Textination Newsline

Thermoelektrische Textilien wandeln Temperaturunterschiede, zum Beispiel zwischen dem menschlichen Körper und der Umgebungsluft, in ein elektrisches Spannungsfeld um. Diese Technologie kann in unserem Alltag und in der modernen Gesellschaft von großem Nutzen sein. In Verbindung mit einem Sensor können so Textilien Geräte mit Strom versorgen, ohne dass dafür Batterien benötigt werden. Diese Sensoren können dazu verwendet werden, unsere Bewegungen zu überwachen oder unseren Herzschlag zu messen.

Da die Textilien körpernah getragen werden müssen, werden an die verwendeten Materialien hohe Anforderungen in Bezug auf Sicherheit und Flexibilität gestellt. Der von den Forschern getestete Seidenfaden hat eine Beschichtung aus einem leitfähigen Polymer. Dabei handelt es sich um einen Kunststoff mit einer chemischen Struktur, die das Material elektrisch leitfähig macht und sich gut für Textilien eignet.

„Die von uns verwendeten Polymere sind biegsam, leicht und lassen sich sowohl in flüssiger als auch in fester Form leicht verarbeiten. Außerdem sind sie ungiftig“, sagt Mariavittoria Craighero, Doktorandin an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der Chalmers University of Technology und Hauptautorin einer kürzlich veröffentlichten Studie.

Erhöhte Stabilität und Leitfähigkeit
Die Methode zur Herstellung des elektrisch leitfähigen Fadens ist dieselbe wie in früheren Versuchsreihen im Rahmen desselben Forschungsprojekts.  Früher enthielt der Faden Metalle, um seine Stabilität in Kontakt mit der Luft zu erhalten. Seitdem wurden Fortschritte bei der Herstellung des Fadens mit ausschließlich organischen (kohlenstoffbasierten) Polymeren erzielt. In der aktuellen Studie haben die Forscher eine neue Art von Faden mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit und Stabilität entwickelt.

„Wir haben das fehlende Puzzlestück für die Herstellung eines optimalen Fadens gefunden - einen Polymertyp, der erst kürzlich entdeckt worden war. Es verfügt über eine hervorragende Leistungsstabilität im Kontakt mit Luft und gleichzeitig über eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit. Da wir Polymere verwenden, brauchen wir keine Seltenen Erden, wie sie in der Elektronik üblich sind“, sagt Mariavittoria Craighero.

Um zu zeigen, wie der neue Faden in der Praxis eingesetzt werden kann, stellten die Forscher zwei thermoelektrische Generatoren her - einen Knopf, in den der Faden eingenäht war, und ein Stück Textil mit eingenähten Fäden. Als sie die thermoelektrischen Textilien zwischen eine heiße und eine kalte Oberfläche legten, konnten sie beobachten, wie die Spannung am Messgerät anstieg. Der Effekt hing von der Temperaturdifferenz und der Menge des leitenden Materials im Textil ab. Das größere Stück Stoff zeigte zum Beispiel bei einem Temperaturunterschied von 30 Grad Celsius etwa 6 Millivolt an. In Kombination mit einem Spannungswandler könnte es theoretisch dazu verwendet werden, tragbare Elektronikgeräte über einen USB-Anschluss aufzuladen. Die Forscher konnten ebenfalls nachweisen, dass die Leistung des Fadens mindestens ein Jahr lang erhalten bleibt. Zudem ist er waschmaschinenfest.

„Nach sieben Wäschen behielt der Faden zwei Drittel seiner leitenden Eigenschaften. Das ist ein sehr gutes Ergebnis, auch wenn es noch deutlich verbessert werden muss, bevor es kommerziell interessant wird“, sagt Mariavittoria Craighero.

Kann Aufgaben erfüllen, die diese Textilien erfordern
Der thermoelektrische Stoff und der Knopf können heute nicht effizient außerhalb der Laborumgebung hergestellt werden. Das Material muss von Hand hergestellt und eingenäht werden, was sehr zeitaufwändig ist. Allein das Einnähen des Fadens in den vorgestellten Stoff erforderte vier Tage Nadelarbeit. Die Forscher sehen jedoch ein großes Potenzial für den neuen Faden und halten es für möglich, ein automatisiertes Verfahren zu entwickeln und die Produktion zu vergrößern.

