Werkstoffwissenschaft & Kunststoffe

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Werkstoffwissenschaft & Kunststoffe (Autor: Prof. Dr. G. H. Michler)

Von den Anfängen der Werkstoffe in der Urzeit

Werkstoffe umgeben uns in unserem Leben in vielfältiger Form. Sie sind seit uralten Zeiten in Gebrauch und wurden zunächst völlig zufällig verwendet wie scharfkantige Steine als Feuersteine und Faustkeile oder bearbeitete natürliche Materialien wie Holz und Knochen. Es folgten empirisch entwickelte Werkstoffe wie Bronze, Gusseisen oder Stahl in Verbindung mit technischen Weiterentwicklungen wie Schmelzöfen oder die Schmiedekunst und damit die Verarbeitung von Gold oder Kupfer. Die Entwicklung von Werkstoffen ist eng mit der Entwicklung der Menschen und ihrer Kulturgeschichte und deren gegenseitige Beeinflussungen verbunden [1]. Die Bedeutung der Werkstoffe für die Entwicklung der Menschheit zeigt sich ganz deutlich darin, dass ganze Zeitepochen nach Werkstoffen bezeichnet wurden:

• Steinzeit etwa vor 3.000 bis 9.000 Jahre v. Chr.
• Bronzezeit ca. 1.000 bis 3.000 Jahre v. Chr.
• Eisenzeit ab ca. 1.000 Jahre v. Chr.

Daran schließt sich das Mittelalter mit einer zunehmenden Wechselwirkung zwischen technischen Fortschritten und Werkstoffentwicklungen an. Dabei beschäftigt sich die Werkstoffwissenschaft mit der Struktur, dem Aufbau, der Herstellung, den Eigenschaften der Werkstoffe und insbesondere auch mit der gezielten Verbesserung der Anwendungseigenschaften [1].

Werkstoffentwicklung in der Neuzeit

In der Neuzeit wurden durch die Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse beispielsweise verbesserte Stähle und Aluminiumlegierungen erzeugt. Nach dem 1. Weltkrieg entwickelten sich Kunststoffe von den ursprünglichen mit diesem Wort gemeinten Ersatzstoffen für natürliche Materialien wie Elfenbein oder Perlmutt zu einer neuen Werkstoffklasse. Die Entwicklung der ersten Kunststoffe erfolgte wesentlich auch in Deutschland insbesondere mit den ersten Arbeiten zur Herstellung und Anwendung von Bakelit. Eine frühe Verarbeitung von Bakelit gab es im Sudetenland in Gablonz ab den 1930er Jahren bei der Firma Wander. Hier wurden Pressteile für die Elektroinstallation erzeugt und die Kunststoffverarbeitung mit der hier ansässigen Glaswarenerzeugung kombiniert, indem z. B. Glasschmucksteine in Kunstsoff eingefasst wurden.

Insbesondere nach dem 2. Weltkrieg erfolgte ein rasantes Tempo der weltweiten Kunststoffproduktion, weshalb diese Epoche auch als Kunstststoffzeitalter bezeichnet wird. Die Eisen- und Stahlerzeugung wurde vom Volumen her in den 1990er Jahren überschritten. Im Jahre 2020 wurden weltweit etwa 400 Mio t Kunststoffe erzeugt, wobei die Treiber des Anstieges die asiatischen Länder und vor allem China sind. Europa ist nur mit ca. 60 Mio t beteiligt ist, wobei hier das Wachstum seit etwa 2005 stagniert [1, 2].

Materialökonomische Aspekte der Kunststoffe

Kunststoffe haben sich durch ihre einfache und im Vergleich mit anderen Werkstoffen preisgünstige Herstellung und Verarbeitungsmöglichkeiten sowie vielfältig realisierbare Eigenschaften ein breites Anwendungsprofil erobert. Einerseits können einige wenige Polymere so preisgünstig hergestellt werden, dass sie nahezu konkurrenzlos sind und andererseits führt die Vielfalt und Vielzahl realisierbarer Kunststoffe immer wieder zu neuen Einsatzgebieten. Die Vielseitigkeit bei Eigenschaften und Anwendungen werden von keiner anderen Werkstoffklasse übertroffen. Diese Vielfalt findet sich sonst nur in der Natur wieder, wo aus relativ wenigen bekannten Bausteinen (ca. 20 Aminosäuren) eine große Vielfalt an Strukturen und Funktionen und eine funktionsgerechte Steuerung der Eigenschaften entsteht. Sie sind aus fast allen Bereichen von Industrie und Technik und aus dem täglichen Leben im Haushalt, bei der Bekleidung, im Verkehr nicht mehr wegzudenken. Es gibt keinen Bereich der Technik und des täglichen Lebens, in dem Kunststoffe entbehrlich sind oder sogar eine entscheidende Rolle spielen. Ohne Kunststoffe gäbe es wegen des Mangels an Isolationsmaterial keine elektrischen Leitungen, keinen Strom in Wohnungen und Häusern, keine Elektrogeräte, Computer und Handys, keine Autos, Flugzeuge, usw. In der Europäischen Union (EU) machen Textilien auf Kunststoffbasis etwa 60 % der Kleidung und 70 % der Haushaltstextilien aus. Sie sind auch im wahrsten Sinne des Wortes lebenswichtig, denken wir nur an die alltäglichen Anwendungen in Form von Einwegspritzen, Kathetern, Verbundmaterial, Blutbeutel und andere Verpackungen, an Dentalmaterialien, an Ersatzteile bei Ausfall von Körperteilen durch Verschleiß, Unfallverletzungen oder Krebs, an künstliche Organe oder Gelenke und an die zahlreichen Analyse- und Untersuchungsgeräte (NMR, Röntgen, Ultraschall). Auch als Träger oder Kapselmaterial für Arzneimittel sind sie unentbehrlich.

