Siegmann, Konstantin

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Materialforschung12 SWISS ENGINEERING APRIL 2018Ein Quantensprung in der SkiwachstechnologieEin Designermolekül löst das Problem der modernen, aber kurzlebigen Skiwachse. Entwickelt wurde es in Winterthur an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften.ser Idee wurde photoreaktives Skiwachs ent-worfen und hergestellt.Photoreaktives Skiwachs bildet interme-diär eine hochreaktive SpeziesIn Bild 1 ist ein Ball-and-Stick-Modell von photoreaktivem Skiwachs gezeigt. Es ist mo-dular aufgebaut und die einzelnen Segmente sind eingekreist. Zuoberst sieht man die per-fluorierte Kette, das Wachs. Dieses ist an ei-nen aromatischen Ring gebunden, der An-tenne, der ultraviolettes Licht absorbieren kann. Zuunterst die reaktive Gruppe, ein Azid, das aus drei Stickstoffatomen besteht.Und so soll es funktionieren (Bild 2): Das re-aktive Skiwachs wird in hoher Verdünnung in einem Lösungsmittel gelöst und durch Sprühen auf den Belag aufgebracht. Nach dem Trocknen wird der Ski mit einer Queck-silberdampflampe bestrahlt. Das ultraviolette Licht der Lampe wird von der Antenne (dem aromatischen Ring) absorbiert und aktiviert die reaktive Gruppe.Die Energie des ultravioletten Lichts wird auf das Azid übertragen, das molekularen Stick-stoff abspaltet und so das kurzlebige, hochre-aktive Nitren erzeugt. Das Nitren schiebt sich dann in eine C-H-Bindung des Skibelags ein und bindet damit das ganze Molekül che-misch und dadurch dauerhaft an den Belag.Immer schneller – das gilt auch für den Ski-sport. Um dieser Vorgabe gerecht zu werden, braucht es nicht zuletzt gutes Skiwachs. Die-ses soll den Gleitwiderstand der Ski auf Schnee minimieren. Durch die Reibung der Ski auf dem Schnee bildet sich ein dünner Wasserfilm, der schmiert und für das Gleiten der Ski verantwortlich ist. Es gilt, je wasser-abweisender der Skibelag, desto schneller der Ski. Früher wurden für bessere Gleiteigen-schaften einfache Paraffinwachse auf die Laufflächen der Ski aufgetragen, moderner sind hochfluorierte Kohlenstoffverbindun-gen, die einiges wirksamer sind. Allen bishe-rigen Wachsen ist jedoch gemeinsam, dass sie schnell abgerieben werden, die Lauf- flächen nach kurzer Zeit wieder blank sind und die Reibung erhöht wird. Konventionelle Skiwachse haften nicht einmal genügend lan-ge für die Dauer eines Rennens. Wünschens-wert wäre ein Wachs, das mit dem Skibelag eine feste Bindung eingeht und damit län-ger darauf haften bleibt. Die Entwick-lung eines solchen Wachses wurde in Zusammenarbeit mit der Firma TOKO in Angriff genommen.Das Problem: Der inerte Ski-belagDie Herausforderung dabei ist, dass Skibeläge aus Ultra-High-Molecu-lar-Weight-Polyethylene (UHMW-PE, eine Art Polyethylen) bestehen, einem sehr inerten Kunststoff. UHM-WPE besteht aus langen Kohlenwasser-stoffketten, die durch äusserst stabile Kohlen-stoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff- bindungen zusammengehalten werden. Drasti-sche Bedingungen sind nötig, um an UHMW-PE anzubinden und das Skiwachs damit zu verknüpfen. Das sogenannte Pfropfen von UHMWPE erfordert Reaktionen, wie sie bei-spielsweise von Nitrenen bekannt sind. Ein Nitren ist eine Stickstoffspezies mit nur sechs Valenzelektronen, einem Sextett, das kurz-lebig und hochreaktiv ist und sich deshalb selbst in C-H-Bindungen einzuschieben ver-mag. Wäre es möglich, das Skiwachs an ein Nitren zu koppeln, könnte man das Wachs darüber an den Skibelag anbinden. Nach die-Wachs AntennereaktiveGruppeBild 1: Ball-and-Stick-Modell von photoreakti-vem Skiwachs. Die funktionellen