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Ecotoxicological and microbial studies on weathering plastic

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[Quelle: https://publikationen.uni-tuebingen.de]

Seit Beginn der Massenproduktion von synthetischen Polymeren oder Kunststoffen, umgangssprachlich als Plastik bezeichnet, akkumuliert deren Abfall in der aquatischen Umwelt. Durch kontinuierliche Fragmentierung von Makroabfällen sind manche aquatischen Ökosysteme heute zu einer Suppe aus mikro- bis nanoskaligen Partikeln geworden, deren Auswirkungen auf die Gesundheit von Mensch und Umwelt wir bisher nur schwer abschätzen können. Erst seit weniger als einem Jahrzehnt untersuchen Wissenschaftler*innen die Auswirkungen solcher Partikel hauptsächlich in Labortestsystemen. Verwitterungsprozesse, wie bspw. durch UV-Licht induziertem Photoabbau, können Materialeigenschaften und damit das Verhalten von Kunststoffen in der Umwelt verändern. Diese relevanten Änderungen im physikalischen Verhalten von Kunststoff(partikeln) durch Verwitterung finden in gängigen ökotoxikologischen Expositionsszenarien oft keine Berücksichtigung. Den Rahmen dieser Arbeit bildete das Projekt WEATHER MIC. Innerhalb eines Konsortiums von WissenschaftlerInnen verschiedener Fachgebiete priorisierten wir Forschungsfragen zu tieferem Verständnis der abiotischen und biotischen Verwitterungsprozesse, die auf aquatischen Kunststoffmüll einwirken, zur Relevanz dieser Prozesse für den Verbleib und die Effekte des Umweltkunststoffes und zur Anpassung derzeitig begrenzter Testbedingungen im Labor (Publikation I, Publikation II). Obwohl gewollt zugesetzte Chemikalien (z.B. Additive) in Polymeren seit langem Anlass zur Besorgnis geben, ist bisher wenig darüber bekannt, ob Substanzen, die während der abiotischen Verwitterung (z.B. durch Photoabbau) aus additiv-freiem Mikroplastik freigesetzt werden können, von ökotoxikologischer Bedeutung sind, z.B. indem sie relevante zelluläre Signalwege und Stressreaktionen induzieren. Daher wurden wässrige Laugungsprodukte von vier UV-verwitterten Testpolymeren Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) aufkonzentriert und in zellbasierte Reportergen- und Mikroalgen-Biotests dosiert (Publikation III, Manuskript I). Laugungsprodukte aller Mikroplastiksorten induzierten oxidative Stressantworten mit erhöhtem Effektpotential bei UV-verwitterten Proben. PE-Laugungsprodukte aktivierten darüber hinaus spezifisch den Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor γ (PPARγ). Unter Anwendung eines Mischungsmodells (Eisbergmodellierung) und effektdiagnostischer Bewertung konnte ich über 40 % des beobachteten biologischen Effektes in PPARγ durch einen hohen gemessenen Gehalt an Alkankarbonsäuren erklären, welche als Abbauprodukte aus dem verwitterndem Polymer stammten. Die überwiegend unspezifische Toxizität der untersuchten Kunststofflaugungsprodukte ging mit geringer Photosynthesehemmung in der Mikroalge Scenedesmus vacuolatus einher. Berechnete Werte für die Basis-Toxizität stimmten gut mit den gemessenen apikalen Wachstumsendpunkten für die Alkankarbonsäuren in den Mikroalgen überein und die aus den Mikroalgen abgeleiteten Effektkonzentrationen korrelierten statistisch signifikant mit den Ergebnissen aus den Reportergen-Biotests. Biotische Verwitterungsprozesse beginnen mit der Bildung eines oberflächlichen Biofilms, der den Verbleib und Auswirkungen von Umweltplastik verändert (Publikation IV). Als wahrscheinlich erste und längste biologische Interaktion mit Umweltplastik ist es von größter Bedeutung, die Entwicklung, Struktur und Funktion von epiplastischen mikrobiellen Artengemeinschaften zu verstehen und ihre ökologische Relevanz zu bewerten. Bevor sich Mikroorganismen auf neuen (Kunststoff ) Substraten ansiedeln, bildet sich zunächst eine dünne Schicht aus organischem Material (OM), ein so genannter Konditionierungsfilm. Dieser hat potenzielle Auswirkungen auf die spätere Besiedlung. Mittels Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR MS) überprüfte ich die Hypothese der Bildung von materialspezifischen Konditionierungsfilmen auf Kunststoffoberflächen und bewertete deren Relevanz für das nachfolgende Biofilmwachstum. Ich konnte in meiner Arbeit zeigen, dass OM auf den untersuchten Substraten Glas, PET und PS selektiv adsorbiert wurde. Unterschiede im Konditionierungsfilm waren auch zwischen vorverwitterten und dunklen Kontrollproben der jeweiligen Substrattypen nachweisbar. Nach der Adsorption dieser ersten OM-Schicht änderten sich die Materialoberflächeneigenschaften wie z. B. die Hydrophobie der Oberflächen. Bemerkenswert ist, dass die materialspezifischen Konditionierungsfilme die Materialeigenschaften nicht vollständig maskierten, sondern die zugrunde liegenden Oberflächeneigenschaften bis zur äußeren Organik-Wasser-Grenzfläche erhalten blieben (Manuskript II). Dieser Sachverhalt lieferte eine mögliche Erklärung für unsere Beobachtungen von anschließender materialspezifischer Anlagerung von Mikroorganismen in den ersten Kolonisierungstagen. Mit zunehmendem Alter des Biofilms verringerten sich strukturelle und funktionelle Unterschiede zwischen verschiedenen Testmaterialien und die taxonomische Zusammensetzung der verschiedenen Substrate konvergierte zu gleichen Artengemeinschaften (Manuscript III). In den vorgestellten ökotoxikologischen und mikrobiellen Untersuchungen konnte ich zeigen, dass abiotische und biotische Verwitterungsprozesse persistenter Kunststoffe Auswirkungen auf dessen Verbleib und Effekte haben. Materialspezifische Erkenntnisse über Adsorption von OM und Biofilm-Sukzession sollten uns veranlassen, wissenschaftliche Studien zu Plastik-Biofilmen in größeren zeitlichen Rahmen und Kontext zu setzen. Meine Ergebnisse, dass Polymerlaugungsprodukte aus Verwitterungssimulationen bestimmte zelluläre Genantworten und Stressreaktionen aktivierten sowie Algentoxizität induzierte, sollte uns dazu veranlassen die derzeitige Ausnahme von Polymeren von der REACH-Verordnung zur Registrierung und Bewertung erneut zu verhandeln, da das Material nicht länger als „inert“ gelten kann. Meine Arbeiten erweitern unser Verständnis zur Freisetzung von Substanzen während des Photo-abbaus von Kunststoffen und über biologische Eigenschaften von Kunststoffoberflächen während der frühen mikrobiellen Besiedlungsphase. Zukünftige Studien sollten die Relevanz dieser Verwitterungsprozessen auf die Validierung und Verlässlichkeit von Kunststoffteststrategien anerkennen, um so die Gesundheit von Mensch und Umwelt zu gewährleisten.

