hat eine positive Energiebilanz. Materialkonzept und Eigenschaften

Schaumglas (Blähglas)

Die Ausgangsrohstoffe werden in Mühlen zu feinem Glasmehl zermahlen und unter Zusatz von Kohlendioxid bei Temperaturen zwischen 900 und 1.000 °C zu geschlossenzelligen Schaumstrukturen oder mit Wasser, Bläh- und Bindemitteln zu feinporigem Glasgranulat aufgebläht. Glasschaum ist dampfdicht, nicht brennbar (Baustoffklasse A1), säurebeständig, nimmt keine Feuchtigkeit auf und quillt nicht. Er hat einen ähnlich niedrigen Ausdehnungskoeffizienten wie Stahl oder Beton und eine mittlere Wärmeleit­ fähigkeit (0,040–0,055 W/mK).

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Anwendung und verarbeitung

Schaumglas wird zur Wärmedämmung vor allem dort eingesetzt, wo eine hohe Formstabilität sowie wasser- und dampfdichte Qualitäten gefragt sind. So kommt es zum Beispiel beim Bau von Parkdecks, begrünten Dächern, Terrassen oder Fundamenten zur Anwendung. Blähglasgranulat wird zudem als Leichtbauzusatz in Mauerbaustoffen, Verbundwandsystemen, Bodenschüttungen, Leicht- und Sanierputzen oder Spachtelmassen genutzt. Platten aus Schaumglas werden üblicherweise mit Kaltkleber oder Bitumen verlegt. Zur Bearbeitung stehen die typischen spanabhebenden Techniken zur Verfügung. Wegen der hohen Dampfdichte kann im Schichtenaufbau meist auf eine Dampfbremse verzichtet werden.

RecyclingMaterialien

Der Verbund weist einen effizienten Schallschutz auf und bietet höchste Brandschutzqualitäten. Der U-Wert liegt unter 0,30 W/(mK).

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Resopal  -A2coustic Dies ist eine schallabsorbierende Verbundplatte mit einer Mittellage aus einem Blähglaskern. Er wird von Lochplatten flankiert, so dass sich die Schallwellen in der feinen Porenstruktur des aufgeblähten Glasrecyclinggranulats verlieren.

Produkte

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Foamglas  Foamglas  sind Plattenmaterialien aus Glasschaum mit hochdämmenden Eigenschaften ohne Zusatz von FCKW oder Bindemitteln. Sie werden mit einer Mindestdicke von 30 mm angeboten und haben Abmessungen von 600 x 600 mm, 600 x 450 mm und 450 x 300 mm. Foamglas  Boards zur Perimeter- und Bodendämmung besitzen eine einseitige Beschichtung aus Papier-, Kunststoff- oder Metallfolien. Die Druckfestigkeit der unterschiedlichen Angebote liegt zwischen 0,4 und 1,7 N/mm2; die Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,038 und 0,050 W/mK.

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Foamglas ®-Plattenmaterial (Quelle: Foamglas ®)

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Blähglas schwim mt in Wasser (Quelle: Liaver ®)

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Poraver  Blähglasgranulat Poraver  ist ein aufgeblähtes und cremeweißes Rundgranulat aus Recyclingglas. Dieses eignet sich als wärme- und schalldämmender Füllstoff für Trockenmörtel, Wandbaustoffe, Plattensysteme oder Kleber. Es ist leicht aber dennoch druckfest. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 0,070 W/mK. Da das Blähglasgranulat alkalibeständig ist, eignet es sich insbesondere für die Verarbeitung mit Kalk und Zement. Exakte Korngrößen zwischen 0,04 und 1,0 mm und das sehr geringe Gewicht optimieren sowohl den Rezepturaufbau wie auch die Material- und Verarbeitungseigenschaften der unterschiedlichen Produkte.

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Liaver  Blähglasdämmung Dieses Verbundmaterial besteht aus einer Dämmschicht aus luftporendurchlässigem keramischem Ton und einer zementgebundenen Schicht aus Blähglas. Im Betonwerk werden die unterschiedlichen Schichten nass auf nass aufgetragen. Aufgrund der natürlichen Ausgangsmaterialien entsteht ein Bauwerkstoff mit herausragenden baubiologischen, dämmenden und gleichzeitig Wärme speichernden Eigenschaften. Da leichte Temperaturschwankungen ausgeglichen werden, entsteht ganzjährig ein angenehmes Raumklima.

Poraver ® Rundgranulat aus Recyclingglas (Quelle: Poraver ®)

Schallabsorbierende Verbundplatte mit Blähglaskern (Quelle: Resopal®)

Blähglasverarbeitung mit Zement (Quelle: Poraver ®)

Eigenschaften von Liaver ®

Körnung

mm

0,1 bis 0,3

0,25 bis 0,5

0,5 bis 1

1 bis 2

2 bis 4

Schüttdichte

kg/m³ (± 15 %)

450

300

250

220

190

Kornrohdichte

kg/m³ (± 15 %)

800

540

450

350

310

Kornfestigkeit nach EN 13055-1

N/m m² (≤ 15 %)

3,5

2,9

2,6

2,4

2,2

Wärmeleitf. λ R

W/(mK)

nicht bestim mt

0,07

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Betonrohre, Faserbetonbaustoffplatten, Hohl­ blocksteine und Pflastersteine: Im Baugewerbe kommen heute überwiegend keine Natursteine mehr zum Einsatz, sondern industriell gefertigte Gesteinsprodukte. Diese setzen sich aus natürlichen Rohstoffen zusammen und werden unter Einfluss eines mineralischen Binders verdichtet und gehärtet. Der Herstellungsprozess bietet also ideale Voraussetzungen zur Verwendung aufbereiteter Abfallmaterialien. So können Abfälle der mineralgewinnenden Industrie und des Bauwesens wie Staub, Bauschutt und Schneidabfälle ebenso zur Herstellung von Gesteinswerkstoffen verwendet werden wie Kunststoff- und Glasreste.

RecyclingMaterialien

Recyclingmineralwerkstoffe

Materialkonzept und Eigenschaften

Füllmaterialien dienen in Gesteinswerkstoffen dazu, die mechanischen und witterungsbeständigen Qualitäten zu verbessern. Zudem können durch Einbringen von lufthaltigen Materialien die wärme- bzw. schallisolierenden Eigenschaften verbessert werden. Das Beimischen der Fasern führt zur Steigerung von Zug- und Druckfestigkeit des sogenannten Faserbetons im Vergleich zu den Standardvarianten. Auch die Ausbreitung von Rissen wird durch Faserbei­ mischung unterbunden. Werden Kunststofffasern in den Beton eingebracht, spricht man auch von textilbewehrtem Beton. Dieser weist neben den genannten Vorteilen vor allem ein geringeres Gewicht auf. VERwendung

Gesteinswerkstoffe auf Basis recycelter mineralischer Ausgangsstoffe und Kunststoff- bzw. Blähglaszusätze finden in einer Vielzahl von Baulösungen Verwendung. Die verbesserten wärmeisolierenden Eigenschaften machen sie vor allem für Fundamente und Fußböden geeignet.

Nachhaltigkeitsaspekte Wiederverwendung von Abfallmaterialien // Leichtbau­ eigenschaften und wärmeisolierende Qualitäten

Eigenschaften verschiedener Fasermaterialien E-Modul [N/m m²]

Zugfestigkeit [N/m m²]

Material

Dichte [g/cm³]

Beton C25/30

2,40

30.000

Stahl-Faser

7,88

210.000

1.000

PP-Faser

0,90

4.200

560

Glas-Faser

2,40

73.000

3.400

2,6

Produkte

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Rastra  Zur Steigerung der wärme- und schallisolierenden Qualitäten ist diesem Betonwerkstoff recyceltes Polystyrol beigemischt. Er ist daher leichter als normaler Beton, bietet aber eine ausreichende Festigkeit für tragende Wände und Stützkonstruktionen. In Fußböden und Decken wird Rastra  als Wärme- und Schalldämmung eingesetzt.

®

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Porocom  Dieses Material kann aufgrund des kugelförmigen Grundwerkstoffs sehr flexibel zu den verschiedensten Baumaterial-Geometrien zusammengeführt werden. Das Granulat besteht aus recyceltem Blähton oder Blähglas mit einer

porösen Zellstruktur. Gebunden wird es durch eine Pulverbeschichtung, die sich bei 200 °C verflüssigt. Der in den Zellen enthaltene Luftanteil beträgt rund 30 Prozent.

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Fireclay  BottleStone BottleStone-Keramiken setzen sich zu 80 Prozent aus recyceltem Flaschenglas zusammen. Der Werkstoff bietet eine nachhaltige Alternative zu Gesteinsplatten mit ähnlicher Ästhetik. Er ist zudem kratzfest und schmutzabweisend. BottleStone-Keramiken sind in den Farben Mocha, Cobalt, Espresso und Sand mit glatter, leicht polierter oder geschliffener Oberfläche erhältlich.

Gebäude aus dem Betonwerkstoff Rastra ® (Quelle: Rastra ®)

83 RecyclingMaterialien

Kugelförmiges Baumaterial Porocom ® (Quelle: Porocom ®)

Spätestens seitdem textile Fasern Einzug in technische Anwendungen mit Leichtbaueigenschaften gefunden haben, nehmen die Vielfalt synthetischen Fasermaterials und die Dichte der Angebote am Markt immer weiter zu. Beste Beispiele sind Membrantextilien und Polymerkissen für Dach- und Hallenkonstruktionen, Filter in der Industrie oder Abstandstextilien für das Baugewerbe oder die Luftfahrt. Materialkonzept und Eigenschaften

Synthetische Fasern bieten den Vorteil, dass sich ihr Eigenschaftsprofil exakt auf den Einsatzzweck einstellen lässt und sie in gleichbleibender Qualität bereitgestellt werden können. Die Mehrzahl der Synthesefasern geht auf thermoplastische Kunststoffe wie PTFE, PET oder PVC zurück. Vor allem diese Kunststoffe können nach sortenreiner Trennung ein- und umgeschmolzen werden und eignen sich zur Herstellung neuer Produkte. Sie werden in Form eines Granulats der Faser- und Textilproduktion zugeführt.

Nachhaltigkeitsaspekte Wiederverwendung thermoplastischer Kunststoffe auf einfache Weise möglich // Energieeinsparung im Vergleich zur Neuproduktion

Recyclingtextilien

VERwendung

Vor allem im Möbeldesign ist in letzter Zeit eine ganze Reihe von Entwürfen unter Verwendung recycelter Kunststoffabfälle entstanden. Aufgrund des einfachen Herstellungsprozesses eignen sich insbesondere Filze und Vliese für die Integration von Recyclingfasern. Auch bei der Produktion von Kunstleder, für Dämmstoffe im Bauwesen oder Geotextilien für den Landschaftsbau finden sie zunehmend Verwendung.

Lampe BuzziLight aus Filz auf Basis von Verpackungsabfällen (Quelle: Buzzispace ©)

Produkte

Buzzispace© Bei der Herstellung textiler Polymerfasern kommen immer häufiger Verpackungsabfälle zum Einsatz. Das Neue bei der Verwendung im Produktdesign ist dann nicht die Stoffeigenschaft als solches, sondern dass durch die Kommunikation des Themas Nachhaltigkeit einem Produkt und sogar einem klassischen Material wie Filz eine völlig neue Wertigkeit gegeben werden kann. Sehr anschaulich zeigen dies die Entwürfe der Designer von Buzzispace aus Belgien.

84 RecyclingMaterialien

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Batyline  Das Textilgewebe des französischen Herstellers Ferrari wird vollständig aus Altrohstoffen hergestellt und ist als Bezugsstoff für Outdoor- und Büromöbel geeignet. Durch Installation eines europaweiten Sammelnetzes und einen komplexen Recyclingprozess ist der Hersteller in der Lage, im geschlossenen Kreislauf beschichtete Textilgewebe wiederzuverwerten. Individuelle Farben bzw. Webungen können bereits ab ca. 1.000 m2 realisiert werden.

Filztrennwand BuzziScreen aus recyceltem Verpackungsmaterial (Quelle: Buzzispace ©)

Stuhl Nobody Der Stuhl des dänischen Designduos Komplot besteht aus Industriefilz, der weitestgehend aus recycelten PET-Flaschen gewonnen wird. Das Möbel ist der erste Stuhl aus einer selbsttragenden reinen Stoffstruktur. Die Geometrie entsteht durch thermisches Pressen in einer Werkzeugform. Waterfront Waterfront ist ein Möbelbezugsstoff, der zu 100 Prozent aus recyceltem Polyester hergestellt wird. Eine PTFE-Beschichtung reduziert die Verschmutzungsgefahr.

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Fibertex Pan  Dieser Filz aus 50 Prozent recyceltem Fasermaterial und Polyesterfasern hat eine hohe Wärmeund Schalldämmung und kommt im Baugewerbe ohne Zusatz toxischer Stoffe in Dachisolierungen oder zur Trittschalldämmung zum Einsatz. Nach Demontage ist das Material vollständig recyclingfähig. Es kann unter Wärme dreidimensional verformt werden. Patagonia© Der amerikanische Outdoorbekleidungshersteller Patagonia© hat bereits 2005 das Ziel formuliert, ein Drittel seiner neuen Textilien aus recycelten Materialien herzustellen. Hierzu wurde ein Sammelsystem installiert, damit Kunden abgetragene Bekleidungsstücke zur Wiederverwertung zurückgeben können. Als Resultat erwartet das Unternehmen, weniger Polyester-Rohmaterial auf Erdölbasis zu benötigen.

Filzstuhl Nobody des dänischen Designduos Komplot

Wandbelag BuzziSkin 3D aus recyceltem Verpackungsmaterial (Quelle: Buzzispace ©)

Liege mit Textilien aus recyceltem Kunststoff (Quelle: Batyline ®)

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Lederfaserstoffe sind Faserverbundwerkstoffe, die als Alternative für natürliches Leder Anwendung finden und sich aus Resten der Lederindustrie und Naturlatex zusammensetzen.

Nachhaltigkeitsaspekte  95 Prozent natürliche Ausgangsstoffe // Ausnutzung der Abfälle der Lederindustrie // einfache Verarbeitung // recyclingfähig

RecyclingMaterialien

Materialkonzept und Eigenschaften

Weitere Bestandteile sind pflanzliche Gerbstoffe und Fette, so dass das Material zu 95 Prozent aus natürlichen Ausgangsstoffen besteht. Ähnlich wie bei der Papierherstellung werden diese zunächst zerkleinert, das Faservliesgemenge auf einem Endlossieb unter Vakuum entwässert, getrocknet und zu Rechteckformaten geschnitten. Der Produktionsprozess ist mittlerweile soweit optimiert, dass sich selbst dünne Stoffe mit einer Stärke von unter einem Millimeter, homogenen Eigenschaften und genarbter Oberfläche herstellen lassen. VERwendung und verarbeitung

Der größte Abnehmer für Lederfaserstoffe ist die Schuhindustrie. Dort wird das preisgünstige Ersatzmaterial beispielsweise für die Herstellung

Lederfaserstoffe von Absätzen und Sohlen verwendet. Weiterhin finden Faserstoffe in der Möbelindustrie, bei Innenarchitekten, für die Herstellung von Taschen und Gürteln sowie für Schreibtischunterlagen Anwendung. Lederersatzstoffe lassen sich auf einfache Weise verarbeiten. Der Zuschnitt ist je nach Stärke mit der Schere oder einem scharfen Cutter möglich. Das Material kann genietet, geklebt und sogar genäht werden. Für den Innenausbau ist Plattenmaterial in verschiedenen Formaten am Markt erhältlich. Zur Herstellung von Möbeln wird es mit Weißleim auf Holzoberflächen aufgebracht. Zum Beziehen von Polsterungen ist Rollenware zwischen 0,6 und 1,8 mm im Handel erhältlich. Produkte

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Wandverkleidung aus Lederersatzstoff (Quelle: Ledano ®)

Zur Schonung der Waldbestände und um Werkstoffe mit gleichbleibenden Eigenschaften bereitzustellen, wurden in den 1990er Jahren vielfältige Holzplattenmaterialien entwickelt. Diese werden aus verschiedenen Lagen zusammengesetzt oder basieren auf Abfällen der Holzindustrie (Späne, Sägemehl). Aufgrund der kreuzweisen Verklebung von Spänen oder wirren Anordnung der Holzfasern werden ungewünschte Dimensionsunterschiede infolge von Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts der Umgebungsluft (Hygroskopie) vermieden. Die Eigenschaften des Plattenmaterials können durch Wahl der Holzart, Menge des Bindemittels, Höhe des Pressdrucks und durch die Lage der Späne entsprechend der Anwendung eingestellt werden.

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Ledano  Ledano  ist ein für das Möbeldesign und Innenausstattungen spezialisiertes Oberflächenmaterial, das aus Lederfasern hergestellt wird. Es ist abriebfest, UV-beständig und besteht fast vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen. Ledano  wird hauptsächlich als vollflächiges Oberflächenmaterial für Schränke, Tische, Türen und Wandverkleidungen verwendet. Man kann

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es auch dreidimensional zu Formholzstühlen verarbeiten. Es gibt es in 12 seidenmatten Farben in den Dicken 0,6 und 1,8 mm. Die Grundfarben sind naturgrau, braun und anthrazit.

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Lederett  Lederett  -Faserwerkstoffe bestehen aus einem unverwobenen, unregelmäßig gelagerten Fasergemenge, mit verschiedenen Lederfasern als Gerüstsubstanz, das mit natürlichen Bindemitteln zu einem festen Lederersatzwerkstoff verfestigt wird. Es ist in Form von Platten und als Rollenmaterial erhältlich.

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Salamander Bonded Leather Der größte Hersteller von Lederfaserstoffen ist der Schuhhersteller Salamander. Unter dem Markennamen Cabra  wird unter anderem ein Faserstoff für Bucheinbände in den Stärken 0,3 und 0,35 mm vertrieben.

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Tretford veledo Tretford vertreibt das veledo Fertigfußbodensystem, das auf Faserlederstoff von Salamander basiert. Dieser ist auf eine HDF-Trägerplatte aufgebracht und mit Kork gegenkaschiert.

Eigenschaften  gleichbleibende Qualitäten // dimensionsstabil // niedriges Quellmaß // interessante Oberflächenstrukturen // preisgünstig Nachhaltigkeitsaspekte  aus Abfallmateri­ alien // recyclingfähig bei Verwendung biologisch abbaubarer Harzsysteme

Holzverbundmaterialien

86 RecyclingMaterialien

Materialkonzepte und Verwendung Plattenmaterial Kraftplex ® (Quelle: Material.FranzBetz)

OSB

Zementgebundene Spanplatte Duripanel® (Quelle: Eternit)

Laminated Veneer Lumber (LVL) Furnierspanholz LVL ist ein aus mehreren 3 mm starken Furnier­ lagen aufgebauter Holzwerkstoff mit nahezu vollständig gleichgerichtetem Faserverlauf. Bei speziellen Anwendungen sorgt die kreuzweise Anordnung weniger Furnierlagen für den Ausgleich produktions- oder feuchtebedingter Schwachstellen. Das Holz für Furnierschichthölzer stammt von schnell wachsenden Nadelhölzern wie Fichte oder Kiefer. Die einzelnen Schichten werden mit Harzen verklebt, so dass ein wasserabweisender Werkstoff mit hoher Festigkeit entsteht. Als Platten- oder Balkenmaterial findet LVL daher auch im Außenbereich bei Fassaden, Brücken und Dachkonstruktionen Verwendung. Es ist normal entflammbar und der Baustoffklasse B2 zugeordnet. Oriented Strand Board (OSB) Grobspanplatten OSB-Platten sind aufgrund ihrer optisch interessanten groben Oberflächenstruktur und des günstigen Preises bei Designern und Innenarchitekten beliebt. Hergestellt werden sie aus 60 bis 150 mm langen und 0,5 bis 1 mm dicken Holzspänen, die in mehreren Schichten kreuzweise versetzt miteinander verklebt werden. OSB-Platten haben eine ähnliche Biegefestigkeit wie MDF; sie sind zugfester als normale Flachpressplatten. Grobspanplatten haben Rohdichten zwischen 550 und 700 kg/m3, sind 8 bis 22 mm dick und haben ein Quellmaß von lediglich 0,035 Prozent. Sie werden primär für Fußböden oder Wandkonstruktionen verwendet. Laminated Strand Lumber (LSL) Spanstreifenholz LSL ist ein spezieller OSB-Holzwerkstoff mit hoher Formstabilität. Für seine Herstellung werden besonders lange Späne (bis zu 30 mm) verwendet. Daher wird er auch als Langspanholz bezeichnet. Seine Rohdichte liegt bei über 600 kg/m3. Anwendung finden Spanstreifenhölzer mit Abmaßen von maximal 2.440 x 10.700 mm und Plattendicken zwischen 32 und 89 mm im konstruktiven Holzbau.

Balsaboard

Parallel Strand Lumber (PSL) Furnierstreifenholz PSL ist eine besondere Strangpressplatte, die sich aus Furnierstreifen zusammensetzt. Diese

werden zu einer Masse vermischt, mit Kunstharz verklebt und in einem beheizten Presskanal verdichtet. Das Strangpressverfahren ermöglicht besonders lange Holzwerkstoffe. Furnierstreifenholz kann daher bis zu einer Länge von 20 m bezogen werden. Das hochbelastbare Balkenmaterial findet bei Fachwerkkonstruktionen sowie als Pfosten oder Stützen im Außen- und Innenbereich Anwendung. Waferboard Waferboard ist die Bezeichnung eines Holzwerkstoffs, in dem besonders kurze Späne mit einer Länge von maximal 30 mm ohne Richtungsorientierung verklebt und verdichtet werden. Er hat gegenüber anderen Plattenmaterialien einen Preisvorteil und wird als Verkleidungsmaterial, für Dachkonstruktionen und Trennwände verwendet. Produkte

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Parallam  Dieser Furnierstreifenwerkstoff eines amerikanischen Herstellers besteht aus 16 mm breiten und 3 mm dicken Kiefern-Schälfurnierstreifen, die parallel zur Balkenlängsachse verklebt sind. Er wird als Konstruktionswerkstoff mit hoher Festigkeit genutzt. Typische Anwendungen des Baustoffs sind Stützen oder Träger. Die Dichte beträgt 600 bis 700 kg/m3, das Schwindmaß in Längsrichtung lediglich 0,01 Prozent.

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Duripanel  Zementgebundene Spanplatten bestehen aus Nadelholzspänen, Zement und mineralischen Zusätzen. Sie haben eine zementgraue, glatte Oberfläche und sind beständig gegen Witterungseinflüsse, Frost und Insektenbefall. Daher eignen sie sich ideal für hinterlüftete Fassaden, Wandverkleidungen und als Fußbodenverlegeplatten für Innen- und Außenanwendungen. Je nach Dichte werden sie auch für den Schall- und Wärmeschutz eingesetzt und können als mittragende Beplankung verwendet werden. Sie entsprechen den Brandschutzklassen B1 und A2. Balsaboard Diese Verbundholzplatte ist nicht nur leicht und filigran, sondern weist durch die besondere Sandwichkonstruktion auch eine sehr hohe Druckfestigkeit auf. Daher eignet sich das Material vor allem für den Möbel- und Innenausbau, also überall dort, wo Gewicht ebenso eine große Rolle spielt wie Tragkraft und Stabilität. Im Kern besteht die Platte aus Balsaholz, das durch DünnMDF oder Absperrfurniere vor äußeren Einflüssen geschützt wird. Balsa ist die leichteste aller schnellwachsenden Holzsorten. Ein Hersteller in Ecuador hat sich auf die Verwendung beim Bau von Surfbrettern spezialisiert. Als Matrixmaterial wird Harz auf Basis von Leinsamen verwendet, um die biologische Abbaubarkeit zu gewährleisten.

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maximal 2,5 x 1,25 m erhältlich. Recoflex gibt es auch mit beidseitig beschichteten Holzfurnieren.

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RecyclingMaterialien

Lampe aus Kraftplex ® (Quelle: Material. FranzBetz)

Agriboard™

Unter ökologischen Aspekten betrachtet, übertrifft Holz die Potenziale aller gängigen Bauwerkstoffe. Leider sind diese bislang nicht ausreichend genutzt, so dass vor dem Hintergrund der aktuellen Umwelt­ debatte neue Werkstoffentwicklungen und Forschungs­ vorhaben für den Baubereich wieder an Bedeutung gewinnen. Insbesondere Holzbeton zeigt im Hinblick auf das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, auf die Qualität zur Schallabsorption und Wärmedämmung sowie auf eine ästhetische Wirkung ganz außergewöhnliche Möglichkeiten. Materialkonzept und Eigenschaften

Holzbeton ist ein klassischer Teilchenverbundwerkstoff. Er besteht aus Holzspänen (meist niederwertiges Nadelholz) und schnell härtendem Zement. Je nach benötigter Festigkeit wird das Volumenverhältnis mit plastischer Konsistenz zwischen 1,4 und 2,6 eingestellt. Bei erdfeuchten Konsistenzen erfolgt die Verdichtung durch Stampfen. Hier werden Holz-Zement-Volumenverhältnisse von 3,1 bis 3,4 erreicht. Der Zusatz von Kalziumchlorid beschleunigt den Abbindeprozess. Für die Verarbeitung werden Formen gefertigt, in die das plastische Holzbetongemisch eingestampft wird. Nach der Trocknung dienen Lacke oder Farben dem Schutz vor Witterungseinflüssen.

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Agriboard Agriboard ist spezialisiert auf die Fertigung von Holzwerkstoffen auf Basis von Spanstreifenholz und verdichtetem Weizenstroh. Da natürliche Bindemittel zum Einsatz kommen, ist das Baumaterial vollständig kompostierbar. Es kommt als Konstruktions- und Dämmwerkstoff zum Einsatz. Ganze Gebäudekonstruktionen für gewerbliche und private Gebäude werden angeboten.

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kraftplex  Kraftplex  besteht zu 100 Prozent aus Holzfasern und wird mit einer metallähnlicher Stabilität und Verformbarkeit als Alternative für Bleche angeboten. Bei der Herstellung kommen weder chemische Zusätze noch Bleich- oder Bindemittel zum Einsatz. Es ist daher vollständig biologisch abbaubar. Das Holzblech lässt sich durch Tiefziehen dreidimensional verarbeiten und mit Laser- oder Wasserstrahl schneiden. Hauptanwendungsbereiche sind das Interiordesign und der Möbelbau.

Recoflex Dieser Werkstoff besteht zu 95 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen und wird als elastische ­Holzspanplatte vertrieben. Er basiert auf Holzund Korkpartikeln, Latex sowie Polyurethan und wird in Formpressen hergestellt. Recoflex wird vor allem zur Anfertigung gebogener Formteile verwendet, da es sich in alle Richtungen flexibel verhält. Da bei der Produktion keine Formaldehyde eingesetzt werden, ist das Material zu 100 Prozent recyclingfähig. Es ist in Platten bis

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Ecopan  Für Holzplatten mit besonderen Leichtbauaspekten werden im Kern Wabenstrukturen (siehe Kapitel 04) verwendet. Ecopan  ist ein Produkt mit hexagonaler Wabenstruktur in der Mittellage von 10 bis 120 mm dicken Platten. Diese eignen sich als Leichtbaumaterial vor allem für den Einsatz in der Fahrzeugindustrie und im Baugewerbe. Es kann auf einfache Weise verarbeitet und transportiert werden und ist daher bei Geschäftsausbauten und im Möbelbau beliebt. Mit speziellen Beschichtungen kann es vor Wasser und anderen Flüssigkeiten geschützt werden.

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Eigenschaften  geringes Raumgewicht (Rohdichte: 450-900 kg/m³) // gute mecha­ nische Qualitäten (Druckfestigkeit: 7 N/mm²) // hohe Wärmedämmung (Wärmeleitzahl von 0,1 W/mK möglich) // niedriger Energieaufwand // bei Herstellung emissionsfrei Nachhaltigkeitsaspekte  emissionsfreie Produkte, niedriger Energieaufwand // Ersatz mineralischer Komponenten durch Abfälle der Holzindustrie // positive Beeinflussung der Licht­raumwirkung // verbesserte Wärmedämmung

Holzbeton VERwendung und verarbeitung

Holzbeton fand bislang fast ausschließlich Einsatz beim Bau naturgerechter Brut- und Nisthöhlen für gefährdete Tierarten. Aktuell sind HolzbetonVerbundbauplatten für das Baugewerbe in die Anwendung gekommen. Diese bieten eine sehr gute Wärmedämmung mit guten thermischen Gesamteigenschaften. Im Innenausbau werden erdfeuchte Konsistenzen bei der Abhängung von Decken genutzt, im Außenbereich sind plastische Konsistenzen im Fassadenbau im Einsatz und sollen langfristig rein mineralische Baustoffe ersetzen.

Vogelhaus aus Holzbeton (Foto: Olaf Mertens)

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Isospan  Isospan  -Produkte setzen sich aus Holzspänen, Zement und Mineralien zusammen. Sie wurden insbesondere für das Baugewerbe entwickelt und bieten hohe Dämmeigenschaften bei niedriger Wärmeleitfähigkeit. Mit Fertigwandsystemen ist die Erstellung von wärmebrückenfreien Baukonstruktionen möglich. Die Vermeidung von Umweltbelastungen, insbesondere die Reinhaltung von Luft und Wasser, war der Leitgedanke des Unternehmens bei der Entwicklung dieser neuen Form von Bauprodukten. Sie sind recyclingfähig. Sortenreine Holzbetonabschnitte werden vom Hersteller zurückgenommen und aufbereitet.

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Heute geht die industrielle Papierproduktion zu fast 95 Prozent auf Holz zurück. Dies war jedoch nicht immer so, denn Holzfasern sind wesentlich kürzer als die von Pflanzen oder Textilabfällen, die noch heute die Grundlage bilden für hochwertige Japanpapiere. Im alten China war vor rund 2000 Jahren ein Rohstoffwechsel vom Bast zum Zellstoff aus Hadern (Textilabfälle) vollzogen worden. Dieser markierte damals den Übergang zum Papier im heutigen Sinne. Man ließ Lumpen anfaulen und zerkleinerte sie unter Wasser, bis ein dickflüssiger Faserbrei entstand, den man mit einem Schöpfsieb zu gleichmäßigen flächigen Schichten verteilte und trocknete. So liegt der Ansatz nahe, alternative organische Abfälle für die Papierproduktion zu verwenden und die Belastungen für die Baumbestände zu mindern.

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Produkte

Isolith  Isolith ist eine Doppeldickwand mit Schalung und Isolierung zugleich. Sie besteht aus einem Betonkern als Tragelement und einer außen liegenden Holzisolierung. Der 15 cm starke Kern aus Wohnbeton speichert die Wärme und gibt sie langsam nach innen ab.
Die innen liegende Holzwand unterstützt eine schnelle Installation.
Die Wärmedurchgangszahl liegt bei 0,56 W/m2K.

RecyclingMaterialien

Trocken- Wärme rohdichte leitzahl (kg/m³) (W/mK) Isospan ® 500 0,10 Polystyrol

15

0,040

Beton 2200 2,10

Nachhaltigkeitsaspekte  Verwendung von Abfallmaterialien

Papier aus organischen Abfällen Materialkonzepte und Verwendung

„Cartamela“ Apfelpapier

Papier aus Abfällen der Apfelsaftproduktion Alberto Volcan ist der Erfinder eines Papiers, das er aus den Resten der Apfelsaftproduktion herstellt. Grund dafür ist der sehr hohe Zellulose­ gehalt in den Apfelrückständen, der ihn auf die Idee brachte. Es hört auf den Namen „Cartamela“ und wird wegen der mit normalem Papier vergleichbaren Bedruckbarkeit vor allem als Verpackungsmaterial für die kosmetische Industrie, Wellnessprodukte und Biolebensmittel eingesetzt. Elchlosung zur Herstellung von Papier (Quelle: Academic dictionaries and encyclopedias)

Papier aus tierischen Exkrementen Papier aus dem Kot von Tieren herzustellen ist

ungewöhnlich. In der Nähe der schwedischen Stadt Östersund nutzt eine Elchfarm beispielsweise die Losung ihrer Tiere, um daraus handgeschöpftes Papier zu erzeugen. Denn auch Elchlosung beinhaltet einen hohen Zelluloseanteil, der zur Herstellung einer nach Baumrinde riechenden, hellbraunen Papiersorte mit einer grob strukturierten Oberfläche genutzt wird. Verwendung findet sie dann in erster Linie für edle Papiere oder die Malerei. Ob man Schafskot zur Papierproduktion nutzen kann, wird derzeit in Wales getestet. Auch Papiere aus dem Dung von Elefanten sind bekannt.

Papier, Pappe oder Karton bestehen zu 60 bis 95 Prozent aus Faserstoffen. Der Rest sind Füll- und Hilfsstoffe sowie Leime und Imprägniermittel, die vor allem die Oberflächeneigenschaften beeinflussen. Waren früher vorwiegend Lumpen Ausgangsmaterial der Papierproduktion, wird die Zellulose heute vorwiegend aus Holz gewonnen. Da Zellulosefasern fünf bis sieben Mal zur Papierherstellung verwendet werden können, wird heute etwa 65 Prozent der gesamten notwendigen Fasermenge aus Altpapier gewonnen. Mit einem Anteil von rund 90 Prozent ist der Anteil des Altpapiers bei den Verpackungspapieren am höchsten. Während Zeitungspapier heute rund 70 Prozent altes Fasermaterial enthält, liegt der Anteil bei Druck- und Büropapieren nur bei etwa 15 Prozent.

89 RecyclingMaterialien

Eigenschaften  Chlorfrei gebleichtes Papier ist mit dem Gütesiegel „TCF - totally chlorine free“ gekennzeichnet. Für chlorarm behandelte Papiere existiert außerdem das Zeichen „ECF - elementary chlorine free“. Nachhaltigkeitsaspekte  bis zu siebenmalige Wiederverwendung der Fasern // 60 Prozent weniger Energie und Wasser bei Altpapiernutzung

Recyclingpapier

Materialkonzept und Eigenschaften

Paperchair von Mario Stadelmann

Pulp Collection von Jo Meesters

Flächengewicht von Papierprodukten Papier < 150 g/m² Karton Pappe

150-300 g/m² > 300 g/m²

Vorteil des Papierrecyclings ist neben der Schonung des Waldes der im Vergleich zur Frischfasererzeugung um 60 Prozent niedrigere Primärenergie- und Wasserverbrauch. Da Farbreste mit verarbeitet werden, führt die Verwendung von Altfasern in jedem Fall dazu, dass das Papier grau erscheint und schneller vergilbt. Zur Entfernung der Druckfarbreste bedarf es eines physikalisch/chemischen Reinigungsprozesses, der nach dem englischen Begriff für ink (Druckfarbe) als „Deinking“-Prozess bezeichnet wird. In einem großen Behälter wird dabei das bedruckte Altpapier mit einer Waschlösung aus Wasser und verschiedenen Chemikalien (z.B. Tenside) vermischt und mit Luft durchspült. Auf der Oberfläche entsteht ein schwarzer Schaum, der den größten Teil der Druckfarben aus den Altfasern enthält. Er wird abgeschöpft und entsorgt. Oft ist dem Deinking-Prozess noch eine Bleiche angeschlossen. Kam früher vor allem Chlor als Bleichmittel zur Anwendung, wird heute Sauerstoff, Ozon und Wasserstoffperoxid bevorzugt. Bei Umweltpapieren mit 60er oder 70er Weiße wird auf den Bleichvorgang verzichtet. Da die ursprünglich lan-

gen Fasern in Altpapieren verkürzt vorliegen und Neupapier weniger stabil und reißfest machen, können die kurzen Fasern im Produktionsprozess für höherwertige Papiere abgeschöpft werden. Höhere Weißgrade erzielen die Papierhersteller durch Zugabe von Frischfasern. Als nachteilig wirkt sich bei der Nutzung von Altpapier aus, dass dieses Spuren von Formaldehyd oder Phenol enthalten kann. VERwendung

Recyceltes Altpapier kommt in einer Vielzahl von Papierprodukten und Verpackungsmaterialien zum Einsatz, bei denen ein klares Weiß keine große Rolle spielt. Zudem bilden Papierabfälle den Ausgangspunkt zur Herstellung von Zellulosedämmsystemen und Biokunststoffen. Pappwabenplatten haben in den letzten Jahren für Möbeldesigner ebenso eine große Bedeutung erhalten wie die Verwendung von Faserbrei aus Altpapier (Papierpulpe) als Formmasse. Das Papier wird unter Wasser zermahlen, der Faserbrei in eine Form gepresst und an der Luft getrocknet. Ein schönes Beispiel ist der „Paperchair“ von Mario Stadelmann oder die Pulp Collection von Jo Meesters.

Produkte

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PaperStone Dieser Plattenwerkstoff für die Möbelindustrie wird zu einem Großteil aus Altpapier-Zellulosefasern und einem natürlichen Phenolharz aus der Schale der Cashewnuss hergestellt. Das restliche Material stammt aus ökologisch kontrolliertem Holzanbau. Es weist ähnliche mechanische Festigkeiten auf wie konventionelle Holzwerkstoffe und lässt sich mit den gleichen Techniken bearbeiten.

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Environ biocomposite Die Verstärkungsmaterialien für Environ biocomposite werden aus recycelten Zeitungen hergestellt und sind in Bioharzen aus Sojaeiweißen eingebunden. Durch Beimischung von Additiven werden Platten in unterschiedlichen Farben mit einer marmorartigen Ästhetik für die Möbelindustrie erzeugt.

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Homasote Unter dem Namen Homasote wird eine ganze Bandbreite von Bauprodukten angeboten, die vollständig auf recyceltes Papier zurückgehen. Das Angebot reicht von flammhemmendem Plattenmaterial über Wärmedämmsysteme für Wände und Fußböden bis hin zu schallisolierenden Lösungen.

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isolcell  Dieses wärme- und schalldämmende Plattenmaterial setzt sich zu einem Großteil aus Zellulosefasern zusammen. Es ist auf der Rückseite mit einer Kunststoffschicht versehen. Isolcell  ist als Filz auf Rollen mit einer Dichte von 25 kg/m3 oder als Plattenmaterial mit höherer Dichte zwischen 40 und 80 kg/m3 erhältlich. Da auf umweltschädliche Zusätze verzichtet wird, ist das Material auch nach der Demontage vollständig recyclingfähig. Aufgrund der einfachen Installationsmöglichkeiten kann der Werkstoff sowohl in Neubauten als auch bei der Sanierung von Bestandsgebäuden genutzt werden.

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Papercrete Papercrete ist ein Gesteinswerkstoff, der aus Zement, Ton und Sand sowie zu rund 50 Prozent aus Altpapierfasern besteht. Er wird zu Ziegeln, Blöcken oder Platten verpresst und kann im Baugewerbe in vielfältiger Weise eingesetzt werden. Neben verpressten Bauteilen ist auch die Verarbeitung als Spritzzement direkt auf die Wandoberfläche möglich. Aufgrund der relativen Leichtigkeit und seiner hohen Elastizität ist Papercrete vor allem für Gebäude in erdbebengefährdeten Gebieten geeignet.

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90 RecyclingMaterialien

zBoard Dieses Plattenmaterial ist ein Verbund aus Altpapierfaserschichten und MDF-Holz. Es wiegt 62 Prozent weniger als Spanplatten gleicher Dicke und wird vom Hersteller in Möbelbausätzen und als Bauwerkstoff mit wärme- und schallisolierenden Qualitäten angeboten. zBoards können nach der Verwendung vollständig recycelt werden. Die Montage ist aufgrund des geringen Gewichts äußerst einfach. Die Platten werden mittels Klebestreifen miteinander verbunden.

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wellboard  Unter dem Markennamen wellboard  wird ein besonders flexibles und leichtgewichtiges Plattenmaterial vertrieben, das zu 100 Prozent aus Zellulose besteht und weder Klebstoffe noch Bindemittel enthält. Trotz des geringen Gewichts ist das Material hochstabil und für den Laden-, Messeund Möbelbau geeignet. Unterschiedliche Profil­ typen werden mit einem Flächengewicht zwischen 1,25 und 2,7 kg/m2 und einer Wellenhöhe zwischen 4,4 und 8,5 mm angeboten. Das Material reagiert hochempfindlich auf Unterschiede der Raumfeuchte, was den exakten Zuschnitt erschwert.

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Wellboard ®

zBoard

Recycling von Papier (Quelle: ALBA DASS Betriebs GmbH)

Altpapier und gebrauchte Kartonagen

Zerfasern

Abschneiden von Fremdstoffen

Verarbeiten

Zeitungen, Kartons, Briefumschläge, Rohpapierrollen Papercrete™

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Recyclingpapier Umweltschutzzeichen

Blauer Engel Der Blaue Engel bezeichnet Recyclingpapiere mit einem Altpapieranteil von 100 Prozent. Wenigstens 65 Prozent kommen aus unteren, mittleren oder krafthaltigen Altpapiersorten. Für hohe Weißegrade dürfen keine optischen Aufheller wie Chlor verwendet werden. Außerdem muss auf den Einsatz von Farbmitteln verzichtet werden, die Quecksilber-, Blei-, Cadmium- oder Chrom VI-Verbindungen enthalten. Für Formaldehyd (1,0 mg/dm2), PCB (4 ppm) und Glyoxal (1,5 mg/ dm2) wurden Grenzwerte festgelegt.

Auch Bleichen ist verboten. Es wird auf geringen Wasserverbrauch geachtet. Ökopa plus Auch dieses Umweltschutzsiegel deutet auf die Verwendung von „weißem“ Recyclingpapier aus 100 Prozent Altpapier und macht deutlich strengere Vorgaben als der „Blaue Engel“. Auf Bleichoder Deinking-Prozesse wird verzichtet. Durch Oberflächenleimung mit Naturstoffen entsteht ein umweltfreundliches Weiß, dessen Qualität dem von weißem Frischfaserpapier entspricht.

RecyclingMaterialien

Original-Umweltschutzpapier (UWS-Papier) Dieses Siegel übertrifft die Anforderungen für den Erhalt des blauen Engels bei weitem. Bei den ausgezeichneten Papieren ist ausschließlich Altpapier erlaubt. Die in den Altfasern enthaltenen Druckfarben dürfen bei der Produktion weder physikalisch noch chemisch entfernt werden.

Altpapierballen (Quelle: Isofloc Wärmedäm mtechnik GmbH)

FSC Das Forest Stewardship Council hat sich zur Aufgabe gemacht, eine nachhaltige Nutzung von Naturgütern zu fördern und gleichzeitig soziale, ökologische und wirtschaftliche Aspekte zu berücksichtigen. Auf Basis von zehn Grundprinzipen können sowohl Forstbetriebe als auch Holz­ produkte ausgezeichnet werden. Diese reichen von der Wahrung der Rechte indigener Völker über die Forderung nach ökonomischer Effizienz bis hin zur Umsetzung von Bewirtschaftungsplänen.

Vergleich einiger Umweltzertifizierungen

Name

der Blaue Engel

Nordischer Schwan

euUmweltzeichen

FSC Recycled

FSC 100 %

FSC Mix

Altpapieranteil

100 % Alt­ p apier, davon 65 % untere und mittlere Sorten

nicht ­festgelegt

nicht ­festgelegt

100 % Alt­ p apier, keine Sortenbeschränkung

100 % Frischfaser

x % (< 100 %) Frischfaser FSC aus kontrollierter Herkunft, kann y % post-­ consumer Recycling­ material enthalten

zertifizierte ­ orstwirtschaft F

nicht relevant

mind. 20 %

mind. 15 %

nicht relevant

ja

ja (kontrollierte Herkünfte dürfen beigemischt werden)

Einsatz von ­Bleichmitteln

kein Chlor oder halo­genierte Bleichmittel

kein Chlor

kein Chlor, halo­genierte Bleichmittel erlaubt

nicht ­festgelegt

nicht ­festgelegt

nicht ­festgelegt

Chemikalien: Begrenzung von Inhaltsstoffen

ja

ja

ja

nein

nein

nein

Chemikalien: ­Ausschluss bestim mter Chemikalien

ja

ja

ja

nein

nein

nein

Begrenzung von ­Emissionen im Laserdruck (VOC/SVOC)

ja

nein

nein

nein

nein

nein

Begrenzung des ­Energieverbrauchs

nein, aber ­gewährleistet, da Recyclingpapier

ja

ja

nein, aber gewähr­leistet, da Recyclingpapier

nein

nein

Begrenzung des ­W asserverbrauchs

nein, aber ­gewährleistet, da Recyclingpapier

ja

ja

nein, aber ­gewährleistet, da Recyclingpapier

nein

nein

Festlegung der ­Laufeigenschaften

ja (DIN EN 12281)

nein

nein

nein

nein

nein

Alterungsbeständigkeit

DIN 6738, LOK 24-85

nein

nein

nein

nein

nein

Verifikation durch

Selbst­auskunft, ­ rüfinstitute P und Hersteller­ erklärung

Selbstauskunft und Herstellererklärung

Selbstaus­kunft und Hersteller­ erklärung

externe ­Zertifizierung

externe ­ Zertifizierung

externe Zertifizierung

92 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Wabenstrukturen…096 — Doppelstegpaneele …097 — Edelstahlmikrosandwich…098 — Karbonfaserstein (CFS)…099 — Ultrahochfestbeton …099 — Basaltfaserverstärkte Werkstoffe…101 — Mineralpartikeloptimierte Kunststoffe…102 — Keramikschaum…103 — Metallschaum…104 — Holzschaum…105 — Papierschaum…106 — Zelluloseflocken…106 — Naturfaserdämmung…108 — Polyurethan-Hartschaum…110 — Vakuumisolationspaneele…110 — Aerogel…111 — Hohlkugelstrukturen…113 — Technische Texti­lien…114 — Abstandstextilien…115 — Membrantextilien…117 — Nanotextilien…118 — Kohlenstoffnanoröhren (CNT)…120 — Eigenverstärkte Thermoplaste…121

— 04 —

93 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

94 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Die Nutzung von Leichtbaumaterialien in Architektur und Design ist für die Optimierung des Energiebedarfs zu einem entscheidenden Parameter geworden. Eine geringe Werkstoffmasse kann den konstruktiven Aufwand für eine bautechnische Anwendung reduzieren helfen, die Montage vereinfachen und die für den Transport benötigte Energie erheblich reduzieren. Eigenverstärkte Thermoplaste sowie natur- und basaltfaserverstärkte Konstruktionen sind einige der jüngsten Lösungen, um dem stetig steigenden Energieverbrauch entgegenzutreten. Schaumstrukturen auf Basis von Glas, Metall oder Keramik bieten neben dem Leichtbauaspekt auch Möglichkeiten zum Schallschutz und weisen durch eingeschlossene Luftkammern oftmals eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Auswahl geeigneter Dämmstoffe hat sich zu einem entscheidenden Faktor für die Realisierung von Nullemissions­gebäuden oder sogar von Plusenergiegebäuden entwickelt. Dabei sind Natur­ faserdämmstoffe oder Zelluloseflocken durchaus einer näheren Betrachtung wert, doch weisen vor allem Hartschaumstoffe auf Polyurethanbasis oder Vakuumisolationspaneele Dämmqualitäten auf, die von keinem der alternativen Dämmmaterialen erreicht werden können. Eine Innovation im Bereich der transparenten Wärmedämmung sind Aerogele, Feststoffe mit einem Hohlraumanteil von 95 Prozent. Die eingeschlossene Luft macht den Werkstoff zum besten Dämmstoff aller bekannten Materialien. Die Struktur hat einen sehr niedrigen Brechungsindex und ist hochtransparent, was lichtdurchlässige Anwendungen ermöglicht, die bisher mit hochwirksamen Dämmstoffen nicht erreichbar waren. Bauteile auf Basis metallischer Hohlkugeln sind eine weitere interessante Neuerung mit Potenzialen für Leichtbau und Wärmedämmung. Aufgrund der eingeschlossenen Luftkammern und der überaus großen inneren Oberfläche sind Hohlkugelstrukturen auch für Hitzeschilde und Crashabsorber im Fahrzeugbau prädestiniert.

