Vliesstoffe und Nanofasern: Neue Herstellungs-Prozesse zur Verstärkung und Veredelung

Die Herstellung kleinster Strukturen von Micro- bis hin zu Nanofasern ermöglicht einen hocheffizienten Einsatz in Bereichen wie der Akustik und Filtration. Besonderer Wert wird zunehmend darauf gelegt, die Entwicklung umweltfreundlicher, lösungsmittelfreier und letztlich auch kosteneffizienter Herstellungsverfahren zu fördern. Moderne Verfahren für Nanofasern aus Polypropylen und andere Thermoplasten zu produzieren, ist das Ziel.

Harry Albusvon JX Nippon, bzw. der JXTG Nippon Group, zeigt in seinem Bericht in der Fachzeitschrift „Technische Textilien“ (3/18) einige aktuelle Beispiele auf: Cross Laminated Airy Fabric (CLAF), Milife sowie Nanofasern aus Multifilamenten.

CLAF wird zur Verstärkung von Vliesstoffen, Folien, Papier etc. eingesetzt. Hohe Zug- und Reißfestigkeit, Atmungsaktivität, Wasser-, Chemikalienresistenz und DimensionsstabiIität in der Weiterverarbeitung sind die „Kernkompetenzen“ des Verstärkungsgewebes. Ziel ist die Performance des Textils zu erhöhen und Produktionskosten zu senken. Der Verbund mit anderen Materialien kann thermisch erfolgen oder auch per Ultraschall, sowie durch alle anderen üblichen Laminierverfahren wie auch durch Nadel- oder Wasserstahlverfestigung.

Hohe Zug- und Reißfestigkeit, gute Atmungsaktivität, Färb- sowie Bedruckbarkeit und Dimensionsstabilität in der Weiterverarbeitung zeichnen den Polyester-Vliesstoff „Milife“ aus. Durch die molekulare Ausrichtung von Polyester-Meltblown-Endlosfilamenten werden diesem Meltblown-Vliesstoff hohe Zugfestigkeiten bei gleichzeitig geringen Flächengewichten und Materialstärken verliehen. Beim Prozess entsteht durch ein spezielles Verfahren eine seidenartige Oberfläche.

Ziel dieser Entwicklung ist neben der Verstärkung anderer Textilien besonders die optische und haptische Veredlung des entstehenden, finalen Textils. Einsatzgebiete finden sich zum Beispiel im Interior-Design (etwa bei Plissees und Wandbelägen), der Verpackung, in der Medizin, für Klebebänder und andere Stoffe.

Nanofasern, per Vakuum aufgefächert und durch Laser aufgeschmolzen

Lösungsmittelfreie Herstellung von Nanofasern aus Polypropylen ist ein weiterer Schwerpunkt der Entwicklung bei JXTG. Die Entwicklung der Laser-Supersonic-Stretching Methode ermöglicht es, Nanofasern Iösungsmittelfrei, homogener, produktiver, und neben vielen anderen Thermoplasten zudem auch aus Polypropylen herzustellen. Die Ausgangsprodukte aus denen die Nanofasern hergestellt werden, sind Multifilamente, die mittels Vakuum in eine Produktionskammer hineingezogen werden.

Durch das Vakuum werden die Multifilamente zur Vibration gebracht und sie fächern auf. Die nun freigestellten einzelnen Filamente werden – getroffen von einem CO2-Laser – aufgeschmolzen. Das permanente Vakuum zieht dabei die Nanofasern aus jedem einzelnen Filament, die dann homogen auf einen frei zu wählenden Vliesstoff-Träger abgelegt werden.

Nachhaltigkeit: Der Branchenwandel in der Textilindustrie ist unaufhaltsam

Hersteller und Zulieferer – von der Chemie-Industrie bis zum Produzent der Endprodukte – muss sich in den nächsten Jahren verstärkt dem Thema Nachhaltigkeit stellen. Beginn: Jetzt. Denn die Umweltauswirkungen der Textilindustrie sind nur allzu bekannt – von der Pestizidbelastung und hohem Wasserbedarf beim Anbau, über die hohen C02-Emissionen bei der Herstellung synthetischer Fasern, bis hin zu dem unsicheren Umgang mit gesundheits- und umweltschädlichen Chemikalien im Herstellungsprozess und der Verschmutzung von Gewässern durch mangelhaftes Abwassermanagement. Und die Verbraucher – die Nutzer – verlangen immer mehr danach, diese Situation nachhaltig zu ändern.

