Thema des Monats Juli 2012

 
 

Kunststoff bewegt die Welt - Werkstoff des 21. Jahrhunderts

Die Kunststoffindustrie zählt zu den innovativsten Branchen weltweit. Das Geheimnis ihres Erfolgs liegt im Kunststoff selbst, der nahezu keinen Wunsch offen lässt – auch im Hinblick auf die weltbewegenden Aufgaben unserer Gesellschaft. Das Thema des Monats im Juli 2012 wirf einen Blick auf die buchstäblich bewegenden Aspekte von Kunststoffen sowie auf die Sonderschau während der K im kommenden Jahr.

Bevölkerungswachstum, Energiebedarf, Ressourcenknappheit, Klimawandel – die Menschheit steht vor Herausforderungen bislang unbekannter Dimension. „Es bedarf kreativer Köpfe und ebensolcher Werkstoffe, mit denen sich notwendige Innovationen realisieren lassen“, sagt Dr. Rüdiger Baunemann. Der Hauptgeschäftsführer von PlasticsEurope, dem Verband der Kunststofferzeuger in Deutschland, bekräftig, synthetische Materialien, sprich: Kunststoffe (Polymere), leisten einen wesentlichen Beitrag, die bestehenden und zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Wie buchstäblich und im übertragenen Sinne mobilisierend Polymermaterialien sein können, wird die Sonderschau „Kunststoff bewegt“ während der K 2013 zeigen.

Ist eine Welt ohne Kunststoff denkbar?
Die Frage scheint berechtigt, angesichts der sich rasant entwickelnden Kunststoffindustrie. Im vergangenen Jahr wurden weltweit rund 280 Mio. Tonnen Kunststoffe hergestellt; 1950 waren es erst 1,5 Mio. Hinter dieser Entwicklung steht die faszinierende Möglichkeit, mit Kunststoff(en) aus Ideen greifbare Innovation werden zu lassen.

Vielfältig sind die Einsatzgebiete und -möglichkeiten; schlicht zu umfangreich, um sie in den wenigen, zur Verfügung stehenden Zeilen in Ausführlichkeit und Gänze darzulegen. Daher soll eine Vorstellung der Vielgestaltigkeit von Kunststoffen und ihren Anwendungen, gemäß des Prinzips „pars pro toto“, durch den Blick auf einzelne, jedoch wichtigste Teilbereiche vermittelt werden.

Kunststoff als Verpackungskünstler
Eines der größten Einsatzgebiet für Kunststoffe ist die Verpackung; in Deutschland dient rund jede dritte Tonne (34 Prozent) Kunststoff zur Herstellung von Verpackungsmaterialien (Quelle: PlasticsEurope Deutschland e. V.). Als flexibles, reißfestes und vielseitiges Folienmaterial sorgen Kunststoffe heute für den sicheren und effizienten Transport von Lebensmitteln. Als gutes Beispiel dienen Folien etwa aus Polyethylen (PE), die als gute Feuchtebarriere dienen, oder Polyamid (PA); PA stellt eine gute Sauerstoffbarriere dar. Aus einem PE/PA-Verbundmaterial folglich lassen sich unterschiedlich dünne Folien für die Verpackung von Lebensmitteln herstellen, die wasserdampf- und luftundurchlässig sind; Gewürze etwa, die mit einer PE/PA-Folie verpackt werden, behalten ihr Aroma und klumpen nicht.

Ein weiteres herausragendes Beispiel für den Einsatz von Kunststoff als innovatives und gleichsam effizientes Verpackungsmittel ist die Polyethylen-(PET)-Flasche. Im Jahr 2010 wurden knapp zehn Milliarden Liter Mineral- und Heilwasser in deutschen Mineralbrunnenbetrieben abgefüllt; im Durchschnitt lag der Pro-Kopf-Verbrauch in Deutschland bei rund 131 Litern Mineralwasser pro Jahr. Die größte Attraktivität der PET-Flasche stellt ihr signifikant geringeres Gewicht gegenüber der konventionellen Glasflasche dar; ein Faktum, das nicht nur der Verbraucher im Getränkemarkt zu schätzen weiß, der den eben erworbenen Kasten Sprudelwasser erst von der Kasse im Supermarkt in den Kofferraum seines Wagens verfrachten und von dort in den Vorratsraum seiner Wohnung zu transportieren hat. Eine PET-Flasche wiegt rund 37 Gramm, eine Glasflasche 600 Gramm, mit anderen Worten: 16 PET-Flaschen bringen in etwa das gleiche Gewicht auf die Waage wie eine volumengleiche Glasflasche.