Gruppen sind eingekreist. Hellblau: Kohlenstoff, dunkelblau: Stickstoff, rot: Sauerstoff, olive: Fluor, weiss: Wasserstoff.Bild 2: Die Anbindung von photoreaktivem Skiwachs erfolgt mit Hilfe von ultraviolettem Licht.zhawzhawSWISS ENGINEERING APRIL 2018 13In Labortests überzeugendSo weit die Chemie. Aber ist photoreaktives Skiwachs wirklich beständiger als konventio-nelles? Um dieser Frage im Labor auf den Grund zu gehen, wurde ein Abriebtest ent-worfen und auf die neuen Oberflächen ange-wandt. Eine Polyethylenscheibe, die mit pho-toreaktivem Skiwachs beschichtet worden ist, wurde mit Hilfe eines Elektromotors in schnelle Drehung gebracht. Dann wurde die rotierende Scheibe in ein Wasserbad mit kleinen Eisstückchen getaucht. Die Eisstück-chen kollidieren mit der Scheibe und reiben sie ab, ähnlich wie bei einer Skifahrt. Der Ab-rieb des photoreaktiven Skiwachses kann mit Hilfe moderner Spektroskopie als Funktion der Zeit bestimmt werden. Nicht überra-schend folgt der Abrieb einem exponentiel-len Zeitgesetz, und die Zerfallskonstanten können für jedes Skiwachs bestimmt wer-den. Es zeigte sich, dass photoreaktives Ski-wachs mehr als 2-mal langsamer abgerieben wird als konventionelles Hochleistungsski-wachs.Profiskifahrer sind begeistertErmutigt von den Labortests folgten ausge-dehnte Feldtests mit professionellen Skirenn-fahrern. Im Fokus stand der Skilanglauf, weil die Randbedingungen dabei besser kontrol-liert werden können. Gemessen wurde ein-mal der Zeitgewinn bei kurzen Abfahrten und, wichtiger noch, das Gefühl der Profis für das neue Wachs. Bei kalten Bedingungen erwies sich photoreaktives Skiwachs als das reibungsärmste, bei warmen Bedingungen waren die Unterschiede zu konventionellen Hochleistungswachsen weniger ausgeprägt. Der Zeitgewinn lag bei 0,1–0,3 Sekunden auf Bild 3: Sobald die Technologie fortgeschrittener ist – die Quecksilberdampflampen sind noch zu teuer – wird das photoreaktive Skiwachs auf den Markt kommen und für den Breitensport zugänglich sein.zhawÜber das Institute of Materials and Process EngineeringDas Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) der ZHAW School of Engineering verfügt über umfassende Kompetenzen in Materialwissenschaften und Verfahrenstechnik, deren Kombination die Entwicklung von innovativen Materialien, Beschichtungen, Herstellungsverfahren sowie von Pro-zessen und Anlagen ermöglicht. ▶ www.zhaw.ch/impe20 Sekunden Abfahrt, das entspricht einer Performanceverbesserung von 0,5–1,5 %, und übertrifft die anfangs geforderte Perfor-manceverbesserung von mindestens 0,5 %.Im Februar 2018 wurde das photoreaktive Skiwachs an den Olympischen Winterspielen in Südkorea angewendet. Sobald die Techno-logie fortgeschrittener ist – die Quecksilber-dampflampen sind noch zu teuer – wird das photoreaktive Skiwachs auf den Markt kom-men und für den Breitensport zugänglich sein. Konstantin Siegmann Wissenschaftlicher Mitarbeiter am IMPEwww.zhaw.ch/impeLEHRGÄNGE WIRTSCHAFT UNDMANAGEMENT Nachdiplomstudium NDS HF  Betriebswirtschaftslehre für Führungskräfte Nachdiplomstudium NDS HF Qualitätsmanagement Qualitätsfachleute mit IBZ Diplom Technische Kaufl euteWeitere Lehrgänge und Termine Infoveranstaltungen:www.ibz.chAnzeige

Ein Quantensprung in der Skiwachstechnologie

Materialforschung
12 SWISS ENGINEERING APRIL 2018
Ein Quantensprung in der Skiwachstechnologie
Ein Designermolekül löst das Problem der modernen, aber kurzlebigen Skiwachse. Entwickelt wurde es in 
Winterthur an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften.
ser Idee wurde photoreaktives Skiwachs ent-
worfen und hergestellt.
