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Materialwissenschaften Hightech im Laufschuh – Ohne Analytik keine Sportschuh-Entwicklung

Autor / Redakteur: Dr. Angelika Scheiflinger-Latal* / Dr. Ilka Ottleben

Zugegeben – den untrainiertesten Läufer macht auch ein Hightech-Laufschuh nicht im Handumdrehen schnell und fit. Dennoch ist ein Sportschuh ein ausgeklügelter Mix aus unterschiedlichen Materialien und Komponenten, fein abgestimmt auf seine Funktion. Eine wahre Spielwiese für die Materialwissenschaften und die notwendige Analysentechnik.

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Abb. 1: Der Sportschuh: Alltäglicher Gegenstand mit einer Vielzahl ausgeklügelter Eigenschaften.
Abb. 1: Der Sportschuh: Alltäglicher Gegenstand mit einer Vielzahl ausgeklügelter Eigenschaften.
(Bild: ©Konstantin Yuganov - stock.adobe.com)

Jeden Tag lacht mich mein Sportschuh in der Garderobe an und gibt mir zu verstehen: „Komm, lauf mit mir, ich bin bequem, luftgepolstert, wasserdicht und trage dich über Stock und Stein, auch heiße Asphaltstraßen lassen meine Sohle kalt“ – ein „Hightech-Qualitätsprodukt“ eben. Unglaublich, ein Gegenstand aus dem täglichen Leben mit einer Vielzahl an ausgeklügelten Eigenschaften, genau abgestimmt auf den Verwendungszweck. Eingesetzte Materialien und deren Verarbeitung werden auf diesen genau spezifizierten Verwendungszweck hin entwickelt und optimiert. Hier stellt sich die Frage, in welchem Zusammenhang der Sportschuh nun mit dem Forschungsgebiet der Materialwissenschaften steht.

Materialwissenschaften stellen per Definition eine interdisziplinäre Wissenschaft dar, die ihren Fokus auf der Herstellung von Materialien und deren Charakterisierung hat. In weiterer Folge fließt in dieses interdisziplinäre Gebiet auch die Werkstoffentwicklung mit ein sowie die Untersuchung des Material- und Werkstoffverhaltens im realen Einsatz. Der interdisziplinäre Ansatz der Materialwissenschaften erstreckt sich über eine breite Palette von Materialklassen wie Keramik, Polymere, Halbleiter oder magnetische Materialien. Aufgrund ihrer Interdisziplinarität erweitert sich dieses Gebiet ständig und so haben in den letzten Jahren neben den klassischen naturwissenschaftlichen Gebieten wie Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften, auch die Biowissenschaften Einzug gehalten, z.B. zur Entwicklung biokompatibler Materialien.

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Um Materialien jeglicher Art zu verbessern, zu modifizieren oder komplett neue zu entwickeln, müssen eben diese aus vielen unterschiedlichen Gesichtspunkten analysiert und charakterisiert werden. Dabei spielen auch der Einsatzort, die Einsatzdauer, diverse Umwelteinflüsse etc. eine wichtige Rolle, da diese die Eigenschaften der Materialien beeinflussen.

Sportschuh: Mix aus vielen Materialien & Komponenten

Zurück zum Beispiel Sportschuh. Ein Sportschuh ist ein Mix aus vielen unterschiedlichen Materialien und Komponenten, die durch die jeweilige beste Abstimmung aufeinander und ihren funktionsoptimierten Einsatz zu einem Hightech-Alltagsprodukt werden. Seziert man den Sportschuh in seine Bestandteile, so findet man primär unterschiedliche synthetische Materialien von Nylon, PVC, Hartgummi über synthetische Fasern bis hin zu Leder oder Metallkomponenten. Jedes einzelne Material bringt bestens definierte und auf den jeweiligen Einsatz abgestimmte Eigenschaften mit. So muss die Sohle u.a. Abriebfestigkeit, Temperatur-, Druck- und Wasserbeständigkeit aufweisen, um bei der Belastung durch Gehen und Laufen nicht nach kurzer Zeit kaputt zu gehen.