Die Kritik setzt bereits auf konzeptioneller Ebene an, daher muss eine Neuausrichtung einen klar geänderten Gestaltungsansatz für industrielle und organisatorische Probleme anbieten – und ist eng mit einem Cradle-to-Cradle-Design-Prinzip verbunden. Dieser in sich universelle Ansatz für nachhaltiges Design überführt lineare Produktionsketten in geschlossene Stoffkreislaufe und fordert letztlich die Entstehung neuer Geschäftsmodelle.

Die Zeiten, in denen Nachhaltigkeit eher ein "nice to have" war, sind ganz klar vorbei. Heute ist es ein deutliches "must have", ein alles in allem unvermeidbarer Trend und damit aber auch ein Wettbewerbsvorteil – der auf vielen Ebenen kein Nachteil sein muss, sondern im Gegenteil gute Umsätze und Gewinne verspricht. Neben der vollständigen Entledigung des Abfallproblems durch das erwähnte Cradle-to-Cradle­Prinzip gibt es darüber hinaus weitere Ansätze, um Recycling-Prozesse und -produkte auf einen neuen Qualitätsstandard zu heben.

Transparenz und Identifikation als Merkmal

Dennoch sind weitere Forschung und eine tiefgreifende Umstrukturierung der Industrie notwendig, um solche Technologien für den großflächigen Einsatz nutzbar zu machen. Was allerdings eben nicht nur beim Produkt als solchem ansetzt, sondern auch alle Vorstufen und Ressourcen betrifft. Entscheidend für die Qualität der neuartigen Recycling Produkte ist, was am Anfang der textilen Wertschöpfungskette stattfindet. Und da steht an erster Stelle die Wahl der Fasern. Einige Fasern oder Fasermischungen lassen sich leichter in einen geschlossenen Materialkreislauf überfuhren – denn es können eben auch nicht alle Produkte durch leicht zu recycelnde Naturfasern erzeugt werden.

Erste erfolgversprechende Ansätze zur eindeutigen und fälschungssicheren Kennzeichnung und Identifizierung van Fasern liefern chemische Markierungen mit Pigmenten, die Identifizierung über QR-Codes sowie die immer präsenter werdende Blockchain-Technologie. Tatsächlich nehmen die Schlagworte Rückverfolgbarkeit und Transparenz einen stetig wachsenden Stellenwert ein.

3-D-Textilien schützen vor extremen Hitzebelastungen

Die ideale Ergänzung zu konventionellen Schutzbekleidungen sind funktionalisierte, so genannte dreidimensionale Unterbekleidungen. Diese neu entwickelte Schutzkleidung besteht aus einem mehrschichtigen Aufbau, wobei die unterschiedlichen Schichten dann eben verschiedene Funktionen übernehmen. Die zentrale Rolle kommt dabei einem Abstandgestrick zu.

Die Schutzwirkung dieses Abstandsgestricks basiert zum einen auf der Vermeidung von Hautkontakt zu den darüber liegenden Schichten der Schutzkleidung, um Verbrühungen durch den eigenen Körperschweiß zu verhindern und zum anderen wird ein Kühleffekt durch einen Feuchteabtransport erzeugt. Das Gestrick funktioniert besonders gut, indem lokal unterschiedliche Steifigkeiten erzeugt werden. Die Steifigkeit kann über den Polfaden maschinenseitig maschengenau eingestellt und im Prozess flexibel gewechselt werden.

In Deutschland sind rund 10 Prozent der Erwerbstätigen an ihren Arbeitsplatzen hohen Temperaturen ausgesetzt, schreiben die Autoren Lukas Lechthaler, Kristina Simonis, Marie-Isabel Popzyk, Christoph Peiner, Thomas Gries vom Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), Aachen sowie Markus Tutsch von STS Textiles GmbH & Co. KG, Grunbach in ihrem Fachartikel in Technische Textilien. Und ergänzen: Neben starker körperlicher Anstrengung kann eine erhöhte Umgebungstemperatur zur einer Erhöhung der Körpertemperatur und damit zu lebensbedrohlichen Hitzeschocks (ab 40° C Körpertemperatur) fuhren. Dieser Gefahr kann und muss mit der Verwendung geeigneter Schutzkleidung begegnet werden. Es zeigt auch die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Materialien.

Ein neuer Ansatz beim Hitzeschutz

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Entwicklung von hitzeexponierten Arbeitsschutz-Textilien“ liegt der Fokus auf den tieferen Bekleidungsschichten. In der Regel wird konventionelle Baumwollunterwäsche zur Aufsaugung der Feuchtigkeit verwendet, wahrend die äußeren Schichten vor Hitzestrahlung und Verbrennungen schützen. Die Baumwolle liegt dabei direkt auf der Haut auf und kann aufgrund ihres guten Absorptionsverhaltens große Mengen Feuchtigkeit aufnehmen und speichern. Das Problem dabei ist, dass die gespeicherte Feuchtigkeit durch Aufheizung von Außen, die nicht durch Schutzkleidung abgefangen wird, zu einer starken Erwärmung führt. Dadurch kann es tatsächlich zu Verbrühungen und Überhitzungen durch den eigenen Körperschweiß kommen.

