Werkstoffanalytik Kurze Wege von der Technologie zum Produkt

In den Projekthäusern der Degussa entwickeln interdisziplinäre Teams aus 20 bis 30 Wissenschaftlern gemeinsam mit den Geschäftsbereichen und Partnern aus Hochschulen und Forschungsinstituten neue Technologieplattformen. Dabei gelten drei Randbedingungen: alle unter einem Dach, eine klar umrissene Zielsetzung und eine limitierte Zeit von drei Jahren. Dr. Ralf Richter leitete das inzwischen erfolgreich abgeschlossene Projekthaus Functional Polymers der Degussa.

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LaborPraxis: Herr Dr. Richter, was hat man sich unter dem Degussa-Projekthaus Functional Polymers vorzustellen?

Dr. Richter: Projekthäuser als innovative Organisationsform der Degussa erarbeiten zukunftsträchtige Technologien – zum Beispiel im Umfeld der Nanotechnologie – entwickeln daraus innovative Produkte und erschließen damit neue Geschäfte in attraktiven Märkten. In unserem Fall war der Auftrag des Projekthauses Know-how in Nano- und Polymertechnologie zusammenzuführen, um Polymerwerkstoffe mit innovativen Produkteigenschaften auszustatten.

LaborPraxis: An welchen Werkstoffen forschen Sie genau?

Dr. Richter: Traditionelle Materialkombinationen sind beispielsweise glasfaserverstärkte Polymere, in denen die Leistungsfähigkeit durch die Kombination der steifen Glasfaser mit der duktilen Matrix bestimmt wird. In der Kombination lassen sich bis zu einem gewissen Grad Eigenschaften verbessern, allerdings immer um den Preis, dass andere Eigenschaften verschlechtert werden. Ein Hintertürchen aus diesem Dilemma stellt potenziell die Nanotechnologie bereit. In den letzten Jahren wurde eine breite Palette von funktionalen Nanofüllstoffen kommerziell verfügbar, deren wirtschaftliches Potenzial es in Polymeranwendungen zu erkunden galt. Unter dem Aspekt der Nanotechnologie können Eigenschaften auf molekularer Ebene kombiniert werden, die vorher nicht zugänglich waren oder erst in der Kombination neue Wirkungen erzeugen. In unserem Fokus stand insbesondere die thermo-mechanische Verbesserung von Hochleistungskunststoffen, die vielfältigen Einsatz z.B. im Automobilbereich finden. Die Kombination von nanoskaligen Teilchen und Kunststoffen ist allerdings kein einfaches Unterfangen. Zunächst galt es, eine Technologie zu entwickeln, um die Partikel gleichmäßig in den Polymeren zu verteilen. Über die im Projekthaus erarbeiteten Technologieplattformen lassen sich z.B. thermoplastische Kunststoffe veredeln, um beispielsweise eine höhere Dauergebrauchstemperatur zu realisieren oder auch die Bruchfestigkeit zu verbessern. Auch die Steifigkeit von Kunststoffen lässt sich dabei verbessern und zwar ohne andere Eigenschaften zu verschlechtern. Interessant sind solche Eigenschaftsverbesserungen auch für die Autoindustrie, die aus Gewichts- und Kostengründen immer mehr Metallteile durch Kunststoff ersetzt. Über die erarbeitete Technologie lassen sich die mechanischen Eigenschaften um 40 bis 50 Prozent verbessern.

LaborPraxis: Ging es auch um Grundlagenforschung?

Dr. Richter: Natürlich, die eher grundlagenorientierten Arbeiten zu Wechselwirkungen zwischen nanoskaligen Partikeln und Polymeren waren auch die Basis, um laserabsorbierende, transparente Kunststoffe zu formulieren. So haben unsere Projekthausforscher auf Basis nanoskaliger Metalloxide eine Technologie erarbeitet, mit der sowohl Plexiglas als auch transparente Polyamide per Laser geschweißt bzw. konturenscharf beschriftet werden können, ohne dass die Kunststoffe eintrüben. Damit lassen sich zum Beispiel in der Verpackungsindustrie fälschungssichere Etiketten und Barcodes herstellen. Das macht es aber auch möglich, technische Geräte mit einem neuen, unverwechselbaren Design auszustatten.

LaborPraxis: Der Nanotechnologie werden von einigen Analysten astronomische Wachstumsraten prognostiziert. Wie sehen Sie die Zukunftsaussichten?