„Wir haben jetzt gezeigt, dass es möglich ist, leitfähige organische Materialien herzustellen, die die Funktionen und Eigenschaften erfüllen, die solche Textilien benötigen. Dies ist ein wichtiger Schritt nach vorn. Es gibt fantastische Möglichkeiten für thermoelektrische Textilien, und diese Forschung kann für die Gesellschaft von großem Nutzen sein“, sagt Christian Müller, Professor am Fachbereich Chemie und Chemieingenieurwesen der Chalmers University of Technology und Forschungsleiter der Studie.

Mehr über die Studie
Der wissenschaftliche Artikel “Poly(benzodi-furandione) Coated Silk Yarn for Thermoelectric Textiles” ist in Advanced Science erschienen. Autoren sind Mariavittoria Craighero, Qifan Li, Zijin Zeng, Chunghyeon Choi, Youngseok Kim, Hyungsub Yoon, Tiefeng Liu, Przemysław Sowiński, Shuichi Haraguchi, Byungil Hwang, Besira Mihiretia, Simone Fabiano und Christian Müller. Die Forscher sind an der Chalmers University of Technology, der Linköping University und der Chung-Ang University in Seoul, Südkorea, tätig. Die Forschung wurde durch das EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Projekts HORATES, die Knut und Alice Wallenberg Stiftung, den Europäischen Forschungsrat (ERC), den Schwedischen Forschungsrat und die Universität Linköping finanziert.

Regenjacken, Badehosen oder Polsterstoffe: Textilien mit wasserabweisenden Eigenschaften benötigen eine chemische Imprägnierung. Fluor-haltige PFAS-Chemikalien sind zwar wirkungsvoll, schaden aber der Gesundheit und reichern sich in der Umwelt an. Empa-Forschende entwickeln nun ein Verfahren mit alternativen Substanzen, mit dem sich umweltfreundliche wasserabweisende Textilfasern erzeugen lassen. Erste Analysen zeigen: Die „guten“ Fasern weisen Wasser stärker ab und trocknen schneller als die der herkömmlichen Produkte.

Soll eine Badehose nach dem Schwimmen ihre Form behalten und schnell trocknen, muss sie zwei Eigenschaften kombinieren: Sie muss elastisch sein und darf sich nicht mit Wasser vollsaugen. Eine derartige wasserabweisende Wirkung lässt sich in der Textilindustrie durch das Behandeln der Textilien mit Chemikalien erreichen, die das elastische Kleidungsstück mit sogenannten hydrophoben Eigenschaften ausstatten. In den 1970er-Jahren begann man, hierfür neuartige synthetische Fluorverbindungen zu verwenden – Verbindungen, die bedenkenlos unzählige Anwendungsmöglichkeiten zu bieten schienen, sich später aber als höchst problematisch herausstellten. Denn diese Fluor-Kohlenstoff-Verbindungen, kurz PFAS, reichern sich in der Umwelt an und schaden der Gesundheit. Empa-Forschende entwickeln daher gemeinsam mit Schweizer Textilunternehmen alternative umweltfreundliche Verfahren, mit denen sämtliche Fasern wasserabweisend ausgerüstet werden können. Dirk Hegemann vom „Advanced Fibers“-Labor der Empa in St. Gallen erläutert das von der Innosuisse geförderte Projekt: „Wir setzen sogenannte hochvernetzte Siloxane ein, die Silikon-ähnliche Schichten erzeugen und – anders als Fluor-haltige PFAS – unbedenklich sind.“

Die Plasma-Beschichtungsanlagen der Empa reichen von handlichen Tischmodellen bis hin zu raumfüllenden Geräten. Für die Faserbeschichtung werden die Siloxane in einem reaktiven Gas zerstäubt und aktiviert. Auf diese Weise behalten sie ihre funktionalen Eigenschaften und umschliessen die Textilfasern mit einer nur 30-Nanometer-feinen wasserabweisenden Hülle. Derart beschichtete Fäden lassen sich danach zu wasserabweisenden Textilien jeglicher Art verarbeiten, etwa zu Kleidungsstücken oder technischen Textilien wie Polsterstoffe.

