In den letzten Jahrzehnten hat der Einsatz von Kunststoffen in fast allen Sportarten dafür gesorgt, dass neue Leistungsmaßstäbe gesetzt wurden. Herkömmliche Materialien wurden durch synthetische Werkstoffe abgelöst, was zudem ein Reduzieren der Verletzungsgefahren mit sich brachte. Ein greifbares Beispiel sind Joggingschuhe. Die Zeiten, in denen schmerzende und schwitzende Füße zum Sport dazugehörten, sind mittlerweile vorbei. Orthopäden und Ingenieure haben eine Generation von Schuhen entwickelt, die die Anforderungen Führen, Stützen und Dämpfen erfüllen. Hochelastische Kunststoffe bilden die stoßabsorbierende Sohle und verwindungssteife, leichte Kunststoffe übernehmen die Stützfunktion. Die geringere Masse bedeutet zudem weniger Energieaufwand. Durch einen unterschiedlichen Aufbau und verschiedene Härtegrade der Sohle kann ebenso auf spezifische Anforderungen der Sportart eingegangen werden. Die Sohle eines Laufschuhs ist anders konzipiert als die eines Hallenschuhs für Volleyballer oder Handballer. Aber auch darin gibt es bereits Abstufungen. Und die Entwicklung geht weiter.

Auswahl der Materialien wird immer größer

Die Auswahl der Kunststoff-Materialien wird zunehmend breiter und wichtiger. Ein populäres Beispiel sind Fußbälle, die mittlerweile alle aus Kunststoff und nicht mehr wie früher aus Leder bestehen. Das Material saugt nicht das Wasser auf und verbessert die Flugeigenschaften des Balles. Insbesondere das durch Bayer Material Science und Geba weiterentwickelte Material Desmovit eignet sich für viele Sportanwendungen, da es eine hohe Verschleißfestigkeit und hohe Schlagzähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen ausweist. Fans trendiger Sportarten wie Mountainbiking, Skydiving, Freeclimbing oder Triathlon benötigen eine belastbare Ausrüstung. Im Outdoorbereich sind schlag- und bruchfeste Brillen notwendig. Brillengläser aus Makrolon bieten für die Augen neben einem optimalen Schutz auch die scheinbar widersprüchlichen Extreme Leichtigkeit und Robustheit. So sind sie beinahe unzerbrechlich und splittern selbst bei heftigen Stürzen nicht. Und ein eingebauter UV-Schutz schirmt vor der schädlichen UV-Strahlung der Sonne ab. Da das Material zudem gut formbar ist, sind der Fantasie der Designern keine Grenzen gesetzt. Brillenhersteller haben daran ihre Freude.

Auf dem Weg zu neuartigen Funktionsmaterialien

Polymere Nanokomposite gelten in Wissenschaft und Industrie als Materialien, die den Fortschritt im 21. Jahrhundert entscheidend mitbestimmen werden. Sie bestehen aus einer Kunststoffmatrix und aus Nanopartikeln, die als Füllstoffe in die Matrix eingesetzt werden. Ein Forschungsteam von der Universität Bayreuth, hat jetzt ein Verfahren entwickelt, das den Weg zur Herstellung neuartiger – nämlich vollständig mischbarer – Nanokomposite öffnet. In diesen Materialien steckt ein vielseitiges Potenzial für technologische Innovationen, auch für die Sport- und Freizeitindustrie. Die winzigen Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern werden als Füllstoffe in Kunststoffe eingebracht. Allerdings haben sie die Tendenz, innerhalb der Kunststoffmatrix zu verklumpen. Sie verteilen sich daher nicht als vereinzelte Teilchen in allen Abschnitten der Matrix, sondern sie lagern sich an wenigen Stellen der Matrix zusammen. Die Ursache hierfür liegt darin, dass die Nanopartikel im Zustand der Verklumpung erheblich weniger Grenzflächenenergie aufwenden müssen, als wenn sie einzeln im Kunststoff vorliegen würden. Doch für industrielle Anwendungen sind polymere Nanokomposite viel attraktiver, wenn sich die einzelnen Nanopartikel separat im Kunststoff verteilen. Je gleichmäßiger sich die Nano-partikel im Kunststoff verteilen, umso hitzebeständiger und weniger leicht entflammbar sind die Materialien.

