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Wissenswertes rund um Kunststoff und Kautschuk

Kunststoff und Kautschuk begegnen uns überall im Alltag. Entdecken Sie spannende Geschichten, überraschende Fakten und interessante Hintergründe – von historischen Entwicklungen und bekannten Produkten bis hin zu wichtigen Persönlichkeiten und Innovationen der Branche.

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  • Sprit vom Acker: Biodiesel

    Biodiesel - Sprit vom Acker Biodiesel ist ein dem Dieselkraftstoff vergleichbarer Energieträger. Im Gegensatz zum konventionellen Dieselkraftstoff wird er allerdings nicht aus Rohöl gewonnen, einer bekanntermaßen nur begrenzt vorhandenen Ressource, die zu wertvoll ist, um schlicht verbrannt zu werden. Biodiesel wird aus biogenen, somit erneuerbaren Rohstoffen wie Pflanzenöl hergestellt. Wichtigster Rohstofflieferant ist die Feldfrucht Raps (Rapsdiesel). Aufgrund der eingesetzten nachwachsenden Rohstoffe zählt Biodiesel zu den erneuerbaren Energieträgern. Aus chemischer Sicht handelt es sich bei Biodiesel um Rapsmethylester (RME). RME entstehen durch Umestern von Fetten und Ölen (Triglyceriden) mit Methanol. Im Verlauf der sauer oder basisch katalysierten Reaktion wird der dreiwertige Alkohol Glycerin durch Methanol ausgetauscht, um die Fließfähigkeit des Treibstoffs zu fördern und ein Gefrieren auch bei tiefen Minustemperaturen zu verhindern. Neben RME, also Biodiesel, fällt als Reaktionsnebenprodukt Rohglycerin an, das sich seiner spezifisch höheren Dichte wegen als Rückstand absetzt; pro Tonne Biodiesel entstehen einhundert Kilogramm Glycerin. Neben Glycerin enthält Rohglycerin u.a. Wasser, überschüssiges Methanol und freie Fettsäuren.

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  • Aerogele: Fliegengewicht unter den Hightech-Materialien

    Von Guido Deußing Wurde Stabilität und Leistungsvermögen von Werkstoffen vor geraumer Zeit mit hohem Gewicht und großer Härte gleichgesetzt, geht der Trend seit Jahrzehnten in eine ganz andere Richtung. Moderne Werkstoffe sind leicht im Gewicht und zugleich extrem leistungsfähig. Die Forderung nach Höchstwerten in puncto Belastbarkeit, Flexibilität und Kosteneffizienz führte zur Entwicklung von Materialien, die die Vorzüge unterschiedlicher Werkstoffwelten in sich vereinen, wie es insbesondere beim Werkstoffverbund von synthetischen- bzw. Naturfasern und Kunststoffen der Fall ist. Und die Materialforschung und -entwicklung erweist sich als regelrechtes Perpetuum mobile und wartet immer wieder mit neuen Materialien auf. Heute machen nanostrukturierte Aerogele von sich reden – und stimulieren gleichzeitig die Polymerentwicklung. Es ist anzunehmen, der US-Amerikaner Samuel Stephens Kistler (1900-1975) [1] ist nur wenigen Menschen ein Begriff, vornehmlich Wissenschaftlern, die sich in der Werkstoffentwicklung tummeln. Zudem war Kistlers Bekanntheitsgrad vermutlich zu Lebzeiten deutlich niedriger, als er es heute ist, viele Jahre nach seinem Tod. Ebenso ist zu vermuten, dass Kistler postum mehr Anerkennung erfährt, als er es jemals erträumt oder auch nur ansatzweise für möglich gehalten hätte. Ein Platz am Firmament der Materialforschung jedenfalls ist Kistler für seine Erfindung des Aerogels bereits heute sicher. Revolution in der Materialforschung Aerogele sind faszinierende, milchig-transparente Festkörper, die den Betrachter zu täuschen in der Lage sind: Obwohl voluminös, fühlt sich das Material körper- und gewichtlos an. Der Eindruck, es handle sich um gefrorener Rauch, wird durch seinen bläulichen Schimmer von einem sehr warm Empfinden in der Hand konterkariert. Aufgebaut sind Aerogele aus einem weitverzweigten, dreidimensional Netzwerk mit Kieselsäure bzw. Siliziumoxid (SiO2) als Grundbaustein; andere Materialien wie Graphit oder Kunststoff sind ebenfalls möglich. Der Anteil an festen Bestandteilen in Aerogelen ist indes eher gering, er liegt vielleicht gerade einmal bei ein bis fünf Prozent. Der überwiegende Teil besteht, salopp gesagt, aus Luft und Löchern – daher Aero-gel. Herkömmliche Gele enthalten bekanntermaßen Flüssigkeit, so auch die Aerogele zumindest zu Anfang. Im Laufe eines aufwendigen Prozesses wird die Feuchtigkeit im Gel entfernt und durch Luft ersetzt. Zurück bleibt eine netz- oder wabenartige Struktur, quasi das Gelgerippe, das in seiner Ausdehnung nahezu exakt dem Volumen des ursprünglichen Gels entspricht. Aerogele gelten nachweislich als leichteste Feststoffe der Welt. Laut Guinness Buch der Rekorde wurde 2003 in den USA ein Aerogele mit einer Dichte von einem Milligramm pro Kubikzentimeter (mg/cm3) hergestellt. Die Dichte von Luft beträgt 1,2 mg/m3 [3]. Aerogele gleichen einem Schwamm, der über zahllose nanofeine Poren verfügt; an dieser Struktur bricht sich nicht allein das Licht und beschert dem Material einen bläulichen Schimmer, sondern erklärt auch seine große innere Oberfläche: Die Fläche eines Gramms Aerogels entspricht der eines Fußballfeldes [8]. Das Material ist ideal dafür geeignet, um Öl aufzusaugen oder Kometenstaub einzufangen [9]. Aerogele wiegen so gut wie nichts und sind, obgleich das Fliegengewicht unter den Hightech-Materialien, regelrechte Schwergewichte. Um sich eine bildhafte Vorstellung vom Aufbau eines Aerogels machen zu können: Die räumlich Verzweigungen im Aerogel sind um das 1000fache dünner als Spinnenfäden, und die Poren sind so winzig, dass sie die Luftmolekle einschließen und eine Berührung untereinander verhindert – was Aerogele für den Einsatz als Dämmmaterial prädestiniert. Schließlich ist Wärme nichts weiter als Bewegung und Reibung: Der Wärmetransport erfolgt, indem sich die in der Luft befindlichen Moleküle anstoßen und aneinander reiben. In Aerogelen sind die Poren so kleine, das dieser Vorgang unterbunden wird. Aufgrund des hohen Vernetzungsgrads der Gel-bildenden Partikel erweisen sich Aerogele zwar als spröde; sie sind leicht und dennoch stabil und überaus tragfähig. Um die Geschichte des rekordträchtigen Materials von Anfang an zu erzählen, blicken wir rund 80 Jahre zurück; der Zeitpunkt ist nicht exakt definiert. Der Legende nach beginnt sie mit einer Wette zwischen den Wissenschaftler Samuel Stephens Kistler und Charles Learned, beide arbeiten seinerzeit an der Stanford University in Kalifornien, USA. Die Frage stand im Raum, ob es möglich sei, die Flüssigkeit aus einem Gel, zu entfernen, ohne dass das Gel an Volumen verliert und schrumpft. Ein Gel wird in der Regel als ein feindisperses System aus mindestens einer festen und einer flüssigen Phase definiert. Die feste Phase bildet durch Verknüpfung der einsetzten Partikel ein schwammartiges, dreidimensionales Netz, dessen Poren durch eine Flüssigkeit (Lyogel) oder ein Gas (Xerogel) ausgefüllt sind; ist das Netzwerk hochporös und befindet sich Luft in den Zwischenräumen, wird das Gel als Aerogel bezeichnet. [4] Um sein Ziel zu erreichen, galt es für Kistler eine Methode zu finden, Gele zu trocknen, ohne das Volumen des resultierenden Gebildes zu reduzieren. Kein einfaches Unterfangen, allerdings, so viel vorneweg: „Unsere Bemühungen waren von Erfolg gekrönt“, schreibt Kistler 1931 im angesehen Wissenschaftsmagazin Nature [1] über das Ergebnis seiner Experimente; 1932 setzte er mit einer umfangreicheren Arbeit im Journal of Physical Chemistry [2] nach. „Kistler nutzte Natriumsilicat, das er mit Wasser vermischte und so eine Lösung herstellte (Wasserglas). Nach der Zugabe der als Fällungsreagenz wirkenden Salzsäure fielen mit der Zeit Kieselsäureteilchen aus (Fällungsreaktion), welche sich bedingt durch die Brownsche Molekularbewegung unkoordiniert in der Lösung verteilten und dabei auch zusammenstießen. […] Durch die allmähliche Haftung aggregierten diese Teilchen mit der Zeit und binnen ungefähr eines Tages resultierte ein Gel mit netzwerkartiger Struktur. Aus diesem wurde(n) das Natriumchlorid und die überschüssige Salzsäure mit Wasser ausgespült (Aquagel) und es folgte eine Versetzung mit Alkohol (Alkogel). Dieser Schritt ist notwendig, da das Wasser ansonsten im weiteren Prozessverlauf die Gelstruktur wieder zerstören würde. Verdunstet der Alkohol langsam, so bilden sich aufgrund der wirkenden Oberflächenkräfte Menisken aus, welche sich in das