95 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Velodrom mit Fassade aus Metallgewebe (Quelle: Velomax, Architekt: Dominique Perrault)

Leichtbaubrücke mit glasfaserverstärktem Beton (Quelle: Hessisches Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen)

Transparente Wärmedäm mung mit Aerogelkern (Quelle: Cabot Nanogel)

An Honigwaben erinnernde Strukturen haben für den Leichtbau eine große Bedeutung. Selbst Papier kann in einem Wabensandwichaufbau in technischen Kontexten verwendet werden und findet ungewöhnlichen Einsatz in Architektur und Flugzeugbau.

96 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Eigenschaften  geringes Gewicht // hohe mechanische Festigkeit // hohe Steifigkeit // wärmedämmend // schallisolierend Nachhaltigkeitsaspekte  geringer Materialaufwand bei hoher Festigkeit // natürlich abbaubar bei Verwendung von Bioharzsystemen

Materialkonzept und Eigenschaften

Wabenstrukturen, die auch unter dem Markennamen Honicel bekannt sind, bestehen in ihrer Mittellage aus einem sehr leichten Wabenkern, auf den zwei dünne Decklagen aufgebracht sind. Herausragende Leichtbauaspekte sind insbesondere mit in Harz getränkten Waben aus Papier zu erzielen. Sie verfügen über die im Interiorbereich und in der Luftfahrt geforderten Brandschutzeigenschaften und weisen durch ihre Sandwichstruktur hohe mechanische Festigkeit sowie Steifigkeit auf. Pappwabenplatten oder Waben mit Holzdeckschichten werden auf Basis von Naturfasern hergestellt. Mit dem in der Wabenstruktur eingeschlossenen Luftvolumen haben sie ein sehr geringes flächenspezifisches Gewicht und sind äußerst druckfest. Pappwabenplatten mit einer Dicke von nur 20 mm können, bezogen auf eine Fläche von 100 cm2, ein Gewicht von bis zu 400 kg tragen. Sie wirken zudem wärmedämmend und schallisolierend.

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Wabenstrukturen fall sind Wabenstrukturen mit unterschiedlichen Grammaturen erhältlich. Der Wabenkern wird aus recyceltem Papier hergestellt und mit Deckschichten aus Kunststoffen, Holz und anderen Materialien kombiniert.

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Verwendung

Wabenstrukturen besitzen zur Versteifung von Kunststoffbauteilen oder als Leichtbaukern eine hohe Bedeutung. Typische industrielle Anwendungen sind der Bau von Schiffsrümpfen, Flugzeugsitzen, Tragflächen, LKW-Aufbauten oder Dachstrukturen. Die isolierenden Eigenschaften werden als Türfüllungen, Wandverkleidungen und bei der Konstruktion von Wohnwagen genutzt. Weitere Einsatzfelder sind der Messe-, Kulissen- und Möbelbau.

Leichtbaustruktur aus Papierwaben (Quelle: formvielfalt)

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Produkte

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BeeCore  Der Aufbau dieser mit unterschiedlichen Deckschichten kombinierbaren Honigwabenstruktur ist hochdruckfest, energieabsorbierend und verfügt über sehr gute Leichtbaupotenziale. Durch Verwendung von recyceltem Papier für die Wabenstruktur hat der Werkstoff eine ausgesprochen gute Energiebilanz. Beeboards werden im Bauwesen, in der Fahrzeugindustrie und auch im Verpackungsbereich oder Möbelbau eingesetzt.

Plattenmaterialien mit Wabenstrukturen (Quelle: Econcore TorHex ®)

Eurolight  Diese großindustriell gefertigte Leichtbauplatte besteht aus einer hochfesten Mittellage aus sechseckigen Kartonwaben und einer Decklage aus 8 mm dicken Spanplatten. Der Aufbau minimiert das Gewicht bei gleichbleibender Festigkeit und Stabilität. Anwendung findet das Plattenmaterial als Konstruktionswerkstoff im Möbel- und Innenausbau.

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SwissCell  SwissCell ist der Name einer Wabenkonstruktion aus in Spezialharz getränkten Zellulosefasern, die unter hoher Temperatur und starkem Druck zu einem homogenen Material mit außergewöhnlichen Eigenschaften verdichtet wurde. Sie eignet sich vor allem für Wände, Dächer, Fahrzeuge und Möbel.

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Flamexx  decotech Diese Papierwabenstruktur wurde speziell für industrielle Anwendungen und den Einsatz im Bauwesen entwickelt. Sie entspricht der Brandschutzklasse B1. Für den jeweiligen Anwendungs-

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TorHex  TorHex  Papierwabenkerne können als zugeschnittene Bögen oder in Form endloser Bahnen produziert und direkt weiterverarbeitet werden. Die Wabenkerne lassen sich mit vielfältigen Decklagenmaterialien (zum Beispiel Naturfaserverstärkungslagen) kombinieren und bieten ein sehr großes Anwendungspotenzial.

Aufbau einer Pappwabenplatte mit Holzdeckschicht (Quelle: Egger Holzwerkstoffe)

Plascore  Aluminium-Wabenkerne bieten in LeichtbauSandwichplatten eine exzellente Stabilität und Korrosionsbeständigkeit für Anwendungen im industriellen Bereich wie auch in der Luft- und Raumfahrt.

97

Aufbau eines Beeboards

Wabe 135 g/m²

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Decke 365 g/m² Dicke 0,5 m m Herstellung und Verarbeitung von Eurolight ® (Quelle: Egger Holzwerkstoffe)

Sandwichpaneele mit transluzenten Kunststoffplatten als Decklagen und Strukturmittellage sind wegen ihrer optischen Qualität bei gleichzeitig hoher Tragkraft für Designer und Innenarchitekten in den letzten Jahren sehr interessant geworden. Seit einiger Zeit sind diese auch auf Basis biologisch abbaubarer Biokunststoffe erhältlich.

Eigenschaften  transluzente Optik // geringes Gewicht // hohe Tragkraft // UVbeständig Nachhaltigkeitsaspekte Herstellung auf Basis natür-licher Rohstoffe // biologisch abbaubar

Materialkonzept und Eigenschaften

Meist bestehen Architekturpaneele beidseitig aus 2 mm starken, UV-lichtbeständigen Polycarbonat- oder PMMA-Deckschichten, die der Strukturmittellage die notwendige Festigkeit, eine transluzente Optik und rutschfeste Eigenschaften geben. Die Verwendung von PLA (Polymilchsäure) substituiert die klassischen Thermoplaste und macht das Material kompostierbar. Nach Verwendung für temporäre Architekturen kann es CO2-neutral recycelt werden. Es entsteht kein Sondermüll.

Doppelstegpaneele

anwendung und verarbeitung

Verwendung finden Architekturpaneele in der Werbung, für Inneneinrichtungen (z.B. als Trennwände, Schiebetüren oder Lichtdecken), beim Messe- und Möbelbau oder als hinterleuchtete Wand- und Displayelemente. Hoch belastbare Ausführungen lassen sich auch als Bodenplatten verwenden. Bearbeitet werden kann das Plattenmaterial mit den üblichen Techniken der Holz- und Metallverarbeitung. Beim Fräsen, Sägen und Bohren erzielt man die besten Ergebnisse bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Kleine Oberflächenmängel werden durch Schleifen oder Polieren entfernt. Die Formgebung unter Wärmezufuhr ist möglich (Thermoformen).

Aufbau eines Kunststoffstrukturpaneels (Quelle: Bencore) 1. Deckschicht: Polycarbonat oder PETG

2. Klebemittel

3. Kern: Aluminiumwaben

4. Klebemittel

5. Deckschicht: Polycarbonat oder PETG Marvel Bioresin (Quelle: Marvel GmbH)

Eine metallische Sandwichstruktur mit einzigartigen Leichtbauqualitäten für die Flug- und Fahrzeugindustrie wird unter dem Namen Hybrix® am Markt vertrieben.

98 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Eigenschaften  1 bis 2 mm dickes Platten­ material // halb so schwer wie vergleichbare Edelstahlbleche // hohe mechanische Festig­ keit // eingeschlossene Luftpolster // witterungsbeständig Nachhaltigkeitsaspekte Leichtbaupotenzial für die Luftfahrt- und Fahrzeugindustrie // auch Potenziale zur Wärmedämmung

Edelstahlmikrosandwich Trolley aus Edelstahlmikrosandwich (Quelle: Lamera)

Materialkonzept und Eigenschaften

Der 1 bis 2 mm dicke Verbundwerkstoff besteht aus zwei Edelstahldeckschichten, die von Millionen mikroskopisch kleiner Stahlfasern zusammengehalten werden. Auf diese Weise wird in der Mittellage eine große Luftmenge eingeschlossen, wodurch der Werkstoff nur halb so schwer ist wie andere Edelstahlbleche. Die Materialdichte beträgt lediglich 1,5 bis 3,9 kg/m2. Wegen seiner hohen mechanischen Festigkeit ist das Edelstahlmikrosandwich ausgesprochen robust gegen äußere Einflüsse. Es korrodiert zudem nicht. anwendung und verarbeitung

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Aufbau von Hybrix ® (Quelle: Lamera)

Konzipiert wurde Hybrix  für alle klassischen Leichtbauanwendungen. Die Vorteile des Werkstoffs werden insbesondere für den Innenausbau von Flugzeugen offensichtlich. So wurden bereits Kühlschränke und Servierwagen aus dem Material für die Luftfahrtindustrie realisiert. Weitere Verwendungsgebiete sind Koffer, Gehäuse elektronischer Geräte, Möbel und Ladeneinrichtungen. Vergleichbar zu anderen Aluminiumschichtverbunden (z.B. Dibond) lässt sich auch das Edelstahlmikrosandwich mit den konventionellen Bearbeitungstechniken verarbeiten. Es kann leicht in Metallpressen verformt, tiefgezogen und gebogen werden und ist daher auch zur Herstellung von Behältern geeignet. Der Zuschnitt erfolgt mit den üblichen zerspanenden Techniken der Metallverarbeitung. Individuelle Formgeometrien lassen sich auch auf Wasserstrahl- und Laserschneidanlagen realisieren.

Das Unternehmen Technocarbon lässt Granit jetzt biegsam werden. Karbonfaserstein (CFS) ist der Name eines Verbundwerkstoffs aus Granit (im Kern), der mit einem Karbonfaserlaminat ummantelt ist.

99 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Eigenschaften  biegsam // hohe Bruchfestigkeit // hohe Druckelastizität // schwingungsdämpfend // geringes Gewicht (Dichte 2,7-2,9 g/cm³) // geringe Wärmedehnung Nachhaltigkeitsaspekte  Leichtbauaspekte // schwingungsdämpfende Eigenschaften

Materialkonzept und Eigenschaften

Das Karbonfaserlaminat schützt vor extremen Beanspruchungen und lässt den Stein selbst unter Schockeinwirkung nicht brechen. Durch den Mantel wird der Werkstoff hochelastisch. Er lässt sich ohne Beschädigung biegen und kehrt nach der Auslenkung in seine Ausgangsform zurück. Die Druckelastizität von Karbonfaserstein ist mit der von Stahlwerkstoffen vergleichbar. Zudem verfügt das Material über schwingungsdämpfende Eigenschaften, was es für eine ganze Reihe dynamischer Anwendungen interessant werden lässt. Das spezifische Gewicht von CFS liegt je nach Sorte zwischen 2,7 g/cm3 und 2,9 g/cm3 und ist mit dem von Aluminium vergleichbar. Unter Wärme dehnt sich der Werkstoff kaum. anwendung und verarbeitung

Die besonderen Materialqualitäten von Karbonfaserstein sind vor allem für dynamische Anwendungen interessant. Denkbar ist der Einsatz auch

Karbonfaserstein (CFS) in Strukturelementen für Fahrzeugkarosserien oder in Maschinenbauteilen, bei denen eine thermische Ausdehnung unerwünscht ist. Die Flexibilität des Werkstoffs könnte unter Umständen für die Crashsicherheit einer Fahrgastzelle genutzt werden. Das schwingungsfreie Verhalten macht ihn für Rotorblätter von Windkraftanlagen und für Sportgeräte geeignet. Beim Möbelbau und für die Architektur bietet er weitere nutzbringende Qualitäten. CFS kann mit dem Wasserstrahl geschnitten werden. Einzelteile aus dem Verbundwerkstoff lassen sich kleben.

Gesteinswerkstoffe gehören zu den ältesten Materialien überhaupt, aus denen Gebrauchsgegenstände hergestellt und Gebäude aufgebaut werden. Umso erstaunlicher, dass klassische Baumaterialien wie Beton in den letzten Jahren immer häufiger Designer und Gestalter zu ausgefallenen Produktentwürfen inspirieren.

Querschnitt von Karbonfaserstein (Quelle: Technocarbon)

Eigenschaften  hohe Packungsdichte // Reduzie­ rung des Zementgehalts // Steigerung der Druckfestigkeit // Kostenreduzierung // hohe Widerstandsfähigkeit Nachhaltigkeitsaspekte  Materialeffizienz // CO²-Einsparpotenziale

Ultrahochfestbeton Materialkonzept und Eigenschaften

Vergrößerung der Packungsdichte durch mathematische Optimierung der Korn­ a nordnung und Wasserfilmdicke (Quelle: g.tecz)

Führte die Verwendung von Beton bislang zu massiven Objekten, deren Formensprache durch eine Mindestwanddicke stark eingeschränkt war, können mit Ultrahochfestbetonen heute ganz andere Ergebnisse erzielt werden. Dank spezieller mathematischer Modellierungsverfahren lässt sich die optimale Partikeldichte anwendungsspezifisch

einstellen. Durch Anpassung der Wasserfilmdicke kann eine signifikante Reduzierung des Zementgehalts um bis zu 40 Prozent erzielt werden. Die Druckfestigkeit wird erheblich gesteigert. Auf den Einsatz kostenintensiver Feinstoffe kann verzichtet werden, die Materialkosten reduzieren sich um bis zu 35 Prozent. Ultrahochfestbetone bieten ein hohes CO2-Einsparpotenzial. Zudem wird durch die höhere Packungsdichte die Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen erhöht.

verwendung

Als eine der ersten ist es der Designerin Alexa Lixfeld durch Kombination von Hochleistungsbeton und einer besonderen Beschichtung gelungen, die bisherigen Schranken aufzulösen und den Werkstoff für filigrane Bauteile in Küche und Bad zu qualifizieren. Sie erzielte Oberflächen, die permanent glänzen, abrieb- und säurebeständige Eigenschaften aufweisen sowie lebensmittelecht und hydrophob sind. Weitere Anwendungsbeispiele sind Betonwandbeläge von Doreen Westphal und Möbel von Gregor Zimmermann.

100 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Geschirr aus Beton (Quelle: Alexa Lixfeld)

Beton mit wasserabweisenden Eigenschaften (Quelle: g.tecz)

Betonwandbelag (Quelle: Doreen Westphal)

Faserverstärkte Kunststoffe kommen immer häufiger als Ersatz für Metallwerkstoffe im Fahrzeugbau zum Einsatz. Dies zeigte vor allem der Entwicklungsdienstleister EDAG mit seinem Fahrzeugkonzept „Light Car – Open Source“ auf dem Automobilsalon in Genf in den Jahren 2009 und 2010. Er setzte Basaltfasern, die sich insbesondere zum Bau von Windkraftanlagen bewährt haben, erstmals im Automobilbau ein.

101

Eigenschaften  geringes Gewicht (Dichte: 2,67 g/cm³) // hochtemperaturbeständig // chemische Resistenz // mit Aramidfasern vergleichbare Steifigkeit // hohe Zugfestigkeit

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Nachhaltigkeitsaspekte  natürlicher Ursprung des Fasermaterials // Leichtbaupotenziale // weniger Energie als bei Glasfaserproduktion // recyclingfähig

Materialkonzept und Eigenschaften

Basaltfasern werden aus der Schmelze vulkanischen Gesteins bei etwa 1.450 °C gewonnen und sind zu 100 Prozent natürlichen Ursprungs. Ihre Eigenschaften sind abhängig von der Zusammensetzung des Basalts. Insbesondere der Eisenanteil bestimmt die für den Fahrzeugbau wichtigen mechanischen Eigenschaften. Basaltfasern sind sehr leicht, extrem zugfest, chemisch resistent und in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar. Ihre Steifigkeit (E-Modul) liegt rund 15 Prozent, die Zugfestigkeit etwa 30 Prozent über der von Glasfasern, womit die Werte in etwa mit denen von Aramidfasern vergleichbar sind. Bei der Herstellung wird weniger Energie benötigt als bei Glasfasern. Gebunden in Verbundwerkstoffen geht von Basaltfasern keine gesundheitliche Gefährdung aus.

Basaltfaserverstärkte Werkstoffe

VERwendung und verarbeitung

Basaltfaserverstärkte Kunststoffe finden Einsatz als Leichtbauersatz für metallische Werkstoffe in der Luftfahrt-, Automobil- und Bauindustrie. Sie werden im Rohr-, Behälter- und Bootsbau eingesetzt und für die Fertigung von Windkrafträdern verwendet. Zur Verarbeitung in thermoplastischen Kunststoffen eignen sich Basaltfasern mit einer Länge von 4 bis 6 mm und einem Durchmesser von 10 bis 13 µm. Von den unterschiedlichen Herstellern werden auch Gewebe, Rovings, Basaltmatten und Filamentgarne für die Weiterverarbeitung vertrieben. Fahrzeugstudie „Light Car - Open Source“ (Quelle: EDAG)

Kanu aus basaltfaserverstärktem Kunststoff (Quelle: Basaltex)

Gewebe aus Basaltfasern (Quelle: Basaltex)

Formteil aus basaltfaserverstärktem Kunststoff (Quelle: Basaltex)

102

Bei der Entwicklung umweltverträglicher Kunststoffverpackungen und Gebäudedämmungen verfolgen die Produzenten derzeit ganz unterschiedliche Ziele. Während die einen auf die Herstellung von Polymerwerkstoffen auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen setzen (z.B. Polyhydroxybuttersäure oder Polymilchsäure), versuchen andere durch Einbringung mineralischer Zusätze, den Anteil erdölbasierter Polymere zu reduzieren. Gleichzeitig stehen die Verbesserung der Energiebilanz bei Herstellung und Recycling, die Reduzierung des Wasserverbrauchs sowie die Verbesserung mechanischer und wärmedämmender Qualitäten im Fokus. Die Beimischung von Zuschlagstoffen und Additiven wird in der Kunststofftechnik als Compoundierung bezeichnet.

Mineralpartikeloptimierte Kunststoffe 126

114

194

111

234

280

360

624

4

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309

17

24

1900

2100

2900

9100

13700

Ökobilanz verschiedener Einwegverpackungen 108

™

Calymer Eines dieser Erzeugnisse ist die Milchverpackung Ecolean, die beispielsweise vom Ökodorf Brodowin zur Abfüllung von Bio-Vollmilch genutzt wird. Diese fällt aber nicht nur durch eine erstaunlich niedrige Energiebilanz auf, sondern auch durch ihr durchdachtes Produktdesign. Die Ecolean-Milchverpackung besteht zu 40 Prozent aus natürlicher Kreide (Calciumcarbonat). Verbunden mit recycelbarem Kunststoff entsteht daraus eine sehr leichte Verpackung mit einem Gewicht von 16 g pro Einlitertüte, was die Menge des Abfalls deutlich reduziert. Der Energieverbrauch konnte bei der Herstellung des Rohmaterials im Vergleich zu anderen Verpackungswerkstoffen

Nachhaltigkeitsaspekte  geringer Energieverbrauch bei Herstellung // hoher Anteil natürlicher Rohstoffe // geringe Wärmeleitung

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

22

Materialkonzept und Eigenschaften

Eigenschaften  geringes Gewicht // gute mechanische Eigenschaften // hoher Anteil natürlicher Rohstoffe // Werkstoffersparnis // verbesserte Wärmedämmung

1

2

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Gigajoule

Kg

1.000 Liter

Kg

Energieverbrauch bei der Herstellung des Rohmaterials für 100.000 Verpackungen zu je 1 Liter

Abfallaufkom men bei der Produktion des Rohmaterials für 100.000 Verpackungen zu je 1 Liter

Abwassermenge auf 1.000 Liter bei der Herstellung des Rohmaterials für 100.000 Verpackungen

Entstehende Treib­ hausgase bei der Herstellung des Rohmaterials von 100.000 Verpackungen zu je 1 Liter

1 = Ecolean ® Milchbeutel / 2 = Kartonverpackung / 3 = Kartonverpackung mit Deckel / 4 = HDPE-Flasche / 5 = PET-Flasche

Däm mstoff Neopor ® mit Graphitverstärkung

aus Karton oder PE um etwa 80 Prozent reduziert werden. Die Abwassermenge erreicht gar nur eine Größenordnung von 2 bis 4 Prozent der bisherigen Werte. Und auch der Ausstoß von Treibhausgasen bei der Produktion fällt deutlich niedriger aus. Die von einer Karaffe inspirierte Form und Konstruktion der Verpackung ermöglicht zudem ein einfaches Öffnen, bequemes Ausschenken sowie eine hohe Reiß- und Standfestigkeit.

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Milchverpackung Ecolean ®

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Neopor  Neopor  ist die Weiterentwicklung des Dämmund Verpackungsklassikers Styropor. Die silbergraue Farbe des expandierbaren Polystyrols (EPS) rührt von mikroskopisch kleinen Grafitplättchen her, die dem Polystyrol beigemischt sind. Sie mindern die Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs beträchtlich und steigern die Dämmleistung um 20 Prozent. Dieser entscheidende

Vorteil trägt dazu bei, Heizkosten zu sparen und umweltverträglich den Wert von Gebäuden zu steigern. Schaumstoffhersteller sparen bis zu 50 Prozent des Rohstoffs bei gleicher Dämmwirkung und Handwerker können mit bis zu 30 Prozent leichterem Plattenmaterial arbeiten. Die Anwendungsgebiete sind vielfältig. Typischerweise wird Neopor  dazu verwendet, Gebäudehüllen, Dächer oder Böden zu dämmen. Auch Schalsteine können aus Neopor  -Granulat hergestellt werden. Die Dämmmaterialien sind frei von FCKW, HFCKW, HFKW und anderen halogenierten Zellgasen. In der Struktur ist lediglich Luft enthalten, was die Wärmedämmeigenschaften über einen langen Zeitraum gewährleistet. Das Brandverhalten entspricht der Klasse B1 (schwer entflammbar). Die Verarbeitungsmöglichkeiten sind mit denen von Styropor vergleichbar.

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Industrielle Schaumstrukturen wurden entwickelt, um die Leichtigkeit eines Schwamms mit der Steifigkeit des Grundmaterials zu verbinden. Schaumstoffe aus Polymerwerkstoffen, aus Metallen, Holz, Glas oder Papier: Die Entwicklungen der Werkstofflabore sind vielfältig. Immer mehr findet auch Keramikschaum mit seinen hitzebeständigen und wärmedämmenden Eigenschaften den Weg in den Markt und die verschiedensten Anwendungen im Baugewerbe, in Heizungsanlagen und in der Raumfahrt. Materialkonzept und Eigenschaften

Offenporige Schäume aus keramischen Werkstoffen wie Siliziumkarbid bilden meist die Struktur von Polymerschaumstoffen ab und verbinden dabei die Durchlässigkeit und das geringe Gewicht von Schwammstrukturen mit der Hochtemperaturbeständigkeit und den guten mechanischen Qualitäten von Keramiken. Keramikschaum ist bis zu Temperaturen von über 2.000 °C einsetzbar. Außerdem weist er akustische Absorptionseigenschaften auf. anwendung und verarbeitung

Mit den Potenzialen zur thermischen Isolation bieten Keramikschäume vor allem Möglichkeiten für die Wärmeisolierung von Gebäuden oder für Hitzeschilde in der Raumfahrt. Darüber hinaus reichen die Einsatzfelder vom Motorenbau über thermische Generatoren bis hin zu Filteranlagen von Schadstoffen (z.B. Dieselrußfilter). Keramikschäume werden insbesondere für den Leichtbau verwendet. In Schalldämpfern sollen sie helfen, den Flugzeuglärm zu reduzieren. Erste Produkte im Designbereich sind Leuchten mit einer optisch interessanten Transparenz.

103

Eigenschaften  geschlossen- und offen­ porige Strukturen // hochtemperaturbeständig // schallabsorbierend // optische Transparenz // große innere Oberfläche

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Nachhaltigkeitsaspekte  100 Prozent recyclingfähig // luftreinigend // wärmeisolierend

Keramikschaum heitsteile wie Bremskomponenten, Kurbelwellen, Radnaben, Aufhängungen und Achsschenkeln verwendet. Gießfilter halten Schlacke und Reaktionsprodukte zurück, wodurch die physikalischen Eigenschaften verbessert und der Aufwand zur Nachbearbeitung erheblich reduziert wird. Zwei-Komponenten-Keramikschaum Zur Herstellung thermischer Isolationen in Brandschutzanwendungen für das Baugewerbe wurden

Zwei-Komponenten-Keramikschäume entwickelt. Diese schäumen bei Raumtemperatur auf und härten ohne äußere Wärmezufuhr innerhalb von 20 Minuten aus. Der entstehende keramische Schaum ist wasser- und wasserdampfbeständig, faserfrei und bis zu einer Temperatur von 1.000 °C beständig. Da Zwei-Komponenten-Keramikschäume keine schädlichen Stoffe enthalten, sind sie für den Lebensmittelbereich zugelassen. Sie sind zudem nicht brennbar (Baustoffklasse A1).

Produkte

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Duocel SiC-Schaum Keramikschaum von ERG Aerospace ist porös, mit offenzelliger Strukur und besteht aus Silikonkarbiden. Er weist exzellente physikalische Eigenschaften auf, hat eine hohe Wärmebeständigkeit, einen geringen Strömungswiderstand und ist mit einem großen eingeschlossenen Luftvolumen ein ausgesprochener Isolator. Duocel Keramik­schäume werden zudem zur Absorption und Filterung von Umweltschadstoffen eingesetzt.

Schaumstruktur aus einer Silizium karbidkeramik (Quelle: ERG Aerospace)

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Stelex  Der weitaus größte Teil der weltweiten Keramikschaumproduktion wird in der Gießindustrie genutzt. Gießfilter von Foseco werden aus Aluminium- oder Zirkonoxid hergestellt und bei der Produktion hoch beanspruchter Guss- und Sicher-

Lampe mit Schirm aus Keramikschaum (Quelle: Nextspace, serien.lighting)

Etwa 30 Jahre sind vergangen, seit das Prinzip zur Herstellung von Schäumen aus metallischen Werkstoffen mit einer knochenähnlichen Struktur entdeckt wurde. Der große Vorteil liegt in einem sehr guten Verhältnis zwischen Festigkeit und Masse. Denn je nach Art und Struktur bestehen Metallschäume nur zu 80 bis 90 Prozent aus Luft. Für die Herstellung wurde bislang meist Aluminium verwendet. Die sintertechnische Produktion macht jedoch die Herstellung von Schaumstrukturen aus nahezu jedem metallischen Werkstoff möglich, wie zum Beispiel Edelstahl, Titan oder Kupfer. Materialkonzept und Eigenschaften

Bei den Angeboten am Markt werden geschlossen- und offenporige Schaumstrukturen unterschieden. Während die geschlossenporigen unter Verwendung von Treibmitteln entstehen, werden offenporige Strukturen entweder durch Gießen oder Sintern erzeugt. Grundlage der Sintertechnik ist ein Kunststoffschwamm, der mit einer Metallpulver-Binder-Suspension beschichtet wird. Anschließend wird der Polymerwerkstoff bei 300 °C entbindert und das Metall gesintert. Übrig bleibt eine für Luft und Flüssigkeiten durchlässige Struktur mit optisch interessanten Qualitäten. Neben der hohen Steifigkeit weisen Metallschäume gute dämpfende sowie schall- und wärmeabsorbierende Eigenschaften auf. Die hohe innere Oberfläche wird auch zur Reinigung von Luft genutzt.

Lampe aus offenporigem Metallschaum (Quelle: Zoon Design)

104 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Eigenschaften  geschlossen- und offenporige Strukturen // jeder metallische Werkstoff möglich // hohe Steifigkeit // stoß­ dämpfend // optische Transparenz // große innere Oberfläche Nachhaltigkeitsaspekte Treibstoffersparnis durch Gewichtsverringerung // luftreinigende Eigenschaften // schalldämmende Qualitäten

Metallschaum anwendung und verarbeitung

Metallschäume sind wegen ihrer Leichtbauaspekte vor allem für den Fahrzeugbau (LKW-Aufbauten, Cabrios, Straßenbahnwagen) geeignet. Die guten Dämpfungseigenschaften machen sie zudem für Crashabsorber und bewegte Teile wertvoll. Weitere Anwendungen sind Schalldämpfer, Wärmetauscher, Katalysatoren und Filteranlagen. Beim Messe- und Leuchtenbau werden vor allem die optischen Qualitäten geschätzt. Metallschäume können mit konventionellen Verarbeitungstechniken wie Sägen, Fräsen oder Drehen bearbeitet werden.

Produkte

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foamet foamet ist ein offenporiger Metallschaum, der durch pulvermetallurgische Prozesse auf Basis eines Kunststoffschwamms entsteht, der Vorlage der Geometrie des späteren Bauteils ist. foamet kann aus jedem Metall hergestellt werden. Er ist durchströmbar für Gase und Flüssigkeiten, hat eine große spezifische Oberfläche und eine niedrige Dichte. Die Zellweite kann von 0,3 bis 5 mm variiert werden. Die Porosität ist im Bereich von 70 bis 95 Prozent einstellbar.

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Alulight Der geschlossenporige Schaum weist prozessbedingt eine wenige zehntel Millimeter dünne Gusshaut auf. Er ist leicht durch sägen, fräsen, bohren und drehen bearbeitbar. Die mechanischen Eigenschaften lassen sich durch die Schaumdichte bzw. Porengröße einstellen. Der Aluminiumschaum ist in Dichten von 0,4 bis 0,7 kg/dm3 lieferbar und kann mit eingeschäumtem Streckmetall oder aufgeklebten Materialen wie Holzfurnieren, Kunststoffen oder Blechen verstärkt werden.

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Zincopor  Unter Verwendung von Treibmitteln entstehen im Druckgussprozess Zink-Bauteile mit einer inneren Schaumstruktur, die bei gleicher Stabilität bis zu 50 Prozent leichter sind als vergleichbare Gussteile. Anwendungen finden die Bauteile mit porenfreier Oberfläche überall dort, wo es auf Material- und Gewichtsersparnis ankommt.

Makroaufnahme einer offenporigen Metall­ schaumstruktur (Quelle: hollomet)

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Wärmetauscher mit offenporigem Metallschaum (Quelle: hollomet)

Messestand unter Verwendung von Aluminiumschaum (Quelle: formvielfalt)

m.pore  Die offenporigen Aluminiumschäume entstehen durch einen Gießprozesses auf Basis von PUR-Schaum. Ihre relative Dichte beträgt rund 10 Prozent für alle Zellgrößen. Die Durchströmeigenschaften richten sich nach Größe und Anzahl der Poren.

105 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Maschinenbauteil aus offenporigem Aluminiumschaum (Quelle: ERG Aerospace)

Motorkopf aus Zinkschaum (Quelle: Zincopor)

Schaum aus Holz zu erzeugen hat vor allem das Ziel, das Gewicht bei gleicher statischer Beanspruchbarkeit des Werkstoffs zu verringern. Ohne den Zusatz chemischer Stoffe kann Holzschaum auf Basis natürlicher Ausgangsstoffe erzeugt werden.

Eigenschaften  poröse Materialstruktur // sehr geringes Gewicht // exzellente Wärmedämmung // hohe Formstabilität // schallund stoßdämpfend Nachhaltigkeitsaspekte  Holzschaum kann in Wasser gelöst und die Ausgangsstoffe können wieder verwendet bzw. zu Holzpellets verarbeitet werden // Leichtbauaspekte // wärmedämmend und schalldämpfend

Materialkonzept und Eigenschaften

Zur Realisierung einer gleichmäßig porösen Struktur kommt ein biotechnisches Aufschäumver­ fahren auf rein pflanzlicher Grundlage zur Anwendung. Den Ausgangspunkt für die Herstellung bilden Sägemehl, Holzstaub oder die Schalen von Getreide und Reis. Diese werden fein gemahlen, mithilfe von Wasser und Stärke zu einer Holz­paste verarbeitet und mit Hefepilzen und Bakterien versetzt (Fermentation). Der Holzbrei quillt auf und wird in einem Ofenprozess zu Plattenformaten mit einer zwiebackähnlichen Materialstruktur getrocknet und ausgehärtet. Es entsteht eine poröse Materialstruktur mit guten Festigkeitswerten, einem sehr geringen Gewicht (250 bis 300 kg/m3) und exzellenten Wärmedämmeigenschaften.

Holzschaum

anwendung und verarbeitung

Platten aus Holzschaum eignen sich aufgrund ihres niedrigen Gewichts bei hoher Formstabilität und Steifigkeit und des ökologischen Herstellungsprozesses überall dort, wo hohe Belastbarkeit, leichte Verarbeitbarkeit und die Möglichkeit zur einfachen Entsorgung gefragt sind. Holzschaum ist vor allem als statisch beanspruchbarer Kernwerkstoff zur Herstellung von Holzverbundplatten für den Leichtbau geeignet. Im Vergleich zu den normalen Varianten sind auch karbonisierte und keramisierte Platten sehr formstabil und nach der Behandlung auch nicht mehr wasserlöslich. Geräte­pucks für HiFi-Komponenten aus Holzschaum sorgen für ein harmonisches Klangbild bei verbesserter Detailwiedergabe. Zudem haben sie einen leicht dämpfenden Einfluss. Holzschaum kann mit den üblichen Verarbeitungstechniken bearbeitet werden. Für den Einsatz im Möbelbereich lässt er sich hervorragend furnieren.

Eigenschaftswerte von Holzschaum MDF-Platte

Spanplatte

Faserplatte

Holzschaum***

40

ca. 20-50

Dicke in mm

19

40

19

80**

Rohdicke

Kg/m³

732

700

600

520

150-250

226-309

Biegefestigkeit

N/mm²

22

18

20

10

praktisch 0

0,9-1,57

Biege-E-Modul*

N/mm²

3000

2700

2800

1770

praktisch 0

146-227

Druckfestigkeit

N/mm²

10-20

10-20

10-20

10-20

sehr gering

0,59-2,04

Querzugfestigkeit

N/mm²

0,6-1,0

0,6-1,0

0,35

–

sehr gering

0,07-0,46

Dickenquellung

% (24h)

12

8

15

–

–

30,3

Ausgleichsfeuchte

%

11-15

11-15

11-15

11-15

11-15

1,21-1,51

Wärmeleitfähigkeit

W/mK

Diffusionswiderstand Spezifische Wärme

Wh/KgK

0,1

0,1

0,14

0,1

0,04

0,08

40-60

40-60

80-200

30-50

5

14,29

0,75

0,75

0,75

–

0,7

nicht abgeklärt

* Bei Platten, die längerfristig auf Biegung belastet werden, ist das K riechen mit zu berücksichtigen (die Fasern oder Teile von Holzwerkstoffen ­ verschieben sich unter Belastung, zurück bleibt eine bleibende Krüm mung) ** „Homogen80“, Produktangaben *** Werte aus der Forschungsstudie „Fermentieren von Holz mittels Hefe“, b estim mt an der SH Holz Biel ­

Sie nennen sich „Flupis“, kleine zylinderförmige Flocken aus Papierschaum, die als Packmittel zerbrechliche Gegenstände oder Haushaltsgeräte beim Transport vor Erschütterungen schützen sollen. Hergestellt werden sie umweltfreundlich aus Altpapier und nachwachsenden Rohstoffen und sollen das für Verpackungen übliche Styropor auf Dauer ersetzen.

106 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Nachhaltigkeitsaspekte  auf Basis nachwachsender Rohstoffe und Altpapier // einfacher Herstellungsprozess // keine chemischen Zusätze

Papierschaum

Materialkonzept und Eigenschaften

Zur Herstellung wird das Altpapier zerkleinert, gemahlen, mit Weizenstärke vermischt und zu Granulat gepresst. Unter Einfluss von Druck und Wasserdampf lässt sich dieses in einem Extruder zu Würsten schäumen oder im Spritzgussverfahren zu Formteilen mit weicher Oberfläche verarbeiten. Die Produktionsdauer ist abhängig von Formteilgröße und Wandstärke und variiert zwischen wenigen Sekunden und zwei Minuten. Da bei der Herstellung keine chemischen Treibmittel oder Weichmacher verwendet werden und es sich bei der Deponierung in seine natürlichen Bestandteile zersetzt, kann Papierschaum mit dem normalen Hausmüll entsorgt werden. Die Zersetzung wird durch die Stärke beschleunigt. Papierschaumteile können auf einfache Weise gefärbt werden. Zur Herstellung wird auch Altpapier verwendet.

Eigenschaften  Ersatz für Styropor // sehr geringes Gewicht // stoßdämpfend // einfache Entsorgung // keine Treibmittel oder Weichmacher // spritzgießfähig

Verwendung

Als Verpackungsmaterial ist Papierschaum insbesondere für CD- und DVD-Trays bekannt geworden. Diese werden unter dem Markennamen PaperFoam  von einem niederländischen Unternehmen vertrieben. Auch Apple nutzt zur Verpackung von MP3-Playern oder Notebooks Papierschaumprodukte, um sie vor Beschädigungen zu schützen. Darüber hinaus findet es als Dämmmaterial Verwendung. Und sogar als Katzenstreu soll es sich eignen.

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aus Fasern, Stärke und Wasser wird in eine auf 200 °C erhitzte Form gespritzt, wo das Wasser verdampft und als Treibmittel wirkt und die Masse aufschäumt.

produkte

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Flupis  Bei der Herstellung wird auf Zeitungspapier und Kartonreste zurückgegriffen, die mit natürlicher Weizenstärke und einem alkoholischen Bindemittel vermischt und mithilfe von Wasserdampf aufgeschäumt werden. Je nach Rezeptur lassen sich unterschiedliche Festigkeiten mit homogener Oberflächenqualität erzeugen. Als loses Füllmaterial schützen sie hochwertige Güter vor Beschädigungen.

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Flupis ® aus Papierschaum (Quelle: Hellbut)

Obwohl Zelluloseflocken schon seit den 1920er Jahren als Dämmmaterial bekannt sind, ist ihre Bedeutung erst in den letzten Jahren im Zusammenhang mit der Nachhaltigkeitsdebatte gestiegen. Materialkonzept und Eigenschaften

Die guten Dämmeigenschaften (Wärmeleit­ fähigkeit: 0,038–0,045 W/mK) gehen auf Luftkammern zurück, die in der dreidimensionalen Flockenstruktur eingeschlossen sind. Altpapier wird im Herstellungsprozess mechanisch zerkleinert und fasert auf. Die Zellwände vernet-

PaperFoam  Formteile aus Papierschaum werden im Spritzgießprozess erzeugt. Eine zähflüssige Masse

Verpackungen aus Papierschaum (Quelle: PaperFoam ®)

Eigenschaften  auf Basis von Altpapier // sehr gute Wärmedämmung // hoher Schallschutz // geringe Dichte: 30-80 kg/m³ // schwer entflammbar // schimmelresistent Nachhaltigkeitsaspekte Wärmespeicher­ kapazität sehr hoch // positives Raumklima // Alternative zu Mineralwolle, Polymerschäumen und Glaswolle // recyclingfähig

Zelluloseflocken

zen sich untereinander. Durch Zusatz von Bor-, Ammonium- oder Aluminiumsalzen (Anteil: 8 bis 20 Prozent) wird die Brandschutzklasse B1 erreicht. Die Zusätze machen den Werkstoff zudem resistent gegen Schimmelbefall. Neben einer hohen Wärmespeicherfähigkeit weisen Zelluloseflocken vor allem eine sehr gute Isolierwirkung auf und bieten einen guten Schallschutz. Der Werkstoff dünstet keine Chemikalien aus, ist durchlässig für Wasserdampf und wirkt feuchtigkeitsregulierend (Wasserdampfdiffusionswiderstand: 1–2). Somit ist er ein ideales Dämmmaterial zur Erzielung eines guten Raumklimas. Die mechanische Belastbarkeit unter Druck ist aufgrund der Zellstruktur allerdings eingeschränkt.

107 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Weitere auf dem Markt befindliche Marken für Zelluloseflocken sind: climacell und thermofloc 

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verwendung und verarbeitung

Die Nutzung als Dämmwerkstoff im Dachbereich, für Geschossdecken oder für Wände ist inzwischen weit verbreitet. Hierbei kann es lose aufgeschüttet, feucht auf senkrechte Wände gesprüht oder in luftdichte Hohlräume zwischen Innen- und Außenwand eingeblasen werden. Auch die Verwendung in Fachwerkhäusern ist üblich. Einblasdämmungen eignen sich insbesondere zur Sanierung von Altbauten. Neben dem Einsatz im Baugewerbe bieten sich für das Material zahlreiche Anwendungen als Modelliermasse im Modellbau und Kunstbereich. Papierpulpe wird beim Möbelbau verwendet.

Zelluloseflocken als Einspritzdäm mung (Quelle: Isofloc ® Wärmedäm mtechnik GmbH)

Produkte

®

Isofloc  Unter der Marke Isofloc  ist ein Wärmedämmmaterial für verschiedene architektonische Anwendungen, Dachschrägen, Kuppeln, Wände, Decken und Fußböden auf dem Markt erhältlich. Die Standardvarianten enthalten 8 Prozent ­Additive, womit sie der Brandschutzklasse B2 zugeordnet werden. Schwer entflammbare und gegen Schimmel resistente Zelluloseflocken enthalten wenigstens 12 Prozent beigemischte Zusätze. Zur Erzielung besonderer optischer Eigenschaften wird bei der Herstellung des Flockenmaterials Papier ohne Druckerschwärze eingesetzt.

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Dämmstatt Bei der Herstellung von Zelluloseflockenmaterialien dieser Marke wird besonders auf die Verwendung nachhaltiger Werkstoffe Wert gelegt. Daher wird auch boratfreies Dämmmaterial angeboten.

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fineFloc  Zelluloseflocken von Homatherm mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,039 W/mK sind vor allem für Einblasdämmungen geeignet. Das recyclingfähige Material ist bei großen Dicken wirtschaftlich einsetzbar.

Paperchair aus Papierpulpe (Quelle: Mario Stadelmann)

Brandschutzeignung von Zelluloseflocken (Quelle: Isofloc ® Wärmedäm mtechnik GmbH)

Thermische Speicherfähigkeit verschiedener Werkstoffe Wh/m³K

0

5

10

15

20

25

30

35

Mineralfaser Steinwolle Hartschaum Schafwolle Isofloc®

Energieeinsatz bei der Produktion verschiedener Däm mstoffe Produkt

Masse Volumen Rohdichte (kWh/kg) (kWh/m²) (kg/m³)

Isofloc ® 1,2

50

50

Steinwolle 4,7

128

27

Glaswolle 8,9

178

20

Holzfaserdäm mplatte 4,2

709

170

Exp. Polystyrol

26,4

396

15

Polyurethan Hartschaum

26,4

834

30

Hanf, Kork, Holzfasern, Schafwolle … obwohl die Wärmedämmeigenschaften von natürlichen Dämmstoffen im Vergleich zu denen auf Basis anorganischer Stoffe wie Glas- und Steinwolle oder polymerer Schäume (z.B. PUR, EPS oder XPS) schlechter ausfallen, ist ihre Verwendung unter dem Gesichtspunkt der Ressourcenschonung und des Primärenergieeinsatzes positiv zu bewerten.

