Kunststoffe – Werkstoffe der Zukunft ?! Die Entwicklung der Kunststoffe im Kontext globaler zivilisatorisch-gesellschaftlicher Herausforderungen Reinhold W. LANG Institut für Polymerwerkstoffe und Prüfung (IPMT) Johannes Kepler Universität Linz/Österreich

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Impuls-Vortrag bei der Fachtagung der OÖ Zukunftsakademie Materialien in Veränderung – Zukunftsweisende Perspektiven für OÖ Linz, 24. Februar 2015

Zentrale globale Herausforderungen (1/4)

The Anthropocene or “The Great Acceleration“

www.futureearth.org

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Reference: W. Steffen, W. Broadgate, L. Deutsch, O. Gaffney and C. Ludwig (2015), The Trajectory of the Anthropocene: the Great Acceleration, The Anthropocene Review. Map & Design: Félix Pharand-Deschênes/Globaïa

Zentrale globale Herausforderungen (2/4)

2

R. W. Lang (April 11, 2014) Grand Challenge Lecture Series Queensland Univ. of Technology/Australia

Nachhaltige Entwicklung (“Sustainable Development“)

Entwicklung der Weltbevölkerung

als (neues) paradigmatisches Leitbild UN-WCED (Our Common Future, 1987)

12

"Sustainable development" … ist eine Wirtschafts- und Entwicklungsform, die den Bedürfnissen gegenwärtiger Generationen entspricht, ohne die Chancen und Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden.

10

Current population: ~ 7.2 bill. More developed countries: ~ 1.2 bill. Less developed countries: ~ 6.0 bill.

8 6 4

Wie kann eine hohe Lebensqualität und ein adäquater Wohlstand für die gesamte Weltbevölkerung erreicht und sichergestellt werden? Sind die derzeitigen Produktions- und Konsummuster der Industrieländer auf 9 - 11 Mrd. Menschen übertragbar? 2015-02-24_rwL

2 1850

1900

1950

2000

2050

2100

Year

3

Evolution/Entwicklung von Polymer(werk)stoffen/Kunststoffen (1/2) Fünf Epochen der Entwicklung (R.W. Lang, 1991) 1 evolutionäre und 4 anthropogene (technisch-industrielle) Epochen Biogene “natürliche“ Polymere (bio-evolutionäre, regenerative Stoffe/Materialien): Epoche 1: Beginn vor etwa 3 bis 4 Mrd. Jahren (“Der Ursprung des Lebens”)

Anthropogene “technisch-industrielle” Polymere (modifizierte natürliche & synthetische Stoffe/Materialien):

Epoche 2 (bis ~1900):

Materialien auf Basis regenerativer Ressourcen - chemische & physikalische Modifizierung natürlicher Stoffe (Milchkasein, Naturkautschuk, Zellulose)

Epoche 3 (~1900-1960): Synthetische Polymere 1 (fossile Ressourcen) - die meisten commodity & engineering plastics (generische Formen) Epoche 4 (seit ~1960):

Synthetische Polymere 2 (fossile Ressourcen) - Spezialkunststoffe, Polymerlegierungen (Copolymere, Blends), Polymer-Composites und -Hybride, Polymer-Funktionswerkstoffe

Epoche 5 (ab ~2000 ?):

Synthetische Polymere 3 (fossile und regenerative Ressourcen) - multifunktionale Weiterentwicklung von Kunststoffen fossiler Basis - neuartige Polymere auf Basis regenerativer Ressourcen (RegPol) 4

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Evolution/Entwicklung von Polymer(werk)stoffen/Kunststoffen (2/2) Era 5: Outlook on development of “Synthetic Polymers 3” (as of 2000 ?) (further enhanced performance & multi-functionality)

Plastics, Polymer Composites & Hybrids Tailor-made materials for novel/advanced technologies

Structural materials:

Functional materials:

load-carrying structures & components

Selective mass/energy-transfer

mechanical property & performance profiles dominate

(transport and/or transformation)

BMW i3

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non-mechanical property & performance profiles dominate (thermal, electrical, optical, barrier properties etc.)