Der Vorteil gegenüber herkömmlichen nasschemischen Verfahren: Selbst bei komplex strukturierten Textilien ist die lückenlose Verteilung der hydrophoben Substanzen bis in alle Windungen der verschlungenen Fasern gewährleistet. Dies ist zentral, denn schon eine winzige benetzbare Stelle würde genügen, damit Wasser in die Tiefe einer Badehose eindringt und so das schnelle Trocknen des Kleidungsstücks verhindert. „Es ist uns sogar gelungen, selbst anspruchsvollere, elastische Fasern mit dem neuen Verfahren dauerhaft zu imprägnieren, was bisher nicht möglich war“, so Empa-Forscher Hegemann.

Großes Interesse der Industrie
In ersten Laboranalysen schneiden Textilien aus den neuen Fasern mit umweltfreundlicher Beschichtung bereits leicht besser ab als herkömmliche PFAS-beschichtete Stoffe: Sie saugen weniger Wasser auf und trocknen schneller. So richtig ins Gewicht fallen die wundersamen Eigenschaften der Fluor-freien Beschichtung aber erst nach mehrmaligem Waschen der Textilien: Während die herkömmliche PFAS-Imprägnierung bei dehnbaren Textilien bereits deutlich leidet, bleibt die Fluor-freie Faser auf hohem Niveau. Damit ist sie trotz Beanspruchung doppelt so wasserabweisend und trocknet deutlich effizienter.

Hegemann und sein Team sind nun daran, das Fluor-freie Laborverfahren zu leistungsfähigen und wirtschaftlich tragfähigen industriellen Prozessen zu skalieren. „Die Industrie ist sehr interessiert, nachhaltige Alternativen zu PFAS zu finden“, sagt Hegemann. Die Schweizer Textilunternehmen Lothos KLG, beag Bäumlin & Ernst AG und AG Cilander sind daher bereits mit an Bord, wenn es darum geht, umweltfreundliche Fluor-freie Textilien zu entwickeln. „Eine gelungene Zusammenarbeit, die Materialien, Fasertechnologie und Plasmabeschichtung kombiniert und zu einer innovativen, nachhaltigen und effektiven Lösung führt“, sagt etwa Dominik Pregger von Lothos. Bernd Schäfer, CEO von beag, fügt an: „Die Technologie ist umweltfreundlich und verfügt gleichzeitig über ein interessantes wirtschaftliches Potenzial.“

Forschende der RMIT University nutzen Nanodiamanten, um smarte Textilien zu entwickeln, die Menschen schneller abkühlen können.

Die Studie ergab, dass Stoffe aus Baumwolle, die mit Nanodiamanten beschichtet sind, im Vergleich zu unbehandelter Baumwolle während des Abkühlungsprozesses um 2-3 Grad Celsius kühler sind. Die Nanodiamanten ziehen die Körperwärme an und geben sie an den Stoff ab - ein Ergebnis der enormen Wärmeleitfähigkeit der Nanodiamanten.

Dr. Shadi Houshyar, Projektleiterin und Dozentin, sagte in der Zeitschrift Polymers for Advanced Technologies, dass es eine große Chance gebe, diese Erkenntnisse zu nutzen, um neue Textilien für Sportbekleidung und sogar für persönliche Schutzkleidung zu entwickeln, wie z. B. Unterzieher, die Feuerwehrleute kühl halten.

Die Studie ergab auch, dass Nanodiamanten den UV-Schutz von Baumwolle erhöhen, was sie ideal für Sommerkleidung im Freien macht.

„2 oder 3 Grad mögen nicht viel erscheinen, aber sie machen einen Unterschied in Bezug auf den Komfort und die Auswirkungen auf die Gesundheit über einen längeren Zeitraum und könnten in der Praxis den Unterschied ausmachen, ob man seine Klimaanlage aus- oder anschaltet“, so Houshyar. „Es gibt auch die Möglichkeit zu erforschen, wie Nanodiamanten eingesetzt werden können, um Gebäude vor Überhitzung zu schützen, was wiederum Vorteile für die Umwelt mit sich bringen kann.“

Die Verwendung dieses Gewebes in der Kleidung wird voraussichtlich zu einer Energieeinsparung von 20-30 % führen, da der Verbrauch von Klimaanlagen reduziert wird.

Das Forschungsteam des Centre for Materials Innovation and Future Fashion (CMIFF) besteht aus Ingenieuren und Textilforschern des RMIT, die über fundierte Kenntnisse in der Entwicklung smarter Textilien der nächsten Generation verfügen und mit der Industrie zusammenarbeiten, um realistische Lösungen zu entwickeln.