Das geringe Gewicht der PET- gegenüber der Glasflasche stellt einen nicht zu unterschätzenden ökonomischen wie auch ökologischen Nutzen dar: Weil PET-Flaschen so leicht sind, kann der Laderaum eines Lkw vollständig genutzt werden, ohne das Fahrzeug zu überladen; weniger Fahrzeuge auf der Straße bedeuten eine geringere Belastung der Umwelt mit Abgasen. Und während der Verbraucher bei einem Pro-Kopf-Verbrauch von 131 Litern Mineralwasser aus Glasflaschen jährlich rund 80 Kilogramm Leergut zu transportieren hat, bringen es PET-Flaschen bei gleicher Anzahl auf nur 4,85 Kilogramm. Deutliches Plus für Kunststoff.

Kunststoff als ideales Dämmmaterial
Aus einem ungedämmten Einfamilienhaus, gebaut in den 1960er-Jahren, entweichen über Außenwände, Keller und Dach bis zu zwei Drittel der Heizwärme ins Freie. Nutzlos vergeudet werden dabei jedes Jahr etwa 2000 Liter Heizöl. Um den Wärmeverlust zu verhindern und den Energieeinsatz zu minimieren, benötigen Häuser einen soliden Mantel aus modernen Dämmstoffen. Der wichtigste vollsynthetische Kunststoff auf dem Gebiet der Wärmedämmung ist geschäumtes Polystyrol. Am weitesten verbreitet ist expandierter Polystyrolhartschaum (EPS), der sich zu Blöcken, Platten und anderen geometrischen Bauteilen formen lässt. Extrudierter Polystyrolhartschaum (XPS) wiederum lässt sich als kontiniuierlicher Schaumstoffstrang in unterschiedlichen Dimensionen herstellen. (siehe auch Thema des Monats: "Behaglichkeit ist Trumpf") Alles in allem tragen Polymerschäume nachhaltig zur Isolierung von Gebäuden bei, was nicht nur dem Verbraucher, sondern auch der Umwelt zugutekommt. Zum Vergleich: Der Heizölverbrauch eines konventionell gebauten Hauses liegt bei 19 Litern pro Quadratmeter (2470 Liter/Jahr), der eines mit Kunststoff gedämmten Hauses jedoch nur bei 5,5 Litern (585 Liter/Jahr). Die Einsparung von 1900 Litern Heizöl bedeutet eine Ersparnis von 1600 Euro und einen Reduktion des treibhausschädlichen Kohlendioxidausstoßes von mehr als 75 Prozent; statt 7700 Kilogramm Kohlendioxid, werden nur 1800 Kilogramm emittiert. (Quelle: PlasticsEurope)

Mit Kunststoff Trink- und Abwasser sicher und verlustfrei leiten
Rund acht Prozent des deutschen Trinkwassers versickern ungenutzt im Untergrund, das entspricht einer Menge von einer Mrd. Litern am Tag. Europaweit liegt die Verlustrate sogar bei rund 25 Prozent. Ähnlich verhält es sich mit gebrauchtem Wasser; etwa ein Drittel des Abwassernetzes weist Schäden auf. Für Trinkwasserleitungen werden Rohre aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt, neben Metallen auch Kunst- und Verbundwerkstoffe. Für erdverlegte Ver- und Endsorgungsleitungen kommen neben Stahl vor allem auch Polyethylenrohre (PE-Rohre) oder Rohre aus Polyvinylchlorid (PVC) zum Einsatz. Bei der Hausinstallation werden überwiegend Rohrleitungen aus Kupfer, Edelstahl, verzinktem Stahl (Gewinderohr), Alu-Mehrschichtverbund oder weitere Kunststoffen (PE, PVC-U) verwendet. Allerdings werden vor allem Kunststoffrohre wegen ihrer schnellen und einfachen Verlegung vermehrt eingesetzt.