Kunststoffe ringen um die gesellschaftliche Akzeptanz

Die Zukunft der Kunststoffe wird nur in einem achtsameren Umgang mit Kunststoffen und vor allem einem Verbot der großvolumigen Kunststoffmüll-Exporte in Entwicklungsländer und nach Asien (die auch noch als stoffliches Recycling zählen) liegen. Die Europäische Umweltagentur (EUA) spricht sich in einem neueren Bericht für eine Umstellung auf eine verstärkte Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen aus. Die Lösung bestünde darin, Plaste sinnvoller zu nutzen, besser wiederzuverwerten und wirksamer zu recyceln und aus nachwachesenden Rohstoffen herzustellen. All das ist richtig, erfordert aber eine stärkere werkstoffwissenschaftliche Durchdringung von Kunststoffherstellung, -verarbeitung und -anwendung, die aber nicht nur das Entsorgen im Blick hat, sondern auch die Herstellung verbesserter Bauteile mit längerer bzw. optimal an den Einsatzzweck angepasster Lebensdauer. Hierzu hat der Autor im Institut für Polymerwerkstoffe (IPW), An-Institut an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Ende der 1990er Jahre ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes „Demonstrationszentrum für Kreislauffähigkeit von Werkstoffen“ mit initiiert, in dem gemeinsam mit Industriebetrieben entsprechende Möglichkeiten erprobt wurden.

Das Potential der Werkstoffklasse der Kunststoffe

Für die Entwicklung von Werkstoffen mit einem verbesserten Eigenschaftsprofil bieten die Kunststoffe aufgrund ihres Aufbaues und der vielfältigen Gestaltungsvarianten besonders gute Möglichkeiten. Eine zentrale Rolle spielen Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften, wie höhere Festigkeiten, bessere Steifigkeiten oder Zähigkeiten, was außerdem auch zu einer Gewichtsreduzierung der Bauteile führt [3]. Auch für die verschiedenen anderweitigen Anwendungseigenschaften (thermische, optische, elektrische, biologische,...) sind die mechanischen Eigenschaften wichtig, denn ein vorzeitiges mechanisches Versagen lässt diese anderen Eigenschaften ja oft nicht wirksam werden. All das erfordert aber eine stärkere werkstoffwissenschaftliche Durchdringung, wobei die Aufklärung der Strukturen bis zur atomaren Ebene mit den Methoden der Elektronenmikroskopie eine entscheidende Rolle spielt [2]. Für das wichtige Gebiet der mechanischen Eigenschaften erfordert dies die Nutzung der Methoden der Mikro- oder Nanomechanik [2] (siehe auch Mikrozugprüfung). Mit deren Hilfe können nanostrukturierte Polymere mit verbesserten Eigenschaften gewonnen werden. Auf die gezielte Verbesserung der Eigenschaften von polymeren Werkstoffsystemen und einige Möglichkeiten zur Erweiterung des Einsatzpotentials wird in den vielen Einzelbeiträgen im Lexikon [5] hingewiesen. Eine weitere Informationsquelle für die Erläuterung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bietet das Lehr- und Fachbuch zur „Kunststoffprüfung“ [3].

Siehe auch

• Werkstoffwissenschaft
• Barriere-Kunststoffe
• Bio-Kunststoffe
• Faserverstärkte Kunststoffe
• Smart Materials
• Schichtsilikatverstärkte Polymere
• Teilchengefüllte Kunststoffe

Literaturhinweise

[1]	Michler, G. H.: Werkstoffwissenschaft und Kunststoffe. Schriften der Sudetendeutschen Akademie der Wissenschaften und Künste. Band 43, Forschungsbeiträge der Naturwissenschaftlichen Klasse, München (2024) 27–58; siehe AMK-Büchersammlung unter F 33
[2]	Michler, G. H.: Mechanik–Mikromechanik–Nanomechanik. Vom Eigenschaftsverstehen zur Eigenschaftsverbesserung. SpringerSpektrum (2024), ISBN 978-3-662-66965-5; e-book: ISBN 978-3-66966-2; https://doi.org/10.1007/978-3-662-66966-2; siehe AMK-Büchersammlung unter F 34
[3]	Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2025); ISBN 978-3-446-44718-9; e-book ISBN 978-3-446-48105-3; siehe AMK-Büchersammlung unter A 23
[4]	Michler, G. H.: Kompakte Einführung in die Elektronenmikroskopie. Techniken, Stand, Anwendungen, Perspektiven. SpringerSpektrum Wiesbaden (2019), ISBN 978-3-658-26687-5; e-book ISBN 978-3-658-26688-2; https://doi.org/10.1007/978-3-658-26688-2; siehe AMK-Büchersammlung unter F 21
[5]	Grellmann, W., Bierögel, C., Reincke, K. (Hrsg.): Wiki „Lexikon Kunststoffprüfung und Diagnostik“ Version 15.0 (2025), [https://wiki.polymerservice-merseburg.de/

Weblinks

• Quelle: Plastics Europe 2022, https://plasticseurope.org/de/
• Quelle: nova-Institut GmbH, Hürth, https://nova-institute.eu/