Aim: Novel multi-functional materials

PEM-FC 5

Werkstoffe und die zivilisatorische Entwicklung Die Bedeutung von Werkstoffen für die gesellschaftliche Entwicklung Gold

Copper

Bronze Iron

Metals

Metals Glassy metals

Cast Iron

Polymers, elastomers

Al-lithium alloys Steel Alloy Steels

Wood Skins Fibers

Glues

Microalloyed steels New super-alloys

Light Alloys Rubber

Composites

Polymers, elastomers

Super Alloys

Straw-brick paper Titanium Zirconium Etc

Stone Flint Pottery Glass

Bakelite

High temperature polymers

Alloys

High modulus polymers

Composites

Ceramic composites Metal-matrix composites Epoxies Kevlar-FRP Acrylics Ceramics, CFRP PP GFRP glasses Polyesters

PA

Cement

PE

Refractories

Ceramics, glasses 10000 BC 5000 BC

Development slow: mostly quality control and processing

Dual phase steels

Portland Cement

0

1000 1500 1800

PMMA PC PS

Fused Silica

1900

PyroCeramics

1940

1960

Tough engineering (Al2O3, Si3N4, PSZ etc) ceramics

1980

1990

2000

2010

2020

Date Source: M. Ashby (Univ. of Cambridge,1999) 6

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Die Entwicklung der Kunststoffe (1/3) Entwicklung von Kunststoffen und Stahl (weltweit seit 1950; in Volumeneinheiten)

Daten/Fakten & Erfolgsfaktoren

Plastics production (world 2013) - ca. 300 Mill. t/year - ca. 6% AAGR (since 1960)

Source Plastics Europe (2014)

Regional distribution (2012) - Asia/Far East ~45% - Europe ~20,4% - NAFTA ~ 19,9%

Average annual growth rate for plastics (1970-2010):

~ 6% (worldwide)

6 Key Success Factors of Plastics Properties

Wide range and tailorable property profiles

Design

High design flexibility; large potential for multi-functional integration

Processing Excellent processability Source Plastics Europe

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Economy/ Ecology

Cost & energy efficient products and applications

Innovation

Still outstanding and extraordinary potential

Growth potential

essentially no resource limitation

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Kunststoffe sind vielfältig einsetzbar (1/2) Merkmale & Erfolgsfaktoren Breites Eigenschaftsspektrum (maßschneiderbar)

Designfreiheit

LED Optik

Multifunktionsintegration

Kombination von Prozesstechnologien Werkstoffverbunde & Composites 8

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Kunststoffe sind vielfältig einsetzbar (2/2) Merkmale & Erfolgsfaktoren Kunststoffe durchdringen alle Lebensbereiche Verpackung (1) (inkl. Gütertransport/Logistik)

Mobilität & Transport (3)

Infrastruktur& Bautechnik (2)

BMW i3

Boeing 787

Elektrotechnik, Elektronik, Feinwerktechnik (Mechatronik) Linsenhalter DVD-Player

Information, Telekommunikation

Sport/Freizeit

Medizintechnik

3 mm

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Simplon

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Die Entwicklung der Kunststoffe (2/3)

Die Kunststoff-Pyramide

Massen-Kunststoffe vs. Technischen Kunststoffe vs. Spezial-Kunststoffe Historische, aktuelle und zukünftige Bedeutung Die KUNSTSTOFF-Pyramide Zukunftsvision 1975 für 1995

Realität 1994

Aktuelle Marktanteile (2012) 1% 19 %

50% LCP; PEEK PEI PPS PES

PC PA PMMA

40%

PET PBT POM ABS PC/ABS PPO/PS

10%

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PE PP

80 %

PVC PS

(1) Polyethylene (PE)