Gel ‚eingraben‘ und in diesem eine gangartige Struktur bedingen. Damit verbunden wäre eine Schrumpfung des Gels und als Ergebnis ein poröses Gefüge mit nur ungefähr 50 (Prozent) Porenanteil, was es jedoch gerade zu vermeiden galt. Kistler nutzte zur Trocknung daher einen Autoklaven, (einen gasdicht verschließbaren Druckbehälter, dazu zählen auch Schnellkochtöpfe, Anm. d. Red.) und erhöhte Temperatur und Druck über den kritischen Punkt, sodass ein überkritisches Fluid entstand. Diese Vorgehensweise wird als überkritische Trocknung bezeichnet. Die Phasengrenze zwischen Gas und Flüssigkeit war damit aufgehoben; Oberflächenkräfte, welche im anderen Fall zur Bildung von Menisken geführt hätten, existierten nicht mehr. Das überkritische Fluid wurde dann aus dem Autoklaven abgeblasen, wodurch das Produkt trocknete und schließlich zum Aerogel geworden war. Dabei hatte das Aerogel die Größe und Form des ursprünglichen Gels behalten, wobei die von Kistler hergestellten Silikat-Aerogele eine Dichte von rund 30 bis 300 kg/m3 und eine Porosität im Bereich zwischen 86 und 98 (Prozent) aufwiesen. Die Herstellungsmethode nach Kistler hatte jedoch den Nachteil, lang und aufwendig zu sein, was besonders den Lös(e)mittelaustausch vor dem Verdampfen des Alkohols betraf.“ [5] Der 1968 von Stanislas Teichner an der Universität Lyon entwickelte und 1986 verbesserte Sol-Gel-Prozess galt lange als Standardverfahren zur Herstellung von Aerogelen. Hierbei wird giftiges Tetramethylorthosilikat (TMOS) mit einer definierten Menge Wasser nach der Zugabe eines Katalysators langsam zu Orthokieselsäure und Methanol hydrolysiert. Aus der Kieselsäure spaltet sich Wasser ab und es entstehen Tetraeder aus Siliziumoxid (SiO2), die sich zu einem Gel vernetzen. Die Trocknung des so entstandenen Alkogels erfolgt in Kistler-Manier im Schnellkochtopf, wobei das Methanol kritische Werte von 239,4 °C und 80,9 bar aufweist. Die Eigenschaften des sich so bildenden Aerogels, seine Struktur und Dichte, lassen sich durch die Wahl des Katalysators, des pH-Wertes oder des Mengenverhältnisses der eingesetzten Substanzen, insbesondere des Methanols, steuern. [5,6] Inzwischen wurden einige weitere Wege zur Herstellung von Aerogelen entwickelt, die sich durch unterschiedliche Vor- oder Nachteile auszeichnen. Insbesondere war es das Ziel, die Aerogelherstellung kostengünstiger zu gestalten, was für den kommerziellen Erfolg eines Produkts bekanntermaßen von außerordentlicher Bedeutung ist. Zum Vergleich: Ein Kubikmeter Aerogel kostete laut eines Berichts in der Zeitung „Die Welt“ bereits 2010 rund 1600 Euro, die gleiche Menge Dämmwolle hingegen ließ sich für 50 Euro erwerben [7]. Ein Verfahren findet in Ludwigshafen bei BASF Anwendung, wo insbesondere Aerogelkügelchen (Granulat) mit rund einem bis sechs Millimetern Durchmesser und einer Dichte von ungefähr 200 kg/m³ hergestellt werden. Man bringt Schwefelsäure und Natriumsilikat zur Reaktion, indem man sie mit einer Mischdüse auf einen Kolben aufsprüht. Dabei kommt es zur Bildung von Alkalisalzen, die durch eine Nachbereitung ausgewaschen werden müssen. Der Vorteil dieses Prozesses liegt () in den vergleichsweise geringeren Kosten, der Nachteil ist den schlechteren, insbesondere optischen Eigenschaften des Granulats zu sehen.“ [5] Die Funktionstüchtigkeit des Aerogels indes leidet darunter nicht. Aerogel-Granulat wird heute in vielfältiger Weise eingesetzt, vor allem als Dämmstoff der Superlative. „Mit einem sensationellen Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit von gerade 0,017 W/(m*K) wird es endlich möglich, auch mit extrem dünnen Lagen die erforderlichen oder gewünschten Dämmwerte zu erreichen“, frohlockt die Firma BASF Wall Systems in Ihrem MultiThermAERO-Flyer. Räumliche und optische Beeinträchtigungen ließen sich so problemlos auf ein absolutes Minimum reduzieren. Aerogele zur Dämmung lassen sich in unterschiedlichste Weise verarbeiten: als Dämmplatte oder flexibles Fließ oder als Füllung in Textilen, die den Träger auch bei tiefsten Temperaturen ein wohlig-warmes Körpergefühl verleihen. Aerogele halten nicht nur die Kälte draußen, sondern erfüllen ihrer baulichen Struktur wegen auch im Brandschutz wahre Wunder: Während auf der einen Seite eines mit Aerogel gefüllten Fließ Temperaturen von hunderten Grad herrschen, lässt sich auf der anderen Seite davon nichts spüren. Und wenn man in der Regel über den Schallschutz von einem feinen Nebeneffekt herkömmlicher Dämmmaterialien spricht: Bei Aerogelen ist das Programm: „Dank der feinporigen Nanostruktur und ihrer riesigen Oberfläche fungieren Aerogele auch als hocheffektive Schalldämpfer und können so den Geräuschpegel deutlich reduzieren“, beschreibt die BASF Wall Systems GmbH & Co. KG. [8] Wettbewerb belebt das Geschäft Bei allen Vorzügen, die Aerogele in puncto Dämmung bieten und damit in Konkurrenz treten zu klassischen Material, die dieses Marktsegment noch beherrschen, sie lassen sich bislang nicht schäumen. Folglich geraten sie dort ins Hintertreffen, werden andere Produkte präferiert, wo Hohl- und Zwischenräume Kältebrücken frei ausgefüllt werden müssen, wie es bei der Isolierung von Kühlschränken und Gefriertruhen der Fall ist, die im Haushalt rund ein Fünftel des Stroms verbrauchen. Die Nase vorn haben hier Polyurethan-Hartschäume, mit denen sich in den zurückliegenden Jahren die Dämmwirkung erheblich steigern und der Energieverbrauch signifikant reduzieren ließ. Ungeachtet dieser Markt behauptenden Position geht die Entwicklung des PU-Materials unablässig weiter. Möglicherweise inspiriert von der Leistungsfähigkeit der Aerogele, deren Herstellung Samuel Stephens Kistler gelang, bevor Otto Bayer Jahr Polyurethane (PU) erfand. Im Gegensatz zu Aerogelen ließen sich PU jedoch schon frühzeitig auf wirtschaftlich interessante Weise produzieren. Otto Bayer und Kollegen hatten allein bis 1944 bereits rund 260 PU-Patente angemeldet [10]. Bayer Material Science jedenfalls hat im vergangenen Jahr ein PU-Hartschaum vorgestellt, dessen Porengröße mit 70 bis 100 Mikrometer immer noch kaum an die Porengröße von Aerogelen heranreicht, die aber aber kaum dicker sind als ein menschliches Haar und deutlich kleiner dimensioniert sind als die Poren konventioneller Polyurethanschäume. Damit lasse sich die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Standardmaterialien um bis zu zehn Prozent verringern, berichtet Bayer Material Science. Neben Kühlschränken, Gefriertruhen und Wasserboilern hat das Unternehmen weitere Anwendungen für seinen neuen PU-Hartschaum ausgekundschaftet. So kommt das Material dem Luftfahrt-Projekt Solar Impulse zum Einsatz – einem für 2015 geplanten Flug um die Erde allein mithilfe von Sonnenenergie. „Bei dem zweiten, weiter verbesserten Modell des Flugzeugs wird der Dämmstoff stellenweise in der Cockpit-Verkleidung genutzt, für deren Gestaltung Bayer Material Science verantwortlich ist“, berichtet das Unternehmen [11]. PU ist aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften bereits seit langem ein Aero-Werkstoff, sprich in vielfältiger Weise in der Luftfahrt im Einsatz. Wenn Sie mehr über den Werkstoff Polyurethan (PUR) erfahren wollen: PU wird im Rahmen eines unserer nächsten Themen des Monats behandelt. Quellen [1] S. S. Kistler: Coherent expanded aerogels and jellies. Nature 127 (1931) 741 [2] S. S. Kistler: Coherent expanded aerogels. Journal of Physical Chemistry 36 (1932) 52-64. [3] www.guinnessworldrecords.com/world-records/1/least-dense-solid [4] de.wikipedia.org/wiki/Gel [5] www.chemie.de/lexikon/Aerogel.html [6] Jochen Fricke: Aerogele. Physik in unserer Zeit 17(4) (1986) 101-106 [7] Die Welt, Deutsche Forscher erfinden den Schaumstoff neu, vom 22.10.2010 [8] MultiTherm AERO, BASF Wall Systems GmbH & Co. KG, agitec.ch/fileadmin/images/img/Prospekte/Multitherm_Prospekt_DE.pdf [9] scinexx Das Wissensmagazin, Stardust bringt Kometenstaub zurück, 13.01.2006, www.scinexx.de/wissen-aktuell-4124-2006-01-13.html [10] Stefan Albus. Polyurethane: vom „Emmentaler-Käse-Ersatz“ zum „Allround-Spezialisten“, in Die Babywindel und 34 andere Chemiegeschichten, Wiley-VCH Verlag, 2000, S. 49-59 [11] Pressemeldung der Bayer Material Science. Winzige Poren halten die Wärme draußen. 11/2012