Photoreaktives Skiwachs bildet interme-
diär eine hochreaktive Spezies
In Bild 1 ist ein Ball-and-Stick-Modell von 
photoreaktivem Skiwachs gezeigt. Es ist mo-
dular aufgebaut und die einzelnen Segmente 
sind eingekreist. Zuoberst sieht man die per-
fluorierte Kette, das Wachs. Dieses ist an ei-
nen aromatischen Ring gebunden, der An-
tenne, der ultraviolettes Licht absorbieren 
kann. Zuunterst die reaktive Gruppe, ein 
Azid, das aus drei Stickstoffatomen besteht.
Und so soll es funktionieren (Bild 2): Das re-
aktive Skiwachs wird in hoher Verdünnung 
in einem Lösungsmittel gelöst und durch 
Sprühen auf den Belag aufgebracht. Nach 
dem Trocknen wird der Ski mit einer Queck-
silberdampflampe bestrahlt. Das ultraviolette 
Licht der Lampe wird von der Antenne (dem 
aromatischen Ring) absorbiert und aktiviert 
die reaktive Gruppe.
Die Energie des ultravioletten Lichts wird auf 
das Azid übertragen, das molekularen Stick-
stoff abspaltet und so das kurzlebige, hochre-
aktive Nitren erzeugt. Das Nitren schiebt sich 
dann in eine C-H-Bindung des Skibelags ein 
und bindet damit das ganze Molekül che-
misch und dadurch dauerhaft an den Belag.
Immer schneller – das gilt auch für den Ski-
sport. Um dieser Vorgabe gerecht zu werden, 
braucht es nicht zuletzt gutes Skiwachs. Die-
ses soll den Gleitwiderstand der Ski auf 
Schnee minimieren. Durch die Reibung der 
Ski auf dem Schnee bildet sich ein dünner 
Wasserfilm, der schmiert und für das Gleiten 
der Ski verantwortlich ist. Es gilt, je wasser-
abweisender der Skibelag, desto schneller der 
Ski. Früher wurden für bessere Gleiteigen-
schaften einfache Paraffinwachse auf die 
Laufflächen der Ski aufgetragen, moderner 
sind hochfluorierte Kohlenstoffverbindun-
gen, die einiges wirksamer sind. Allen bishe-
rigen Wachsen ist jedoch gemeinsam, dass 
sie schnell abgerieben werden, die Lauf- 
flächen nach kurzer Zeit wieder blank sind 
und die Reibung erhöht wird. Konventionelle 
Skiwachse haften nicht einmal genügend lan-
ge für die Dauer eines Rennens. Wünschens-
wert wäre ein Wachs, das mit dem Skibelag 
eine feste Bindung eingeht und damit län-
ger darauf haften bleibt. Die Entwick-
lung eines solchen Wachses wurde in 
Zusammenarbeit mit der Firma 
TOKO in Angriff genommen.
Das Problem: Der inerte Ski-
belag
Die Herausforderung dabei ist, dass 
Skibeläge aus Ultra-High-Molecu-
lar-Weight-Polyethylene (UHMW-
PE, eine Art Polyethylen) bestehen, 
einem sehr inerten Kunststoff. UHM-
WPE besteht aus langen Kohlenwasser-
stoffketten, die durch äusserst stabile Kohlen-
stoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff- 
bindungen zusammengehalten werden. Drasti-
sche Bedingungen sind nötig, um an UHMW-
PE anzubinden und das Skiwachs damit zu 
verknüpfen. Das sogenannte Pfropfen von 
UHMWPE erfordert Reaktionen, wie sie bei-
spielsweise von Nitrenen bekannt sind. Ein 
Nitren ist eine Stickstoffspezies mit nur sechs 
Valenzelektronen, einem Sextett, das kurz-
lebig und hochreaktiv ist und sich deshalb 
selbst in C-H-Bindungen einzuschieben ver-
mag. Wäre es möglich, das Skiwachs an ein 
Nitren zu koppeln, könnte man das Wachs 
darüber an den Skibelag anbinden. Nach die-
Wachs 
Antenne
reaktive
Gruppe
Bild 1: Ball-and-Stick-Modell von photoreakti-
vem Skiwachs. Die funktionellen Gruppen sind 
eingekreist. Hellblau: Kohlenstoff, dunkelblau: 
Stickstoff, rot: Sauerstoff, olive: Fluor, weiss: 
Wasserstoff.