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Bücher, Broschüren

Robert Engelfried, Helena Eisenkrein
Schäden an polymeren Beschichtungen
Schadenfreies Bauen, Band 26
Reihe begründet von Günter Zimmermann.
2., überarb. und erw. Aufl.
2012, 200 S., 148 z.T. farb. Abb., 13 Tab., Hardcover
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Mit den heutigen Erfordernissen, Bauwerke gegen Witterungseinflüsse und Nutzungsbeanspruchungen zu schützen, sind die Anforderungen an Anstriche und Beschichtungen bei Planung, Werkstoffherstellung und Anwendung deutlich größer geworden. Dieses Buch, jetzt in vollständig aktualisierter und erweiterter 2. Auflage, gibt einen Überblick über die wichtigsten Beschichtungsstoffe, ihre Zusammensetzung und Eigenschaften, die wichtigsten Anwendungsregeln sowie ihre Verhaltensweisen unter praktischen Beanspruchungsbedingungen. Anhand von Schadensbeispielen werden Ursachen und Mechanismen des Versagens von Anstrichen und Beschichtungen erläutert und daraus diejenigen Planungs- und Verarbeitungsfehler abgeleitet, die es zu vermeiden gilt. Einen besonderen Raum nehmen visuell nicht erkennbare Mängel ein, die nur auf analytischem bzw. technologischem Weg feststellbar sind.

