Kategorie: Werkstofftrends

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Biokunststoffe erobern in den letzten Jahren langsam aber stetig den Markt. Einer der bekanntesten Werkstoffe in dieser Gruppe ist Polymilchsäure (PLA, Polylactic acid), die neben Stärkeblends, Celluloseestern und Polyhydroxyalkanoaten (PHA) mittlerweile einen festen Platz im Kunststoffmarkt hat. PLA sind biobasierte und bioabbaubare/kompostierbare Polyester, die aus Milchsäure produziert werden und in zwei stereochemischen Formen auftreten bzw. als deren Gemisch vorliegen. Die Polymere wurden erstmals 1845 beschrieben, aber erst etwa 90 Jahre später konnte ein Herstellungsverfahren entwickelt werden, bei dem Polymilchsäure aus Milchsäuremolekülen synthetisiert werden konnte. Die Eigenschaften der verschiedenen reinen PLA-Copolymere variieren je nach stereochemischer Zusammensetzung. Die monomere Milchsäure und das Dimer (Lactid), ein ringförmiger Zusammenschluss von zwei Milchsäuremolekülen, können synthetisch oder durch Fermentation gewonnen werden. Die biobasierte Produktion durch fermentative Milchsäuregärung überwiegt dabei bei weitem mit einem Produktionsanteil von ca. 90%. Die polymere Milchsäure wird hauptsächlich durch die Reaktion der Lactiden durch Ring-Öffnende- Polymerisation (ROP) erhalten. Dies führt zu höhermolekularem PLA als der Einsatz der freien Säure, da bei dieser Reaktion Wasser als Nebenprodukt auftritt und durch eine aufwändige Destillation aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden muss. Weiterlesen

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Der Werkstoff Papier, ein über Abseihen aus wässriger Vorlage gewonnener flächiger Faserfilz aus üblicherweise organischen Bestandteilen, ist aus China schon über 1900 Jahre bekannt. In seiner heutigen Form und Vielfalt ist Papier ein sehr preiswerter und überall verfügbarer Werkstoff mit vielen Eigenschaften, die ihn zunehmend auch als Basis- bzw. Trägermaterial für vormals im Hightech-Bereich angesiedelte Technologien einsetzbar machen. Hier gibt es im Rahmen der medizinischen Diagnostik schon länger etablierte Einsatzgebiete wie z.B. Teststreifen zum Nachweis von Schwangerschaft, der Messung von Blutzucker oder Harnglucose, oder in der Bestimmung der Blutgerinnung durch den Patienten selbst, die rein auf dem inhärenten Kapillareffekt des Papiers beruhen. Neue Forschung und Entwicklung der letzten 5–10 Jahre nutzen Papier gezielt zur Herstellung sehr kostengünstiger Komponenten oder Systeme in Elektronik, Diagnostik (Medizin, Lebensmittel, Umwelt) und weiteren sensorischen Anwendungen, als Templatwerkstoff, der beispielsweise mit Keramikschlickern oder Polymeren gefüllt und dann weiterverarbeitet werden kann, sowie in additiven Fertigungsverfahren wie z.B. dem Rapid Prototyping. Weiterlesen

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Begrenzte Vorräte und steigende Preise des Rohöls führen zusammen mit internationalen Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels zu einem steten Substitutionsdruck nicht nur bei fossilien Kraftstoffen, sondern auch in den Bereichen Basischemikalien und Kunststoffe. Der in den letzten Jahren stetig wachsende Markt für Biokunststoffe, also solche auf der Basis nichtfossiler Rohstoffe, ist daher von großem Interesse. Ein stark wachsendes Segment in diesem Bereich sind die Polyhydroxyalkanoate (PHA), die nach Stärkeblends, Celluloseestern und Polylaktiden die derzeit viertgrößte Gruppe der Biokunststoffe stellen. Sie erzielen zweistellige prozentuale Zuwachsraten und haben eine geschätzte Produktionskapazität von bis zu 130.000 t/Jahr. PHA sind bakteriell hergestellte Polyesteraus gesättigten und ungesättigten Hydroxyalkansäuren mit thermoplastischen Eigenschaften, die nicht-toxisch und zu 100% bioabbaubar sind. Klassische  Anwendungsbereiche sind Fasern, Hygieneartikel und Verpackungen. Ihre Biokompatibilität prädestiniert PHA-Werkstoffe zudem als Träger von Geschmacksstoffen in Lebensmitteln und zur Verwendung im medizinischen Bereich, z. B. als resorbierbare Gefäßimplantate, chirurgische Nahtfäden und Mikrokapseln. Weiterlesen

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Unter LTCC-Keramik versteht man keramische Formkörper, die durch Sintern bei relativ niedrigen Temperaturen, in der Regel zwischen 800°C und 1000°C, aus einer oder mehreren verschiedenen keramischen Zusammensetzungen hergestellt werden. Üblicherweise handelt es sich bei diesen Werkstoffen um kristallisierbare Gläser (Glaskeramiken) oder Mischungen aus solchen mit Keramiken, die meist als Pulverschlicker oder -pasten in dünnen Schichten von je 50 bis ca. 500 Mikrometern Dicke ausgebracht und übereinander gestapelt werden. Neben Strukturwerkstoffen wie Aluminiumoxid, Cordierit oder Siliziumdioxid werden auch Funktionswerkstoffe wie Piezoelektrika eingesetzt. Bauteile aus LTCC-Keramik finden überwiegend in Mikro- und Mesosystemtechnik Anwendung. Weiterlesen

Dr. David Offenberg, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Der Laser ist seit Jahren ein etabliertes Werkzeug zur Materialbearbeitung in der industriellen Fertigung und in medizinischen Anwendungen. Bei kontinuierlich emittierenden Lasern und gepulsten Lasern mit Pulsdauern im Mikro- bis Nanosekundenbereich beruht der Materialabtrag in der Regel auf einer starken Erwärmung des absorbierenden Materials, das erst schmilzt und schließlich verdampft. Bei Ultrakurzpulslasern mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden bis Femtosekunden hingegen erfolgt bei ausreichender Fokussierung ein direkter Phasenübergang des Materials ins Gasförmige. Dadurch bleiben Materialaufschmelzung, Gefügeveränderungen, Phasenumwandlungen und thermische Spannungen im Werkstück auf einen Bereich von wenigen Nanometern begrenzt. So sind Ultrakurzpulslaser nicht nur ein Schlüssel zur Ultrapräzisionsbearbeitung, sondern sie bieten auch völlig neue Möglichkeiten bei der Bearbeitung temperaturempfindlicher Materialien wie z.B. Polymere, metallische Gläser oder menschliches Gewebe. Weiterlesen