Glas, Keramik, Textil und Papier

Glas

• Glas ist im sichtbaren Bereich vollständig transparent (Kula & Ternaux, 2014, S. 54–55).
• Beim Anritzen von Glas entsteht Glasstaub, der den Spalt verstopft und das Schließen verhindert. Spannung und Gegendruck führen zum Bruch an der gewünschten Stelle.

Einteilung und Merkmale

• Die Einteilung erfolgt nach Herstellung, chemischer Zusammensetzung und Eigenschaften.

Glasarten

• Glas ist ein Feststoff mit flüssigkeitsähnlicher, ungeordneter Atomstruktur.
• Es ist transparent, hart, spröde bei Raumtemperatur und verformbar beim Erhitzen (Kula & Ternaux, 2014, S. 54).
• Beispiele:
  • Floatglas: Häufigstes Glas, hergestellt durch Erhitzen von Siliziumdioxid $(SiO_2)$ und Gießen auf flüssiges Metall. Für Fenster und Türen.
  • Sicherheitsglas: Schwerer zu brechen als Floatglas. Für erhöhte Sicherheit.
  • Wärmebehandeltes Glas: Erhitzen und Abkühlen unter Temperaturkontrolle. Höhere Widerstandsfähigkeit gegen thermische Belastungen.
  • Laminiertes Glas: Zwei oder mehr Floatglasschichten mit Polymerfolie. Hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastungen.
  • Gehärtetes Glas: Schnell gehärtet durch Erhitzen und Abkühlen. Widerstandsfähiger gegen mechanische Belastungen.
  • Tönungsglas: In verschiedenen Farben erhältlich. Reduziert Sonnenstrahlung und erhöht Privatsphäre.
  • Spiegelglas: Beschichtet zur Lichtreflexion. Für Spiegel und optische Anwendungen.
  • Borosilikatglas: Hitzebeständig, beständig gegen hohe Temperaturen und Drücke. Für Chemie- und Laborapparaturen.
  • Weitere: Reflective Glas, thermisch isolierendes Glas, photochromes Glas.

Be- und Verarbeitung

• Glas wird bearbeitet oder verformt. Der flüssige Rohstoff wird nach dem Aushärten spröde (Kula & Ternaux, 2014, S. 56).
  • Tempern: Langsame, kontrollierte Abkühlung zur Spannungsreduktion.
  • Thermisches Vorspannen: Abruptes Abkühlen der Außenseite erzeugt Spannung im Inneren. Erhöht mechanische Eigenschaften. Kann nicht mehr geschnitten werden, zerfällt in kleine Splitter. Für Vitrinen, Schaufenster, Glas-Couchtische, Windschutzscheiben.
  • Chemische Vorspannung: Glasoberfläche wird in Kaliumsalz getaucht. Ionenaustausch erzeugt Vorspannung, bis zu fünffach bessere mechanischen Eigenschaften.
  • Anwendung:
    • Technische Gläser: Reinheit, hohe Einsatztemperaturen, spezielle Eigenschaften. Für Displaygläser, medizinische Gläser, Messtechnik, Glaskeramiken, Reflektoren (Heraeus, n. d.).
    • Optische Gläser: Gezielte chemische Zusätze zur Optimierung der Eigenschaften. Für Linsen, Prismen, Spiegel in Kameras, Mikroskopen, Fernrohren.

Ausblick

• Gläser können durch Folien, Beschichtungen und Zusatzstoffe optimiert werden.
• Flüssigkristallglas: Verbund aus zwei Scheiben mit Flüssigkristallfilm. Milchig-undurchsichtig, wird unter Spannung transparent (Kula & Ternaux, 2014, S. 58).
• Recyclingglas: Glas wird zerkleinert und wiederverwendet. Glassorte muss berücksichtigt werden (Peters, 2011, S. 78).

Keramik – Keramische Baustoffe

• Keramikproduktion gehört zu den ältesten Kulturtechniken (Chemie, n. d.-d).
• „Keramos“ (griechisch) = Trinkgefäß aus Horn.
• Töpferware = Handgefertigte Produkte
• Keramik = Erzeugnisse aus Ton (Dachziegel bis Zündkerzen).
• Älteste Keramiken: Ton, Quarz, Feldspat (gesintert). Wasser verdunstet (Kula & Ternaux, 2014, S. 60).
• Keramische Werkstoffe: anorganisch, nichtmetallisch. Aus feinkörnigen Rohstoffen mit Wasser geformt.

