Kevlar muss weichen: Eine leichtere, stärkere Variante ist da

Ultra-Starke Kunststoffpolymere

Bei der Untersuchung extrem widerstandsfähiger Werkstoffe richtet sich der Blick häufig auf harte Metalle, von gewöhnlichem Eisen bis hin zu exotischerem Titan, Wolfram oder Rhenium (über den jeweiligen Link gelangen Sie zu einem eigenen Anlagebericht).

Dies ist jedoch nicht die einzige Form eines extrem festen Materials. Eine weitere Möglichkeit sind starke Polymere, insbesondere für Anwendungen, bei denen neben Härte und hohem Schmelzpunkt auch geringes Gewicht und Flexibilität wichtig sind.

Ein bekanntes Material dieser Art ist Kevlar. Der Werkstoff gehört DuPont (DD ) und ist vor allem für den Einsatz in schusssicheren Westen bekannt. Er wird außerdem für Seile, industrielle Schutz- und Notfallausrüstung, Luft- und Raumfahrt, Glasfasern und sogar Outdoor-Produkte verwendet.

Quelle: DuPont

Das Geheimnis der Kevlar-Festigkeit liegt in einem dichten Netz molekularer Bindungen auf einer eng gepackten zweidimensionalen Ebene, darunter Wasserstoffbrücken und zahlreiche aromatische Ringe aus Kohlenstoffsechsecken. Die Struktur ähnelt natürlicher Seide, ist aber noch stärker.

Quelle: Wikipedia

Es gibt jedoch kein physikalisches Gesetz, nach dem Kevlar das stärkste Polymermaterial sein muss. Forschende der Duke University, Cornell University und Northwestern University haben eine noch stärkere Alternative entdeckt.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Science unter dem Titel „Mechanisch verschränkte zweidimensionale Polymere“¹.

Eine neue Art von Polymer-Kettenhemd

Kevlar erhält seine Festigkeit durch molekulare Bindungen in einer zweidimensionalen Ebene. Besonders feste Werkstoffe weisen jedoch häufig eine komplexere dreidimensionale Struktur auf.

Ein vollständiges Kettenhemd ist beispielsweise deutlich stärker als die einzelnen Ringe, aus denen es besteht. Dieses Prinzip wollten die Forschenden mit Polymeren auf molekularer Ebene nachbilden.

Ziel war ein ultradünnes Material mit mechanisch verschränkten Bausteinen.

Quelle: Northwestern University

Erfindung eines neuen Herstellungsverfahrens

Die Idee verschränkter Bindungen ist nicht neu, doch bislang ließ sie sich weder zuverlässig noch in großem Maßstab umsetzen. Eine mechanische statt chemische Verschränkung herzustellen war äußerst schwierig; die meisten Materialien bildeten sie schlicht nicht aus.

Die Forschenden verfolgten einen neuen Ansatz mit X-förmigen Monomeren (ein Monomer ist der einzelne Baustein eines Polymers). Jedes Monomer wurde anschließend in einer stark geordneten Kristallstruktur angeordnet.

Danach ließen sie den Kristall mit einem weiteren Molekül reagieren, wodurch Bindungen im Kristall entstanden.

Das Ergebnis war eine komplexe Struktur aus mehreren Lagen verschränkter zweidimensionaler Polymerblätter. Dabei entstanden „Fäden“ aus X-förmigen Monomeren, die mechanisch ineinandergreifen, ohne chemisch miteinander verbunden zu sein. Die Kombination aus mechanischer Verriegelung und Beweglichkeit gegeneinander machte das Material überraschend flexibel.

„Es ähnelt einem Kettenhemd, weil es nicht leicht reißen kann: Jede mechanische Bindung besitzt etwas Spielraum, um zu gleiten.

Wird daran gezogen, kann sich die einwirkende Kraft in mehrere Richtungen verteilen. Um es zu zerreißen, müsste man es an sehr vielen verschiedenen Stellen brechen.“

William Dichtel, Professor für Chemie an der Northwestern University.