Um das Verklumpen der in die Kunststoffmatrix eingeführten Nanopartikel zu verhindern hat Prof. Dr. Stephan Förster, in Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Hamburg, eine Idee entwickelt und im Labormaßstab bereits erfolgreich umgesetzt. Ausgangspunkt des Verfahrens sind Polymerketten. Am Ende jeder Kette wird ein Haftungsmolekül befestigt. Wie mit einem Enterhaken hängt sich die Polymerkette mit diesem Molekül an ein Nanopartikel an; und zwar so, dass sie mit ihrem einen Ende nahezu senkrecht auf der Oberfläche des Partikels steht, während ihr anderes Ende nach außen absteht. Auf diese Weise erhält jedes Nanopartikel eine aus Polymer-ketten bestehende Rundum-Beschichtung, die aussieht wie eine kugelförmige Bürste. Die wie Borsten nach außen abstehenden Polymerketten verhindern, dass sich die Nanopartikel allzu nahekommen, wenn sie in die Kunststoffmatrix eingebracht werden. Sie bleiben als vereinzelte Partikel erhalten, während die Polymerketten in den Kunststoff eingearbeitet werden. Damit ist der Weg frei, um anspruchsvolle Funktionsmaterialien herzustellen.

Eine High-Tech Sportart

Die Ausdauersportart Triathlon hat in den letzten Jahren einen regelrechten Hype erfahren. Durch den jungen und neuen Charakter der Sportart, war von Beginn an, ein aufgeschlossener Umgang mit Neuerungen in der Materialentwicklung vorhanden. So ist es nicht verwunderlich, dass gerade Kunststoffe hier eine dominierende Rolle spielen. Bei der ersten Disziplin, dem Schwimmen, ent-wickelt sich der ursprünglich aus Kälteschutzgründen getragene Neoprenanzug zu einem positiv beeinflussenden Faktor. Vor allem Elastizität, Auftrieb und Reduzierung des Wasserwiderstandes haben heute bei der Entwicklung oberste Priorität. Chloropren-Kautschuk, auch Polychloropren oder Chlorbutadien-Kautschuk, ist ein Synthesekautschuk, der unter anderem auch im Automobilbau eingesetzt wird. Im deutschen Sprachraum ist er unter dem Markennamen Neopren bekannt.Diese Marke des Unternehmens Dupont, Handelsnamen anderer Hersteller sind zum Beispiel Baypren von Lanxess, verhilft zu einer besseren Gleitfähigkeit.

Das Verbot des Windschattenfahrens stellt beim Radfahren besondere Ansprüche an das Material. Aerodynamik zum einen und Ergonomie sind hier gefragt. Das heißt: Carbon-Rahmen mit aerodynamischen Rohren und angepassten Geometrien, speichenreduzierte Hochprofilfelgen, zum Teil auch mit Scheiben-Hinterrad kombiniert und weitere Details. Kombiniert mit Zeitfahr-Helmen erreicht man ein aerodynamisches Optimum, wodurch Zeitgewinne gegenüber klassischem Material, je nach Streckenlänge, möglich sind.

Die Firma BMC Switzerland, Grenchen, Schweiz, (Bicycle Manufacturing Company) hat einen besonderen Fahrradrahmen entwickelt. Nach eingehenden Analysen, Tests und Optimierungen wurden die Rahmenverbinder aus Grivory GC-4H und GVL-6H von Ems Grivory, Domat/Ems, Schweiz hergestellt. Diese Halbschalen, die sogenannten Shells, werden aus einem Composite Compound-Material gefertigt, sind hochfest und leicht zugleich, verfügen über gute Dämpfungseigenschaften und lassen sich in der Endmontage präzise mit den Rahmenrohren verbinden. Neu war diese Idee für die Fahrrad-Ingenieure und Designer nicht. Schon seit einigen Jahren arbeiten sie an Technologien, die sie in die Lage versetzen, Rahmenrohre aus Composite Werkstoff belastungspezifisch zu optimieren. Sie wussten ziemlich genau, wo ein Rahmen steifer sein muss, um den Wirkungsgrad seines Fahrers zu optimieren. Aber dafür fehlte der perfekte Fertigungsprozess. So entwickelte man Load Specific Weave (LSW), ein komplexer, dreistufiger Prozess. Verkürzt dargestellt, sehen die drei Stufen so aus: Flechten, Verharzen, Schneiden – und heraus kommt ein schlichtes, makelloses Karbonrohr, das nur noch lackiert, bedruckt und mit weiteren Rohren zum perfekten Rahmen zusammengefügt werden muss.