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Dieter Arlt, Rainer Weltring
Langzeitbewährung und Entwicklungstendenzen von Kunststoff-Bauprodukten im Wohnungsbau
Bauforschung für die Praxis, Band 42
1998, 137 S., 90 Abb., 7 Graphiken,
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Bei der Bewertung von Baustoffen müssen heute eine Vielzahl neuer Kriterien Beachtung finden. Neben den weiterhin relevanten technischen und ökonomischen Faktoren Festigkeit, Haltbarkeit, Verarbeitbarkeit und Preis-Leistungsverhältnis werden in zunehmendem Maße umweltrelevante Kriterien wie Ozongefährdung, Ressourcenverbrauch sowie eventuelle gesundheitliche Risiken bei Herstellung, Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung der Materialien in Betracht gezogen. Die Berücksichtigung dieser zusätzlichen Bewertungskriterien soll dazu führen, daß neben einer vor allem ökonomischen Beurteilung von Bauteilen und Baustoffen eine, durch Ökobilanzen gestützte, ökologische Bewertung möglich ist. Die Mehrzahl der Bauprodukte in dieser Studie kam vor über 20 Jahren zum Einsatz, zu einer Zeit also, in der hauptsächlich die technischen Eigenschaften und der Kaufpreis zur Bewertung und Auswahl der Materialien herangezogen wurden. Primär ist die Studie darauf ausgerichtet, das Langzeitverhalten einer kritischen Prüfung zu unterziehen. Die Menge der hier betrachteten und zur Bewertung herangezogenen Anwendungen ist jedoch nicht groß genug, um eine statistisch fundierte Aussage über das Langzeitverhalten aller gleichartigen Bauanwendungen zu treffen. Vielmehr ist diese Arbeit eine "Momentaufnahme" verfügbarer, wissenschaftlich fundierter Informationen.

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Forschungsberichte

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C. Könke, J. P. Bergmann, M. Ganß, J. Hildebrand, M. Kuhne, S. Hammer, Y. Ali
Zustandsmonitoring von mit Kohlefaserlamellen verstärkten Stahlverbindungen unter Einsatz integrierter Fasersensorik. Intelligentes CFK-Pflaster. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3103
2018, 59 S., 40 Abb. u. 1 Tab., Softcover
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Ein neuer Ansatz zur Ertüchtigung von Stahlkonstruktionen ist die klebetechnische Applikation von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). In die Klebverbindung integrierte sehr dünne faseroptische Sensoren können hier helfen neue Detailkenntnisse zu den Verbundeigenschaften insbesondere zu dem Klebfugenverhalten unter komplexen Umgebungsbedingungen und Belastungen zu erlangen. Die Untersuchungen an den Stahl-CFK-Klebverbindungen und CFK-verstärkten Bauteilen mit in der Klebfuge integrierten faseroptischen Sensoren verdeutlichen, dass während der mechanischen und thermisch-hygrischen Belastung der Stahl-CFK-Klebverbindungen sehr genau und ortsauflösend lokale Dehnungen sowie inhomogene Dehnungszustände in Sensorfaserrichtung in der Klebfuge ermittelt werden können. Mit der Fasersensorik können somit tatsächliche Dehnungszustände und eine Schädigung des Verbundes in Form einer Delamination ortsaufgelöst und in Echtzeit detektiert werden. Die Ergebnisse des Vorhabens liefern somit einen neuen Ansatz für die Optimierung von strukturellen Klebverbindungen auf Basis einer Detailanalyse der Klebfugen.

