Kunststoffe können unglaublich viel. Und sie wirken an Stellen, wo man sie nie erwarten würde. In der Technik, auf ganz analoge Weise aber auch in der belebten Natur. Dennoch: Bisweilen versagen sie, und dann nicht selten gänzlich unerwartet. Die Freude an ihnen schlägt in Ratlosigkeit und Fragen um: "Bisher hat es doch immer prima geklappt. Warum ist das jetzt plötzlich so anders?" Woher kommt diese Ambivalenz des Materials? Das zu verstehen heißt Kunststoff zu verstehen.

  • Einige Grundbegriffe.

    Polymere sind lineare oder verzweigte, meist fadenartige Riesenmoleküle („Makromoleküle“), die sich in vielem wie molekulare Spaghetti darstellen. Sie treten in der Regel als Thermoplaste, Kautschuke oder Öle in Erscheinung, sie können aber auch als Netzwerke (hart: Duroplaste, weich-elastisch: Elastomere/Gummis) realisiert werden.

    Unter einem Kunststoff versteht man einen in der Praxis tatsächlich einsatzfähigen Werkstoff auf Polymerbasis. Kunststoff ist viel mehr als nur das Polymer. Es ist ein Vielkomponenten-Gemisch, das vor allem aufgrund seiner (thermo)mechanischen Eigenschaften und seiner guten Verarbeitbarkeit wegen geschätzt wird. Vergleichbar ist es einem fertigen Spaghetti-Gericht mit all seinen vielfältigen Zutaten. Kunststoffe enthalten neben den Polymermolekülen zusätzlich z. B.

    • Stabilisatoren, Licht- und Flammschutzmittel
    • Weichmacher und Schlagzäh-Modifier, Füller und Verstärkungsstoffe (Fasern, Gewebe)
    • Nukleierungsmittel und Clarifier, Pigmente und Farbstoffe
    • Phasen- und Verträglichkeitsvermittler

    Erst durch diese erhalten sie ihre gewünschten Werkstoffeigenschaften für den praktischen Einsatz.

    Mischungen verschiedener Polymerer heißen Blends. Blends werden anstrebt, um die günstigen Eigenschaften verschiedener Polymersorten in einem Material zu kombinieren. Die Herausforderung besteht allerdings in der „Unverträglichkeit“ und der daraus resultierenden Entmischung vieler Blendpartner. Die entstehenden inneren Grenzflächen haben wenig Haftung, das Material ist ohne Zusatzmaßnahmen mechanisch schwach. Ebenso ist die Haftung zwischen Polymeren und anorganischen Stoffen (Metalle, Gläser etc.) in aller Regel schlecht. Komposite und Verbünde sind daher ohne besondere Maßnahmen ebenfalls mechanisch schwach.

    Mit maßgeschneiderten Kompatibilisierungs-Konzepten können Sie die Kombination verschiedener Materialen und Zuschlagstoffe aber ideal positiv zur Geltung bringen: Der erfolgreiche Kunststoffdesigner bearbeitet daher keinen gegebenen Einzelstoff, sondern er komponiert ihn gezielt auf ein spezielles Anforderungsprofil hin. Dadurch, und durch die nachfolgende Verarbeitung zum Bauteil, wird er mit allen Eigenschaften versehen, die für den nachhaltigen Markterfolg nötig sind. Das genau ist unser Know-How: Wir machen aus einem potentiell guten Stoff einen definitiven Spitzenwerkstoff.

  • Funktionspolymere - die smarten Zwillinge des Kunststoffs.

    Funktionspolymere grenzen sich von klassischen Kunststoffen vor allem dadurch ab, dass sie nicht primär wegen ihrer mechanischen Eigenschaften von Interesse sind. Vielmehr finden sie aufgrund ihrer Effekte und Wirkungen Einsatz. Diese wiederum sind Ergebnis des chemischen Aufbaus der Polymerketten. Die Wirkungen von Funktionspolymeren sind gefragt, wenn beispielsweise

