Der Trend zur Nachhaltigkeit: Vliesstoff-Industrie reagiert mit breitem Produkt-Spektrum

Für die Bereitstellung von nachhaltigen Vliesstoffen heißt es materialtechnisch schon heute mehr Stoffe für den Gebrauch von morgen zu konstruieren. Ziel ist es übermorgen hinsichtlich Ökologie und Ökonomie eine optimale Wiederverwertung und Entsorgung erzielen zu können. Eine wichtige Aufgabe also für die Verfahrens- und Produktentwickler in Forschung und Industrie, die bereits mit den ersten Produkten auf dem Markt kommen.

Die Vliesstoff-Industrie schafft durchaus innovative Impulse mit wirtschaftlichen und funktionellen Produkten zum Beispiel zur Filtration, zum Leiten und Speichern von Wasser, zur Gewinnung von nutzbarem Oberflächenwasser, zur Verhinderung von Wasserverdunstung und zum Schutz gegen das Abschmelzen von Gletschern und Eis, schreibt Dr. Peter Böttcher in der Fachzeitschrift »Nonwovens & Technical Textiles« (avr).

Kunststoffprodukte wie Folien oder Vliesstoffe werden als Biokunststoffe bezeichnet, wenn sie unabhängig von der Rohstoffbasis nach der europäische Norm EN 13432 biologisch abbaubar oder kompostierbar sind. Unter den Bio-Polymeren aus Pflanzenrohstoffen werden dem Polylactid (PLA) große Chancen eingeräumt, da es gute funktionelle Eigenschaften mit guten Abbaueigenschaften kombiniert. Um darüber hinaus Nahrungsmittel-Ressourcen zu schonen, soll PLA perspektivisch statt aus Maisstärke aus Biomasse gewonnen werden.

Für die Herstellung von Faser-Vlies-Stoffen bietet etwa Trevira eine Reihe von PLA­Fasertypen an – zum Beispiel Fasern für die mechanische Vliesverfestigung durch Vernadeln oder Wasserstrahlverwirbeln oder für die Nass-Vlies­Herstellung Biko-Fasern für eine thermische Verfestigung.

Entscheidend ist jedoch natürlich auch der eigentliche Produktionsprozess, der vor allem energetisch Nachhaltigkeit durch Reduzierung des Energieverbrauchs bereitstellen soll. Beispiele sind: Lösungen zur Erhöhung der Flächenmassegleichmäßigkeit und damit Reduzierung der Vlies-Stoffmasse und Entwicklung von Anlagentechnik zur Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe wie Lyocell und PLA. Energetisch wird auf Einsatz von Blockheizkraftwerken für die Anlagenversorgung mit Strom und Wärme, Heizen mit Gas statt Strom, Energieeffizienzpakete für Kalander mit Einhausung, Einsatz effektiver Motoren und frequenzgeregelter Pumpen, sowie Rückspeisung von Bremsenergie und Wärmerückgewinnung aus Abluft.

Beispiel-Anwendungen für aktuelle nachhaltig angelegte Vliese

Vlies-Stoffe im Hygienebereich sind meist als sogenannte »Wegwerfprodukte« im Einsatz. Hier stehen dem nicht so nachhaltigen Rohstoffeinsatz erhebliche positive Effekte der wirtschaftlichen und ökologischen Entsorgung von festen oder flüssigen Problemabfällen entgegen. Peter Böttcherführt in seinem Artikel in der avr-Ausgabe 3/18 weitere konkrete Beispiele auf:

Das Vlies-Stoff-Unternehmen Freudenberg bietet beispielsweise eine Eco-Variante der Wattierung aus Faserbällchen. Diese nachhaltige High-Performance-Wattierung für den Einsatz im Sportbereich besteht zu 80 Prozent aus recycelten Fasern. Die restlichen 20 Prozent sind ein Bindermaterial, das für die Herstellung einer zusammenhängenden Fläche als Wattierung dient.

Geokunststoffe wie Nadel-Vliesstoff oder Geogitter werden mit relativ geringem Energieaufwand und emissionsfrei hergestellt. Ihr Einsatz im Tief- und Straßenbau weist neben wirtschaftlichen auch ökologische Effekte auf. So wurde von der Firma Huesker in einem Projekt beim Bau einer zweispurigen Straßenüberführung nachgewiesen, dass statt klassischer Bauweise mit Austausch des Lehmbodens durch den Einsatz von Geokunststoffen die transportbedingte Emission von C02um 35 Prozent und die Baukosten um 55 Prozent reduziert werden konnten.

