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Werkstoffe der Zukunft

Werkstoffe der Zukunft

chemie&more Interview mit Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Reinhold W. Lang

Kunststoffe gelten als Multitalente und sind zunehmend auf Erfolgskurs. Seit dem Beginn der groß­technischen Produktion in den 30er-Jahren des 20. Jahrhunderts sind Kunststoffprodukte im Alltag und in der Industrie allgegenwärtig. Die jüngste Werkstoffklasse hat sich vom kosten­günstigen Standard­material zu einem innovativen Hightech-Werkstoff mit vielfältigsten maßgeschneiderten Eigenschaften weiterentwickelt und erobert immer neue Anwendungsfelder. Auf der K 2013 in Düsseldorf zeigt die internationale Kunststoffbranche die aktuellsten Entwicklungen. Erstmals präsentiert sich der Science Campus, eine Kooperation zwischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen, und greift die zentralen Fragen der Kunststofftechnologie auf.

chemie&more war im Gespräch mit Prof. Dr. Reinhold W. Lang, Vorstand des renommierten Instituts für Polymerwerkstoffe und Prüfung (IPMT) der Johannes Kepler Universität Linz und Mitglied des neu besetzten Wissen- schaftlichen Rates der K 2013.

Herr Professor Lang, Sie sind im Wissen- schaftlichen Rat der K 2013, der weltweit wichtigsten Messe für Kunst- stofftechno­logien in Düsseldorf. Können Sie uns einen kurzen Ausblick auf die aktuellen Leithemen der Branche geben?

Der Wissenschaftliche Rat hat die aktuellen Leitthemen in eigenen Leitartikeln behandelt, die von der Homepage der K 2013 heruntergeladen werden können. Kurz gesagt geht es dabei um die maßgeblichen Trends auf werkstofflicher und verfahrens- bzw. fertigungstechnischer Ebene, nicht zuletzt auch aus dem Blick­winkel der globalen Herausforderungen an Technologien in Bezug auf Öko-Effizienz und eine nachhaltige Entwicklung. Ganz generell wird die Werkstoffvielfalt aufgrund weiterer Verbesserungen der Kunststoffeigenschafts­profile sicherlich noch zunehmen.

Bei den Standardkunststoffen und technischen Kunststoffen stehen zusätzlich weitere Verbesserungen der wirtschaft­lichen Herstellung und damit der Produk­tivität im ­Vordergrund. Hin­gegen ist in der Kunststoffverarbeitung eine starke Tendenz zu komplexeren, kombinierten und integrierten Fertigungsprozessen mit erhöhtem ­Automatisierungsgrad bei gleichzeitiger Ausnutzung der (alten und neuen) werkstofflichen Vielfalt für Endprodukte mit noch deutlich verbesserter Multifunktio­nalität, aber auch in Richtung „individualisierter“ Produktion (steigende Zahl von Produktvarianten mit kurzen Lebenszyklen bzw. so genannte 3D-Drucktechnologien) zu erwarten.

Eine besondere Bedeutung hat die enge Interaktion zwischen Werkstoff- und Fertigungstechnologien inkl. Automatisierung bei der Herstellung von Leichtbaustrukturen z.B. aus Kohlenstofffaser/Kunststoffmatrix-Hoch- leistungsverbundwerkstoffen (CFK) in Richtung Großserientauglichkeit, was für die Entwicklung und Marktdurchdringung von Elektroleichtfahrzeugen mitbestimmend sein wird.

Zum wichtigen Bestandteil aller künftigen Entwicklungen wird schließlich die noch effizientere Nutzung von Rohstoffen und Energie in allen Stufen der Prozess- und Wertschöpfungskette bei integrierter Betrachtung. Dies bezieht verbesserte Konzepte für Stoffkreisläufe und das Abfallmanagement, in denen Kunststoff­abfällen verstärkt die Rolle eines „wertvollen Rohstoffs“ zukommt, mit ein.

Mit der Premiere des Science Campus auf der K, auf dem zahlreiche Forschungs­einrichtungen ihre Aktivitäten und Ergebnisse präsentieren, haben Sie eine Plattform geschaffen, die den Dialog zwischen Wissenschaft und Wirtschaft fördern will. Welche Ziele und Erwartungen sind damit verbunden?