Entgegen der landläufigen Meinung sind Nanodiamanten nicht dasselbe wie die Diamanten, die Schmuck schmücken, sagte Houshyar. „Sie sind tatsächlich billig herzustellen - billiger als Graphenoxid und andere Arten von Kohlenstoffmaterialien“, sagte sie. „Sie haben zwar eine Kohlenstoff-Gitterstruktur, sind aber viel kleiner. Außerdem lassen sie sich leicht durch Methoden wie Detonation oder aus Abfallmaterialien herstellen.“

Wie es funktioniert
Das Baumwollmaterial wurde zunächst mit einem Klebstoff beschichtet und dann mit einer Polymerlösung aus Nanodiamanten, Polyurethan und Lösungsmittel elektrogesponnen.

Durch dieses Verfahren entsteht ein Netz aus Nanofasern auf den Baumwollfasern, die dann ausgehärtet werden, um die beiden zu verbinden.

Die leitende Forscherin und Forschungsassistentin, Dr. Aisha Rehman, erklärte, dass die Beschichtung mit Nanodiamanten bewusst nur auf einer Seite des Gewebes aufgebracht wurde, um zu verhindern, dass die Wärme aus der Atmosphäre auf den Körper zurück übertragen wird.  

„Die Seite des Stoffes mit der Nanodiamantenbeschichtung berührt die Haut. Die Nanodiamanten leiten dann die Wärme vom Körper an die Luft weiter“, so Rehman, die im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Studie mitarbeitete. „Weil Nanodiamanten so gute Wärmeleiter sind, geht das schneller als bei unbehandeltem Stoff.“

Nanodiamanten wurden für diese Studie aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgewählt, so Rehman. Nanodiamanten werden häufig in der IT-Branche eingesetzt und können auch dazu beitragen, die thermischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gelen zu verbessern und die Korrosionsbeständigkeit von Metallen zu erhöhen.

„Nanodiamanten sind auch biokompatibel, d. h. sie sind für den menschlichen Körper ungefährlich. Daher haben sie ein großes Potenzial nicht nur für Textilien, sondern auch für den biomedizinischen Bereich“, so Rehman.
Obwohl die Forschung noch vorläufig ist, sagte Houshyar, hat diese Methode der Beschichtung von Textilien mit Nanofasern ein großes kommerzielles Potenzial.

„Dieser Ansatz des Elektrospinnens ist einfach und kann die Vielfalt der Herstellungsschritte im Vergleich zu den bisher getesteten Methoden, die langwierige Prozesse und die Verschwendung von Nanodiamanten mit sich bringen, erheblich reduzieren“, sagte Houshyar.

Weitere Forschungsarbeiten werden die Haltbarkeit der Nanofasern, insbesondere während des Waschvorgangs, untersuchen.

Die Abwendung von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), die wasser- und ölabweisende Eigenschaften auf den Außenhüllen von Feuerwehrausrüstungen bieten, könnte laut einer neuen Studie der North Carolina State University zu Leistungseinbußen führen.

Die Studie zeigte, dass Schutzkleidung ohne PFAS-Außenbeschichtungen nicht ölabweisend ist, was eine potenzielle Entflammbarkeitsgefahr für Feuerwehrleute darstellt, wenn sie Öl und Flammen ausgesetzt sind, sagte Bryan Ormond, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der NC State University und korrespondierender Autor einer Publikation, das die Forschung erläutert.

„Alle ölabweisenden Mittel können auch Wasser abweisen, aber nicht alle wasserabweisenden Mittel weisen zwangsläufig auch Öl ab“, so Ormond. „Dieselkraftstoff ist wirklich schwer abzustoßen, ebenso wie Hydraulikflüssigkeit; in unseren Tests stoßen PFAS-behandelte Materialien beides ab. So wies Schutzkleidung ohne PFAS in unseren Tests zwar Wasser ab, nicht aber Öl oder Hydraulikflüssigkeit.“

„Außerdem scheinen sich die Öle auf den PFAS-freien Kleidungsstücken noch mehr zu verteilen, was die Gefahr potenziell erhöht.“

PFAS-Chemikalien - wegen ihrer Langlebigkeit in der Umwelt als „Ewigkeits-Chemikalien“ bekannt - werden unter anderem in Lebensmittelverpackungen, Kochgeschirr und Kosmetika verwendet, wurden aber in letzter Zeit mit einem höheren Krebsrisiko, höheren Cholesterinwerten und einem geschwächten Immunsystem beim Menschen in Verbindung gebracht. Als Reaktion darauf haben Feuerwehrleute nach alternativen chemischen Verbindungen - wie der in der Studie verwendeten Kohlenwasserstoffwachsbeschichtung - für Schutzkleidung gesucht, die Wasser und Öl abweisen.