Zur Behebung von unter anderem altersbedingten Schäden an unterirdisch verlegten Rohrleitungen und Abwasserkanälen greift man heute meist zu grabenlosen Sanierungsmaßnahmen, was einem sozusagen minimalinvasivem Eingriff gleichkommt: Straßen und Gehwegen brauchen nicht aufgerissen werden. In der Anwendung befinden sich heute unterschiedliche Verfahren, wie das Einbringen partieller Liner oder flexibler Rohr- oder Schlauchstranglinge. Allen gemein ist, vereinfacht beschrieben, dass von außen ein mit Kunstharz (Epoxid- oder Polyurethanharz) getränkter Kunststoffschlauch oder ein flexibler Schlauch bestehend aus Polyethylen oder Polypropylen in das beschädigte Roh eingeführt und die Leckagen damit geschlossen oder, einem Beipaß gleich, dauerhaft wirksam überbrückt werden.

Mit Kunststoff Trinkwasser sicher aufbereiten
Neben dem Wassertransport spielen Kunststoffe auch eine wichtige Rolle bei der Aufbereitung von Trinkwasser. Das Hauptproblem in vielen Teilen der Erde liegt in der Verfügbarkeit sauberen Trinkwassers. Schon heute ist es Mangelware für rund 1,1 Mrd. Menschen. Laut den Vereinten Nationen (UN) sterben täglich 6000, sprich: rund zwei Mio. Menschen pro Jahr, weil die Hygiene nicht stimmt und der Zugang zu sauberem, sicherem Süßwasser fehlt. Ein Teil des Problems ist hausgemacht, sozusagen die logische Konsequenz menschlicher Existenz: Abwasser. 2,4 Mrd. Menschen wissen nicht, wohin damit. Es gelangt ungeklärt in die Umwelt und sucht sich seinen Weg – vielleicht zu einem tiefer liegenden Trinkwasserspeicher in der Umgebung. Laut einer Berechnung verunreinigt ein Liter Abwasser acht Liter Frischwasser. Es überrascht nicht wirklich: Hauptleidtragende der Misere sind die Entwicklungsländer.

Wie aber lässt sich dieses Problem in den Griff bekommen? Vielleicht nur durch dezentrale Lösungen, an jeweils Ort und Stelle der Wasserentnahme. Das Schweizer Unternehmen Vestergaard Frandsen hat eine mobile, leicht zu transportierende Wasseraufbereitungsanlage entwickelt, die offenkundig den Weg in die richtige Richtung weist.

Für ihr neues, tragbares Wasserreinigungssystem Lifestraw Family verwendet die Firma Vestergaard Frandsen den Kunststoff Ultrason E 6020 P, ein Polyethersulfon (PESU) der BASF. Die einfach zu bedienende Kunststoffkonstruktion LifeStraw Family dient dazu, vor Ort in den Dörfern und Familien große Mengen von Schmutzwasser in Trinkwasser umzuwandeln. Zentrales Element ist ein etwa 30 Zentimeter langes Kunststoffgehäuse, in dem sich Filtermembranen aus Ultrason E befinden. Sie sorgen für eine Ultrafiltration (UF-Membrane) und entfernen Viren ebenso wie Bakterien aus verschmutztem Oberflächenwasser, das aus Flüssen, Seen, Regenwassertonnen oder Pfützen stammen kann. Mit der mobilen Reinigungsstation wird so die Gefahr von Krankheiten wie Magen-Darm-Erkrankungen, die durch schmutziges Wasser entstehen, drastisch vermindert. Nach Angaben der WHO (Weltgesundheitsorganisation) sterben jährlich 1,8 Mio. Menschen an den Folgen von Durchfallerkrankungen.

Mit Kunststoff auch in Zukunft effizient mobil
Ihre Eigenschaften, extrem flexibel, gleichzeitig höchst belastbar und dabei leicht zu sein, haben die Karriere von Kunststoffen in vielen Anwendungsbereichen beflügelt. Gewichtsreduktion an Fahrzeugen jeder Art bedeutet stets auch Einsparungen in puncto Kosten, Ressourceneinsatz und Emissionen. Es ginge nicht darum, mit üblicherweise eingesetzten Materialien wie Metallen zu konkurrieren, erklärt Dr. Baunemann, sondern darum, „das Beste der verschiedenen Materialwelten zu kombinieren“.