108

Nachhaltigkeitsaspekte  keine gesundheits­ gefährdenden Inhaltsstoffe // auf Basis nachwachsender Rohstoffe

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Materialien und Verwendung

Dämmstoffe dienen im Bauwesen dazu, Wärme­ verluste durch die Gebäudehülle zu vermindern und ein harmonisches Raumklima in den Innenräumen zu erzeugen. Weitere Gründe für die Verwendung von Dämmmaterialien sind die Reduzierung der Schallbelastung und das Verhindern klimabedingter Feuchteschäden. Mit der Auswahl der Wärmedämmung entscheidet der Architekt bzw. der Bauherr über die Höhe der erforderlichen Heizenergie in den nächsten 30 bis 50 Jahren. Aufgrund der großen ökologischen Bedeutung hat sich die Vielfalt der am Markt befindlichen Dämmstoffe in den letzten Jahren rasant erhöht. Wurden 1990 noch rund 17 Mio. m3 Dämmstoffe produziert, waren es 2001 über 29 Mio. m3. Den höchsten Anteil nehmen nach wie vor Mineralfasern wie Glaswolle oder Schaumglas ein, obwohl die Bedeutung von Naturfaserdämmstoffen auf Basis von Hanf, Kork, Holzwolle oder Seegras in den letzten Jahren gestiegen ist. Hanf Hanf-Dämmwerkstoffe werden zu 85 Prozent aus den Stängeln der Hanfpflanze gewonnen. Der Rest sind Polyester-Fasern, die zu Matten und Vliesen verarbeitet werden. Die Isolationswirkung geht auf Luft zwischen den Hanffasern zurück. Mit ausreichender Wärmeleitfähigkeit und guter Schallabsorption werden Hanfdämmstoffe in Dachschrägen, Leichtbauwänden und Böden verwendet. Auch ohne Zusätze sind sie resistent gegen Schädlingsbefall. Eine Imprägnierung mit Soda sorgt für einen hinreichenden Brandschutz (Baustoffklasse: B2). Flachs Flachsdämmstoffe werden aus Fasermaterial der Flachspflanze hergestellt, die seit einigen Jahren auch in Deutschland wieder zur Leinenproduktion angebaut wird. Unter Verwendung von Kartoffelstärke werden die Fasern verklebt. Als Stützmaterial dienen Polyesterfasern. Flachsfasern sind resistent gegen Fäulnis und Pilzbefall. Anwendung finden sie als Dämmbahnen in Dachkonstruktionen und als Zwischensparrendämmung oder in Boden- sowie Deckenkonstruktionen. Die Brandschutzklasse B2 wird durch die Beimischung von Ammoniumsulfat oder Borsalzen erreicht.

Naturfaserdämmung

Hanfpflanze (Quelle: Hock Thermohanf)

Wollfaserdäm mung (Quelle: Villgrater) Wärmeleitfähigkeit verschiedener Däm mstoffe Glaswolle 0,035-0,040 W/mK Steinwolle 0,035-0,040 W/mK Schaumglas 0,040-0,055 W/mK Perlite 0,050-0,070 W/mK PUR-Hartschaum 0,025-0,030 W/mK Polystryol- 0,035-0,040 W/mK Partikelschaum (EPS) Polystyrol- 0,035-0,045 W/mK Extruderschaum (XPS) Hanf

0,045 W/mK

Flachs 0,040-0,045 W/mK Kork 0,045-0,055 W/mK Schafwolle 0,035-0,040 W/mK Holzweichfaserplatte 0,040-0,050 W/mK Holzwolle 0,065-0,090 W/mK Wiesengras

0,040 W/mK

Seegrasschüttung 0,043-0,045 W/mK Neptunbälle

0,037 W/mK

Vakuumisolationspaneele 0,004-0,010 W/mK

Däm m matten aus Hanffasern (Quelle: Hock Thermohanf)

Kork Kork wird aus der Rinde der Korkeiche gewonnen. Die guten Dämmeigenschaften und wasserabweisenden Qualitäten resultieren aus der lufthaltigen Gewebezellstruktur. In die Zellwände ist das abdichtende Suberin eingelagert. Es ist ein schlechter Leiter für elektrische Ströme und weist feuer- und verschleißfeste Eigenschaften auf. Für die Zuordnung zur Baustoffklasse B2 sind keine Zusätze erforderlich. Neben den üblichen Dämmanwendungen im Innen- und Außenbereich kann Kork mit seiner hohen Druckfestigkeit auch zur Trittschalldämmung unter Estrich eingesetzt werden. Schafwolle Schafwolldämmstoffmatten werden aus Schurwolle und Polyester als Stützfasern hergestellt. Die Rohdichte liegt bei Werten zwischen 15 und 60 kg/m3. Die gute Schallabsorption macht sie besonders geeignet für Akustikdecken und -wände. Als Dämmstoff kommen Schafwollmatten sowohl für die Zwischen- und Untersparrendämmung im Dachbereich als auch zur Innendämmung von Außenwänden zur Anwendung. Holzwolle Leichtbauplatten aus Holzwolle werden unter Beimischung eines Bindemittels auf mineralischer Basis wie Zement erzeugt. Diese Kombination verleiht dem Dämmstoff schwer entflammbare Eigenschaften (Baustoffklasse: B1). Die Holzwolle stammt vornehmlich von schnell wachsenden Hölzern (zum Beispiel Fichte, Kiefer). Da Holzwolle-Leichtbauplatten nur mäßige Wärmedämm­eigenschaften besitzen, werden sie normalerweise in Verbunden mit anderen Dämmstoffen angeboten. Holzwolle-Leichtbauplatten werden außen zur Vermeidung von Wärmebrücken eingesetzt und kommen in schallabsorbierenden Raumabhängungen zur Anwendung.

109 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

zur Innen- und Zwischensparrendämmung genutzt werden kann. Es gilt als schwer entflammbar und ist resistent gegen Schimmelbefall. Neptunbälle Auch sogenannte Neptunbälle aus verfilzten Seegrasfasern lassen sich ohne Zusätze als Dämmmaterial mit natürlicher Brandschutzeignung (B1) einsetzen. Man findet das braune Naturmaterial als Schwemmgut am Strand. Es verrottet nicht, da es kaum Salze und keine Eiweiße enthält. Die Fasern sind zudem ungefährlich für den menschlichen Organismus. Mit einer Wärmeleitung von nur 0,037 W/mK sind Neptunbälle sehr gut zur Gebäudedämmung (z.B. in Dach- und Holzkonstruktionen) geeignet. Sie werden unter dem Markennamen NeptuTherm kommerzialisiert.

 ®

Holzfaserdäm mplatte holzFlex ® mit textiler Faser aus Maisstärke (Quelle: Homatherm)

Einblasdämmstoff oder als Schüttung Verwendung in Boden- und Wandkonstruktionen. Feuchtigkeit beeinflusst die Dämmeigenschaften negativ. Seegras Seegras ist ein Sammelbegriff für Meerespflanzen aus Tiefen von bis zu 15 Metern, die in nahezu allen Meeren vorkommen. An der Nord- und Ostseeküste wurde schon vor Jahrhunderten mit Seegras gedämmt. Mit einer relativ geringen Wärmeleitung gewinnt es als Dämmmaterial in den letzten Jahren wieder an Bedeutung. Seegras ist ein zu 100 Prozent natürliches Baumaterial, das als Schüttdämmstoff oder in Form von Faserplatten

Holzweichfasern Holzweichfaserplatten entstehen auf Basis von Abfallprodukten aus Sägewerken, die zermahlen, unter Zugabe von Wasser zu einem Faserbrei verrührt und in Pressen unter hohem Druck getrocknet werden. Natürliche Harze sorgen für eine dauerhafte Bindung. Die Herstellung dickerer Platten erfolgt unter Zugabe von Weißleim. Mittels Bitumen- und Latexemulsionen können die Platten feuchte­ unempfindlich gemacht werden. Holzweichfaserplatten werden vornehmlich als Dämmstoff in geneigten Dächern, zur Trittschalldämmung oder für die Wanddämmung innen und außen verwendet. Wiesengras Die guten Wärmedämmwerte von Dämmstoffen aus Wiesengras gehen auf die im Gras enthaltene Zellulose zurück. Sie ist zudem CO2-neutral, biologisch abbaubar und formstabil. Für die Brandschutzeignung werden den Zellulosefasern 5 Prozent Borsalze beigemischt. Wiesengras findet als

Verarbeitung von Naturfaserdäm m matten (Quelle: Hock Thermohanf)

Neptunbälle an den Stränden Siziliens (Quelle: Neptutherm ®)

Obwohl Polyurethan-Hartschäume auf Basis von Erdöl hergestellt werden, haben sie unter Nachhaltigkeitsaspekten dennoch eine Berechtigung. Denn PUR-Hartschaumplatten haben die geringste Wärmeleitfähigkeit aller auf dem Markt befindlichen Dämmstoffe. Bei gleicher Dämmwirkung sind um bis zu 40 Prozent schlankere Dämmkonstruktionen möglich. Dies macht sie besonders wertvoll für die Sanierung von Bestandsgebäuden oder die Innendämmung von kleinen Räumen mit geringer Höhe. Materialkonzept und Eigenschaften

PUR-Schaum entsteht bei einer chemischen Reaktion von Polyol und Isocyanat. Durch Zusatz von Treibmitteln und Katalysatoren wird er unter Wasserdampf auf das 20- bis 50-fache Volumen geschäumt. Es entsteht ein duroplastischer und geschlossenzelliger Hartschaum mit einer Wärmeleitfähigkeit von lediglich 0,025 bis 0,035 W/mK. PUR-Hartschäume sind beständig gegen Chemikalien und Lösungsmittel und entsprechen unter Zusatz von Flammschutzmitteln den Baustoffklassen B1 und B2. Mittlerweile ist die Herstellung von Polyolen aus Rizinusöl möglich, so dass man langfristig mit einer Reduzierung fossiler Rohstoffe bei der PUR-Herstellung rechnen kann.

110 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Eigenschaften  geschlossenzellige Struktur // sehr geringe Leitfähigkeit // schlanke Dämmkonstruktionen // Brandschutzklasse B1 möglich Nachhaltigkeitsaspekte  sehr gute Dämmeigenschaften // materialeffiziente Konstruktionen // Polyole auf Basis von Rizinusöl möglich

Polyurethan-Hartschaum Festigkeitswerten erhältlich. Diese können sowohl für eine Perimeterdämmung als auch für Parkdecks und Dachterrassen eingesetzt werden. Wegen ihrer herausragenden Wärmedämmleistung steigt der Anteil von Polyurethan-Hochleistungs-

dämmstoffen am gesamten Dämmstoffmarkt stetig. Über einen Lebenszyklus von 30 Jahren sparen sie mehr als 80-mal so viel CO2-Äquivalente ein, wie bei Produktion, Transport und Verarbeitung entstehen.

Polyurethan-Hartschaumplatten in der Verarbeitung (Quelle: Bayer MaterialScience)

Polyurethanschaumplatten für die Fußbodendäm mung (Quelle: Bayer MaterialScience)

verwendung und verarbeitung

Haupteinsatzgebiete von Polyurethan-Hartschaumplatten sind die Wärmedämmung von Dach, Wand und Boden sowohl im Außen- als auch im Innenbereich. Für die Außenwand­ dämmung sind Verbundsysteme mit hohen

Eigenschaften  herausragende Wärmeisolierung // schlanke Dämmkonstruktion // stoßempfindlich // hohe Kosten Nachhaltigkeitsaspekte  hohe Wärmedämmung bei schlanker Ausführung // Reduzierung des Materialaufwands

Neben der Verwendung von Dämmstoffen sind in den letzten Jahren Konstruktionen entwickelt worden, die unter Ausnutzung der isolierenden Eigenschaften des Vakuums eine um den Faktor 10 kleinere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als konventionelle Dämmmaterialien wie Glaswolle oder Polystyrolschaum. Materialkonzept

Vakuumisolationspaneele

Unter Verwendung eines porösen Füllmaterials als Abstandhalter wird in einer Hüllkonstruktion ein Vakuum erzeugt und versiegelt. Nach außen ist es mit einer luft- und diffusionsdichten Schicht geschützt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit von 0,004 bis 0,010 W/mK geht auf die geringe Beweglichkeit der verbliebenen Luftmoleküle im Vakuum zurück. Der Wärmeaustausch wird auf ein Minimum reduziert. Die Paneele sind daher wesentlich schlanker als herkömmliche Dämmsysteme.

111

Variotec-Paneele bieten hohe Wärmedämmung bei Dicken zwischen 10 und 40 mm. Die bauaufsichtliche Zulassung steht noch aus, deshalb muss bei Verwendung noch die Zustimmung im Einzelfall bewirkt werden.

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

®

Verwendung und Verarbeitung Vakuumisolationspaneele mit metallisierter Hochbarrierefolie (Quelle: Variotec)

Vakuumisolationspaneele werden bei der Sanierung von Bestandsgebäuden immer dann eingesetzt, wenn der vorhandene Platz für konventionelle Dämmlösungen nicht ausreicht. Da die Platten sehr empfindlich auf äußere Krafteinwirkung reagieren, werden sie meist zusätzlich in Polystyrol eingeschäumt.

LockPlate  Die Vakuumdämmplatten bestehen aus einem porösen Stützkern, der mit einer gasundurchlässigen Folie ummantelt ist. Auf diese Weise entstehen Beutel, die auf wenige Millibar evakuiert und versiegelt werden. Mit Dicken von lediglich 9–11 cm wird eine extrem hohe Wärmedämmung erreicht. Das LockPlate  -System eignet sich für die nachträgliche Isolierung von Altbauten.

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produkte

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Vakuumisolationspaneele am Bau (Quelle: Saint-Gobain Weber GmbH)

Variotec VIP Eine mehrlagige, metallisierte Hochbarrierefolie schließt den unter Vakuum stehenden Stützkern aus Kieselsäure diffusions- und luftdicht ab.

Mit einem Hohlraumanteil von über 95 Prozent stehen Aerogele als Feststoffe mit der geringsten Dichte im Guinness Buch der Rekorde. Dies ist auf eine schwammartige Festkörperstruktur zurückzuführen, die vor allem aus Luft besteht. Sie macht den Werkstoff zum besten Isolationsmaterial überhaupt. Aufgrund der schaumartigen Struktur wird es umgangssprachlich auch als „gefrorener Rauch“ bezeichnet.

Eigenschaften  geringste Dichte aller Materialien: 0,2-0,5 g/cm³ // hohe Transparenz // geringe Wärmeleitung (Wärme­ leitzahl: 0,008-0,017 W/mK) // große innere Oberfläche // hohes Absorptionsvermögen // nicht brennbar Nachhaltigkeitsaspekte  herausragende wärmedämmende Qualitäten // schallisolierende Eigenschaften // extrem geringes Gewicht

Materialkonzept und Eigenschaften

Aerogel

Die besonderen Qualitäten von Aerogelen gehen auf ein Feststoffnetzwerk mit Porenräumen von maximal 20 nm zurück. Die eingeschlossenen Luftmoleküle können sich weder weiträumig bewegen noch in ihrer Ruhelage Schwingungen ausführen. Die innere Oberfläche ist mit 1.000 m2/g außergewöhnlich hoch. Neben den strukturellen Besonderheiten sind vor allem auch die optischen Qualitäten bemerkenswert, denn Aerogele weisen einen sehr niedrigen Brechungsindex auf und sind hochtransparent. UV-Licht führt zu keiner ungewünschten Verfärbung. Aerogele brennen nicht, schmelzen erst bei einer Temperatur von 1.200 °C, sind atmungsaktiv und leiten Wärme sowie Schallwellen äußerst schlecht.

Aerogelstruktur (Quelle: Cabot Nanogel)

Transparente Wärmedäm mung für Industriegebäude (Quelle: Cabot Nanogel)

112

anwendung und verarbeitung

Wegen der großen inneren Oberfläche werden Aerogele als Filter- und Isolationsmaterialien eingesetzt. Transparente Wärmedämmungen sind erste Anwendungen in der Architektur. Dort werden sie als Zusätze in Verglasungselementen, Dachstrukturen und Doppelstegplatten genutzt. Auch Ofenkontrollfenster ließen sich mit Aerogelen vorteilhaft bestücken. Die geringe Brechungszahl macht sie auch für die Detektion von Strahlung geeignet. Die Potenziale für Katalysatoren und Brennstoffzellen werden von Materialwissenschaftlern derzeit untersucht. Meist liegen Aerogele in Form eines schüttbaren Granulats vor. Dieses ist setzungssicher und kann fugenlos verarbeitet werden.

material hinter Klinkerfassaden geeignet. Zudem bietet Nanogel einen hohen Wärmeschutz auch bei kleinen Schichtdicken.

®

®

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

®

Stegplatte mit Aerogelfüllung (Quelle: Bayer Sheet Europe)

Produkte

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Nanogel Die Cabot Nanogel GmbH fertigt unter diesem Markennamen ein hochporöses transluzentes Silica-Aerogel mit hochdämmender, wasserabweisender und schimmelbeständiger Qualität. Da es in Form eines Granulats vorliegt, kann Nanogel als Hochleistungsdämmstoff zur nachträglichen Einblasung in besonders schmale Hohlschichten ab einer Dicke von 1,5 cm genutzt werden. Es ist damit zur Kerndämmung von doppelschaligen Außenmauerwerken oder als Dämm-

®

®

Flexible Isolierung mit nanoporösem Aerogel (Quelle: Aspen Aerogels)

U-Wert [W/m²K]

U-Wert [W/m²K]

2,0

2,5 6 mm Nanogelfüllung

1,6

Luft 16 m m

2,0

1,4 1,2

Makrolon  Ambient Dies sind mit Aerogelen befüllte PolycarbonatStegplatten mit extremer Wärmedämmung, hoher Lichtdurchlässigkeit und optimaler Lichtstreuung als Dachverglasung. Durch einen Ug-Wert von 1,0 W/m²K weisen sie vergleichbare Isoliereigenschaften auf wie Dreifachverglasungen. Eine extra dicke Außenschicht, optimierter UV-Schutz und lichtdurchlässige Stege unterstützen die Gebrauchseigenschaften.

Argon 16 m m Krypton 10 m m

1,5

®

Pyrogel Pyrogel ist ein flexibler Isolationswerkstoff aus nanoporösem Aerogel mit Karbon- und Glasfaserverstärkung. Der Werkstoff hält Temperaturen zwischen -40 und +650 °C stand und eignet sich daher für die feuerfeste Ummantelung von Rohren und die Isolation von dreidimensional geformten Oberflächen.

®

Ug-Wert Okagel ®

1,8

Okagel Der Architekturglasproduzent Okalux verwendet transluzentes Aerogel von Cabot in den Scheibenzwischenräumen seiner Produkte und hat ein Isolierglas mit Namen Okagel auf den Markt gebracht, das eine energieeffiziente Anwendung in Museen, Sportstätten oder Verwaltungsgebäuden finden soll. Es weist bemerkenswerte U-Werte auf, die anders als bei konventionell mit Luft oder Gas gefüllten Isoliergläsern unabhängig vom Einbauwinkel sind. Bei einer Nanogelzwischenlage von 60 mm liegt der U-Wert sogar unter 0,3 W/m²K, so dass die Anforderungen an ein Passivhaus erfüllt sind. Eine Zweifachverglasung mit 30 mm Nanogel im Zwischenraum hat einen U-Wert von 0,6 W/m²K.

1,0 0,8

1,0

0,6 0,4

OKAGEL 30 m m

0,5

OKAGEL 60 m m

0,2 0,0

0,0 0

10

20

30

40

50

60

Nanogelfüllung in m m

90° 75° 60° 45° 30° 15° 0° Einbauneigung (90° = vertikal)

g-Wert über SZR bei Nanogelfüllung (Okagel®)

Aufbau einer Scheibe mit Aerogel als Zwischenlage (Quelle: Broschüre Nanobau) Glas

Lichttransmission und g-Wert nach DIN EN 410

Doppelsteg­platte

Gas 12 mm

0,7

Glas Hochisolierende Verglasung für eine polare Forschungsstation (Quelle: Okalux)

Gas 12 mm

0,6 0,5 0,4

gestreutes Licht

g

0,3 Lt vis

0,2 0,1 0,0 0

10

20

30

Szr/Nanogelfüllung [m m]

40

50

60

low-eBeschichtung

granulatförmiges Silica-Aerogel

low-eBeschichtung

Ein in den letzten Jahren entwickeltes Produktionsverfahren auf Basis des sintertechnischen Fertigungsprinzips macht die Herstellung von Strukturen auf Basis metallischer und keramischer Hohlkugeln möglich. Diese werden bereits im industriellen Kontext genutzt, haben aber noch keinen Einsatz in Design oder Architektur gefunden.

113

Eigenschaften  kompakte Hohlstruktur // druckfest und biegesteif // nahezu jeder metallische und keramische Werkstoff möglich // hohe Wärmedämmung //Qualitäten abhängig von Schalendicke und Porosität // Schalendicke: 10-100 µm // Durchmesser: 0,8-20 mm

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Nachhaltigkeitsaspekte  100 Prozent recyclingfähig // Treibstoffreduzierung durch Leichtbauaspekte im Fahrzeugbau // wärmeund schalldämmend

Materialkonzept und Eigenschaften

Sie werden aus hohlen Kugeln mit hoher Festigkeit erzeugt und bieten Optionen zur flexiblen Ausfüllung einer freien Formgeometrie. Die Herstellung findet auf Basis von EPS-Kugeln statt. In einem Wirbelbeschichtungsprozess werden diese mit einer Suspension aus Metall-/ Keramikpulver, Binder und Wasser beschichtet und anschließend erhitzt. Das polymere Material verdampft, was bleibt sind Hohlkugeln aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff. Bei dem Verfahrensprinzip sind alle sinterbaren Werkstoffe verarbeitbar. Die Eigenschaften können über die Dicke und Porosität der Schale sowie die Geometrie des Formträgers beeinflusst werden. Die thermische Leitfähigkeit von Hohlkugelstrukturen fällt wegen der hohen Porosität und der vielen sich anstrahlenden Flächen im Vergleich zum Vollmaterial sehr viel niedriger aus. Zur Erzielung bestimmter Eigenschaften können in vorhandene Hohlkörper andere Materialien injiziert werden. Durch die Kugelgeometrie haben Hohlkugelstrukturen druckfeste und biegesteife Eigenschaften. Die hohlen Kugeln sind um 40 bis 70 Prozent leichter als massive.

Hohlkugelstrukturen Produkte

Die Herstellung und Verarbeitung von Hohlkugelstrukturen wurde am Fraunhofer IFAM in Dresden in Kooperation mit der Glatt GmbH entwickelt. Heute werden sie aus verschiedenen metallischen und keramischen Werkstoffen unter den Marken globomet  und globocer  vertrieben. Erste Anwendungsgebiete hochfester Sandwich-

elemente findet man vor allem im Maschinenbau. Für den Fahrzeugbau sind die Potenziale der Crashabsorption interessant. In der Luft- und Raumfahrttechnik kann eine enorme Gewichtsreduzierung bei höchster Stabilität mit Hohlkugelstrukturen erzielt werden. Die Leichtbauaspekte machen Hohlkugeln auch für Prothesen geeignet.

Hohlkugelstruktur als Plattenmaterial (Quelle: hollomet)

Hohlkugeln verklebt in einem Rohr (Quelle: hollomet)

®

®

anwendung und verarbeitung

Aufgrund der besonders hohen Wärmedämmung sind Hohlkugelstrukturen als Hitzeschild im Ofenbau geeignet. Die große innere Oberfläche und die schall- und schwingungsdämpfenden Qualitäten machen sie zudem als Wärmetauscher, Katalysatorelemente, Crashabsorber, Schalldämpfer oder Leichtbauversteifungselemente interessant. Da der Werkstoff in Architektur und Design nahezu unbekannt ist, existieren noch keine Anwendungen in diesen Bereichen. Vor allem die Möglichkeit zur Ausfüllung von hohlen Geometrien mit stabilisierender Wirkung ist für den Formenbau interessant. Ihre ästhetischen Qualitäten erschließen Potenziale für das Schmuckdesign. Hohlkugelstrukturen werden entweder durch leichtes Verpressen von Hohlkugeln in einer Form und anschließendes Sintern oder durch Verkleben erzeugt. Der Robotereinsatz macht die Erzeugung definierter geometrischer Strukturen möglich. Hohlkugelstrukturen können mit den konventionellen zerspanenden Techniken bearbeitet werden.

Herstellungsprozess von Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen

Styropor

EPS

Formgebung

Beschichtung

Grünkugeln

Wärmebehandlung (Entbindern, Sintern)

Hohlkugelstrukturen

Hohlkugeln

114 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Metallische Hohlkugeln (Quelle: hollomet)

Keramische Hohlkugel unter dem Mikroskop (Quelle: hollomet)

Textilien sind schon längst mehr als simpler Stoff: Dank neuer chemischer, thermischer und mechanischer Eigenschaften revolutionieren sie nun Architektur und Fahrzeugbau. Durch innovative Möglichkeiten zur Verwendung textiler Werkstoffe entstehen neue Denkansätze, die unsere klassischen Vorstellungen ad absurdum führen: Fahrzeuge erhalten eine flexible Haut, Gebäudekonstruktionen eine veränderliche Struktur und faltbare Zeltsysteme werden für ihren Einsatz auf dem Mond vorbereitet. Materialkonzepte und verwendung

Textile Mobilität GINA steht für „Geometry and Function in N Adaptions“, gemeint ist ein Fahrzeugkonzept von BMW, das keine metallische Karosserie hat, sondern mit einer textilen Haut aus Polyurethanbeschichtetem Lycra bespannt ist. Diese besteht aus stabilisierenden Traggeflechten und einem wasserabweisenden Hybridgewebe, das ebenso kälte- wie hitzeresistent und absolut wasserdicht ist. Das Fahrzeug erscheint wie aus einem Guss, mit Funktionselementen, die erst sichtbar werden, wenn sie gebraucht werden. Schaltet der Fahrer das Licht ein, öffnen sich die Scheinwerfer wie ein Augenlid; benötigt GINA Kühlung, schiebt sich der Stoff an der Motorhaube zur Seite. Auch die Kostenstruktur wird durch die textile Außenhaut optimiert: Das silberne Kleid besteht nur aus vier statt den üblichen zehn Karosserieteilen und lässt sich in zwei Stunden fest um die Alu-Konstruktion spannen. Zudem entfällt der Lackierprozess. Das geringe Gewicht führt zu einer Treibstoffersparnis.

Eigenschaften  formflexibel // geringes Gewicht // witterungsbeständig // hitze­ resistent // niedriges Transportvolumen Nachhaltigkeitsaspekte  geringer Montage­ aufwand // Reduzierung des Energieverbrauchs durch geringes Gewicht // effizienter Materialeinsatz

Technische Textilien

Fahrzeugkonzept GINA mit flexibler Karosserie (Quelle: BMW)

115 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Textile Architektur „Past, Present and Future“ lautet der Titel des Films, mit dem die Besucher des neuen ZahaHadid-Pavillons in Chicago über die Entwicklung der Stadt informiert werden. Das muschelförmige Gebäude wurde anlässlich des hundertjährigen Jubiläums des Burnham-Plans eröffnet. Hatte der Stadtplaner Daniel Burnham Anfang des 20. Jahrhunderts seine Vision für die städtebau­ liche Zukunft Chicagos vor allem mit Steingebäuden verbunden, so scheint der Pavillon eine neue Zukunftsperspektive aufzuzeigen: Er besteht aus einer Aluminiumrohr-Konstruktion, über die eine flexible textile Außenhaut gezogen wurde. Der Stoff reagiert direkt auf die Kräfte, die auf ihn einwirken. So können neue Geometrien entstehen, die nicht willkürlich sind. Zudem dient das eigentlich weiße Material für Videoprojektionen im Inneren.

Burnham Pavillon in Chicago (Quelle: Zaha Hadid)

Textilien mit einem doppelwandigen Aufbau sind als Abstandstextilien, Spacer oder 3DTextilien bekannt und werden auf Basis von Geweben, Gewirken und Vliesen hergestellt. Der Abstand zwischen den Wandungen reicht von wenigen Millimetern bis zu 10 cm und kann für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden. In dem Hohlraum lässt sich ein thermoregulierendes Mikroklima erzeugen.

Textile Raumfahrt Ein im Vergleich zur Größe im Betriebszustand geringes Packvolumen und Transportgewicht prädestinieren Verbundmembrane für den Einsatz im Weltraum. Im Auftrag von EADS konzipieren Designer unter Leitung von Axel Thallemer derzeit das Lunar Greenhouse, ein faltbares Gewächshaus für den Einsatz in einer Raumstation. Bei längeren Raumaufenthalten soll es die Versorgung mit frischem Gemüse sichern. Und selbst für den Einsatz auf dem Mond wurde das Konzept weitergedacht. Dann wären die Gewächshäuser größer und die textile Membran, die den Gasaustausch von Sauerstoff und Kohlendioxid ermöglicht, würde durch eine transparente, mehrlagige Verbundmembran mit Kohlefaserverstärkung nach außen hin ergänzt. Letztere dient dem Schutz vor kosmischer Strahlung und die Innentemperaturerhaltung wird durch eine Edelgasfüllung unterstützt.

Technische Textilien in der Raumfahrt (Quelle: Thallemer/Diensthuber, SCIONIC I.D.E.A.L for EADS, background NASA)

Eigenschaften  doppelwandiger Aufbau // geringes Gewicht // hohe Stabilität // thermoregulierendes Mikroklima // wärmeisolierende Potenziale Nachhaltigkeitsaspekte Energieeinsparung durch geringes Gewicht // Potenziale zur Wärmedämmung // effizienter Materialeinsatz

Abstandstextilien aerofabríx™ beim Einsatz in wärmeisolierten Zelten (Quelle: aeroíx)

116 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Abstandstextilien für Heißluftballone (Quelle: aeroíx)

keiten der Wärmedämmung. Dies macht sie auch für den Bau von Heißluftballonen interessant. Durch Ausfüllen des Zwischenraums mit anderen Werkstoffen können Abstandstextilien auf vielfältige Einsatzzwecke ausgerichtet werden. Mit eingelagerten Silikonkissen, die beim Aufprall abrupt erhärten, lässt sich die Druckelastizität für Spezialanwendungen und Stoßdämpfer im Fahrzeugbereich auf ein Vielfaches erhöhen. Durch Tränken in Harzen oder in Verbindung mit Beton sind extrem leichte, aber sehr stabile Platten herstellbar. produkte

aerofabríx™ mit Flockbeschichtung (Quelle: aeroíx)

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aerofabríx Während faserverstärkte Kunststoffe gerade den Weg in die kommerzielle Luftfahrt gefunden haben, treffen beschichtete Gewebe und Laminate in Gleitschirmen, Kites und Ballonen auf immer anspruchsvollere Anwendungen. Für Ballone wurde von aeroíx ein neues Dämmstoffsystem mit der weltweit geringsten Dichte entwickelt. Aerofabríx ist ein ultraleichtes Mehrschicht­ gewebe. Der für die Wärmedämmung erforderliche Luftspalt wird durch aufgeflockte Filamentfasern erzeugt. Durch die integrierte Flockdämmung kann bei Ballonfahrten über 50 Prozent Treibstoff eingespart werden. Weitere Anwendungen findet das Material in temporärer Architektur, mobilen Eventzelten und im Outdoorbereich.

™

Parabeam ® Abstandsgewebe (Quelle: Parabeam ®)

Materialkonzept und Eigenschaften

Mit dem strukturell vorgesehenen Luftspalt zwischen den Wandungen sind Abstandstextilien ausgesprochene Leichtgewichte bei hoher Stabilität. Ihre besonders druckelastischen Qualitäten machen sie für Polstermöbel und Matratzen geeignet. Der doppelwandige Aufbau sorgt für eine gute Belüftung und unterstützt den Transport von Feuchtigkeit und Körpergerüchen. Gleichzeitig wirkt die elastische Struktur wärmeisolierend und ist überaus anpassungsfähig, was sie für Funktionsbekleidungen wie Motorradanzüge besonders geeignet macht. verwendung und verarbeitung

Neben ihrer Eignung für Möbel und Kleidung weisen Abstandstextilien Potenziale zum Bau und Transport temporärer Architektur auf. Für Zelte und Kuppeln bietet der Luftspalt zudem Möglich-

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3mesh Abstandsgewirke mit einem Luftspalt zwischen 1 und 20 mm gewährleisten eine hohe Luftzirkulation bei Polstermöbeln, Schuhen, Matratzen und Autositzen. Die Oberflächenstruktur der Deckschichten und die Härte können auf den jeweiligen Einsatzfall eingestellt werden. 3DTextilien werden auch als Verstärkungsmaterial in doppelwandigen Betonleichtbauplatten mit geringer Wandstärke bei gleichzeitig hoher Steifigkeit eingesetzt (Textilbeton).

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Parabeam  3D Glass Fabrics Dieses formbare Abstandsgewebe besteht aus zwei Gewebedecklagen, die durch Stegfäden miteinander verbunden sind. Imprägniert man das Gewebe mit einem Harz, stellen sich die Stegfäden auf. Nach Aushärtung entsteht eine formsteife Verbundstruktur mit geringem Gewicht für Anwendungen im Fahrzeug- und Bootsbau.

Lounge Landscape aus 3D-Polyesterabstandsgewirk (Quelle: HfG Offenbach)

Bei Dach- und Hallenkonstruktionen haben textile Werkstoffe unter dem Leichtbauaspekt in einer Vielzahl neuer Architekturen die traditionellen Baumaterialien wie Beton und Glas teilweise ersetzt. Beeindruckende Beispiele sind die Fußballarena in München, bei dessen Fassadenkonstruktion 3000 Polymerkissen in einer Wabenstruktur zusammengeführt wurden, oder das olympische Schwimmstadion in Peking, dessen Außenflächen von einer seifenblasenartigen Membran überzogen sind. Materialkonzept und Eigenschaften

Textilmembrane bestehen in aller Regel aus hochfesten und witterungsbeständigen Fluorpolymer- oder beschichteten Polyestergeweben. Auch Glasgewebe mit PTFE- oder Silikonbeschichtung sind denkbar. Fluorpolymere wie ETFE oder PTFE weisen die höchste Beständigkeit aller synthetischen Fasern gegen chemische und biologische Einflüsse auf und sind für extreme Einsatzzwecke in einem weiten Temperaturbereich geeignet. Beschichtete Polyestergewebe sind extrem reißfest und mit einer schmutzabweisenden Schutzlackierung aus Acryl oder PVDF versehen. ETFE-Folien werden im Membranbau in Dicken zwischen 0,05 und 0,25 mm eingesetzt und in zwei- oder mehrlagigen Luftkissen vorgespannt. Die Lichtdurchlässigkeit liegt bei 90 bis 95 Prozent (auch UV-Strahlung). Sie kann durch Bedruckung variiert werden.

117 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Eigenschaften  ETFE-Folie // Dicken: 0,050,25 mm // Brandverhalten: B1 // Reiß­ festigkeit: > 300 N/mm² // Flächengewicht: 250 g/m² // Lichtdurchlässigkeit: 90-95 Prozent (Dicke: 0,2 mm) Nachhaltigkeitsaspekte  Tageslichtnutzung für Innenräume // Leichtbaukonstruktionen mit effizienter Materialverwendung // lange Lebensdauer // recyclebar

Membrantextilien

verwendung und verarbeitung

Beidseitig beschichtete Polyester- und Glasgewebe kommen in den unterschiedlichsten Anwendungen für Fassaden-, Dach- und Zeltkonstruktionen zum Einsatz. Typisch sind die lichtdurchlässige Überdachung großflächiger Hallen oder temporäre Ausstellungsarchitektur. Auf PTFE-beschichtetes Glasgewebe wird immer dann zurückgegriffen, wenn ein Selbstreinigungseffekt und lange Wartungszyklen gewünscht sind oder ein nicht brennbares Material gefordert wird. Verbundstoffe aus PVC-beschichtetem Polyestergewebe oder aus Glas-PTFE haben sich in der Textilarchitektur durchgesetzt. Während die Lebensdauer für PTFE-beschichtetes Glasgewebe bei über 25 Jahren liegt, wird diese bei beschichteten Polyestergeweben mit 10 bis 15 Jahren angegeben. Aufgrund des geringen Flächengewichts der ETFE-Kissen können sehr filigrane Tragwerkskonstruktionen mit einem besonders niedrigen Gewicht realisiert werden. Die Kissen werden mit einem Aluminiumrahmen über weite Dach- und Fassadenflächen auf der Tragwerksstruktur aus Holz, Stahl oder Aluminium gespannt. Ohne Stützkonstruktion können Spannweiten der Polymerkissen von bis zu 4,5 Metern erreicht werden.

Badeschiff aus einer doppelwandigen PVC-Membran (Quelle: Badeschiff Berlin)

Hallenbad mit Freigelände, Spaßbad- und Wellness-Einrichtungen sowie ein Sportcenter im französischen Neydens. Die Gebäudehülle ist mit transparenten ETFE-Kissen auf einem hölzernen Raumfachwerk ausgeführt. (Quelle: seele holding GmbH, Foto: Matthias Reithmeier)

Poly merkisseneinsatz beim Nationalstadion Bird's Nest in Peking. Als horizontalen Witterungsschutz erhielt die offene Gitterstruktur eine lichtdurchlässige Membran aus einer einlagigen ETFE-Folie mit einer Stärke von 250 Mikrometern. (Quelle: seele holding GmbH, Foto: Matthias Reithmeier)

produkte

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Seele Cover  Für Membranarchitektur und leichte Flächentragwerke werden Fluorpolymergewebe auf Basis unterschiedlicher Werkstoffe angeboten. Diese sind: PTFE (Polytetrafluorethylen), ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen), TFA/PFA (Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinyläther), FEP (Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen) und PVDF (Polyvinylidenfluorid).

118 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

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CenoTec  Es werden Membrane auf Basis von Polyesterund Glasgeweben sowie ETFE-Folien in den unterschiedlichsten Ausführungen und Formaten umgesetzt. Da die Systeme in den meisten Fällen auf den entsprechenden Einsatzfall ausgelegt werden müssen, wird eine enge Zusammenarbeit mit dem Hersteller angeraten. Bei Planung und Ausführung müssen die länderspezifischen Richtlinien und Lastannahmen berücksichtigt werden.

Schlosshof-Überdachung in Dresden mit einer pneumatischen ETFE-Konstruktion (Quelle: Ceno Tec, Sattler)

Überdachung der Radrennbahn Andreasried in Erfurt aus beschichtetem Gewebe (Quelle: Ceno Tec, Sattler)

Unter Nanotextilien werden Stoffe aus Fasern verstanden, deren Größe im Bereich weniger Nanometer liegt oder die durch nanoskalige Beschichtungen oder Nanopartikel in ihren Funktionseigenschaften optimiert wurden, also schmutzabweisend, abriebfest oder antibakteriell sind. Noch befindet sich die industrielle Anwendung von Nanofasern in einer frühen Phase.

Eigenschaften  Qualitätsoptimierung durch Nanobeschichtungen // exakte Anpassung auf Einsatzzweck // Leichtbaupotenziale Nachhaltigkeitsaspekte Energieeinsparung durch geringes Gewicht // optimaler Material­einsatz

Nanotextilien Elektrospinnverfahren (Quelle: EMPA)

Materialkonzept und Eigenschaften

verwendung und verarbeitung

Bislang konnten Nanofasern aus Kunststoffen (PA, PP, PET), Biopolymeren, Metallen, Keramiken, Glas oder Wollproteinen in Kombination mit polymeren Werkstoffen erfolgreich im Elektrospinnverfahren hergestellt werden. Zwischen Spinndüse und Gegenelektrode wird ein elektrostatisches Feld mit hoher Spannung (30 kV) erzeugt. Das zu verspinnende Material wird anschließend durch die Düse gedrückt. Im elektrischen Feld bilden sich sehr feine und lange Fasern mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern aus. Durch Materialwahl und geeignete Parametereinstellungen lässt sich Fasermaterial exakt auf den Einsatzfall einstellen.

Das Anwendungspotenzial von Nanofasern wird im Baugewerbe, bei der Umwelttechnik, in der Automobilindustrie oder in der Medizintechnik gesehen. Nanofasern eignen sich zur Herstellung spezieller Filter, für Wundverbände, zur Bekämpfung von Viruserkrankungen oder zum Nachzüchten menschlichen Gewebes bei Verbrennungen. Weitere Einsatzgebiete sind Leichtbaustrukturen in der Automobil- und Flugzeugindustrie wie der VW Nanospyder. Im Bereich des Pflanzenschutzes werden Pheromone von Insektenschädlingen in Biopolymer-Nanofasern durch Elektrospinnen auf Pflanzen aufgebracht.

Polymerlösung Kapillardüse Faserbildung Hochspannung

Fasermatte Gegenelektrode

Nanotextilien Ausrüstungen

119

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NanoSphere  Diese Ausrüstungstechnologie lässt Schmutz und Wasser von Textiloberflächen abperlen. Die Imprägnierung geht auf eine Nanostrukturierung zurück, die ähnlich funktioniert wie der Selbstreinigungsprozess der Lotusblume. Der schmutzabweisende Effekt bleibt auch nach häufigem Gebrauch und mehrfachem Waschen erhalten und hat keinen Einfluss auf Tragekomfort oder Elastizität.

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3XDRY  3XDRY  kombiniert gleich zwei Ausrüstungen in einem Produkt. Von außen wirkt es hydrophob, also wasserabweisend, von innen erhält das Textil hydrophile (wasseraufnehmende) Qualitäten. Während Schweiß von der Innenseite schnell aufgenommen und vom Körper wegtransportiert wird, sorgt die Außenseite für einen wetterfesten Schutz gegen Schmutz und Feuchtigkeit. Die Ausrüstung hat einen kühlenden Effekt.

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Nano-X  Diese Ausrüstung hemmt den Bakterienwuchs auf Textilien und schützt vor mechanischem Abrieb. Mit ihren wasserabweisenden Eigenschaften findet sie Einsatz in Filtern, Markisen oder Sonnensegeln sowie in medizinischer Bekleidung. Das Fasermaterial wird mit anorganisch-organischen Hybridmaterialien nahezu unsichtbar beschichtet, ohne die ursprünglichen optischen und haptischen Eigenschaften zu verändern. Nano-Cyclodextrine Als Ausrüstungssystem können Cyclodextrine dazu helfen, unangenehme Gerüche abzubauen. Nur wenige Nanometer groß, werden sie als Trägersystem für Duftstoffe eingesetzt. Die Ausrüstung unterdrückt Bakterienwuchs und wirkt mechanischem Abrieb entgegen.

Wasserabweisende und Bakterien hem mende Textilausrüstung (Quelle: Nano-X ®)

Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Diese Nanofasern haben einen Durchmesser zwischen 250 und 300 Nanometer und sind 1000-mal feiner als ein Menschenhaar. Mit ihnen können Kunststoffen besondere Eigenschaften, wie beispielsweise ein UV-Schutz, verliehen werden. (Quelle: BASF Pressefoto)

Nanotextilien Projekt

„Die knapper werdenden Werkstoff- und Energieressourcen sowie die zunehmende Erderwärmung zwingen die Behörden zu strengen Auflagen für die Automobilindustrie. In Zukunft soll ein Fahrzeug nach einer Mindestlebenslaufzeit von Nanospyder - VW-Designstudie fünf Jahren zu 100 Prozent recyclebar für den LA Design Challenge 2006 (Quelle: VW Design Center sein. Der Volkswagen-Konzern reagiert Kalifornien; Design: Patrick Faulwetter, Daniel Simon, auf die verschärften gesetzlichen RahIan Hunter) menbedingungen mit dem Aufbau eines neuen Produktionsprozesses. Um die Konkurrenzfähigkeit des Unternehmens langfristig zu sichern, werden Milliarden kleiner Nanomaschinen von nicht mehr als einem halben Millimeter Durchmesser eingesetzt, die die LeichtbaustrukNanospyder - Produktion durch Milliarden kleiner Nanomaschinen (Quelle: VW Design Center tur eines neuen Automobils, des Nano­ Kalifornien; Design: Patrick Faulwetter, Daniel Simon, spyders, selbsttätig aufzubauen und zu Ian Hunter) demontieren im Stande sind. Dank des additiven, hochflexibeln Fertigungsvorgangs ist der Nanospyder auf Gewicht, Leistung und Energieverbrauch hin optimiert. Intelligente verformbare Zonen stellen sich vorausschauend auf äußere Kräfte ein und garantieren dadurch ein Höchstmaß an Sicherheit.“ Der Nanospyder war der Beitrag des VW Design Centers für den LA Design Challenge 2006. Die Aufgabenstellung lautete, besonders umweltschonende und recyclebare Fahrzeugkonzepte zu entwickeln. Er basierte auf einer realen Technologieentwicklung der tschechischen Textilindustrie und zeigte die Potenziale der aktuellen Nanoforschung. Wissenschaftler der TU Liberec meldeten Ende 2004 eine Technologie für das Weben von Fasern im Nanobereich zum Patent an.

Carbon Nanotubes zählen zu den Paradebeispielen der Nanotechnologie. Wie Diamanten bestehen sie aus Kohlenstoff und sollen wegen ihrer hohen Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht vor allem im Leichtbau und bei hochbelastbaren Kunststoffen zum Einsatz kommen. Materialkonzept und Eigenschaften

Im Aufbau bestehen CNT aus aufgerollten Grafitschichten mit der besonders stabilen Konfiguration der Sechseckwabenstruktur. Sie sind mechanisch hochbelastbar, fünfmal stabiler als Stahl und weisen eine Härte auf, die doppelt so hoch ist wie die von Diamanten. Gleichzeitig haben Kohlenstoffnanoröhren nur eine Dichte von 1,4 g/cm3 (Stahl: 7,8 g/cm3). Während die errechnete Reißfestigkeit die von Stahl um das 135-fache übertrifft, ist die elektrische Leitfähigkeit vergleichbar mit der von Kupfer. Allerdings wird die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Kupfer­drähten um das 1000-fache übertroffen. Die gesundheitliche Unbedenklichkeit von Kohlen­stoffnanoröhren ist noch nicht geklärt. Studien an Mäusen 2009 lassen den Schluss zu, dass sich CNT im Lungenfell anlagern und dort ähnliche gewebeschädigende Effekte wie Asbest und Krebs hervorrufen könnten. verarbeitung und verwendung

Aktuell finden Kohlenstoffnanoröhren als Zusatz Verwendung in hoch belasteten Polymerwerkstoffen für dynamische Anwendungen oder Leichtbauzwecke. Beispiele sind Sportgeräte wie Tennisund Baseballschläger, Skistöcke oder Surfbretter. Die Verwendung in Rotorblättern für Windkraftanlagen wird immer wieder diskutiert. Eingebracht in Baumaterialien und Beton könnten CNT zu einer erheblichen Steigerung der Festigkeit beitragen und damit den Materialaufwand stark reduzieren. In der Automobil- und Luftfahrt­ industrie ließe sich der Kraftstoffverbrauch drastisch senken. Durch die hohe Wärme­leitfähigkeit könnten Gehäuse von elektrischen Geräten für Außenanwendungen beheizt werden. Auch ließen sich die antistatischen Effekte für die Verpackung von Elektronikbauteilen nutzen. Beschichtungen mit CNT Partikeln können chemisch aufgedampft werden (CVD-Verfahren).