Bikomponenten-Lösungsmittel-Spinnprozess für PLA-Fasern mit pH-neutralem Abbauverhalten entwickelt

 Am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA) werden PLA-Fasern mit Mikrogelen entwickelt, die pH-neutral abgebaut werden können. Durch die Verwendung eines Bikomponenten-Lösungsmittelspinn-Prozesses soll die Verteilung der Mikrogele in der Faser kontrolliert werden, so dass eine für die textile Weiterverarbeitung ausreichende Faserfestigkeit erzielt werden kann.

Der Einsatz von Implantaten aus Polyhydroxycarbonsäuren (PLA) ist besonders im medizinischen Einsatz wichtig, die Vermeidung von Zweitoperationen zur lmplantat-Entfernung, sowie die Vermeidung von Langzeit-Fremdkörperreaktionen stehen dabei im Fokus einer guten, störungsfreien medizinischen Versorgung.

Die Forscher Georg-Philipp Paar, (Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University), Catalina Molano und Andrij Pich (DWI-Leibniz Institut für interaktive Materialien, Aachen), Renate Fourne (Fourne Maschinenbau GmbH) sowie Thomas Gries (Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University) und Stefan Jockenhövel (Institut für Textiltechnik / AME-Helmholtz Institute for Biomedical Engineering) beschreiben im Fachmagazin „melliand Textilberichte“ die Entwicklung dieser speziellen PLA-Fasern für die maschinelle Verarbeitung.

PLA-Fasern sind bereits etablierte biologisch abbaubare Polymere für chirurgisches Nahtmaterial, wirkstoff-freisetzende Systeme und Osteosynthese-Systeme. Das Problem ist, dass bei herkömmlichem Materialien der vorwiegend hydrolytische Abbau dieser Polymere Produkte freigesetzt werden, die zu lokaler Übersäuerung führen können. Der Abfall des pH-Werts kann zu dramatischen klinischen Folgen, wie etwa massiven Entzündungs-Reaktionen bis hin zur vollständigen Gewebezerstörung, führen.

Die geringe Protonenbindungs-Kapazität herkömmlicher Additive führte bis dato zu einem instabilen Spinnprozess bei der Materialerstellung und ist letztlich der Grund der intensiven Forschung. Das finale Ziel des Projekts am ITA ist daher die Herstellung pH-neutral abbauender PLA-Fasern, deren Festigkeit ausreichend für die textile Weiterverarbeitung ist.

pH-Wert responsive Mikrogele bilden den richtigen Ansatz

Ansatz zur effektiven Pufferung der PLA-Fasern ist die Zugabe von Mikrogelen. Amin-basierte Mikrogele sind pH-Wert responsive, kolloidale Polymernetzwerke, die sich im Besonderen aufgrund ihrer hohen Biokompatibilität und hohen Protonenbindungs-Kapazität im Vergleich herkömmlichen Additiven erkennbar besser eignen.

Die unkontrollierte räumliche Verteilung der Mikrogele in die Faser führt bisher jedoch leider zu einem instabilen Spinnprozess. Außerdem variiert die Faserfestigkeit der aus dem Prozess resultierenden Fasern stark.

Mittels der Kombination einer festigkeitsgebenden Komponente und einer pH-Wert puffernden Komponente sollen jetzt Fasern hergestellt werden, die für die textile Weiterverarbeitung geeignet sind und pH-neutral abbauen. In Spinnversuchen werden unter anderem die Technologie (Trocken-/Nass-/Airgap-Spinnen), das Molekulargewicht des PLA, die Spinnlösung, Prozessparameter und die Düsengeometrie variiert. Darüber hinaus werden abschließend die Fasereigenschaften in Zug- und Degradations-Versuchen evaluiert.

Das EU-geförderte Projekt untersucht zudem die Mikrogel-Synthese sowie die Herstellung nanoskaliger Fasern in einem Bikomponenten-Elektrospinnprozess (DWI). Darüber hinaus wird die räumlich definierte Einbringung von Mikrogelen in nicht-faserige PLA-Strukturen erforscht. Dabei liegt der Fokus auf der Herstellung von 3D-gedruckten PLA-Strukturen, die ebenfalls pH-Wert neutral abbauen.

