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.

Wässriger Latexbinder für Textilträger bei Schleifanwendungen sorgt für Flexibilität und Wärmebeständigkeit

Schleifmittel auf textiler Unterlage sind eine Schlüsselanwendung bei industriellen Schleifprozessen. Dabei werden zunehmend wässrige Kunststoffdispersionen in der Herstellung solcher Produkte auf der Basis von Terpolymeren verwendet. Typischerweise besteht das Schleifmittel aus einem lateximprägnierten Gewebe aus Baumwolle, Polyester oder Mischgewebe. Der Einsatz der wässrigen Dispersionen – sowohl zur Imprägnierung als auch zur Beschichtung – erlaubt die Anpassung von Griffhärte und Steifigkeit des Gewebes.

Die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts, wie etwa die Schälfestigkeit zwischen Schleifschicht und Träger, werden durch Neuentwicklungen verbessert, und schützen das Gewebe gegen das Phenolharz. Da Reibungshitze beim Schleifprozess entsteht, geht es auch um die Beständigkeit gegen die Einwirkung von Kühlflüssigkeiten.

„Aufgrund der zunehmenden technischen sowie umweltrechtlichen Anforderungen entstand die neue Produktgeneration „Acralen SNX“, schreibt Michael Stark (Freiburg) im Fachmagazin „melliand Textilberichte 4/17“. Das neue Produkt weise eine verbesserte Schälhaftung und höheren Wärmestand auf – und sei damit ökologisch vorteilhafter. Darüberhinaus wurde die neue Rezeptur wurde auch mit Hinblick auf die Produktion eines VOC-armen Bindemittels mit niedriger CO2-Bilanz optimiert.

Verbesserte Eigenschaften bei der thermischen Belastung

Ziel der Entwicklung, so Stark, war eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften unter Beibehaltung der Besonderheiten des Vorgängerprodukts, wie chemische Beständigkeit und Belastbarkeit unter Hitze, denn Schleifen und Polieren finden bei hohen Maschinengeschwindigkeiten beziehungsweise Umdrehungszahlen statt. Daher sei eben die thermische Beständigkeit eine grundlegende Eigenschaft, die bei der Entwicklung eines hochwertigen Bindemittels für Industrieschleifmittel betrachtet werden muss. Dabei hat die Formulierung der Kunststoffdispersion, insbesondere der Monomere und der Vernetzungskomponente maßgeblichen Einfluss auf den Wärmestand .

Das aktualisierte Produkt besitzt eine gute Verträglichkeit in der Abmischung mit Phenolharzen, die typischerweise zur Fixierung des Schleifkorns auf der Oberfläche verwendet werden . Durch Zumischung eines definierten AnteiIs von „Acralen SNX“ zum Harz verleiht das Produkt dem Textil eine erhöhte Flexibilität. Diese erlaubt es dem fertigen Schleifmittel (nach dem Flex-Prozess in seiner Herstellung) sich im eigentlichen Einsatz gut an die Geometrie von Schleifgeräten und zu schleifender Oberfläche anzuschmiegen.

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Foto: Fotolia RAW

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