120 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

Nachhaltigkeitsaspekte  erhebliche Leichtbau­ potenziale // Reduzierung des Material­ aufwands bei hoch­ belasteten Kunststoffbauteilen // Verringerung des Treibstoffverbrauchs beim Fahrzeugbau

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) Kohlenstoffnanoröhren und die Produktion der notwendigen Komponenten.

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CNT als Zusatz findet Verwendung in hoch belasteten Poly merwerkstoffen (Quelle: Bayer MaterialScience)

Baytubes  Die Produktion von Kohlenstoffnanoröhren hat 2005 bei Bayer MaterialScience in Leverkusen begonnen. Mit einem neuen Produktionsverfahren für mehrwandige Multi Wall Carbon Nanotubes (MWNT) will sich das Unternehmen als einer der größten Hersteller weltweit etablieren. Erste Anwendungen in Verbundwerkstoffen sind Kunststofftransportbehälter, Eishockeyschläger oder Sportboote. Eingebracht in die Lackierung von Schiffsrümpfen, setzen Kohlenstoffnanoröhren den Strömungswiderstand herab. Dies hat eine deutliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zur Folge.

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FIBRIL Ein weiterer wichtiger Hersteller von Kohlenstoffnanoröhren ist Hyperion Catalysis International aus Cambridge (USA). Auch hier werden mehrwandige Nanotubes hergestellt, die das Unternehmen auch für die elektrostatische Entladung von Elektrobauteilen nutzt. Baytubes ® integriert in einen Baseballschläger zur Verbesserung der Schlagwirkung (Quelle: Bayer MaterialScience)

Produkte

Frontier Carbon Corporation 1991 wurden CNT bei NEC entdeckt. Seitdem wird in Japan an einer großtechnischen Herstellung gearbeitet und 2001 die erste Produktions­ anlage gestartet. Ziel ist die Herstellung von Hochtechnologieprodukten auf Basis von

Eigenschaften  Dichte: 1,33-1,4 g/cm³ // Durchmesser: 0,6-1,8 nm // Zugfestigkeit: 45 Milliarden Pa // Wärmeleitung: 6.000 W/mK bei RT // formstabil bis 1.000 °C

CNT integriert in Bootslack zur Verringerung des Strömungswiderstandes (Quelle: Bayer MaterialScience)

Struktur von Kohlenstoffnanoröhren

Während bei faser- und teilchenverstärkten Kunststoffen die Eigenschaftsverbesserung und Festigkeitssteigerung durch Einbettung von Fasern bzw. Teilchen eines von der Matrix verschiedenen Werkstoffs erzielt wird, geht die Qualitätssteigerung bei eigenverstärkten Thermoplasten auf eine bestimmte Orientierung der Molekularstruktur teilkristalliner Bereiche in der Kunststoffstruktur zurück.

121 Leichtbaumaterialien und dämmwerkstoffe

verarbeitung und verwendung

Aufgrund neuer gesetzlicher Bestimmungen zur Altautoverwertung haben eigenverstärkte Thermoplaste mit ihren Möglichkeiten zu einem sortenreinen Recycling große Potenziale im Fahrzeugbau als Ersatz glasfaserverstärkter Formteile wie Stoßfänger, Türinnenverkleidungen oder Gepäckablagen. Leichtbaukonstruktionen aus dem Material sind außerdem von Koffern, Protektoren aus dem Sportbereich, Lautsprechern oder Surfund Kiteboards bekannt. Üblicherweise werden eigenverstärkte Thermoplaste in Formpressen verarbeitet. Anders als bei normalen thermoplastischen Kunststoffen besitzen eigenverstärkte Varianten aufgrund der Orientierung der Gewebebändchen nach

Nachhaltigkeitsaspekte  geringeres Gewicht als glas-faserverstärkte Kunststoffe // sortenreines Recycling

Eigenverstärkte Thermoplaste

Materialkonzept und Eigenschaften

Das Eigenschaftsprofil eigenverstärkter Thermoplaste ist mit dem von glasfaserverstärkten Thermoplasten zu vergleichen. Sowohl Festigkeit als auch Steifigkeit liegen um ein Vielfaches über den Werten konventioneller thermoplastischer Kunststoffe. Eigenverstärkte Thermoplaste sind zudem schlagzäher, temperaturstabiler und verschleißfester. Die Dehnung unter Wärme fällt nur halb so stark aus. Vorteil ist die Möglichkeit zum sortenreinen Recycling. Zudem liegt das Gewicht unterhalb von dem glasfaserverstärkter Kunststoffe.

Eigenschaften  mechanische Qualitäten mit denen von GFK vergleichbar // sortenrein // wärmeformstabil // verschleißfest // geringe Dichte

Erwärmung noch eine relativ hohe Stabilität, was die Umformung mit einem Stempel erforderlich macht. Vakuumformen ist daher nicht möglich. Produkte

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CurV  Die Firma Propex stellt den weltweit ersten eigenverstärkten Thermoplasten aus 100 Prozent Polypropylen her. Die Matrix entsteht durch gezieltes Anschmelzen der Oberflächenstruktur der thermoplastischen Gewebestruktur in einer Formpresse. Die Optik erinnert an Kohlefasern. Der Werkstoff splittert nicht und ist sehr abriebfest.

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Pure  Dieser zu 100 Prozent aus Polypropylen bestehende eigenverstärkte Kunststoff ist in Form von Tafeln und Platten sowie als Fasermaterial erhältlich. Reste, die bei der Verarbeitung anfallen, können ebenso recycelt werden wie Bauteile nach Beendigung der Lebensdauer. Pure  Fasern wurden für das Thermoformen optimiert. Als Leichtbaumaterial ist Pure  aufgrund seiner hohen Steifigkeit und der bruchsicheren Eigenschaften

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Koffer aus eigenverstärktem Polypropylen (Quelle: Propex)

für Anwendungen in Sport und Fahrzeugbau geeignet. Das Material kann mit UV-sicheren Qualitäten ausgestattet werden. Für Architekturanwendungen sind auch Sandwichpaneele mit Pure  als Deckschichten und PU-Schaum oder Wabenstrukturen in der Mittellage erhältlich.

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122 formverändernde materialien

Formgedächtnislegierungen (FGL)…126 — Formgedächtniskunststoffe (SMP)…127 — Thermobi­ metalle…128 — Piezoelektrische Keramiken (PEK)…128 — Piezoelektrische Kunststoffe (PEP)…129 — Elektroaktive Polymere (EAP)…130 — Bucky Paper…131 — Hydrogel…132

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123 formverändernde materialien

124 formverändernde materialien

Der Einsatz von Werkstoffen, die selbsttätig ihre Form verändern, ist in Architektur und Design relativ neu. Wenige Kreative haben sich bislang an Entwürfe gewagt, obwohl die erzielbaren Effekte durchaus bemerkenswert sind. Yvonne Chan Vili untersuchte als eine der ersten den Einsatz von Textilien mit eingewebten Drähten aus Formgedächtnislegierungen (FGL) für Raumteiler und Wandbehänge. FGL-Materialien speichern Forminformationen in ihrem molekularen Gefüge. Bei niedrigen Temperaturen können sie plastisch verformt werden und nehmen nach Erwärmung wieder ihre ursprüngliche Form an. FGL-Textilien lassen sich bei starker Sonneneinstrahlung zur automatischen Verdunklung von Räumen einsetzen. Auch FGL-Kunststoffschäume für Teppichböden oder der Einsatz von Thermobimetallen in Lampen sind mittlerweile bekannt. Weitere Potenziale formverändernder Materialien machen diese in Zukunft vor allem für Industriedesigner interessant. Eine Idee beispielsweise ist es, Piezomaterialien unter Gehwege zu legen oder in Schuhsohlen zu integrieren, um die Vibration eines Schritts zur Stromerzeugung zu nutzen. An Anwendungen für elektroaktive Polymere in der Luftfahrt oder im Fahrzeugbau wird aktuell gearbeitet. Ein Ansatz verfolgt die Verwendung in Autositzen, um stets eine optimale Anpassung des Sitzes an den menschlichen Körper zu ermöglichen. Hydrogele, die sich unter Einfluss von Wasser ausdehnen und dabei dennoch eine stets trockene Oberfläche aufweisen, kommen vor allem in Hygieneprodukten wie Windeln zur Anwendung. Ob sich nutzbringende Produktkonzepte im Design jenseits der derzeitigen Verwendung im Modellbau finden lassen, wird die Zukunft zeigen.

125 formverändernde materialien

Kapuze mit eingenähten Formgedächtnisdrähten. Das Kleidungsstück des Designers Max Schäth ahmt die Sinne und Gefühle des Menschen in abstrakter Form nach. (Quelle: UdK Berlin, Foto: Özgür Albayrak)

Die Verwendung von Garnen aus Form­ gedächtnis­ legierungen in Textilien für design und Innenarchitektur hat in Mode­­ der letzten Zeit zu einem Interesse an einer der ungewöhnlichsten Materialklassen überhaupt geführt. Bei tiefen Temperaturen können sie plastisch verformt werden. Nach Erwärmung über die Umwandlungstemperatur des Gefüges erinnert sich das Material an seine ursprüngliche Form und nimmt seine Ausgangsgeometrie wieder ein. Formgedächtnis­ legierungen werden auch als „Memory-Metalle“ oder „shape memory alloys“ bezeichnet. Materialkonzept und Eigenschaften

Shape memory alloys speichern Forminformationen in ihrer molekularen Struktur. Es lassen sich drei unterschiedliche Memory-Effekte unterscheiden. Der Einweg-Memory-Effekt bezeichnet Legierungen mit der Eigenschaft zur einmaligen Rückbesinnung auf die ursprüngliche Form nach thermischer Erwärmung. Die Formgeometrie des Werkstoffs bleibt dann auch nach Wiederabkühlung erhalten. Im Unterschied dazu beschreibt der Zweiweg-Memory-Effekt die Möglichkeit zur mehrfachen Formrückkehr nach Abkühlen des Werkstoffs. Einige Formgedächtnislegierungen verfügen über besondere elastische Eigenschaften, die gegenüber konventionellen Metallen bei konstanter Temperatur um das 20-fache höher ausfallen. Diese Qualität wird als Superelastizität oder mechanischer Memory-Effekt bezeichnet.

126 formverändernde materialien

Eigenschaften  Nickel-Titanlegierungen // hohe Elastizität (10 x größer als bei Stahl) // gute Biokompatibilität // hohe Knick­ festigkeit Nachhaltigkeitsaspekte Steuerungsfunktionen ohne elektronische Komponenten // Reduzierung des konstruktiven Aufwandes

Formgedächtnislegierungen (FGL)

mit einem Hemd aus einem Formgedächtnisgewebe (mit Nitinol beschichtetes Nylon) auf sich aufmerksam gemacht. Auch in der Architektur wurden Memory-Metalle für Tragwerke bereits verwendet.

anwendung und verarbeitung

Produkte

Memory-Metalle kommen insbesondere dort zum Einsatz, wo Bewegungen in einem begrenzten Raum ermöglicht werden sollen. Ein Beispiel hierfür ist die Ansteuerung zum Aufstellen von Sonnensegeln in der Raumfahrt. Aufgrund der guten Biokompatibilität einiger Formgedächtnislegierungen sind auch Anwendungen in der Medizintechnik interessant. 2006 wurde einer der Fraunhofer-Preise für die Entwicklung einer Herzklappe aus einem Formgedächtniswerkstoff vergeben, die ohne Operation am offenen Herzen in komprimierter Form mittels eines Katheders durch ein Blutgefäß zum Herzen geführt wird. Die Wärme des Blutes genügt, um den Memory-Effekt auszulösen und den Nitinol-Stent und damit die darin eingearbeitete Herzklappe in ihre wirksame Form zu entfalten. Memory-Metalle können in Form von Drähten oder Garnen auf einfache Weise verarbeitet werden. Daher sind sie auch für die Gestaltung von Innenräumen interessant und werden als eingewebte Fäden in Textilien mit Verdunklungs- und Sichtschutzfunktion genutzt. Die italienische Bekleidungsfirma Corpo Nove hat

CoreValve ®-System Künstliche Herzklappe mit Memory-Effekt auf Basis von Nitinol (Quelle: Medtronic)

In kaltem Zustand lässt sich Form­ gedächtnisdraht verbiegen und kehrt nach Erwärmung auf etwa 90 °C in seine ursprüngliche Form zurück. (Quelle: Lekkerwerken)

Formgedächtnislegierungen sind als Bleche und Bänder, in Form von Federn und Klammern oder als Drahtmaterial im Handel erhältlich. Zu den Formgedächtnislegierungen zählen insbesondere Legierungen aus Nickel und Titan (NiTi), die auch unter den Bezeichnungen Nitinol, Memry, Tini-Alloy oder Livewire bekannt sind. Sie haben im Vergleich zu anderen Angeboten die größte Marktpräsenz. Der Temperaturbereich, in dem Memory-Metalle ihr besonderes Eigenschaftsprofil ausspielen, liegt in aller Regel zwischen -35 °C und +90 °C. Sie können zum Teil große Kräfte in mehreren 100.000 Bewegungszyklen ohne Ermüdung übertragen. Nickel-Titan-Legierungen weisen eine gute Zugfestigkeit auf und haben ein besseres Bruchdehnverhalten als alternative Memory-Metalle. Zudem sind sie biokompatibel und extrem korrosionsbeständig. Weitere shape memory alloys bestehen aus Kupfer-Zink (CuZn), Kupfer-Zink-Aluminium (CuZnAl), KupferZink-Nickel (CuZnNi), Eisen-Platin (FePt) oder Gold-Kadmium (AuCd).

Den Formgedächtniseffekt auf Kunststoffe zu übertragen, war lange Jahre Ziel aufwendiger Forschungsarbeiten. Mittlerweile sind erste Anwendungen auf dem Markt verfügbar. Beste Beispiele sind Matratzen aus viskoelastischem Schaum (Memory-Foam), die sich unter Wärme der Form des Körpers anpassen, oder Kunststoffe mit Nanoteilchen, die ihre Form in einem Magnetfeld verändern.

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Positive Aspekte  ergonomische Qualitäten von Memory-Foam // Vermeiden operativer Eingriffe in der Medizin

formverändernde materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

Formgedächtniskunststoffe sind in der Lage, ihre ursprüngliche Geometrie nach einer Verformung selbsttätig wieder einzunehmen. Auslöser für das Erinnerungsvermögen sind äußere Einflüsse wie Wärme, Licht oder ein magnetisches Feld. Bei fotosensitiven Memory-Polymeren (zum Beispiel Butylacrylate) wird eine Formveränderung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge fixiert. Die ursprüngliche Geometrie lässt sich anschließend durch Beleuchtung mit Strahlung einer anderen Wellenlänge wiederherstellen. Durch die Einarbeitung fein verteilter magnetischer Nanoteilchen aus Eisenoxiden in Kunststoff ist es gelungen, eine Formveränderung in einem Magnetfeld auszulösen. Die Energie des Feldes wird in Wärme umgewandelt.

Formgedächtniskunststoffe (SMP) Produkte

anwendung

Anwendungspotenziale für Memory-Foam werden in allen Bereichen gesehen, in denen der menschliche Körper durch flexible Materialien eine Stütz- oder Dämpffunktion benötigt. Beispiele sind Kopfkissen, Matratzen oder Teppichböden. Erste Anwendungen von Formgedächtniskunststoffen wurden für medizinische Zwecke überall dort entwickelt, wo metallische Formgedächtnislegierungen aufgrund von Nebenwirkungen nicht in Frage kommen (zum Beispiel Nahtwerkstoffe). Katheter aus Memory-Polymeren könnten im magnetischen Feld ferngesteuert werden.

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Pure Moss  Viskoelastischer Teppichboden basiert auf einem vierschichtigen Aufbau aus PUR-Schaumstoff und bi-elastischem Strickgewebe, den Bayer MaterialScience entwickelt hat und durch die kymo GmbH vermarktet. Mit seinen gelenkschonenden Eigenschaften ist er gleichermaßen geeignet für den Wohn- und Objektbereich wie für Sportstätten und die Physiotherapie.

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Veritex Dieses Harz hat ein besonderes Formgedächtnis. Erwärmt man den Kunststoff auf eine Temperatur über seinem Schmelzpunkt, geht er von einem starren in einen flexiblen Zustand über und kann verformt und auf seine doppelte Länge gedehnt werden. Bei Abkühlung wird die erzeugte Geometrie fixiert. Bei erneuter Erwärmung geht das Material in seine Ausgangsform zurück. Der Vorgang kann unendlich viele Male wiederholt werden. Ausgestattet um thermochrome Pigmente, lässt sich die Aktivierungstemperatur durch Farbwechsel exakt ablesen. Veritex wird in aller Regel als Plattenmaterial mit guter Steifigkeit vertrieben.

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Essemplex Das Formgedächtnispolymer ist in Granulatform erhältlich und kann durch Spritzgießen, Extrudieren oder Thermoformen verarbeitet werden. Das Material besinnt sich immer wieder seiner ursprünglichen Form. Es werden zwei Varianten angeboten, bei denen der Memory-Effekt entweder bei einer Temperatur von 34 °C oder von 43 °C aktiviert wird. Der Erinnerungsprozess kann ohne Qualitätsverlust wiederholt werden.

Pellets des Formgedächtnispolymers Essemplex (Quelle: CRG Industries)

Teppichboden aus einem Formgedächtnisschaumstoff (Quelle: ky mo)

Sie sieht aus wie die geschlossene Knospe einer Mohnblume und hört auf den Namen „Poppy“. Etwa zehn Sekunden nach dem Anschalten beginnt sie sich langsam zu öffnen. Hervorgerufen wird der Effekt durch die Verwendung von Thermobimetallen für die feinen Blätter, die sich durch Erwärmung in eine vorgegebene Richtung ausdehnen.

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Eigenschaften  Formänderung aufgrund unterschied­licher Wärmedehnung Nachhaltigkeitsaspekte  Einsparen auf­ wendiger Mechanik bei Reglern und Schaltern // automatische Abschaltfunktion

formverändernde materialien

Thermobimetalle Materialkonzept und Eigenschaften

Bimetalllampe „Poppy“ (Quelle: Serien Lighting)

Piezoelektrische Werkstoffe haben in den letzten Jahren in vielen Anwendungsgebieten an Bedeutung gewonnen. Obwohl der Piezoeffekt, der die Entstehung eines elektrischen Spannungsfeldes nach Verformung bestimmter Materialoberflächen beschreibt, schon seit 1880 bekannt ist, steigern erst neue Gesetzgebungen und Umweltauflagen die Nachfrage nach Materialien mit piezoelektrischen Qualitäten. Materialkonzept und Eigenschaften

Der Piezoeffekt geht auf die Brüder Jacques und Pierre Curie zurück. Sie entdeckten, dass nach Verformung der Oberfläche bestimmter Materialien elektrische Ladungen entstehen und sich ein Spannungsfeld ausbildet. Sie wiesen den Effekt an Turmalin- und Quarzkristallen nach und konnten ihn auch umkehren. Das heißt, dass nach Anlegen einer elektrischen Spannung an

Thermobimetalle sind Materialverbunde aus zwei Metallblechstreifen, die aufeinander gewalzt und fest miteinander verbunden werden. Da die beiden metallischen Streifen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, kommt es aufgrund der verschiedenen Dehnungen bei Erwärmung zum Verbiegen. Die Biegung zeigt auf die Seite des Materials mit der geringeren Wärmedehnung (passive Komponente). Während die aktive Komponente meist aus Eisen-Nickel-Mangan- oder Mangan-NickelKupfer-Legierungen besteht, kommen für die passive Komponente Eisen-Nickel- (Invar-) oder Nickel-Kobalt-Eisen-Legierungen (Superinvar) in Frage. Die auf Thermobimetallen angegebe-

nen Bezeichnungen deuten im europäischen Raum auf die Zusammensetzung der Legierung der aktiven Komponente hin, während diese in Amerika Hinweise zum Werkstoff der passiven Komponente geben. verwendung

Bimetalle werden in Messinstrumenten verwendet, beispielsweise für Metallspiralen bei Thermometern, oder dienen als Regler und Schalter sich selbst abschaltender Kontakte. Anwendungsfelder sind Bügeleisen, Wasserkocher oder Kaffeemaschinen. Ein in die Nähe einer Glühwendel positionierter und in den Stromfluss einer Glühlampe integrierter Bimetallstreifen kann ein dauerhaftes Blinken hervorrufen.

Eigenschaften  elektrische Spannung nach Verformung // bis zu einer Temperatur von 250 °C // möglich bei Blei-ZirkonatTitanat (PZT) Nachhaltigkeitsaspekte  Potenziale zur alternativen Energieerzeugung // Steuerung ohne aufwendige Mechanik

Piezoelektrische Keramiken (PEK)

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Piezokristallen Verformungen und Schwingungen auszumachen sind. Die Höhe des Ausschlags liegt im Verhältnis zu den Abmessungen des piezoelektrischen Bauteils im Promille-Bereich. Häufige Verwendung findet Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Diese Keramikstruktur zeigt piezoelektrische Eigenschaften bis zu einer Temperatur von 250 °C. Anwendung

Piezoelektrische Keramiken werden heute vor allem im Automobilbau für Einspritzpumpen, zur Vibrationsdämpfung oder für Einparkhilfen verwendet. Weitere typische Anwendungsbeispiele sind Lautsprecher, Mikrofone, Quarzuhren oder Sonarsysteme für U-Boote. In der Industrie werden sie insbesondere als Drucksensoren gebraucht. Eine visionäre Idee ist es, Piezoelemente unter Gehwegen und Straßen zu verbauen und die Vibration von Fußgängern und vorbeifahrenden Autos zur Stromerzeugung zu nutzen. Außerdem ließen sich Piezoelemente in Schuhsohlen zur Energieproduktion für Outdooranwendungen einsetzen. In der Architektur denkt man an die Stromerzeugung durch Schwingungen, denen ein Gebäude aufgrund von äußeren Witterungseinflüssen ausgesetzt ist.

Piezoelektrische Polymere sind Kunststoffe mit besonderen Eigenschaften, die in der Architektur verwendet werden können, um das Betreten eines Raums durch eine Person nachzuweisen.

formverändernde materialien

Aufbau eines flexiblen Piezomaterials

PZT

PDMS

MgO

Projekt „Grow“ - Vorhang aus blattartigen Solarpaneelen mit einem Piezogenerator im Fuß, der die vom Wind verursachte Bewegung in Energie umwandelt. (Quelle: Samuel Cabot Cochran)

Power Leap - Bodensystem mit piezo-elektrischen Eigenschaften zur Überführung kinetischer in elektrische Energie (Quelle: Elizabeth Redmond)

Eigenschaften  elektrische Spannung nach Verformung // möglich bei PVDF, PP oder PE Nachhaltigkeitsaspekte  Reduzierung des Aufwands der Steuerungstechnik

Piezoelektrische Kunststoffe (PEP) Lautsprecher aus einer piezoelektrischen PVDF-Folie (Quelle: Erfinderladen Berlin)

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Materialkonzept und Eigenschaften

1969 gelang erstmals der Nachweis des Piezoeffekts an einem Polymerwerkstoff. Ein typischer Vertreter ist Polyvinylidenfluorid (PVDF). Nach einer mechano-elektrischen Behandlung durch Recken und anschließendes Polarisieren in einem elektrischen Gleichstromfeld erhält es die piezoelektrischen Eigenschaften. Auch Polyolefine wie PP oder PE lassen sich in PEP-Werkstoffe überführen. Anwendung und Verarbeitung

Typische Verwendungsgebiete für piezoelektrische Polymere sind Kraft-, Druck- und Ultraschallsensoren zur Steuerung von Positioniersystemen, Servoanlagen und Einspritzdüsen. Sie

formverändernde materialien

sind Grundelemente der Überwachungstechnik, medizinischen Diagnostik und zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Piezoelektrische Polymerfolien kommen als großflächige Sensoren oder Flachlautsprecher zum Einsatz. In der Architektur werden sie unter Fußböden gebracht, um die Laufwege von Personen zu überprüfen. Piezopolymere können mit den üblichen Techniken der Kunststoffverarbeitung bearbeitet werden. Allerdings muss mit einer eingeschränkten Umformbarkeit gerechnet werden.

Mit elektroaktiven Kunststoffen sind Polymere oder Verbunde aus Kunststoffen gemeint, die nach Anlegen einer Spannung ihr Volumen verändern, sich also zusammenziehen oder ausdehnen. In den Entwicklungslaboren arbeitet man derzeit beispielsweise an der Vision eines künstlichen Muskels. Die Forscher bei der NASA wollen mit „morphing materials“ die Form und Eigenschaften eines Flugzeuges im Flug verändern. Dabei werden unterschiedliche Ansätze verfolgt, deren Aufbau und Funktionsweise sich erheblich voneinander unterscheiden. Verbreitete Lösungen sind beispielsweise weiche dielektrische Elastomere (DE) oder ionische Polymer-Metall-Verbunde (IPMC).

Eigenschaften  Volumenänderung nach Anlegen einer elektrischen Spannung Nachhaltigkeitsaspekte  Einsparen aufwendiger Mechanik bei Autositzen // Energie­ einsparpotenziale durch Anpassung der Geo­ metrie eines Flug- oder Fahrzeugs an die ideale Strömungsgeometrie // Möglichmachen von Gezeiten­kraftwerken

Elektroaktive Polymere (EAP)

Materialkonzept und Eigenschaften

Weiche dielektrische Elastomere (DE) bestehen aus elastischen Kunststofffolien (meist auf Acryl- oder Silikonbasis), die auf beiden Seiten mit leitendem Grafit beschichtet sind. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung entsteht zwischen den dünnen Schichten ein elektrostatischer Druck, der die Polymerfolie in ihrer Dicke komprimiert. Dadurch dehnt sich das DE zur Seite aus. Je nach Geometrie werden mit dielektrischen Elastomeren Aktuatoren hergestellt, die sich ausdehnen, krümmen oder zusammenziehen können. Da die elektrische in mechanische Energie überführt wird, liegt der Wirkungsgrad bei nahezu 70 Prozent. Ionische Polymer-Metall-Verbunde (IPMC) bestehen aus Ionomeren wie Sulfunat oder Carboxylat, die mit Elektroden aus hochleitfähigen Metallen beschichtet sind. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung in geringem Voltbereich (2–3 V) findet in dem Verbund eine Ionenwanderung statt, die zur Folge hat, dass sich das Material wie ein Biegebalken krümmt.

Aufbau eines dielektrischen Elastomers Ansam mlung der elektrischen Ladung

nachgiebige Elektroden

Fläche, A

E=V/t

Dicke, d Hochspannung z x

Nichtleiter y

flächige Ausdehnung

131

Anwendung und Verarbeitung

In der Vergangenheit dienten elektroaktive Materialien im Akustikbereich zur Herstellung von Lautsprechern. Heute denkt man darüber nach, elektroaktive Silikonfolien zur Schwingungsdämpfung in Flugzeugummantelungen und im Boden von Fahrzeugen zu nutzen. Weitere Ideen sind EAP als Scheibenwischerblätter oder elastische Rohre mit veränderbarem Durchmesser einzusetzen. In Zukunft sollen in der Luftfahrt elektroaktive Werkstoffe großflächig angesteuert werden und Formveränderungen eines Flügels während eines Manövers hervorrufen, um das Flugzeug energieeffizienter an die jeweilige Flugphase anzupassen. Forschungsvorhaben in diesem Bereich werden derzeit bei der NASA durchgeführt. Angetrieben durch einen künstlichen Flächenmuskel aus EAP (DE) ließen Wissenschaftler der ETH Zürich 2007 ein Luftschiff wie einen Fisch durch die Luft gleiten. Ein weiteres zukünftiges Einsatzgebiet für elektroaktive Kunststoffe ist die Energiegewinnung. Die Energie von Wind oder Meeresströmungen ließe sich mit EAP-Folien in elektrische Energie wandeln. Darüber hinaus sollen Kunst­muskeln in Prothesen beeinträchtigte Personen bei Bewegungen unterstützen. Elektroaktive Polymere können sich bei intelligentem Design dem menschlichen Körper anpassen. Durch deren Einsatz in Autositzen ergeben sich große Potenziale, die unser bisheriges Verständnis von Mobilität erheblich verändern könnten.

Eines der Paradeprodukte der Nanotechnologie ist das Bucky Paper. Es besteht aus wirr vernetzten Kohlenstoffnanoröhren (CNT), die durch Anlegen einer Spannung verformt werden können.

formverändernde materialien

EAP als Flächenmuskel für ein Luftschiff (Quelle: EMPA)

Aufbau eines ionischen Polymer-Metall-Verbundes Elektroden

-

Elektroden

+

-

AN

AUS

Poly mere

Poly mere

Eigenschaften  wirr vernetzte Kohlenstoff­ nanoröhren // Verformung nach Anlegen einer Spannung // Wärmeproduktion Nachhaltigkeitsaspekte  Einsparen aufwendiger Mechanik // materialeffiziente Wärmeelemente

Materialkonzept und Eigenschaften

Die Sechseckwabenstruktur macht Kohlenstoffnanoröhren zu einem hochfesten Fasermaterial. Sie verfügen über eine doppelt so große Härte wie Diamanten und sind mit einer Dichte von nur 1,4 g/cm3 wesentlich stabiler als alle uns bislang bekannten Bauwerkstoffe (siehe Kohlenstoffnanoröhren Seite 120). Nach Anlegen einer elektrischen Spannung konnten FraunhoferWissenschaftler an einem aus CNT hergestellten Papierstreifen in einem Elektrolytbad und an einem CNT-Polymer-Komposit eine Verformung herbeigeführen. Daher werden Bucky Paper in ihrer Funktionsweise als Aktuatoren getestet. Eine weitere Eigenschaft ist das Entstehen von Wärmeenergie, so dass sich Bucky Paper auch als Heizelemente eignen.

+

Bucky Paper

−

+

formverändernde materialien

Cl‾

Die Formveränderung lässt sich beispielsweise zur Ansteuerung von Miniaturrobotern und in der Mikrosystemtechnik verwenden. Auch optische Systeme bieten Bucky Paper Potenzial zum Einsatz. Vor allem für die mikroinvasive Chirurgie bieten sich unzählige Möglichkeiten. Mit ihrer homogenen Wärmeverteilung sind „Bucky Paper“ ideal geeignet zur Beheizung von Sitzen, Bodenheizungen, Enteisungssystemen und Durchlauferhitzern. Die erreichbare Temperatur mit einem Verbundsystem der Fraunhofer TEG liegt bei 60 °C.

132

Ausdehnung eines Bucky Papers im Elektrolytbad

Na +

Anwendung und Verarbeitung

Bucky Paper aus wirr vernetzten Kohlenstoffnanoröhren (Quelle: Fraunhofer IPA)

Kinder lieben sie, die glibbrige Masse, die in vielen Farben schimmert: Götterspeise. Sie ist das wohl bekannteste Beispiel für ein Hydrogel. Anders als man vermuten würde, macht Gelatine nur etwa 3 Prozent des Gesamtvolumens aus, der Rest ist aromatisiertes und gefärbtes Wasser.

Eigenschaften  Wasserspeicher // trockene Oberfläche // enorme Volumenausdehnung Nachhaltigkeitsaspekte Einsparpotenziale für aufwendige Regelungstechnik in Aktuatoren // Reduzierung des Aufwands beim Modellbau

Materialkonzept und Eigenschaften

Hydrogele setzen sich aus einem festen Gelier- und Verdickungsmittel und Wasser zusammen. Im Kern ist es ein dreidimensionales und unlösliches

Hydrogel Netzwerk aus Polymerketten, das unter Einwirkung von Wasser aufquillt und sein Volumen dabei enorm vergrößert. Die Materialeigenschaften werden durch das Zusammenwirken von Netzwerk und Flüssigphase bestimmt, wobei die Oberfläche trocken bleibt. Die bei der Expansion entstehenden Kräfte können in technischen Kontexten genutzt werden. Eine besondere Gruppe von Hydrogelen sind Superabsorber, da sich hier das Volumen des polymeren Netzwerks unter dem Einfluss von Wasser unverhältnismäßig stark ausdehnt. So können Polyacrylsäure-Gele beispielsweise 1.000 Gramm Wasser pro Gramm Polymer aufnehmen. verwendung

Unverhältnismäßige Ausdehnung eines Superabsorbers unter Einfluss von Wasser (Quelle: Geohumus)

Aufgrund der Eigenschaften zur Veränderung des Volumens kommen Hydrogele vor allem als Sensoren und Aktuatoren in der Mikrosystemund Regelungstechnik in Frage. Die biokompatiblen und gewebeähnlichen Eigenschaften

Hydrospan - Einsatzmöglichkeit beim Modellbau (Quelle: Industrial Polymers Inc.)

werden für Implantate und weiche Kontaktlinsen genutzt. Hydrogele unterstützen zudem den Heilungsprozess und die Selbstreinigung chronischer Wunden. Die Hautstellen werden ständig mit Feuchtigkeit versorgt, so dass das Ablösen abgestorbenen Gewebes gefördert wird. Beim Modellbau werden Hydrogele verwendet, um ein Modell herzustellen, bei dem ein kleines Objekt vergrößert werden soll.

133 Anzeigen

The EcoCommercial Building Program…134 — Barktex…136 — Conbam…137 — hollomet…137 — Nolte AirMaxx…138 — formvielfalt…138

— Anzeigen —

The EcoCommercial Building Program

Nachhaltiges Bauen zahlt sich aus

Ein globales Kompetenznetzwerk für nachhaltiges Bauen Architekten, Projektentwickler, Bauunternehmer und Corporate-Real-Estate-Manager haben eins gemeinsam: Sie benötigen innovative Material­ lösungen und Dienstleistungen, die Energieeffizienz und Klimaverträglichkeit von Gebäuden verbessern. So lassen sich langfristig Betriebskosten reduzieren und wertvolle Ressourcen sparen.

Nachhaltiges Verwaltungsgebäude von Bayer in Diegem, Belgien - 40 % geringerer Energieverbrauch im Vergleich zu konventionellen Bürogebäuden - Reduzierung des CO ² -Ausstoßes um 300 t pro Jahr, dank Polyurethan-Dämmung - Gesundes Raumklima durch wasserbasierte Polyurethan-Bodenbeschichtung - Energieeffiziente und langlebige Medienfassade durch Makrolon ® -verkleidete LEDs - Bruchsichere transparente Innendekor-Elemente aus Makrolon ® - Ausgezeichnet mit dem europäischen „Green Building“-Zertifikat 2010 und dem „Belgischen Preis für Architektur und Energie 2009“

Das EcoCommercial Building Program von Bayer MaterialScience bietet diesen Entscheidungs­ trägern der Baubranche zum ersten Mal ein integriertes Konzept für energie- und kosteneffizientes Bauen. Mit seinem weltweiten interdisziplinären Mitgliedernetzwerk unterstützt das EcoCommercial Building Program gezielt die Umsetzung öffentlicher und gewerblicher Gebäude in vielen Regionen der Welt. Der Maßstab sind immer die höchsten Energieeffizienzstandards; signifikante Einsparungen bis hin zum Nullemissionsgebäude sind dadurch möglich. Das EcoCommercial Building Program bündelt das Fachwissen und die Kompetenz von Bayer MaterialScience und den einzelnen Netzwerkmitgliedern. Damit haben Sie Zugriff auf ein Netzwerk von ausgewiesenen Experten im Bereich des nachhaltigen Bauens, das auf dem Markt seinesgleichen sucht.

Individuelle Komplettlösungen und lokales Know-how

Das EcoCommercial Building Program ist Mitglied BEI:

Ob dachintegrierte Solarelemente, solarther­ mische Anlagen zur Aufheizung von Brauch­ wasser, intelligente Nutzung von Tageslicht, eine mit LEDs beleuchtete Außenfassade, PolyurethanDämmung, Verscheibungen aus Polycarbonat oder Dienstleistungen von der Ausgangsanalyse über die Erstellung von Energiekonzepten in der frühen Planungsphase bis hin zur Zertifizierung des fertigen Gebäudes: Die Mitglieder des EcoCommercial Building Programs stellen die für Ihr Bauvorhaben idealen Lösungskonzepte bereit. Mit den sinnvoll aufeinander abgestimmten Einzelmaßnahmen erreichen Sie das bestmögliche Ergebnis hinsichtlich des Umweltschutzes und der Wirtschaftlichkeit des Bauvorhabens. Wenn von Beginn an unter nachhaltigen Aspekten geplant wird, können die Zusatzinvestitionen minimiert werden und sich bereits innerhalb weniger Jahre durch verringerte Betriebskosten amortisieren – Grund genug, von Anfang an das Netzwerk des EcoCommercial Building Programs zu involvieren. Das Konzept funktioniert nicht nur in Deutschland: Unsere regionalen Netzwerkmitglieder optimieren Ihr Bauvorhaben für die lokalen klimatischen Bedingungen an fast jedem Ort der Welt. Ihre Vorteile auf einen Blick

Emissionsneutrale Kindertagesstätte in Monheim, Deutschland - Primärenergieeinsparung gegenüber lokalem Standard und EnEV 2009 um 91 % - Emissionsneutrale Energiebilanz im Jahresdurchschnitt - Hocheffiziente Wärmedämmung - Einsatz regenerativer Energiequellen: Fotovoltaik sowie Geo- und Solarthermie - Tageslichtnutzung kombiniert mit effizienter Beleuchtungstechnik - Preisträger im Wettbewerb „Energieopti- miertes Bauen 2009“ des Bundes ministeriums für Wirtschaft und Energie

Kein Bauprojekt ist wie das andere. Jedes Vorhaben läuft unter anderen Voraussetzungen ab. Wir freuen uns, Ihnen mit dem EcoCommercial Building Program Werkstoffwissen auf höchstem internationalen Niveau sowie ein branchenübergreifendes Expertennetzwerk zur Unterstützung kompletter Projekte von der Planung bis zur Umsetzung bieten zu können: - Mitwirkung und Beratung von der frühen Planungsphase bis hin zur Zertifizierung des fertigen Gebäudes - Innovative Hightech-Lösungsansätze - Integrierte Energie- und Material konzepte, basierend auf einer Baube wertung mit Hilfe dynamischer Gebäude- simulation und Amortisationsberechnung - Regionale Ansprechpartner für eine qualifizierte Umsetzung weltweit

Weitere Informationen finden Sie unter www.ecocommercialbuilding.de Lisa Ketelsen The EcoCommercial Building Program Region EMEA, Corporate Development Bayer MaterialScience AG Tel. +49 (0) 214 / 3 04 80 19 Fax +49 (0) 214 / 3 02 39 31 [email protected]

Barktex

®

TEXTILIEN UND VERBUNDWERKSTOFFE AUS BAUMRINDE

Eine Symbiose aus innovativem Material und alter Tradition

Rindenvliese gelten als Ur-Werkstoffe mit jahrtausende alter Geschichte. Designer schätzen ihre einzigartige Textur und Haptik und den ausdrucksstarken Charakter. Die sich permanent erneuernde Baumrinde des Ficus natalensis kann jährlich geerntet werden, ohne dass der Baum gefällt werden muss. Das daraus gefertigte Vlies ist Basis für eine breite Palette von festen wie flexiblen, z.T. 3D-verformbaren Halbzeugen, die durch energiearme – teils CO2-freie – Verfahren gewonnen werden. Als Hilfsmitel dienen Biopoylmere, Naturharze, -öle und -wachse, Fettsäuren.

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Die Halbzeuge mit dem Markennamen BARKTEX  eignen sich für unterschiedliche Sektoren in Industrie und Handwerk: Innenaus- und Messebau, Möbel, Gehäuse, einzigartige Oberflächenlösungen, Automotive.

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BARK CLOTH  ist der Pionier und Innovationsführer systematischer Rindenvliesproduktion. 1999 nahm er gemeinsam mit ugandischen Bio-Bauern seine Tätigkeit auf. Erst 2005 erklärte die UNESCO den handwerklichen Produktionsprozess zum Weltkulturerbe. Das einstige Entwicklungshilfeprojekt sichert heute hunderten kleinbäuerlichen Familien ein Einkommen. BARK CLOTH  betreibt die konsequente Entwicklung und Produktion von ökonomisch, ökologisch und sozial nachhaltigen Fasermaterialien und ist Netzwerkpartner des BioWerkstoffClusters Bio-Pro Baden Württemberg.

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Für seine Werkstoffentwicklungen wurde die deutsch-ugandische Unternehmensgruppe mehrfach ausgezeichnet: iF Material Design Award 2005, Materialica Design + Technology Award 2005 + 2008, „BioMaterial des Jahres 2008“, Nominierungen für den offiziellen Designpreis der Bundesrepublik Deutschland 2007 + 2011.

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In Uganda betreibt BARK CLOTH  das International Bark Fibre Research and Training Institute, das es sich zum Ziel gesetzt hat, das Wissen um die Rindentuchproduktion in Afrika, Lateinamerika und dem Südpazifik zu bündeln und weitere industrielle und handwerkliche Anwendungen für Werkstoffe aus Baumrinde zu entwickeln.

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BARK CLOTH  _Europe Gewerbestr. 9 79285 Ebringen Deutschland Oliver Heintz, Mary Barongo-Heintz Tel. +49 (0) 76 64 / 4 03 15 60 Fax +49 (0) 76 64 / 4 03 15 61 [email protected] www.barktex.com

Conbam

hollomet

Der Bambus-Spezialist

Multifunktionale Strukturen aus metallischen Hohlkugeln und Schwämmen

Sowohl Ingenieure als auch Designer sind von Bambusmaterialien aufgrund ihrer ästhetischen Qualitäten sowie ihrer materiellen Eigenschaften überzeugt. Vom natürlich gewachsenen Rohr bis hin zum fertig versiegelten Parkett gibt es für die grüne Architektur vielfältige Möglichkeiten. Der Bambus-Spezialist CONBAM bietet Bambusrohre, Bambuszäune, Bambusplatten und -bodenbeläge in großer Auswahl an. Innerhalb von 10 Jahren hat CONBAM außergewöhn­liche Anwendungen entwickelt und moderne Bauwerke mit dem nachhaltigen Material Bambus realisiert. Stetiges Wachstum, diverse Auszeichnungen und ein großes Presse­ echo sind Belege des Erfolgs. So erhielt CONBAM u.a. den reddot product design award und den iF material gold award.

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CONBAM  Advanced Bamboo Applications An der Vogelstange 40 52511 Geilenkirchen Deutschland Dipl.-Ing. Christoph Tönges Tel. +49 (0) 24 51 / 4 82 45 45 Fax +49 (0) 24 51 / 4 82 45 44 [email protected] www.conbam.de

Nach einer Entwicklungszeit von ca. 10 Jahren präsentieren wir vollkommen neue zellulare metallische und keramische Materialien mit überraschenden Fähigkeiten. Großes Interesse findet das Material, wenn Aufgabenstellungen zu bewältigen sind, die sich insbesondere mit den Themen Leichtbau, Stabilität, Schall- und Wärmeisolierung, katalytisches Trägermaterial und innovatives Produktdesign befassen. Die metallischen Hohlkugeln lassen sich z.B. aus den unterschiedlichsten Metallpulvern herstellen. So werden aus Hohlkugeln z.B. Platten aus Edelstahl gefertigt, die nur 5 % des Gewichtes einer Vollplatte haben, eine interessante optische Oberfläche aufweisen und selbsttragend sind. Ein innovativer Werkstoff als Multitalent. Der Metallschwamm (eben­falls herstellbar aus verschiedenen Metall­pul­ vern) bietet mit seiner einstellbaren Porosität und seiner Stabilität für den Architekten und Designer eine Vielzahl von Gestaltungsmöglichkeiten. Als Beispiele seien hier Lüftungsgitter mit filternden und schalldämmenden Eigenschaften, optische Effekte mit Beleuchtungselementen oder auch die Verwendung als Trennwand in Innenräumen genannt. In der chemischen und der Automobilindustrie schätzt man dieses Material wegen seiner hohen inneren Oberfläche und dem geringen Druckverlust als Katalysatorträger. Durch diese Vorteile trägt das Material auch zur Einsparung von CO2 Emissionen bei und kann wegen seiner guten Recyclingeigenschaften als ausgesprochen umweltfreundlich bezeichnet werden.

hollomet GmbH Grunaer Weg 26 01277 Dresden Deutschland Wolfgang Hungerbach [email protected] Tel. +49 (0)351 / 2 58 43 05 Fax +49 (0)351 / 2 58 45 80 26 7 [email protected] www.hollomet.com

Nolte AirMaxx

formvielfalt

AirMaxx ® Leichtigkeit gewinnt!

BEGEISTERUNG GESTALTEN MIT INNOVATIVEN MATERIALIEN

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AirMaxx  ist ein neuer leichter Premium-Holzwerkstoff, der durch den Einsatz von Styropor­ kugeln in der Mittelschicht produziert wird. Im Vergleich zu herkömmlichem Spanplatten ist AirMaxx  rund 30 % leichter, so dass sich das Material für alle eignet, die modernes Design und Leichtigkeit verbinden wollen. AirMaxx®-Platten lassen sich beschichten und verarbeiten, wie man es von einer Spanplatte gewohnt ist. Das ist ihr großer Vorteil gegenüber Wabenplatten und anderen Leichtbauwerkstoffen, der sie für einen vielseitigen Einsatz prädestiniert. Sie finden AirMaxx  in Möbeln, Arbeitsplatten oder im Schiffs- und Caravanbau.

