Verpackungen in Natur und Technik. Bionische Materialien und Werkstoffe

Inhaltsverzeichnis

1 INHALTSVERZEICHNIS

2 ABBILDUNGSVERZEICHNIS

3 TABELLENVERZEICHNIS

4 EINLEITUNG

5 KONZEPTIONELLE GRUNDLAGEN
5.1 Definition Bionik
5.2 Definition Material
5.3 Definition Werkstoff

6 AUFGABEN TECHNISCHER VERPACKUNGEN

7 WERKSTOFFE BIOLOGISCHER UND TECHNISCHER VERPACKUNGEN
7.1 Biologische Verpackungen
7.1.1 Bienenwachs - die Zellen der Bienenwaben
7.1.2 Chitin - Chitinpanzer der Insekten
7.1.3 Cutin - die Blattcuticula
7.1.4 Cellulose - die pflanzliche Zellwand
7.1.5 Kalk-dasVogelei
7.2 Technische Verpackungen
7.2.1 Kunststoffverpackungen
7.2.2 Glasverpackungen
7.2.3 Papier-Kartonverpackungen
7.2.4 Metallverpackungen
7.2.5 Aluminiumverpackungen

8 ENTWICKLUNGSSTRATEGIEN DER VERPACKUNGEN IN NATUR UND TECHNIK

9 BEEINFLUSSUNG DER VERPACKUNGSMATERIALIEN

10 SCHLUSSBETRACHTUNG

11 ANHANG
11.1 Spezielle Struktur der Cuticula
11.2 Glas und PET-Flasche
11.3 Papier-Kartonverpackungen
11.4 Beeinflussung von Verpackungsmaterialien auf soziale, ökologische und ÖKONOMISCHE ZIELE

12 LITERATURVERZEICHNIS

2 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: StruktureinerBienenwabe

Abbildung 2: Chitinpanzer eines Blatthornkäfers

Abbildung 3: Wasserabweisender Effekt durch Faltungen und Vorsprünge der Cuticula

Abbildung 4: Fasern der Stämme von Coccothrinax crinata

Abbildung 5: Aufbruch der letzten beiden Verpackungsschichten

Abbildung 6: Joghurtverpackungen mit Kunststoffkappe als doppelter Deckel

Abbildung 7: Werkstoffprobe eines Metalls

Abbildung 8: Aluminiumschaum verschiedener Porosität

Abbildung 9: Transparente Flaschen aus Glas und Kunststoff

Abbildung 10: Altpapier zur Produktion neuer Papp- und Papierverpackungen

3 Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Beeinflussung von Verpackungsmaterialien auf soziale, ökologische und ökonomische Ziele

4 Einleitung

Ein unbeschädigtes Produkt und eine ansprechende Gestaltung - die Hauptziele der technischen Verpackungen lassen sich schnell erkennen. So wird neben dem Schutz des eigentlichen Produkts auch der Absatz gefördert. Hinsichtlich dieser Aspekte hat die technische Verpackungsindustrie in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Und trotzdem stellt uns jene Verpackungsindustrie nun vor ein globales Problem - die Entsorgung von Verpackungen und die daraus resultierende Umweltverschmutzung. Stellt man Vergleiche zur Natur an, so fällt auf, dass ein solches Problem nicht existiert. Auch die Natur nutzt aufwendige und zum Teil noch komplexere Verpackungen - diese bedrohen allerdings nicht die Gesundheit, verschwinden in der Regel wieder problemlos und fügen sich so in den natürlichen Kreislauf.¹ Es liegt also nahe sich an den Grundideen der Natur zu orientieren und diese für technische Anwendungen weiterzuentwickeln und umzusetzen. Das Fachgebiet, das sich mit dieser Schnittstelle zwischen Biologie und Technik auseinandersetzt, heißt Bionik. Doch welche konkreten bionischen Anwendungen gibt es bereits im Bereich Verpackungen? Und wie unterscheiden sich die Werkstoffe und Materialien von biologischen Verpackungen von denen der technischen Verpackungen und wo liegen die Schnittpunkte?

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es den Bereich der technischen und biologischen Verpackungen vor dem Hintergrund der Bionik zu beleuchten und so Ähnlichkeiten, aber auch Unterschiede in deren Eigenschaften und Entwicklungsstrategien aufzudecken. Außerdem wird die Beeinflussung der biologischen und technischen Verpackungsmaterialien auf soziale, ökologische und ökonomische Ziele untersucht.