Bild 2: Die Anbindung von photoreaktivem Skiwachs erfolgt mit Hilfe von ultraviolettem Licht.
zh
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SWISS ENGINEERING APRIL 2018 13
In Labortests überzeugend
So weit die Chemie. Aber ist photoreaktives 
Skiwachs wirklich beständiger als konventio-
nelles? Um dieser Frage im Labor auf den 
Grund zu gehen, wurde ein Abriebtest ent-
worfen und auf die neuen Oberflächen ange-
wandt. Eine Polyethylenscheibe, die mit pho-
toreaktivem Skiwachs beschichtet worden 
ist, wurde mit Hilfe eines Elektromotors in 
schnelle Drehung gebracht. Dann wurde die 
rotierende Scheibe in ein Wasserbad mit 
kleinen Eisstückchen getaucht. Die Eisstück-
chen kollidieren mit der Scheibe und reiben 
sie ab, ähnlich wie bei einer Skifahrt. Der Ab-
rieb des photoreaktiven Skiwachses kann mit 
Hilfe moderner Spektroskopie als Funktion 
der Zeit bestimmt werden. Nicht überra-
schend folgt der Abrieb einem exponentiel-
len Zeitgesetz, und die Zerfallskonstanten 
können für jedes Skiwachs bestimmt wer-
den. Es zeigte sich, dass photoreaktives Ski-
wachs mehr als 2-mal langsamer abgerieben 
wird als konventionelles Hochleistungsski-
wachs.
Profiskifahrer sind begeistert
Ermutigt von den Labortests folgten ausge-
dehnte Feldtests mit professionellen Skirenn-
fahrern. Im Fokus stand der Skilanglauf, weil 
die Randbedingungen dabei besser kontrol-
liert werden können. Gemessen wurde ein-
mal der Zeitgewinn bei kurzen Abfahrten 
und, wichtiger noch, das Gefühl der Profis 
für das neue Wachs. Bei kalten Bedingungen 
erwies sich photoreaktives Skiwachs als das 
reibungsärmste, bei warmen Bedingungen 
waren die Unterschiede zu konventionellen 
Hochleistungswachsen weniger ausgeprägt. 
Der Zeitgewinn lag bei 0,1–0,3 Sekunden auf 
Bild 3: Sobald die Technologie fortgeschrittener ist – die Quecksilberdampflampen sind noch zu teuer – 
wird das photoreaktive Skiwachs auf den Markt kommen und für den Breitensport zugänglich sein.
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Über das Institute of Materials and Process Engineering
Das Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) der ZHAW School of Engineering verfügt 
über umfassende Kompetenzen in Materialwissenschaften und Verfahrenstechnik, deren Kombination 
die Entwicklung von innovativen Materialien, Beschichtungen, Herstellungsverfahren sowie von Pro-
zessen und Anlagen ermöglicht.
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20 Sekunden Abfahrt, das entspricht einer 
Performanceverbesserung von 0,5–1,5 %, 
und übertrifft die anfangs geforderte Perfor-
manceverbesserung von mindestens 0,5 %.
Im Februar 2018 wurde das photoreaktive 
Skiwachs an den Olympischen Winterspielen 
in Südkorea angewendet. Sobald die Techno-
logie fortgeschrittener ist – die Quecksilber-
dampflampen sind noch zu teuer – wird das 
photoreaktive Skiwachs auf den Markt kom-
men und für den Breitensport zugänglich 
sein. 
Konstantin Siegmann 
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am IMPE
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