Eigenschaften

• Keramik: Anorganischer Stoff, mit Wasser in Form gebracht, getrocknet und gebrannt (raumprobe, n. d.-e).
• Zusätze (Glimmer, Talk, Kalk, Magnesia, Schamott) verändern Eigenschaften und Belastbarkeit.
• Schlechte Leiter für Elektrizität und Wärme, hohe Schmelztemperatur, chemisch stabil.

Einteilung und Merkmale

• Traditionelle Keramiken
• Technische Keramiken
• Tonschlamm: Flüssiger Schlicker mit Wasser und Bindemittel. Keramikmasse wird durch Pressen gewonnen, extrudiert und weiterverarbeitet.
• Pulver: Gebrannt, mit Thermoplast vermengt, spritzgegossen und erneut gebrannt (Versinterung). Für technische Keramiken.

Traditionelle Keramiken

• Tonerzeugnisse (Dachziegel, Tischgeschirr, Sanitärkeramik, Fliesen). Aus Tonschlämme, Keramikmasse oder Pulver-Thermoplast-Gemisch (Kula & Ternaux, 2014, S. 62).
• Arten:
  • Terrakotta: Durchlässige, nicht glasierte Keramik (rötlich).
  • Porzellan: Aus weißem Ton bei hohen Temperaturen. Wasserundurchlässig, für Geschirr.
  • Steinzeug: Aus brauner/grauer Erde. Wasser- und lichtundurchlässig, für Sanitärkeramik/Fliesen.
  • Fayence: Aus eisenhaltigem, rotem/schwarzem Ton, bei niedrigen Temperaturen gebrannt. Porös, muss glasiert werden (Fliesen).

Technische Keramik

• Keramische Produkte für technische Anwendungen. Synthetisch aus Oxiden, Karbiden, Nitriden usw.
• Pulver, Fasern, Füllstoffe, Matrix bei Verbundstoffen, Medizin, Schmuckherstellung, Elektrotechnik.

Ausblick

• Weiterentwicklung und Forschung. Leistungsfähige, harte, aber zerbrechliche Werkstoffe.
• Keramikschaum: Poröses Material aus keramischen Pulvern, Bindemitteln und Schäumungsmitteln. Hohe spezifische Oberfläche, gute Isolation, Wärmebeständigkeit, chemische Beständigkeit, thermische/elektrische Isolation (Peters, 2011, S. 162).
  • Anwendungen: Wärmebehandlung, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Chemieindustrie.
• Biokeramiken: Für medizinische Anwendungen (Orthopädie, Zahnmedizin, Implantologie). Bioverträglich, fördern Zellwachstum (Peters, 2011, S. 163).
  • Beispiele:
    • Aluminiumoxid $(Al<em>2O</em>3)$: Knochenersatzmaterial, biokompatibel, langlebig.
    • Zirkonoxid $(ZrO_2)$: Hochfest, biokompatibel, Zahnmedizin/Implantologie.
    • Hydroxyapatit $(Ca<em>5(PO</em>4)_3OH)$: Mineral, Knochenbestandteil, Verbindung zwischen Knochen/Implantaten.

Textil und Papier

Textil

• Textilherstellung: Ältester Wirtschaftszweig.
• Steinzeit: Früheste Techniken und Anwendungen.
• Altes Ägypten: Mumifizierung mit Textilien.
• Mittelalter: Hanf, Flachs, Wolle.
• Seidenstraße: Bedeutendes Handelsnetzwerk.
• Industrialisierung: Maschinelle Fertigung ersetzt Handwerk.
• Baumwolle: Verdrängt Leinen und Wolle (Wieworra & Tscherch, 2017, S. 64).

Textil – Eigenschaften

• Ausgangsmaterialien und Herstellung wichtig (Peters, 2011, S. 278).
• Naturfasern vs. Kunstfasern (Chemiefasern).
• Bis Mitte 20. Jh.: Primär Naturfasern.
• Naturfasern:
  • Pflanzlich: Baumwolle, Leinen, Hanf, Jute, Sisal, Kokos.
  • Tierisch: Wolle, Schurwolle, Angora, Mohair, Kaschmir, Ziegenhaar, Seide.
  • Mineralisch: Asbest (krebserregend).
• Kunstfasern: Größerer Marktanteil. Gesponnen oder extrudiert.
  • Natürliche Chemiefasern: Aus natürlichen Fasern.
  • Synthetische Chemiefasern
• Wolle: Nimmt gut Luftfeuchtigkeit auf, hydrophob.
• Leinen: Kühlt im Sommer.
• Seide: Glänzend.
• Synthetische Garne: Breite Eigenschaften, imitieren natürliche Garne (raumprobe, n. d.-h).