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  • Nimm’s leicht, nimm Composites!

    Von Guido Deußing Nimm’s leicht, nimm Composites! Werkstoffleichtbau auf Basis Faser verstärkter Kunststoffe (FVK) für eine bessere Ökoeffizienz von Fahrzeugen Geringes Gewicht und überaus stabil – Gradmesser von Materialien, die gegenwärtig und absehbar genutzt werden, um Massen auf effiziente, umwelt- und kostenverträgliche Weise zu beschleunigen oder abzubremsen. Das Schwergewicht, die Stahlkarosse, gilt inzwischen als Relikt der Vergangenheit. Die Zukunft gehört Automobilen aus Verbundwerkstoffen bestehend aus Fasern und Kunststoff (FVK). Schenkt man Experten glauben, beflügeln FVK nicht nur den Fahr- oder Flugzeugbau, sondern viele Anwendungsbereiche, etwa den der regenerativen Energiegewinnung oder den Maschinenbau. K-online.de wirft einen Blick auf das Potenzial und die Einsatzgebiete von Faserkunststoffverbunden, allen voran die leichten, crashsicheren und rostfreien Carbon- beziehungsweise Kohlenstofffaser verstärkten Kunststoffe (CFK). Die EU fordert eine drastische Reduktion von Autoabgasen. Das aber geht langfristig nur mittels Gewichtsreduktion. Die Europäische Union (EU) macht Druck und drängt die Autoindustrie zum Abspecken. Vergangenen Monat beschloss der EU-Umweltausschuss, die Abgasgrenzwerte für Autos ab dem Jahr 2025 auf 78 Gramm Kohlendioxid (CO2) je gefahrenen Kilometer zu beschränken. [1] Gleichzeitig hält das EU-Parlament an seinem Ziel fest, den CO2-Ausstoß von Pkw bis 2020 auf 95 und schon 2015 auf 130 Gramm zu reduzieren. [2] Stellt sich die Frage, wie sich dieses Ziel erreichen lässt. Vor allem, weil Autos aufgrund höherer Pferdestärken (PS) sowie gewünschten und geforderten umfangreichen Sicherheits- und Komfortausstattung nicht leichter, sondern eher immer schwerer werden. Zum Vergleich: 1975 wog ein VW Golf I etwa 780 Kilogramm, heute bringt ein Klein- und Mittelklassewagen in der Regel rund 1,2 Tonnen auf die Waage. [3] Was den Geldbeutel belastet und auch dem Klima abträglich ist, da bekanntlich mehr Gewicht auch eine erhöhte Emission klimaschädlichen Kohlendioxids (CO2) nach sich zieht. Die Situation erweist sich als Dilemma, nicht aber als unlösbares Hexenwerk. Der Clou liegt in der intelligenten Substitution schwerer Materialien wie Stahl und Aluminium durch sehr viel leichtere Kunststoffe. Leichtbau als Lösung Der Clou liegt in der Substitution üblicherweise im Fahrzeugbau eingesetzter schwerer Materialien wie Stahl und Aluminium durch leichtere, aber nicht minder leistungsfähige Chemiewerkstoffe beziehungsweise Polymermaterialien, allen voran sogenannte Composites, wie Faser- verbundkunststoffe (FVK) neudeutsch auch genannt werden. Wie wichtig der „Leichtbau“ mit FVK für das Transport- wesen ist, zeigt folgendes Beispiel: „100 Kilogramm weniger Gewicht am Auto reduziert den (Treibstoff)verbrauch um 0,1 bis 0,8 Liter auf 100 Kilometer, je nach Fahrweise. 30 Prozent dieser Einsparung lassen sich durch Leichtbau erreichen, damit leistet er den größten Beitrag zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Kohlendioxidemission. Verbesserungen an den Motoren eröffnen hingegen nur eine Einsparung von 15 Prozent.“ [4] Schon früh auf den Trichter gekommen Der Trend, Metalle durch geringer gewichtige Polymermaterialien auszutauschen, ist nicht neu in der Automobiltechnik. Ebenso lang ist die Liste der Fahrzeugteile, die seit geraumer Zeit aus unterschiedlichen Kunststoffen gefertigt werden. Hierauf finden sich rund 2000 verschiedene Positionen unter anderem: Stoßfänger, Frontend, Kühlergrill, Spiegel, Schiebedach, Karosserieteile, Ölwanne, Kraftstofftank, Radkappen, Scheinwerfer, Scheibenwischer, Verglasung, Zierelemente, Dämpfungsteile, Dichtungen, Sonnendächer, Armaturentafel, Autositze, Lenkrad, Kopfstützen, Gas-, Brems- und Kupplungspedal, Schaltknauf, Türseitenverkleidung, Hutablage, Teppiche, Dachhimmel, Airbag, Seitenaufprallschutz, Ansaugrohr, Schlauchsysteme und vieles mehr. Unabhängig davon, dass Kunststoffe bei gleicher Dimensionierung weniger wiegen als Metalle: Sie rosten nicht, müssen folglich beziehungsweise abhängig von der Anwendung nicht oberflächenbehandelt und lackiert werden. Weiteres Plus: Polymere respektive synthetische Materialien tragen zur Sicherheit der Fahrzeuginsassen bei (Airbag, Sitzgurte etc.), besitzen eine unvergleichliche Haptik und eröffnen den Autodesignern ein weites Feld an Gestaltungsmöglichkeiten. Am Leichtbau führt kein Weg vorbei Allerdings habe der Automobilbau in den letzten Jahren einen richtigen Trend zum Leichtbau unter Einsatz von FVK nicht erkennen lassen, wenngleich sich die Ökoeffizienz von Autos verbessert haben mag: Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs wurde vor allem durch eine bessere Antriebstechnik und Aerodynamik erreicht, bemerkt Prof. Peter Middendorf auf dem 23. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquium im März dieses Jahres [5]. Motorleistung und Karosserieform haben aber ihre Grenzen. Langfristig gesehen braucht es Konzepte, die tiefer greifen. Wesentlich für die über die Zeit gesehene stete Zunahme des Fahrzeuggewichts seien „die gestiegenen Anforderungen in Bezug auf Komfort, Sicherheit, Zuverlässigkeit und vieler heute zum Serienstandard gehörenden Zusatzfunktionen“, diagnostiziert der Wissenschaftler vom Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart. Ein Trend, der sich auch in Zukunft fortsetzen werde, etwa „wenn im Zuge der Elektromobilität signifikante Zusatzgewichte durch Elektromotor und vor allem Batterie-Packs hinzukommen. Damit würde () auch die Reichweite der Fahrzeuge sinken und gegebenenfalls unattraktiv werden ()“. Dem entgegensteuern könne die Automobilindustrie nur, wenn es ihr gelinge, Zusatzgewicht durch Leichtbau, das heißt () Faserverbund-Leichtbau, zu kompensieren. Der Airbus A380 etwa besteht zu 25 Prozent aus mit Carbon- beziehungsweise Kohlenstofffasern verstärktem Kunststoff (CFK). Vorreiter Flugzeugbau Wie das funktioniert, zeige der Flugzeugbau, der als wohl wichtigster Trendsetter beim Einsatz von Faserverbundkunststoffen (FVK) gelten kann, sagt Middendorf. Seit Jahren schon werden hier faserverstärke Kunststoffverbundmaterialien eingesetzt. Moderne Flugzeugkonzepte setzten auf eine intelligente Mischbauweise. Der Airbus A380 etwa besteht zu 25 Prozent aus mit Carbon- beziehungsweise Kohlenstofffasern verstärktem Kunststoff (CFK) . Ergebnis: 15 Prozent weniger Kerosinverbrauch. Flugzeughersteller Boeing geht noch einen Schritt weiter: Der Kunststoffanteil des Boeing 787 Dreamliners liegt bereits bei 50 Prozent, insbesondere durch CFK-Tragflächen und Rumpfstrukturen, was zu deutlich niedrigeren Emissionen klimaschädlicher Gase während des Betriebs führt. [6] Damit allerdings sei absehbar das Maximum an Möglichkeiten erreicht, meint Middendorf. Als Grund nennt der Wissenschaftler den hohen Carbonpreis; zudem sei die Herstellung von FKV-Bauteilen überaus aufwendig und kostenintensiv, was sich mit dem bislang üblichen enormen manuellen Arbeitsaufwand erklären lasse, der den Herstellungsprozess präge; die bestehenden Qualitätsansprüche an die Verbundwerkstoffe sowie die Forderung minimaler Toleranzen täten ihr Übriges. Dessen ungeachtet amortisierten sich die vergleichsweise hohen Material- und Herstellungskosten, sagt Middendorf. Ein Airbus A320 mit einem maximalen Startgewicht (engl. maximum take off weight, MTOW) von rund 73 Tonnen verbrauche allein bei einer Gewichtsreduktion von nur 10 Kilogramm rund 2000 Liter Kerosin pro Jahr weniger, rechnet der Wissenschaftler vor. Das reduziere die Belastung der Umwelt und schone den Geldbeutel beziehungsweise eröffnet dem Hersteller attraktive Alternativen, etwa indem er das Leichtbaupotenzial für eine größere Reichweite seiner Flugzeuge, mehr Nutzlast oder einen höheren Passagierkomfort nutze. „Bei stetig wachsenden Auslieferungszahlen aber“, bringt es Middendorf auf den Punkt, „müssten allerdings im Wettstreit mit anderen Leichtbauwerkstoffen weiter automatisierte und damit kostengünstigere Fertigungsverfahren entwickelt werden.“ Eine Sorge, mit der auch die Automobilindustrie und ihre Zulieferer zu kämpfen haben. Kohlenstofffaserverstärke Kunststoffe verfügen über ein riesengroßes werkstoffliches Leichtbaupotenzial. Herausforderung Fertigungstechnik Automobilhersteller setzten vor allem im höherpreislichen Premiumsegment auf unterschiedliche Ausprägungen an Leichtbau, von Hybridwerkstoffen über Hybridstrukturen bis hin zu ganzen CFK-Karosserien. Um jedoch CFK-Bauteile in Großserie einsetzen und damit das ganze Potenzial des Verbundwerkstoffs auch unter anwendungsspezifischen ökonomischen Aspekten zu nutzen, gelte es, Taktzeiten und Bauteilkosten zu senken, zeigt sich Middendorf überzeugt. Das heißt, damit der Werkstoff in der Massenproduktion eingesetzt werden kann, muss zunächst der Preis runter. „Die kohlenstofffaserverstärken Kunststoffe verfügen über ein riesengroßes werkstoffliches Leichtbaupotenzial“, sagt Prof. Holger Hanselka, Vorsitzender des Fraunhofer-Verbunds Werkstoffe, Bauteile – Materials. Hanselka schlägt damit in dieselbe Kerbe wie Middendorf. Bei gleicher Festigkeit wögen CFK-Werkstoffe nur etwa halb so viel wie Stahl; CFK seien darüber hinaus auch noch crashsicher und rostfrei. Allerdings kosteten CFK-Bauteile das Sechsfache gleicher Bauteile aus Stahl – eben auch weil CFK-Komponenten meist von Hand gefertigt würden. Zudem stehe der Serienproduktion großer Stückzahlen die lange Produktionszeit entgegen: die Polymerisation unter Einsatz von Epoxidharz als Fasermatrix dauert viele Stunden. Eine andere, bislang auch noch nicht hinreichend beantwortete Frage ist die nach der Wiederverwertung des Verbundwerkstoffs. Allerdings nähert man sich auf breiter Front im Bereich von Wissenschaft und Anwendung interessanter Lösungsansätze. Ansätze einer Automatisierungslösung Für die Automobilindustrie hat das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) in Augsburg ein neuartiges Fertigungsverfahren entwickelt, das die Herstellung von CFK-Bauteilen vollständig automatisiert erlaubt. Das neue Verfahren kombiniert eine Flechtmaschine, wie sie üblicherweise im Textilbereich verwendet wird, mit einer Pultrusions- oder Strangziehanlage, wie sie zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffprofile in einem kontinuierlichen Prozess Anwendung findet. Die Flechtmaschine bringt die trockenen Carbonfasern in die richtige Form und die Pultrusionsmaschine ummantelt sie mit Harz – alles voll automatisch. Die Fasern müssen nicht mehr wie üblich von Hand in das Werkzeug eingelegt und ausgerichtet werden. Dass eine Massenfertig von FCK-Bauteilen wirtschaftlich möglich ist, macht der Autohersteller BMW deutlich. Dessen nach eigenen Angaben in wenigen Monaten verfügbares Elektroauto BMW i3 besitzt unter anderem eine aus der Serienproduktion stammende CFK-Fahrgastzelle. Eine „Revolution der Fertigungstechnik“ frohlockt der Münchner Autokonzern: „Carbonkomponenten revolutionieren jedoch nicht nur den Leichtbau. Sie ermöglichen auch neue Formen im Fahrzeugdesign, da der mit Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoff in trockenem Zustand fast so leicht zu verarbeiten ist wie Textilstoff. So bieten Karosserien aus Carbon einerseits mehr Platz im Innenraum, ermöglichen andererseits aber auch komplexere, aerodynamisch optimierte Formgebung. Nicht zuletzt ist Carbon ein hochfester Werkstoff und erhöht die Sicherheit aller Passagiere eines BMW i.“ [7] Carbonfaser verstärkte Kunststoffe finden vielseitige Anwendungsmöglichkeiten u. a. im Sport. Weiteres Anwendungspotential für CFK „Generell ist Leichtbau immer dann von Interesse, wenn Massen beschleunigt oder abgebremst werden.“ Das sei im Transportwesen der Fall, sagt Middendorf, aber auch in Bereichen wie der Gewinnung von Windenergie, die aufgrund steigender Rotordurchmesser und Blattlängen von bis zu 80 Meter eine Herausforderung für den CFK-Leichtbau darstellt. Stand der Technik sei nach wie vor die Gasfaserverstärkung, die im Vergleich zu Kohlenstoff preislich günstiger sei. Für große Anlagen aber sei der Einsatz von CFK-Materialien aufgrund ihrer gewichtsspezifischen Eigenschaften durchaus interessant. Worauf es ankomme, sagt der Wissenschaftler, sei neben dem Materialpreis vor allem eben auch eine Automatisierung der Fertigungstechnik; dieses Thema spiele in Zukunft eine große Rolle auch und vor allem um sich Marktvorteile gegenüber Wettbewerbern zu sicher und eine technologischen Vorsprung zu erzielen. Apropos technologischer Vorsprung: Insbesondere für den Maschinenbau, dessen Herz Antriebsmaschinen und bewegte Teile bilden, könnte der CFK-Leichtbau eine gewichtige Rolle spielen. Einzug gehalten hat er bereits im Bereich der Hightech-Sportgeräte, „für die ein beachtlicher Teil der weltweiten Kohlefaserproduktion verbaut wird“, schildert Middendorf. Mit der Frage, welche Rolle Polymere und Faser verstärkte Kunststoffe in der Raumfahrttechnologie spielen, beschäftigt sich eines unserer nächsten Themen des Monats. Literatur/Quellen/Hintergrund [1] www.spiegel.de/auto/aktuell/eu-parlament-beschliesst-strengere-co2-grenzwerte-fuer-autos-a-896338.html [2] EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen , Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit [3] B. Niesing: Carbon in Serie. Weiter vorn – Das Fraunhofer-Magazin 3 (2012) 8-13 [4] W. Beck, R. Kopp. H. von Hagen, P. Hohmeiner: Leichtbau durch Konstruktion und Form. Horizonte (1999) 248-255. ISBN 3-540-66373-8 [5] P. Middendorf: Potenzial und Einsatzgebiete von FKV für Leichtbauanwendungen. 23. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquium, 6./7. März 2013 [6] G. Deußing: Kunststoff bewegt die Welt - Werkstoff des 21. Jahrhunderts . K-online.de Thema des Monats Juli 2012. [7] www.bmw-i.de/de_de/concept/#der-beginn-des-carbonzeitalters [8] W. Michaeli, H. Greif, L. Wolters, F.-J. Vossebürger: Technologie der Kunststoffe, Carl Hanser Verlag, München, 2008