Konstruktion, Material und Herstellungsprozess, diese drei Aspekte der Rahmenverbindungen bildeten den gordischen Knoten des neuen Rahmens, der mit herkömmlichen Mitteln nicht zu entwirren war. Die simple Idee, die Rahmenverbindungen zweiteilig mit je zwei Halbschalen zu gestalten, war dann die Lösung. Diese Halbschalen werden aus einem Composite Compound-Material gefertigt, das sich im Spritzguss verarbeiten lässt. Das Granulat besteht aus einem Verbundwerkstoff mit einem hohen Anteil an Karbonfasern. So war es möglich, die Knotenpunkte des Rahmens so zu gestalten, dass eine absolute Prozesskontrolle möglich ist. Die Ausrichtung der Karbonfasern innerhalb der verschiedenen Shells wurde mit einem Simulationsprozess, der sogenannten Mold-Flow-Analyse, definiert, bevor die finalen CAD-Daten in den Werkzeugbau gingen. So ließen sich alle für den Spritzguss wichtigen Prozessparameter wie Temperatur, Füllzeit, Fließgeschwindigkeit und Fließverhalten bestimmen und weiter optimieren.

Eine weiterer wichtiger Ausrüstunggegenstand des Triathleten sind seine Schuhe. Hier kommen heute ähnliche Technologien zum Tragen wie bei modernen Spritspar-Reifen: „Silica-Technologie, die Reifen griffig und besonders sparsam macht, sorgt auch für guten Grip auf nassen Laufstrecken“, sagt Martin Mezger, Kautschuk-Experte bei Lanxess, Köln. Krynac heißt das Material, das sich als langlebig, flexibel und beliebt erwiesen hat. Gerade Ausdauerläufer brauchen zudem besondere Dämpfung. „Bei einem Laufschritt können Belastungen entstehen, die das Dreifache des Körpergewichts erreichen“, so Mezger. „Auf Dauer belastet das die Gelenke ungemein.“ Als Puffer zwischen Fuss und Untergrund dienen darum Zwischensohlen aus modernem Hochleistungskautschuk. Levapren ist ein solcher. Der Ethylenvinylacetat-Kautschuk (EVM) hat federnde und stabilisierende Wirkung. „Je nach Laufstil wird an der Ferse mit weichem Material gedämpft, während am Ballen elastischeres Material eingesetzt wird, damit möglichst wenig Bewegungsenergie verloren geht“, erklärt Mezger.

Da die Wettkämpfe auch bei Wind und Regen ausgetragen werden, ist die Kleidung eine Herausforderung für die Materialentwickler. Einerseits muss diese den verdampfenden Schweiß nach außen leiten, damit kein Wärmestau entsteht, und den flüssigen Schweiß aufsaugen, damit der Körper des Sportlers trocken bleibt und er sich wohl fühlt. Andererseits muss sie vor Wind schützen, um ein Unterkühlen zu vermeiden und Regentropfen abstoßen, damit die Kleidung nicht schwer wird und kein Nässegefühl entsteht. Die von Bob Gore entwickelte und nach ihm benannte Gore-Tex-Membran hat die Sportkleidung revolutioniert.

Die hauchdünne Membran aus Polytetrafluorethen, ein Material, dass unter anderem auch unter dem Handelsnamen Teflon bekannt ist, verfügt über 1,4 Milliarden Mikroporen pro Quadratzentimeter. Die Porengröße ist so, dass gasförmiges Wasser – verdunstender Schweiß – hindurch kann, Regentropfen hingegen abperlen. Nachteilig ist lediglich, dass der flüssige Schweiß nicht aufgesaugt wird. „Damit die Kleidung sowohl der Kälte als auch den heftigen Bewegungen und dem Schweiß der Sportler standhält, braucht es eine Kunstfaser mit besonderen Eigenschaften“, sagt Dr. Dieter Rodewald, Senior Manager Technical Services im Unternehmensbereich Intermediates der BASF, Ludwigshafen.

