Kategorie: Werkstoffe und Materialien

Spannende Beiträge, informative Fachartikel und die neusten Entwicklungen aus dem Themengebiet Werkstoffe und Materialien.

Wie sich die Verarbeitung auf Bio-PP auswirkt

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In der aktuellen Pandemiesituation haben Take-away- und Lieferdienste Hochkonjunktur. 83 % der Bundesbürger holen oder lassen sich ihre Getränke und Speisen liefern. Das besagt eine Anfang dieses Jahres veröffentlichte repräsentative Umfrage vom WWF und dem Deutschen Verpackungsinstitut dvi. [1] Knapp 73 % der Befragten sind grundsätzlich bereit auch andere Verpackung als Getränkeflaschen zurückzubringen oder am Pfandautomaten zu entsorgen. Aber auch in anderen Bereichen wie Hygiene und Körperpflegeverpackungen sind alternative Lösungen gefragt. [1]

Die Änderung des Konsumentenverhalten führt zu wachsenden ökologischen Bewusstsein und die Nachfrage nach nachhaltigen Materialien. Biokunststoffe finden daher in diesem Zusammenhang zunehmend Anwendung. Es darf jedoch nicht außer Acht gelassen werden, dass dieser Begriff eine Gruppe von Kunststoffen mit unterschiedlichen Ausgangsrohstoffen und unterschiedlichem Abbauverhalten beschreibt. Bioabbaubare Kunststoffe können sowohl auf Basis von fossilem als auch auf Basis von nachwachsendem Kohlenstoff hergestellt worden sein. Sie bieten den Vorteil eines alternativen Entsorgungsweges. Biobasierter Kunststoff hingegen ist ein auf nachwachsendem Kohlenstoffen basierter Kunststoff. Durch seine Verwendung anstelle eines konventionellen Kunststoffs kann fossiles CO2 reduziert und die Abhängigkeit von Erdöl verringert werden [2]. Ein Beispiel für biobasierte Kunststoffe sind die so genannten Drop-Ins. Sie besitzen gegenüber dem konventionellen Pendant identische Eigenschaften. [3] Laut dem aktuellen Plastics – the Facts 2020 Bericht von PlasticsEurope war auch im Jahr 2019 Polypropylen (PP) hinsichtlich der Bedarfsmenge in Europa ein dominanter Wertstoff. Daher erscheint es als sehr naheliegend PP durch Bio-PP zu substituieren. Doch obwohl vor allem bei Biokunststoffen viel Wert auf die Betrachtung der ersten Lebensphasen des Materials gelegt wird, soll in dieser Arbeit die Lebensendphase des Materials betrachtet werden. Denn außer der Wahl eines nachhaltigen Werkstoffs sollten zur Befriedung des wachsenden ökologischen Bewusstseins ebenfalls Bestrebungen von einer linearen hin zu einer im Kreis geleiteten Materiallebensführung angegangen werden. Weiterlesen

Hybridbauteil aus Faserverbund- und papierabgeleiteter Keramik für den Einsatz als formstabile Wärmeisolation

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Einleitung

Keramische Faser-Verbundwerkstoffe (engl.: Ceramic Matrix Composites – CMC) bilden eine Werkstoffklasse, die die Vorzüge monolithischer Keramiken (z.B. Hochtemperaturstabilität, Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit) mit schadenstolerantem Versagensverhalten kombiniert. Dadurch ist es möglich CMC als Strukturbauteile einzusetzen, die nicht nur auf Druck (monolithische Keramik) sondern auch auf Zug oder Biegung belastet werden können und dabei gleichzeitig eine verbesserte Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Allerdings ist die Verwendung keramischer Fasern sehr kostenintensiv, weshalb es die Vorzüge eines solchen Bauteils gegenüber der Fertigung aus monolithischen Keramiken oder Metallen für die meisten Anwender aus wirtschaftlicher Sicht nicht rechtfertigt. Im Rahmen des AiF-Projekts „ForWerk“ (Formstabile Werkzeugisolation im Kraftfluss mit verbesserten thermischen Kennwerten aufgrund eines hybriden Aufbaus; Vorhaben-Nr. 20646 N) soll nun die Entwicklung eines Hybridbauteils aus CMC und einer neuartigen, porösen Keramik erfolgen, um die Bauteilkosten zu senken und gleichzeitig die Vorteile der verwendeten Materialien für die Anwendung auszunutzen. Für die Herstellung der neuartigen Teilkomponente wird ein mit Keramikpartikeln hochgefülltes Papier verwendet, welches über konventionelle Papiermaschinen gefertigt und zu einer sogenannten papierabgeleiteten Keramik versintert werden kann (vgl. Einschub „Papierabgeleitete Keramik“). Weiterlesen