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- Gewichteinsparung von bis zu 30 % gegenüber normalen Spanplatten - Ressourcenschonende Herstellung - Verarbeitung ohne Zusatzinvestitionen auf gängigen Anlagen - Beschichtung mit Melamin, Folie und Schichtstoff - Postforming, Fräsen oder Sägen wie gewohnt - Ideal für Mitnahmemöbel und Objekt-/Messebau

Harzgetränkte Papierwabenstrukturen aus dem Innenausbau, technische Metallgewebe aus Akustik und Architektur, luftige Schaumstrukturen aus Aluminium oder extrem leichte Edelstahl-Hohlkugeln aus dem pharmazeutischen Bereich: Die Angebotspalette ist vielfältig und zeigt das enorme Potenzial für die verschiedensten Materiallösungen aus anderen Themenbereichen für den Messe- und Ausstellungsbau. Die Wahl des Werkstoffs für den Messestand wird für Ihre Markenaussage immer bedeutender. Nachhaltige Leichtbauwerkstoffe, die sich auf einfache Weise wiederverwenden oder recyceln lassen, stehen für die verantwortungsvolle Haltung gegenüber unserer Umwelt, der sich kein Unternehmer mehr entziehen kann. Wir von formvielfalt gestalten für unsere Kunden weltweit innovative und nachhaltige Messeauftritte. Leichtbaumaterialien aus „artfremden“ Anwendungen bieten den passenden Rahmen auch für Ihren Messeauftritt. Wir nutzen den entstehenden Freiraum zur Entwicklung der Markenaussage für Ihre einzigartige Messearchitektur.

Nolte Holzwerkstoff GmbH & Co. KG Konrad-Nolte-Straße 40 76726 Germersheim Deutschland

formvielfalt GmbH Albert-Einstein-Straße 1 64823 Groß-Umstadt Deutschland

Bernd Einfeldt Tel. +49 (0) 7274 / 9 47 0 273 Fax +49 (0) 7274 / 9 47 0 279 [email protected] www.rheinspan.de

Thea Riemann Tel. +49 (0) 60 78 / 9 30 6 0
 Fax +49 (0) 60 78 / 9 30 6 78
 [email protected] www.formvielfalt.de

140 multifunktionsMaterialien

Biomimetische Materialien…144 — Farb- und transparenzverändernde Materialien…145 — Schmutzabweisende Oberflächen…146 — Elektround magnetorheologische Flüssigkeiten…147 — Phasenwechselmaterialien (PCM)…148 — Lehm…150 — Moos…150 — Zeolithe…152 — CO2-speichernde Materialien…153 — Duftmikrokapseln…154 — Nano­titandioxid…154 — Nanosiliziumdioxid…155 — ­Nanosilber…156 — Nanogold…157 — Nanopapier…158 — Selbstheilende Materialien…159

— 06 —

141 multifunktionsMaterialien

142 multifunktionsMaterialien

Bakterien abtötende Oberflächen für medizinische Anwendungen, klimabeeinflussende Phasenwechselmaterialien, auf Körperwärme reagierende Textilien oder transparenzverändernde Glasscheiben: Schon in den vergangenen Jahren war zu beobachten, dass die Neuentwicklungen der Materialhersteller und Wissenschaftler, neben der materiellen Komponente nach dem traditionellen mechanischen Verständnis, auch immer eine virtuelle, weil intelligente, eine reaktive Seite aufweisen. Vorangetrieben durch die Nanotechnologie und die Bionik werden Materialien mit einer ganzen Reihe funktionaler Mehrwerte möglich, die das bisherige Verständnis von Materialität nachhaltig verändern. Multifunktionsmaterialien ersetzen dabei altbewährte Lösungen, die nur mit hohem konstruktivem Aufwand oder großem Energie­einsatz möglich waren. Die Größe von Klimaanlagen, die konstruktive Komplexität eines Fitnessgeräts oder die Notwendigkeit zur Installation eines Küchenabzugs wird sich durch diese neue Material­gruppe maßgeblich verändern. Erste Anwendungen, die sich vor allem durch einen geringen Werkstoff- und Energiebedarf auszeichnen, sind bereits am Markt erhältlich. Auf Oberflächen applizierte Nanotitandioxide oder Moose sind bei der Luftreinigung behilflich, andere Funktionsmaterialien haben wiederum die Eigenschaft, das Treibhausgas Kohlendioxid langfristig zu speichern. Wissenschaftler treiben heute gar ein Thema voran, das vor einigen Jahren noch undenkbar gewesen wäre: Die Entwicklung selbstheilender Materialien.

143 multifunktionsMaterialien

Auf Feuchtigkeit reagierende Betonoberfläche (Quelle: Solid Poetry ®)

Antibakterielle Beschichtung für medizinische Anwendungen (Quelle: Möller Medical)

Im Forschungszweig der Bionik bemühen sich Forscher weltweit seit den 1990er Jahren, biologische Strukturen auf technische Anwendungen zu übertragen und als Vorlage für Konstruktionswerkstoffe zu verwenden. Sind moderne Hochleistungsmaterialien oft auf eine oder wenige Eigenschaften optimiert, weisen biomimetische Materialien meist multifunktionelle Qualitäten auf. Materialkonzepte und Verwendung

Vorbild: Kieselalge Mal sind sie kugelförmig mit gleichmäßig verteilten Öffnungen, mal bestimmt eine strahlenförmige Struktur ihre Geometrie: Kieselalgen. Man kennt heute einige Tausend Arten. Allen gemein ist die Leichtbauweise und gleichzeitig hohe Festigkeit der Schale, die sie vor Feinden schützt und dem Gewicht der Wassersäule entgegenwirkt. Die Struktur muss im Wasser schweben können, um die in das Meerwasser eintreffenden Lichtstrahlen für die Fotosynthese nutzen zu können. So sind in dem gerade einmal ein zwanzigstel Millimeter großen Panzer, dessen Aufbau für technische Anwendungen hochinteressant ist, Poren, Rippen und Waben enthalten. Das enorme Verhältnis zwischen geringem Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit begeistert die Wissenschaft seit einigen Jahren. Am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven haben Forscher beispielsweise die Struktur erfolgreich auf eine Autofelge übertragen, die bei einer hohen Stabilität wesentlich leichter ist als eine herkömmliche Felge und eine bessere Straßen­lage realisieren soll. In einem weiteren Projekt wird ein Gipsersatz zur Therapie von Knochenbrüchen entwickelt. Dieser wird wesentlich leichter als die bisherige Lösung sein und Öffnungen haben, durch die der Arzt Muskeln stimulieren und den Rehabilitationsprozess beschleunigen kann. Vorbild: Perlmutt Perlmutt ist eine optisch sehr auffällige, äußerst zähe und korrosionsbeständige Schicht auf der Innenseite einer Vielzahl von Muscheln und Schnecken. Sie ist ein Verbundmaterial aus Kalziumkarbonat (Aragonitplättchen) und einem geringen Anteil organischer Moleküle. Diese sind zwischen den Mineralschichten angeordnet und wirken wie ein flexibler Kitt, der die harten, aber brüchigen Kalkplättchen zusammenhält. Die Ausbildung von Rissen wird behindert. Bislang ist es der Wissenschaft noch nicht gelungen, den Perlmuttaufbau künstlich herzustellen. Dabei würde sich die Schicht für vielfältige technische Anwendungen eignen. Diese reichen von kratzfesten Autolacken über Knochenersatzmaterialien bis hin zu Beschichtungen für Gebäudekonstruktionen im OffshoreBereich.

144

Eigenschaften Leichtbaupotenziale // poröse Materialstruktur // extreme Festigkeiten // korrosionsbeständig

multifunktionsMaterialien

Nachhaltigkeitsaspekte Leichtbauaspekte gelegte // optimal auf den Einsatzfall aus­ Material­qualitäten

Biomimetische Materialien

Die nach dem Vorbild von Arachnoidiscus konstruierte Felge zeichnet sich trotz Leichtbauweise durch hohe Festigkeit aus, entwickelt für Faserverbundwerkstoffe wie CFK und GFK, nur 4.000 cm³ bei 17 Zoll. (Quelle: Alfred-Wegener-Institut für Polarund Meeresforschung, Foto: C. Ham m)

Vorbild Kieselage Arachnoidiscus japonicus mit radiären und konzentrischen Versteifungen (Quelle: Jan Michels, Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Foto: L. Friedrichs)

Antarktische Diatomeen (Quelle: Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung)

Die besondere Optik einer Perlmuttoberfläche (Quelle: Universität Ulm)

Vorbild: Knochen Vor allem der Aufbau von Knochen, mit seiner an manchen Stellen sehr festen und kompakten und in anderen Bereichen porösen, schwammartigen Struktur, bietet für den Leichtbau erhebliche Potenziale. Denn Knochen sind besonders leicht und halten extremen Belastungen stand. Am Fraunhofer IFAM wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das die innere Struktur und die Dichteverteilung des Knochenmaterials berechnet und die Materialstruktur für ein Bauteil ableitet. Anschließend wird dieses mit einer additiven Technologie, dem Lasersintern, Schicht für Schicht aus Metallpulver aufgebaut.

Links: Strukturaufbau eines Knochens (Quelle: Fraunhofer IFAM) Rechts: Ultraleichter, permeabler Stützverband Cellfix (Armschiene: 62 g, Beinschiene: 165 g) (Quelle: AWI)

Glasfassaden, die bei Sonneneinstrahlung ihre Transparenz und Lichtdurchlässigkeit verändern; Tapeten, die nach Handauflegen die Farbe wechseln, oder Sitzgelegenheiten, die das Gesäß nach dem Aufstehen exakt erkennbar machen. In den letzten Jahren haben Werkstoffe und Materialoberflächen Einzug in unsere Produktwelt gefunden, die auf Umgebungs­einflüsse reagieren und eine „smarte“ weil „intelligente“ Qualität offenbaren. Materialkonzept und Eigenschaften

Ausgestattet mit foto-, thermo- oder elektrochromen Pigmenten, Lacken oder Gelen können Materialien auf Licht, Wärme und elektrische Spannung reagieren. Zu den typischen Materialien mit thermochromen Eigenschaften zählen anorganische Metalloxide (zum Beispiel Zinkoxid, Vanadiumoxid), Polymerblends oder Flüssigkristalle, die beim Erwärmen nicht direkt vom kristallinen in den flüssigen Zustand übergehen. Vor allem thermotrop schaltende Hydrogele für den Sonnenschutz sind Gegenstand aktueller Forschungsprojekte. Lacksysteme und Pigmente mit thermochrom wirkenden Qualitäten sind schon seit längerem am Markt verfügbar. Sie sind in Pulverform oder flüssig erhältlich und können leicht auf die meisten Werkstoffoberflächen aufgetragen werden.

145 multifunktionsMaterialien

Nachhaltigkeitsaspekte Verbesserung klimatischer Bedingungen ohne Energieaufwand // Einsparen aufwendiger Steuerungssysteme

Farb- und transparenz­­verändernde Materialien Sie können bei Veränderung der Temperatur ihre Farbe wechseln (Thermochrom Liquid Crystal Technology). Der Hersteller hat sich auf die Formulierung und Mikroverkapselung von Flüssigkristallmischungen und die Entwicklung thermosensitiver Produkte, Pigmente, Tinten und Farben spezialisiert. Typisch ist eine Farbveränderung von Schwarz unterhalb der Reaktionstemperatur durch die Farben des Regenbogens, beginnend mit Bräunlich-Rot bis hin zu Blau. Unter UV-Licht kann die Wirkung instabil werden.

Verwendung

Die Anwendungsmöglichkeiten farb- und transparenzverändernder Materialien liegen in der Gestaltung von Mode, Tapeten, Magazinen oder Möbeloberflächen. Thermochrome Glasbeschichtungen verändern unter Einfluss von Licht die Durchlässigkeit für Sonnenstrahlung und stellen sich selbsttätig auf klimatische Bedingungen ein. Eingebracht in Verpackungsfolien können thermochrome Pigmente Kühlmängel bei Lebensmitteltransporten nachweisen. Produkte

Eigenschaften  sich selbst anpassende Lichtdurchlässigkeit // reagieren auf Licht, Wärme oder elektrische Spannung // Anzeichen­ funktion

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Reversacol Fotochrome Farbstoffe reagieren auf UV-Strahlung und verändern reversibel ihre Farbe. Unter der Marke Reversacol wird eine breite Produktpalette mit 20 Standardfarben für Produkte wie Sonnenbrillen, Nagellack, Sportbekleidung oder transparenten Sonnenschutz vertrieben.

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Auf Wärme reagierende Möbel (Quelle: Jürgen Mayer H.)

Dines  Kunstleder von Dines  wechselt bei Dehnung seine Farbe. Solche Werkstoffe sind unter dem Begriff mechanochrome Materialien bekannt.

Touch me - thermosensitive Tapete (Quelle: Prof. Z. Berzina, Foto: N. Cox)

Kunstleder, das unter Dehnung die Farbe verändert (Quelle: Dines France)

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Chromicolor  Dies sind Pigmente, Lacke und Harze mit thermo­ sensitiven Eigenschaften. Unter Einwirkung von Wärme wird das Material transparent. Die Reaktions­temperatur lässt sich einstellen. Thermo­chrome Harze können mit den üblichen Formmassen vermischt und zu Kunststoff­ bauteilen verarbeitet werden. Der Effekt bleibt auch unter Einwirkung von UV-Strahlung stabil.

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LCR Hallcrest Flüssigkristalle sind chemische Verbindungen mit den mechanischen Qualitäten von Flüssigkeiten und den optischen Eigenschaften von Festkörpern.

146 multifunktionsMaterialien

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Solid Poetry  Unter diesem Namen sind in den Niederlanden Betonsteine entwickelt worden, die bei Regen besondere Strukturen erkennbar werden lassen. Das natürliche Nass enthüllt versteckte Dekorationen auf öffentlichen Plätzen und Fußwegen und sorgt für eine neue Zeichensprache urbaner Qualität.

Auf Feuchtigkeit reagierende Betonoberfläche (Quelle: Solid Poetry ®)

Die Entwicklung von wasser-, fett- und ölabweisenden Oberflächen begann mit der Entdeckung des Lotuseffekts durch Wilhelm Barthlott im Jahr 1992. Er fand heraus, dass nicht glatte Oberflächen die Anhaftung von Schmutzpartikeln verhindern, sondern eine Rauigkeit im Mikro- bzw. Nanobereich.

Eigenschaften  hydrophob (wasserabweisend) // lipophob (fettabweisend) // oleophob (ölabweisend) Nachhaltigkeitsaspekte  Reduzierung von intervallen durch selbstreinigenReinigungs­ den Effekt // verlängerte Lebensdauer der Oberflächen

Materialkonzept und Eigenschaften

Durch die Rauigkeit der Oberfläche wird die Kontaktfläche des Materials minimiert, so dass Wassertropfen, Fett oder Öl nicht haften bleiben. Hydrophobe Oberflächen haben einen Kontaktwinkel von mehr als 90° und fördern die Tropfen­ bildung. Schmutzpartikel können in der Folge leicht abgewaschen werden. Mittlerweile lassen sich schmutzabweisende Eigenschaften künstlich durch Beschichtung (zum Beispiel mit Silanen) oder durch besondere Strukturierungen herstellen. Im Gegensatz zu hydrophoben Oberflächen werden auf hydrophilen Oberflächen Flüssigkeiten nicht abgestoßen, sondern als dünner Film auf der Oberfläche verteilt.

Schmutzabweisende Oberflächen Funktionsweise hydrophober und hydrophiler Oberflächen nach Handbuch für technisches Produktdesign Hydrophile Beschichtung

Hydrophobe Materialoberfläche

Wasserfilm

UV Hydrophobe Beschichtung

Tropfenbildung

Photokatalytische Beschichtung UV Wasserfilm + Zersetzung von organischem Schmutz Hydrophobe Materialoberfläche

Durch die UV-Strahlen des Tageslichts werden organische Verschmutzungen zersetzt und die Oberfläche hydrophil gemacht (links). Regen verteilt sich auf der Oberfläche und beseitigt die zersetzten Rückstände und mineralischen Staub (rechts).

Verwendung

Schmutzabweisende Oberflächen werden überall dort verwendet, wo kurze Reinigungszyklen vorteilhaft sind. Mit hydrophoben Qualitäten ausgestattete Glaswerkstoffe finden vielfältige Verwendung in Dachkonstruktionen und beim Fassadenbau. Auch bei Duschkabinen, Wintergärten und Fahrzeugscheiben können die Beschichtungssysteme ihre Wirkung voll ausspielen.

147 multifunktionsMaterialien

Produkte

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Pilkington Activ Das Glas mit selbstreinigenden und hydrophilen Eigenschaften ist mit einer 50 nm dünnen Nanotitandioxidbeschichtung versehen. Es ist in Stärken zwischen 3 und 10 mm erhältlich.

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Nanotol Diese Beschichtung von CeNano  stattet Materialoberflächen mit fett- und schmutzabweisenden Eigenschaften aus. Sie enthält keine organischen Lösungsmittel und ist daher für Anwendungen im Innen- und Außenbereich geeignet. Nanotol  lässt sich auf die unterschiedlichsten Werkstoffe aufbringen und wurde für lackierte Oberflächen, faserverstärkte Materialien oder Textilien optimiert.

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Keramischer Wandbelag als Ersatz für Fliesen in Nassräumen (Quelle: Marburger Tapetenfabrik, Evonik Degussa)

Schmutz- und wasserabweisender keramischer Wandbelag (Quelle: Marburger Tapetenfabrik; Design: Sylvia Leydecker)

Elektro- und magnetorheologische Flüssigkeiten können durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes in ihren Eigenschaften beeinflusst werden und reagieren durch unmittelbare und stufenlose Steuerung der Viskosität zwischen flüssig und fest. Dieses Verhalten lässt sich für die Ansteuerung von Kupplungen, Bremsen oder Ventilen nutzen.

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ccflex  ccflex  ist ein keramischer Wandbelag mit wasserabweisenden, chemisch resistenten und feuerbeständigen Eigenschaften. Als eines der ersten Gebäude wurde das Forschungszentrum der Evonik Degussa Creavis in Marl mit dem NanoKeramik-Wandbelag ausgestattet, der vor allem in Nassräumen in Konkurrenz tritt zu handelsüblichen Fliesen.

Glas mit selbstreinigender und hydrophiler Oberfläche (Quelle: Pilkington)

Eigenschaften  reagieren auf elektrische und magnetische Felder // veränderliche Viskosität hervorgerufen durch polarisierbare Mikropartikel Nachhaltigkeitsaspekte  Verringerung des Aufwands mechanischer Steuerung // material­ effiziente Konstruktionen

Aufbau eines Ferrofluids Partikel in unpolarem Lösungs­­ mittel suspensierbar

Partikel in polarem Lösungs­m ittel suspensierbar

Elektro- und magnetorheologische Flüssigkeiten

Materialkonzept und Eigenschaften

Zunächst ungeordnete polarisierbare Mikro­ partikel innerhalb einer nicht leitenden Träger­ flüssigkeit richten sich unter Einfluss des elektrischen bzw. magnetischen Feldes aus und bilden Ketten. Infolgedessen erhöht sich der Fluss­ widerstand der Flüssigkeit. Magnetorheologische Flüssigkeiten können sich sogar verfestigen. Nach Entfernen des Feldes fallen sie zusammen, die Dünnflüssigkeit ist wieder hergestellt. Auch Ferrofluide beinhalten magnetisierbare Partikel. Diese sind jedoch kleiner als 10 nm, wodurch sich im Gegensatz zu magnetorheologischen Flüssigkeiten die Viskosität im Magnetfeld nur minimal verändert. Charakteristisch ist die Ausbildung von Spitzen und igelartigen Strukturen bei besonders hohen Feldstärken. Diese nennt man auch Rosensweiginstabilitäten.

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Verwendung

Sowohl Ferrofluide als auch magneto- bzw. elektrorheologische Flüssigkeiten werden in der Technik als Teilkomponenten eines Systems verstanden. Sie finden Einsatz als Schwingungsdämpfer in Kupplungen, Bremsen, Motorlagern und Stoßdämpfern und ermöglichen schaltbare Ventile. Zudem werden Ferrofluide in Computerfestplatten und Lautsprecherboxen zur Kühlung und Dämpfung genutzt. In der Medizin unterstützen sie das Einbringen von Wirkstoffen bei Chemotherapien, so dass Patienten wesentlich schonender behandelt werden können. Die gezielte Veränderbarkeit der Viskosität und Dichte wird im Bergbau zur Materialtrennung von Festkörpern genutzt. Außerdem können magnetorheologische Flüssigkeiten beim Bau erdbebensicherer Gebäude und Brücken Verwendung finden. Beschichtungssysteme mit Ferrofluiden sind auch zur Strahlenabsorption in der Luftfahrt im Einsatz. Weitere Anwendungsfelder reichen von Kunstherzen über die Messtechnik bis hin zur Bildhauerei. In der Optik können die Partikel in der Flüssigkeit gezielt zur Lichtbrechung eingesetzt werden.

Entwicklung und den Vertrieb von industriellen Produkten und Systemen konzentriert, deren Funktionsweise auf elektrorheologische Flüssigkeiten (ERF) zurückgeht. Produktbeispiele sind Dämpfer, Kupplungen und Aktuatoren. Bei Automobilstoßdämpfern können ERF gleichzeitig Komfort und Sicherheit bieten. Denn im Bruchteil einer Sekunde wird die Dämpfwirkung an die entsprechenden Gegebenheiten angepasst. Somit kann das Fahrwerk ideal auf Geschwindigkeit und Straßenbelag abgestimmt werden. Auch bei Fitnessgeräten lässt sich der Effekt nutzen. Hier ersetzt der elektrorheologische Dämpfer den Gewichtsstapel und sorgt für eine individuelle Anpassbarkeit des Trainingsprogramms an die Anforderungen des Sportlers. Ferrotec Zu Testzwecken vermarktet die Ferrotec GmbH ein Schulungspaket mit einer 50-ml-Flasche Ferrofluid, einem Schauglas mit einem Spezial­ ferrofluid und einer Kontrastflüssigkeit sowie Magneten, einer Spritze, Pipetten und Aluminiumschalen, um die besonderen Eigenschaften kennenzulernen.

Produkte

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Fitnessgerät auf Basis einer elektrorheologischen Flüssigkeit (Quelle: Fludicon)

Bekannt sind sie als Hand- und Taschen­ wärmer: Phasenwechselmaterialien (PCM), die beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand Wärme an die Umgebung abgeben können. Seit einigen Jahren haben Wissenschaftler an neuen Anwendungen im Bau­gewerbe geforscht. 2009 waren PCMProdukte für den Deutschen Zukunftspreis nominiert. Materialkonzept und Eigenschaften

Mikroskopisch kleine Kunststoffkügelchen, in deren Kern ein Speichermedium aus Wachsen enthalten ist, wirken auf das Innenraumklima ein, indem sie starken Temperaturschwankungen wie einer sommerlichen Überhitzung oder einem starken winterlichen Temperaturabfall

RheOil Die Fludicon GmbH bietet die weltweit einzige kommerziell verfügbare elektrorheologische Flüssigkeit an. Das Unternehmen hat sich auf die

Aufbau einer elektrorheologischen Flüssigkeit nach Fludicon

Eigenschaften  Mikrokugeln mit Wachsen // natürliche Klimatisierung // Schalt­ temperaturen: 23 °C, 26 °C // Wärmespeicher­ kapazität: 110 kJ/kg Nachhaltigkeitsaspekte  angenehmes und gesundes Raum­ klima // energieeffiziente Klimatisierung // optimierte Wärmedämmung

Phasenwechselmaterialien (PCM)

entgegenwirken. Steigende Temperaturen sorgen für das Schmelzen des Wachses, Wärme wird aufgenommen. Sinkt die Temperatur, kommt es zu einem gegenläufigen Prozess. Das Wachs erstarrt und Wärme wird freigesetzt. Zum Einsatz im Baubereich wird der Schmelzpunkt durch eine Mikroverkapselung flexibel auf den Einsatzbereich abgestimmt. Schalttemperaturen von 23 °C oder 26 °C sind am Markt verfügbar. Die Wärmespeicherkapazität liegt dauerhaft bei 110 kJ/kg. Anwendung und Verarbeitung

Latentwärmespeicher können in die unterschiedlichsten Baustoffe wie Spanplatten, Wandputze, Gips oder Bauplatten integriert werden und haben positiven Einfluss auf das Raumklima. In der Folge wird der Aufwand für Klimaanlagen deutlich reduziert, so dass sich die Mehrausgaben für das Baumaterial nach Berechnungen des Herstellers bereits nach fünf Jahren amortisiert haben. Es wird von einer Mindestlebensdauer von 30 Jahren ausgegangen. Fraunhofer-Forscher entwickeln derzeit eine mit PCM ausgestattete Tasse, um den Genuss eines Heiß- oder Kaltgetränks in der richtigen Temperatur zu ermöglichen.

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Lebast  ist eine mit PCM-Wachsen ausgestattete Lehmbauplatte, die mit einer geringen Plattenstärke (14/22 mm) in der Lage ist, die Wärmespeicherkapazität um ein Vielfaches zu erhöhen und Gebäude im Sommer vor Überhitzung zu schützen. Die Oberfläche der Lehmbauplatten weist eine stetig ausgeglichene Temperatur auf.

Gips-Maschinenputz mit PCM (Quelle: Saint-Gobain Weber)

Mikroskopaufnahme von PCM im Putz (Quelle: BASF Pressefoto)

Produkte

Vor allem bei Skibekleidung versucht man in aktuellen Entwicklungen, den Sportler durch den Einsatz von Latentwärmespeichern vor Kältespitzen zu schützen. Im Baubereich ist schon eine ganze Reihe von PCM-Produkten unter verschiedenen Marken erhältlich:

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Das PCM SmartBoard ist eine mit Phasenwechselmaterialien ausgestattete Gipsbauplatte für den Trockenbau, die bei einer Dicke von 1,5 cm eine Wärmespeicherkapazität aufweist, die vergleichbar ist mit der einer wenigstens 14 cm dicken Betonschicht bzw. einer 36,5 cm dicken Hochlochziegelwand.

Putz mit integrierten PCM (Quelle: DZP)

Gips-Maschinenputz mit PCM (Quelle: Saint-Gobain Weber)

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maxit clima 26  bezeichnet einen Gips-Maschinenputz mit temperaturregulierender Wirkung, der für die Direktverarbeitung auf der Baustelle und als Trockenmörtel geeignet ist. Integriert man 30 Prozent PCM in eine 3 cm dicke Putzschicht ist die Wärmespeicherkapazität vergleichbar mit einer 18 cm dicken Betonwand oder einer Ziegelwand mit einer Stärke von 23 cm. Eingebracht in den grünen Porenbeton CelBloc Plus wird der Austritt von Wärme durch den Stein behindert und geringere Temperaturschwankungen an der inneren Wandoberfläche erzeugt. Das Baumaterial bietet zudem gute Wärme-, Brandund Schallschutzeigenschaften sowie positive baubiologische Eigenschaften zur Regulierung der Luftfeuchtigkeit.

Team Germany, Solar Decathlon 2007 unter Verwendung von Phasenwechselmaterialien (Quelle: TU Darmstadt)

„Wohlauf, lasst uns Ziegel streichen und brennen … und eine Stadt und einen Turm erbauen, dessen Spitze bis an den Himmel reiche.“ Der aus der Bibel bekannte „Turmbau zu Babel“ zeigt, dass Lehm seit Jahrtausenden verwendet wird und selbst Potenziale zur Errichtung von hohen Gebäuden hat. Aufgrund der leichten Verfügbarkeit und Verarbeitbarkeit sowie der angenehmen klimatischen Bedingungen in Lehmgebäuden erlebt das Material aktuell eine Renaissance. Materialkonzept und Eigenschaften

Lehm ist ein sehr guter Wärmespeicher, der dazu neigt, Feuchtigkeit auf- und wieder abzugeben. Dadurch hat der natürliche Baustoff eine stabilisierende Wirkung auf das Raumklima. Im Sommer werden Räume gekühlt, im Winter verhindert das Material das Austrocknen der Umgebungsluft. Zudem filtert Lehm Gift- und Geruchsstoffe aus der Luft heraus und wirkt abweisend gegen Schädlingsbefall. Seine Schallschutzqualitäten sind bemerkenswert. Dass bei der Aufbereitung nur sehr wenig Primärenergie benötigt wird und der Werkstoff recycelt werden kann, sind weitere Qualitäten, die Lehm als nachhaltigen Bauwerkstoff prädestinieren. Anwendung und Verarbeitung

Die Verarbeitung von Lehm ist einfach und preiswert. Entweder werden vorgefertigte Lehmziegel bzw. Lehmbauplatten genutzt oder das natürliche Material wird mit Stampfgeräten in eine Holzverschalung eingeformt. Da der Werkstoff nicht dauerhaft Feuchtigkeit ausgesetzt werden kann, wird er in der Regel mit einer Schutzschicht verputzt oder durch eine Außenverkleidung vor feuchten Witterungseinflüssen geschützt. Aufgrund der ökologischen Qualitäten wurde in den letzten Jahren eine ganze Reihe von Gebäuden mit dem Material errichtet.

Turm zu Bhaktapur (Quelle: Atelier Rang)

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Eigenschaften  Aufnahme und Abgabe von Feuchtigkeit // stabilisierende Raumklimawirkung // hohe Wärmespeicherkapazität // schalldämmend // Filterung von Gift- und Geruchsstoffen // schimmelresistent Nachhaltigkeitsaspekte natürliches material // positiver Einfluss auf Raum­ Bau­ klima // recyclingfähig //hautfreundlich und schadstofffrei

Lehm Lehm-Projekt „Der Turm zu Bhaktapur“

In einer Zeit, in der im deutschen Baugewerbe Ziegel aus Holland und Polen, Zement aus Spanien, Stahl und Marmor aus Indien, Aluminium aus Brasilien, Holz aus Kanada und tropischen Regenwaldgebieten importiert werden, scheint die Nutzung lokaler Baumaterialien und lokales Recycling einer der kommenden Trends zu sein, um einen nachhaltigen Umgang mit den Materialressourcen herbeizuführen. So erklärte Roy Antik (Development Manager Sustainability im schwedischen Baukonzern Skanska) im Oktober 2009, Skanska plane in den kommenden Jahren den Energie- und Ressourcenverbrauch um 50 Prozent zu reduzieren. Unter ähnlichen Gesichtspunkten hat das Atelier Rang aus Frankfurt ein sehr interessantes Bauvorhaben unter Verwendung lokalen Lehms aus dem Aushub des Baugrundes für einen Turm in Nepal durchgeführt. Beim Bau des „Turms zu Bhaktapur“ wurde aber nicht nur das Ziel verfolgt, die Baumaterialien vollständig aus dem Baugrund zu gewinnen, sondern man setzte vor allem auch auf die Begegnung hessischer Baukultur mit der jahrhundertealten Handwerkskunst der Newars. So wurden Formen Frankfurter Ziegel nach Nepal exportiert, das Baumaterial aber lokal hergestellt. Selbst der Bambus für das Gerüst wurde aus einem Hain in Bhaktapur geschlagen. Das von den Architekten als „Ziegelskulptur“ beschriebene Gebäude könnte Pate stehen für das Aufleben von aus örtlichem Lehm gebrannten Ziegeln. Parallelen mit der Architekturgeschichte Hamburgs oder Amsterdams gibt es viele.

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Ait Benhaddou in Marokko mit Wänden aus faserverstärktem Lehm.

Lehmputz (Quelle: Hock ProCrea)

Lehmbauelemente (Quelle: Hock ProCrea)

Grüne Dachflächen, mit Pflanzen bewachsene Fassaden und begrünte Innenräume zählen aktuell zu den beliebtesten Gestaltungsmitteln der zeitgenössischen Architektur. Vor allem Moose, die man außerhalb ihrer natürlichen Umgebung sogar in den Mauer- und Pflasterfugen alter Gemäuer vorfindet, kommen zum Einsatz, da sie sich bestens zur Absorption gesundheitsschädlicher Feinstäube eignen.

Eigenschaften  Aufnahme von Feinstpartikeln aus der Luft // ohne Wurzeln // Wasser­ speicherkapazität // stabilisierende Raumklimawirkung Nachhaltigkeitsaspekte Absorptionsmöglichkeit für Feinstaub // natürliches Raumklima // schalldämmende Qualitäten

Materialkonzept und Eigenschaften

Anders als Blütenpflanzen haben Moose keine Wurzeln und nehmen Nährstoffe aus der Luft auf. Dies erlaubt es ihnen, auf Felsen und Dächern zu wachsen. Mit ihrer extrem großen Oberfläche können sie die Partikel elektrostatisch binden und dann durch Stoffwechselprozesse in Pflanzenmasse umwandeln. Die Nährstoffversorgung bei Außenanwendungen ist auf diese Weise für längere Zeiträume gesichert. Organische Teile des Feinstaubs werden zudem von Bakterien aufgenommen, die auf den Moosen leben. Durch die hohe Wasserspeicherkapazität tragen Moose in Innenräumen zur Verbesserung des Raumklimas bei.

Moos

Anwendung und Verarbeitung

Zur Nutzung der Feinstaub bindenden Qualitäten haben einige Unternehmen Moos tragende Matten auf den Markt gebracht. Diese sind vielseitig einsetzbar und eignen sich besonders für Straßenränder, Lärmschutzwände und Dächer. Moosmatten werden als Rollenware geliefert,

Installation „Mossy Hill“ (Quelle: Makoto Azuma)

Installation „Time of Moss“ (Quelle: Makoto Azuma)

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abgelängt und mechanisch befestigt. Aufgrund des geringen Eigengewichts müssen keine statischen Zusatzelemente installiert werden. In Innenräumen wird für Raumteiler oder zur Wandbegrünung eine Bewässerung benötigt. Produkte

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Enka  -Moss Diese Moosmatte besteht aus einer Filamentstruktur, Moossprossen und einem Speichervlies. Feinstaub wird in den Moosen festgehalten und entweicht auch bei trockenem Wetter nicht wieder in die Umgebung. Installation „Mossy Hill“ (Quelle: Makoto Azuma)

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Terramac  Dieses Abstandsgewebe eignet sich hervorragend für Moosinstallationen im Innenraum. Es besteht aus dem Biopolymer PLA und wird aus natürlicher Biomasse gewonnen.

Zeolithe sind Mineralien mit einer regelmäßigen inneren Hohlraumstruktur und einer porösen Oberfläche. Unter Wärmeeinfluss geben sie Wasser ab, scheinen zu sieden und schmelzen letztlich zu einer weißen Glasperle. In der Natur existieren unterschiedliche Zeolithstrukturen. Nach der Art der inneren Geometrie teilt man sie in Blätter-, Faser- und Würfelzeolithe auf.

Moosmatteneinsatz im City Parkhaus Heilbronn (Quelle: Xero Flor International, Wiedemann + Schweizer Landschaftsarchitekten)

Eigenschaften  hohe innere Oberfläche // poröse Struktur // hohe Feuchteaufnahmekapazität // Abgabe nach Wärmezufuhr Nachhaltigkeitsaspekte Filtermaterial // Bindung schlecht riechender Substanzen // Verbesserung des Raumklimas

Zeolithe Der gebrochene Naturstein ist Klinoptilolith, ein hochreiner Naturzeolith, der aus abgeschreckten vulkanischen Gläsern entsteht. Er wird in der Landwirtschaft, im Teichbau, zur Zementherstellung und in der japanischen Papierherstellung genutzt. (Quelle: Claudia Arnold)

Materialkonzept und Eigenschaften

Strukturell bestehen Zeolithe aus SiO4- und AlO4-Tetraedern, die in abwechselnder und sich wiederholender Reihung angeordnet sind. Aufgrund der vielen Poren, Kanäle und Raumstrukturen weisen Zeolithe eine sehr große innere Oberfläche auf. Diese erreicht Werte von über 1.000 m2 pro Gramm. Dadurch können Zeolithe

bis zu 40 Prozent ihres Trockengewichts an Wasser und anderen Flüssigkeiten auf einfache Weise aufnehmen und diese nach Zufuhr von Wärme wieder abgeben. Die Regenerationstemperatur liegt in der Regel zwischen 250 und 400 °C. Dabei bleibt die innere Struktur erhalten, der Vorgang ist reversibel.

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Verwendung

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Der kugelförmige synthetische Zeolith ist ein extrem hygroskopisches Feintrocknungsmittel und zum Beispiel in Isolierglasfenstern enthalten. (Quelle: Claudia Arnold)

Das Entweichen von gebundenem Kohlendioxid in die Atmosphäre durch Verbrennen fossiler Energieträger gilt als einer der Hauptgründe für die Veränderung des Weltklimas. Etwa 60 Prozent des vom Menschen verursachten Treibhauseffektes gehen auf Kohlendioxidemissionen zurück. Mittlerweile sind Forscher auf der ganzen Welt damit beschäftigt, Möglichkeiten zur Speicherung von freiem CO ² zu finden.

Mit ihren besonderen, Flüssigkeiten speichernden Eigenschaften eignen sich Zeolithe vor allem als Trocknungsmittel. In Waschmitteln werden sie zur Wasserenthärtung eingesetzt. Sie eignen sich zudem für die Bindung schlecht riechender Flüssigkeiten und werden in Wasserfiltern genutzt. In der chemischen Industrie sind Zeolithe vor allem als Katalysatormaterial zur Spaltung organischer Moleküle interessant. Auch werden sie für die Trocknung von Gasen genutzt.

Eigenschaften  Kohlendioxidbindung in: Zement // Olivin // Algen Nachhaltigkeitsaspekte  Reduzierung des CO²-Gehalts der Umluft

Materialkonzept und Eigenschaften

Wissenschaftler in Kalifornien arbeiten derzeit an einer Methode, die Kohlendioxidemission eines Kraftwerks in Zement zu überführen. Plan ist, einen Teil des frei werdenden Kohlendioxids abzuzapfen und durch Meerwasser zu leiten. Mit dem im Wasser gelösten Magnesium und ­Kalzium entstehen Karbonate. Der Vorgang ist mit dem chemischen Prozess vergleichbar, der für das Wachstum von Korallen sorgt. Anschließend soll die Abwärme des Kraftwerks genutzt werden, um das entstandene schlammige Material zu Klinker zu trocknen und zu Zement zu verarbeiten. Jede Tonne Zement würde dauerhaft eine ­halbe T ­ onne CO2 binden. Durch Beimischen von ­Olivin, einem grün schimmernden Silikat-Mineral, das man von der Herstellung hitzebeständiger Gläser kennt, könnte der Effekt noch gesteigert werden. Niederländische Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Olivin CO2 absorbieren kann. Als Bestandteil von Beton könnte es also helfen, den Treibhauseffekt zu reduzieren. Einen anderen Weg geht man bei der Verwendung von Mikroalgen in mehreren deutschen Pilotanlagen. Algen wandeln Kohlendioxid durch Fotosynthese in organische Verbindungen um. Die gewonnene Biomasse könnte zu Baustoffen, als Futter für Rinder oder zur Gewinnung von BioDiesel genutzt werden. Es ließe sich bei gleicher Anbaufläche aus Algen wenigstens 50-mal so viel Treibstoff erzeugen wie aus Raps.

CO2-speichernde Materialien

Bitumenmatte mit integriertem Olivin-Granulat

Grün schim merndes Silikat-Mineral Olivin (Quelle: Hannes Grobe, Alfred-WegenerInstitut für Polar- und Meeresforschung)

Produkte

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ProClimate  ProClimate  ist eine feuerfeste und wasserdichte Dachbeschichtung, die Bitumen, eine PolyesterVerstärkung sowie Olivin-Granulat enthält.

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Neben der Fähigkeit zur Speicherung von CO2 verleiht das Mineral den Dachbahnen eine grüne Farbigkeit. Die Lebensdauer beträgt 25 Jahre.

Autoledersitze riechen nach Mandelöl, Rasierklingen nach Zitrone und Matratzen nach Aloe Vera. Möglich wird dieser Effekt durch winzig kleine Kapseln, die mit dem Auge fast nicht wahrnehmbar sind.

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Eigenschaften  Träger für unterschiedliche Substanzen // Größe im Mikrometerbereich // transparent // Verarbeitung in Spray oder Lacken Nachhaltigkeitsaspekte Anzeichenfunktion ohne aufwendige Elektronik

Materialkonzept und Eigenschaften

Mikrokapseln haben einen Durchmesser zwischen einigen Hundert Nanometern und einem Millimeter. Sie sind meist transparent und können mit den unterschiedlichsten Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen befüllt werden. Kapseln mit poröser Nanohülle geben den Inhalt über Monate hinweg in gleichbleibender Konzentration ab. Bei starr ausgeführter Kapselwand tritt der Effekt erst zutage, nachdem Druck aufgebracht wurde, der die Kapsel zerstört. Duftmikrokapseln erfüllen Funktionen zur Verbesserung der Raumluft oder zum Anzeigen des aktuellen Materialzustands. Sie werden in Beschichtungen integriert, auf Textilien gesprüht oder mit Lacken auf Metalloberflächen aufgetragen. Grundsätzlich lassen sich Mikrokapseln so verarbeiten wie trockenes Pulver.

Duftmikrokapseln

verwendung

Duftmikrokapseln sind bereits seit den 1970er Jahren bekannt. Damals fanden sie Verwendung in der kohlefreien Beschichtung von Durch-

Mikrokapseln zur Aufnahme unterschied­ lichster Substanzen (Quelle: BRACE GmbH Chemie-Plastics-Ésthetiques-Data System)

Titandioxid ist als klassisches Weißpigment bekannt. Doch verringert man die Dimension eines TiO ² -Partikels auf die Größe weniger Nanometer, so kann es eine schmutzauflösende, UV-blockende und geruchsneutralisierende Wirkung haben.

schreibpapier. Durch Fortschritte in der Nanotechnologie konnte das Anwendungspotenzial erheblich erweitert werden. So werden Parfümöle verkapselt, in einem farblosen Lack gemischt und auf CDs oder DVDs gedruckt. Werbeträger erhalten auf diese Weise eine neue kommunikative Dimension. Durch Behandlung von Leder und Möbelbezugsstoffen werden wohlriechende Innenräume geschaffen. Eingebracht in die Oberfläche einer Rasierklinge, zeigt der Duft an, wann die Klinge abgenutzt ist. Ein ähnlicher Effekt ist in den Verschleißschichten von Werkzeugen realisierbar.

Eigenschaften  schmutzauflösend // wasserabweisend // UV-Licht blockend // Abbau von Gerüchen und Schadstoffen Nachhaltigkeitsaspekte  Abbau von Umwelt­ belastungen in der Luft // Reduzierung intervallen durch selbstreinivon Reinigungs­ genden Effekt // geringerer Wasserverbrauch

Materialkonzept und Eigenschaften

Nanoskaliges Titandioxid wirkt als hochreaktiver Katalysator. Eingebracht in eine Materialoberfläche zersetzt es unter Einwirken von Licht aufliegenden organischen Schmutz und baut in der Luft befindliche Gerüche wie zum Beispiel Fettsäure und Schadstoffe wie Stickoxide, Nikotin oder Formaldehyd ab. Im Rahmen einer „kalten Verbrennung“ wandeln sie sich in unbedenkliche Stoffe und Kohlendioxid um. Dabei verbraucht sich das in Nanodimension transparente Titandioxid nicht selber, so dass die Wirkung jahrelang erhalten bleibt. Verwendung

Der fotokatalytische Effekt von Nanotitandioxid wurde bereits 1967 in Japan entdeckt und seit den 90er Jahren in markttaugliche Anwendun-

Nanotitandioxid gen für Fliesen, Dachziegel und Glasscheiben übertragen. In den letzten Jahren kamen mit nanoskaligem Titandioxid ausgestattete Tapeten, Paravents, Teppiche und Farben für die Verwendung im Innenraum hinzu. Aus dem Baugewerbe ist die Einbindung von Titandioxidpartikeln in Gipsbauplatten bekannt. In mehreren großen Städten (zum Beispiel Mailand) hat man bereits

versucht, die schadstoffabsorbierende Wirkung der Partikel im Straßenasphalt oder in Pflastersteinen für die Reinigung der Außenluft nutzbar zu machen. Eingebracht in Holzschutzmittel kann Nanotitandioxid außerdem das Ausbleichen und Vergilben reduzieren. In Kunststofffolien soll es Lebensmittel vor schädlicher UVStrahlung schützen.

Produkte

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proSolve370e  Im Herbst 2009 wurde erstmals die kommerzielle Anwendung des Abgase abbauenden Fassadenelements proSolve370e  in Perth gemeldet. Die dekorativen Fassadenkonstruktionen sind mit einer Nanotitandioxid enthaltende Beschichtung versehen, die Luftverschmutzungen abbaut. Der Gehalt flüchtiger organischer Verbindungen wird ebenso reduziert wie der von Stickoxiden. Und ganz nebenbei werden mit den ästhetischen Strukturen auch Bausünden der 1970er und 1980er Jahre kaschiert.

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Air Clean   Pflastersteine Dass sich der schadstoffreduzierende Effekt auch auf Betonoberflächen und Pflastersteine übertragen lässt, zeigen die Ergebnisse einer Studie, die das Fraunhofer IME von 2007–2009 in verschiedenen deutschen Orten auf fotokatalytisch wirkenden Musterflächen ermittelt hat. Ergebnis: Fotokatalytisch ausgerüstete Betonprodukte können bei Sonneneinstrahlung zu einer StickoxidReduzierung von bis zu 70 Prozent beitragen.

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Air Clean  Wandfarbe Unter gleichem Namen und mit ähnlichem Effekt für Innenräume wurde eine Farbe auf den Markt gebracht. Untersuchungen belegen, dass sich mit der Farbe nach 24 Stunden 99,9 Prozent aller in der Luft enthaltenen Stickoxide und 65 Prozent der Fettsäuren (Küchengerüche) abbauen lassen.