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Matthias Pahn, Arnaud Pavis d'Escurac
Tragverhalten von schlanken Sandwichelementen mit GFK-Verbindungsmitteln unter Vertikallast
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3009
2017, 99 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Bemessung von Sandwichelementen unter vertikaler Last kann der stabilisierende Einfluss der Vorsatzschale einschließlich der Verbindungsmittel und der Kernschicht auf das Tragverhalten der Tragschale nicht berücksichtigt werden, weil entsprechende Bemessungsmodelle nicht vorliegen. Eine Berücksichtigung der tatsächlichen Biegesteifigkeit ist aber gerade bei schlanken und damit knickgefährdeten Sandwichwänden äußerst sinnvoll. Deshalb untersuchte das Projekt den Einfluss von Vorsatzschale und Kernschicht auf die Stabilität von Sandwichwänden. Als Verbindungsmittel zwischen der Vorsatzschale und der Tragschale wurden sowohl horizontale und diagonale Stäbe aus glasfaserverstärktem Kunststoff als auch Gitterträger aus Stahl verwendet. Es wurden aussichtsreiche Ansätze für eine wirtschaftlichere Bemessung von schlanken Sandwichfassadenbauteilen erarbeitet.

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Ingo Kurzhöfer
Stationäre und instationäre finite Element Analysen zur Erfassung des solaren Temperatureinflusses auf schalenförmige, zylindrische Thermoplastbehälter. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3337
2016, 66 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zum Nachweis der Standsicherheit von schalenförmigen, zylindrischen Thermoplastbehältern ist es notwendig, bei Außenaufstellung die Temperatureinwirkung durch Sonneneinstrahlung in geeigneter Form mit zu berücksichtigen. Die Begründung liegt in der ausgeprägt starken Temperaturabhängigkeit der thermomechanischen Eigenschaften der verwendeten thermoplastischen Werkstoffe sowie in Zwangseinwirkungen aus behinderten Temperaturdehnungen.

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Ulrich Book, Frank Huppertz, Jürgen Neisecke
Entwicklung von verlässlichen Prüf- und Bewertungskriterien für das Verschleißverhalten und die Dauerhaftigkeit rissüberbrückender OS-Beschichtungen für befahrbare Betonflächen
Bauforschung, Band T 3208
2015, 102 S., zahlr. Abb., Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Beim Neubau und bei der Instandsetzung frei bewitterter Parkdecks werden als Betonschutz häufig rissüberbrückende Beschichtungssysteme verwendet. Für diesen Anwendungsfall kommen vor allem flexible Polyurethanharz- oder Polyurethan-Epoxidharzkombinationen zum Einsatz. Diese Werkstoffe besitzen niedrige E-Moduln und hohe Reißdehnungen und sind somit sehr flexibel und weich eingestellt. Trotzdem findet man bei solchen Beschichtungssystemen in der Praxis häufig - vor allem in mechanisch hoch belasteten Bereichen, wie z. B. Kurven, Auffahrten, Rampen und Spindeln - immer wieder typische Verschleißschäden in Form von Rissen und Schichtdickenabbau bis hin zum völligen Versagen des gesamten Oberflächenschutzsystems. Das Verschleißverhalten dieser befahrenen, rissüberbrückenden OS-Systeme hängt von einer Vielzahl unterschiedlicher Beanspruchungs- und Werkstoffparameter ab. Bisherige Prüfverfahren, die die Befahrbarkeit eines Bodens simulieren, beruhen hingegen noch stark auf Empirie sowie auf den jeweiligen Erfahrungen von Herstellern und Anwendern derartiger Systeme. Es ist daher davon auszugehen, dass zurzeit keine allgemein gesicherte Prüfmethode verfügbar ist, welche weder die Dauerhaftigkeit in Bezug auf die Beanspruchung aus dem Fahrverkehr zuverlässig nachweisen kann noch irgendwelche praxisrelevanten Aussagen zum Verschleißverhalten während der Verkehrsbelastung ermöglicht. In dem vom DAfStb geförderten Forschungsvorhaben sollte daher nach einer detaillierten Vorstudie grundsätzlich geklärt werden, wie und unter Nutzung von welchem der bisherigen Prüfverfahren sowohl die Größe des Verschleißes als auch - als ganz wesentliche Erkenntnis - dessen zeitlicher Verlauf an OS-Systemen zerstörungsfrei ermittelt und dokumentiert werden können.