Zu Beginn der vorliegenden Arbeit werden die Begriffe Bionik, Werkstoff und Material definiert. So wird ein Grundverständnis für die Thematik geschaffen und die semantische Integrität gewährleistet. Im nächsten Abschnitt des Assignments werden die grundlegenden Aufgaben technischer Verpackungen abgebildet. Folgend werden je fünf unterschiedliche Werkstoffe biologischer und technischer Verpackungen genannt. Diese werden dann in Bezug auf das lokale oder globale Vorkommen und ihre spezifischen Aufgaben untersucht. Weiter werden entscheidende Unterschiede in der Entwicklungsstrategie für Verpackungen in Natur und Technik herausgearbeitet. Ergänzend wird im darauffolgenden Abschnitt die Beeinflussung von jeweils drei technischen und biologischen Verpackungsmaterialien in Bezug auf soziale, ökologische und ökonomische Ziele untersucht. Abschließend folgt eine Schlussbetrachtung, in der die Arbeit zusammenfasst und die Ergebnisse kritisch reflektiert werden.

5 Konzeptionelle Grundlagen

Im vorliegenden Kapitel wird herausgearbeitet, was grundsätzlich unter den Begriffen Bionik, Material und Werkstoff zu verstehen ist, sodass ein umfassendes Grundverständnis über die Begrifflichkeit und deren Eigenschaften entsteht.

5.1 Definition Bionik

„Bionik als Wissenschaftsdisziplin befasst sich systematisch mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme.“²

Die Bionik untersucht das Reservoir an Konstruktionen, Verfahrensweisen und Evolutionsprinzipien der belebten Welt im Hinblick auf Anregungen für eigenständig-technisches Gestalten. Sie überträgt zwar die Vorbilder der Natur, kopiert diese aber nicht.³ Die Grundidee des Übertrages von biologischen Lösungen auf technische Problemstellungen besteht darin, dass in der Natur im Laufe von hunderten Millionen Jahren optimierte biologische Strukturen entstanden sind, die auch für technische Entwicklungen bedeutsam und überzeugend sein können.⁴ Ein frühes Beispiel der Bionik ist die Beobachtung des Vogelflugs durch Leonardo da Vinci - so versuchte er, anhand dieses biologischen Beispiels das Fliegen durch technische Flügelklappen zu ermöglichen.⁵ Die Bionik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, dessen Anwendungsbereich mittlerweile vielfältig ist. Aufgrund dessen unterteilt sich die Bionik in die klassische und neue Bionik, wobei die klassische Bionik sich mit der Anwendung in den Bereichen Bau und Klimatisierung, Konstruktion und Geräte, Formgestaltung und Design, Verfahren und Abläufe, Materialien und Strukturen sowie Lokomotion beschäftigt. Wohingegen sich die neue Bionik mit der Nanotechnologie beschäftigt.⁶

5.2 Definition Material

Material ist ein Sammelbegriff für materielle Gegenstände der Produktion und des Materialflusses, die als Arbeitsgegenstand verarbeitet oder als Betreibungsgegenstand für Versorgung, Entsorgung und Erhaltung der Produktion in der Fabrik gebraucht und verbraucht werden.⁷ Das Hauptmaterial (Produktmaterial) geht materiell in das Produkt ein, während das Hilfsmaterial (Betreibungsmaterial) nicht materiell in das Produkt eingeht und nur der Produktionsdurchführung dient.⁸ Damit setzt sich der Materialfluss aus Produktfluss, Betriebsstofffluss sowie Ver- und Entsorgungsfluss zusammen.⁹ Häufig wird der Begriff Material allerdings synonym für Werkstoff verwendet.

5.3 Definition Werkstoff

Werkstoffe sind Materialien, die sich bei Raumtemperatur im festen Aggregatzustand befinden und aus denen Bauteile und Konstruktionen entwickelt und hergestellt werden können - wobei die Qualität und die Eigenschaften der Endprodukte durch die Wahl des Werkstoffs entscheidend beeinflusst werden.¹⁰ Werkstoffe sind ausdrücklich keine Hilfsstoffe. Eine Einteilungsmöglichkeit von Werkstoffen ist die verwendungsorientierte Unterteilung zwischen Strukturwerkstoffen und Funktionswerkstoffen. Während es bei den Strukturwerkstoffen auf die mechanischen Eigenschaften ankommt und diese für tragende Strukturen verwendet werden, finden Funktionswerkstoffe vor Allem wegen deren physikalischer Eigenschaften Verwendung. Ein Beispiel für Funktionswerkstoffe ist der Wolframdraht der Glühlampe, der Licht liefert.¹¹ Die Beurteilung von Werkstoffen findet nach dreierlei Eigenschaftsgruppen statt, welche gleichzeitig eine Voraussetzung sind, um einen Werkstoff als einen solchen zu identifizieren. Diese Eigenschaftsgruppen lauten Fertigungstechnische, wirtschaftliche und Gebrauchseigenschaften.¹²