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duraAir  Dies ist der weltweit erste Teppichboden, der durch Nanotitandioxidpartikelausstattung in der Lage ist, den Innenraum von Gerüchen und schädlichen Formaldehyden zu befreien. Auch Haushalts-, Tier-, Abfall- und WC-Gerüche sowie Zigarettenrauch bzw. Nikotin werden abgebaut. Somit sorgt der Teppichboden für ein gesünderes Raumklima.

Air Clean ® Pflastersteine: Beschleuniger beim Abbau giftiger Stickoxide

NO x organische Schadstoffe NO x Fassadenelement proSolve370e ® mit luftreinigender Titandioxidbeschichtung (Quelle: elegant embellishments ltd.)

Kratzfeste Helmvisiere, hochweiße Fassadenfarben oder brandgeschützte Elektroleitungen: Auch Siliziumdioxid zeigt in Dimensionen weniger Nanometer außergewöhnliche Eigenschaften, die sie für die Entwicklungsabteilungen seit Jahren interessant machen.

bis zu 70 % weniger NOX HNO3

H 2O Nitrate

Eigenschaften  schmutzabweisend // kratz­ fest // feuerfester Korrosionsschutz // hohe Härte // transparente Oberflächen Nachhaltigkeitsaspekte  Verringerung der Verschleißneigung // Verlängerung der Lebensdauer durch brandhemmende Eigenschaften // Erhöhung des Wirkungsgrads von Sonnenkollektoren

Nanosiliziumdioxid Materialkonzept und Eigenschaften

Kratzfester Windschutz aus beschichtetem Polycarbonat (Quelle: Bayer Sheet Europe)

Die Vorteile von nanokristallinen Silizium­ partikeln liegen vor allem in der Erzeugung eines transparenten Kratz- und Korrosionsschutzes für Metall-, Glas- oder Holzoberflächen, der in aller Regel sehr viel härter als normales SiO2 ist und

vor Schäden durch mechanische und thermische Belastungen schützt. Zudem kann der Transmissionsgrad von Glas mit SiO2-Antireflexionsschichten deutlich gesteigert werden. Aufgrund unterschiedlicher Brechungszahlen von Glas und Luft sind Transmissionsverluste von bis zu acht Prozent die Regel.

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Verwendung

Antireflexionsbeschichtungen auf Basis von SiO2-Partikeln werden vor allem bei Glasscheiben für Solarkollektoren und Glasfassaden verwendet. Die Reflexionsverluste verringern sich um zwei bis acht Prozent. Brandschutzgele, in denen nanostrukturierte Siliziumdioxidpartikel als polymere Füllstoffe Verwendung finden, dienen der Steigerung der Hitzebeständigkeit und Optimierung der Flammschutzeigenschaften von Kabelummantelungen, Sicherungskästen oder Steckdosen und werden als brandhemmende Beschichtung auf Holz- oder Kunststoffteile aufgetragen. Sie sind unter dem Namen „Nanoclay“

multifunktionsMaterialien

bekannt. Außerdem verbessern Brandschutzgele deutlich die Feuerfestigkeit von Verglasungen. Im Brandfall entsteht auf der Glasfläche eine formstabile Schaumschicht. Eingebracht in Wandfarben können Nanoquarzpartikel die Neigung zur Verschmutzung deutlich reduzieren. Produkte

Verstärkung der Polymer-Matrix durch das Nano-Partikel-Netzwerk

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Nano-Quarz-Gitter  Die Fassadenfarbe mit Nanoquarzpartikeln verringert die Verschmutzungsneigung deutlich. Die Partikel sind gleichmäßig in einer dreidimensionalen Gitterstruktur verteilt. Das Ankleben von Schmutz, Feinstaub und Sporen wird deutlich verringert. Was sich dennoch kurzfristig an den Fassaden festsetzt, wird durch Wind und Regen von der Oberfläche entfernt. Schutzfunktion und Farbbrillanz bleiben erhalten. Zudem wird die Helligkeit deutlich gesteigert. Aufgrund der einfachen Verarbeitung wird die für den Farbauftrag benötigte Zeit reduziert.

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Aufbau der Nano-Quarz-Gitter ® Technologie

Die antiseptische Wirkung von Silber ist bereits seit 3000 Jahren bekannt. Heute werden Silberfäden in textilen Geweben und Wundauflagen verwendet, um die Ausbreitung von Keimen zu stoppen. Beschichtungen aus nanoskaligem Silber können diese Wirkung bei chirurgischen Instrumenten und Implantaten verstärken.

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AR-hard  Das AR-hard  Verfahren des Fraunhofer IOF dient der Herstellung von Antireflex-Beschichtungen in Dicken zwischen 0,8 und 4 μm mit Kratzfesteigenschaften für optische Kunststoff-

bauteile (zum Beispiel PMMA, PC). In eine Siliziumdioxidschicht SiO2 werden dünne Lagen aus Titandioxid eingebracht. Dank eines hohen Brechungsindizes reflektieren diese den Großteil des ankommenden Lichts, so dass Reflexionen durch Interferenz ausgelöscht werden. Anwendungsbeispiele sind Visiere für Motorrad- oder Feuerwehrhelme. Nicht reflektierende Oberflächen erhöhen zudem die Helligkeit von Leuchtdioden.

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Makrolon  AR Dieses Angebot umfasst ein Plattensortiment mit kratzfester und chemikalienbeständiger Oberfläche auf Basis von Nanosiliziumoxidpartikeln. Die beidseitige Beschichtung erhöht die Haltbarkeit, verbessert die UV-Stabilität und mindert langfristig Trübung und Vergilbung. Die widerstandsfähigen Polycarbonatplatten weisen eine glasähnliche Härte in Verbindung mit der typischen Schlagzähigkeit auf.

Eigenschaften  antibakteriell // keim­ abtötend // Kosten abhängig von Silberpreis Nachhaltigkeitsaspekte Antibakterielle Wirkung

Wirkungsweise von AgPURE ™ bei Schutztextilien

Mikroorganismen

Zerstörte Mikroorganismen Luftfeuchtigkeit

Ag+

Ag+

Beschichtung < 10 μm Folie Spinnvlies

Ag+

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Aerosil  Aerosil besteht aus fein zerteiltem Siliziumdioxid und verbessert die Werkstoffqualitäten technischer Gummiartikel ebenso wie das Rieselverhalten verschiedener Pulver. Es härtet Lacke gegen Kratzer, dient als Poliermittel für Mikrochips, optimiert das Fließverhalten von Zahnpasta und kommt als pharmazeutischer Hilfsstoff zur Anwendung. Anders als das krebserregende Asbest mit seiner nadelförmigen Geometrie weist Aerosil eine abgerundete Struktur auf, von der keine Gefährdung der Gesundheit ausgeht.

Nanosilber

Materialkonzept und Verwendung

Nanosilber unterbricht den Stoffwechsel von Bakterien und Schimmelpilzen und stoppt deren Wachstum und Vermehrung nachhaltig. Eingebracht in Materialoberflächen (zum Beispiel bei Kühlschränken oder Skalpellen) töten Silberionen sogar Keime ab (bis zu 650 verschiedene Bakterienarten), die gegen Antibiotika resistent geworden sind, und verhindern somit lebensbedrohliche Infektionen. Typische Anwendungen sind medizinische Behälter, Haushaltsverpackungen, Geschirr, Textilien, Badarmaturen, Kühlschränke, Waschmaschinen, Zement, Türklinken oder Tapeten. Derzeit ist noch nicht geklärt, welchen Einfluss Nanosilberpartikel auf Gewässer haben können. Deshalb sollen in den USA die Gefahren

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neu bewertet werden. Aktuell befinden sich in Deutschland rund 200 Produkte mit Nanosilberpartikeln auf dem Markt. Ihr Preis ist abhängig vom Silberpreis.

multifunktionsMaterialien

Produkte

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HyProtect Einer der Spezialisten auf dem Gebiet ist das Unternehmen Bio-Gate, das unterschiedliche Materialien mit nanoskaligem Silber ausstattet, um einen langfristigen Schutz gegenüber Bakterien und anderen Krankheitserregern zu erreichen.

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Bioni Hygienic  2008 wurde das Fraunhofer ICT für den antibiotischen Einsatz von Nanosilber in Dispersionsfarben ausgezeichnet. Die in Kooperation mit der Boni CS GmbH entwickelten Farben verhindern nachhaltig die Schimmelbildung und töten sogar den multiresistenten Krankenhauskeim Staphylo­coccus aureus ab.

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AgPURE Das antimikrobielle Additiv AgPURE auf der Basis von elementarem Silber kann die hygienische Wirkung durch Ausrüstung von Fasern, Kunststoffen, Elastomeren und Lacken bei einer Vielzahl von Produkten erhöhen. Uvex sil-Wear 3 B vibatec mit aktiv antibakteriell wirkender Nanosilberbeschichtung im Feuerwehreinsatz (Quelle: UVEX Safety Group GmbH; Foto: Jürgen Petzoldt)

Dass nanoskaliges Titandioxid in der Lage ist, die Umgebungsluft von Schadstoffen und Gerüchen zu befreien, ist schon seit längerem bekannt. Ein australisches Wissenschaftlerteam aus Brisbane hat 2008 den Effekt auch für winzige Goldpartikel in den Beschichtungen von mittelalterlichen Glasfenstern in Kirchen nachgewiesen. Mittelalterliche Gläser waren also eine der ersten Anwendungen der Nanotechnologie.

Reduzierung des Algenaufkom mens durch Nanosilber (Quelle: Boni CS GmbH)

Eigenschaften  Zersetzen von Schadstoffen und Gerüchen // Kosten abhängig von Goldpreis // Steuerung der Wirkung von Medikamenten // Färben von Glaswerkstoffen Nachhaltigkeitsaspekte  Abbau von Umwelt­ belastungen

Materialkonzept und Eigenschaften

Unter bestimmten Lichtbedingungen wird durch die Partikel ein Magnetfeld erzeugt, das Schadstoffe in der Luft und flüchtige Verbindungen aus Farben oder Reinigungsmitteln zersetzt. Das elektromagnetische Feld der Sonnenstrahlen koppelt sich dabei mit den Schwingungen der Nanogoldpartikel und erzeugt eine Resonanzschwingung. Diese verstärkt das Magnetfeld an der Goldpartikeloberfläche bis zum Hundertfachen, so dass organische Schadstoffmoleküle in der Luft aufgebrochen werden. Da der Vorgang

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Nanogold

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bei Raumtemperatur ablaufen kann, ist eine nutzbringende industrielle Verwendung möglich.

Nanogoldpartikeln als Trägermaterialien für diverse Wirkstoffe unter Infrarotlicht genutzt, um eine gezielte Behandlung von Krebs und Aids mit unterschiedlichen Medikamenten in zeitlichen Abständen herbeizuführen und gefährliche Wechselwirkungen zu verhindern. Zudem können Nanogoldpartikel in Wasser aufgelöst und Gläsern eine je nach Partikelgröße rote, purpurne oder blaue Farbe zu dekorativen Zwecken gegeben werden.

Verwendung multifunktionsMaterialien

Nanoskalige Goldpartikel sind als Katalysatoren interessant, um die Kosten sowie die Umweltbelastung von Produktionsprozessen zu senken. Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben Wissenschaftler 2009 zudem erstmals die verschiedenen Schmelzpunkte von

Die Potenziale der Nanotechnologie zur Schaffung neuer Materialeigenschaften werden besonders für Papiere deutlich. Durch Nanostrukturierung von Zellulose wird Papier deutlich reißfester, und mit speziellen Nanobeschichtungen können Papieren und Pappen kunststoff- bzw. metallähnliche Qualitäten gegeben werden.

Eigenschaften  reißfest // schadstoff­ absorbierend //hohe Festigkeiten // hoch­ temperaturfest Nachhaltigkeitsaspekte  verlängerte Lebensdauer // Schadstoffabsorption // Energiespeicher

Materialkonzepte und Verwendung

Reißfestes Nanopapier Eine Möglichkeit zur Herstellung reißfester Papierlösungen kommt vom Royal Institute of Technology aus Stockholm. Ein aus Nanofasern erzeugter Zellulosebrei wird mit besonderen Enzymen behandelt und unter einem Druck von bis zu 1650 bar durch ein sehr feines Gitter gepresst. Nach Vergießen der Masse zu einem dünnen Film erfolgt die Trocknung unter Zugabe von Lösungsmitteln. Es entsteht ein extrem stabiles und sehr dünnes Papier mit einer Zugfestigkeit in der Größenordnung von Gusseisen. Eine Anwendungsmöglichkeit wäre als Trägermaterial für Computerchips. Schadstoffabsorbierendes Nanopapier Am MIT wird derzeit an einem Geflecht aus Nanodrähten gearbeitet, das bis zum 20-fachen des eigenen Gewichts an Verunreinigungen wie Mineralöl aus dem Wasser aufnehmen kann. Dies würde die Bekämpfung von Umweltkatastrophen unterstützen. Da die Nanodrähte auch noch bei sehr hohen Temperaturen stabil bleiben, könnte das absorbierte Öl durch Kondensationsvorgänge aus dem Material rückgewonnen und das Nanopapier wiederverwertet werden.

Nanopapiere Funktionsweise eines stromspeichernden Nanopapiers (Quelle: Rensselaer Polytechnic Institute)

Superkondensator

Batterie

Stromabnehmer

Li-Elektrode MWNTs

Zellulose

RTIL CI–

Stromspeicherndes Nanopapier Forscher des Rensselaer Polytechnic Instituts berichten über das erfolgreiche Bedrucken von Zellulosepapier mit ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen CNT. Das Papier ließe sich als wiederaufladbare Stromquelle (Batterie) nutzen. Als Elektrolyte dient ein flüssiges Salz, das kein Wasser enthält und somit unempfindlich gegenüber Frost oder Austrocknung ist.

N

+

+

—

MWNT = mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren RTIL = ionische Flüssigkeit bei Raumtemperatur

N

+

—

Fahrradschläuche, die Löcher selber verschließen, oder Beschichtungen für Bootsrümpfe, die in der Lage sind, Risse eigenständig zu füllen: Wissenschaftler in aller Welt treiben die Entwicklung von selbstheilenden Materialien voran. Die ersten Substanzen stehen jetzt kurz vor der Markteinführung.

159

Eigenschaften  Schutz vor Korrosion // längere Haltbarkeit Nachhaltigkeitsaspekte  Verlängerung der Betriebsdauer

multifunktionsMaterialien

Materialkonzepte und Anwendung

Am Fraunhofer IPA wurden flüssigkeitsgefüllte Kügelchen mit einem Durchmesser von 200 Nanodimensionen entwickelt, die in die galvanische Beschichtung eines metallischen Karosserieelements eingebracht werden können. Wird die Oberfläche durch einen Riss beschädigt, platzen die Kügelchen auf, die Flüssigkeit mit eingebrachten Chemikalien tritt aus und schützt das Material vor Oxidation (Rost). Um die Lebensdauer von Lagern zu verlängern, können die Nanokugeln auch mit Schmiermitteln befüllt werden.

Selbstheilende Materialien

Korrosion nach der Beschädigung von Bootsrümpfen zu verhindern ist Ziel bei der Verwendung von Mikrokapseln, die einen Zweikomponentenkleber enthalten und in einen Beschichtungswerkstoff integriert werden können. Bei einem Kratzer reißen die Kapseln auf, die Bestandteile vermischen sich und der Kleber härtet aus. Die Lücke wird verschlossen, ehe das hochkorrosive Meerwasser in den Rumpf eindringen kann. Nach erfolgreicher Markteinführung für den Bootsbau soll das Prinzip auf Off-ShoreWindanlagen, Brücken, Pipelines und Bohrinseln übertragen werden. Ein selbstheilender Biobeton, der nach dem Aushärten entstandene Risse verschließt, wird derzeit an der TU Delft entwickelt. Durch in einen Spalt eindringende Feuchtigkeit werden Mikroorganismen zur Produktion von Kalk aktiviert. Das dafür benötigte Hefeextrakt und Pepton werden dem Beton vorher beigemischt. Die Marktreife ist für 2013 geplant.

Flüssigkeit enthaltende Nanokapsel in einer galvanischen Beschichtung (Quelle: Fraunhofer IPA)

Golden Gate Bridge - Brückenbauten sind potenzielle Einsatzfelder für selbstheilende Materialien

160 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Fotovoltaische Materialien…164 — Dünnschichtsolarzellen…165 — Mehrfachsolarzellen…166 — Black Silicon…166 — Grünalgen…167 — Thermoelektrische Materialien…168 — Ferroelektrische Polymere…169 — Licht emittierende und nachleuchtende Materialien…170 — Leuchtdioden (LED)…172 — Organische Leuchtdioden (OLED)…173 — Multitouchfolien…174— Retroreflektierende Materialien…174 — Lichtdurchlässige Materialien…175 — Metamaterialien…176

— 07 —

161 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

162 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Wird der Reduzierung des Energieverbrauchs durch die Verwendung regenerativer Energie von Seiten der Hausbesitzer eine immer größer werdende Bedeutung beigemessen, so sind es vor allem Architekten, die sich an der Entwicklung von nachleuchtenden, lichtdurchlässigen oder gar Licht emittierenden Materialien erfreuen. Während Wissenschaftler an der Nutzung kompletter Hausfassaden als Energiequelle durch Bedrucken mit organischen Farbstoffen fotoelektrischer Wirkung arbeiten, haben flexible Dünnschichtsolarzellen bereits den Weg in Outdoor-Anwendungen und den Modebereich gefunden. Die Mikrostrukturierung von Silizium soll eine beträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrads von Solarzellen bewirken. Ferroelektrische Polymere könnten die Verwendung von Kühlmitteln und Kompressoren in Kühlschränken ersetzen. Von Grünalgen verspricht man sich, diese zukünftig als alternative Energiequelle nutzbar machen zu können. Vor allem im Bereich Licht erzeugender oder beeinflussender Materie hat es in der jüngeren Vergangenheit einige sehr interessante Entwicklungen gegeben. Nachdem ein ungarischer Architekt Beton lichtdurchlässig machte, wurde dieser Effekt nun auch auf Holz übertragen. Durch Einbetten von Mikroglaskugeln in eine Gesteinsmasse wurde an der Universität Kassel retroreflektierender Reflexbeton entwickelt, der als flächiges Leuchtelement oder zur Kennzeichnung von sicherheitsrelevanten Ecken und Kanten genutzt werden soll. Biegsame organische Leuchtdioden werden zudem Wandflächen in Geschäfts- oder Privaträumen sowie die Scheiben von Fahrzeugen und Schaufenstern zukünftig zu frei programmierbaren Monitoren machen.

163 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Waschbecken aus lichtdurchlässigem Beton (Quelle: Robatex)

Nicht zuletzt wegen hochdotierter staatlicher Förderprogramme hat die Fotovoltaik in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Unter dem fotovoltaischen Effekt versteht man allgemein die Überführung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie. Eine Fotovoltaikanlage besteht aus einer ganzen Reihe von Solarzellen, die miteinander verschaltet und zu einem Solargenerator verbunden sind. Unterschiedliche Materialien sind in der Lage, die Stromerzeugung zu gewährleisten. Zu diesen zählen Silizium, verschiedene weitere Halbleiter wie CIGS, GaAs oder CdTe sowie organische Kohlenwasserstoffverbindungen bzw. Farbstoffe. Materialkonzepte und Eigenschaften

Silizium Das Material mit der größten Bedeutung für die Fotovoltaik ist Silizium. Während kristallines Silizium vor allem im Dickschichtbereich eingesetzt wird und Wirkungsgrade von 18 bis 20 Prozent mittlerweile realistisch sind, hat Silizium mit amorpher Struktur Einsatz in Dünnschichtanwendungen gefunden. Monokristalline Fotovoltaikmodule verfügen wegen des hohen Siliziumgehalts heute über die höchste Effektivität. Man erkennt sie an ihrer schwarzen Farbigkeit. Sie sind für die Ständerbauweise auf Dachflächen beliebt. Eine bläuliche Farbe und die kristalline Strukturierung deuten auf polykristallines Silizium hin. Aufgrund eines günstigen PreisLeistungs-Verhältnisses ist es das heute am häufigsten in Solarmodulen verwendete Material. Alternative Halbleitermaterialien Neben Silizium weisen auch weitere Werkstoffe wie Gallium-Arsenid (GaAs), CadmiumTellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Disulfid (CIS) Halbleiterqualitäten auf. Während sich die Verwendung von GaAs-Modulen mit Wirkungsgraden von bis zu 30 Prozent wegen der hohen Produktionskosten auf Nischenanwendungen beschränkt, lassen sich CdTe-Module im Vergleich dazu sehr preiswert herstellen. An der Erhöhung des Wirkungsgrades wird derzeit geforscht. Solarmodulhersteller versprechen sich heute vor allem von Kupfer-Indium-Gallium-SchwefelSelen-Verbindungen (CISG-Solarzellen) gute Ergebnisse. Jedoch sind diese feuchteempfindlich. Organische Kohlenwasserstoffe In Kunststoffsolarzellen basiert die Erzeugung elektrischer Energie auf einem Zweischichtaufbau von Kohlenwasserstoffen. Aufgrund der geringen Herstellungskosten, der hohen Stromausbeute in Dünnflächensystemen, der guten Umweltverträglichkeit und Optionen zur farblichen Gestaltung

164 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Eigenschaften  Leichtbaupotenziale // poröse Materialstruktur // extreme Festigkeiten // korrosionsbeständig Nachhaltigkeitsaspekte Energiegewinnung ohne Umweltbeeinträchtigung // Möglichkeiten zur Realisierung von Plusenergiehäusern

fotovoltaische Materialien werden Kunststoffsolarzellen große Zukunftspotenziale bescheinigt. Eine ökonomische Anwendung von Solarzellen aus organischen Kohlenwasserstoffen ist derzeit wegen des mit rund 5 Prozent geringen Wirkungsgrades und der limitierten Langzeitstabilität noch nicht möglich.

Das Heliotrop ® war das erste Haus der Welt, das mehr Energie produzierte, als in seinem Innern verbraucht wird. (Quelle: Rolf Disch SolarArchitektur)

Solar Panel (Quelle: Bayer MaterialScience)

Organische Farbstoffe Mit einem der Fotosynthese ähnlichen Prinzip überführen organische Farbstoffe wie beispielsweise Chlorophyll Sonnenlicht in elektrische Energie. Für den Stromgewinn wird der Aufbau einer sogenannten Grätzelzelle verwendet, in der ein Ladungsaustausch zwischen zwei parallel angeordneten Glaselektroden stattfindet. Der Farbstoff befindet sich auf der Oberfläche der sonnenzugewandten Seite. Da die Technologien für die Herstellung aus der Glasverarbeitung seit langem bekannt sind, wird die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Nutzung für die Zukunft erwartet. Zudem lassen sich die Farbgebung und Transparenz variieren und auf die jeweilige Anwendung anpassen, so dass die architektonische Gestaltung durch fotovoltaische Systeme in Zukunft nicht mehr beeinträchtigt wird.

Organisches Solarzellenmodul (Quelle: Fraunhofer ISE)

165 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Anteil der Fotovoltaik an der Stromerzeugung in Deutschland 2008 Einsatz der Fotovoltaik für Plusenergiehäuser (Quelle: Rolf Disch SolarArchitektur)

27.300 Biomasse 21.300 Wasserkraft

4.000 Fotovoltaik 18 Geothermie

Im Siebdruckverfahren hergestelltes transparentes Farbstoffsolarmodul (Quelle: Fraunhofer ISE)

40.400 Windenergie

Im Gegensatz zu den verbreiteten, waferbasierten Dickschichtsolarzellen können mit Dünnschichtsolarzellen, die flexibel und bis zu 100-mal dünner sind, neue Anwendungen auch außerhalb des Bausektors erreicht werden.

Nachhaltigkeitsaspekte  Verwendung der Sonnenenergie zum Betrieb mobiler Systeme

Materialkonzept und Eigenschaften

Erste Versuche zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen erfolgten mittels Aufdampftechniken. Erstmals wurden dabei andere Materialien als Silizium als Halbleiter eingesetzt, die direkt aus der Gasphase auf eine Trägeroberfläche übertragen wurden. Der Durchsatz war jedoch sehr niedrig und die Prozesssteuerung anfällig, so dass sich keine wirtschaftlichen Vorteile gegenüber konventionellen Solarzellen zeigten. Heute werden zur Produktion unterschiedliche Drucktechniken eingesetzt und Schichtdicken von weniger als zwei Mikrometer erreicht. Die Eigenschaften und der Wirkungsgrad der neuen Generation von Dünnschichtsolarzellen unterscheiden sich entsprechend den verwendeten Materialien bei Halbleiter und Substrat, der gewählten Drucktechnik und der Schichtdicke.

Dünnschichtsolarzellen Herstellungsverfahren für Dünnschichtsolarzellen 1. Generation Silizium / Waferbasierte Zellen

2. Generation DünnschichtSolarzellen (Vakuumtechnolgie)

3. Generation Gedruckte DünnschichtSolarzellen

Prozess

Silizium-WaferProzessierung

Vakuum methoden (z.B. Sputtering)

Rolle-zu-RolleDrucktechniken

Kontrolle

Zerbrechliche Wafer

Schmale Prozessfenster

Eingebaute Reproduzierbarkeit (Bottomup-Nanotechnologie)

Ausbeute

Robust

Anfällig

Robust

Anteilige Materialnutzung

30 %

30-60 %

Über 97 %

Verwendung

Dünnschichtsolarzellen werden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Flexibilität mittlerweile jenseits des Bausektors im Outdoor-, Textil- und Sportbereich verwendet. Darüber hinaus haben sich auch die Wirkungsgrade

166 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Beim Projekt SolarGrass w urde eine neuartige Technologie von verwebbaren fotovoltaischen Fasern genutzt, die textilähnliche Gewebe erzeugen. (Quelle: Bauhaus-Universität Weimar; Foto: Team SolarGrass)

verbessert. Vorhänge mit integrierten Solarzellen, Taschen und Rucksäcke mit eingenähten Solarfolien oder Zeltstoffe samt Solarzellen und Speichergerät: Die neuen Dünnschichtlösungen versorgen MP3-Spieler, PDAs oder gar Notebooks mit Strom zu jeder Zeit und an jedem Ort.

Beklagen die Nutzer und Hersteller von Solarmodulen vor allem den geringen Wirkungsgrad konventioneller Solarzellen, der meist unter 20 Prozent liegt, hat die Wissenschaft schon eine Lösung in der Entwicklung. In Zukunft sollen Mehrfachsolarzellen einen Wirkungsgrad von mehr als 40 Prozent möglich machen und damit die Effizienz fotovoltaischer Systeme erheblich verbessern. Materialkonzept und Anwendung

Der hohe Wirkungsgrad geht auf den speziellen Aufbau zurück, in dem mehrere Solarzellen in Schichten übereinander angeordnet sind. Einfallendes Sonnenlicht wird zunächst an einer Konzentratorlinse gebündelt und anschließend spektral in mehrere Wellenlängenbereiche aufgeteilt. Die für die jeweiligen Wellenlängen optimierten Solarzellenschichten wandeln das Sonnenlicht in elektrische Energie um. Forscher des Fraunhofer ISE erzielten bei einem Versuch mit dieser Technik der Energieumwandlung im Januar 2009 einen Wirkungsgrad von 41,1 Prozent. Für die Mehrfachsolarzelle werden die Halbleitermaterialien GaInP/ GaInAs/Ge (Gallium-Indium-Phosphid/GalliumIndium-Arsenid/Germanium) verwendet.

Tasche mit Dünnschichtsolarzellen (Quelle: Sunload)

Nachhaltigkeitsaspekte  Erhebliche Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen

Mehrfachsolarzellen Verwendung

Mehrfachsolarzellen sollen den Wirkungsgrad fotovoltaischer Solarkraftwerke in Zukunft optimieren und den Anteil der Solarenergie am Energiemix weiter steigern. Die Wissenschaftler arbeiten daran, die Technologie so schnell wie möglich in ein marktfähiges Produkt zu überführen und es in Solarkraftwerken zu installieren. Mehrfachsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 41,1 Prozent (Quelle: Fraunhofer ISE)

Eigenschaften  lichtabsorbierende Nadelstruktur // Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen // besondere Hafteigenschaften (Klettverschluss) Nachhaltigkeitsaspekte  Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen // Verbinden ohne Kleber

Black Silicon

„Black Silicon“ ist die Bezeichnung für eine lichtabsorbierende Schicht aus etwa 100 bis 300 nm dicken und bis zu einigen Mikrometern langen Siliziumnadeln, die neben ungewöhnlichen optischen Qualitäten auch sehr gute Hafteigenschaften aufweist. In Deutschland wird sie wegen ihrer Ähnlichkeit mit der Struktur eines Rasens als „Siliziumgras“ bezeichnet und entsteht als eigentlich ungewünschter Effekt beim Trockenätzen. Materialkonzept und Eigenschaften

Bereits 1999 wurde die besondere Fähigkeit zur Lichtabsorption entdeckt. Auftreffende Licht-

strahlen werden an der rauen Oberflächenstruktur der Siliziumnadeln mehrfach hin- und herreflektiert und dadurch gefangen. 95 bis 98 Prozent des Lichts wird absorbiert. Drückt man zwei „Black Silicon“-Schichten gegeneinander, treten besondere Hafteigenschaften zu Tage. Die ein bis zwei Millionen Nanonadeln pro mm2 verkeilen sich ineinander und können ähnlich dem Klettverschlussprinzip immer wieder voneinander gelöst und zusammengefügt werden.

167 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Lichtabsorption an Siliziumgrasschichten

dem Einsatz bei der Energieerzeugung können Siliziumnadeln als Emitter für Strahlen zur Steuerung von Satelliten dienen. Die NASA sucht nach Verwendungsoptionen zur Detektion von Hitzestrahlen, die von Partikeln in der Atmosphäre reflektiert werden. Die Klettverschlusswirkung soll in der Elektroindustrie Verwendung finden und Mikroteilen festen Halt geben. Kleinbauteile können vor dem Kleben fixiert werden. Dünne Waferplatten ließen sich während der Weiterverarbeitung in Position halten.

Verwendung

Der lichtabsorbierende Effekt soll zukünftig bei der Herstellung sogenannter „schwarzer Solarzellen“ verwendet werden und den Wirkungsgrad im Vergleich zur bisherigen Technologie nahezu verdoppeln. Während heute in Entwicklung befindliche Solarzellen im besten Fall einen Wirkungsgrad von 40 bis 50 Prozent erreichen können, wird dieser bei der Verwendung der Nanonadeln bis auf 80 Prozent gesteigert. Neben

Klettverschlusseffekt (Quelle: TU Ilmenau)

Algen im Wasser gelten als Zeichen von Umweltverschmutzungen. Dies scheint sich in Zukunft zu wandeln, denn Wissenschaftler diskutieren derzeit die Möglichkeit, Algen als alternative Energiequelle zu nutzen, Biodiesel aus ihnen zu gewinnen oder sie für die Wasserstoffproduktion einzusetzen. Schwedischen Forschern ist es zudem gelungen, Batterien auf Basis von Cladophora-Algen herzustellen.

Nachhaltigkeitsaspekte  natürliche Wasserstoffproduktion in Bioreaktoren // Brennstoffzelle als Antrieb für Elektro­ motoren ohne Schadstoffproduktion // Elektrodenmaterial für Batterien auf Basis schnell wachsender Algen // energie­ effiziente Batterieherstellung

Grünalgen Aufbau der Algenbatterie

Elektrolytgetränktes Filterpapier

Zellulose/ Polypyrrol (PPy) Verbund­ werkstoff

+ Zellulose/ Polypyrrol (PPy) Verbund­ werkstoff

—

Platinfolie

Materialkonzepte und Verwendung

Wasserstoffproduktion Wasserstoff gilt als eine umweltfreundliche Energiequelle für den Betrieb von Elektromotoren. In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser. Es wird elektrischer Strom erzeugt, ohne dass Schadstoffe anfallen. Voraussetzung für den erfolgreichen Betrieb einer Brennstoffzelle ist es, dass der Wasserstoff auch mit umweltschonenden Verfahren gewonnen wird. An dieser Stelle bieten Grünalgen erhebliche Potenziale. Mithilfe des Enzyms Hydrogenase spalten sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Die dafür notwendige Energie erhalten sie durch Fotosynthese. Setzt man sie auf eine Schwefeldiät,

steigern die Algen ihren Stoffwechsel. Es kommt zu einem Energieüberschuss, der in Form von Wasserstoff entsorgt wird. Durch gentechnische Veränderung der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii konnte die natürliche Wasserstoffproduktion auf das 13-fache gesteigert werden, so dass 200 Liter Algenkultur etwa 50 Liter Wasserstoff am Tag erzeugen könnten. In Bioreaktoren mit verbesserter Beleuchtung auf Basis natürlichen Lichts soll die großtechnische Wasserstoffproduktion industrietauglich gemacht werden. Die gezielte Steuerung der Hydrogenase wird mithilfe von Bakterien angestrebt.

Algenbatterie Auch als Energiespeicher in Batterieform bieten Cladophora-Grünalgen großes Potenzial für integrierte elektronische Komponenten in Tapeten, intelligenten Textilien oder Medikamentenverpackungen. Schwedischen Forschern ist es 2009 gelungen, eine Batterie auf Basis einer Nanostrukturierung der Algenzellulose ohne großen Energieaufwand zu entwickeln. Die Struktur weist eine 100-Mal größere Oberfläche auf als die von Papierzellulose, was die Algenoberfläche als Trägermaterial für die leitenden Polymere besonders geeignet macht. Die Wissenschaftler haben die Nanostruktur mit einer 50 nm dicken Schicht aus dem Polymer Polypyrrol überzogen und ein völlig neues Elektrodenmaterial mit geringem Gewicht und hoher Ladegeschwindigkeit für Akkus erzeugt. Bereits 1.000 Ladevorgänge konnten durchgeführt werden. Vor allem in Entwicklungsländern würde die einfache Produktionsmethode ihre Vorteile ausspielen und zu den bislang üblichen LithiumIonen-Batterien in Konkurrenz treten.

168 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Wasserstoffbildung in einer verschlossenen, unter Schwefelmangel kultivierten C. reinhardtii-Kultur. (Quelle: Thomas Happe, Ruhr-Universität Bochum)

Vision vieler Wissenschaftler ist es, die ungenutzte Abwärme von Kraftwerken und Fahrzeugen zu verwenden, um daraus Strom zu gewinnen. Zum Einsatz sollen dabei thermoelektrische Materialien kommen, die bei einem Temperaturgefälle zwischen einer Materialoberfläche zur anderen in der Lage sind, einen elektrischen Stromfluss zu erzeugen. Bislang sind Konzepte zur Herstellung thermoelektrischer Materialien mit ausreichenden Wirkungsgraden noch in der Entwicklung. Durch Fortschritte in der Nanotechnologie könnte die Effizienz jedoch erheblich gesteigert werden.

Eigenschaften  Energieerzeugung durch Temperaturunterschied // Nutzung der Abwärme von Kraftwerken oder Fahrzeugen // Wirkungsgrad: 3 bis 8 Prozent Nachhaltigkeitsaspekte  Steigerung des Wirkungsgrades von Kraftwerken und Motoren durch Nutzung der Abwärme

Thermoelektrische Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

Thermoelektrische Generatoren bestehen aus mindestens einem Paar unterschiedlich dotierter Halbleitermaterialien (p- und n-Dotierung). An einem Punkt sind sie miteinander verbunden, so dass es bei einem Temperaturunterschied zwischen der einen und der anderen Seite zu einem Elektronenfluss kommt. Dieser ist abhängig vom Temperaturniveau und unterscheidet sich je nach den eingesetzten Materialien erheblich. Am weitesten verbreitet sind Bismuttellurid-Legierungen (zum Beispiel BE2Te3) für Anwendungen bei Raumtemperatur. Für höhere Temperaturen bestehen Thermogeneratoren (TEG) vor allem aus SiGe oder PbTe mit Wirkungsgraden zwischen 3 und 8 Prozent. Die Elemente lassen sich zur Erzielung hoher Spannungen zwischen der kalten und warmen Seite in Reihe schalten. Auch der umgekehrte Effekt ist möglich. Durch Anlegen einer Spannung können mit Thermogeneratoren Temperaturunterschiede auf geringem Niveau erzeugt werden.

Dieser Plattenreaktor sorgt für ein optima­ les Lichtmanagement bei der Kultivierung von Algen. (Quelle: Florian Lehr, Karlsruher Institut für Technologie KIT)

Aufbau eines Thermoelements —   n-Leiter +   p-Leiter

Keramik

Metallbrücke

—

+

169 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Verwendung

Prototypischer Thermogenerator (Quelle: Universität Bremen)

Heute werden Thermogeneratoren überall dort eingesetzt, wo die erzielbaren Kühleffekte bei geringer Temperaturdifferenz einen Mehrwert herbeiführen (zum Beispiel Kühltasche, Kühlung elektronischer Geräte). Durch Steigerung des Wirkungsgrades erscheint in Zukunft die direkte Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie möglich. Auch in der Raumfahrt werden nuklear betriebene Thermogeneratoren auf Basis von PbTe oder SiGe zur Energieversorgung verwendet.

Die Auswahl eines Kühlschranks richtet sich heute mehr den je auch nach dessen Stromverbrauch. So werben die Hersteller mit Energie-Effizienzklassen wie A++, um Käufer für ihre Produkte zu finden. Auch die Lautstärke des Kompressors wird zunehmend als Qualitätsmaßstab empfunden, was Materialwissenschaftler aus den USA zur Entwicklung eines neuen Kunststoffs inspirierte.

Prototypischer Thermogenerator (Quelle: Universität Bremen)

Eigenschaften  Polymereinsatz zu Kühl­ zwecken // Ersatz für flüssige Kältemittel // schlankere Kühlkonstruktionen möglich Nachhaltigkeitsaspekte  Ersatz aufwendiger Kühltechnik

Materialkonzept und Eigenschaften

So genannte Polarkunststoffe mit ferroelektrischen Eigenschaften sollen bei Stromfluss einen Kühleffekt erzeugen und flüssige Kältemittel und das damit einhergehende Betriebsgeräusch der aufwendigen Kühltechnik überflüssig werden lassen. Im elektrischen Feld gehen die Moleküle des neuen Kunststoffs von einem unorganisierten in einen organisierten Zustand über und geben dabei Wärme ab. Die Temperatur des Werkstoffs verringert sich, was unter Verwendung von Wärmetauschern zur Kühlung der Umgebungsluft genutzt werden kann. In Tests wurde durch eine angelegte Spannung bereits ein Temperaturabfall um etwa zwölf Grad erzielt.

Ferroelektrische Polymere

Verwendung

Heutige Kühlsysteme basieren auf dem Prinzip von Gasen, bei Reduzierung des Drucks Wärme aufzunehmen. Eine aufwendige Technik wird benötigt, die mit ferroelektrischen Kunststoffen in Zukunft deutlich reduziert werden könnte. So sind auch flache Kühlschränke denkbar, ohne Kompressoren oder Rohre, was den Spielraum der Produktdesigner deutlich erhöhen würde. Klimaanlagen würden wesentlich effizienter, und auch zur Kühlung von Computerchips wären

die neuen Materialien geeignet. Weitere Einsatzgebiete sind aktiv kühlende Verpackungen oder Funktionsbekleidungen von Sportlern und Feuerwehrmännern.

Licht emittierende Werkstoffe und Substanzen haben für Designer und Architekten seit jeher einen ganz besonderen Reiz. Materialkonzept und Eigenschaften

Lumineszenz ist Resultat eines physikalischen Vorgangs, durch den ein Molekül durch äußere Energieeinwirkung kurzzeitig in einen höheren Energiezustand versetzt wird. Bei der Rückkehr vom angeregten in den stabilen Grundzustand sendet es Lichtteilchen aus, die als elektromagnetische Strahlung für den Menschen sichtbar werden. In der Physik werden je nach Art und Qualität der Anregung folgende Lumineszenzen unterschieden: – Die Elektrolumineszenz geht auf eine Anregung infolge der Einwirkung eines elektrischen Feldes oder durch das Fließen eines elektrischen Stroms zurück. Technische Anwendungen des Effekts findet man bei Leuchtdioden (LED) oder organischen Leuchtdioden (OLED).

170

Nachhaltigkeitsaspekte  Reduktion von Energiekosten

energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Licht emittierende und nachleuchtende Materialien

– Die von Braun entwickelte Kathodenstrahlröhre, Kern des klassischen Röhrenfernsehers und Rasterelektronenmikroskops (REM), folgt dem Effekt der Kathodenlumineszenz. Ein Elektronenstrahl trifft auf eine Materialoberfläche, infolgedessen Licht emittiert wird. – Bei fotolumineszierenden Stoffen wird die Leuchtwirkung durch kurzzeitige Anregung mit einem Photonen- bzw. Lichtstrahl erzeugt. Während bei der Fluoreszenz der Lichtaustritt kurz nach Beendigung der Anregung aufhört, können phosphoreszierende Materialien noch nach Stunden Licht aussenden. Typische Anwendungen sind Schilder mit sicherheitsrelevanten Hinweisen oder selbstleuchtende Köder für den Angelsport.

Textilien mit fotolumineszierenden Eigenschaften (Quelle: Kathy Schicker)

Fotolumineszierende Partikel für Betonprodukte (Quelle: Ambient Glow Technology)

– Erfolgt die Anregung durch eine chemische Reaktion, spricht man von Chemolumineszenz. Diese wird zum Beispiel zum Nachweis von Blut genutzt. Ein sehr bekanntes Produktbeispiel ist das Knicklicht. Die Lichtemission kann von wenigen Minuten bis zu einigen Stunden andauern. – Auch die Biolumineszenz geht auf eine chemische Reaktion zurück. Diese wird allerdings nicht künstlich erzeugt, sondern geschieht in einem lebenden Organismus zu Tarnzwecken oder als Drohgebärde. Vor allem bei Tiefsee­ fischen und einigen Insektenarten (zum Beispiel Glühwürmchen) ist das Phänomen verbreitet. Feuerwürmer beispielsweise färben das Meer leuchtend grün, wenn sie nach Partnern suchen oder lästige Angreifer abwehren wollen. 2009 haben Wissenschaftler sieben neue Pilzarten mit selbstleuchtenden Eigenschaften entdeckt.

Möbel „Lo Glo“ mit nachleuchtenden Qualitäten (Quelle: J. MAYER H. Architects, Vitra Edition 2007)

– Die Thermolumineszenz erfolgt nach Anregung durch thermische Energie. Sie wird beispielsweise in der Archäologie zur Bestimmung

des Alters von Keramikfunden genutzt. In der Technik geht die Funktionsweise von Glühbirnen auf diesen Effekt zurück.

171

Verwendung

Für Architekten und Designer haben foto- und elektrolumineszierende Materialien derzeit die größte Bedeutung. Beispiele sind nachleuchtende Metalle, Textilien oder in Stein integrierte lumineszierende Partikel. 2008 wurde das erste selbstleuchtende Buch-Cover aus einer Elektrolumineszenzfolie präsentiert. Mittlerweile sind auch dreidimensionale Formteile mit elektrolumineszierenden Eigenschaften herstellbar. produkte

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Luminal  Abhilfe bei Gefahren infolge eines Stromausfalls in öffentlichen Gebäuden verspricht eine Beschichtung für Aluminiumoberflächen mit nachleuchtenden Eigenschaften. Der nachleuchtende Effekt der Bleche hält etwa eine Stunde an. Die Lackierung ist beständig gegen mechanische Belastungen, die Bleche können also abgekantet und verformt werden. Luminal  -Produkte erfüllen die Kriterien der Brandschutzklasse A1.

®

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Ambient Glow Technology – AGT Diese fotolumineszierenden Partikel sind für Beton-, Zement-, Terrazzo- und Stuckanwendungen geeignet. Eine Beleuchtung von lediglich zehn Minuten ist ausreichend, um einen lumineszierenden Effekt von bis zu zwölf Stunden zu erzeugen.

energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

DigitalDawn Diese Textilie nutzt eine aufgedruckte Elektro­ lumineszenzbeschichtung, um nach Abdunklung eines Raums ein florales Muster erscheinen zu lassen. Produkte Lichtleitende Materialien

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Luminex  Luminex  ist eine Textilie, die aus einem lichtleitenden Gewebe und illuminierendem Garn besteht. Verschiedenfarbiges Licht wird an den Oberflächen reflektiert und durch das Gewebe geleitet. Es tritt an verschiedenen Stellen aus und erzeugt interessante optische Effekte. Diese sind vor allem für Möbel- oder Modedesigner interessant.

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Makrofol  Makrofol  von Bayer ist eine lichtleitende Folie aus Polycarbonat, die fluoreszierende Farbstoffe enthält. Einfallendes Licht längerer Wellenlänge wird innerhalb der Folie reflektiert und tritt erst durch die Kanten wieder aus. Das Material zeichnet sich deshalb durch eine deutlich sichtbare Kantenhelligkeit aus. Weitere Eigenschaften sind eine gute Wärmeformbeständigkeit und eine sehr gute grafische Qualität. Es eignet sich ebenso für Effektaußenanwendungen wie für Ausweise und Pässe.