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Ralf Bäumer, Walter Haase, Fritz Mielert, Luis Ocanto, Fabian Schmid
Entwicklung leichter Profile und Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen für Anwendungen in der textilen Gebäudehülle und der Fenstertechnik. (PROFAKU). Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2805
2012, 139 S., zahlr. Abb. u. 6 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Faserverbundkunststoffe (FVK) bieten bisher wenig berücksichtigte Vorteile bei der Herstellung und Einsatz im Bereich des Bauwesens wie z.B. Korrosionsbeständigkeit, Langlebigkeit und ein geringer Energieaufwand bei der Herstellung. Mit der Entwicklung und dem Bau von Profilen sollte die Einsatzmöglichkeit von Verbundwerkstoffen in Tragstrukturen für modulare mehrlagige textile Gebäudehüllen und für die Fenstertechnik demonstriert werden. Mit der Entwicklung von Profilen und Bauteilen aus FVK wird es in Zukunft möglich sein, Tragstrukturen für modulare mehrlagige textile Gebäudehüllen und für die Fenstertechnik herzustellen. Diese Materialien zeichnen sich durch eine wesentliche Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichen Werkstoffen aus. Leichte FVK-Strukturen können vorab zu Baugruppen zusammengefügt werden und lassen sich somit in einen strukturierten und effizienten Arbeitsablauf integrieren. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die Möglichkeit durch FVK-Profile wärmebrückenarme Konstruktionen herstellen zu können. Die Forschungsergebnisse tragen wesentlich dazu bei, zukünftig Möglichkeiten aufzuzeigen, die Entwicklung der Profile näher an eine Marktreife zu führen und die Praktikabilität, sowie Funktionalität zu verifizieren. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung von Profilen aus leichten, faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und von Baumethoden für die Anwendung dieser Materialien in der Architektur. Dazu wurden Profile für den Bereich der mehrlagigen textilen Gebäudehülle entwickelt, die mechanischen Eigenschaften in Simulationsverfahren berechnet und mit einem Pultrusionsverfahren gefertigt. Schlussendlich wurden daraus Demonstratoren für die textile Gebäudehülle aufgebaut und der Öffentlichkeit vorgestellt. In einem weiteren Arbeitsschwerpunkt wurden neuartige Profile für sehr schlanke aber dennoch mechanisch steife Fensterrahmen entwickelt und als Mock-ups gefertigt.

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Zeitschriftenartikel

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Eiglsperger, Anna; Auer, Veronika; Hesler, Friedrich von; Kraus, Wolfgang; Stute, Stephanie
Biopolymere - im Kreislauf gedacht
Müll und Abfall, 2022

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Schwabl, Daniel; Bauer, Markus; Köhldorfer, Patrick; Lehner, Markus
Weiterentwicklung einer nass-mechanischen Aufbereitungsanlage zur Gewinnung von hochreinen Polyolefinkonzentraten für ein chemisches und mechanisches Recycling
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft, 2022

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Lörzel, Maria
Oft übergangen. Die Erhaltung von elastischen Kunststoffböden aus Weich-PVC
Denkmalpflege im Rheinland, 2022

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Walter, Gotthard; Kopka, Jan-Philip; Fricke, Claas; Flamme, Sabine
Kunststoffe im Bausektor. Mengen, Erfassung und Rückführung
Müll und Abfall, 2021

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Fasoulakis, Zacharias; Pasternak, Hartmut; Vayas, Ioannis; Li, Zheng
Stützen-Riegel-Knoten ohne und mit geklebter CFK-Verstärkung - Versuche und numerische Simulationen
Bauingenieur, 2021

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Highlights aus dem Programm 2022