Rekordleistung & Skalierbarkeit

Das neu entwickelte Material weist bis zu 100 Billionen mechanische Bindungen pro Quadratzentimeter auf – die höchste Bindungsdichte, die in der Materialwissenschaft bislang erreicht wurde. Fortschrittliche Elektronenmikroskopie bestätigte die verschränkte Struktur auch visuell.

Um die Leistungsfähigkeit des neuen Materials zu testen, integrierten die Forschenden es in ein Produkt aus derselben Familie wie Kevlar: Ultem (Polyetherimid), das vom saudischen Petrochemieunternehmen SABIC vermarktet wird.

Ultem ist eine Kunststofffaser mit sehr hoher Hitze- und Chemikalienbeständigkeit. Sie wird unter anderem in Medizintechnik, Elektronik, Automobilbau, chemischer Industrie und Luft- und Raumfahrt eingesetzt und eignet sich auch für den 3D-Druck beziehungsweise die additive Fertigung.

ULTEM gehört zu den wenigen Harzen, die für die kommerzielle Luftfahrt zugelassen sind. Es widersteht Kriechen – der Verformung und Schädigung von Materialien unter wiederholter mechanischer Belastung – besser als vergleichbare Thermoplaste.

Auch bei Kontakt mit verschiedenen Kraftstoffen, Kühlmitteln und Schmierstoffen bleibt es beständig. Seine Flammfestigkeit erfüllt die Anforderungen der FAA-Vorschrift 25.853.

Sybridge

Der erste Test eines Verbundmaterials aus 97,5 % Ultem-Faser und nur 2,5 % des neuen zweidimensionalen Polymers ergab eine deutlich höhere Festigkeit. Die Zugfestigkeit der Ultem-Faser stieg um 45 %, die Belastungsbeständigkeit um 22 %.

Ein weiterer wichtiger Faktor für die industrielle Nutzung ist, dass das neue Material selbst im experimentellen Laborbetrieb in vergleichsweise großen Mengen hergestellt wurde. Die Forschenden produzierten ein halbes Kilogramm – erheblich mehr als bei früheren Polymeren mit mechanischen Bindungen.

Die entwickelte Methode eignet sich für die Massenproduktion, da die aufeinanderfolgenden Schritte zur Erzeugung der Kristallstruktur und der chemischen Bindungen automatisiert und skaliert werden können.

Was kommt als Nächstes?

Das Forschungsteam hat gerade erst mit der Analyse des neuen Materials begonnen.

Bislang deuten sämtliche Messwerte darauf hin, dass das Polymer außergewöhnlich fest ist – deutlich fester als jedes bisher entwickelte Polymermaterial.

„Wir müssen noch viele weitere Analysen durchführen, können aber bereits erkennen, dass das Material die Festigkeit dieser Verbundwerkstoffe erhöht. Fast jede von uns gemessene Eigenschaft war auf die eine oder andere Weise außergewöhnlich.“

William Dichtel, Professor für Chemie an der Northwestern University.

Zu den ersten weiteren Versuchen dürfte gehören, größere Mengen des Materials mit Ultem und anderen Hochleistungsfasern zu mischen.

Außerdem sollten reine Fasern daraus hergestellt und mit Kevlar und Ultem verglichen werden. Tests unter realen Bedingungen werden ebenfalls wichtig sein, um das kommerzielle Potenzial vollständig zu bewerten.

Anwendungen

Die Entdeckung knüpft an die langjährige Expertise der Northwestern University bei molekularen Bindungen an. Dort entwickelte Sir Fraser Stoddart mechanische Bindungen auf Molekülebene, um Molekülmaschinen zu schaffen, die sich kontrolliert umschalten, drehen, zusammenziehen und ausdehnen können.