    • Flüssigkeiten, Lösungen oder Dispersionen in ihrer Viskosität verändert werden
    • Dispersionen und Emulsionen stabilisiert oder zur schnellen Flockung gebracht werden
    • Härtungs- und Kristallisationsprozesse in ihrer Geschwindigkeit moduliert werden
    • Spröde Materialien höhere Schlagzähigkeit und Oberflächen höhere Kratzfestigkeit sowie beides ein Selbstheilungsvermögen erhalten
    • Opake oder trübe Materialien transparent werden
    • Materialien erhöhte elektrische oder thermische Leitfähigkeit erhalten oder besonders gute Isolatoren werden
    • Materialien besondere optische Effekte wie hohe Brechungsindices, Interferenzfarben, Lichtabsorption oder Lichtemission zeigen
    • Materialien nach festgelegten Zeiten auf definierte Weise biologisch zu unbedenklichen Spaltprodukten abgebaut werden
    • Oberflächen in spezieller Weise von Flüssigkeiten benetzt
    • Oberflächen mit biologischen Systemen spezifisch in Wechselwirkung treten
    • Zellansiedelungen gefördert oder Belagsbildungen vermieden werden

    sollen. Meist nimmt man die Präsenz der Funktionspolymeren überhaupt nicht wahr. Selbst dem Spezialisten geben sie sich oft nur aufgrund ihres maßgeblichen Einflusses auf das Material- und Prozessverhalten zu erkennen. Umso bedeutender sind sie für den Erfolg.

  • Blockcopolymere & Co.: Im Dienste der Verträglichkeit.

    Block- und Pfropfcopolymere sind typische Vertreter der Funktionspolymeren. In ihnen sind die Makromoleküle segmentweise aus verschiedenen Grundbausteinen aufgebaut. Sie helfen, Mischungen (Blends) unverträglicher Polymerer mechanische Festigkeit zu geben, indem sie sich in die Grenzflächen einlagern. Dabei verknüpfen sie diese über chemische Bindungen und bewirken so einen soliden Zusammenhalt der Bestandteile eines Werkstoffs. Ähnlich helfen sie beim Kleben und Schweißen von Kunststoffteilen und in Verbünden (z.B. Sandwich-Strukturen) oder Kompositen (z.B. (nano)gefüllte oder faserverstärkte Kunststoffe).

    Die Wirkungsweise von Block- und Pfropfcopolymeren ist ein überaus leistungsfähiges und universelles Prinzip. In der Praxis benötigt es aber bei jeder konkreten Fragestellung und Materialkombination eine gezielte Einstellung. Dabei kann man leider auch einiges falsch machen. Gerade daher bleiben heute unzählige Materialien hinter ihren Möglichkeiten zurück.

  • Leitfähige Polymere: Überraschende Elektronenmobilität.

    Fast alle Kunststoffe sind gute elektrische und thermische Isolatoren. Daher finden sie beispielsweise als Kabelummantelungen und in Elektro-Installationen breiten Einsatz. Manchmal wird von Kunststoff allerdings auch Leitfähigkeit gefordert. Ein Weg, diese zu erreichen, ist das Beimischen leitfähiger Füllstoffe wie Ruß, Metall- oder Metalloxid-Pulvern. Die Herstellung und Verarbeitung solcher Komposite muss jedoch auf die genau richtige Weise erfolgen: Können die Füllstoffe im Produkt nicht die für das Wandern der Ladungsträger notwendigen Pfade („Perkolationspfade“) durch das Bauteil hindurch bilden, bleibt die Maßnahme erfolglos. Dies kann man beispielsweise am hoch rußgefüllten, trotzdem aber nicht leitfähigen Autoreifen sehen. Mit nur etwas veränderter Rußverteilung hingegen könnte er elektrisch und thermisch hoch leitfähig sein. Dies und ähnliches zu steuern kann unter anderem über den Einsatz von Funktionspolymeren gelingen.

  • Polymere für die (Opto-)Elektronik: Leuchtdioden, Solarzellen und mehr.