Eine enge Vernetzung von Wissenschaft und Wirtschaft spielt für die künftige Entwicklung bei Polymertechnologien und Kunst­stoffinnovationen eine immer wichtigere Rolle. Sie wird auch als ein zentraler Faktor im Standortwettbewerb anerkannt. Am ­ ­Science Campus der K2013 geht es ­einerseits darum, diese Funktion wissenschaftsbasierender Forschung und Entwicklung im Kontext von existierenden oder potenziellen Kooperationen mit der Kunststoffwirtschaft beispielhaft darzustellen aber auch darum, künftige Koopera­tionen anbahnen zu können. Andererseits soll ­diese Plattform dazu genutzt werden, vor allem junge Besucher umfassend über die Möglichkeiten der akademischen Ausbildung auf den Gebieten der Polymerchemie und Kunststofftechnik zu informieren. In diesem erstmaligen Ansatz beschränkt sich das Angebot auf Institutionen aus dem deutschsprachigen Bereich mit Blick auf eine zukünftige Erweiterung.

Ihr Institut, das IPMT, ist in den 2009 neu geschaffenen Ausbildungsbereich für Kunststofftechnik der Johannes Kepler Universität Linz integriert, die damit eines der breitesten Polymerausbildungsprogramme weltweit bietet. Welche Bereiche deckt Ihr Institut ab?

Das Leistungsspektrum des Instituts ­umfasst die Bereiche Physik, Werkstoffkunde, Prüfung und Anwendungen der Kunststoffe. Im Mittelpunkt der technologischen Ausrichtung des IPMT stehen an einer nachhaltigen Entwicklung orientierte Schlüsseltechnologien. Letztere zielen auf den Einsatz von Polymerwerkstoffen und die Nutzung von Polymertechnologien insbesondere in den Bereichen Wasserversorgung und -entsorgung, erneuerbare Energietechnologien und Energieeffizienz, Leichtbau für die ­Mobilität und den Transportbereich sowie schließlich verbesserte Nahrungsmittelversorgung durch hochef­fiziente, multifunk­tionale Verpackungslösungen ab. Dabei geht es einerseits um die bestmögliche Nutzung der Eigenschaftsprofile von bereits verfügbaren Polymerwerkstoffen für neue, technisch anspruchsvolle Anwendungen, anderseits um die Entwicklung neuartiger Kunststoffe mit verbesserten Eigenschaftsprofilen und gesteigerter Multifunktionalität. In seinen Schlüsseltechnologiebereichen übernimmt das Institut auch die Rolle des Initiators und Koordinators von Großforschungsvorhaben in enger Kooperation mit anderen Forschungspartnern und der Industrie.

Ein Beispiel für ein solches Großprojekt ist die von Ihnen geleitete „SolPol“-Forschungsplattform – eine international ­beachtete Forschungsinitiative zu Polymerwerkstoffen für Solarenergietechnologien. Welche Bedeutung und Zielsetzung hat dieses Projekt?

Unter dem Synonym SolPol konnten wir eines der europa- und wohl auch weltweit größten kooperativen Forschungsprogramme zum Einsatz von Kunststoffen in der Solarthermie und Photovoltaik an die JKU holen. Derzeit sind bei einem Gesamtbudget von etwa 7,5 Mio. Euro 10 wissenschaftliche Partner und 14 Unternehmenspartner beteiligt. Ein weiteres Großforschungsvor­haben über 6,4 Mio. Euro wurde eben ­bewilligt. Diese Partner aus dem Kunststoffbereich und der Solartechnik decken mit ihren wissenschaftlichen und techno­logisch-industriellen Kompetenzen die gesamte Wertschöpfungskette in der Solarthermie und Photovoltaik ab. Unser Ziel ist die nachhaltige Stärkung der Solar- und Kunststoffindustrien in diesem Wirtschaftssektor durch Kunststoffinnovationen, und übergeordnet, die Erfüllung künftiger gesellschaftlicher Notwendigkeiten für eine Energieversorgung basierend auf erneuerbaren Energietechnologien.

Welche Rolle spielen Kunststoffe in diesem Zusammenhang?

Kunststoffe sind mittlerweile wesentlicher und fixer Bestandteil sämtlicher Wirtschafts- und Technologiesektoren und durchdringen nahezu alle Lebensbereiche. Vom steigenden Einsatz von Kunststoffen in der Solarthermie und in der Photovoltaik ­erwarten wir ähnlich wie in anderen ­Anwendungsbereichen wie z.B. Bau­wesen, Fahrzeugtechnik oder Elektronik etc. zahlreiche Vorteile wie verbesserte Gesamtfunktionalität, attraktives Design und ein verbessertes Preis-Leistungs-Verhältnis. Kunststoffen wird zukünftig bei Innova­tionen in der Solartechnik eine Schlüsselrolle zukommen.