Die Polsterung und die Mittelsohle im Schichtaufbau der gesamten Sohle hingegen müssen flexibel sein, eine bestimmte Weichheit aufweisen und sollen auch ein geringes Gewicht haben. Die Polsterung selbst, die oft mit Gelen gefüllt ist, muss schockabsorbierende sowie thixotrope Eigenschaften mitbringen, um bei Belastung und Entlastung immer wieder in ihren Ursprungszustand zurückzukehren. Die Fersenkappe, ebenfalls aus synthetischen Materialien wie Nylon oder PVC, soll jedoch formstabil bleiben und eine gewisse Festigkeit aufweisen, trotzdem aber genügend Flexibilität besitzen, um angenehm am Fuß zu sitzen. Das scheint im ersten Augenblick ein Widerspruch zu sein, aber durch genau entwickelte strukturelle Materialeigenschaften können die physikalischen, von uns äußerlich wahrgenommenen Eigenschaften, dorthin entwickelt werden.

Betrachtet man den Oberschuh, so sind dort für den Konsumenten andere Eigenschaften wichtig. So soll der Sportschuh u.a. atmungsaktiv, trotzdem aber wasserdicht, dehnbar und reißfest sein. Zur modischen Gestaltung erhält der Oberschuh auch eine unterschiedliche Farbgebung. Dabei müssen die verwendeten Farben bestimmte Eigenschaften mitbringen, z.B. UV-Beständigkeit, gute Haftung am jeweiligen Material und gute Misch- und Löslichkeit in der Herstellung.

Die Innensohle und das Innenfutter sind jene Teile, die im direkten Kontakt mit dem menschlichen Fuß stehen. So haben die Innensohle und das Futter geruchs- und schweißabsobierende Eigenschaften und sollen auch feuchtigkeits- und luftdurchlässig sein. Dazu enthalten solche Materialien oft spezielle Nanopartikel, die diese Eigenschaften ermöglichen.

Zu guter Letzt die Schuhbänder, diese sollen eine hohe Reißfestigkeit besitzen, gut durch die Ösen gleiten, sich nicht mit Wasser vollsaugen und sollten sie gefärbt sein, nicht ausbleichen. Die Komponenten selbst – Sohle, Oberschuh und Innenschuh – werden in der Schuhfertigung meist geklebt und nicht genäht. Dazu sind spezielle Kleber notwendig, die der Belastung gewachsen sind und eine gute Bindung mit den unterschiedlichen Materialien eingehen.

Allein bei einem so alltäglichen Gegenstand wie dem Sportschuh wird den verwendeten Materialien eine Fülle von notwendigen Eigenschaften abverlangt. Um zu wissen, wann nun die entwickelten Materialien wie Nylon, PVC, Hartgummi oder Mesh-Material die gewünschten Eigenschaften aufweisen, werden in deren Entwicklung und den dazu notwendigen Modifikationsschritten eine Vielzahl an begleitenden Analysen- und Charakterisierungstechniken benötigt. Dabei ist das grundlegende Wissen und Verständnis der atomaren und molekularen Struktur der Materialien wesentlich, da diese die resultierenden physikalischen Materialcharakteristika mitbestimmen. Auch die thermodynamischen Eigenschaften und ihre Auswirkung auf die Struktur, sowie die Kinetik der Strukturänderung müssen dabei betrachtet werden, um ein umfassendes Bild vom jeweiligen Material, das für einen genau definierten Zweck entwickelt oder modifiziert wurde, zu erhalten.

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Begleitende Analyse und Charakterisierung essenziell

So haben in der Analyse und Charakterisierung der diversen Materialien strukturanalysierende Verfahren (z.B. Spektroskopie, Röntgenanalyse) physikalisch mechanische Verfahren (z.B. Indentation, Tribologie, Ritzprüfer), chemische/elektrochemische Verfahren zur Oberflächenladungsbestimmung, rheologische Verfahren, Verfahren zur Partikelcharakterisierung und prozesstechnische Syntheseverfahren zu Herstellung definierter Verbindungen und Nanopartikeln eine gleichrangige Bedeutung.

Anton Paar, Hersteller hochqualitativer Messinstrumente, stellt für den Bereich Materialwissenschaften und damit zur Materialcharakterisierung ein breites Produktportfolio zur Verfügung. Zur gezielten Synthese von neuen Molekülen und Verbindungen, die in weiterer Folge u.a. auch zu Nanopartikeln mit definierten Eigenschaften führen, ist die mikrowellenbasierte Synthese eines der genauesten und schnellsten Verfahren. Hier können einstufige und mehrstufige Synthesen nach einem genau definierten Temperatur/Druck/Zeitprotokoll durchgeführt und die Reaktion in die gewünschte Richtung gelenkt werden, um so die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten zu vermeiden und den Output zu erhöhen.