    Nicht nur durch Beimengen leitfähiger Füllstoffe kann Kunststoff zum elektrischen und thermischen Leiter werden. Einige Polymere sind aufgrund ihres chemischen Aufbaus selbst in der Lage, Elektronen die für den Ladungstransport notwendige Beweglichkeit zu gewähren. Man spricht hier von „intrinsischen Leitern“. Heute stehen diese Polymere im Kontext der „organischen und/oder gedruckten Elektronik“ vor einem Siegeszug in unserer modernen Informationsgesellschaft. Korrekt ausgewählt und gehandhabt lassen sich mit ihnen zahllose großflächige wie auch miniaturisierte Dünnschicht-Bauteile in hohen Stückzahlen kosteneffizient fertigen. Als Beispiele dienen Solarzellen, Leuchtdioden, Transistoren und Sensoren.

  • Polyelektrolyte: Vom Superabsorber zur Biomineralisation.

    Polyelektrolyte sind dadurch charakterisiert, dass ihre Polymerketten viele Gruppen tragen, die säure-, base- oder salzartigen Charakter haben. Daher quellen sie in Wasser schnell und stark auf. Sie finden als Verdicker (z.B. in Speisen, Getränken und Hygieneartikeln), Superabsorber (in Windeln) oder Sprengmittel (in Tabletten) vielfältige Anwendung. Aufgrund ihrer hohen Affinität zu Feststoff-Oberflächen wirken sie weiterhin als Fließverbesserer (z.B. in zementären Systemen) und Flockungshilfsmittel (z.B. in der Abwasser-Reinigung und Papier-Produktion). Aus ähnlichem Grunde beeinflussen sie Kristallisationsvorgänge stark. Das macht sie zu sehr nützlichen Helfern im Kampf gegen Verkalkung (z.B. Heizstäbe in Spül- und Waschmaschinen) und als Weichspüler. Selbst die Geschwindigkeit der Härtungs-Vorgänge von Beton, Gips etc. lässt sich mit ihnen wirkungsvoll steuern. Die Natur hat dieses enorme Potential von Polyelektrolyten längst erkannt. Sie nutzt es z.B. für die kontrollierte Bildung anorganischer Strukturen („Biomineralisation“, z.B. Knochen, Zähne, Muschelschalen, Schneckenhäuser, Kieselalgen). Polyelektrolyte finden darüber hinaus breitesten Einsatz zur gezielten Wirkstoff-Freisetzung (Drug Release), als Trockenmittel, in der Diagnostik, der Kosmetik, der Lebensmittel- und Gentechnik sowie in vielen anderen Bereichen.

  • Ionomere: Von selbstheilenden Folien und Membranen.

    Ionomere sind nahe Verwandte der Polyelektrolyte. Sie enthalten jedoch deutlich weniger Gruppen mit säure-, base- oder salzartigem Charakter. Aus diesem Grunde können sich hier die „normalen“ Kettensegmente von den Elektrolytgruppen trennen. So resultiert ein auf der Nanometerskala heterogenes Material mit ganz besonderen Fähigkeiten und Eigenschaften. Neben besonders ausgeprägter mechanischer Festigkeit (genutzt in z.B. nahezu unverwüstlichen, hoch transparenten Folien) fasziniert die Fähigkeit zur Selbstheilung nach Beschädigung. Im Wasser-gequollenen Zustand bilden Ionomere darüber hinaus Membranen, die eine überaus hohe Ionen- und Protonenleitfähigkeit zeigen. Sie kommen daher beispielsweise als Trennmembranen von Brennstoffzellen zum Einsatz. Die faszinierenden Eigenschaftskombinationen der Ionomere lassen für die Zukunft eine steigende Breite ihrer Einsatzfelder erwarten.