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  • Wenn der Schein trügt

    Von Guido Deußing Heiße Zeiten für Betrüger Ehrlich wert am längsten, heißt es doch so schön. Allerdings ist Ehrlichkeit nicht jedermanns Sache. Mancher versucht seinem Glück mit kleinen oder großen Betrügereien auf die Sprünge zu helfen. Immer wieder stößt die Polizei bei ihren Kontrollen auf gefälschte, in Plastik eingeschweißte Personalausweise sowie Führerscheine oder Schecks, und auch vor dem illegalen Eingriff in Testamente schrecken die Ganoven nicht zurück. Was viele von Ihnen nicht wissen oder ahnen: Die moderne Wissenschaft hält Mittel und Werkzeuge bereit, Urkundenfälscher sicher zu überführen. Winzige Mengen Kugelschreiberpaste, Polymer- oder Lackpartikel genügen oft schon, um Betrüger auffliegen zu lassen. Sofern die Polizei nicht an Ort und Stelle zwischen echt oder gefälscht unterscheiden kann, werden verdächtige Dokumente im Urkundenlabor kritisch begutachtet. (Fotos: GDeußing) Nach dem Konkurs eines Unternehmens legte der Firmenchef dem Konkursverwalter eine Übereignungsurkunde vor. Diese Urkunde war auf fünf Jahre vor dem Konkurs datiert und sollte belegen, dass er sein Aktienvermögen in Millionenhöhe, seine Nobelkarossen und seine kostspielige Waffensammlung vor geraumer Zeit schon auf seine Frau übertragen hatte. Das hätte zur Folge, dass die Gläubigerbanken keinen Zugriff auf diesen Besitz gehabt hätten und leer ausgegangen wären – hätten sie nicht einen Betrug gewittert und Anzeige erstattet. Ausgehend von der Annahme, der Mann habe den Übereignungsvertrag erst nach dem Konkurs erstellt und der Einfachheit halber rückdatiert, wurde die Polizei beauftragt, das „Herstellungsdatum“ der Urkunde zu überprüfen. Der Vergleich mit Sammlungsmustern, etwa asservierten Fälschungen, markiert mit einem roten Punkt, steht im Mittelpunkt. Nicht immer ist eine Urkundenfälschung offenkundig. „Der Grund dafür liegt in der Natur der Dinge“, weiß Dr. Jürgen Bügler, Chemiker im Kriminaltechnischen Institut des Bayerischen Landeskriminalamtes (LKA) in München. Schließlich kann kein Polizist alle national und international sich im Umlauf befindlichen offiziellen Dokumente kennen, geschweige denn zwischen echten und gefälschten unterscheiden. „Muss auch niemand“, betont Jürgen Bügler. Allein ein Anfangsverdacht genüge, um die Kriminalbeamten aufmerken werden zu lassen: ein auffälliges Verhalten der verdächtigen Person hier, eine kleine Rasur am Dokument dort, vielleicht ein Foto, das fehlt im Führerschein fehlt. Den Rest erledigen die Wissenschaftler im kriminaltechnischen Labor. Wichtigste Hilfsmittel bei der Beurteilung gefälschter Dokumenten: der "Fadenzähler", eine kleine Lupe mit zehnfacher Vergrößerung. Die Rechtslage ist eindeutig „Wer zur Täuschung im Rechtsverkehr eine unechte Urkunde herstellt, eine echte Urkunde verfälscht oder eine unechte oder verfälschte Urkunde gebraucht, wird mit Freiheitsstrafe bis zu fünf Jahren oder mit Geldstrafe bestraft.“ Schon der Versuch, heißt es in § 267 Strafgesetzbuch (StGB), ist strafbar. Bei der Aufklärung von Urkundenfälschung setzt das Bayerische Landeskriminalamt in München auf das Wissen und die Erfahrung seiner Ingenieure und Wissenschaftler sowie auf bewährte Analysentechnik. Eines der zentralen Elemente bei der Begutachtung fraglicher Dokumente ist, wie der Blick ins Urkundenlabor des Bayerischen Landeskriminalamtes zeigt, die instrumentelle chemische Analytik, insbesondere die Gaschromatographie mit massenselektiver Detektion (GC/MS). Im Labor wird das verdächtige Dokument zunächst buchstäblich unter die Lupe genommen. Die wissenschaftliche Untersuchung beginnt mit der Inaugenscheinnahme und dem Vergleich des Corpus Delicti mit, sofern vorhanden, einem Original aus dem Fundus des LKA. „Der Fadenzähler, eine Lupe mit bis zu zehnfacher Vergrößerung, ist in dieser Phase das wichtigste Hilfsmittel, die offensichtlichen Sicherheitsmerkmale wie Wasserzeichen, feine Linienstrukturen, so genannte Guillochen, oder spezielle Farbverläufe zu überprüfen“, erklärt Dr. Jürgen Bügler. Ergibt die optische Voruntersuchung mit der Lupe keinen nennenswerten Aufschluss, wird die Begutachtung des fragwürdigen Dokuments unter dem Mikroskop fortgesetzt. Durch Untersuchung der Lumineszenz lassen sich Rasuren oder anderweitig gelöschte Eintragungen sichtbar machen. Dr. Bügler: „Durch eine Untersuchung der Lumineszenz beziehungsweise eine Messung der Remission lassen sich Rasuren oder anderweitig von Hand entfernte Eintragungen im Dokument erkennen.“ Auch in welcher Reihenfolge Eintragungen vorgenommen wurden, lässt sich vielfach rekonstruieren: „Wenn jemand mit einem Kugelschreiber nachträglich etwas in ein kopiertes oder gedrucktes Dokument eingetragen oder nachträglich Textpassagen in ein unterzeichnetes Dokument mittels Drucker oder Kopierer eingefügt hat, lässt sich das anhand unterschiedlicher Lumineszenzen unter Umständen nachweisen“, weiß der Experte. Die Reihenfolge von Eintragungen lässt sich feststellen. Auf dem Bildschirm: Schwarzer Strich ist Toner (Kopierer), oranger Strich das Schreibmittel im Lumineszenzbild. Was aber, wenn es sich nicht um ein offizielles staatliches Dokument wie einen mit Kunststoff ummantelten Personalausweis oder Reisepass handelt, sondern um, sagen wir mal, einen Barscheck, mit dem der Empfänger überraschenderweise mehr Geld abzuheben in der Lage war, als der Aussteller vorgesehen hatte? Was, wenn ein Testament mit einem Mal jemanden begünstigt, dem der liebe Verstorbene zu Lebzeiten nicht einen einzigen Cent gegönnt hatte? Was die wenigsten Ganoven ahnen: Die Manipulation einer Urkunde, sei sie auch noch so dezent und unauffällig, hinterlässt deutliche Spuren! Dr. Jürgen Bügler: „Wenn wir das fragwürdige Dokument einmal in Händen halten, stehen die Chancen gut, eine eventuelle Urkundenfälschung eindeutig aufzudecken.“ Der Chemiker berichtet von einer zur Anzeige gebrachten offensichtlichen Scheckbetrügerei. Die Höhe des auf dem Bankdokument vom Aussteller eingetragenen Betrags wurde durch Anhängen einiger Nullen regelrecht potenziert, nach Angaben des Ausstellers ohne seine Zustimmung. Dieser erhob daraufhin Klage, und die Angelegenheit wurde von Dr. Jürgen Bügler, den das Gericht als unabhängigen Gutachter bestellt hatte, unter die Lupe genommen. Um es vorwegzunehmen: Der Betrug flog auf, der Scheckbetrüger wurde überführt und verknackt. Wie aber sind die Wissenschaftler des LKA vorgegangen? Die orange Lumineszenz des Schreibmittels liegt über dem Toner, wurde also später aufgebracht. Der Schlüssel zum Fälschungsnachweis liegt in der Analyse des verwendeten Schreibmittels, sprich: des Stifts beziehungsweise des Toners, mit dem das Dokument manipuliert wurde. Dr. Jürgen Bügler: „Die genaue Analyse des verwendeten Schreibmittels ist entscheidend bei der Bestimmung der Echtheit eines Dokuments beziehungsweise des Alters einer Eintragung.“ Ebenfalls lasse sich klären, in welcher Reihenfolge die Eintragungen in das fragwürdige Dokument vorgenommen wurden. Schreibmittel unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Zusammensetzung der enthaltenen Farbstoffe. Sie zu unterscheiden, gelingt mittels der Dünnschichtchromatographie. Zurück ins Landeskriminalamt. Seit 1952 sammelt die kriminaltechnische Abteilung des LKA Bayern unter anderen Kugelschreiberpasten. 6000 Muster umfasst die Kollektion, die laufend aktualisiert und erweitert wird. „Die verschiedenen Schreibmittel unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Zusammensetzung der enthaltenen Farbstoffe, die sich (mittels Dünnschichtchromatographie) vergleichsweise einfach, schnell und sicher aufklären und handlich archivieren lässt“, erläutert Dr. Jürgen Bügler. Durch Vergleich der jeweils resultierenden Chromatogramme kann das eingesetzte Schreibmittel identifiziert und — darin liegt ein Schlüssel zur Aufklärung von Urkundenfälschung — von einem anderen Schreibmittel unterschieden werden. Um den Zeitpunkt einer handschriftlichen oder drucktechnischen Eintragung zu bestimmen, untersucht der Experte das im Schreibmittel verwendete Lösemittel, das sich mit der Zeit verflüchtigt. „Auf diese Weise sind Altersbestimmungen bei Dokumenten möglich“, schlussfolgert Dr. Bügler. Neben dem LKA Bayern verfügt nur noch das Urkundenlabor des Secret Service der Vereinigten Staaten von Amerika über eine ähnlich große Sammlung an Schreibmitteln. Zurück zum Barscheck: Um zu ermitteln, welches beziehungsweise, im Fall einer Ergänzung, welche Schreibmittel verwendet wurden, wird an fragwürdiger Stelle des Schecks, im geschilderten Fall bei den Nullen, ein Stück beschriebenen Papiers entnommen und näher untersucht. Ziel sei es, erklärt Dr. Jürgen Bügler, die flüchtigen Verbindungen aus dem Schreibmittel, etwa der Kugelschreiberpaste, zu extrahieren und zu bestimmen. Das aber sei alles andere als trivial. Erschwert werde die Arbeit nämlich durch die geringe Menge an Analyten und die instabile Papiermatrix, die auf Dauer die interessanten chemischen Verbindungen absorbiere und ihr verfügbares, sprich: nachweisbares Quantum reduziere. Ohnehin arbeite man bereits mit Probemengen, die als verschwindend gering zu bezeichnen seien. Zur Orientierung: Laut Dr. Jürgen Bügler entspricht ein mit einem Kugelschreiber gezogener Strich von einem Zentimeter Länge rund zehn Nanogramm (ng) Schreibmittelpaste, davon sind sechs ng Lösemittel, vom dem sich bereits innerhalb des ersten Tages rund 95 Prozent verflüchtigen; getragen werde die Paste von rund 100 µg Papier. „Unsere Aufgabe ist es“, bemerkt der Wissenschaftler, „das Restlösemittel zu bestimmen – keine Angelegenheit, die man mal eben so erledigt“. Als zusätzliche Herausforderung kristallisiert sich für den Wissenschaftler die fehlende Bezugsgröße heraus. „Ein Strich auf Papier kann sehr inhomogen sein“, weiß Dr. Jürgen Bügler. Man könne daher nie genau sagen, welche Menge Kugelschreiberpaste tatsächlich aufs Papier gebracht worden sei. Die klassische quantitative Analytik, wie sie in der Forensik beispielsweise zur Bestimmung von Drogenrückständen angewendet werde, komme daher beim Nachweis von Urkundenfälschungen nicht infrage. Eine große Rolle spiele auch die Alterung, die von Schreibmittel zu Schreibmittel unterschiedlich schnell vonstattengehe: Farbstoffe bleichen aus, Lösemittel verdampfen oder werden von der Papiermatrix adsorbiert, Harze (Bindemittel) vernetzen und härten aus. Dr. Bügler: „Es laufen vielfältigste Prozesse ab, die bei der Bewertung der resultierenden analytischen Ergebnisse berücksichtigt werden müssen.“ Methode und Probenvorbereitung müssten daher höchsten Anforderungen genügen, fordert der Experte. Wenn der Vergleich der jeweiligen Dünnschicht-chromatogramme keinen Aufschluss über die Zusammensetzung liefert oder Eintragungen in einem Dokument auf Zusammensetzung oder Schriftalter untersucht werden müssen, ist die automatisierte TDS-GC/MS mit Online-Derivatisierung das Mittel der Wahl. Wichtigstes Hilfsmittel bei der Aufklärung von Urkundenfälschung ist die Gaschromatographie in Verbindung mit der massenselektiven Detektion (GC/MS). „Die Extraktion der Schreibmittelpaste gelingt mittels Flüssigextraktion“, weiß Dr. Jürgen Bügler zu berichten, auch wenn es sich um ein relativ schwieriges Unterfangen handle, eben weil Substanzmenge und Analytgehalte sehr klein seien. Eine Alternative stelle die Pyrolyse in Verbindung mit der Gaschromatographie (GC), zur Trennung, und die massenselektive Detektion (MS) zum Bestimmung der Pyrolyseprodukte dar, also die thermische Zersetzung des Probenmaterials bei etwa 400 °C unter Sauerstoffausschluss. (Pyrolyse-GC/MS) Diese Vorgehensweise sei weit verbreitet, jedoch hätten Versuche gezeigt, „dass sich das Papier zersetzt und die resultierenden Pyrolyseprodukte die Bestimmung der Schreibmittelkomponenten erschweren“. Um die interessanten Analyten störungsfrei bestimmen zu können, kam Dr. Bügler auf die Idee, die Temperatur zu senken: „Dieser Ansatz führte uns zur Thermodesorption.“ Damit gelinge es, greift der Wissenschaftler vor, die flüchtigen Analyten auf einfache und effiziente Weise temperaturprogrammiert zu extrahieren, in einer Kühlfalle anzureichern und so die Analyse sensitiver zu gestalten. Mit herkömmlichen Pyrolyseapparaten sei das ganz und gar unmöglich. Um schwer verdampfbare oder leicht zersetzbare Substanzen gaschromatographisch erfassen und messen zu können, müssen sie häufig er chemisch verändert (derivatisiert) werden. Ein aufwendiges Verfahren, dass nicht trivial ist, für das die Münchner Kriminalexperten allerdings einen Weg gefunden haben, der sie in puncto Untersuchung von Urkundenfälschung international bekannt gemacht haben. Mittlerweile arbeitet nicht nur das Bayerische Landeskriminalamt nach der Methode des bayerischen LKAs zum Nachweis von Urkundenfälschungen, sondern auch die Kantonspolizei Zürich sowie weitere kriminaltechnische Laboratorien weltweit. Aus gutem Grund, wie Dr. Jürgen Bügler sagt: „Mit diesem System lassen sich die flüchtigen Inhaltsstoffe von Schreibmitteln effizient, sensitiv und sicher untersuchen, ohne dass die Matrix Papier dabei stört.“ Winzigste Schnipsel mit Abmessungen von 5 mm x 1 mm reichen aus, um komplizierte, bislang ungelöste Kriminalfälle aufzuklären. Apropos: „Der Versuch, mit einem getürkten Barscheck mehr Geld zu erhalten, als der Aussteller vorgesehen hatte, war nur kurzzeitig erfolgreich“, berichtet Dr. Bügler. Letztlich habe er nach Untersuchung der verwendeten Kugelschreiber eindeutig die Urkundenfälschung nachweisen und damit dem Geschädigten zu seinem Recht verhelfen können. Ähnlich verhielt es sich auch mit dem Übereignungsvertrag. Die Analyse ließ mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit darauf schließen, dass der in Konkurs gegangene Unternehmer den Vertrag mit seiner Frau nicht zu besagtem Zeitpunkt vor fünf Jahren, sondern erst nach dem Konkurs aufgesetzt hat“, erklärt Dr. Jürgen Bügler. Schon Sophokles (496-406 v. Chr) wusste: „Durch Betrug erlistet ist noch nicht gewonnen."