Der Anteil dieser Hitzeschäden an allen Arbeitsunfällen liegt für hitzeexponierte Arbeitsplatze in Deutschland bei etwa 50 Prozent. Ziel ist es, durch Verwendung der 3D-Unterwäsche diesen Anteil auf 10 Prozent zu reduzieren.

Insbesondere druckbelastete Stellen werden dazu lokal verstärkt, um einen Kontakt von Haut und der darüber liegenden Schicht der Schutzbekleidung zuverlässig zu unterbinden. In hochbelasteten Bereichen wie Knie, Ellenbogen oder Schultern, müssen daher lokale Verstärkungen über steifere, den Abstand haltende Polfäden eingesetzt werden. Eine Möglichkeit die Steifigkeit des Polfadens im laufenden Produktionsprozess zu wechseln, gibt es jedoch nach aktuellem Forschungsstand nicht.

 

Geringere Schadstoffbelastung  durch Einsatz thermoplastischer Elastomere in Kfz-Innenräumen

Die für die meisten Menschen auffälligste Art von Emission beim Auto findet sich meist im Innenraum – der Geruch. Die Substanzen in der Luft können dabei von verschiedensten Bauteilen im Innenraum kommen. Insbesondere Kunststoffteile sind in der Vergangenheit häufiger durch einen unangenehmen Geruch aufgefallen. Interessant ist dabei, dass ein „Neuwagengeruch“ in Europa und Amerika überwiegend als angenehm bewertet wird, während er im asiatischen Raum häufig als störend empfunden wird. Durch den Einsatz neuartiger Elastomere soll zukünftig die Belastung deutlich reduziert werden.

Luftqualität ist ja generell ein großes Thema in der Automobilindustrie, doch neben den CO2- und Stickstoff-Emissionen an die Umgebung ist eben auch die Innenraumluftqualität inzwischen von großer Bedeutung – letztlich sowohl für die Hersteller als auch für die Kunden. In einigen Ländern wie etwa China, Japan und Korea, wurden gar in den letzten Jahren gesetzliche Standards eingeführt, die die maximale Konzentration von einigen Schadstoffen im Innenraum klar reglementieren. Es ist daher auch sehr wahrscheinlich, dass solche oder ähnliche Standards in Zukunft auch in Europa und Amerika in gleicher Weise zum Tragen kommen werden.Emissionswerte gehören zu den wichtigsten Materialeigenschaften für den Automobil-Innenraum, da sie maßgeblich auch zum Fahrkomfort beitragen. Aus diesem Grund dürfen Bauteile auch über lange Zeit keine Stoffe an die Luft abgeben, die durch unangenehmen Geruch auffallen oder die Gesundheit der Insassen beeinträchtigen könnten, schreiben Florian Dresel und Dr.-lng. Thomas Köppl von Hexpol TPE in Lichtenfels in einem Beitrag für die Zeitschrift Plastverarbeiter.

Emission und Lösungsansätze

Qualitativ hochwertige thermoplastische Elastomere (TPE) werden tatsächlich mit vier der fünf klassischen Sinne von Menschen positiv wahrgenommen und aus diesem Grund immer häufiger im Automobil-Innenraum eingesetzt. Das macht besonders deutlich, wie wichtig die richtige Auswahl der eingesetzten Lösungen ist. Mischungen und Rohstoffe müssen aufwändig und mit Bedacht gewählt werden.

Neben den technischen Eigenschaften von Materialien wird inzwischen auch großer Wert auf die Herkunft und die Nachhaltigkeit der Rohstoffe gelegt. Aus diesem Grund wird denn auch die Herstellung von Kunststoffen aus fossilen Rohstoffen immer häufiger kritisiert. Als umweltfreundliche Alternative werden daher Produkte entwickelt, die große Anteile an Rohstoffen auf pflanzlicher Basis enthalten. Diese nachwachsenden Rohstoffe, wie etwa Zuckerrohr, stammen zudem oft aus zertifiziert nachhaltigem Anbau (beispielsweise ISCC+) und tragen so zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks bei. Je nach Härtegrad des Materials ist gar ein biobasierter Anteil von bis zu 90 Prozent möglich.