Die Forschenden der NC State University testeten nicht nur die öl- und wasserabweisenden Eigenschaften von PFAS-behandelter und PFAS-freier Oberbekleidung, sondern verglichen auch, wie die Oberteile bei berufsbedingten Belastungen wie Witterungseinflüssen, großer Hitze und wiederholtem Waschen alterten, und ob die Kleidungsstücke strapazierfähig blieben und Reißen und Zerreißen widerstanden.

Die Studie zeigte, dass mit PFAS behandelte und PFAS-freie Außenschalen nach der Einwirkung von UV-Strahlen und verschiedenen Wärme- und Feuchtigkeitsstufen sowie nach dem Durchlaufen von Heizgeräten - ähnlich wie bei einem Pizzaofen - und Waschmaschinen ähnlich abschnitten.

„Das Waschen der Ausrüstung ist aufgrund der Bewegung der Waschmaschine und der verwendeten Reinigungsmittel sehr schädlich für die Schutzkleidung“, so Ormond.

„Wir haben auch chemische Analysen durchgeführt, um zu sehen, was während des Verwitterungsprozesses passiert“, sagte Nur Mazumder, eine NC State-Doktorand in Faser- und Polymerwissenschaften und Hauptautor der Studie. „Verlieren wir die PFAS-Chemikalien, die PFAS-freien Chemikalien oder beides, wenn wir die Kleidungsstücke altern? Es stellte sich heraus, dass wir nach den Alterungstests erhebliche Mengen beider Ausrüstungen verloren haben.“

Beide Arten von Kleidungsstücken schnitten bei der Prüfung der Reißfestigkeit des Außenmaterials ähnlich ab. Die Forschenden sagen, dass die PFAS- und PFAS-freien Beschichtungen dieses Attribut nicht zu beeinflussen schienen.

Ormond sagte, dass künftige Forschungen untersuchen werden, wie viel Ölabweisungsvermögen die Feuerwehrleute im Einsatz benötigen.

„Selbst bei einer PFAS-Behandlung besteht ein Unterschied zwischen einem Flüssigkeitsspritzer und einer eingedrungenen Flüssigkeit“, so Ormond. „Trotz aller Vorteile ist mit PFAS behandelte Ausrüstung, wenn sie durchtränkt ist, für Feuerwehrleute gefährlich. Wir müssen uns also wirklich fragen: ,Was brauchen die Feuerwehrleute?‘ Wenn Sie keinen Bedarf an ölabweisender Ausrüstung haben, brauchen Sie sich keine Sorgen zu machen, auf PFAS-freie Ausrüstung umzusteigen. Aber die Feuerwehrleute müssen wissen, dass die Nicht-PFAS-Ausrüstung Öl absorbiert, unabhängig davon, um welche Öle es sich handelt.“

Andrew Hall, ein weiterer NC State-Doktorand der Faser- und Polymerwissenschaften und Mitverfasser der Studie, testet auch die dermale Absorption, d. h. er nimmt die gealterten Außenhüllenmaterialien und legt sie ein oder zwei Tage lang auf ein Hautsurrogat. Werden die Chemikalien der Außenhülle nach diesen zugegebenermaßen extremen Expositionszeiten vom Hautsurrogat absorbiert?

„Die Feuerwehrtätigkeit ist als krebserregend eingestuft, aber das sollte nicht so sein“, sagte Ormond. „Wie können wir bessere Ausrüstung für sie herstellen? Wie können wir bessere Beschichtungen und Strategien für sie entwickeln?“

„Das sind nicht einfach nur Textilien“, sagte Ormond. „Es sind hochentwickelte Materialien, die nicht einfach ersetzt werden können.“

Die Studie wurde im Journal of Industrial Textiles veröffentlicht. Finanziert wurde die Forschung durch das "Assistance to Firefighters Grants Program" der Federal Emergency Management Agency.

Die kostengünstige FibeRobo, die mit bestehenden Textilherstellungstechniken kompatibel ist, könnte für adaptive Funktionsbekleidung oder Kompressionskleidung verwendet werden.