Elastanfasern aus dem Zwischenprodukt PolyTHF sind für diese Beanspruchung ideal. Die Textilien sind durchlässig für Wasserdampf und bleiben auch bei eisigen Temperaturen elastisch und geschmeidig.“ Denn Elastanfaser, der in Nordamerika und Asien als Spandexfaser bekannt ist, machen auch Frost und Feuchtigkeit nichts aus. Ein Blick auf die Etiketten verschiedener Kleidungsstücke zeigt, dass Elastan in einem Großteil aller Textilien steckt. „Elastanfasern gibt es in vielen Varianten“, erklärt Professor Thomas Gries, Leiter des Instituts für Textiltechnik an der RWTH Aachen. Je dehnbarer der Stoff sein soll, desto mehr PolyTHF enthält die Elastanfaser. „Mit elastanhaltigen Stoffen behält die Kleidung auch bei extremen Bewegungen ihren Sitz am Körper“, erläutert Gries. „Die Fasern können problemlos dort eingesetzt werden, wo sie direkten Kontakt zum Körper haben“. Die Anordnung der Atome in den PolyTHF-Molekülen macht diese außerdem für Kleinst-Lebewesen schwer verdaulich. Deshalb meiden Mikroben wie Milben die Elastanfaser. Das ist besonders für Allergiker wichtig.

Sportive Freizeit

Wir alle haben immer mehr Freizeit. Einen großen Teil dieser Zeit verbringen wir mit Sport. Wann und wo immer Menschen zusammenkommen, um sich sportlich zu betätigen, Kunststoff spielt eine tragende Rolle und trägt maßgeblich zu einer Bereicherung der freizeitlichen Erlebniswelt bei.

 

Nachgefragt

Plastverarbeiter befragte drei Experten zum Thema Kunststoffe in Sport und Freizeit. Forschungsschwerpunkt des Fachgebiets von Prof. Senner ist die Interaktion zwischen Mensch, Sportgerät und Umwelt unter verschiedenen Aspekten. Stephan Wick ist Leiter der Verfahrenstechnik bei EMS Grivory und Sandro Lindner ist beim Schweizer Fahrradhersteller BMC tätig.  

Prof. Senner, Sie veranstalten zusammen mit dem SKZ die Tagung „Kunststoffe in Sport und Freizeit“. Sind die Innovationssprünge in diesem Bereich so groß? 

Prof. Veit Senner Der Begriff Innovationssprung ist vielleicht etwas zu hoch gegriffen, aber Neuheiten und wichtige Erkenntnisse gibt es definitiv von Jahr zu Jahr. Das Thema ist vielschichtig: Auf Seiten der Materialzulieferer ist die ganze Palette vom Faserverbundwerkstoff über die Thermoplaste zu den Duroplasten für den Bereich des Sports von Interesse. Im Bereich der Fertigungsverfahren ergeben sich immer wieder neue Möglichkeiten auch in der Serienfertigung zum Beipiel EVA-Schäume zu tunen oder durch entsprechende Formgebung den Produkten spezielle Eigenschaften zu geben. Im Sinne des Customizing, also der Bereitstellung von an individuelle Bedürfnisse angepasster Sportausrüstung, ist dies von besonderem Interesse. Meist sind es ja Detailverbesserungen, die aus den auf bereits sehr hohem Niveau befindlichen Sportprodukten noch etwas herausholen.

Welche Probleme gibt es bei der Betriebssicherheit von Sportgeräten wie eben Rennrädern aus CFK?

Stephan Wick Bauteilschädigungen wie zum Beispiel Mikrorisse im Bauteilinnern sind nach Stürzen nicht immer zu erkennen. Ausführliche Praxisprüfungen und Dauertests sind deshalb vor einer Bauteilfreigabe für eine Serienfertigung zwingend.

Welche Vorteile haben Composite Compounds neben der Leichtigkeit im Einsatz bei neuen Rennradtypen?

Sandro Lindner Bei material- und anwendungsgerechter Konstruktion und Herstellung von Fahrradrahmen können die Vorteile von faserverstärkten Kunststoffen voll ausgeschöpft werden. Die beim Fahrradrahmen wichtigen Eigenschaften wie Steifigkeit, Dämpfungseigenschaften (Komfort) und Gewicht können je nach Bedürfnis angepasst werden.