29%

(2) Polypropylene (PP)

19%

(3) Polyvinylchloride (PVC)

11%

(4) Polystyrene (PS)

8%

(5) Polyethyleneterephthalate (PET)

7%

(6) Polyurethane (PUR)

7%

Total of “big six“:

PE PP PVC PS Source: BASF AG (1995)

Die Entwicklung der Kunststoffe (3/3) The Performance-Price Pyramid of Plastics

81%

Source: Plastics Europe/PEMRG (2012) 10

Die Kunststoff-Pyramide

Future performance/price goals: Polyolefin based materials (PE, PP) long-term thermal stability: plus ~15 K widening of module/ductility range High-performance plastics price reduction to < 6 €/kg

Enhanced competitiveness compared to other material classes !!! (independent of oil/gas prices)

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Zentrale globale Herausforderungen (2/4) Kunststoffen & Meilensteine der gesellschaftlichen Entwicklung

R. W. Lang (April 11, 2014) Grand Challenge Lecture Series Queensland Univ. of Technology/Australia

Die UN Millennium-Entwicklungsziele (Millennium Development Goals; MDG) Ziel 1: Bekämpfung von extremer Armut u. Hunger

Average annual growth rate for plastics (1970-2010):

Ziel 2: Primarschulbildung für alle Ziel 3: Gleichstellung der Geschlechter, Stärkung der Rolle der Frauen

~ 6% (worldwide)

Ziel 4: Senkung der Kindersterblichkeit Ziel 5: Verbesserung der Gesundheitsversorgung der Mütter Ziel 6: Bekämpfung von HIV/Aids, Malaria u. a. Pandemien Ziel 7: Ökologische Nachhaltigkeit Ziel 8: Globale Partnerschaft für Entwicklung Source Plastics Europe

1948 (UN)

1987 (WCED)

2000 (UN)

Menschenrechtserklärung

Nachhaltige Entwicklung

MillenniumErklärung

Unmittelbar werkstoff-relevante Bereiche der lebensqualitätsbestimmenden Versorgung:

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Zentrale globale Herausforderungen (3/4)

Wasser & Energie, Ernährung & Wohnen, Mobilität

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R. W. Lang (April 11, 2014) Grand Challenge Lecture Series Queensland Univ. of Technology/Australia

Facts & Figures as to MDG Goals: Water, energy & nutrition (UN 2008, 2014) Insufficient access to clean water & poor water management

Insufficient (no) access to energy & electricity

Insufficient access to food & starvation

~ 1 bill. people

> 2 bill. people

~ 0.8 bill. people

without access to clean/sufficient water

with insufficient access to energy

starving

~ 25% of children ~ 2.5 bill. people without proper sanitation

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~ 1 bill. people with no access to electricity.

in developing countries are underweight and may suffer long-term effects of undernourishment and health risks. 13

Some Grand Challenges of Human Society

R. W. Lang (April 11, 2014) Grand Challenge Lecture Series Queensland Univ. of Technology/Australia

Some Grand Challenges from a Polymers Viewpoint: Power-to-CH(O)s CO2 emissions1,5

Forest clearance2,5

Plastics waste3,4,5

Wasser: H2O Die stoffliche Basis:

Luft: O2, CO2, … Biomasse & Kunststoffe: CHO-Produkte

C, H, O …

130.000 km2/a

Fläche:

CO2-Ausstoß: ~35.000 Mt/a

5.200 km3/a

Volumen:

1Source:

globalcarbonatlas.org de.wikipedia.org/wiki/Entwaldung 3Own estimates 4Source: worldbank.org; globometer.com 5Source: orf.at 2Source:

Abfallmenge:

120 Mt/a

Abfallvolumen:

< 1 km3/a

Müllinsel Pazifik: 1,3 Mio. km2 14

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Nationale & Transnationale Dimensionen/Perspektiven

Das “neue“ JKU Polymer-Programm

Der Standort Linz im geografischen Zentrum von Wissenschaft & Wirtschaft Region Kunststoffindustrie

Bayreuth Erlangen

Polymer-Programme an Universitäten

Deutschland München

Wien,

Burghausen

Schwechat

Linz

Leoben

Österreich

Zentral/OstEUROPA Achsen Chemische Industrie & Stahlindustrie

.