Einteilung und Merkmale

• Textil: Flächengebilde aus Garnen, manuell/maschinell hergestellt.
• Mode-, Bekleidungs-, Innenausstattungsindustrie, Fahrzeug-/Flugzeugbau, Medizin, Bewehrung für Beton, Leichtbau, textile Architektur (raumprobe, n. d.-h).
• Grundlegende Arten: Maschenware, Webware, Non-Wovens.
• Maschenware: Industriell hergestellt, ein/mehrere Fadensysteme. Elastisch, knitterfest, wenig formstabil/fest. Strickwaren, Geotextilien (Wieworra & Tscherch, 2017, S. 67).
• Webware: Verkreuzte Fadensysteme (Kette/Schuss). Leinwand-, Körper-, Atlas-/Satinbindung. Teppiche, Vorhänge, Wandbespannungen, Membrankonstruktionen (Wieworra & Tscherch, 2017, S. 66).
• Non-Wovens: Vliese, Filze, Fadengelege. Fasern übereinandergelegt, mit Bindemittel verfestigt. Filter, Trennschichten, Stoff-/Teppichböden (Wieworra & Tscherch, 2017, S. 67).
• Anwendungsbereiche:
  • Geotextilien: Armierung, Drainagen, Abdichtungen.
  • Bautextilien: Isolierung, Abdichtung, Heizsysteme, Membrane.
  • Mode-/Bekleidungsbranche: Kleidung.
  • Heimtextilien: Bodenbeläge, Sonnen-/Blendschutz, Polsterstoff, Bekleidungsstoff, Vorhänge, Armierung für Formteile.
  • Automobilindustrie: Innenraumverkleidung, Airbags.

Be- und Verarbeitung (Textil)

• Garn: Hauptbestandteil aus pflanzlichen/künstlichen Fasern.
• Spinnen: Verbindet Fasern zu Garn. Faserspinnen (kurze Fasern) vs. Filamentspinnen (Endlosfasern) (Kula & Ternaux, 2014, S. 82).
• Faserspinnen: Baumwolle, Leinen, geschnittene Chemiefasern: Bündeln und richten.
• Filamentspinnen: Endlosfasern (Kunstfasern, Seide).
• Einfachgarne werden zu Mehrfachgarnen.

Textilveredelung

• Optimierung der Eigenschaften fertig gewebter/gestrickter Textilien.
• Verfahren:
  • Bleichen: Farbe wird chemisch entfernt.
  • Färben: Natürliche/synthetische Farben durchdringen Fasern.
  • Beschichten: Schmutz-/wasserabweisende Funktionen.
  • Sengen: Abrennen herausragender Faserenden (Baumwolle) (Peters, 2011, S. 294).
  • Walken: Verfilzen von Wolle unter Feuchtigkeit/Wärme.
  • Transparentieren: Behandlung mit Schwefelsäure.
  • Imprägnieren: Tränken mit Chemikalien/Paraffinwachsen (wasserabweisend).
  • Karbonisieren: Entfernen von Verunreinigungen aus Wolltextilien mit Schwefelsäure.
  • Kaschieren: Unlösbares Verbinden von Stofflagen unter Hitze/Druck (Sportbekleidung, Schuhe).

Leder

• Aus Tierhäuten. Zweidimensionale Form bereits vorhanden.
• Säugetierhäute werden gegerbt und zugerichtet.
• Bekleidungs-, Arbeitsschutzindustrie, Sitzbezüge, Buchbindermaterial.
• Seit 1970er: Kunstleder als kostengünstigere Alternative.
• Lederfaserstoffe: Faserverbundstoffe aus Resten der Lederindustrie und Naturlatex als Alternative (Peters, 2011, S. 85).