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  • Forschungsfokus Biokunststoff: Hühnerplastik statt Gummiadler

    Von Guido Deußing In der aktuellen Presse kommen Hühner beziehungsweise ihre Eier nicht gut weg. Es ist doch so: Ein Lebensmittelskandal jagt den nächsten. Abseits der Diskussion um Deklarationsbetrug und um Kontaminationen wirft nun ein US-amerikanisches Forschungsvorhaben ein ganz anderes Licht auf das eierspendende Federvieh. Statt als Füllung von Federbetten Verwendung zu finden, haben gewiefte Wissenschaftler einen Weg gefunden, um aus Hühnerfedern Biokunststoff herzustellen. K-Online ist der Sache auf den Grund gegangen ... Eine Gummiente kann bekanntlich nicht fliegen. Ihr Revier ist das Badezimmer, wo sie von Kindern und Loriot’schen Knollennasenmännern zu Wasser gelassen wird. Ein Gummiadler erobert ebenso wenig die Lüfte, er ist nicht mal aus Gummi. Der Begriff ist reserviert für die Spezies „minderwertiges Brathähnchen“, dessen Fleisch das Kauen verleidet und nicht so recht munden mag. Gleichwohl lässt sich vom geflügelten Federvieh eine Brücke zum Kunststoff schlagen, die belastbar genug ist für eine Geschichte. Darin geht es um einen neuartigen Biokunststoff aus Hühnerfedern, die bislang meist ungenutzt auf dem Müll landen. Allein in den USA, dem Land der Roasted Chicken, sind jedes Jahr sage und schreibe 1,5 Millionen Tonnen Hühnerfedern zu entsorgen. Als Daunenfüllung im Kissen sind sie nicht erste Wahl, vielleicht aber bald als Grundstoff für Bioplastik. Dass Hühnerfedern das Zeug dazu haben, liegt daran, dass in ihnen Keratin steckt. So nennt sich ein Faserprotein, das bei Tieren auch in Hufen und Hörnern vorkommt. Beim Menschen verleiht Keratin den Finger- und Fußnägeln Stabilität, den Haaren Festigkeit. Unser Haar besteht zu über 80 Prozent aus Keratin. Kein Wunder, dass die haarbildenden Zellen, z. B. in der Kopfhaut, Keratinozyten genannt werden. Den Aufbau des Haarkeratins bestimmen die chemischen Elemente Kohlenstoff (C, Anteil: 50 %), Sauerstoff (O, 23 %), Stickstoff (N, 17 %), Wasserstoff (H, 6 %) und Schwefel (S, 4 %). Sie sind zu Aminosäuren verbunden, die infolge molekularer Kettenbildung (Polymerisation) das sogenannte Präkeratin bilden. Dieses Polypeptid hat die Gestalt einer Helix, ähnelt mit anderen Worten einer schraubenartig gewundenen Spirale. Zwischen den einzelnen Peptidspiralen kommt es dann im Zuge der Haarbildung zu Vernetzungen (Prozess der Verhornung). Am stabilsten dabei sind die Bindungen zwischen den Schwefelatomen, die sogenannten Disulfidbrücken. Die Elastizität des Haares hingegen bedingen die Wasserstoffbrücken. In Gegenwart von Wasser lösen sie sich, daraufhin bilden sich kurzzeitig Locken. Teilweise wasserlöslich sind auch die Salzbrücken (Ionenbindungen); trocknet das Haar, entstehen sie neu. Bereits in den 1930er-Jahren erforschten William Thomas Astbury (1898-1961) und Henry John Woods (1903-1984) eingehend das Keratin. Sie fanden heraus, „daß im normalen Keratin Polypeptidketten vorliegen mit einer statistischen Aufeinanderfolge der einzelnen Aminosäuren, wobei benachbarte Ketten durch ‚Seitenkettenbindungen‘ zu netzartigen Gebilden verhängt sind“. Zudem führten die britischen Chemiker „durch verschiedene Behandlungen […] Streckungen und Kontraktionen herbei“, schrieb der österreichische Physikochemiker Otto Kratky (1902-1995), Abteilungsleiter am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut, in seinem 1939 erschienenen Aufsatz „Die röntgenographische Untersuchung der Faserstoffe“. Obwohl es also schon früh Indizien dafür gab, dass es sich bei Keratin um ein natürliches Polymer handelt, und obwohl bereits Ende des 19. Jahrhunderts die ersten Biokunststoffe erfunden wurden (siehe „Historisches Vorbild Bioplastik“), interessierte sich die Kunststoffindustrie so gut wie gar nicht für das Keratin. Jetzt entreißen es Polymerforscher der University of Nebraska/USA der Vergessenheit: Ihnen ist gelungen, Keratin aus Hühnerfedern zu isolieren. In einem zweiten Schritt haben die Forscher es so behandelt, dass es wasserbeständig und mechanisch stabil bleibt. Mit anderen Worten: Sie haben es geschafft, aus Hühnerfedern Plastik herzustellen. Normalerweise verhalten sich Hühnerfedern bei Feuchtigkeit ähnlich wie Pferdehaare – sie dehnen sich aus. Aus Pferdehaar wurden daher die klassischen Hygrometer gebaut: Man nutzt den Dehneffekt, um die Veränderung der Luftfeuchte zu messen. „Zwar versuchte man schon früher, Federn für Verbundkunststoffe zu nutzen, doch beim Kontakt mit Wasser bereitete das Ergebnis Probleme“, weiß Yiqi Yang, Professor am Institut für Materialwissenschaften und Nanotechnologie der University of Nebraska. Probleme, die beseitigt zu sein scheinen, denn das Team um Professor Yang rührte einen speziellen Cocktail an, versetzte die Hühnerfedern mit Acrylsäuremethylesther. Dadurch entstehen lange Molekülketten, die unterschiedliche Wechselwirkungen eingehen und dadurch eine feste Masse bilden. Das so entstandene Hühnerplastik weise nun Eigenschaften auf, die man bislang an ihm vermisst habe, allen voran Wasserbeständigkeit, Strapazierfähigkeit und längere Haltbarkeit. Obendrein wiegt es weniger als vergleichbare Verbindungen aus Polyethylen bzw. Polypropylen. Nicht zuletzt ist es biologisch abbaubar. Noch handelt es sich um bescheidene Anfänge, treten die Forscher auf die Euphoriebremse, doch wurde das Verfahren in den USA bereits zum Patent angemeldet. Auch in Deutschland liefen bereits Versuche, einen Biokunststoff aus Keratin herzustellen. Verwendet wurde dazu nicht Gefieder, sondern Horn, versetzt mit Natronlauge oder Ameisensäure: „Das Endprodukt selbst bildete eine feste folienartige Substanz. Eventuell sind durch die Spaltung der Peptidbindung durch die Lauge bzw. Ameisensäure kurze Peptidstücke entstanden. Diese könnte man eventuell durch Zugabe eines Katalysators neu polymerisieren. Vorbild hierfür könnte die Polymerisation von Caprolactam sein, ein Ausgangsstoff der chemischen Industrie für Polyamide, zum Beispiel Perlon.“ ( www.jufomarianum.de/bericht0008.html ) Damit ist das Thema „natürliche Polymerfasern“ angeschnitten. Am Deutschen Wollforschungsinstitut (DWI) an der RWTH Aachen will man die in Hühnerfedern enthaltenen Proteine zu neuartigen Fasern verknüpfen. Zu denken ist einerseits an deren Verwendung als Baumwollersatz in der Textilindustrie, mehr noch aber an technische Fasern, aus denen Dämmstoffe und Geotextilien, z. B. Befestigungen für Autobahnböschungen, hergestellt werden. Zu diesem Zweck wurden Hühnerfedern in Wasser unter hohem Druck zerkocht und so die enthaltenen Proteine in noch kleinere Bausteine, sogenannte Oligopeptide, gespalten. Diese bestehen aus Aminosäuren, die sich zu Kristallen zusammenlagern und als Grundmaterial neuer Polymere gelten. Dieses Federprotein wird nun herkömmlichen Kunststofffasern zugesetzt, um deren physikalische Eigenschaften zu verbessern. Neben Federkeratin gilt auch das Weizenprotein Gluten als geeigneter Ausgangsstoff für neue Fasern. In weiteren Experimenten wird Polymeren der Stoff Lignin zugesetzt, der natürlicherweise die Cellulosefasern im Holz verklebt. Als historisches Vorbild ist die Kunstseide anzusehen: „Ein Holzscheit wird zum Abendkleid“, jubelten die Autoren des 1952 erschienenen Buches „Die Industrie der Zauberer“. Folgender Auszug lässt noch heute die Faszination spüren, die von der „zauberhaften Verwandlung des steifen, starren Holzes in weiches, schmiegsames Spinngut“ ausging, „aus dem man Kleider macht“: „Das Holz, aus dem wir Ihr Abendkleid zaubern wollen, stammt von der Buche oder der Fichte […]. Es wird entschält, zersägt, gewaschen, zu Spänen geschnippelt und in riesigen Kesseln bei enormen Temperaturen gekocht. Die Gewürze für diese Art von Suppe sind Chemikalien, die den Grundstoff Holz ‚aufschließen‘. […] (Danach, Red.) wird diese ‚Suppe‘ entwässert, getrocknet und zu einer endlosen Zellstoffbahn gepreßt, die dann zu Tafeln zerschnitten wird. […] Die Tafeln […] sind das Rohmaterial der Kunstseidenfabriken. Der Zellstoff wird zerfasert, gebleicht und durch allerlei chemische Zusätze in eine zähe Spinnflüssigkeit verwandelt. […] Es wird dann noch geklärt, filtriert, zur Reife gebracht und schließlich durch feine Düsen gepreßt. Ja, und das ist dann schon die Kunstseidenfaser. […] Sie übertr(ifft) die Naturfasern durch absolut gleichmäßige Faserfeinheit und k(ann) in jeder gewünschten Faserdicke und -länge hergestellt werden.“ Heute stehen nüchterne statt magische Erwägungen im Vordergrund, das Zeitalter des Bioplastiks einzuläuten. Die Herstellung herkömmlichen Kunststoffs verschlingt zwar „nur“ etwa vier Prozent des geförderten Erdöls. Doch die natürliche Ressource ist endlich, ihr Einsatz sollte daher Zwecken vorbehalten sein, die mangels Alternative auf Erdöl angewiesen bleiben. „Ziel ist, dass Kunststoff aus erneuerbaren Ressourcen eines Tages jenen aus Öl ersetzt“, sagt Professor Yang. Klingt gut, hat aber eine Kehrseite: Umweltverbände und Wissenschaftler bemängeln, Bioplastik, sei schwer abbaubar, könne Gewässer überdüngen und die Ozonschicht schädigen (Links: www.econitor.de/magazin/lifestyle/bio-plastik-ist-nicht-gruen_10869.html ). Ob ausgerechnet Hühnerplastik an dieser Einschätzung etwas ändern wird, muss die Zukunft zeigen.