„Ich gehe davon aus, dass die Kunststoffwirtschaft in der Gesamtbilanz zur Gruppe der Gewinner der gegenwärtigen techno­logischen Trans- formationsprozesse zählen wird.“

Zum Thema Leichtbau – hoch im Kurs sind derzeit kohlenstoff- faserverstärkte Kunststoffe (CFK). Auch Sie forschen am IPMT an Verbundwerkstoffen, so genannten Composites. An welchen Themen arbeiten Sie hier aktuell?

Ausgehend von den früheren Forschungsarbeiten meiner Arbeitsgruppe zur Entwicklung und zum Einsatz von epoxidharzbasierten CFK-Werkstoffen für die Luftfahrt und den Sportartikelbereich gehen unsere derzeitigen Bestrebungen in Richtung Leichtbaustrukturen für die Fahrzeugtechnik (Stichwort e-mobility) und industrielle Anwendungen. Dabei spielen aktuell CFK/Stahl Hybridwerkstoffe für neuartige Leichtbaulösungen eine zentrale Rolle. Auch hat sich die Beschäftigung mit ausschließlich duroplastischen Matrixsystemen nun in Richtung thermoplastische Matrix­systeme verschoben. Ein Projekt, das in Kürze startet, zielt auf die Nutzung von ­Polyamid als ­Matrixsystem für CFK ab. Nicht unerwähnt bleiben sollte, dass wir uns seit Jahren auch mit kurz- und langglasfaserverstärkten Polypropylenmaterialien beschäftigen, die nun auch bei anspruchsvollen konstruktiven Leichtbauanwendungen an Bedeutung zunehmen.

Biopolymere gelten als Rohstoffe der ­Zukunft – wohin werden die zukünftigen Trends im Bereich der Kunststoffe gehen?

In meiner Einschätzung gibt es aus „rohstofflicher“ Sicht drei große Entwicklungs­linien. Die erste ist bereits voll im Gange und basiert auf Weiterentwicklungen mit existierenden fossilen Rohstoff- und Verfahrenstechnologien. Sie geht in Richtung noch leistungsfähigerer multifunktionaler Polymerwerkstoffe und -produkte, als wir das heute kennen. Dies gilt für das gesamte relevante Eigenschafts- und Performance-Spektrum von Kunststoffen. Die zweite Entwicklungslinie geht in Richtung einer veränderten Rohstoffbasis und ist eng mit der nach wie vor steigenden energetischen und stofflichen Nutzung fossiler Rohstoffe und deren limitierten Verfügbarkeit verknüpft. Auch dazu gibt es bereits heute weltweit zahlreiche Ansätze zur direkten Nutzung von eher „konzentriertem“ CO2 aus technischen Prozessen (z.B. Kraftwerken, Stahlwerken) bzw. von „diffusem“ ­atmosphärischem CO2 als nahezu unerschöpfliche Kunststoff-Rohstoffquelle. Die dritte Entwicklungslinie geht schließlich in Richtung sowohl regenerativer Rohstoffe als auch völlig neuartiger chemisch-technologischer Verfahren. Sie zielt auf die ­Nutzung bio- und gentechnologischer Verfahren sowohl bei der Herstellung von Ausgangsstoffen als auch bei den Folge­syntheseschritten zu Polymeren ab. Ergebnis könnten völlig neuartige, multifunk­tionale Werkstoffstrukturen von hohem Selbst­organisationsgrad sein. Natürlich stellen sich dabei auch Fragen nach den ­Risiken einer derartigen Entwicklung und nach geeigneten Methoden der Techno­logiefolgenabschätzung und sich daraus ableitenden Rahmenbedingungen.

Analog zu anderen historischen Techno­logiewenden sind auch für die anstehenden Transformationen des Energie- und Werkstoffsystems weit reichende und tief greifende Auswirkungen auf die Techno­logien und Strukturen in anderen Bereichen von Wirtschaft und Gesellschaft mit unvermeidbaren Systemkonflikten zu erwarten. Ich gehe jedoch davon aus, dass die Kunststoffwirtschaft in der Gesamt­bilanz zur Gruppe der Gewinner dieser Transformationsprozesse zählen wird.

Herr Professor Lang, herzlichen Dank für das Gespräch.

(Interview: Claudia Schiller)

Foto ©: panthermedia

Stichwörter:
K 2013, Polymertechnologie, Kunststoffinnovation,

C&M 5 / 2013

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe C&M 5 / 2013.
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