6 Aufgaben technischer Verpackungen

Im vorliegenden Abschnitt dieses Assignments geht es darum, die Aufgaben der technischen Verpackungen zu erläutern. So lassen sich erste Erkenntnisse gewinnen, welche Faktoren bei der Entwicklung von Verpackungen eine tragende Rolle spielen.

Grundsätzlich lassen sich folgende vier Funktionsbereiche unterscheiden:

- Produktionsfunktion: Die Verpackung ermöglicht die mengenmäßige Bereitstellung des Produktionsinputs und die quantitative Aufnahme des Produktionsoutputs am Produktionsort. Durch die Wahl geeigneter Verpackungen (z.B. Container) kann direkt aus bzw. in die Verpackung produziert werden.¹³
- Marketingfunktion: Die Verpackung ist ein wesentlicher Bestandteil der Produktpolitik, durch die ein Produkt von Konkurrenzprodukten unterscheidbar gemacht wird. Außerdem wird der Verbraucher über den Verpackungsinhalt informiert.¹⁴
- Verwendungsfunktion: Zur Verwendungsfunktion zählt die Wiederverwendung der Verpackung beim Kunden oder die Verwendung für andere Zwecke. Durch die zwingende Berücksichtigung ökologischer Wirkungen wird die umweltgerechte Gestaltung der Verpackungen essentiell.¹⁵
- Logistikfunktionen: Durch die verschiedenen Logistikfunktionen werden Logistikprozesse erleichtert und teilweise überhaupt erst ermöglicht. Zu den Logistikfunktionen zählen:

- Schutzfunktion: Die Verpackung schützt den verpackten Inhalt vor allen mechanischen und klimatischen Einflüssen zwischen Hersteller und Verbraucher.¹⁶
- Lagerfunktion: Die Verpackung erleichtert die Lagerung eines Gutes. Das bedeutet beispielsweise, dass die Verpackung stapelfähig ist.¹⁷
- Transportfunktion: Aufgabe der Verpackung ist es außerdem den Transport eines Gutes zu erleichtern.
- Informationsfunktion: Die Informationsfunktion der Verpackung meint, dass die Verpackungen so gekennzeichnet sind, dass der Auftragszusammensteiler im Lagerhaus die gewünschten Produkte leicht identifizieren kann.¹⁸

7 Werkstoffe biologischer und technischer Verpackungen

Im siebten Kapitel werden je fünf unterschiedliche Werkstoffe biologischer und technischer Verpackungen vorgestellt. Hauptaugenmerk liegt dabei auf den spezifischen Funktionen und den Eigenschaften der Werkstoffe.

7.1 Biologische Verpackungen

7.1.1 Bienenwachs - die Zellen der Bienenwaben

Die aus Bienenwachs bestehenden Waben bestechen neben der effizienten Raumnutzung durch eine optimale Stabilität. Auf diese Eigenschaften sind auch bereits Ingenieure aus der Bionik aufmerksam geworden.¹⁹ Die Bienen erzeugen mit ihren Drüsen Wachsplättchen, welche vorerst in runder Form angeordnet werden. Das Wachs wird anschließend erwärmt, dadurch verformen sich die Zellen so, dass automatisch die Formen von Hexaedern entstehen, diese Struktur ist Abbildung 1 zu entnehmen. Dieses Phänomen wird als Selbstorganisation bezeichnet. Diese Art von Selbstorganisation dient der Energieerspamis, denn es wird mit der geringsten Menge an Wachs ein ideales Ergebnis erzielt. Die sechseckige Form bringt den positiven Effekt der vollständigen Raumausnutzung, da die Zellen so unmittelbar aneinandergrenzen können. Außerdem entsteht mehr Volumen als bei allen anderen Formen. Die Bienenwaben dienen zur Aufzucht von Larven und zur Lagerung von Honig und Pollen. Sie kommen in Europa, Afrika und Asienje nach Klimalage vor.²⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Struktur einerBienenwabe (vergleiche Kropp 2015, S.12.)