In der Strukturanalyse ist Anton Paar einer der führenden Anbieter von Klein- und Weitwinkelmesssystemen (SAXS, WAXS, GISAXS) und von Hoch-/Tieftemperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsmesskammern für die Röntgendiffraktion, um die Struktur einerseits auf atomarer Ebene, andererseits aber auch in Wechselwirkung mit anderen Substanzen und den Umgebungseinflüssen zu analysieren. Rheologische Analyseverfahren ermöglichen eine hochgenaue Bestimmung der Fließeigenschaften und der Viskosität. In der einzigartigen Kombination von MCR-Rheometern, die mit Messsystemen zur dynamisch-mechanischen Analyse ausgestattet werden können, ist es außerdem möglich, dynamisch-mechanische Thermoanalysen z.B. von Polymeren durchzuführen sowie Schrumpf- und Dehnungsmessungen in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur aber auch die Reaktionskinetik bei Aushärteprozessen durchzuführen.

Täglicher Einsatz des Sportschuhs stellt besondere Anforderungen

Im täglichen Einsatz kommt es immer zur Berührung zwischen zwei Oberflächen, dabei kann es sich um gleiche aber auch unterschiedliche Materialien handeln. Hierbei üben Umgebungsbedingungen wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Bewegungsgeschwindigkeit und viele andere Faktoren einen erheblichen Einfluss auf die verwendeten Materialien aus. Mit Tribometern können Reibung, Verschleiß, Abrieb- und Schmiereigenschaften zwischen zwei Oberflächen am besten analysiert werden und mit diesem Wissen auch für den Einsatz optimiert werden. Anton Paar bietet dazu die weltweit breiteste Palette an Möglichkeiten zur tribologischen Messung von Materialsystemen von festen Stoffen in Kombination mit flüssigen Materialien (Schmierungen), zugeschnitten auf die jeweilige Anwendung.

Weitere mechanische Analyseverfahren umfassen Härte-, Ritzprüfer und Schichtdickenmessgeräte, um die Härte, das Elastizitätsmodul die Kratzfestigkeit und die Schichtdicke von Oberflächen zu bestimmen. Dabei werden Verbundsysteme aus Schicht und Substrat charakterisiert und Parameter wie Haftfestigkeit und Reibungskraft bestimmt. Ein weiteres mechanisches Analyseverfahren zur Bestimmung der Topologie einer Materialoberfläche stellt das Rasterkraftmikroskop (AFM) dar, das die Oberflächenbeschaffenheit lokal visuell darstellt.

Auch die Oberflächenladung hat einen wesentlichen Einfluss auf die Haftung unterschiedlicher Materialien aneinander, z.B. von Farben und Klebern, aber auch auf die Benetzbarkeit mit unterschiedlichen Flüssigkeiten. Durch elektrokinetische Verfahren zur Bestimmung der Ladungseigenschaften können das Adsorptions- und Desorptionsverhalten bestimmt werden und Materialien wie Polymere und Membranen derart modifiziert werden, dass z.B. das Anhaften von Schmutz, Wasser, Kleber oder Farbe verhindert oder verbessert wird. Im Falle von biokompatiblen Materialien können z.B. schädliche Bestandteile an der Oberfläche identifiziert und die Materialherstellung entsprechend angepasst werden.

Ausgangsprodukte vieler Endmaterialien sind Pulver, Granulate oder Dispersionen, deren Partikeleigenschaften (Größe, Zetapotenzial, Transmission, Molekülmasse, Brechungsindex) charakterisiert werden müssen, um Materialien gleichbleibender Qualität zu erhalten.
Eine Möglichkeit stellt die Lichtstreuung (DLS = dynamische Lichtstreuung) an Partikeln in Lösung dar. Zur Bestimmung von Partikelgrößen in trockenen Pulvern, aber auch Flüssigdispersionen, ist die Laserbeugung (LD) die Methode der Wahl. Alle diese Methoden arbeiten Hand in Hand und stellen jeweils ein wesentliches Puzzleteil zur Charakterisierung und zum Verstehen der Materialeigenschaften dar. In einem so alltäglichen Gegenstand wie einem Sportschuh stecken daher nicht nur viele unterschiedliche, aufeinander abgestimmte Materialien, sondern auch fundiertes technisches Know-how.

* Dr. Angelika Scheiflinger-Latal Anton Paar GmbH, 8054 Graz/Österreich

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