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  • Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe (CFK)

    Von Guido Deußing Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) Ein Wort ist in der Lage, verschiedenste Bilder unterschiedlichster Schattierungen, Vorstellungen oder Visionen in die Köpfe der Menschen zu zaubern, der persönliche Hintergrund spielt dabei eine beeinflussende Rolle. Während der Begriff „Kohlenstoff“ den einen gedanklich in seine Erfahrungswelt „Chemieunterricht“ oder die letzte Vorlesung in organischer Chemie zurückführt, findet der andere Gefallen an der Vorstellung, seinen Grill mit Holzkohle zu bestücken, dunklen Rauch aus einer Feuerstelle aufsteigen zu sehen und mit Freunden ein krosse Bratwurst zu vertilgen. Nimmt man nun das Wort Carbon, erweist sich eine bildliche Zuordnung im nicht Englisch sprechenden Ausland zunächst als schwierig. Allerdings spielt auch hier wieder die persönliche Erfahrung eine wichtige Rolle. Üblicherweise fällt das Wort häufig im Zusammenhang mit teuren Sportfahrrädern. Im Geiste windet sich dieser Begriff um einen gesund und vor kraft strotzenden Menschen, der in eleganter Sportbekleidung auf schwarzen Hightech-Rädern durch die Natur radelt. Nicht radelt, das macht man(n) auf dem Weg zum Biergarten. Der Sportler flitzt. Rast. Rauscht. Bei genauer Betrachtung besitzt der Begriff Carbon gegenüber seiner deutschen Übersetzung Kohlenstoff den Sexappeal eines Superhelden. Das Potenzial, unmögliches möglich zu machen. Dieses Potenzial ist aber nicht abhängig von der Bezeichnung, sondern einzig und allein vom Material selbst, dem Kohlenstoff beziehungsweise Carbon, der als der Leichtbauwerkstoff der Zukunft betrachtet wird. Zu Recht, dennoch ist Kohlenstoff/Carbon nur eine, wenngleich auch wichtige Zutat des Leichtbauwerkstoffs. Was fehlt, ist der Kunststoff, in den der Kohlenstoff eingebunden wird. Erst diese Verbindung zu einem Kohlenstofffaser respektive Carbonfaser verstärkten Kunststoff (CFK) macht den Materialverbund zu dem, was er ist – der Leichtbau-werkstoff der Zukunft. Fakten und Zahlen Bevor wir einen Blick auf die Details werfen, lassen wir an dieser Stelle Zahlen sprechen. Ein wesentliches Merkmal, dass bei hochbelasteten Werkstoffen genauestens unter die Lupe genommen wird, ist die Festigkeit. Hierzu werden Werkstoffproben unter Zuglast gestellt. Im Anschluss daran wird gemessen, um wie viel sich die Probe gedehnt hat. Unter Berücksichtigung von Gewichtskraft, Querschnitt der Probe und Länge der Auslenkung wird der E-Modul-Wert [Maßeinheit Newton/Millimeter] der Probe ermittelt. Die Faustformel besagt: Je größer der E-Modul-Wert, desto weniger dehnt sich der Werkstoff und umso höher ist seine Steifigkeit. Kunststoffe besitzen ein E-Modul von 200 bis 15.000. Stahl 210.000 und Aluminium von 50.000. Der E-Modul-Wert einer Glasfaser wiederum liegt bei 71.000-87.000 und der einer Kohlefaser bei sage und schreibe 228.000 bis 490.000. Das bedeutet, ein Verbund von Kohlefasern und Kunststoff ist nicht nur leichter als der zwischen Metall und Kunststoff; CFK bilden obendrein auch noch viel stabilere Werkstoffe. [8] Und das, ob wohl Kohlefasern so zierlich sind. Sie ist nur wenige Mikrometer dick und etwa zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Sie werden in Mengen von tausenden Fasern zu Bündeln zusammengefasst und können auf diese Weise – als Kohlenstofffasergarn – unter anderem zu Stoffen weiterverarbeitet werden, die in einer Form in Kunststoff eingebettet werden und unter Einfluss von hohen Temperaturen aushärten und den für die jeweilige Anwendung interessanten Werkstoff bilden. CFK werden bislang vor allem in der Luft- und Raumfahrt sowie im Bereich der Formel 1 und Fahrradtechnik eingesetzt. Sobald das Ziel erreicht ist, die Fertigung von CFK zu automatisieren, ist damit zu rechnen, dass der Werkstoff vor allem auch in der Autoindustrie und auch im Bereich des Maschinenbaus vermehrt eingesetzt wird.

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  • Hybrid-Technik – unterschiedliche Materialwelten miteinander verbinden

    Von Guido Deußing Die Bezeichnung „Hybrid“ hat aus sprachlicher Sicht verschiedene Ursprünge. Sie leitet sich zum einen aus dem Griechischen ab und bedeutet so viel wie „hochmütig“, „übersteigert“ oder „vermessen“. Damit aber hat die Hybridtechnik nichts gemein. Ihr Wurzeln gründen in der lateinischen Sprache, in dem das Wort ein Gemisch aus Verschiedenem zweierlei Herkunft bedeutet. Ein Beispiel soll diesen Sachverhalt veranschaulichen: das Wort „Automobil“. Es passt nicht nur sehr gut in den Kontext, sondern beschreibt ihn auch ausgezeichnet. Dieses Wort setzt sich zusammen aus „Auto“ und „mobil“, also zwei an und für sich eigenständigen Worten. Das aber ist nicht der springende Punkt, sondern die Tatsache, dass „Auto“ ein der deutschen und „mobil" ein der lateinischen Sprache entlehntes Wort ist – Worte zweierlei Herkunft. Weitere Beispiele ? Hybridautos sind so ausgelegt, dass sie mit zwei verschiedenen Energiequellen fahren können: Flüssigtreibstoff und Gas oder Flüssigtreibstoff und Strom. Ähnlich werden Anwendungen in der Raumfahrt bezeichnet. Raketen, die zum Antrieb sowohl festen als auch flüssigen Treibstoff verwenden, nennt man Hybridraketen. Oder: Hybridrechner sind Rechner, die sowohl mit analoger als auch digitaler Technik arbeiten. Bei traditionellen Konstruktionsmethoden stehen sich Metall und Kunststoff normalerweise in einer ausgeprägten Wettbewerbsposition gegenüber. Die Hybrid-Technologie nutzt gezielt die Vorteile beider Werkstoffe, um sie in einem Formteil miteinander zu kombinieren. Ein konkretes Anwendungsbeispiel soll diese Beschreibung veranschaulichen: Fokus auf die Hybrid-Technik Ende 1997 wurde erstmals das Frontend im Audi A6 als Hybrid-Konstruktion aus einer Kombination von Stahlblech und einem Polyamit hergestellt. Wesentlich bei der Hybrid-Konstruktion: die spezifischen Eigenschaften der ein gesetzten Werkstoffe gehen nicht verloren, sondern ergänzen sich. Es entsteht ein Materialverbund mit physikalischen Eigenschaften, die mit homogenen Werkstoffen nicht zu erzielen wären. Die Fertigung beruht ebenfalls auf der Kombination zweier Produktionsverfahren: Metall-Tiefziehen und Kunststoff-Spritzgießen. Damit ergänzen sich nicht nur die Eigenschaften, sondern auch die wirtschaftlichen Methoden der Massen- beziehungsweise Serienfertigung. Wie funktioniert nun diese Technik? Vereinfacht ausgedrückt wird ein gelochtes Stahlblech in ein Spritzwerkzeug eingelegt und mit einem geeigneten Kunststoff umspritzt. Dabei dringt die Kunststoffschmelze durch die gestanzten Öffnungen des Stahlblechs – es wird vollständig eingehüllt und durch die Verbindung der Kunststoffschichten beider Seiten fest eingeschlossen. Auf diese Weise entsteht eine hochbelastbare kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen beiden Komponenten – ohne zusätzliche Kleber oder Haftvermittler. Diese Technik bietet viele Vorteile. In Bezug auf die ständig geforderten Gewichtsreduzierung von Bauteilen lassen sich tragende Metallstrukturen noch dünnwandiger auslegen: Mit gezielt angespritzten Kunststoffrippen lässt sich die Tendenz dünner Konstruktionen deutlich reduzieren, unter Belastung zu knicken und auszubeulen. Die Belastbarkeit der Bauteile bleibt erhalten, obwohl das Gewicht reduziert wird. Außerdem: Die Kunststoffstrukturen erhöhen nachweisbar die Leistungsfähigkeit der Metallkonstruktion bei Druck- und Biegebelastung. Mit anderen Worten: Das Traumpaar Kunststoff und Stahl im Verbund weist gegenüber herkömmlichen Bauelementen, die nur aus dem einen oder anderen Material bestehen, erhebliche Vorteile auf. Weitere, ungeahnte Möglichkeiten bieten nunmehr die Faser-Kunststoffverbünde – ebenfalls ein Werkstoff aus der Hybridfertigung. GDeußing

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  • Pyrolyse-Gaschromatographie/Massenspektrometrie -