7.1.2 Chitin - Chitinpanzer der Insekten

Chitin ist neben Zellulose das am weitesten verbreitete Biopolymer und das Bindematerial des Insektenpanzers. Chitin ist flexibel, dehnbar, extrem reißfest, beständig und löst sich unter Umwelteinflüssen nicht auf. Die Hülle der Insekten besteht aber nicht nur aus Chitin, sondern zusätzlich noch aus Sklerotin. Chitin verleiht Biegsamkeit und Sklerotin hohe Festigkeit.²¹ Die Hauptaufgabe dieser Materialkombinationen ist ein besonders stoßfester und beständiger Schutz der innenliegenden Strukturen - daneben beschleunigt Chitin die Wundheilung um bis zu 30 Prozent.²² Käfer, aber auch Krebstiere verfügen über Chitinpanzer, damit ist der biologische Werkstoff global verbreitet. Abbildung 2 bildet einen solchen Chitinpanzer ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Chitinpanzer eines Blallhornkäfers (vergleiche Kropp 2015, S. 70.)

7.1.3 Cutin - die Blattcuticula

Die Cuticula der Pflanzen ist ein durch lösliche Wachse, Zellulose²³ und Cutin²⁴ synthetisierter Überzug der Blatthaut. Durch ihre hydrophobe²⁵ Eigenschaft verringert die Cuticula die Benetzung der Blattoberfläche durch Wasser, dieses Phänomen lässt sich in Abbildung 3 erkennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Wasserabweisender Effektdurch Faltungen und Vorsprünge der Cuticula (vergleiche Kropp 2015, S.57.)

Ein nützlicher Nebeneffekt ist die Selbstreinigung, da den abperlenden Wassertropfen Staub und Pilzsporen anhaften. Als lückenloser Film unterschiedlicher Dicke schützt die Cuticula die Zellenaußenwände weiterhin vor zu starker Sonneneinstrahlung, kleineren mechanischen Schäden und Verdunstung. Im Gegensatz zu Chitinpanzern von Insekten kann die Cuticula stetig mitwachsen und sich selbst reparieren.²⁶ Durch einen überaus effektiven Mechanismus, der in die Änderung der äußeren Form der Cuticula resultiert, lässt sich eine superhydrophobe Oberfläche erzeugen - diese Oberfläche ist derartig wasserabweisend, dass sie mit dem Begriff des Lotuseffekts beschrieben wird. Nähere Informationen zur Entstehung dieser Struktur sind im Anhang unter Abschnitt 11.1 zu finden. Neben den vorangegangen schützenden Funktionen ist die Cuticula gasdurchlässig, um die Fotosynthese zu ermöglichen. Das Cutin findet sich sowohl in Laubbäumen als auch im Regenwald und ist somit global vertreten.²⁷

[...]

¹ Vgl. Küppers/Tributsch (2002), S.l.

² Nachtigall, W. (2002), S.3.

³ Vgl. Nachtigall, W. (2002), S.4.

⁴ Vgl. Grunwald/Oertel (2006), S.13.

⁵ Vgl. Nachtigall, W. (2002), S.8.

⁶ Vgl. Grunwald/Oertel (2006), S.5ff.

⁷ Vgl. Kurt, W. H. (2018), S.1147.

⁸ Vgl. Kurt, W. H. (2018), S.1147.

⁹ Vgl. Kurt, W. H. (2018), S.1149.

¹⁰ Vgl. Bożena, A. (2017), S.l.

¹¹ Vgl. Hombogen/Eggeler/Wemer (2017), S.12.

¹² Vgl. Hombogen/Eggeler/Wemer (2017), S.ll.

¹³ Vgl. PfohlH.-C. (2017), S.151.

¹⁴ Vgl. Küppers/Tributsch (2002), S.7.

¹⁵ Vgl. PfohlH.-C. (2017), S.152.

¹⁶ Vgl. Küppers/Tributsch (2002), S.7.

¹⁷ Vgl. PfohlH.-C. (2017), S.153.

¹⁸ Vgl. PfohlH.-C. (2017), S.153.

¹⁹ Vgl. Kropp, R. (2015), S.9.

²⁰ Vgl.Kropp, R. (2015), S.ll.

²¹ Vgl. Kropp, R. (2015), S.71.

²² Vgl. Nachtigall, W. (2002), S.70.

²³ Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände.

²⁴ Polyesterartige Substanz.

²⁵ Wasserabweisend.

²⁶ Vgl. Kropp, R. (2015), S.55.

²⁷ Vgl. Kropp, R. (2015), S.55.