Ausblick – Textilien

• Viele Innovationen für einfacheres/schöneres Leben:
  • Smarte/interaktive Textilien: Mit Sensoren/Elektronik zur Überwachung, Gerätesteuerung, Datenanalyse. (Kula & Ternaux, 20214, S. 88)
  • Neue Verarbeitungstechnologien: 3D-Druck, Laserschneiden, computergesteuerte Maschinen.
  • Funktionelle Textilien: Wasserabweisung, Wärmeisolation, UV-Schutz (Sport/Outdoor).
  • Formgedächtnistextilien: Reagieren auf Temperatur (Einrollen, Kräuseln).
  • Nachhaltige Textilien: Recycelbar, biologisch abbaubar, umweltfreundlich, faire Arbeitsbedingungen.
  • Wearables: Tracking, Messen, Konnektivität integriert.

Recycling

• Baumwolle: Hoher Wasserverbrauch, Insektizide, soziale Ausbeutung.
• Biologisch angebaute Baumwolle, faire Arbeitsbedingungen, Recycling wichtig (Kula & Ternaux, 2014, S. 351).

Recyclingtextilien

• Synthetische Fasern: Eigenschaftsprofil einstellbar (Peters, 2011, S. 83).
• Thermoplastische Kunststoffe: PET, PTFE, PVC. Einschmelzen für neue Produktionen.
• Zerkleinern/Zerfasern der Textilien und Weiterverarbeitung (Peters, 2011, S. 83).

Papier

• „Papier ist vielfältig. Die deutsche Papierindustrie ist die Nr. 1 in Europa und die Nr. 4 weltweit. In Deutschland werden rund 3.000 unterschiedliche Sorten von Papier, Karton und Pappe für unterschiedlichste Anforderungen hergestellt“ (DIE PAPIERINDUSTRIE e. V., n. d.).

Papier ist Kultur und Wissen

• „Wer schreibt, der bleibt“ – Verlagerung ins Digitale. Grundlagen unserer Kultur basieren auf Schriften/Zeichnungen.
• Erfindung des Papiers vereinfachte Dokumentation/Kommunikation.
• Bibliotheken: Pilgerstätten der Wissenschaft.
• Buchdruck (Johannes Gutenberg, 1440): Vervielfältigung und Zugänglichkeit.

Papiergeschichte

• Kontinuierliche Weiterentwicklung der Medien (Antike bis heute).
• Papyrus: Papyrusstreifen übereinandergeschichtet, verklebt, zu Rollen gefertigt.
• Pergament: Aus Tierhäuten, haltbarer, mehrfach beschreibbar. Bis ins Mittelalter.
• Papierherstellung: Aus arabischen Ländern nach Europa im 13. Jh. Aus Textilfasern, einfacher/billiger als Pergament (Peters, 2011, S. 208).
• Papier: Vor > 2.000 Jahren in Asien erfunden. Grundprinzip gleich, Maschinen/Rohstoffe optimiert.
• Anfangs: Bast, Chinagras, Alttextilien. Mit Sieben geschöpft.
• Papiermaschine: Holz (Schliefen, chemisches Aufschließen) für Zellulosefasern/Zellstoff. Verpackungen, Hygieneartikel (Peters, 2011, S. 208).
• Deinking: Entfernen von Druckfarben aus Altpapier (Zeitungsdruckpapiere, Büropapiere, Hygienepapiere).

Rohstoffe

• Wasser, Fasern, Leim, Füll-/Hilfsstoffe.
• Holz: Nachwachsender Rohstoff, zukunftssicher.

Herstellung von Papier

• Aus Holz werden Faserstoffe gewonnen (mechanisch/chemisch).
• Fasern (Holzstoff, Halbzellstoff, Zellstoff/Zellulose) werden in Wasser aufgelöst und auf einem Sieb zum Papiervlies getrocknet.
• Weiterverarbeitung: Wasserentzug, Additive für Oberflächenbeschaffenheit, Farbe, Reißfestigkeit, Geruch (Peters, 2011, S. 210–212).
• Recyclingpapiere: Wichtigste Rohstoffquelle in Europa. 70 % weniger Wasser/60 % weniger Energie.
• Faserverlust, Qualitätsminderung, Deinking, Farbgebung.
• Altpapierentsorgung und sparsamer Umgang wichtig.
• Karton: Verpressen mehrerer Papierlagen. Oft gestrichen.