Neue zweidimensionale Polymere

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Maßgeschneiderte 2D-Materialien durch Selbstorganisation und Photopolymerisation

Ein internationales Forscherteam, angeführt von Mitgliedern der Technischen Universität München, des Deutschen Museums und der Universität Linköping, hat ein Verfahren entwickelt, um zweidimensionale Polymere mit der Dicke nur einer Moleküllage durch Lichteinwirkung auf einer Graphit-Oberfläche herzustellen. Die Entwicklung ebnet den Weg zu neuen ultradünnen und funktionellen Materialien.

Markus Lackinger transferiert mittels Vakuumgreifer eine Probe in der Ultrahochvakuum-Kammer. Sie enthält alle Einrichtungen zur Herstellung und Analyse von Proben im Vakuum. Bild: Andreas Heddergott / TUM

Markus Lackinger transferiert mittels Vakuumgreifer eine Probe in der Ultrahochvakuum-Kammer. Sie enthält alle Einrichtungen zur Herstellung und Analyse von Proben im Vakuum.
Bild: Andreas Heddergott / TUM

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Enzyme erfolgreich in Kunststoffe einbinden

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© Fraunhofer IAP Herstellung einer biofunktionalisierten Folie im Verarbeitungstechnikum.

© Fraunhofer IAP
Herstellung einer biofunktionalisierten Folie im Verarbeitungstechnikum.

Kunststoffe werden in der Regel bei deutlich über einhundert Grad Celsius verarbeitet, Enzyme dagegen halten diesen hohen Temperaturen üblicherweise nicht stand. Forschenden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP ist es gelungen, diese Gegensätze zusammenzubringen: Sie können Enzyme in Kunststoffe einbauen, ohne dass die Enzyme dabei ihre Aktivität verlieren. Die Potenziale, die sich dadurch ergeben, sind groß. Weiterlesen

Verbesserung der Delaminations-, Impakt- sowie Schadenstolenanzeigenschaften von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen durch eine dreidimensionale Verstärkung mittels z-Pins

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Abbildung 1 Z-Pins zur 3D-Verstärkung von Faser-Kunststoff-Verbunden: v.l.n.r. mit kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,28 mm und 0,5 mm sowie mit definierter Oberflächen-Mikrostrukturierung (umlaufende Kerben) und mit rechteckförmiger Querschnittsfläche.

Abbildung 1 Z-Pins zur 3D-Verstärkung von Faser-Kunststoff-Verbunden: v.l.n.r. mit kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,28 mm und 0,5 mm sowie mit definierter Oberflächen-Mikrostrukturierung (umlaufende Kerben) und mit rechteckförmiger Querschnittsfläche.

Einleitung

Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe, wie sie heute verbreitet in Strukturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie zunehmend auch in Bereichen der Elektromobilität zum Einsatz kommen, bestehen typischerweise aus einer polymeren Matrix in Kombination mit verstärkenden Fasern. Speziell die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) mit Epoxidharzmatrix werden dort eingesetzt, wo ein hoher Leichtbaugrad zwingend erforderlich ist, um energie- und kosteneffiziente Systeme zu erreichen. Diese Werkstoffe besitzen, abhängig u.a. von der Kombination von Matrix und Faserverstärkung sowie der Anordnung und Ausrichtung der verstärkenden Fasern, hervorragende mechanische Eigenschaften kombiniert mit einem geringen Gewicht. Diese Eigenschaften zeigen sich in der Laminatebene, in der die lasttragenden Fasermaterialien ausgerichtet sind. Weiterlesen

Wasserstoffantriebe für E-Scooter und Co.