Dr. Richter: Im Jahr 2003 wurden auf Basis der Nanotechnologie etwa 54 Milliarden Euro Umsatz weltweit erwirtschaftet. Auf das Segment der Materialien, d.h. im Wesentlichen Nanopartikel, entfielen etwa 23 Prozent des Umsatzes, wobei auch traditionelle Materialien berücksichtigt sind. Bereits heute etablierte Produkte auf Basis der Nanotechnologie setzen auf Eigenschaftsverbesserungen in den Bereichen Kratzfestigkeit, Tribologie, Flammschutz, Barriere-Eigenschaften sowie mechanische Verstärkung von Kunststoffen. Größere Anwendungen haben sich insbesondere im Bereich der Coatings etabliert, wobei kratzfeste Klarlacke für die Automobilindustrie eines der bekannteren Beispiele sind. Im Segment der ultradünnen Beschichtungen sowie Oberflächenbearbeitungen, das etwa 68 Prozent des weltweiten Umsatzes ausmacht, findet man heute z.B. Antireflex-Beschichtungen für Solargläser sowie die chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) von Si-Wafern für die Chipindustrie.

LaborPraxis: Aber Sie sehen auch Probleme?

Dr. Richter: Thermoplastische Nanocomposite haben bisher nur eine geringe Verbreitung im Markt gefunden. Wesentliche Hürden bei der Markteinführung waren bisher die Verfügbarkeit kostengünstiger Rohstoffe sowie skalierbare und wirtschaftliche Herstellungsprozesse. Daneben ist auch die Reproduzierbarkeit der makroskopischen Eigenschaften über die Verarbeitungskette hinaus nicht einfach zu beherrschen. Einige ausgewählte Nischen können aber bereits heute besetzt werden, wenn es z.B. um den Flammschutz von Kabelummantelungen geht. Aus heutiger Sicht kann der Umsatz auf Basis von Nanocompositen mit etwa 0,1 Prozent abgeschätzt werden.

LaborPraxis: Wie beurteilen Sie das Entwicklungspotenzial der Polymere?

Dr. Richter: Konservativen Schätzungen zufolge wird auf Basis der Nanotechnologie im Jahr 2010 weltweit ein Umsatz von 220 Milliarden Euro erwirtschaftet werden, wobei auf den Materialteil dann etwa 62 Milliarden Euro entfallen. Für Nano-Composite – als Untersegment der Nanotechnologie – wird ein Markt vorhergesagt, der zwischen 2,1 und 5,2 Milliarden Euro Umsatz im Jahr 2010 erwirtschaften soll. Zukünftige Wachstumsfelder werden insbesondere bei der mechanischen Verstärkung von Thermoplasten mit nanoskaligen Füllstoffen erwartet. Auch die elektrischen Eigenschaften von Kunststoffen lassen sich über den Einsatz von Carbon-Nanotubes verbessern. Allerdings können damit derzeit nur Nischenanwendungen bedient werden, da die kommerzielle und kostengünstige Verfügbarkeit derartiger Materialien noch nicht gegeben ist. Wenn wir uns die Ergebnisse unserer Arbeiten ansehen, wird deutlich, dass mittelfristig klare Marktrends z.B. im Bereich Automobil adressiert werden. Ein Beispiel ist der Trend zur Gewichtsreduzierung durch Substitution von Metall durch Kunststoffe, um den Benzinverbrauch zu reduzieren. Da sind Hochleistungswerkstoffe gefragt, die ein Höchstmaß an Festigkeit und Performance bieten. Nanotechnologie im Bereich der Kunststoffadditivierung ist aus unserer Sicht ein Schlüssel zu neuen Produkteigenschaften und damit zu neuen Märkten.

LaborPraxis: Wie erfolgt der Übergang zwischen Forschung und Produktion?

Dr. Richter: Am Ende eines Projekthauses stehen neue Produkte und Technologien, die zu neuen Geschäften führen sollen. Die Vermarktung im kommerziellen Maßstab erfolgt dann entweder durch einen Geschäftsbereich wie im Fall unseres Projekthauses oder durch Creavis in einem internen Start-up. Die Projekthäuser haben dementsprechend ihren Schwerpunkt in F&E bis zum Pilotmaßstab, die internen Start-ups dagegen in der Anwendungstechnik und in der Vermarktung. Creavis repräsentiert hiermit nicht nur die strategische F&E von Degussa, sondern auch das Corporate-Venturing für Start-ups.

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