    Pyrolyse-Gaschromatographie/Massenspektrometrie Sorry, aber ohne ein bisschen Technik geht’s nicht Eine gängige Technik zur Untersuchung von Papier und Schriftstücken ist die Pyrolyse-GC/MS, bei der die Probe unter Ausschluss von Luftsauerstoff zersetzt wird. Die Sache hat allerdings einen Haken. Damit gelinge es zwar, relevante molekulare Bestandteile von Tinte und Papier in die Gasphase zu überführen, schildert Dr. Jürgen Bügler vom Bayerischen Landeskriminalamt in München. „Verwertbare Aussagen lassen sich nur begrenzt treffen. Versuche, Schriftstücken das Geheimnis ihrer materiellen Zusammensetzung mittels Pyrolyse-GC/MS zu entlocken, haben zunächst zu zahlreichen Peaks geführt, die überwiegend aus dem untersuchten Papier und nur zu einem geringen Teil aus dem darauf befindlichen Schreibmittel resultierten; die hohe Pyrolysetemperatur lässt sehr viele niedermolekulare Zerfallsprodukte entstehen, die eine Interpretation der Ergebnisse erschweren oder unmöglich machen.“ Thermodesorption als Mittel der Wahl Um eine eindeutige Aussage treffen zu können, bedurfte es einer GC-Aufgabetechnik, bei der sich die Desorptionstemperatur der Probe den Erfordernissen entsprechend variieren ließ, um die ausdampfenden Gase in mehreren Schritten, also bei unterschiedlichen Temperaturen zu erfassen. Die grundlegende Idee bei der Entwicklung der Methode war, erinnert sich Dr. Bügler, die analytisch interessanten Bestandteile des Schreibmittels in die Gasphase zu überführen und gleichzeitig eine Zersetzung des Trägermaterials Papier zu verhindern. Probieren geht über Studieren: Die Lösung fand der Chemiker in der Thermodesorption. „Indem wir das Trägergas bei unterschiedlichen Temperaturen, die wiederum unterhalb der Zersetzungstemperatur des Papiermaterials liegen, über die Papierprobe streichen lassen, desorbieren wir nacheinander alle relevanten leicht- und schwerflüchtigen Analyten, die wir vor Aufgabe auf die Trennsäule unter Einsatz tiefster Temperaturen ausfrieren“, sagt Dr. Jürgen Bügler. Eine Zersetzung der Matrix wird verhindert, so dass der Nachweis der in Spuren vorhandenen Analyten leicht gelingt. Und so geht der Wissenschaftler vor: Das TDS wird für 10 Minuten bei 280 °C ausgeheizt. Nach einer kurzen Abkühlungsphase wird die Probe – es genügen wenige Millimeter beschriebenen Papiers – in das Desorptionsröhrchen gegeben und im Thermodesorptionsgerät bei 40 °C mit Trägergas gespült, um adsorbierte flüchtige Stoffe aus der Umgebung zu entfernen. Nach Abschluss der Equilibrierungsphase beginnt die eigentliche Untersuchung: Bei Temperaturen unter 100 Grad erwischen wir vor allem leichtflüchtige Verbindungen, etwa Phenol- und Benzolderivate sowie Kohlenwasserstoffe bis Heptadecan. Bei Temperaturen ab 100 °C können zusätzlich schwerer flüchtige Substanzen wie langkettige Karbonsäuren, Phthalate und höher siedende Kohlenwasserstoff e nachgewiesen werden. Wurde der verdächtige Schriftzug relativ frisch zu Papier gebracht, verdampft der größte Teil der im Schreibmittel enthaltenen Lösemittel bereits bei niedriger Desorptionstemperatur. Bei 200°C desorbieren die letzten Rückstände flüchtiger Substanzen auch aus älteren Tintenproben. GDeußing

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  • Historisches Vorbild Bioplastik

    • Um 1860 gelang es dem US-amerikanischen Erfinder John Wesley Hyatt (1837-1920), aus Collodiumwolle (Dinitrat der Cellulose), Salpetersäure, Schwefelsäure und Campher den ersten thermoplastischen Kunststoff zu erzeugen, der Celluloid genannt wurde. Als Vorläufer gilt das 1856 entwickelte, aber nicht verwertete Parkesine, benannt nach dem englischen Erfinder Alexander Parkes (1813-1890). Aus Zelluloid hergestellt wurden u. a. Kämme, Brillengestelle, Kugelschreibergehäuse, künstliche Gebisse, Billardkugeln, Spielzeug und Filme (Celluloidfolie). Das Material ist allerdings problematisch, denn es verwittert und ist leicht entflammbar; bei der Lagerung sinkt der Wassergehalt, der Nitroanteil nimmt zu und der Stoff kann sich spontan entzünden. 1951 wurde deshalb weltweit die Herstellung von Celluloidrohfilm eingestellt. Celluloid wurde seither mehr und mehr durch Polyethylenterephthalat (PET) ersetzt. Eines der letzten Produkte, welche noch heute aus Celluloid hergestellt werden, ist der Tischtennisball. • 1897 entwickelten Wilhelm Krische und Adolf Spitteler (1846-1940) einen Kunststoff aus dem Kasein der Milch und Formaldehyd (Polykondensation), der als Galalith in den Handel kam. Man stellte aus diesem „Milchstein“ oder „Kunsthorn“ Knöpfe und Schmuck und später auch Isolierungen für elektrische Anlagen her. Das Galalith verlor nach 1945 durch die Entwicklung neuer, vollsynthetischer Kunststoffe an Bedeutung. Erdöl war zu diesem Zeitpunkt reichhaltig vorhanden, Milch wurde jedoch zu einem knappen Rohstoff. Auch war die Haltbarkeit von Galalith nicht besonders hoch. Das Material ermüdete frühzeitig und begann zu zerbröckeln. Ein weiterer Nachteil dieses ersten Biokunststoffes bestand darin, dass er bei Feuchtigkeit seine Stabilität einbüßte – er quoll in Wasser auf.

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  • Kugelschreiberpasten

    Kugelschreiberpasten Ist von Kugelschreibern die Rede, meint man in der Regel den Allrounder unter den Stiften, das weltweit wohl am häufigsten verwendete Schreibgerät überhaupt. Es besteht überwiegend aus Kunststoff; gemeint ist nicht alleine der längliche polymere Gegenstand mit Clip zum Befestigen in Brust- oder Jackentaschen. Auseinandergeschraubt lässt sich in seinem Inneren ebenfalls eine oftmals polymere Mine entdecken, die als Vorratsspeicher der Kugelschreiberpaste dient. Kugelschreiberpasten enthaltend mindestens ein farbiges Metalloxidpigment und als Hauptbestandteil Harz sowie organisches Lösemittel. Beim Harz, dessen Anteil rund 15 bis 45 Prozent der Kugelschreiberpaste ausmacht und das im Wesentlichen die Viskosität der Kugelschreiberpaste einzustellen hat, handelt es sich in der Regel um Phthalat/Alkyd-, Aldehyd- und/oder Ketonharze, also synthetisch hergestellte Harze, mit anderen Worten Chemie- beziehungsweise Kunststoffe. Alkydharze gehören zur Gruppe der Polyester und werden durch Polykondensation eines mehrwertigen Alkohols wie Glycerin mit Dicarbonsäure hergestellt. Weitere Infos: Alkydharze .

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  • Unscheinbarer Pionier: 75 Jahre Nylonzahnbürste (1938-2013)