Eigenschaften

• Rollen oder Formate. Gewicht (Grammatur) unterscheidet Papier von Karton/Pappe (Knaack et al., 2023, S. 36).
• Grammatur: Gewicht pro Fläche ($g/m^2$) (Kula & Ternaux, 2014, S. 28).
• DIN 6730:
  • Papier: < 225 $g/m^2$
  • Pappe: > 225 $g/m^2$
  • Karton: 250 bis 600 $g/m^2$
• Weitere Merkmale:
  • Laufrichtung: Fasern ausgerichtet (Maschinenpapier). Unterschiede beim Bedrucken/Falzen/Knicken.
  • Hygroskopie: Temperatur/Luftfeuchtigkeit beeinflussen Eigenschaften. Ränder können sich aufwellen. Klimatische Bedingungen beachten (Knaack et al., 2023, S. 32).
  • Festigkeit: Grammatur, Pressvorgang, Leim.
  • Alterungsbeständigkeit: Gelbe/brüchige Seiten (saures Papier). Schwefelsäure bei hoher Luftfeuchtigkeit. Kalziumkarbonat zur Verhinderung. DIN 6738: Lebensdauer (50–100+ Jahre) (Peters, 2011, S. 215).

Einteilung und Merkmale

• Deutschland (2002): Führender Papierhersteller in Europa. Ca. 3.000 Papiersorten (vdp, 2019).
• Verwendungszwecke:
  1. Verpackungen.
  2. Grafische Papiere (Druck-/Schreibpapiere).
  3. Hygienepapiere.
  4. Technische/spezielle Verwendungszwecke (Backpapier, Banknotenpapier, Etikettenpapiere, Filterpapier, Fotopapier).

Be- und Verarbeitung

• Einfach zu bearbeiten (Schere, Cuttermesser, Tacker, Klebstoff).
• Faltungen, Verleimungen, Schnitte, Falze verändern Form.

Papierveredelung

• Langlebiger, hochwertiger, spezielle Eigenschaften.
• Techniken: Lackieren, Imprägnieren, Prägen, Bedrucken, Folienkaschierung, Prägefolien, UV-Lacke, Additive.

Spezialpapiere im Überblick

• Besondere Merkmale/Eigenschaften (Festigkeit, Haltbarkeit, Wasserbeständigkeit, spezielle Oberfläche).
• Anwendungen: Druck, Verpackung, Etikettierung, Modellbau, Kunst.
• Beispiele:
  • Aquarellpapier: Holzfreies Zeichenpapier mit rauer Oberfläche. Nimmt Farben gut auf (vdp, 2015).
  • Apfelpapier: Aus Resten der Apfelsaftproduktion (Druck-/Kopierpapier, Verpackung) (Peters, 2011, S. 217).
  • Bristolkarton: Weiß, glatt, lichtbeständig. Für Modellbau in Design/Architektur (Peters, 2011, S. 217).
  • Handgeschöpftes Papier: Einzeln geschöpft, unregelmäßiger Büttenrand (vdp, 2015).
  • Papiermaché: Zerfaserung von Papier in Wasser, formbare Masse (vdp, 2015).
  • Thermopapier: Beschichtet, für Grafiken/Texte (Etiketten, Tickets, Kassenbons).
  • Japanpapier: Viele Sorten (Schiebewände, Buchseitenrestauration, Origami), Japanseidenpapiere (6–8 $g/m^2$).
  • Seidenpapier: < 30 $g/m^2$ (Verpackung).

Ausblick – Papier

• Herausforderungen: Umweltbelastung (vdp, 2015).

Papierrecycling und Kreislaufwirtschaft

• Nachwachsender Rohstoff (Holz), Recycling (79 % in Deutschland).
• Frische Fasern notwendig.
• Altpapierhandel, Entsorgungsunternehmen (EN 643) (vdp, 2019).

Papierschaum

• Recyceltes Papier, kompostierbar, leicht, robust, Isolations-/Dämpfungseigenschaften.

Graspapier

• Grasfasern als Alternative zu Holzfasern (bis zu 50 %).

Tomatenfaserpappe

• Fasern der Tomaten zu Pappschalen/Verpackungsmaterial (Solidus Solutions, n. d.).

Kohpa

• Carbonfasern in Papieren (elektrische Leiter).

Zusammenfassung

• Materialauswahl abhängig vom Projekt.
• Berücksichtigung von Haltbarkeit, Wärmeleitfähigkeit, Elektrizitätsleitfähigkeit, Dichte, Formbarkeit, Kosten, Ästhetik.
• Fähigkeit zur Energiespeicherung/Übertragung.
• Kenntnisse über Materialien/Eigenschaften (Holz, Metall, Kunststoff, Stein, Glas, Keramik) wichtig.