®

Raum mit nachleuchtenden Aluminiumplatten (Quelle: Novelis Deutschland)

Anwendungen mit Luminex ® (Quelle: Luminex ®)

Textilie mit aufgedruckter elektrolumineszierender Beschichtung (Quelle: Merlin Dunkel)

Die elektrolumineszenten floralen Muster des Wandbehangs DigitalDaw n erstrahlen umso heller, je dunkler es im Raum ist. (Quelle: loop.pH)

Beleuchtungssysteme mit LED-Technik haben in Design und Architektur in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Dies liegt zum einen an der hohen Energieeffizienz im Vergleich zu konventionellen Beleuchtungssystemen, womit sich erhebliche Einsparungen im Stromverbrauch erzielen lassen. Zum anderen sind die Möglichkeiten zur Programmierung von Farbe und Farbverläufen besonders interessant. Materialkonzept und Eigenschaften

In LED entsteht der Lumineszenzeffekt durch Umwandlung von elektrischer Energie in Licht über ein Halbleitermaterial. Es kommt zu keiner unnötigen Wärmeerzeugung, was sich positiv auf die Energieeffizienz auswirkt. Durch die Wahl des Halbleitermaterials (z. B. Galliumphosphid, Siliziumkarbid) kann das Spektrum einer Leuchtdiode und damit die Farbigkeit des Lichts eingestellt werden. Leuchtdioden lassen sich sehr schnell ansteuern. Um das Licht optimal zu nutzen, werden Linsen aus Glas oder optischen Kunststoffen zur Strahlenlenkung eingesetzt. Leuchtdioden gibt es in unterschiedlichen Größen und Ausführungen. Am gebräuchlichsten sind LED mit einem Durchmesser von 5 mm. Die Lebensdauer reicht bei einer Lichtausbeute von 30 bis 80 Lumen/Watt von 30.000 bis zu 100.000 Stunden.

172

Eigenschaften  LED mit hoher Energieeffizienz // Lebensdauer im Schnitt 50.000 Stunden // Lichtausbeute 30−80 Lumen/Watt (Tendenz: deutlich steigend) // programmierbare Farbverläufe

energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Nachhaltigkeitsaspekte  lange Lebensdauer // hohe Lichtaus­ beute bei niedrigem Stromverbrauch // keine unnötige Wärmeentwicklung

Leuchtdioden (LED)

Verwendung

Außer in elektronischen Geräten und zur Raumbeleuchtung werden LED heute auch in der Innenarchitektur zur Schaffung besonderer Raumatmosphären mit wechselnder Lichtfarbe eingesetzt. Mit der gestiegenen Lichtausbeute bieten sich LED auch zur Beleuchtung von Rastplätzen, Tiefgaragen und Parkdecks an und werden zur Hinterleuchtung lichtdurchlässiger Fassaden genutzt. So hat Bayer an der Konzernzentrale in Leverkusen die derzeit größte Medienfassade der Welt installiert. Vor allem im Möbeldesign hat es in letzter Zeit einige interessante Entwürfe gegeben. So erinnert der „Table Manner Table“ Gäste, die ihr Mobiltelefon nicht aus der Hand legen können, an die Tischmanieren.

Bayer Medienfassade mit 5,6 Millionen LED auf einer Fläche von 18.000 m² (Quelle: Bayer MaterialScience)

Lampe unter Verwendung der LED-Technologie (Quelle: Maria Hamprecht)

Halbleitermaterial und Lichtfarbe Rot und Infrarot

Aluminium­­­­galliumarsenid (AlGaAs)

Rot, Orange, Gelb

Galliumarsenidphosphid (GaAsP)

Grün

Galliumphosphid (GaP)

Blau

Silizium karbid (SiC)

Ultraviolett, Indiumgalliumnitrid Violett, Blau, Grün (InGaN), Galliumnitrid (GaN) Weiß

Verwendung blauer LED mit FluoreszenzSchicht als Wellenlängenkonverter

„Table Manner Table“ (Quelle: Synthesis Studio)

„e-static shadows“-Lichtinstallation (Quelle: Prof. Dr. Zane Berzina in Zusam menarbeit mit einem internationalen Forschungsteam; Foto: David Rankalawon)

Sie finden Anwendung in Flachbildschirmen, Handydisplays und Digitalkameras: Flächenleuchtmittel oder organische Leuchtdioden. Nachdem die Elektrolumineszenz in organischen Materialien bereits 1953 entdeckt wurde, wird seit rund 20 Jahren an dünnfilmigen leuchtenden Flächenleuchtmaterialien geforscht. Sie können energieeffizienter als Flüssigkristallbildschirme (LCD) betrieben werden und sind wesentlich leichter herzustellen. Der erste OLED-Fernseher kam Ende 2007 auf den Markt. Materialkonzept und Eigenschaften

OLED sind aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut. Die etwa 0,7 mm dicke Trägerschicht besteht entweder aus Glas oder Polyethylenterephthalat (PET). Auf dieser befindet sich die Anode aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) und ein Sandwich aus einer Licht emittierenden Schicht (EL), die Farbstoff enthält und von zwei Transportschichten flankiert wird. Auf die oberste Schicht wird eine Kathode im Vakuum aufgedampft und das Ganze mit einer weiteren Glas- oder PET-Schicht abgedeckt. Nach Anlegen einer Spannung wandern positiv und negativ geladene Teilchen durch die Transportschichten hindurch und treffen in der Emitterschicht aufeinander. Die Änderung des Energiezustands bewirkt die Aussendung von Photonen, die als Licht sichtbar werden. OLEDAnzeigen sind in einer Mikrosekunde ansteuerbar und haben einen Blickwinkelbereich von 170°. Die Farbtemperatur kann je nach Wunsch und Tageszeit flexibel eingestellt werden. Während Flüssigkristalle aus dem Hintergrund strahlendes Licht für den Betrachter entweder sichtbar durchlassen oder abschirmen, erzeugen OLEDDisplays Licht direkt bei Anlegen einer Spannung. Sie benötigen daher weniger Energie. Zudem wirken die Bilder kontraststärker. Da auf eine Hintergrundbeleuchtung verzichtet werden kann, sind sie mit einer Dicke von wenigen Millimetern herstellbar. Im Produktionsprozess werden keine umweltkritischen Substanzen benötigt. Die Massenherstellung wird derzeit für das Roll-toRoll-Druckverfahren qualifiziert. Auf Basis von Polymeren gefertigte OLED nennt man POLED oder auch PLED.

173 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Eigenschaften  Flächenleuchtmittel // Aufbau aus mehreren dünnen Schichten // Ansteuerung in wenigen Mikrosekunden // Blickwinkel­ bereich von 170° // kontraststarke Bilder Nachhaltigkeitsaspekte  niedriges Gewicht und kompakte Bauweise // einfache Her­ stellung und niedrige Produktionskosten // energieeffizienter Betrieb

Organische Leuchtdioden (OLED)

Program mierbare Heckscheibe der Fahrzeugstudie „Open Source — Light Car“ durch OLED-Einsatz (Quelle: EDAG)

OLED-Baum (Quelle: Hannes Wettstein) Lampe mit OLED-Einsatz (Quelle: Ingo Maurer)

Aufbau einer OLED Licht emittierender Kunststoff

Glasabdeckung

Leitfähiger Kunststoff Transparente Anode

Stromfluss

Licht

Verwendung

Neben der Eignung für Displays aller Art versprechen sich die Entwickler durch die OLEDTechnologie die Realisierung von großflächigen Leuchtmitteln und biegsamen Bildschirmen. Eine Vision ist es, Leuchtflächen an jeder beliebigen Stelle einer Glas- oder Wandfläche erscheinen zu lassen. Elektronische Papiere oder leuchtende Tapeten sind als Zukunftsprodukte längst den

meisten bekannt. Auf glatten Möbeloberflächen erscheinende Monitore oder Bremslichter auf den Heckscheiben von Autos werden schon in naher Zukunft ebenso zum Alltag gehören wie leuch­ tende Wandelemente in den Eingangsbereichen von Geschäften oder Bürogebäuden. Bislang stellt die geringe Lebensdauer blauer OLED die größte Hürde zur massenmarktfähigen Umsetzung dar.

Der Erfolg des iPhones machte es mehr als deutlich: Die Zukunft gehört den Touchfolien, über die elektronische Geräte durch Bewegung der Finger gesteuert werden können. Bislang waren die auf dem Markt befindlichen Systeme auf zwei Finger beschränkt. Im Frühjahr 2010 vermeldete das portugiesische Unternehmen Displax die Entwicklung einer hauchdünnen Folie, die bis zu 16 Finger gleichzeitig erkennen kann und auch auf Luftbewegungen reagiert. Mit einem Projektor werden die anzuzeigenden Inhalte auf die Folie projiziert. Materialkonzept und Eigenschaften

Die Folie besteht aus einem Polymerfilm, in den ein Netz aus Nanodrähten eingearbeitet ist. Sie kann gekrümmt und gebogen werden und lässt sich kraft ihrer außergewöhnlichen Flexibilität selbst auf Kugeloberflächen übertragen. Das System ist für verschiedene Untergründe geeignet. Anwendungen auf Holz, Glas und Kunststoffen wurden bereits erfolgreich getestet. Die in den Kunststoff eingebrachten Leiterbahnen reagieren so sensibel auf äußere Einflüsse, dass selbst ein Pusten ausreicht, um eine Funktionsanweisung auszuführen.

174 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Eigenschaften  hauchdünne biegsame Folie // reagiert auf bis zu 16 Finger gleichzeitig // hochempfindlich auch für Luftbewegungen Nachhaltigkeitsaspekte  Vermeiden auf­ wendiger Steuerungstechnik // einfache und kompakte Bauweise

Multitouchfolien

16-Finger-Multitouchfolie (Quelle: Displax)

Verwendung und Verarbeitung

Idee des Herstellers ist es, nahezu jede Oberfläche zum digitalen Eingabemedium zu machen. Selbst Kleiderschränke könnten zum interaktiven Mausersatz werden. Das neue Foliensystem ist für kleine Bildschirme und herkömmliche LC-

Hat der Kunstinteressierte beim Betrachten der Bilder von Daniel Lergon eine Lichtquelle in seinem Rücken, so treten sein Schatten und die abstakten Formen der Malerei in Interaktion. Um seine Silhouette entsteht ein leuchtender Lichtkranz, ähnlich einem Heiligenschein (Nimbus).

Displays ebenso geeignet wie für großflächige Installationen oder Schaufenster. Zur Nutzung im Außenbereich kann die Empfindlichkeit des Systems entsprechend des Einsatzzwecks kalibriert werden.

Eigenschaften  interessante Reflexions­ eigenschaften // Grundlage bilden mikroskopisch feine Glasperlen // Verwendung auf Geweben oder Betonoberflächen Nachhaltigkeitsaspekte  Vermeiden aufwendiger Sicherheitsbeleuchtung

Materialkonzept und Eigenschaften

Zurückzuführen ist die Erscheinung auf retroreflektierendes Gewebe, das Lergon als Untergrund für seine Malerei verwendet. Retroreflektierende Oberflächen geben einfallendes Licht immer exakt in die Richtung der Lichtquelle wider. Der Effekt beruht auf mikroskopisch feinen Glasperlen, die zusammen mit einem Kunstharzgemisch einseitig auf den Gewebeträger aufgedampft werden. In einer aktuellen Materialentwicklung an der TU Kassel werden die retroreflektierenden Eigenschaften auf Beton übertragen. Zur Steuerung des

Retroreflektierende Materialien

175

Aushärtungsprozesses und zur Positionierung der Mikroglaskugeln in der Werkstoffmatrix finden nanotechnische Verfahren zur Magnetisierung von Zuschlagsstoffen erstmalig Verwendung.

energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Verwendung

Retroreflektierende Oberflächen werden vor allem in sicherheitsrelevanten Bereichen und in der Mode eingesetzt. Typische Anwendungen sind reflektierende Aufnäher für Radfahrer oder Sicherheitspersonal. Auch bei der Schuhgestaltung ist retroreflektierendes Gewebe besonders gefragt. In der Kunst wurde das Material erst vor kurzem entdeckt. Der unter dem Namen „BlingCrete“ in Entwicklung befindliche Reflexbeton soll zur Kennzeichnung von Kanten und Gefahrenstellen (zum Beispiel Treppenstufen, Bahnsteige) sowie zur Gestaltung baulich integrierter Leitsysteme und Flächenbauteile eingesetzt werden. Mit seiner besonderen Haptik kann er auch in taktilen Blindenleitsystemen genutzt werden.

Einsatz retroreflektierenden Gewebes in der Malerei (Quelle: Daniel Lergon)

Als lichtdurchlässig gilt ein Stoff immer dann, wenn er die Lichtenergie einer bestimmten Strahlung nicht absorbiert, so die Theorie. Glas und Kunststoffe wie Polycarbonat oder PMMA sind die typischen Materialien, die in optischen Anwendungen oder Architekturfassaden Verwendung finden. Dass Beton, Holz oder Metalle für sichtbares Licht durchlässig sein können, galt bis vor einigen Jahren noch als undenkbar.

Nachhaltigkeitsaspekte  Effekte ohne aufwendige Beleuchtungstechnik

Materialkonzepte und Verwendung

Lichtdurchlässiger Beton Die Entwicklung von lichtdurchlässigem Beton geht auf den ungarischen Architekten Áron Losonczi zurück, der an der Kungliga Konsthög­ skolans Arkitekturskola in Stockholm 2002/2003 mit Lichtleitfasern und Beton experimentierte und letztendlich durch schichtweises Eingießen von Glasfasermatten ein neues Baumaterial mit tragenden und gleichzeitig lichtdurchlässigen Eigenschaften erzeugte. Ein Glasfaseranteil von 4 bis 5 Prozent ermöglicht den Transport von rund 70 Prozent des ursprünglichen Lichts von der einen Seite eines Betonblocks mit einer Dicke von bis zu 2 Metern quer durch das Innere auf die andere Seite, wo es sich auf der Oberfläche leuchtend abzeichnet. Umgekehrt erscheinen Schatten auf der anderen Seite der Gesteinsfläche als scharfe Umrisse. Eine Betonsteinwand wird so zu einer Mischung aus Projektionswand und Lichterlebnis. Sie ist in der Lage, die Silhouette von Bäumen, Häusern und Passanten ins Innere eines Gebäudes zu übertragen. Dies aber nur bei idealen klimatischen Bedingungen, denn Wärme dämmt

Gebäudeleitsystem unter Verwendung des Reflexbetons „BlingCrete“ (Quelle: TU Kassel)

Lichtdurchlässige Materialien das Material ähnlich schlecht wie mineralische Werkstoffplatten. Mittlerweile werden Baublöcke, Mauersteine, Platten, eine Lampe (LitraCube  ) und ein Waschtisch von mehreren Herstellern unter Marken wie Litracon  , Robatex  oder Luccon  vertrieben.

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Lichtdurchlässiges Holz Mit einem ähnlichen Aufbau ist 2008 auch ein für Licht durchlässiger Holzverbundwerkstoff unter der Marke Luminoso  auf den Markt gekommen. Glasfasermatten werden schichtweise zwischen dünne Holzplatten gebracht und mit kaltem

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Lichtdurchlässiges Holz (Quelle: Luminoso ®)

PU-Leim verklebt. Die Oberfläche ist vollständig geschlossen. Durch die Wahl der Holzsorte, des Abstands und der Stärke des Leuchtgewebes kann die Lichtdurchlässigkeit beeinflusst werden. Das verwendete Holz muss für hinterleuchtete Verkleidungen und Trennwände in Innenräumen und Messeständen absolut fehlerfrei sein, um den Gesamteindruck nicht zu stören. Bringt man ein Bild hinter die Verbundplatte, wird es durch Hinterleuchten auf die andere Seite übertragen. Auch Filme lassen sich auf das Material projizieren.

176 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Lichtdurchlässiges Metall Aufgrund der kristallinen Struktur von metallischen Stoffen ist die Lichtdurchlässigkeit ausgeschlossen. 2009 ist es Wissenschaftlern aus Oxford dennoch gelungen, transparentes Aluminium zu erzeugen. Mithilfe eines Röntgenlasers wurden die Elektronen eines Aluminiumbauteils angeregt, bis dieses durchlässig für ultraviolette Strahlung war. Der Effekt ist als Sättigungsabsorption bekannt und basiert auf der hohen Intensität des verwendeten Laserlichts. Der durchlässige Zustand konnte allerdings nur für den Bruchteil einer Sekunde erhalten werden.

Lichtdurchlässige Mauersteine (Quelle: Robatex ®)

Ein Umhang ist es, mit dessen Hilfe sich Harry Potter den Blicken seiner Freunde und Lehrer in der Zauberschule Hogwarts entzieht. Für die einen ist unsichtbare Materie reine Fiktion. Andere sehen in ihr den Inhalt für ein ganzes Forscherleben. Ende 2008 sind amerikanische Wissenschaftler der Lösung einen Schritt näher gerückt. Sie wollen sogenannte Metamaterialien mit einer nanostrukturierten Oberfläche entwickelt haben, die durch Umlenkung von Lichtstrahlung ein Objekt für das menschliche Auge unsichtbar macht. Materialkonzept und Eigenschaften

Metamaterialien sind Verbundstrukturen aus Metallen, keramischen Werkstoffen, Polytetrafluorethylen oder anderen Kompositen. Sie zeichnen sich durch eine Oberfläche mit einer sich regelmäßig wiederholenden Nanostruktur aus, die kleiner ist als die Wellenlänge einfallender Lichtstrahlen. Diese Struktur führt Strahlung in allen drei Dimensionen um ein Objekt herum. Es kommt weder zu Reflexionen noch zu einem Brechen der Strahlen. Das Material wird abgeschirmt und ist für das menschliche Auge vollkommen unsichtbar.

Lichtdurchlässiger Beton (Quelle: Litracon ®)

Eigenschaften  Verbundmaterialien mit regelmäßiger Nanostrukturierung // Ausmaße kleiner als Wellenlänge einfallender Lichtstrahlen // Abschirmen der Materie vor sichtbarem Licht und Schallwellen Nachhaltigkeitsaspekte schalldämmende Wirkung

Metamaterialien Bislang waren erfolgreiche Versuche lediglich mit Mikrowellen bekannt, bei denen die Wellenlänge über der von sichtbarem Licht lag. Wissenschaftler stellten 2009 und 2010 drei neue Konzepte für Metamaterialien vor, deren Abschirmungsfunkti-

on auch für Lichtstrahlen im sichtbaren Spektrum funktionieren könnte. Bei der Umleitung geht ein kleiner Teil der einfallenden Strahlen verloren, was für die Forschung bislang die größte Herausforderung darstellte.

Zum Beispiel können die besonderen optischen Eigenschaften durch parallel verlaufende, 60 nm dicke Silberdrähte hervorgerufen werden, die in eine Matrix aus Aluminiumoxid eingebettet sind. Zur Herstellung werden dünne Kanäle in einen Al 2O3-Block geätzt und elektrochemisch mit Silber befüllt. Ergebnis ist eine Feinstruktur, die kleiner ist als die Wellenlänge sichtbarer Lichtstrahlen. Ein zweites Konzept verwendet Magnesiumfluorid- und Silberschichten mit Dicken zwischen 30 und 50 nm, die durch Aufdampftechniken abwechselnd übereinander gestapelt sind. Die Schichten weisen eine löchrige Struktur auf. Unter dem Rasterelektronenmikroskop wird zudem ein regelmäßiges Netz deutlich, in dem breite, parallel ausgerichtete Streifen durch schmale Stege miteinander verbunden sind. In einem dritten Konzept wird eine Struktur mit einem Laser in einen Fotolack eingebracht. Die entstandenen Hohlräume werden galvanisch mit Gold befüllt und die Polymer-Urform weg­ geätzt. Zurück bleibt eine Struktur, die aus vielen regelmäßig angeordneten, winzigen Goldspiralen mit einem Durchmesser von nur wenigen hundert Nanometern besteht. Diese lassen nur einen

177 energie erzeugende und licht beeinflussende materialien

Herstellungsverfahren für ein photonisches Metamaterial aus nanoskaligen Goldspiralen Elektrolytlösung

+ Anode Goldkomplex

der beiden Drehsinne einer elektromagnetischen Welle passieren. Verwendung

Die Realisierbarkeit von 3D-Metamaterialien wird in der Wissenschaft angezweifelt, doch Ideen zu ihrer Verwendung sind längst formuliert. So gibt es zahlreiche Anwendungen für die optische Industrie oder als Tarnkappen. Aufgrund des geringeren Aufwandes werden aber wohl kurzfristig eher Abschirmsysteme für Schallwellen umgesetzt werden, die Geräusche um bestimmte Objekte herumleiten. Die perfekte Konzerthalle oder Fahrzeuge ohne Geräuschkulisse könnten in einigen Jahren Realität werden. Hier sind vor allem spanische Wissenschaftler aktiv, die an der Universität Valencia Metamaterialien in Lagenkonstruktion entwickeln.

— Kathode

178 Nachhaltige produktionsverfahren

Mehrkomponentenspritzgießen…182 — InMoldTechniken…182 — Metal Injection Molding…183 — Inkrementelle Blechumformung (IBU)…184 — Freie Innenhochdruckumformung (FIDU)…185 — Laserstrahlumformung…186 — Wölbfacettierung…186 — Additive Formgebung…187 — Laserstrukturieren…187 — 3D-Wasserstrahlschneiden…188 — Mehrfunktionales Anodisieren…189 — Trockenzerspanung…189 — ­K leberfreies Fügen…191

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179 Nachhaltige produktionsverfahren

180 Nachhaltige produktionsverfahren

Neben der Auswahl des Materials hat vor allem die Herstellung und somit die zur Anwendung kommende Fertigungstechnik Einfluss auf die Nachhaltigkeit eines Produkts. Zur Optimierung der Umweltbilanz eines Produktionsprozesses haben sich vier unterschiedliche Strategien bewährt: 1. Durch Kombination unterschiedlicher Fertigungsprinzipien lassen sich umweltbelastende Techniken ersetzen und die Menge schädlicher Abfallstoffe reduzieren. Ein Beispiel für diesen Strategieansatz ist die Anwendung der Lasertechnologie zur Oberflächenstrukturierung von Werkzeugformen für die Herstellung dekorativer Kunststoffbauteile. Aufwendiges Erodieren und umweltbelastendes Ätzen sind nicht mehr notwendig. 2. Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung einer nachhaltigen Produktion ist die Reduzierung des Fertigungsaufwands durch Herstellung von Formteilen in einem Prozessschritt. So können beim Metal Injection Molding komplexe Bauteilgeometrien aus metallischen Materialien in kurzer Fertigungszeit erzeugt werden, die sonst nur durch aufwendiges Fräsen möglich wären. 3. Zur Reduzierung des Fertigungsaufwandes hat sich auch die Integration mehrerer Funktionen in ein Bauteil bewährt. Beispiele sind das Mehrkomponentenspritzgießen oder die sogenannten InMold-Techniken, bei denen verschiedene Elemente und Materialien in einer Werkzeugform zusammengeführt werden. 4. Im letzten Jahrzehnt haben sich darüber hinaus Techniken am Markt etabliert, die die Fertigung komplexer Bauteilgeometrien ohne kostenintensive Werkzeugformen möglich machen. Dazu zählen Laserbearbeitungstechnologien ebenso wie das Wasser­ strahlschneiden. Ein weiteres prominentes Beispiel ist freie Innen­ hoch­druck­umformung zur Herstellung von Blechteilen für den Leichtbau.

181 Nachhaltige produktionsverfahren

„Plopp“, aufgeblasener Metallhocker (Quelle: Oskar Zieta)

Laserstrahlunterstütztes Umformen (Quelle: Fraunhofer IPT, Foto: Adelheid Peters)

Laserstrahlhärten (Quelle: Fraunhofer IPT, Foto: Adelheid Peters)

Wasserstrahlschneiden (Quelle: Fraunhofer IPT, Foto: Adelheid Peters)

Spritzgießen ist das weltweit ökonomischste Verfahren zur Massenherstellung von Kunststoffbauteilen. Die Technologie macht es auch möglich, mehrere Komponenten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften und Farbigkeiten zu fertigen und/oder Bauteile aus Kunststoff und einem anderen Material lose oder fest miteinander zu verbinden. Fertigungskonzept

Werden mehrere unterschiedliche Kunststoffsorten in einem Bauteil verarbeitet, spricht man von Mehrkomponentenspritzgießen. In einem hochkomplexen Formteilwerkzeug gelangen die verschiedenen Polymerwerkstoffe zeitversetzt in die Kavität. Auf diese Weise lassen sich Bauteile mit vielfältigem Eigenschaftsprofil erzeugen, die zum Teil gegensätzliche Qualitäten aufweisen, also gleichzeitig weich und fest sind. Werden die Bauteile zunächst in unterschiedlichen Formen getrennt voneinander gespritzt und anschließend miteinander verbunden, wird von Mehrschalenspritzguss gesprochen. Montagespritzgießen bezeichnet in diesem Zusammenhang einen Prozess, bei dem während des Spritzgussprozesses bewegliche oder starre Formteile montiert werden. Bei InMold-Techniken werden vorher bedruckte Folien oder Bildetiketten mit Kunststoff hinterspritzt. Auf diese Weise lässt sich der Aufwand zum Bedrucken bzw. Lackieren erheblich reduzieren.

Mitte der 1980er Jahre wurde die Herstellung von Kunststoffteilen mit besonderem Dekor durch die Möglichkeit des Hinterspritzens von Folien revolutioniert. Mittlerweile sind InMoldTechniken auch für Bauteile mit Holz- und Metalloberflächen im Einsatz. Die bekannteste Verfahrensvariante ist die InMold-Decoration.

182 Nachhaltige produktionsverfahren

Eigenschaften  ökonomische Herstellung von Kunststoffbauteilen in hohen Stückzahlen // Integration unterschiedlicher Materialitäten // auch Montage beweglicher Teile möglich Nachhaltigkeitsaspekte  Reduzierung des Fertigungs-, Montage- und Veredelungs­ aufwands // Verringerung der Bauteileanzahl

MehrkomponentenspritzgieSSen Anwendung und verarbeitbare Materialien

Spritzgießanlage (Quelle: Arburg)

Der Mehrkomponenten- bzw. Montagespritzguss kommt überall dort zum Einsatz, wo komplexe Bauteile mit vielfältigen Eigenschaften bei hoher Reproduktionsgenauigkeit in kurzen Zykluszeiten in mittleren bis hohen Stückzahlen produziert werden sollen. Diese werden dann in Elektrogeräten, im Kfz-Innenraum oder im Sanitärbereich genutzt.

Eigenschaften  wirtschaftliche Dekoration von Kunststoffbauteilen // unterschiedliche Materialitäten kombinierbar // Dekore mit integrierter Beschriftung realisierbar // RFID Label verfügbar Nachhaltigkeitsaspekte  Reduzierung von Fertigungsschritten // Vermeiden aufwendiger Lackierung

Fertigungskonzept

Ein bedrucktes Bildetikett wird auf einem Folienband dem Spritzgießwerkzeug zugeführt und anschließend plastifizierter Kunststoff bei hohem Druck hinter die Folie gespritzt. Diese löst sich vom Folienträger, wird gegen die Formwand gepresst und nimmt deren Geometrie an. Von InMold-Labeling wird gesprochen, wenn plane Folienstücke einzeln in das Werkzeug eingelegt und hinterspritzt werden. Werden Folienhalbzeuge aus polymeren oder metallischen Werkstoffen zunächst ausgestanzt und vorgeformt und erst dann mit Kunststoff hinterspritzt, spricht man von Foil Insert Molding. 1. Folienzuschnitt // 2. Bauteil nach dem Spritzgießen // 3. Bauteil nach dem Spritzprägen kurz vor dem Stanzen // 4. Blende ausgestanzt mit Stanzrand (Quelle: IWK)

InMold-Techniken

183

Anwendung und verarbeitbare Materialien

InMold-Techniken haben sich überall dort bewährt, wo fertig dekorierte Formteile für Massenprodukte benötigt werden. So lassen sich heute selbst Autoverglasungen, Displays und Elektrogehäuse mit diesen Verfahren höchst effizient herstellen. Dabei können verschiedene Materialeigenschaften kombiniert (zum Beispiel Metalle, Textilien, Holzfurniere) und Dekore mit integrierten Symbolen und Lichteigenschaften erzeugt werden. Für den Sanitärbereich werden hinterspritzte Metallfolien aus Aluminium oder Edelstahl genutzt. Zur Optimierung logistischer Prozesse sind RFID-InMold-Label verfügbar. Außerdem eignet sich das Verfahren zur Verarbeitung von Solar­folien und zum Aufbringen polymerelektronischer Elemente wie zum Beispiel OLED.

Nachhaltige produktionsverfahren

Feedstockaufbereitung Düsenseite

Schließseite Metallfolie Kavität

Werkzeugaufbau

Prägestempel

Schmelze

Einspritzen

Präge und Stanze

Folienhinterspritzte Bauteile für das Kfz-Interior (Quelle: Bayer MaterialScience)

Das Metallspritzgießverfahren wurde mittlerweile so weit entwickelt, dass es sich zur Herstellung hochpräziser metallischer Baut­eile bis in Bereiche weniger Mikrometer eignet.

Eigenschaften  Spritzgießen metallischer Bauteile // metallische Pulver mit thermoplastischem Binder // Entbindern nach Formgebung durch langsame Erwärmung // Schwindmaß 20 bis 30 Prozent

Fertigungskonzept

Nachhaltigkeitsaspekte  effiziente Material­ ausnutzung // geringe Umweltbelastung mit biologisch abbaubaren Bindemitteln

Für die Verwendung konventioneller Spritzgussmaschinen zur ökonomischen Produktion metallischer Bauteile in hohen Stückzahlen wird metallisches Pulver mit einem thermoplastischen Binder oder Wachsen vermischt und in die Werkzeugform gespritzt. Anschließend kann das Bauteil aus der Form genommen und der Binder durch eine Wärmebehandlung entfernt werden. Beim Entbindern muss auf eine langsame Erwärmung geachtet werden, damit das Bauteil durch den Verflüssigungsprozess nicht beschädigt wird. Eine Alternative bieten Polyvinylalkohole (Seite 64) als Bindermaterial, die sich in Wasser auflösen und biologisch abbaubar sind. Nachdem der Binder entfernt wurde, werden die Teile unter Wärme verdichtet und erhalten ihre finalen mechanischen Eigenschaften. Bei der Bauteilauslegung muss ein Schwindmaß von 20 bis 30 Prozent berücksichtigt werden.

Metal Injection Molding Prozessabfolge beim Metal Injection Molding Feedstockaufbereitung Pulver

Grünteilproduktion Binder

Extruder

Entbindern

Sintern

Sinterschwindung

184 Nachhaltige produktionsverfahren

Zahnräder hergestellt durch Metallspritzgießen (Quelle: Arburg)

Zur Herstellung großflächiger Blechteile wurden bislang kostspielige Umformwerkzeuge benötigt, die die Anfertigung komplexer Bauteilgeometrien in niedrigen Stückzahlen durch Tief- oder Streckziehen nicht wirtschaftlich erlaubte. Am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen wurde daher ein Verfahren zur inkrementellen Blechumformung (IBU) entwickelt, das dies nun möglich macht.

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Das Metallspritzgießen ist grundsätzlich für alle sinterbaren Metalle und Legierungen anwendbar. Dazu zählen Edelstähle ebenso wie Aluminiumund Kupferlegierungen sowie Edelmetalle. Der große Vorteil gegenüber anderen Verfahren ist die Möglichkeit zur Herstellung hochkomplexer Formteilgeometrien in einem Fertigungsschritt. Typische Anwendungen sind Uhrengehäuse oder Elemente für elektrische Geräte. Das Verfahren kommt in der Luft- und Fahrzeugindustrie genauso zum Einsatz wie in der Medizintechnik.

Eigenschaften  Verformung großformatiger Blechteile // CNC-gesteuerter Umformkopf // Übertragung von CAD-Daten auf das Bauteil // hohe Reproduziergenauigkeit // niedriger Aufwand für Anfertigung von Werkzeugformen Nachhaltigkeitsaspekte  Verringerung des Fertigungsaufwands für großflächige Blechteile // niedriger Energieaufwand durch Vermeiden hoher Umformkräfte

Inkrementelle Blechumformung (IBU)

Prozessabfolge bei der inkrementellen Blechumformung (Quelle: beauvary)

Fertigungskonzept

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Bei der neuen Technologie wird eine Hälfte der in umformenden Verfahren eingesetzten Werkzeuge durch eine kinematische Umformung mithilfe von Universalwerkzeugen ersetzt. Die Formgebung erfolgt mit einem CNC-gesteuerten Umformkopf, der das Blech partiell plastisch verformt. Auf diese Weise überträgt das Werkzeug die digitalen CAD-Produktdaten auf das Werkstück. Die flexible Ansteuerung ermöglicht die Herstellung selbst komplex geformter Bauteile ohne lange Vorlaufzeiten. Weitere Vorteile des Verfahrens sind die hohe Reproduziergenauigkeit, eine gleichbleibende Qualität und geringe Herstellkosten.

Blechbauteile werden in vielen Technologiebereichen in Leichtbaustrukturen eingesetzt. Infolge der hohen Gestaltungsfreiheit sind sie häufig auch Träger des Markenimages vieler Produkte.
 Daher bietet die inkrementelle Blechumformung neben den klassischen Anwendungen im Maschinenbau auch für Architektur und Innendesign zahlreiche Möglichkeiten. Die Technik kann zur Gestaltung von Fassadenelementen ebenso eingesetzt werden wie für Oberflächenstrukturen von Möbeln oder Wandelementen für den Innenausbau. IBU ist für alle typischen Materialien in Blechbauteilen anwendbar.

Die Verwendung von hohem Druck zum Aufblasen von Hohlkörpern ist für metallische Werkstoffe ungewöhnlich. In der Automobilindustrie wird das Innenhochdruckumformen genutzt, um Rohrprofile für das Abgassystem effizient herstellen zu können. Das freie Aufblasverfahren des polnischen Architekten Oskar Zieta bietet seit 2008 neue Potenziale für Architekten und Möbeldesigner.

185 Nachhaltige produktionsverfahren

Eigenschaften  Basis bilden zugeschnittene Blechteile // Umformung unter Druck­ beaufschlagung // Genauigkeit von 0,1 mm erzielbar // Möbel und architektonische Leichtbaustrukturen Nachhaltigkeitsaspekte  effizienter Herstellungsprozess von Leichtbaustrukturen // Vermeiden aufwendiger Montageschritte

Freie Innenhochdruck­umformung (FIDU) Aufblasvorgang (Quelle: Oskar Zieta)

Fertigungskonzept

Den Ausgangspunkt für das Verfahren bilden Bleche, die zunächst präzise auf einer Laserschneidanlage vorgeschnitten und dann an den Rändern zusammengeschweißt werden. Durch ein Ventil wird nun mit hohem Druck (bis 7 bar) Luft (oder auch Wasser) eingeleitet, die die Bleche verformt und langsam einen dreidimensionalen Körper entstehen lässt. Je nach Geometrie, Dauer und Druck fällt die Deformation unterschiedlich aus. Die spezielle Konturierung der Bleche sorgt dafür, dass sich in bestimmten Bereichen Knicke ausbilden und in anderen tragfähige und kissenartige Volumen mit einer Genauigkeit von einem Zehntel Millimeter entstehen.

Stuhlkollektion „Chippensteel“ (Quelle: Oskar Zieta)

Architonic Messestand auf der IMM Cologne 2010 (Quelle: Oskar Zieta, F.: gee-ly)

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Das Verfahren ist geeignet, um zum Beispiel Formteile für die Möbelindustrie ohne aufwendige Werkzeuge und Stempel zu erzeugen. 2008 ist unter dem Namen „Plopp“ ein Hocker auf dem Markt erschienen. Auch eine Bank, ein Tischgestell sowie eine Lampe sind mit dem Verfahren schon hergestellt worden. Der FIDU-Entwickler Oskar Zieta plant nun die Übertragung des Fertigungsprinzips auf andere Bereiche und die Herstellung von Leichtbaukonstruktionen für die Architektur (zum Beispiel für den Brückenbau). Auch die Herstellung von Rotoren für Windkraftwerke oder Strukturen für Fahrgastzellen wurde bereits getestet. Auf der IMM Cologne ist im Januar 2010 der erste Messestand aus aufgeblasenen Strukturen vorgestellt worden.

Mit FIDU erzeugter Kleiderkam m (Quelle: Oskar Zieta)

Mit FIDU erzeugte Leiter (Quelle: Oskar Zieta)

Herstellungsprozess für ein Brückenelement (Quelle: Oskar Zieta)

Tiefziehen, Biegen und Drücken sind die klassischen Verfahren, um eine dauerhaft plastische Verformung eines Bauteils zu erzeugen. Dabei werden für exakt definierte Formgeometrien teils sehr aufwendige Werkzeuge benötigt. Eine Alternative zur hochflexiblen Verformung von Blechteilen in kleinen Stückzahlen bietet die Laserstrahlumformung.

Fertigungskonzept

Die Umformung erfolgt durch Einbringen von Energie mit einem Laserstrahl entlang der Biege­ linie. An der Werkstückoberfläche wird das Blech in der Randzone erwärmt. Im Verhältnis zu den benachbarten Materialbereichen kommt es aufgrund unterschiedlicher Temperaturen zu Druckspannungen, die eine plastische Verformung hervorrufen. Mit dem Laser lassen sich scharf abgegrenzte Bereiche erwärmen, so dass ein definierter Umformprozess eingeleitet werden kann. Durch mehrfaches Überfahren der Biegelinie sind größere Biegeradien erzielbar.

186 Nachhaltige produktionsverfahren

Eigenschaften  Umformung durch Laserstrahlung // komplexe Bauteilgeometrien radien durch realisierbar // große Biege­ mehrfaches Überfahren der Biegelinie Nachhaltigkeitsaspekte  Reduzierung des Fertigungsaufwands // Vermeiden komplexer Werkzeugformen // hochfeste Leichtbau­ teile für den Automobilbau

Laserstrahlumformung Anwendung und verarbeitbare Materialien

Obwohl das Prinzip der Laserstrahlumformung schon seit mehreren Jahren bekannt ist, befindet sich die Technik immer noch im Prototypenstadium. Sie soll potenziell die Herstellung komplexer Blechgeometrien kostengünstiger gestalten und Formteilkomplexitäten möglich machen,

die mit konventionellen Technologien gar nicht produzierbar wären. Das Verfahren ist für unterschiedliche metallische Materialien geeignet. In der Reihenfolge Stahl, Titan, Edelstahl, Kupfer, Messing und Aluminium ergeben sich zunehmende Biegewinkel.

Eigenschaften  auf Basis natürlicher Selbst­ organisation // viereckige oder hexagonal gewölbte Wabenstruktur // hohe Tragfähigkeit und Stabilität // geringe Wandstärke und Rückfederung // günstige akustische Eigenschaften

Die Idee der Wölbfacettierung basiert auf dem Phänomen der natürlichen Selbstorganisation, die man in der Natur zum Beispiel beim Schildkrötenpanzer findet. Unter bestimmten Belastungen gehen Materialien aus einer ebenen Fläche sprunghaft in eine viereckige oder hexagonal gewölbte Wabenstruktur über. Diese hat eine wesentlich verbesserte Tragfähigkeit bei gleichem Materialaufwand.

Nachhaltigkeitsaspekte Leichtbaustrukturen bei reduziertem Materialaufwand // hohe Tragfähigkeit und Stabilität bei geringer Wandstärke

Wölbfacettierung Fertigungskonzept

Dach eines Sportstadions in Odessa mit wölbfacettierten Blechen (Quelle: Dr. Mirtsch GmbH)

Wölbfacettierte Wäschetrom mel (Quelle: Dr. Mirtsch GmbH)

Zur Herstellung wird ein gekrümmter Flächenwerkstoff von einer Seite partiell gestützt und von der anderen Seite unter Druck gesetzt. Das Material reagiert auf die Belastung und bildet eine energieminimierte 3D-Struktur aus. Diese zeichnet sich durch hohe Formstabilität bei geringer Wandstärke und Rückfederung aus. Somit bietet das Verfahren eine werkstoffsparende Alternative zu den typischen umformenden Techniken. Die Oberflächenqualität des Ausgangsmaterials verändert sich durch den Strukturierungsvorgang nicht. Wölbfacettierte Materialien zeigen günstige akustische Eigenschaften und weisen einen verminderten Körperschall auf. Zudem unterstützen sie den Wärmeaustausch.

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Wölbfacettierungen haben besondere optische Qualitäten, die sie für Designer und Architekten interessant machen. Sie können materialunabhängig erzeugt werden und eignen sich für Architekturfassaden, Leichtbaudächer und das Kfz-Interior. Im Produktbereich werden erste Waschmaschinen, Möbel, Leuchtengehäuse oder Reflektoren mit wölbfacettierten Strukturen ausgestattet. Hauptsächlich ist die Technologie für Strukturen aus Edelstahl, Kupfer, Titan oder Aluminium gedacht.

3D-Drucken, Fabbing, Lasersintern, Stereo­ lithographie oder Laminated Object Manu­ facturing: Galten die Verfahren noch vor zehn Jahren als Technologieinnovationen, so hat sich die additive Formgebung aus einem Nischenmarkt hin zu einem Zukunftsbereich entwickelt, der vor allem auch Nachhaltigkeitsaspekte aufweist.

187

Eigenschaften  additives Aufbauprinzip // wirtschaftliche individuelle Bauteilherstellung auf Basis von CAD-Daten // optimale Materialausnutzung // nahezu keine Abfälle

Nachhaltige produktionsverfahren

Nachhaltigkeitsaspekte  Vermeiden von Werkstoffabfällen bei der Fertigung // exakt auf Körperformen oder auf Strömungsbedingungen herstellbare Geometrien

Additive Formgebung Belichtung einer Pulverschicht beim Lasersintern (Quelle: Fraunhofer IPT, Foto: Adelheid Peters)

Fertigungskonzept

Lasergenerierte Metallstruktur (Quelle: Bego Medical)

Die Nachhaltigkeitsaspekte beruhen auf einem revolutionären Fertigungsprinzip. Bauteile entstehen nicht durch Wegnahme von Material wie beim Fräsen oder Drehen, sondern durch einen additiven Prozess. Während bei einigen Verfahren der Werkstoff aufgeschmolzen wird, um ihn durch eine mit einem Plottermechanismus geführte Düse aufzutragen, geht der Aufbauvorgang beim Lasersintern auf das lokale Aufschmelzen von Materialpulver mit einem Laserstrahl zurück. Ausgehend von 3D-CAD-Daten lassen sich komplexe Formgeometrien durch schichtweises Belichten einzelner Bauteilquerschnitte in einem Pulverbett erzeugen.

direkte Bauteilproduktion möglich. Vor allem weisen die Verfahren Vorteile bei der Herstellung hochkomplexer Geometrien mit beweglichen Innenteilen auf, die sich sonst mit keiner Technik realisieren ließen. So könnten Bauteile beispielsweise strömungstechnisch ideal ausgelegt werden und somit zur Reduzierung des Energieverbrauchs von Fahrzeugen beitragen. In der Medizintechnik wird die additive Fertigung auch zur Herstellung von Implantaten genutzt, die perfekt auf den menschlichen Körper angepasst sind.

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Im Fabber aufgebaute dreidimensionale Struktur

Eigenschaften  Einbringen von Dekoren mit dem Laserstrahl // Vermeiden von umwelt­ belastendem Ätzen bzw. Lackieren // Individual­ fertigung und Kleinserien // einsetzbar bei Metallen, Gläsern, Hölzern, Keramiken und organischen Stoffen Nachhaltigkeitsaspekte Reduzierung von Fertigungsschritten // Vermeiden von Beschichtungs- und Klebeprozessen

Wurden die unterschiedlichen Verfahren zunächst ausschließlich für den Modell- und Prototypbau genutzt, machen material- und fertigungstechnische Weiterentwicklungen mittlerweile die

Fabber für den Eigenbau

Für Gestaltungsberufe hat der Laser ein großes Potenzial, da man zum Schneiden, Schweißen oder Bohren kein aufwendiges Werkzeug mehr benötigt. Dies macht den Laser gerade für die Anfertigung von Kleinserien und die Individualfertigung geeignet. In den letzten Jahren konnten einige klassische Produktionstechniken ersetzt werden.

Fertigungskonzept

Die Strahlenergie lässt sich vor allem auch verwenden, um direkt auf Materialoberflächen dekorative und filigrane Strukturen zu erzeugen. Der

Laserstrukturieren

Werkstoff wird dabei entweder verfärbt, aufgeschmolzen oder vollständig abgetragen. Markierlaser sind damit vielen Beschichtungstechniken in Sachen Flexibilität und Umweltverträglichkeit deutlich überlegen. Bei der Herstellung von Formeinsätzen für den Kunststoffspritzguss wird die Energie des Laserstrahls genutzt, um Oberflächenstrukturen einzubringen, die hinterher in den Kunststoffbauteilen sichtbar werden. Konventionelle Verfahren wie aufwendiges Erodieren und Galvanoformen bzw. umweltbelastendes Ätzen werden auf diese Weise vermieden.

188 Nachhaltige produktionsverfahren

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Markierlaser sind zur Bearbeitung von Metallen, Gläsern, Hölzern, Keramiken und verschiedenen organischen Stoffen geeignet oder können Beschichtungen und Lacke von diesen entfernen. Kunststoffe werden in der Hauptsache verfärbt bzw. aufgeschäumt. Die Anwendungsfelder liegen weit gestreut in der Beschriftung von Herzschrittmachern, Früchten, Badarmaturen, Handys,

Dreidimensionales Wasserstrahlschneiden war wegen aufwendiger Programmierung und komplexer Steuerung bislang nur eingeschränkt rentabel. Die Technik fand daher überwiegend bei der zweidimensionalen Bearbeitung Verwendung. Wie das Lasercutverfahren hat es eine große Bedeutung für komplexe Konturschnitte in Bauteilen geringer Stückzahl. Durch eine optimierte CAD/CAM Anbindung und unter Einsatz von 5-AchsSystemen wie beim Fräsen können komplexe Formteile nun auch in dritter Dimension ökonomisch geschnitten werden.

Uhren, Parfümflakons, Sonnenbrillen und vielem mehr. Auch bei der Herstellung von Solarzellen, Schaltern und Schaltkulissen im Auto oder von Silizium-Chips kommen Laser zum Einsatz.