    Von Guido Deußing Zu Damenstrümpfen versponnen, trat im Mai 1940 die erste vollsynthetische Faser von den USA aus ihren Siegeszug um die Welt an. Die Rede ist von Polyhexamethylenadipinsäureamid, besser bekannt als Nylon. Was viele nicht wissen: Seine Feuertaufe hatte die neuartige Kunstfaser zu jenem Zeitpunkt längst hinter sich. Hersteller Du Pont brachte bereits am 24. Februar 1938 das Pionierprodukt auf den Markt – in Gestalt einer Zahnbürste mit Borsten aus Nylon. Das ist nun 75 Jahre her. Anlass genug, an die ersten Nylonzahnbürsten zu erinnern und zu beleuchten, welch langwierige Forschungsarbeit der Erfindung des Nylons durch den US-Chemiker Wallace Hume Carothers (1896-1937) vorausging. Nylons, hauchzarte Beinkleider „aus Kohle, Wasser und Luft“, sind heute weltweit Inbegriff für das Nylon, die in den 1930er-Jahren in den Laboren des Chemiegiganten Du Pont de Nemours & Co. entwickelte erste vollsynthetische Faser. So durchsichtig Nylonstrümpfe auch sein mögen, ihre Marktdominanz verdeckt, dass zuerst ein viel unspektakuläreres Nylonprodukt in den Handel gelangt war, die sogenannte Nylonzahnbürste. In den Verkauf ging sie bereits am 24. Februar 1938, gut zwei Jahre vor den begehrten Strümpfen. Nylonborsten lösten hier solche natürlichen Ursprungs, zumeist Wildschweinborsten, ab (siehe „Kleine Geschichte der Zahnbürste“), die schlechter trocknen und in deren feuchtem Milieu sich gern Bakterien und Pilze einnisten. Ein weiterer Vorteil: Die Verwendung von Nylon verbilligte die Zahnbürste und machte sie damit zum Massenartikel. Als solcher hielt sie unter dem Namen „Doctor West’s Miracle Tuft Toothbrush“ Einzug auf dem US-amerikanischen Markt. Ein echter Fortschritt, trotzdem blieb die Nachfrage verhalten, und zwar aus mehreren Gründen: ● Nylonborsten der ersten Generation waren so hart, dass sie das Zahnfleisch verletzen und zum Bluten bringen konnten; sie wurden deshalb von Zahnärzten nicht empfohlen. Das änderte sich erst, als weicheres Nylon verfügbar war: 1950 führte Du Pont die „Park Avenue Toothbrush“ ein. ● Der Griff zur Zahnbürste war damals noch keine Alltagsroutine, die Mundhygiene nicht sonderlich ausgeprägt. Zu einem Bewusstseinswandel trugen erst nach 1945 die aus dem Krieg heimkehrenden US-Soldaten bei, die zu Botschaftern täglichen Zähneputzens wurden und der Nylonzahnbürste so zu großer Verbreitung verhalfen. Bis heute ist Du Pont in Sachen Nylonzahnbürsten im Geschäft geblieben. Die Standardnylonfaser von 1938 ist nach wie vor im Programm (Zahnbürste „Tynex Classic“), hat aber seitdem reichlich Zuwachs bekommen: Borsten mit besonderem Schliff, schrubberartiger Oberfläche oder antimikrobiellen Zusätzen diversifizieren die Reinigungseigenschaften in der „Tynex“-Produktlinie (siehe www2.dupont.com ), die Du Pont in den 1950er-Jahren etablierte. Die meisten heute gängigen Zahnbürstenborsten bestehen aus Nylon 612. Dem Material wird eine „ausgezeichnete Rückstell-Elastizität bei hoher Nassfestigkeit“ attestiert, ideale Eigenschaften für die Borsten von Zahnbürsten also (Quelle: Evonik Industries, www.vestamid.de). Verwendung findet hie und da auch Nylon 610, z. B. bei der „Herox“-Zahnbürste von Du Pont. Urahn dieser modernen Nylonvarianten ist das von Wallace Hume Carothers 1935 entwickelte Polyamid 66, dem fast zeitgleich der deutsche Chemiker Paul Schlack (1897-1987) im Aceta-Werk der I-G. Farben in Berlin-Lichtenberg das Polyamid 6 an die Seite stellte. Um zu verstehen, worauf diese irritierenden Zahlen anspielen, bedarf es eines Ausflugs in die Chemie – zwecks einer kleinen Lektion über die sogenannte Polykondensation: ● Bei der Herstellung von Nylon müssen ein saures und ein basisches Molekül vereinigt werden. Um diese Vereinigung zu erreichen, wenden Chemiker ein zweistufiges Verfahren an: Zunächst werden die Moleküle der beiden Grundsubstanzen zu dem Molekül eines organischen Salzes verschmolzen; dann wird das Salz in einem Vakuum auf mehr als 260 °C erhitzt. Dadurch entsteht ein neues, kondensiertes Molekül, das alle ursprünglichen Atome enthält – mit Ausnahme von zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Mit anderen Worten: Bei der Polykondensation wird H2O, also Wasser, abgespalten. Übrig bleibt eine Einheit, die Amid genannt wird; sie verbindet sich mir ihresgleichen zu dem langen Nylon-Polymer („Riesenmolekül“), einer Kette von etwa 1700 Atomen. Dass das Nylon-Makromolekül eines der größten Hochpolymere darstellt, lässt sich natürlich erst unter Spezialmikroskopen feststellen – „riesig“ meint hier nämlich eine Länge von 0,0000021 Millimetern … ● Carothers verwendete Hexamethylendiamin und Adipinsäure, die aus Benzol und Phenol gewonnen werden. Da jeder der beiden Ausgangsstoffe sechs Kohlenstoffatome besitzt, wurde das Produkt „Polyamid 66“genannt (C12H22O2N2, später Nylon). ● Schlack experimentierte mit nur einem einzigen Ausgangsstoff, in dem aber sowohl die Amin- als auch die Säurefunktion vorhanden waren: Er verwendete Caprolactam, ein Amid der Aminocapronsäure. Das weiße Pulver polymerisierte, nachdem Schlack es in ein dickwandiges Glasrohr eingeschmolzen und über Nacht bei 230-250 °C im Ofen gelassen hatte: Die Molekülringe öffneten sich und lagerten sich nach dem Kopf-an-Schwanz-Prinzip zu hochmolekularen Ketten aneinander. Weil die Aminocapronsäure sechs Kohlenstoffatome aufweist, taufte man das einkomponentige Polymer auf den Namen „Polyamid 6“ (C6H11, später Perlon). ● Als Nylon 612 wird das Polykondensationsprodukt aus 1,6-Hexamthylendiamin und 1,12-Dodecandisäure bezeichnet – wegen der sechs Kohlenstoffatome im Amin- und der zwölf Kohlenstoffatome im Säureanteil. Den Beginn der Nylonstory markierte die ebenso ehrgeizige wie ungewisse Vision einer vollsynthetischen Faser, mit der Wallace Hume Carothers 1928 als Leiter der Du-Pont-Grundlagenforschung in Wilmington/Delaware angetreten war. Bis das „Superpolymer“ gefunden und zur Produkttauglichkeit herangereift war, sollten dann sieben Jahre vergehen und kam hin und wieder der Zufall zu Hilfe. Ein Zufallsprodukt war Nylon aber deswegen nicht, das Ziel der experimentellen Arbeit stand schließlich von Anfang fest. Ein erster Treffer ins Schwarze war schon 1930 zu verzeichnen gewesen: Julian Hill, Carothers’ erster Assistent stellte bei Versuchen zur Polykondensation einen dicken Sirup her. Als er den gläsernen Rührstab aus seinem Becherglas nahm, hingen daran dicke Fäden. Statt abzureißen oder abzutropfen, erstarrten diese beim Abkühlen und ließen sich wie Gummi auseinanderziehen; wurden sie losgelassen, schnurrten sie nicht wieder zusammen. Dieses zufällige Nebenprodukt von Carother’s Grundlagenforschung war zwar für industrielle Zwecke nicht zu gebrauchen, u. a. wegen seines niedrigen Schmelzpunktes. Trotzdem stellten Carothers und Hill ihre Entdeckung der wissenschaftlichen Öffentlichkeit vor, weil sie für sich in Anspruch nahmen, den Beweis erbracht zu haben, dass es möglich sein müsse, brauchbare Fasern aus rein synthetischen Stoffen zu entwickeln. Der Hill’sche Faden aus dem Du-Pont-Laboratorium galt fortan als die erste vollsynthetische Faser der Welt. In den nächsten Jahren wurden im Du-Pont-Laboratorium unendlich viele chemische Kombinationen getestet und Hunderte unterschiedlicher Fasern hergestellt, die sich aber sämtlich als unzulänglich erwiesen. Trotzdem trug die Arbeit Früchte, denn am Rande seiner kontinuierlichen Faserforschung schuf Carothers die Grundlage für die Polymerisation von Chloropren zu Neopren, einem der gebräuchlicheren synthetischen Kautschuke, und entwickelte einen künstlichen Moschus, der an die Parfümindustrie verkauft wurde. Am 23. Mai 1934 schließlich gelang es Carothers’ Assistent Donald Coffman, Chemiker an der Universität Illinois, ein sowohl robustes als auch gut zu bearbeitendes „Superpolyamid“ herzustellen. Die Rezeptur war allerdings derart kostspielig, dass bald mit der Suche nach einer erschwinglichen Alternative begonnen wurde. Am 27. Juli 1934 synthetisierte Wesley Peterson ein Polyamid, das wegen der fünf Kohlenstoffe in seinem Ammoniakanteil und der zehn Kohlenstoffe in seinem Säureanteil „Polymer 510“ genannt wurde. Carothers wähnte sich am Ziel, doch die Du-Pont-Chefs zogen nicht mit, weil sich auf der Zutatenliste u. a. Rizinusöl befand. Bis dato war das Öl des tropischen Rizinussamens ein Billigprodukt, in Gebrauch lediglich als übelschmeckendes Abführmittel. Die Verwendung für die Polyamidproduktion, so die Befürchtung der Du-Pont-Strategen, würde die Nachfrage nach Rizinus und damit auch den Marktpreis aber derart in die Höhe treiben, dass das Geschäft mit der neuen Kunstfaser schon bald unrentabel werden dürfte. Carothers’ Team wurde folglich wieder zurück ins Labor geschickt. Nach weiteren Monaten systematischen Experimentierens stellte schließlich Gérard Berchet, rekrutiert von der Universität Colorado, aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure am 28. Februar 1935 das „Polymer 66“ her. Qualitativ war es dem „Polymer 5-10“ nicht ebenbürtig und musste überarbeitet werden, befand Carothers. Es vertrug zwar die Lösungsmittel der chemischen Reinigung, doch sein Schmelzpunkt von 265 °C war ziemlich hoch und erschwerte die Weiterverarbeitung des Materials. In der Folgezeit wurden über 200 technische Experten hinzugezogen, um die „Faser 66“ für das Schmelzspinnverfahren zu optimieren. Jeder einzelne Produktionsschritt stellte die Ingenieure anfangs vor neue Probleme – und vertiefte ihre Bekanntschaft mit der, wie sie es ausdrückten, launischen Faser. Ließ sie sich anfangs nur zehn Minuten am Stück spinnen, brachte man es 1937 schon auf 82 Stunden. Nachdem schließlich die erste Charge in der „Experimental Station“ selbst produziert und die „Faser 66“ in „Nylon“ umgetauft worden war (siehe „Wie Nylon zu seinem Namen kam“), baute Du Pont für 8,5 Millionen US-Dollar in Seaford/Delaware eigens eine Nylonfabrik. Das damalige 2800-Seelen-Städtchen bezeichnete sich daraufhin selbstbewusst als „Nylon-Hauptstadt der Welt“. Die 1937 gewährten Original-Patente für Nylon hoben als die besonderen Eigenschaften der „neuen Kunstseide“ hervor, sie sei fester als Naturseide, zugleich elastischer und könne bei voller Rückbildung bis auf 700 Prozent ihrer ursprünglichen Ausmaße ausgedehnt werden. Der deutsche Chemiker Hermann Staudinger (1881-1965), Begründer der Makromolekültheorie und damit der Chemie der Hochpolymeren, schrieb 1939: „Diese Nylonfasern zeigen überraschend große Reißfestigkeit, Elastizität und Knickbruchfestigkeit, und zwar haben sie in dieser Hinsicht günstigere physikalische Eigenschaften als die Naturfasern, Wolle und Seide. So sind auf diesem Gebiet durch konsequente Verfolgung einer wissenschaftlich bewiesenen Grundanschauung wichtige technische Erfolge erzielt worden. Es öffnen sich also der Faserherstellung ganz neue Wege. Es ist wahrscheinlich, daß auf Grund vertiefter Kenntnisse des Aufbaus in Zukunft Fasern hergestellt werden, die andersartige und wertvollere Eigenschaften haben als die Naturfasern“. Die Tatsache, daß die Öffentlichkeit das Nylon sogleich akzeptierte und sehr stark nachfragte, förderte das Image der Kunststoffe generell. Bisher war „der Mann auf der Straße“ den synthetischen Stoffen gegenüber misstrauisch gewesen und hielt sie im Grunde für einen billigen Ersatz der natürlichen Stoffe. Nach der Entwicklung des Nylons war er bereit, Kunststoffe auf Grund ihrer Vorzüge als gleichwertiges, oftmals sogar überlegenes Material anzuerkennen. Kein Wunder, dass sich die weltweite Produktion von Polyamid 66 seit 1938, dem Jahr, als die Nylonzahnbürste in den Verkauf ging, versiebenundfünfzigtausendfacht hat – von bescheidenen 45,4 Tonnen auf 2.600.000 Tonnen.

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  • Kleine Geschichte der Zahnbürste

    Von Guido Deußing Kleine Geschichte der Zahnbürste Als Artikel des Massenkonsums sind Zahnbürsten eine Errungenschaft des Kunststoffzeitalters. Um die Hygiene unserer Kauwerkzeuge haben wir Menschen uns aber selbstverständlich schon vorher gekümmert. Die Anfänge des Zähneputzens reichen zurück in die Zeit ● Um 5000 vor Christus verwendeten Griechen und Römer Reinigungspasten zum Abschleifen des Zahnbelags, hergestellt u. a. aus zerriebenen Tierhufen, Knochen und Eierschalen. Ebenfalls in Gebrauch waren Zahnstocher aus Zweigen. Mundgeruch wurde mit pulverisierter Holzkohle und Baumrinde bekämpft. ● Um 3500 vor Christus verwendeten die Babylonier ein bleistiftgroßes Stück Holz vom Ast eines Baumes als Kaustöckchen. Es wurde an einem Ende durch Kauen zerfasert zu einer Art Bürste und dann als solche benutzt. Sein anderes, spitzes Ende fungierte als Zahnstocher. Entsprechende Funde machte man auch in ägyptischen Gräbern aus der Zeit um 3000 vor Christus. Das Kaustöckchen wird heute als frühester uns bekannter Vorläufer der Zahnbürste angesehen. ● Die erste Borstenzahnbürste, wie wir sie heute kennen, kam in China um das Jahr 1500 auf. Sie hatte die Form eines Pinsels; am Stiel aus Knochen oder Bambus waren grobe Borsten aus dem Nacken von Hausschweinen befestigt. An dieser Urform der Zahnbürste hat sich bis heute im Grunde nichts Wesentliches mehr geändert. ● In Europa stand man den Importzahnbürsten aus China skeptisch gegenüber, weil die groben Eberborsten das Zahnfleisch zum Bluten brachten. Die softe Alternative aus Pferdehaar setzten sich aber nicht durch: Der französische Arzt Pierre Fauchard (1678-1761), der als Vater der modernen Zahnheilkunde gilt, äußerte sich in seinem Lehrbuch „Le chirurgien dentiste ou traité des dents“ von 1728 abfällig über die wirkungslosen, weil viel zu weichen Rosshaarzahnbürsten. Er empfahl, die Zähne und das Zahnfleisch stattdessen täglich mit einem Naturschwamm abzureiben. Vorgezogen wurden in Europa damals ohnehin Zahnstocher, z. B. aus Federkiel, Silber oder Kupfer. ● Um 1700 entwickelte Christoph von Hellwig (1633-1721), Stadtphysikus von Bad Tennstedt/Thüringen, eine Zahnbürste. Ihm zu Ehren steht dort heute ein Zahnbürstendenkmal. ● Zahnbürsten waren bis ins späte 18. Jahrhundert nur für Wohlhabende erschwinglich. Das änderte sich erst, als englische Manufakturen begannen, sie in größerer Stückzahl aus Kuhknochen und aus Borsten von Kuh oder Schwein, später auch Dachs, herzustellen. Der Londoner Geschäftsmann William Addis (1734-1808) gründete 1780 die erste dieser Produktionsstätten. Dem vorausgegangen war eine Gefängnishaft: Addis war wegen Unruhestiftung arrestiert worden und sann während der erzwungenen Muße hinter Gittern darüber nach, dass es doch etwas Besseres geben müsse als mit Salz versehene Lappen, um die Zähne zu reinigen. So nahm er sich einen Tierknochen, bohrte Löcher hinein und verleimte in ihnen Tierborsten. Diese Erfindung sollte ihn reich machen – und sicherte auch seinen drei Söhnen ein lukratives Geschäft. Mit Beginn der bakteriologischen Ära im 19. Jahrhundert wuchs dann das Problembewusstsein, dass Zahnbürsten wahre Keimschleudern sein konnten. Doch daran sollte sich erst etwas ändern, als 1938 die Zahnbürste mit Nylonborsten aufkam. Diese waren glatt und außerdem nicht hohl, sodass sie sich nicht mit Feuchtigkeit vollsogen.

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