Eigenschaften und Anwendungen

Kupfer ist eines der weltweit wichtigsten Industriemetalle. Mehr als 20 Millionen Tonnen des Schwermetalls werden jährlich verbraucht. Diese hohe Nachfrage, die insbesondere durch das industrielle Wachstum Asiens getrieben ist (62 % des weltweiten Kupferverbrauchs entfallen auf Asien), verdankt es seinen hervorragenden Eigenschaften.

 

Denn es findet vor allem als hervorragender Wärme- und Stromleiter vielseitige Verwendung. Zwar leiten bspw. Silber und Gold Strom ähnlich gut, sind jedoch deutlich teurer. Aluminium gar leitet Strom besser als Kupfer, ist jedoch problematischer zu verarbeiten und im Gegensatz zu Kupfer nicht so reaktionsträge. Dies führte dazu, dass Kupfer das unangefochtene Standardmaterial für elektrische Leitungen ist. Es kommt in nahezu allen Stromkabeln, Transformatoren, Schaltern, Prozessoren u.ä. Produkten vor.

Auch Erneuerbare Energien kommen nicht ohne die exzellente Leitfähigkeit des Kupfers aus. Mit zunehmender Elektrifizierung unserer Transportmittel (Auto, Bahn, Flugzeug) steigen auch hier die Anwendungen für Kupfer. Neueste Hochgeschwindigkeitszüge, wie der ICE 3 beispielsweise, benötigen 2 bis 4 Tonnen Kupfer - die mehr als doppelte Menge des normalen elektrisch betriebenen Zuges.

Im Baubereich ist Kupfer ebenfalls ein beliebter Rohstoff: Nahezu 60 Prozent aller deutschen Häuser haben Wasserrohre aus Kupfer. Zudem findet es als Dachmaterial Einsatz und ist beliebt aufgrund seiner Beständigkeit gegen extreme Witterungsbedingungen. Kupfer bildet in Anwesenheit von Luft eine grüne Patina auf der Oberfläche aus, einem jeden von uns sind solche Dächer insbesondere von älteren Gebäuden bekannt.

Neben der Anwendung als Münzmetall ist Kupfer der derzeit am meisten verwendete Biozidwirkstoff. Als solche Substanz wird es in Antifouling-Anstrichen von Schiffen genutzt. Hierdurch wird das Anwachsen von Kleinstlebewesen (Pilzen, Algen u.ä.) verhindert, wodurch Schiffe theoretisch bis zu 40 Prozent Kraftstoff einsparen können. Die biozide Wirkung macht man sich auch beim Einsatz als vorbeugendes Holzschutzmittel zu Nutze.

Gleichzeitig ist Kupfer auch ein essentielles Spurenelement. Erwachsene Menschen benötigen tägliche ca. 1–1,5 Milligramm des Materials. Wir nehmen es durch kupferhaltige Lebensmittel, wie bspw. Schokolade, Leber, Getreide, Gemüse und Nüssen auf.

 

Nano-Kupfer

Als Nanopartikel wird Kupfer vor allem als Biozid und für elektrische Anwendungen eingesetzt. In der Informations- und Kommunikationstechnologie werden vermehrt kleine, präzise Schalt- und Leiterbahnen benötigt. Hierbei helfen bspw. Lösungen oder Pasten aus Kupfer-Nanopartikeln, die mittels neuartiger Druckverfahren gezielt aufgebracht werden können.

Antifouling-Beschichtungen für Schiffsrümpfe gelten ebenfalls als Anwendungsgebiet für Kupfer-Nanopartikel, jedoch kann hier derzeit kein Produkt identifiziert werden, welches die Angabe machte, derartige Partikel als Biozid zu verwenden.

Anders im Bereich der Biozide für die Holzimprägnierung. Der Holzschutz wird durch den Einsatz von Kupfer-Nanopartikeln in Bioziden deutlich verbessert, die Lebensdauer von Holzkonstruktionen maßgeblich verlängert und somit die Kosten für den Endverbraucher reduziert. Wässerige Formulierungen aus Kupfer-Nano- und Mikro-Partikeln in der Größenordnung von 1 nm bis 25 μm werden seit einigen Jahren kommerziell im Holzschutz eingesetzt. Den Verbrauch von Kupfer-Nanopartikeln für diese Branche schätzen Experten auf mehrere tausend Tonnen pro Jahr. Damit besitzen derartige Holzschutzmittel das Potential, eine der größten Nano-Anwendungen in Europa für schwer tränkbare Holzarten wie Rotfichte (Picea abies) und Weißtanne (Abies alba) zu werden.

 

Vorkommen und Herstellung

2011 wurden über 16 Millionen Tonnen Kupfer aus Erzminen gewonnen, allein 5,3 Millionen Tonnen in Chile, dem derzeit größten Kupferproduzenten der Welt. Kupfer ist zudem äußerst gut zu recyceln, so dass auch ein großer Teil des weltweiten Bedarfs durch sog. Sekundär-Kupfer gedeckt wird.

 

Kupfer-Nanopartikel können über nasschemische Verfahren oder mittels Flammensynthese hergestellt werden. Bei der nasschemischen Variante werden Kupfersalze, bspw. Kupfersulfat in Anwesenheit eines Stabilisator (Polymere, Aminverbindungen, etc.) zu Nanopartikeln reduziert. Dadurch enthält man kolloidale Lösungen der Nanopartikel, die direkt weiterverarbeitet werden können. Bei der Flammensynthese werden unter stark reduzierenden Bedingungen kupferhaltige Verbindungen verbrannt und so Kupfer-Nanopartikel erhalten. Hier besteht die Möglichkeit, unterschiedliche metallhaltige Verbindungen zu verbrennen, wodurch hybride Metallpartikel (Legierungen) erhalten werden können.

 

Literatur arrow down

  1. Wikipedia (DE): Kupfer (Stand letzter Zugang: 27.03.2013).
  2. Evans, P et al. (2008), Nat Nanotechnol, 3(10): 577.
  3. Evans, P et al. (2008), Nat Nanotechnol, 3(10): 577.
  4. Magdassi, S et al. (2010), Materials, 3(9): 4626-4638.
  5. Waterman, BT et al. (2010).Texte Nr. 40/2010:"Einsatz von Nanomaterialien als Alternative zu biozidhaltigen Antifouling-Anstrichen und deren Umweltauswirkungen", Umweltbundesamt, ISSN 1862-4804.
  6. Lee, Y et al. (2008), Nanotechnology, 19(41): 415604.