Wick Solche Bauteile bieten viele Freiheiten bei der Konstruktion, respektive bei der Bauteilgestaltung und sind durch den Spritzgießprozess kostengünstig zu fertigen. Durch die Verklebung von Kunststoff mit Kunststoff bei den Knotenpunkten erreicht man eine hochwertige und stabile Rahmenverbindung.

Senner Der Vorteil von Faserverbund-Werkstoffen (FVW) liegt vor allem in ihrem unerreichten Gewicht-Steifigkeitsverhältnis. In diesem Punkt übertreffen sie alle anderen Werkstoffe, sogar Titan. Gerade im Bereich der Sportgeräte, wo es oft darauf ankommt, die Energie des Athleten möglichst ohne Verluste über das Gerät an die Umgebung zu übertragen. Bestes Beispiel ist hier das Fahrrad. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, auch komplexe Bauteilformen realisieren zu können. Das ist nicht nur aus Gründen des Designs von Bedeutung, sondern auch, weil homogene Spannungszustände im Material erreicht und ein gewünschtes Elastizitätsverhalten konstruiert werden kann.
Gutes Beispiel für Letzteres ist der Stab beim Stabhochsprung.

Spielt das Thema Recycling und Nachhaltigkeit bei Kunststoffen in Sportartikeln eine Rolle?

Senner Selbstverständlich. Die Hersteller von Rohstoffen forschen und entwickeln intensiv im Bereich der Biopolymere, wie zum Beispiel biobasierten TPU für Komponenten von Sportschuhen und wässrigen PU-Dispersionen für deren Beschichtung. Auf der anderen Seite steht der Kunde, der zunehmend kritischer den Aspekt der Nachhaltigkeit betrachtet und entsprechende Fragen stellt, vor allem aber plausible Informationen erwartet. Die Berichte über mögliche gesundheitsschädliche Wirkung von per-flourierter Kohlenwasserstoffe, die sich in den Membranen vielen Outdoor-Bekleidungen befinden, verstärken natürlich den Wunsch nach einer ganzheitlichen Betrachtungsweise und ökologischen Produkten. So verwundert es auch nicht, dass es schon kleine Sportartikelfirmen mit Erfolg geschafft haben, sich ausschließlich über das Thema Nachhaltigkeit zu vermarkten. Dass das Thema Recycling und Nachhaltigkeit im Bereich der Sportartikel eine zunehmend größere Rolle spielt, zeigt auch der große Erfolg des Ispo Eco Award.

Wick Recycling und Nachhaltigkeit spielen heute sicherlich auch bei Sportartikeln eine wichtige Rolle. Die eingesetzten Werkstoffe von EMS-Grivory sind aufgrund der thermoplastischen Basis recycelbar. Eine Wiederverwendung für hochbelastete Bauteile ist aber nicht möglich.

Lindner Recycling spielt natürlich eine wichtige Rolle. Allerdings sind unsere Fahrräder auf lange Lebensdauern ausgelegt. In Bezug auf das Recycling erarbeiten wir ein Konzept, welches verschiedene Lösungsansätze in Betracht zieht.

Composite Compound-Materialien, die sich im Spritzguss verarbeiten lassen, werden heute bereits vielfach eingesetzt. Was zeichnet das bei BMC eingesetzte Granulat aus?

Wick Die faserverstärkten Werkstoffe lassen sich auf allen handelsüblichen Spritzgieß-Maschinen verarbeiten. Für ein optimales Verarbeiten sind lediglich die materialspezifischen Prozessparameter und eine korrekte Auslegung von Anguss sowie Positionierung vom Anschnitt zu berücksichtigen. Natürlich muss auch das Bauteil selbst kunststoffgerecht ausgelegt sein.

Welche für den Spritzguss wichtigen Prozessparameter sind bei der Verarbeitung dieses Materials besonders wichtig?

Lindner Wir haben beim Optimieren unserer Halbschalen hauptsächlich mit verschiedenen Düsen-Querschnitten, Größen des Materialeinzugs (schlussendlich Größe der Maschine, damit die Fasern nicht bereits vor dem Einspritzen ins Werkzeug beschädigt werden) und Dosiergeschwindigkeiten Versuche geamacht. Ebenfalls spielt die Werkzeugauslegung und dabei insbesondere der Einspritzpunkt eine wichtige Rolle.

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Über den Autor

Harald Wollstadt ist Chefredakteur Plastverarbeiter. harald.wollstadt@huethig.de