Advanced Materials

Der Begriff "Advanced Materials" wird im Bereich der Materialwissenschaften seit etwa drei Jahrzehnten verwendet. Er bezeichnet eine Gruppe neuartiger Materialien, die gegenüber bislang bekannten und verwendeten Materialien verbesserte oder gar einzigartige Eigenschaften aufweisen. 2013 wurde seitens der EU-Kommission im DAMADEI-Report folgender Definitionsvorschlag gemacht: „Advanced Materials“ sind Materialien, die neuartige Eigenschaften oder Funktionalitäten aufweisen, bzw. solche, die über neuartige Herstellungsverfahren erzeugt werden. Eine einheitliche, allgemein gültige Definition gibt es allerdings bis dato noch nicht.

Neuere nationale Technologieprogramme, wie die Deutsche "High-Tech Strategie 2025" setzen einen Förderungsschwerpunkt bei der Erforschung von "neuen und optimierten Materialien" an, und auch das EU-Rahmenprogramm 'Horizon 2020' sieht in "Advanced Materials" 'key enabling technologies' (Schlüsseltechnologien) des 21.Jahrhunderts, die für einen weiteren Fortschritt der industriellen Technologien essentiell ist.

 

Wie solche 'neuartigen Materialien', auch 'innovative Werkstoffe' genannt, gegenüber anderen Werkstoffen abzugrenzen sind, lässt sich derzeit allerdings nicht klar definieren. Im allgemeinen Verständnis gehören dazu Kompositwerkstoffe (oft eine Matrix aus Metall oder Kunststoff, in welcher funktionelle Additive eingearbeitet wurden), aber auch viele neuartige Nanomaterialien, Halbleiter, Legierungen, etc.. Zudem werden meist auch die mit Additiver Fertigung u.a. im 3D-Druckverfahren hergestellten Materialien hinzugerechnet.

 

Im EU-Raum liegen bislang noch keine verlässlichen Informationen über die Arten, Mengen, und Verwendungszwecke von 'Advanced Materials' vor. Die EU-Gesetzgebung erfasst zwar einzelne Materialgruppen wie z.B. Nanomaterialien sowie die Risikobewertung von Stoffen, Gemischen bzw. Erzeugnissen durch die REACH- und CLP- Regelungen. Hingegen sind die Begriffe 'Materialien' oder 'Advanced Materials' im europäischen Chemikalienrecht nicht definiert.

 

Die hier möglichen Regulierungslücken haben die deutschen Bundesbehörden (BfR, BAuA, UBA, PTA und BAM) bereits 2016 dazu veranlasst, die rasche Entwicklung von adäquaten Prüf- und Bewertungsvorschriften zu fordern. Gemeinsam mit der EU-Chemikalienagentur ECHA und dem für REACH und CLP zuständigem Expertengremium CARACAL[1] sowie in Expertenberatungen der OECD und der WHO sollen Antworten auf die Herausforderungen des Umgangs mit diesen neuartigen Materialien gesucht werden. Zudem hat sich das im Vorjahr begonnene Verbundprojekt 'InnoMat.Life' des deutschen BfR [2], das im April 2019 begann, zum Ziel gesetzt, die Gesundheits- und Umweltrisiken innovativer Materialien, wie auch neuer Produktionsverfahren zu erforschen, um so Grundlagen für eine bessere Regulierung und Risikobewertung bereitzustellen.

 

Im Hinblick auf den Schutz der Personen, die mit der Herstellung solcher Materialien beschäftigt sind, aber auch für die Verbraucher und die Umwelt, sind vor allem die Partikel und Fasern relevant, welche freigesetzt und inhaliert werden können. Von der Weltgesundheitsorganisation WHO wurde 2018 eine Leitlinie vorgelegt. Sie nennt darin als Materialien, die als besonders problematisch anzusehen sind diejenigen, die zur Freisetzung von granulären biobeständigen Partikeln, oder zur Freisetzung von inhalierbaren, steifen und beständigen Fasern (nach WHO-Kriterien: Ø< 3μm, mit mehr als 5 μm Länge) beitragen können.