Kratzfest, geruchsneutral und kostengünstig: Kunststoffteile im KFZ-Innenraum mit Silikon-Compounds

Menschen verbringen heute viele Stunden im Auto – entsprechend wohnlich soll der Innenraum sein und beim Sehen und Anfassen einen hochwertigen Eindruck erwecken. Je weiter es jedoch  in der Modellhierarchie nach unten geht, desto preissensibler werden die potenziellen Käufer. Zudem zählt der Innenraum zu den wenigen Bereichen eines Autos, wo die Hersteller sparen können, ohne Abstriche an der Funktionalität oder Sicherheit zu machen. Für die Verkleidungen werden deshalb oft Bauteile aus Materialien verwendet, die deutlich weniger aufwändig herzustellen sind – etwa aus talkgefülltem Polypropylen. Nachteil: Sie sind kratzempfindlich und können im Gebrauch schnell unansehnlich werden

Oft kommen matte Kunststoffoberflächen zum Einsatz – sie fühlen sich samtig an, sehen gut aus und vermeiden Lichtreflexionen, die den Fahrer irritieren oder blenden könnten. Aber je matter eine solche Oberfläche ist, desto größer ist ihre Kratz- und Abriebempfindlichkeit. Dem Kunststoff-Verarbeiter stehen viele Methoden zur Verfügung, mit denen er dem preiswerten Kunststoff dauerhaft einen wertigen Eindruck verleihen kann. So kann das harte Material mit einem thermoplastischen Elastomer beschichtet, lackiert oder mit Heißprägefolien veredelt werden. All diese Verfahren verteuern jedoch die Bauteile spürbar.

Einfacher und billiger ist es, wenn der Compound-Hersteller die Oberflächen-Eigen­schaften des Kunststoffs mithilfe eines Zusatzstoffs modifiziert. Herkömmliche Additive haben jedoch erhebliche Schwächen und Nebenwirkungen, die gerade in der Automobilbranche nicht toleriert werden. Organische Gleitmittel etwa riechen unangenehm und wandern im Laufe der Zeit aus dem Kunststoff heraus. Das aus der Kunststoffoberfläche tretende Gleitmittel ergibt zudem einen unangenehmen haptischen Eindruck, den es zu vermeiden gilt.

Silikonöle, ebenfalls Klassiker unter den Gleitmitteln, sind zwar geruchlos und verkraften problemlos hohe Temperaturen, tendieren aber noch stärker als die organischen Gleitmittel dazu, aus dem Kunststoff auszuwandern. Darauf reagierten die Hersteller, indem sie ultrahochmolekulare Silikon-Polymere auf den Markt brachten, die wegen ihres hohen Molekulargewichts praktisch nicht mehr auswandern. Allerdings sind diese hochviskos, lassen sich also kaum in die thermoplastischen Kunststoff-Mischungen einarbeiten.

Silikon-Pelletes als Problemlöser

Dieses Problem lösten Compound-Produzenten durch seit Ende der neunziger Jahre erhältlichen Silikon-Masterbatches, die als feste Granulate ohne Schwierigkeiten eingemischt werden können. Bei ihnen muss der Hersteller aber als Nachteil in Kauf nehmen, dass er für jeden einzelnen Thermoplasten, den er mit dem Additiv modifizieren will, ein eigenes Additiv-Masterbatch vorhalten muss. Zweifellos nicht besonders wirtschaftlich. Ziel war es also ganz klar, ein hochwirksames und leicht zu verarbeitendes Silikon-Additiv zu entwickeln, das sich universell für jeden thermoplastischen Kunststoff eignen sollte.

Wie die beiden Autoren Dr. Klaus Pohmer und Martin Schmid von der Wacker Chemie (München) in der Fachzeitschrift Plastverarbeiter schreiben, ist mittlerweile der richtige Schritt gelungen:

Nach der Herstellung der ersten Proben des Additivs begannen die umfangreichen anwendungstechnischen Prüfungen. Hier mussten die Silikon-Pellets ihre Wirksamkeit und Praxistauglichkeit anhand von talkgefüllten Polypropylen-Mischungen beweisen und sich dem Vergleich mit marktgängigen Konkurrenzprodukten stellen. Auch hinsichtlich etwaiger Nebenwirkungen wurden Test-Reihen durchgeführt, die zu einem klaren Ergebnis führen: Die Silikon-Pellets verringern die Oberflächenreibung des Kunststoffs und verbessern dadurch die Kratz- und Abriebbeständigkeit. Die Zugfestigkeit und die Steifigkeit werden sogar besser. Außerdem zeigten die Tests, dass der modifizierte Kunststoff nicht klebrig wird, wenn er ultraviolettem Licht ausgesetzt wird. Daher fühlen sich die Bauteile aus modifiziertem Polypropylen auch nach intensiver Sonneneinstrahlung noch gut an.