  • Polymere für die Medizintechnik: Zahnersatz, Gelenk-Prothetik & Co

    Bei der Entwicklung konventioneller Kunststoffe spielt es selten eine Rolle, welche Einflüsse das Material auf lebende Organismen hat. Dieses Ausblenden der Wechselwirkung mit biologischen Systemen ist nicht mehr möglich, wenn die Materialien für den Einsatz am oder im Körper vorgesehen sind. Beispiele sind Dentalmaterialien (z.B. Zahnfüllungen), Implantate (z.B. künstliche Knochen- und Gelenkteile, Sehnen, Bänder), Stents (bei Gefäßverengung), Schrauben und Platten (bei Knochenbrüchen), Nahtmaterial (für Schnittwunden) oder Membranen (für die Dialyse). Hier müssen sich die Teile im Kontakt mit dem umgebenden Gewebe, den Zellen und Körperflüssigkeiten neutral verhalten, dürfen keine Abwehr- oder Entzündungsprozesse hervorrufen. Darüber hinaus müssen sie über die geforderte Zeit hinweg ihre mechanischen Eigenschaften beibehalten und möglichst geringen Verschleiß, Abrasion und Korrosion zeigen. Das Erfüllen dieses Anforderungsprofils ist eine eigene Funktionalität, weshalb viele für die Medizintechnik maßgeschneiderten Kunststoffe zu den Funktionspolymeren zählen. Dies gilt insbesondere, wenn zusätzlich Funktionalitäten in die Materialien implementiert werden, wie z.B. steuerbare Wirkstofffreisetzung, externe Stimulierbarkeit (z.B. Heizen über äußere Magnetfelder), Formgedächtniseffekte (z.B. selbständiges Festziehen einer locker gewordenen Wundnaht) oder präzise programmierte Bioabbaubarkeit.

  • Bioabbaubare Polymere: Auch nach Nutzung spurlos verschwinden ist eine Funktion.

    Wie oft haben wir uns angesichts von Plastikmüll in der Umwelt schon die Frage gestellt, ob man diese Materialien nicht so gestalten kann, dass sie nach Ende ihrer Nutzung in ungiftige Bruchstücke zerfallen und in den biologischen Stoffkreisläufen verschwinden. Die Antwort ist einfach: Man kann, nur bezahlt der Kunde in vielen Fällen den Mehrpreis nicht, den diese zusätzliche Funktionalität im Dienste des Umweltschutzes kostet. Andererseits gibt es auch zahlreiche Felder, in denen eine problemlose Bioabbaubarkeit von Polymeren unter natürlichen Umgebungsbedingungen durchaus ihren Preis wert ist. In besonderem Maße, aber bei weitem nicht ausschließlich, sind hier die Medizintechnik und die Pharmazie zu nennen. Nahtmaterial, Schrauben und Platten, die spurlos verschwinden, wenn Schnitt und Bruch verheilt sind, sowie Träger von Wirkstoffen, die ihre Fracht nach genauem Plan gezielt an bestimmten Orten und mit bestimmten Raten freisetzen und danach verschwinden, mögen als Beispiele dienen. Hinzu kommt das immens schnell wachsende Gebiet der künstlichen Erzeugung neuen Gewebes und neuer Organe (tissue engineering). Hier werden Zellen (z.B. Hautzellen, Knochenzellen, ggf. auch Stammzellen) auf polymeren Trägergeweben positioniert, wo sie sich vervielfachen, ggf. ausdifferenzieren und schließlich einen durch Unfall oder Operation entstandenen Defekt auszuheilen helfen. Ist dies erreicht, soll natürlich auch das ursprüngliche Stützpolymer unmerklich verschwunden sein. Daher müssen die hier einzusetzenden Materialien ebenfalls eine sehr präzise programmierbare Bioabbaubarkeit aufweisen. Diese und viele weitere Beispiele werden in Zukunft noch deutlich an Bedeutung gewinnen und die Rolle dieser Funktionspolymeren noch eindrücklicher machen.

  • Keramik aus Polymeren: Werkstoffe für höchste Beanspruchung.

    Dass Polymere gut als Vorstufen von Keramiken dienen können, ist seit langem bekannt und wird vielfach genutzt. In den letzten Jahren wächst allerdings die Erkenntnis, dass das Potential dieses Umwandlungsprozesses vom Polymer zur Keramik bei weitem noch nicht erschöpfend genutzt wird. Insbesondere für Keramiken, die sich durch besonderes Temperatur- und Bruchverhalten sowie zusätzliche Funktionen (Leitfähigkeit, Porosität, katalytische Aktivität etc.) auszeichnen, werden daher mit Nachdruck neue Ausgangspolymere gesucht. Diese sollen es ermöglichen, die gewünschten Eigenschaftsprofile weiter zu optimieren und auf einfachere Weise zu realisieren. Auch hier führt der Weg über besondere Funktionspolymere, die auf die entsprechenden Anforderungen maßgeschneidert und in definierten Keramisierungsprozessen in die Endprodukte umgewandelt werden müssen.