Strukturieren von Formeinsätzen für den Kunststoffspritzguss (Quelle: Fraunhofer IPT, Fotos: Adelheid Peters)

Eigenschaften  wirtschaftliche Einbringung dreidimensionaler Schnitte // Herstellung konusartiger Formteile // Verwendung eines dünnen Hochdruckwasserstrahls // sowohl für weiche als auch harte Stoffe // CNC-Steuerung Nachhaltigkeitsaspekte  Trenntechnik ohne Schleifstaub oder Späne // keine chemische Luftverschmutzung

3D-Wasserstrahlschneiden

Fertigungskonzept

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Die Trennung des Materials erfolgt durch einen dünnen Hochdruckwasserstrahl, der mit einer CNC-Steuerung auf das zu bearbeitende Bauteil ausgerichtet wird. Die Technik bietet die Möglichkeit, Schnitte auch in Rohren oder Freiformoberflächen ohne Vorbearbeitung einzubringen. Es gibt keine Gestaltungsgrenzen. Die Oberflächenqualität der Schnittkante wird durch die Vorschubgeschwindigkeit des Strahls beeinflusst. Sie ist abhängig von Zähigkeit und Härte des Materials. Das 3D-Wasserstrahlschneiden bietet die Möglichkeit zur Herstellung konusartiger Formteilgeometrien.

Der reine Wasserstrahl ist zur Bearbeitung weicher und zäher Materialien (zum Beispiel Leder, Textilien, Schaumstoffe) geeignet; bei harten und zähelastischen Stoffen wird dem Strahl ein Trennmittel beigemischt. Das Verfahren weist gegenüber anderen Schneidtechniken vor allem dann Vorteile auf, wenn das Material empfindlich auf eine thermische Belastung reagieren würde. Dies trifft vor allem auf Textilien, Kunststoffe oder Gläser zu. Der Wasserstrahl bietet aber auch unter Umweltgesichtspunkten einige Vorteile, da bei der Bearbeitung weder Stäube noch gesundheitsschädliche Dämpfe entstehen.

Mit dem Wasserstrahl erzeugtes konusartiges Bauteil (Quelle: Karodur)

Das Anodisieren (auch Eloxieren genannt) ist eine der bedeutendsten Techniken zur Veredelung von Aluminiumoberflächen. Sie basiert auf der hohen Reaktionsfreudigkeit von Aluminium mit Sauerstoff. Eine dichte Oxidschicht kontrolliert aufzubringen ist Ziel des Verfahrens.

189 Nachhaltige produktionsverfahren

Eigenschaften  Veredelung von Aluminiumoberflächen // Herstellung funktionaler Schichten // Selbstreinigungseffekt durch Mikrostrukturierung // Kontaktwinkel 160° bei aufliegenden Flüssigkeiten Nachhaltigkeitsaspekte  Reduzierung von Reinigungsintervallen // Verlängerung der Lebensdauer von Al-Teilen // Recycling der kratzfesten Beschichtung möglich

Fertigungskonzept

Beim Eloxieren wird das Aluminiumbauteil positiv geschaltet in ein Bad mit einer Elektrolytlösung als negativem Pol getaucht. Ein Stromfluss setzt ein, infolgedessen sich in der Lösung positiv geladene Wasserionen bilden, die an der Oberfläche zu einer sehr harten und widerstandsfähigen Oxidschicht reagieren. Diese kann gefärbt werden und übernimmt eine dekorative Funktion. Aufgrund der durchschimmernden Transparenz der Eloxalschicht lassen sich Aluminiumbauteile färben, ohne dass sie ihren Metallcharakter verlieren. Um der Beschichtung neben der Qualität zum Korrosionsschutz weitere funktionale Eigenschaften zu geben, ist es mittlerweile möglich, durch Mikrostrukturierung der Eloxaloberfläche und anschließender Behandlung mit einer Reagenz einen Selbstreinigungseffekt an Aluminiumteilen zu erzeugen. Aufliegende Flüssigkeiten werden von der keramisch anmutenden Oberfläche nahezu abgestoßen und weisen einen Kontaktwinkel von 160° mit einem sehr interessanten optischen Effekt auf.

Bei der zerspanenden Bearbeitung metallischer Werkstoffe (zum Beispiel durch Fräsen oder Drehen) wird zur Verbesserung der Oberflächenqualität und Senkung des Verschleißes in aller Regel ein Schmierstoff verwendet. Verschiedene Emulsionen und Öle, die die Temperatur an der Werkzeugschneide senken und den Abtransport der Späne unterstützen, stehen zur Verfügung. Unter Umweltgesichtspunkten erscheint allerdings eine Bearbeitung metallischer Werkstoffe ohne Schmierstoffe sinnvoller. Daher wurden in den letzten Jahren Schneidmaterialien mit hoher Härte entwickelt und die Prozessparameter untersucht, die eine Trockenbearbeitung ermöglichen.

Mehrfunktionales Anodisieren Anwendung und verarbeitbare Materialien

Cremetiegel mit anodisierter Oberfläche (Quelle: Seidel)

Das Verfahren wird derzeit für die großtechnische Produktion qualifiziert. Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise selbstreinigende Cremetiegel für die kosmetische Industrie oder wasserabweisende Badkomponenten. Wird das relativ junge Verfahren auf die wirtschaftliche Veredelung von größeren Aluminiumflächen übertragen, ließe es sich auch für Architekurfassaden nutzen.

Nachhaltigkeitsaspekte  Verzicht auf Schmiermittel // Vermeiden umweltbelastender Schmiermitteldämpfe

Trockenzerspanung

190

Fertigungskonzept

Da die verschiedenen zerspanenden Techniken unterschiedliche Anforderungen an Kühlung und die Notwendigkeit zum Abtransport der Späne stellen, ist eine Trockenbearbeitung nicht bei allen Verfahren ohne weiteres möglich. Während das Fräsen, Drehen und Sägen gute Möglichkeiten bieten, sind das Läppen, Honen und Schleifen eher ungeeignet. Auch für das Bohren ist eine Trockenbearbeitung problematisch, da sich die Spanabfuhr aus dem Bohrloch ohne Schmiermittel als schwierig erweist.

Nachhaltige produktionsverfahren

Neben den angewendeten Verfahren hat auch das zu bearbeitende Material Einfluss auf die Wahl des Schneidwerkstoffs bei der Trockenbearbeitung. Vor allem bei leicht zu zerspanenden Metallen wie Magnesium, Aluminium oder Eisenguss ist die Bearbeitung ohne bzw. unter minimaler Schmiermittelzufuhr (MMS) inzwischen weit verbreitet. Mittlerweile exisitieren auch Hochleistungswerkzeuge aus Titan oder Titannitrid TiN zur Trockenbearbeitung von un- und niedrig legierten Stählen.

Fräsen ohne Schiermittelzufuhr (Quelle: Fraunhofer IPT, Foto: Adelheid Peters) Möglichkeiten der Trockenbearbeitung für unterschiedliche Materialien und Verfahren (MMS = Minimalmengenschmierung) Werkstoff

Aluminium

Messing

Grauguss

Stähle

Verfahren

Guss­ legierung

Knet­ legierung

verschiedene Legierungen

GG20 bis GGG70

Hochleg. Stähle, Wälzlagerstahl

Automaten-­ Vergütungsstahl

Nichtrostende, VA-Qualitäten

Sägen
 Beschichtung

MMS
 TiN

MMS
 TiN

Trocken

Trocken

MMS

MMS

(MMS)

Fräsen
 Beschichtung

MMS
 TiN+MoS²

MMS
 ohne

Trocken/MMS

Trocken TiN

Trocken/MMS (Ti,Al)N, MoS²

Trocken/MMS
 TiN

(MMS)

Wälzfräsen

 Beschichtung

X

X

X

Trocken TiN

Trocken/MMS (Ti,Al)N, MoS²

Trocken/MMS
 TiN

X

Bohren
 Beschichtung

MMS
 (Ti,Al)N

MMS
 ohne

Trocken/MMS

Trocken TiN

MMS (Ti,Al)N, MoS²

Trocken TiN

(MMS) PVD (Ti,Al)N

Tieflochbohren
 Beschichtung

MMS
 (Ti,Al)N, MoS²

X

MMS

MMS
 TiN

X

MMS (TiAl)N+ Movic

X

Gewindeschn. Beschichtung

MMS
 TiN

MMS

MMS
 Ti(C,N)

MMS
 TiN

MMS TiN

X

Gewindeformen
 Beschichtung

MMS
 CrN, WC/C

MMS

MMS

MMS

MMS

MMS Ti(C,N)

X

Drehen
 Beschichtung

MMS

MMS
 TiN

Trocken/MMS

Trocken TiN

MMS TiN

MMS TiN

(MMS)

Räumen
 Beschichtung

X

MMS

MMS

Trocken MMS TiN

Trocken/ MMS
Ti(C,N)Multilayer

Trocken/MMS
 Ti(C,N)Multilayer

X

Reiben
 Beschichtung

MMS
 (Ti,Al)N, PKD

MMS
 ohne

X

MMS PKD-Leiste

(MMS)

MMS PKD-Leiste

X

Inspiriert vom Gecko, der mit Milliarden feinster Härchen an seinen Füßen kopfüber an Scheiben kleben kann, versuchen Wissenschaftler schon seit einigen Jahren, den natürlichen Mechanismus aus der Natur in industrielle Anwendungen zu überführen. Die Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen ganz unterschiedliche Möglichkeiten zur Vermeidung synthetischer Klebstoffe.

Fertigungskonzepte und Anwendung

Hafttextilien Hafttextilien sind Materialien, die ohne Kleber auf jedem porenfreien Untergrund haften und deren Haftkraft auch nach mehrfachem Ablösen nicht verloren geht. Sie lassen sich überall dort anwenden, wo Sicht- und Blendschutz gefragt sind, architektonische oder gestalterische Vorgaben jedoch keine Rollos oder Vorhänge erlauben. Zudem sind bedruckbare Varianten für flexible Dekolösungen am Markt verfügbar. Besonders gute selbstklebende Eigenschaften zeigen Hafttextilien auf unstrukturiertem Floatglas, Spiegelflächen, Wandfliesen und lackierten Holzoberflächen. Nanoklettverschluss Klettverschlüsse in Nanodimension helfen zur Fixierung von Kleinstbauteilen in der Mikroproduktion. Sie basieren auf einer grasartigen Struktur mit nanoskaligen Siliziumnadeln. Diese ist auch unter dem Namen „Black Silicon“ (Seite 167) bekannt. Die nadelartigen Strukturen verhaken ineinander und sorgen für eine stabile Verbindung. Nach Aufbringen geringen Drucks ist die Verbindung wieder lösbar. Hohe Fügekräfte führen zu dauerhaft stabilen Verbindungen. Die Nadeln haben von der Spitze bis zum Boden eine Länge von 300 bis 900 Nanometern. Siliziumgras wird auch zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet, da auftreffendes Licht nicht reflektiert wird. Holzverbindungen unter Nutzung natürlichen Lignins Unlösliche Verbindungen zwischen zwei Holz­ oberflächen lassen sich mittlerweile ganz ohne Zusatz eines Klebstoffs realisieren. Die Bauteile werden mit einer Frequenz von rund 100 Hertz gegeneinander gerieben, bis das in der Holzstruktur befindliche Lignin durch die entstehende Wärme schmilzt und in die offenen Poren eindringt. Der natürliche Kleber erstarrt nach Abkühlung, es entsteht eine feste Verbindung zwischen den Oberflächen. Die Festigkeit an den Verbindungsstellen ist ausreichend für die Herstellung von kleinen Holzbauteilen und Möbeln.

191

Nachhaltigkeitsaspekte  Vermeiden von Klebsubstanzen und riechenden Ausdünstungen // Beschleunigen von Montageprozessen

Nachhaltige produktionsverfahren

Kleberfreies Fügen

Hafttextilien zur Raumabdunkelung (Quelle: Création Baumann)

Holzkonstruktion mit Holzdübeln Einen sehr interessanten Ansatz, um die Verwendung von Leimen oder chemischen Substanzen zu vermeiden, verfolgt man im Bereich der Holz­a rchitektur. Hier sind Systeme entwickelt worden, die vollständig aus Holz bestehen. Kanthölzer und Bretter werden stehend, liegend und diagonal zu kompakten Bauteilen geschichtet, staubtrockene Buchenholzdübel durchdringen diese Schichten in voller Wandstärke. Die Dübel nehmen Restfeuchtigkeit auf und quellen unlösbar in die umgebenden Hölzer hinein. Das unverleimte Naturholz schafft ein wohltuendes Raumklima und weist eine hohe Wärmedämmung auf (Wärmeleitfähigkeit: 0,078 W/mK). Zudem muss das Holz nach seiner Nutzung nicht als Bausondermüll entsorgt werden.

Links: Holzarchitektur ohne Leim (Quelle: Erwin Thoma Holz GmbH) Rechts: Durch Vibra­ t ionsschweißen verbundene Holz­o berflächen (Quelle: Berner Fachhochschule)

193 anhang

Über den Autor…195 — Index…196 — Litera­ tur­ …205 — Ausgewählte Publikationen des Autors…206 — Ausgewählte Vorträge des Autors…207

— Anhang —

194 anhang Über den Autor

195 anhang Über den Autor

Dr. phil. Dipl.-Ing. Dipl.-Des. (B.A.) Sascha Peters ist Gründer und Inhaber von haute innovation in Berlin. Als Innovationsberater, Materialspezialist und Ingenieur verfolgt er das Ziel, Innovations­ prozesse zu verkürzen und werkstofftechnischen Neuerungen eine schnellere Überführung in marktfähige Produkte zu ver­ schaffen. Seit 1997 hat Dr. Sascha Peters zahlreiche Expertisen in Produkt­entwicklung, Innovation Management, Konstruktion und Industrial Design gesammelt. Er leitete Forschungsprojekte und Produktentwicklungen am Fraunhofer-Institut für Produktions­ technologie IPT (Aachen), war stellvertretender Leiter des Design Zentrum Bremen und Leiter des Materialkompetenzzentrums von Modulor (Berlin). Dr. Sascha Peters führt industrielle Anwen­ dung, universitäre Forschung und publizistische Tätigkeit zusam­ men. 2004 promovierte er an der Universität Duisburg-Essen mit einer Arbeit zur Kommunikationsförderung zwischen Designern und Ingenieuren. Peters ist Autor zahlreicher Fachpublikationen (z.B. Springer Handbuch für technisches Produktdesign) und Material-­Kolumnist für die form. Er hält europaweit Vorträge und leitet Workshops zu den Themen Materialien, Innovation und Kreativitätsmanagement. In 2010/2011 setzt er die Veranstaltungs­ reihe „Material formt Produkt“ für das Hessische Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung um. Außerdem ist er Lehrbeauftragter für das Fach „Materialtechnologien in Produkt­entwicklung und Design“ an der Kunsthochschule BerlinWeißensee. www.saschapeters.com

196 anhang Index A - C

3D-Drucken 187 3D-Textilien 115, 116 — A — Abaca 55 Abstandstextilien 83 acetylierte Holzsorten 48 Acetylierung 48 Acetylierungsprozesses 48 Acrylglas 43 aerober Abbau 66 Aerogele 94 Aktuatoren 131 Algenfasern 6 Algenzellulose 168 Aloe Vera 154 Altautoverwertung 121 Altglas 79 Altpapier 106 Aluminiumbronze 76 Aluminiumschaum 78, 104 Aluminiumschicht verbunde 98 Aluminiumschrott 77 Aminoplastpapiere 58 Ammoniumsulfat 108 Anodisieren 189 Antireflexions beschichtungen 156 antiseptische Wirkung 156 Arachnoidiscus japonicus 144 Aragonitplättchen 144 Aramidfasern 101 Aufdampftechniken 165 Aufquellen 48 Autofelge 144 Autoschrott 75

— b — Badekugeln 64 Bakelit 6 bakterielle Fermentation 34 Bakterienstamm 43 Balsaholz 86 Bambus 6 Bambusringe 73 Bambusrohre 47 Bananenfasern 73 Barktex 58 Basaltfasern 101 Batterie 158 Baumrinde 6 Bauxit 77 Beeboard 96 Biegebalken 130 Biegelinie 186 biegsame Bildschirme 173 Bio-Diesel 153 Biokomposite 32 Biokunststoffe 32 biologisch abbaubar 62 biologische Resistenz 49 Biolumineszenz 170 Bionik 142, 144 Biopolymere 32, 36, 41, 55 Bio-Rohkunststoffe 35 biotechnisches Aufschäumverfahren 105 Biowerkstoffe 32 Bitumen 109 Black Silicon 191 Blähglasgranulat 81 Blähglaszusätze 82 Blätterzeolithe 152 Bleichmittel 89 Blei-Zirkonat-Titanat 129 Blickwinkelbereich 173 Blindenleitsystem 175 BlingCrete 175 Brandschutzgel 156

Braunalgen 53 Brechungsindex 111 Brechungszahlen 155 Bronze 76 Buchenholzdübel 191 Burnham Pavillon 115 Butylacrylate 127 — c — CA 38 Cadmium-Tellurid 164 CAD-Produktdaten 184 CA-Folien 38 Calciumcarbonat 102 Carbon Footprint 8 Carbon Nanotubes 120 Carboxylat 130 Carboxylgruppen 65 Cartamela 88 Casein 32 Cashewnuss 90 chemische Stoffumwandlung 72 Chemolumineszenz 170 Chinaschilfgras 38 Chitin 32, 42 Chitosan 42 Chlamydomonas reinhardtii 167 Chlor 89 Chlorophyll 164 Chlorophyta 53 CISG-Solarzellen 164 Cladophora-Algen 167 Cladophora-Grünalgen 168 CNC-gesteuerter Umformkopf 184 CNC-Steuerung 188 CO ² -Footprint 34 CO² speichernde Wirkung 9

197 anhang Index C - F

Cocodots 46 coconut wood project 46 Compoundierung 34 CPC 50 Crashabsorber 113 CTA 38 Cyanobakterien 53 — d — Dämpfe 48 Decklage 96 Dehydration 54 „Deinking“-Prozess 89 Denken in Materialkreis- läufen 7 dickflüssiger Zuckersirup 34 dielektrische Elastomere 130 doppelwandiger Aufbau 115 doppelwandige Betonleichtbauplatten 116 dotierte Halbleiter materialien 168 Druckgussprozess 104 Drucksensoren 129 Dünnschichtsolarzellen 162 Durchschreibpapier 154 duroplastische Harzsysteme 72 — e — easy-to-clean Eigen schaften 8 Edelstahlbleche 98 Edelstahldeckschichten 98 Edelstahlreste 75 Einparkhilfen 129 Einstreugranulat 74 Einweg-Memory-Effekt 126 Eisen-Nickel 128 Eisen-Nickel-Mangan 128

Eisen-Platin 126 Elastomergranulat 74 elastomere Kunststoffe 72 Elchlosung 88 Elefantendung 88 elektrisches Feld 147 elektrische Spannung 145 elektroaktive Polymere 124 elektrochrome Pigmente 145 Elektrolumineszenz 170, 173 Elektrolumineszenz beschichtung 171 Elektrolytlösung 189 Elektrospinnverfahren 118 elektrostatisches Feld 118 Eloxieren 189 Emulsionen 189 Energiebedarf 94 energieminimierte 3D-Struktur 186 EPS 108 Erdöl 6, 72 Essigsäureanhydrid 48 Eukalyptus-Hölzer 38 expandierbares Polystyrol 102 — f — Fabbing 187 fadenförmiges Myzel 54 Fallschutzmatten 74 faltbare Zeltsysteme 114 Faserzeolithe 152 Faserbeimischung 82 Faserbeton 82 Faserbrei 88 Feigenbaum 58 feinporiges Glasgranulat 80 Fermentation 105 Ferrofluide 148 Fertigwandsysteme 88 Feuchteschäden 108 Filamentfasern 116

Flächenleuchtmittel 173 Flachlautsprecher 130 Flachs 55, 108 Flaschenglas 82 flexible Haut 114 Flockdämmung 116 Flockenstruktur 106 Fluoreszenz 170 fluoreszierende Farbstoffe 171 Fluorpolymere 117 Fluorpolymergewebe 117 Flüssigholz 44 Flüssigkristallbild schirme 173 Flüssigkristalle 145 Flusswiderstand 148 Foil Insert Molding 182 Formentrennmittel 64 Formgedächtnis legierungen 124 Formgedächtnispolymer 127 Formholzrohre 50 formverändernde Materialien 10 fotochrome Pigmente 145 fotokatalytischer Effekt 154 fotolumineszierende Partikel 171 fotolumineszierende Stoffe 170 fotosensitive Memory-Polymere 127 Fotosynthese 144 Fotovoltaik 164 freies Aufblasverfahren 185 Frischfasern 89 Furnierlagen 86 Furnierstreifen 86 Füllstoff 72

198 anhang Index G - K

— g — GaInP/GaInAs/Ge 166 Gallium 70 Gallium-Arsenid 164 Gebrauchsglas 78 gedämpfte Rotbuche 48 gefrorener Rauch 111 Gelatine 32 Gel 145 Geliermittel 132 Geotextilien 34 Gerätepucks 105 geschlossenporige Schaumstrukturen 104 Getränkekartons 70, 73 GINA 114 Gipsbauplatte 149 Gips-Maschinenputz 149 Glas 108 Glasfasermatten 175 Glasfasern 101 glasfaserverstärkte Kunststoffe 6, 121 Glasgranulat 80 Glasmehl 80 Glaspartikel 79 Glasrecyclat 80 Glasrecycling 78 Glasschaum 80 Glycerin 37, 64 Gold-Kadmium 126 Götterspeise 132 Grafitschicht 120 Grafitplättchen 102 Granit 99 Grätzelzelle 164 Grünalgen 162 Gummigranulat 74

— h — Hadern 88 Hallenkonstruktionen 117 Hanf 55, 108 Haptophyta 53 Haushaltsglas 78 Hefeextrakt 159 Hefepilze 105 Heiligenschein 174 heißes Öl 48 Heißluftballon 116 Hemizellulose 48 Herzklappe 126 Hitzeschild 103, 113 Hochbarrierefolie 111 Hochdruckwasserstrahl 188 Hochleistungskunststoffe 72 hochreaktiver Katalysator 154 Holzbrei 105 Holzfasern 44, 45, 85, 108 Holzhaptik 45 Holz-Kunststoff-Verbunde 32 Holzoptik 44 Holzpaste 105 Holzplatten­ materialien 85 Holzstaub 105 Honicel 96 Honigwaben 96 Hybridgewebe 114 Hybridmaterialien 119 Hybrix 98 Hydrogel 124 Hydrogenase 167 hydrophob 146 Hygroskopie 37, 85

— i — illuminierendes Garn 171 Indium 70 Indium-Zinn-Oxid 173 InMold-Decoration 182 InMold-Labeling 182 InMold-Techniken 182 Insektenfraß 48 Interiordesign 76 Invar 128 ionische Polymer-Metall Verbunde 130 Isocyanat 110 — j — Japanpapiere 88 Jute 55 Jutegewebe 57

— k — Kalkmehl 57 Kalziumkarbonat 144 Kantenhelligkeit 171 Karbonate 153 karbonfaserverstärkte Kunststoffe 47 Karotten 55, 56 Karottenfaserverstärkung 32 Kartoffelstärke 32, 37 Kartonwaben 96 Katalysatorelemente 113 Katheter 127 Kathodenlumineszenz 170 Kathodenstrahlröhre 170 Kautschuk 32 Kautschukbaum 43

199 anhang Index K - M

Kenef 55 Kieselalge 53, 144 kinematische Umformung 184 Klärschlamm 66 Klettverschluss 167 Klimagipfel 7 Klimaschutzpaket 7 Klinker 153 Klinoptilolith 152 Knicklicht 170 Knochen 144 Knochenersatz materialien 144 Kohlenstoffnano röhren 131, 158 Kokos 55 Kokosmosaike 46 Kokosnüsse 6 Kokospalmen 46 kompostierbare Tragetaschen 62 konstruktiver Holzbau 86 Konzentratorlinse 166 Korallen 153 Kork 36, 108 Korkeiche 109 Korkpartikel 50, 74, 87 Kork-Polymer-Komposite 32 kratzfeste Autolacke 144 Kratzfestigkeit 8 Kreide 102 Kugelgeometrie 113 Kühleffekt 169 Kühlsysteme 169 künstlicher Muskel 130, 131 Kunstharzplatten 73 Kunstrasen 74 Kunststoffblend 37 Kunststoffschrott 73 Kunststoffschwamm 104 Kupfer 76 Kupferbedarf 76 Kupferblech 76 Kupfer-Indium-Disulfid 164

Kupfer-Indium-Gallium- Schwefel-Selen Solarzellen 164 Kupfer-Zink 126 Kupfer-Zink-Aluminium 126 Kupfer-Zink-Nickel 126

Livewire 126 Lotusblume 119 Lotuseffekt 146 Luftkammern 106 Lumineszenzeffekt 172 Lumpen 88, 89 Lunar Greenhouse 115

— l — Lacke 145 LA Design Challenge 119 Laminated Object Manufacturing 187 Lärchenbretter 48 Laserbearbeitungs­technologien 180 Laserschneidanlage 185 Lasersintern 144, 187 Laserstrahl 186 Latex 43, 74, 87 Latexemulsionen 109 Latexlacke 64 Latexmilch 44 Laufbahnen 74 Laugenlösliches Einweggeschirr 66 Lebast 149 Lederindustrie 85 Lehmbauplatte 149 Leichtbaumaterialien 9 Leichtbauversteifungs elemente 113 Lein 57 Leinöl 57 leuchtende Tapeten 173 Licht 145 Lichtbrechung 148 Lichtdurchlässigkeit 145 Lichtfarbe 172 lichtleitendes Gewebe 171 Lichtleitfasern 175 Lichtsegel 58 Lignin 32, 48, 54, 191 lipophob 146

— m — Maderón 52 magnetisches Feld 147 Mahagoni 48 Maisspindeln 59 Maisstärke 7, 37 Mandelöl 154 Mandelschalen 6 Mangan-Nickel-Kupfer Legierungen 128 Markierlaser 188 Materialeffizienz 8 maxit clima 26 149 mechanischer Memory- Effekt 126 medizinische Klebe bänder 66 Meerwasser 153 Mehrkomponenten spritzgießen 182 Mehrschalenspritzguss 182 Mehrschichtgewebe 116 Membrantextilien 83 Memory-Foam 127 Memory-Metalle 126 Memry 126 Menschenhaar 119 Messing 76 Metal Injection Molding 64 Metallcharakter 189 Metallfolien 183 metallische Hohlkugeln 94 Metallpulver 144 Metallpulver-Binder Suspension 104

200 anhang Index M - P

Metallschaum 77, 78, 104 Metallspritzgießen 184 Methylmethacrylat 43 Mikroalgen 153 Mikroben 35 Mikroglaskugeln 175 mikroinvasive Chirurgie 132 Mikrokapseln 154 Mikroklima 115 Mikroorganismen 66 Mikrostrukturierung 189 Mikrosystemtechnik 132 mineralische Binder 82 mineralische Zusätze 102 Miniaturroboter 132 mittelalterliche Gläser 157 Mittellage 96 MMA 43 Modelliermasse 107 monokristalline Fotovoltaikmodule 164 Montagespritzgießen 182 Moosmatten 151 morphing materials 130 Multi Wall Carbon Nanotubes 120 Muscheln 144 Muschelschalen 80 — n — Nadelholzspäne 86 Nanoclay 156 Nanodrähte 158 Nanofasern 55 nanokristalline Silizium- partikel 155 Nanomaschinen 119 Nanometer 118 Nano- oder Mikro dimensionen 8 Nanoquarzpartikel 156 nanoskalige Gold partikel 158

nanoskaliges Titan dioxid 154 Nanostrukturierung 119 Nanotechnologie 142 Natronlauge 42 naturfaserverstärkte Kunststoffe 32 Naturkork 50 Naturlatex 85 natürliche Selbst­ organisation 186 natürliche Biopolymere 38 Naturseide 38 Naturzeolith 152 Neodym 70 Neptunbälle 108 NeptuTherm 109 Neusilber 76 Nickel-Kobalt-Eisen Legierungen 128 Nimbus 174 Nitinol 126 Nullemissionsgebäude 94 — o — offenporige Schaum ­- strukturen 104 Ökobilanz 8 ökologischer Rucksack 8 Öle 189 OLED-Fernseher 173 Olivin 153 oleophob 146 optische Kunststoffe 172 organischer Herstellungs- prozess 54 organische Leucht dioden 173 Oxidschicht 77

— p — Papierpulpe 89, 107 Pappwabenplatten 89, 96 Partikeldichte 99 passive Komponente 128 Passivhaus 112 Patina 76 PBT 37 PbTe 168 PCM SmartBoard 149 Pepton 159 PEP-Werkstoffe 130 Perlite 108 Perlmutt 144 PET 34 Pflanzenmasse 151 Pflanzenöle 32 pflanzliche Gerbstoffe 85 PHA 35 Phaeophyta 53 Phasenwechsel materialien 10 PHB 35 Phenol 58 Phenolharz 6 Pheromone 118 phosphoreszierende Materialien 170 Phosphorbronze 76 Photonen 173 Piezoeffekt 128 Piezomaterialien 124 Piezopolymere 130 Pilzsorten 54 PLA 34 PLED 173 Plusenergiegebäude 94 PMMA 43 polarisierbare Mikro partikel 148 Polarkunststoffe 169 POLED 173 Polyacrylsäure-Gele 132

201 anhang Index P - S

Polycaprolactone 62 Polyester 37 Polyestergewebe 117 Polyethylen 66 Polyhydroxyalkanoate 35 Polyhydroxybuttersäure 32 polykristallines Silizium 164 Polylactid 32 Polymerblends 72, 145 Polymerfilm 174 Polymerkissen 83 Polymerwerkstoffe 72 Polymethylmethacrylat 43 Polyol 110 Polypropylen 35 Polypyrrol 168 Polysacchariden 42 Polystyrol 66 Polyurethan 6 Polyvinylalkohol 37, 62, 183 Polyvinylchlorid 6 Polyvinylidenfluorid 130 Porenbeton CelBloc Plus 149 poröse Nanohülle 154 PTFE-Beschichtung 117 PUR 108 PVDF 130 PVOH 64 Pyrrhophyta 53 — q — Quarzkristalle 128 Quarzuhren 129 Quell- und Schwind eigenschaften 48

— r — Ramie 55 Raps 153 Rapsölbad 48 Raumfeuchte 90 Recycling 8 recycelte Altreifen 74 Reflexbeton 175 Regenwald 46 Reis 54 RFID-InMold-Label 183 Rhodophyta 53 Ricinus communis 40 Rinde 58 Rindentuchproduktion 58 Rizinusöl 32, 40, 110 Rosenblätter 73 Rosensweig instabilitäten 148 Rundgranulat 81 — s — Sägemehl 105 Sandwichaufbau 59 Sättigungsabsorption 176 Schafskot 88 Schafwolle 108 Schafwollmatten 109 Schalen von Getreide 105 Schallbelastung 108 Schalldämpfer 113 Schalsteine 102 Schaumglas 108 Schildkrötenpanzer 186 Schmierstoff 189 Schnecken 144 Schneidmaterialien 189 schwarze Solarzellen 167 Schwefeldiät 167

Sebacinsäure 40 Sechseckwabenstruktur 120 Seegrasschüttung 108 Seetang 53 Sekundäraluminium 77 selbstheilender Biobeton 159 selbstheilende Materialien 142 Selbstreinigungseffekt 189 Selbstreinigungs prozess 119 shape memory alloys 126 SiGe 168 Silanen 146 Silberfäden 156 Silberionen 157 Silica-Aerogel 112 Silikonbeschichtung 117 Silikonkissen 116 Siliziumdioxid 155 Siliziumgras 166, 191 Siliziumnadeln 166 Sisal 55 Sojaeiweiß 90 Solar Decathlon 2009 10 Solarfolien 183 Solargenerator 164 Solartechnik 10 Sonnen­blumen­ kernschalen 56 sortenreines Recycling 121 Spacer 115 Späne 85 Speichermedium 148 Spinndüse 118 Spritzgießen 182 Spritzkork 51 Stahlfasern 98 Stahlschrott 75 Stampfen 87 Staphylo­coccus aureus 157 Stärke 32 Stegfäden 116 Steinwolle 108

202 anhang Index S - Z

Stereolithographie 187 Strahlenabsorption 148 Strahlenergie 187 Strangpressplatte 86 Streckmetall 104 Styropor 54, 102, 106 Suberin 109 Sulfunat 130 Superabsorber 132 Superelastizität 126 Superinvar 128 — t — Tarnkappen 177 Teak 48 TEG 168 teilkristalline Bereiche 121 Temperaturgefälle 168 temporäre Architektur 116 Textilbeton 116 textilbewehrter Beton 82 Textilmembrane 117 thermisches Vergüten 48 thermochrome Pigmente 145 Thermobimetalle 124 Thermogeneratoren 168 Thermolumineszenz 170 thermo-mechanische Verdichtung 49 thermotrop schaltende Hydrogele 145 Thermovollholz 48 Tini-Alloy 126 Titan 70 Touchfolien 174 TPS 37 TPS-Blends 37 transparentes Aluminium 176 transparente Wärmedämmung 112 Transparenz 145

Trennmittel 188 Trittschalldämmung 109 Trockenätzen 166 Trocknungsmittel 153 tropische Hölzer 48 Turmalin 128 — u — Umgebungseinflüsse 145 unsichtbare Materie 176 — v — Vakuumisolations ­paneele 10, 108 Vanadiumoxid 145 Verbundmembran mit Kohlefaser­ verstärkung 115 Verdickungsmittel 132 Verrottung 48 Vibrationsschweiß verfahren 41 virtuelles Wasser 8 viskoelastischer Schaum 127 Viskosität 147 vulkanisches Gestein 101 vulkanische Gläser 152 VW Nanospyder 118 — w — Wabenkern 73 Wabenstruktur 87, 186 Wachsen 148 Wärme 145 Wärmeleitfähigkeit 110

Wärmetauscher 113 Wasserenthärtung 153 Wasserfilmdicke 99 Wasserionen 189 wasserlösliche Kapseln 62 Wasserlöslichkeit 64 Wassersäule 144 Wasserstofflieferant 41 Wasserstrahlschneiden 180 Weißblechschrott 70 Weißgrade 89 Weißleim 109 Weißpigment 154 Weizen 54 Weizenstroh 56, 87 Weizenstärke 106 Weltkulturerbe 58 Werkstoffkultur 10 Werkzeugschneide 189 Wiesengras 108 Windkraftanlagen 101 Wirbelbeschichtungs prozess 113 Wohnbeton 88 Wollproteinen 118 wood plastic composites 32, 44 WPC 32, 44 Würfelzeolithe 152 — x — XPS 108 — z — Zellulose 7, 32 Zelluloseacetat 36, 38 Zellulosedämmsysteme 89 Zelluloseester 38 Zellulosepapier 158

203 anhang Index Z - z

Zellulosetriacetat 38 Zementgebundene Spanplatten 86 Zementgehalt 99 zersetzende Wund verbände 62 Zinkoxid 145 Zinnbronze 76 Zucker 32 Zuckersirup 34 Zweifachverglasung 112 Zweikomponenten kleber 159 Zweiweg-Memory Effekt 126

204 anhang Literatur

205 anhang Literatur

Hirsinger, Q.: „Materiology – Handbuch für Kreative: Materialien und Technologien“. Basel: Birkhäuser, 2009.

Ritter, A.: „Smart Materials in Architektur, Innenarchitektur und Design“. Basel: Birkhäuser, 2006.

Klooster, T.: „Smart Surfaces – Intelligente Oberflächen und ihre Anwendung in Architektur und Design“. Basel: Birkhäuser, 2009.

Sauer, C.: „Made of … Neue Materialien für Architektur und Design“. Berlin: Die Gestalten, 2010.

Lefteri, C.: „Making It. London”. London: Laurence King Publishing, 2007. Leydecker, S.: „Nanomaterialien in Architektur, Innenarchitektur und Design“. Basel: Birkhäuser, 2008. Lörcks, J.: „Biokunststoffe – Pflanzen, Rohstoffe, Produkte“. Gülzow: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., 2006. Minke, G.: „Der Baustoff Lehm und seine Anwendung“. Staufen: Ökobuch Verlag, 5. Auflage 2001. Peters, S.: „Handbuch für technisches Produktdesign – Material und Fertigung“. Berlin, Heidelberg: Springer, 1. Auflage, 2006. Peters, S.: „Material formt Produkt. Schneller in den Markt mit neuen Werkstoffen“. Schriftenreihe Hessen-Nanotech, Nr. 18, Herausgeber: Hessisches Wirtschaftsministerium, 6/2010.

Schmidt, P. / Stattmann, N.: „Unfolded – Papier in Design, Kunst, Architektur und Industrie“. Basel: Birkhäuser, 2009. Siebert-Raths, A. / Endres, H.-J.: „Technische Biopolymere“. München: Hanser, 2009. Thompson, R.: „Manufacturing Processes for Design Professionals”. London: Thames & Hudson, 2007. Zijlstra, E.: „Materia – Material Index 2009“. Architectenweb bv, 2009.

206 anhang Ausgewählte Publikationen des Autors

— Ausgewählte Publikationen des Autors

11/2009 „Textile Strategien – A world full of fabrics”, Coverstory, form 229, Basel: Birkhäuser.

—

10/2010 „Revolution der Materie: Das Ende des petrochemischen Zeitalters steht uns bevor“, in: Zukunftsletter, hrsg. von Verlag für die Deutsche Wirtschaft. 9/2010 „Glasklare Sache“, in: form 234, Basel: Birkhäuser. 7/2010 „Material formt Produkt – Schneller in den Markt mit neuen Werkstoffen“, Schriftenreihe Hessen Nano-Tech, hrsg. von Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung. 7/2010 „In neuer Dimension”, in: form 233, Basel: Birkhäuser. 5/2010 „Lichtdurchlässige Materialien”, in: form 232, Basel: Birkhäuser.

11/2009 „Schaumschläger”, in: form 229, Basel: Birkhäuser. 9/2009 „Messeneuheiten: Technische Textilien”, in: form 228, Basel: Birkhäuser.

5/2008 „So biegsam wie Granit”, in: form 220, Basel: Birkhäuser. 3/2008 „Meine eigene Fabrik”, in: form 219, Basel: Birkhäuser. 2/2008 „Nanotechnologie und Produktdesign”, Essay im Buch „Nanomaterialien in Architektur, Innenarchitektur und Design”, Basel: Birkhäuser.

7/2009 „InMold – Hinterspritzte Dekorationen”, in: form 227, Basel: Birkhäuser. 5/2009 „Die Intelligenz des Materials”, in: form 226, Leitartikel im Son­ derheft: Materialien für Designer, Basel: Birkhäuser. 3/2009 „In Zukunft ohne Öl”, in: form 225, Basel: Birkhäuser. 1/2009 „Neue Nanopapiere”, in: form 224, Basel: Birkhäuser.

1/2008 „Scharfes Licht”, in: form 218, Basel: Birkhäuser. 11/2007 „Die Macht der Materialien”, in: form 217, Leitartikel im Sonderheft: Materialien für Designer, Basel: Birkhäuser. 7/2007 „Kunststoffe machen mobil”, in: form 215, Basel: Birkhäuser. 5/2007 „Nützliche Teilchen”, in: form 214, Basel: Birkhäuser.

4/2010 „Technisch aufpolierte Möbel”, in: imm visions cologne, hrsg. von Koelnmesse und Birkhäuser.

11/2008 „Smarte Materialien – High Tech meets low Tech”, in: form 223, Leitartikel im Sonderheft: Materialtrends, Basel: Birkhäuser.

1/2007 „Kommunikation im Wandel … Kreative Industrien erschließen Zukunftsmärkte im Web 2.0”, in: Magazin für Moderne Märkte, Bielefeld: ARGUZ Publishing.

3/2010 „Bio-Kunststoffe”, in: form 231, Basel: Birkhäuser.

10/2008 Format „Wissenswertes”, Hintergrundinformationen zu

8/2006 „Handbuch für technisches Produktdesign – Material und

1/2010 „Phasenwechsel­materialien”, in: form 230, Basel: Birkhäuser.

Metallen, Kunststoffen, Hölzern, Papieren, Textilien und Ver­ bundwerkstoffen, in: modulor Katalog 2009/2010.

Fertigung, Entscheidungs­ kriterien für Designer und Ingenieure”, hrsg. von Kalweit, A.; Paul, C.; Peters, S; Wallbaum, R. Berlin, Heidelberg, New York: Springer.

7/2008 „Kleben ohne Kleber”, in: form 221, Basel: Birkhäuser.

7/2004 „Modell zur Beschreibung der kreativen Prozesse im Design vor dem Hintergrund ingenieurspezifischer Semantik”. Dissertation: Universität Duisburg-Essen, Fachbereich: Industriedesign. 6/2003 mit Pfeifer, T.; Voigt, T.: „Interdisziplinäre Kooperation im kreativen Entwicklungsprozess – Die Qualität der Kooperation zwischen Design und Engineering wird zu einer neuen Herausforderung für das Qualitätsmanagement”, in: QZ – Qualität und Zuverlässigkeit in Industrie und Dienstleistung. 4/2003 mit Klocke, F.: „Potentiale generativer Verfahren für die Individualisierung von Produkten”, in: Zukunftschance Individualisierung. Berlin, Heidelberg, New York: Springer. 3/2003 mit Voigt, T.: „DEGAP – Closing the gap between designers, engineers and marketers in product development processes in enterprises”, Forschungsprojekt im Rahmen des Programms „Innovation & SMEs” der Europäischen Union. 3/2003 „Was ist Kreativität – Zusammenarbeit von Designern und Ingenieuren”, Kommentar in: Der Konstrukteur. 11/2000 mit Klocke, F.: „Wie Designer und Techniker ein Team werden”, in: ke konstruktion + engineering.

207 anhang Ausgewählte Vorträge des Autors

6/2000 „Produktionstechnologien und Strategien für die kunden­ individuelle Massenproduktion – Wettbewerbsvorteile durch Individualisierung von Produkten”, Forschungsprojekt im Rahmen des Programms „strategische Eigenforschungsprojekte SEF” der Fraunhofer Gesellschaft. 12/1999 mit Klocke, F.; Freyer, C.; Wagner, C.: „Selektives Lasersintern – neue Werkstoffe und neue Perspektiven”, in: VDI-Z.

— Ausgewählte Vorträge des Autors —

16. November 2010 „Das Design einer revolutionären Materialkultur“, VDID BerlinBrandenburg. 5. November 2010 „Materials as the motor for innovation”, Design Attack Festival, Krakau/Polen.

13. November 2009 mit Hungerbach, W.: „Vom Material zum Produkt – Metall­ schäume und Hohlkugel­ strukturen in der Markteinführung”, face2face 9, Ludwigsburg. 7. Oktober 2009 „Die Bedeutung von Designern für technische Innovations­ prozesse”, 1. Design­symposium anlässlich der Verleihung des Lilienthal Designpreises 2009, Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Mecklenburg-Vorpommern, Wismar.

17. April 2009 „Die Bedeutung von Designern für technische Innovations­ prozesse”, 3. Symposium Technisches Design, Dresden. 17. Februar 2009 „Material as the Motor of Innovation – The impact of creative professionals on technical innovations”, keynote speaker, 3rd International Conference on Design Principles and Practices, Berlin. 16. Oktober 2008 „Das Jahrzehnt der Materialien – Vom Technologie- zum Innovationsstandort dank professioneller Kreativer”, Kon­ ferenz „Creative Industries – Made by Design”, Welterbe Zollverein, Essen.

27. Oktober 2010 „Nachhaltige Materialien und Multifunktionswerkstoffe für Designer“, Folkwang Universität Essen.   

30. September 2009 „Smart, Intelligent, Kommunikativ – Materialien in neuen Dimensionen”, viscom conference 2009, Düsseldorf.

11. Juni 2010 „Metallische Hohlkugel- und Schaumstrukturen für Design und Architektur”, 8. Internationales Design Festival Berlin.

24. September 2009 „The Impact of Creative Professional on technical innovations”, Stockholm School of Economics in Riga.

28. Januar 2010 „Zukunft entwickeln zwischen CO ² -Speicherung und autonomer Robotik”, Hochschule für Gestaltung Offenbach.

3. Juli 2009 „Material und Innovation”, VDID NRW, Köln.

15. Februar 2007 „Kreative Industrien als Impulsgeber für eine erfolgreiche Innovationskultur”, KeynoteVortrag, Tagung: „Erfolgsfaktor Design & Engineering”, Kommunikationsverband Baden-Württemberg, Stuttgart.

24. Juni 2009 „Revolution der Materie – Neue Werkstoffe für Designer”, Hochschule für Gestaltung, Schwäbisch Gmünd.

29. November 2006 „Materialien und Fertigungsverfahren für Designer in der Automobilindustrie”, Euromold 2006, Frankfurt.

17. Juni 2009 „Auf dem Weg zur marktfähigen Innovation”, Material Vision 2009, Frankfurt.

30. März 2006 „Generative Ver­fahren im Design”, RPZ Fach­tagung „Rapid Prototyping und Design”, Speicher XI, Bremen.

5. Dezember 2009 „Materials drive Innovation – Schneller zum marktfähigen Produkt”, design+engineering forum, Euromold 2009, Frankfurt am Main. 16. November 2009 „The Significance of Creative Professional for Material Based Innovation Process: from technological push to creative pull!”, DRnetwork, Berlin.

16. Mai 2009 „70 % aller neuen Produkte basieren auf neuen Materialien”, Expertenforum der Interzum 2009, Köln.

anhang Impressum

Lektorat: Jan K. Knapp Layout, Covergestaltung, Illustrationen und Satz: Pixelgarten, Frankfurt am Main, w w w.pixelgarten.de Druck: Engelhardt und Bauer, Karlsruhe, w w w.ebdruck.de Schriften: Neuzeit von Wilhelm Pischner, 1928 // Prestige Elite Std von Clayton Smith, 1953 // Minion von Robert Slimbach, 1990 // Agency von Morris Fuller Benton, 1932 Papier: Cyclus Offset // Cocoon Offset // Recyconomic Bildnachweise: Seite 134 Copyright: Bayer MaterialScience // Seite 135 Copyright: Bayer MaterialScience / Antje Schröder

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