Kunststoffbasierte Verbundmaterialen erleben seit Jahren in der Autoindustrie eine Blütezeit. Kofferraumklappe, Motorhaube, Schiebedach, Bremsbeschläge, Dämpfungselemente, Spurstange, Radkappe, Heizungsschläuche, Haltegurte, Antriebsriemen, Luftfilter Ventildeckel, Zündverteilerkappe, Zündkerzenstecker, Steckerleisten, Airbag, Kopfstützen Sitzverkleidung – rund 2000 Fahrzeugbauteile an Karosserie, Fahrwerk, Motor, Elektrik und Innenausstattung bestehen inzwischen aus Kunststoffen oder sind kunststoffbasiert, Tendenz weiter steigend. Aus gutem Grund, wie die folgenden drei Beispiele verdeutlichen.

1. Ansaugkrümmer aus Kunststoff steigern die Effizienz des Motos, weil sie das Strömungsverhalten optimieren.
2. Treibstofftanks aus Kunststoff lassen sich nach individuellen Gesichtspunkten und Erfordernissen gestalten, wodurch sich nicht nur das Fahrzeuggewicht reduzieren, sondern auch der gebotene Raum effizient und optisch attraktiv optimal nutzen lässt.
3. Endschalldämpfer aus Kunststoff sind umgerechnet 13 Kilogramm leichter als herkömmliche Pendants und benötigen nur halb so viel Platz. Der Abgasdruck wird halbiert, was eine Reduktion des Kohlendioxidausstoßes bedeutet oder eine Erhöhung um einige Pferdestärken.

Auf den Punkt gebracht: Eine Einsparung von nur 0,2 Litern Treibstoff auf 100 Kilometer bedeutet, bezogen zum Beispiel auf die gesamtdeutsche Pkw-Flotte von etwa 42 Mio. Autos eine Gesamteinsparung von 8,4 Mio. Litern Kraftstoff je 100 Kilometer. Da freut sich nicht nur der Autofahrer, sondern auch die Umwelt.

Inzwischen weiß auch die Luftfahrtindustrie den Mehrwert synthetischer Materialien in puncto Kosten- und Treibstoffreduktion sehr zu schätzen. Der Airbus A380 etwa besteht zu 25 Prozent aus mit Carbonfasern verstärktem Kunststoff. Ergebnis: 15 Prozent weniger Kerosinverbrauch. Flugzeughersteller Boeing legt noch einen drauf: „Der Kunststoffanteil des Boeing 787 Dreamliners liegt bereits bei 50 Prozent, was zu deutlich niedrigeren Emissionen klimaschädlicher Gase während des Betriebs führt“, sagt Dr. Baunemann.

„Grüne“ Energie braucht Kunststoff
Wer über eine saubere, umweltfreundliche Energiegewinnung spricht, kommt ebenfalls nicht an Polymermaterialien vorbei: „Die Flügel von Windkraftwerken bestehen aus Kunststoff, ebenso bilden sie die Basis wirtschaftlicher Solaranlagen zur Stromproduktion“, berichtet der Hauptgeschäftsführer. Nicht zuletzt übernehmen Polymere auch eine zentrale Rolle in der Brennstofftechnologie.

Apropos: Obgleich der Löwenanteil aller Kunststoffe nach wie vor aus Erdöl und Erdgas hergestellt wird (allerdings macht dies nur 4-6 Prozent der weltweit geförderten Menge aus), werden inzwischen vermehrt auch nachwachsende Rohstoffe eingesetzt. Dr. Baunemann: „Fossile Ressourcen, nachwachsende Rohstoffe, ja sogar CO2 kommen als Rohstoffbasis für Kunststoffe in Frage.“ Ohne Kunststoffe aber, sagt Dr. Rüdiger Baunemann, ist Zukunft nicht machbar: „Das ist der Werkstoff des 21. Jahrhunderts.“

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Siehe auch Thema des Monats Mai 2011

"Grüne" Verpackungen auf Wachstumskurs