  • Flüssigkristalline Polymere: Das Spiel mit Licht und Farbe.

    Flüssigkristalle sind uns allen aus Displays und Speichermedien wie CD und DVD geläufig. Während in vielen heutigen Anwendungen Flüssigkristalle auf Basis kleiner Moleküle zum Einsatz kommen, kann man sich auch erweiterte Einsatzfelder dieser Verbindungsklasse vorstellen, in denen die seit den 1970er Jahren intensiv beforschten polymeren Verwandten, die flüssigkristallinen Polymeren besondere Stärke zeigen. Insbesondere in Verbindung mit dem Erstarken der optischen Datenverarbeitung sind hier enorme Wachstumspotentiale zu sehen. Gleiches gilt für die nichtlineare Optik und die holographische Informationsspeicherung. Es sind aber nicht nur die Visionen für die Zukunft, die eine Befassung mit flüssigkristallinen Polymeren sehr vielversprechend machen. Auch heute schon lassen sich zahlreiche scheinbar unauflösliche Widersprüche in Materialanforderungen lösen, wenn man den Einsatz dieser Polymere in Erwägung zieht. Denn: Auch wenn Funktionspolymere an vielen Stellen schon Großartiges leisten, es gibt es immer noch viel Raum für erhebliche weitere Verbesserungen.

  • Funktionale Oberflächen: Auf die obersten Nanometer kommt es an.

    Funktionalitäten in Polymer-basierten Systemen können nicht nur über den chemischen Aufbau der Makromoleküle sowie durch funktionale Zuschlagstoffe erreicht werden. Wie schon verschiedentlich angeklungen, können auch der chemische Aufbau und die topologische Beschaffenheit einer Oberfläche erhebliche Funktionalität erzeugen. Als bekanntes Beispiel sei der selbstreinigende Effekt ultrahydrophober Oberflächen genannt. Daneben gibt es eine große Fülle weiterer solcher Effekte, die zwar nicht so bekannt, aber nicht minder wichtig sind. Die Oberflächen bestimmen beispielsweise maßgeblich die Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Klebe- und Schweißverbindungen, sind für elektrostatische Aufladung (bzw. antistatische Funktionalität) verantwortlich, bestimmen das Verschmutzen von Gegenständen und sind in ganz besonderer Weise dafür zuständig, wie ein Körper mit umgebenden Medien und vor allem biologischen Systemen in Wechselwirkung tritt. Die zuverlässige und dauerhafte Vermeidung von Belagsbildung (Fouling, Bio-Fouling) stellt gerade in Rohr- und Kühlsystemen eine riesige Herausforderung dar. Sie findet auf größeren Skalen ihre Fortsetzung beispielsweise bei der Frage, wie man auf ungiftigem Wege vermeiden kann, dass sich auf Schiffsrümpfen ganze Kolonien von Meerestieren ansiedeln und durch erhöhten Widerstand den Energieverbrauch bei der Fahrt massiv nach oben treiben. Auch die Anlagerung von Bestandteilen des Blutes stellt für viele medizinische Implantate eine der ganz großen Herausforderungen dar. Umgekehrt ist eine der großen Zukunftshoffnungen, auf Oberflächen die Ansiedelung und das Wachstum ganz bestimmter Zellen zu befördern. Dies spielt beispielsweise bei allen Fragen um die Schaffung von Ersatzgeweben (Haut, Knochen, …) eine entscheidende Rolle. Nicht immer sind die Mechanismen schon verstanden, die hinter diesen Phänomenen stehen. Es ist allerdings schon deutlich mehr bekannt und möglich, als bisher Eingang in die praktische Anwendung gefunden hat. Hier eine Brücke zu schlagen zwischen dem Wünschenswerten und dem, was an anderer Stelle bereits in der Praxis oder in der wissenschaftlichen Entwicklung angekommen ist, stellt eines unserer Angebote dar. Wie auch immer Ihre Anforderung aussieht, zögern Sie nicht und treten Sie einfach mit uns in Verbindung!