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© Fraunhofer IFAM POWERPASTE

© Fraunhofer IFAM
POWERPASTE

Wasserstoff gilt als Antrieb der Zukunft. Während bereits erste Wasserstoff-Autos über deutsche Straßen fahren, ist der bisher übliche Drucktank für E-Scooter jedoch nicht handhabbar. Die POWERPASTE liefert eine Alternative: In ihr lässt sich Wasserstoff auf sichere Weise chemisch speichern, einfach transportieren und ohne teure Tankstellen-Infrastruktur nachtanken. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden hat die Paste entwickelt, die auf Magnesiumhydrid basiert. Weiterlesen

Die „grünen“ Katalysatoren

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Bild: Felix Herold Versuchsanlage für katalytische Tests.

Bild: Felix Herold: Versuchsanlage für katalytische Tests.

Arbeitsgruppe entwickelt neue Materialklasse mit Potenzial für Industrieanwendungen

Katalysatoren sind unverzichtbare Helfer in der modernen Industriegesellschaft. Sie ermöglichen es, Rohstoffe selektiv in Wertprodukte umzuwandeln. Bislang kommen häufig Metalle als Katalysatoren zum Einsatz, deren Abbau oft unter umweltschädlichen und ethisch bedenklichen Bedingungen läuft. Eine Alternative können Kohlenstoffkatalysatoren sein. Eine Arbeitsgruppe am Fachbereich Chemie der TU Darmstadt hat nun eine vielversprechende neue Generation von Kohlenstoffkatalysatoren vorgestellt.

Katalysatoren sind Schlüsselmaterialien bei vielen industriellen Prozessen. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und dirigieren deren Verlauf. Durch die Wahl eines geeigneten Katalysators können Nebenreaktionen unterdrückt und somit Ressourcen geschont, Abfall vermieden, und Energie eingespart werden. Dabei verbraucht sich der Katalysator selbst während der Reaktion nicht.

Häufig kommen hier Metallkatalysatoren zum Einsatz. Der Nachteil: Die Materialien sind selten, ihr Abbau ruft ethische Konflikte und Umweltschäden hervor, und sie sind zudem oft toxisch für den Menschen. Auch für Strategien zur zukünftigen Einbindung biomassebasierter Rohstoffe in die Wertschöpfungsketten der chemischen Industrie stützen sich die meisten bekannten Katalysatorsysteme auf Übergangsmetalle wie Vanadium, Molybdän, Platin oder Silber.

Neue Generation von Kohlenstoffkatalysatoren

In diesem Kontext konnte jedoch bereits in den 1980er Jahren nachgewiesen werden, dass reiner Kohlenstoff als metallfreier Katalysator für solche Transformationen ebenfalls in Frage kommt und ein hohes Potenzial als nachhaltiges Ersatzmaterial aufweist. In Folge dieser Entdeckung wurden insbesondere Kohlenstoffnanomaterialien – Kohlenstoffe mit Partikelgrößen im Nanometerbereich– extensiv als Katalysatoren für verschiedenste chemische Umwandlungen eingesetzt. Obwohl diese Materialien im Labor vielversprechende Eigenschaften aufwiesen, kam es bis heute nicht zur industriellen Anwendung, da einerseits die Handhabung der feinen Pulver und andererseits die Herstellung in technischem Maßstab Herausforderungen darstellen.

Angesichts des hohen Potenzials von Kohlenstoffkatalysatoren wird im Fachbereich Chemie der TU Darmstadt in der Arbeitsgruppe von Professor Bastian J. M. Etzold bereits seit einigen Jahren an der Herstellung neuer Kohlenstoffklassen gearbeitet. In Zusammenarbeit mit Professor Wei Qi vom Shenyang National Laboratory for Material Science in China, sowie Professor Jan Philipp Hofmann vom Fachgebiet Oberflächenforschung der TU Darmstadt gelang Felix Herold, einem Doktoranden der Arbeitsgruppe Etzold, die Herstellung einer neuen Generation von Kohlenstoffkatalysatoren.