Im Unterschied zu organischem Additiv migriert das langkettige Silikon nicht aus dem Kunststoff aus, auch nicht bei höheren Temperaturen. Unangenehme Gerüche und Ausblühungen sowie lästige Beläge auf der Windschutzscheibe gehören der Vergangenheit an. Und weil Kunststoffoberflächen mit dem neuen Additiv deutlich kratz- und abriebbeständiger werden, sehen sie im Fahrzeug-Innenraum auch nach längerer intensiver Nutzung noch fast wie neu aus.

PU-Beschichtungen können durch phosphorhaltige Flammschutzmittel zersetzt werden

Mit Hilfe chemisch instrumenteller Verfahren kann ein tiefer Einblick in das Zusammenspiel verschiedener Abbauprozesse von Flammschutzmitteln und einer Polymerbeschichtung gewonnen werden. Unter klimatisch ungünstigen Bedingungen kann eine Langzeitstabilität der Funktionsbeschichtung nur bedingt gewährleistet sein, das zeigen diese Verfahren ganz deutlich.

Die Anwendung von mehreren phosphorhaltigen Flammschutzmitteln in polyurethanbeschichteten Textilien ist aufgrund der Oxidations- beziehungs Hydrolyse-Empfindlichkeit, als kritisch zu betrachten, schreiben Sebastian Eibl und Matthias Müller des Wehrwissenschaftlichen Institut für Werk- und Betriebsstoffe in der Fachzeitzeitschrift „Technische Textilien“.

Polyurethane (PU) werden ja in der Textilindustrie sehr vielfältig eingesetzt, finden sich etwa in Klebstoffen, Elastikfäden und Schäumen. Um bei Textilien die Entflammbarkeit zu reduzieren, wurden früher meist halogenierte Flammschutzmittel in Kombination mit dem Antimontrioxid eingesetzt. Mögliche toxikologische und ökologische Auswirkungen führten zur Entwicklung von phosphorhaltigen Alternativen. Zur Optimierung der flammhemmenden Eigenschaften wurden zudem oft mehrere Flammschutzmittel kombiniert. Das zeigt sich nun als negativ bei der Haltbarkeit der PU-Beschichtungen.

Mehr Schaden als Nutzen für Beschichtungen?

Bei verschiedenen untersuchten Materialien kam es zu einer Schädigung der PU-Beschichtung wobei Farbveränderungen, Klebrigkeit und Geruchsentwicklung sowie Korrosion bei metallischen Anwendungen auftraten.

Eine Schädigung der PU-Beschichtung kann man zum Beispiel als Folge eines Oxidations- und Hydrolyse-Prozesses während der Lagerung von Funktionstextilien im gefalteten Zustand erkennen. Dabei kommt es zu einer Umsetzung der phosphorhaltigen Flammschutzmittel zu o-Phosphorsäure.

Bereiche, die im gefalteten Zustand eines Textils bevorzugt Kontakt mit (Außen-)Luft aufweisen, zeigen niedrigere pH-Werte, beziehungsweise einen höheren o-Phosphorsäuregehalt. Bei sehr stark geschädigten Beschichtungen wird eine Umwandlung von bis zu 46 Prozent der vorhandenen Flammschutzmittel in o-Phosphorsäure und das mit einem pH-Wert von 2,0 beobachtet.

Durch die Unbeständigkeit des Polyurethans gegenüber starken Säuren kann daher die auftretende Klebrigkeit auf eine Abbaureaktion des Polyurethans zurückgeführt werden, so die Autoren.

Insgesamt betrachtet handelt es sich also um einen konzertierten Abbauprozess, bei dem sich Hydrolyse und Oxidation der Flammschutzmittel, beziehungsweise der Abbau des Polyurethanpolymers gegenseitig beschleunigen. Eine vollständige Funktionalität der Textilbeschichtung ist daher in Bezug auf den erforderlichen Flammschutz auf Dauer nicht ausreichend gewährleistet.