Graz

Naher OSTEN Abu Dhabi

U.A.E. 2015-02-24_rwL

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Warum akademische Ausbildung und Forschung wichtig sind! Das IPMT Forschungsprofil: Polymerwerkstoffe & Nachhaltige Entwicklung Die Anwendungs-Perspektive – 4 Bereiche technologischer Ausrichtung Water

Energy

Nutrition

Mobility

(supply, disposal)

(solar, wind, efficiency)

(food & agriculture)

(ultra-light vehicles)

Simplon

Solarnor

Boeing B787

Isovoltaic Aptera

The Millennium Development Goals (MDG; United Nations, 2008)

Energy:

~ 1 bill. people without access to clean and sufficient water ~ 2.5 bill. people without proper sanitation > 2 bill. people with insufficient access to energy

Nutrition:

~ 0.8 mill. people with insufficient food access

Water:

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The Renewable Energy Potential

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Capacity & Growth Rates

Renewable energy market potential for polymeric materials: Facts & Figures Solar collectors

Solar PV

Wind power

(hot water/heat/cooling)

(grid connected)

(electricity all size scales)

Solar-thermal collector additions in 2012 (worldwide): 55 GWth ~ 80 mio. m2 ~ 1.6 mio, t material !!! PV 2013: Capacity & Investments (worldwide) Isovolta, A 2 ~ 0.5 mio. t polymer 40 GW added ~ 280 mio. m el Solarnor, NOR ~ 90 bill. US$ total ~ 5 bill. US$ polymer !!! Added capacity: (1) China, (2) Japan, (3) United States Total installed capacity per capita: (1) Germany, (2) Italy, (3) Belgium, (4) Greece, (5) Czech Republic, (6) Australia

World capacity: 326 GWth

World capacity: 139 GWel

World capacity: 318 GWel

Av. growth rate: 14 % p.a. (2013/past 5 years)

Av. growth rate: 55 % p.a. (2013/past 5 years)

Av. growth rate: 21 % p.a. (2013/past 5 years)

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Data Source: RENEWABLES GLOBAL STATUS REPORT (06/2014) http://www.ren21.net. 17

Ein Ausblick zum Reflektieren

Perspektiven für Technik & Gesellschaft

These (Antrittsvorlesung R.W. Lang; MU Leoben, Okt. 1994): Polymerwerkstoffe bieten ein hohes Innovationspotential für eine Nachhaltige Entwicklung. Sie werden zur bedeutendsten Materialklasse und treibenden Kraft künftiger technologischer Entwicklungen und zum Motor ihrer steigenden Marktdurchdringung.

Nachhaltige Entwicklung heißt (u.a.) INNOVATION & BEWUSSTSEIN

Verbesserte Funktionalität/Performance bei gleichzeitig mehr Effizienz (mehr Systemintelligenz) weniger Energie, weniger Material Nutzung regenerativer Ressourcen

Substitution von Materie/Energie durch Intelligenz/Wissen/Geist und Bewusstsein !!!

Atomarer & molekularer Aufbau von synthetischen und natürlichen Polymeren Polypropylen (PP) 31-Helix von i-PP

Polyamid (PA) PA 66 (Nylon)

Zellulose

Nukleinsäure

Protein

(DNA)

( -Helix)

(Werk-)stoffliche Gemeinsamkeiten:

Atomare Konstituenten: C, H, O, N, … Makromolekulare Struktur: räumliche Anordnung (Helix) 2015-02-24_rwL

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