Sie ist den Nano-Kohlenstoffen in vielerlei Hinsicht überlegen. Herold konnte die hervorragenden katalytischen Eigenschaften von Nano-Kohlenstoffen auf Kohlenstoffmaterialien „makroskopischer“ Partikelgröße übertragen. „Dabei ist es auch gelungen, die Herstellung und die technische Handhabbarkeit entscheidend zu vereinfachen“, erklärt er. „Wir haben am Beispiel der Umwandlung von Bio-Ethanol, einem aus Biomasse zugänglichen Rohstoff, zu Acetaldehyd, einem wichtigen Zwischenprodukt der chemischen Industrie, die Leistungsfähigkeit der neuen Katalysatoren demonstriert.“

Neue Materialklasse

Kohlenstoffkatalysatoren seien von großer Bedeutung, sagt Etzold. „Sie öffnen die Tür zu einer neuen Materialklasse, die auch aufgrund der vielfältigen Optimierungsmöglichkeiten der flexiblen Herstellungsmethode ein hohes Potential in einer Vielzahl von Anwendungen aufweist.“

Weitere Informationen: https://www.etzoldlab.de/

 

Hart wie ein Diamant und verformbar wie Metall

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TU-Wissenschaftler*innen entwickeln neues Material für die Technik von morgen

Smartphones mit großflächigen Glasgehäusen und Displays überzeugen zwar optisch, sind aber auch sehr anfällig für Risse und Kratzer. Um diese Schäden künftig zu vermeiden, bräuchte es ein Material, das die Härte eines Diamanten und die Verformbarkeit eines Metalls vereint. Ein Material, das dem Fund des heiligen Grals der Strukturmaterialien gleich käme. Professor Gerold Schneider von der Technischen Universität Hamburg und weitere Hamburger Materialforscherinnen und -forscher haben nun gemeinsam mit der University of California, Berkeley ein Hybridmaterial, einen so genannten Superkristall entwickelt, der diesem Ziel näher kommt. Damit könnte die Technik auf Gebieten wie der Elektronik, Photonik oder auch Energiespeicherung künftig kostengünstiger, robuster oder auch funktionaler werden.

Nano-Eindruck mit erzeugten Versetzungen und Verdichtung des Superkristalls. Grafik: TU Hamburg

Nano-Eindruck mit erzeugten Versetzungen und Verdichtung des Superkristalls. Grafik: TU Hamburg

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Kunststoff aus Abfall

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© Fraunhofer IPK/Andy King Compoundierte und granulierte Polyhydroxybuttersäure (PHB).

© Fraunhofer IPK/Andy King
Compoundierte und granulierte Polyhydroxybuttersäure (PHB).

Ein neuartiger Kunststoff kann aus Abfällen produziert und problemlos in weniger als einem Jahr abgebaut werden. Polyhydroxybuttersäure heißt der Werkstoff, mit dem sich künftig vor allem Einwegprodukte und Wegwerfartikel umweltschonend herstellen und abbauen lassen. Ein neues Produktionsverfahren des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und seiner Partner ermöglicht die industrietaugliche Herstellung des innovativen Materials. Weiterlesen

Effiziente Gastrennung dank poröser Flüssigkeiten

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Poröse Flüssigkeiten als Membran: Mit diesem Verfahren könnten sich in der Kunststoffindustrie enorme Mengen Energie und damit CO2 einsparen lassen

Poröse Flüssigkeiten als Membran: Mit diesem Verfahren könnten sich in der Kunststoffindustrie enorme Mengen Energie und damit CO2 einsparen lassen. (Foto: Alexander Knebel, KIT)

Neues Material eröffnet die Möglichkeit, beim Abtrennen von Rohstoffen für die Kunststoffindustrie bis zu 80 Prozent Energie einzusparen

Ein Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit Partnern „poröse Flüssigkeiten“ entwickelt: In einem Lösemittel schweben – fein verteilt – Nanoteilchen, die Gasmoleküle verschiedener Größen voneinander trennen. Denn die Teilchen besitzen leere Poren, durch deren Öffnungen nur Moleküle einer bestimmten Größe eindringen können. Die porösen Flüssigkeiten lassen sich direkt einsetzen oder zu Membranen verarbeiten, die Propen als Ausgangsstoff für den weit verbreiteten Kunststoff Polypropylen effizient aus Gasgemischen trennen. Die bislang übliche energieaufwendige Destillation könnte somit ersetzt werden. Weiterlesen