Sir Stoddart erhielt für seine Entdeckung 2016 den Nobelpreis für Chemie und war Mentor von William Dichtel, als dieser als Postdoktorand forschte. Dichtel ist der leitende Wissenschaftler hinter dem neuen, kettenhemdartigen Polymer.

Dichtel sieht großes Potenzial für leichte Körperpanzerungen und ballistische Gewebe. Das Polymer dürfte sich auch für weitere Anwendungen eignen, in denen derzeit Kevlar und/oder Ultem verwendet werden.

Die extreme Festigkeit, Flexibilität und das geringe Gewicht könnten zudem neue Anwendungen ermöglichen, für die heutige Polymere nicht ausreichen, etwa in Raketen, Raumanzügen und Batterien.

Für den 3D-Druck ist das Material dagegen wahrscheinlich ungeeignet, da das partielle Schmelzen des Kunststoffs bei der additiven Fertigung vermutlich die dreidimensionalen mechanischen Bindungen des Polymers zerstören würde.

Investieren in Polymere

Der Polymermarkt ist riesig: 2024 hatte er einen Wert von bis zu 792 Milliarden US-Dollar. Bis 2034 soll er mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 5,4 % auf 1,3 Billionen US-Dollar wachsen.

Quelle: Precedence Research

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Wenn Sie keine einzelnen Unternehmen auswählen möchten, können Sie auch ETFs wie den iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) oder den Vanguard Materials ETF (VAW) in Betracht ziehen. Sie bieten eine breiter gestreute Beteiligung an der Chemieindustrie.

Polymerunternehmen

DuPont

DuPont ist ein großer Chemiekonzern mit zahlreichen wichtigen Markenchemikalien, darunter Kevlar, Styrofoam, Nomex (Brandschutz) und Great Stuff (Bauklebstoff).

DuPont ist ein traditionsreicher Konzern mit einer komplexen Übernahmegeschichte und zuletzt mehreren Ausgliederungen.

Quelle: DuPont

Durch diese Ausgliederungen trennte DuPont die Bereiche Ernährung und Biowissenschaften, die teilweise an Corteva Biosciences (CTVA ) verkauft wurden, die Titanprodukte, aus denen die Chemours Company (CC ) hervorging, sowie Mobilität und Werkstoffe ab.

Im November 2025 soll außerdem das Geschäft mit Elektronikchemikalien ausgegliedert werden. Das Wassersegment mit Membranen und Filtern für Wasseraufbereitung und Entsalzung wird entgegen früheren Plänen im Konzern verbleiben.

Quelle: DuPont

Damit wird DuPont deutlich fokussierter. Das Kerngeschäft umfasst dann Hochleistungspolymere für Wasseraufbereitung und Schutzausrüstung sowie fortschrittliche Werkstoffe für Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen und Elektrofahrzeuge.

Quelle: DuPont

DuPont ist ein internationaler Konzern mit hoher Nachfrage nach Spezialchemikalien für Wasseraufbereitung und industrielle Fertigung.

Die Chemikalien von DuPont bedienen sehr unterschiedliche Branchen, darunter Bauwesen, Wasseraufbereitung, Elektronik, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen, grüne Energie und industrielle Produktion.

Quelle: DuPont

DuPonts starke Stellung bei Schutzausrüstung und die etablierte Marke Kevlar sollten dem Konzern helfen, sich auf neue ultrafeste Polymerfasern wie die hier beschriebene einzustellen. Denkbar ist auch, solche Materialien durch Hybridfasern in die Kevlar-Produktlinie zu integrieren.

Mit dem Wachstum neuer Technologien und des Wasserverbrauchs steigt in jedem Fall auch die Nachfrage nach den von DuPont hergestellten Hochleistungschemikalien.

Studienreferenz:

^{1. Madison I. Bardot et al. (2025) Mechanically interlocked two-dimensional polymers.Science387,264-269. DOI:10.1126/science.ads4968}