 

In Erinnerung an die bekannte Asbest-Problematik – die auch mehr als 40 Jahre nach dem europaweiten Verbot noch immer Tausende von Todesfällen verursacht – muss bei neuartigen Materialien, die oft feinkristalline oder faserige biobeständige Bestandteile enthalten, besonders auf eine anwendungssichere Gestaltung geachtet werden.

 

Für drei Gruppen von Materialien und Materialbestandteilen liegen dazu bereits ausreichende Daten vor, welche die Anwendung von strikten Vorsichts- und Schutzmaßnahmen für die Beschäftigten bei der Produktion und Verwendung dieser Materialien als notwendig erscheinen lassen:

 

-           Neuartige Kohlenstoffnanoröhrchen CNTs (dies sind Hohlzylinder aus einem Gitter von             Kohlenstoffatomen, die besondere Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit aufweisen);

solche CNTs sind sehr beständig und weisen Dimensionen auf, die denen von Asbestfasern

ähneln. Sie können wegen ihrer kleinen Dimensionen leicht eingeatmet werden, und unter

Hinweis auf die in Tierversuchen nachgewiesenen Fähigkeiten von CNTs, Vorstufen von Krebs     auszulösen, empfiehlt das U.S. NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health)

die Verwendung von Schutzanzügen und Atemschutzmasken beim Umgang mit diesen

Substanzen; gesundheitliche Gefährdungen von Arbeitenden könnten bereits bei einer sehr

geringen Exposition von nicht mehr als 0.001 mg je m3 auftreten. [Details s. Annex A]

 

-           Kohlenstofffasern, die im Flugzeug- und Fahrzeugbau als Bestandteil von Kompositmaterialien oft verwendet werden, geben Anlass zur Besorgnis: sie werden aus Garnen oder Fäden hergestellt und weisen Durchmesser von ca. 7μm auf. Wegen dieser Dimensionen können sie zwar inhaliert werden, können aber nicht bis in die Lungenbläschen vordringen. Allerdings wurde in Versuchen gezeigt, dass sie bei mechanischer und thermischer Beanspruchung (und im Brandfall) ebenfalls lungengängige und biobeständige Kohlenstoff-Faserbruchstücke in großer Zahl freisetzen können.

 

-           Neuartige Stein-Kompositmaterialien ('engineered stone') werden seit den 1980er Jahren in rasch wachsenden Mengen an der Stelle von Marmor- oder Granit-Oberflächen für Küchen und Bäder verwendet. Sie bestehen zu mehr als 90 % aus feinkristallinem Quarzpulver, das mit Kunstharzen vermengt und zu Platten geformt wird. Gegenüber natürlichen Materialien sind solche Komposite frei von Defekten und Porosität, flexibel und zugleich härter als die meisten natürlichen Steinoberflächen. Aus diesen neuartigen Materialien können bei der Herstellung, dem Polieren und dem Zuschneiden jedoch biobeständige und die Lungen schädigende Feinstäube freigesetzt werden, und die US Arbeitsschutzbehörde OSHA hat vor den ernsten gesundheitlichen Risiken nachdrücklich gewarnt[3]. Aus vielen Ländern liegen Erfahrungsberichte über irreversible und rasch verlaufende Silikose-Erkrankungen vor. [Details s. Annex B]

 

 

 


[1] CARACAL: Competent Authorities for Registration, Evaluation, Authorisation and restriction of Chemicals (REACH) and Classification, Labelling and Packaging (CLP)

[2] InnoMat.Life: Innovative Materialien und neue Produktionsverfahren –

Sicherheit im Lebenszyklus und der industriellen Wertschöpfung,

http://www.innomatlife.de/

 

[3] US OSHA – Occupational Safety and Health Administration:

Hazard Alert: Worker Exposure to Silica during Countertop Manufacturing, Finishing and Installation,

(02/2015), 8 p.,

https://www.osha.gov/Publications/OSHA3768.pdf

 

Arbeitsplatzgrenzwerte 2019

Nanofasern