Forscher des MIT und der Northeastern University haben eine Flüssigkristall-Elastomerfaser entwickelt, die ihre Form als Reaktion auf thermische Reize verändern kann. Die Faser, die mit bestehenden Textilherstellungsmaschinen vollständig kompatibel ist, könnte zur Herstellung von sich wandelnden Textilien verwendet werden, z. B. für eine Jacke, die bei sinkenden Temperaturen stärker isoliert, um den Träger warm zu halten.

Stellen Sie sich vor, Sie bräuchten nicht mehr für jede Jahreszeit einen Mantel, sondern eine Jacke, die ihre Form dynamisch verändert, so dass sie bei sinkenden Temperaturen isolierender wird und Sie warmhält.

Eine von einem interdisziplinären Team von MIT-Forschern entwickelte programmierbare Antriebsfaser könnte diese Vision eines Tages Wirklichkeit werden lassen. Die als FibeRobo bezeichnete Faser zieht sich bei einem Temperaturanstieg zusammen und kehrt sich dann selbst um, wenn die Temperatur sinkt - ohne eingebettete Sensoren oder andere feste Komponenten.

Die kostengünstige Faser ist voll kompatibel mit Textilherstellungstechniken, einschließlich Webmaschinen, Stickereien und industriellen Strickmaschinen, und kann kontinuierlich kilometerweise produziert werden. Dies könnte es Designern ermöglichen, eine breite Palette von Stoffen für unzählige Anwendungen mit Antriebs- und Sensorfunktionen auszustatten.

Die Fasern können auch mit einem leitfähigen Faden kombiniert werden, der als Heizelement wirkt, wenn elektrischer Strom durch ihn fließt. Auf diese Weise werden die Fasern durch Elektrizität aktiviert, was dem Nutzer eine digitale Kontrolle über die Form des Textils ermöglicht. So könnte ein Stoff beispielsweise seine Form auf der Grundlage digitaler Informationen, wie den Messwerten eines Herzfrequenzsensors, verändern.

„Wir verwenden Textilien für alles. Wir bauen Flugzeuge aus Faserverbundwerkstoffen, wir kleiden die Internationale Raumstation mit einem Strahlenschutzgewebe aus, wir verwenden sie für individuelle Bekleidung und Funktionsbekleidung. Vieles in unserer Umwelt ist anpassungsfähig und reaktionsfähig, aber das, was am anpassungsfähigsten und reaktionsfähigsten sein muss - Textilien - ist völlig träge“, sagt Jack Forman, Doktorand in der Tangible Media Group des MIT Media Lab, der auch am Center for Bits and Atoms tätig ist, und Hauptautor einer Arbeit über die aktivierende Faser.

An dem Papier arbeiten 11 weitere Forscher des MIT und der Northeastern University mit, darunter seine Berater Professor Neil Gershenfeld, der das Center for Bits and Atoms leitet, und Hiroshi Ishii, der Jerome B. Wiesner Professor of Media Arts and Sciences und Leiter der Tangible Media Group. Die Forschungsergebnisse werden auf dem ACM Symposium on User Interface Software and Technology vorgestellt.

Sich verwandelnde Materialien
Die MIT-Forscher wollten eine Faser, die sich geräuschlos bewegen und ihre Form drastisch verändern kann und gleichzeitig mit den üblichen Textilherstellungsverfahren kompatibel ist. Um dies zu erreichen, verwendeten sie ein Material, das als Flüssigkristall-Elastomer (LCE) bekannt ist.

Ein Flüssigkristall besteht aus einer Reihe von Molekülen, die wie eine Flüssigkeit fließen können, aber wenn sie sich absetzen, stapeln sie sich zu einer periodischen Kristallanordnung. Die Forscher bauen diese Kristallstrukturen in ein Elastomernetzwerk ein, das dehnbar ist wie ein Gummiband.

Wenn sich das LCE-Material erwärmt, geraten die Kristallmoleküle aus ihrer Ausrichtung und ziehen das Elastomernetzwerk zusammen, wodurch sich die Faser zusammenzieht. Wenn die Hitze weggenommen wird, kehren die Moleküle in ihre ursprüngliche Ausrichtung zurück und das Material erhält seine ursprüngliche Länge, erklärt Forman.

Durch sorgfältiges Mischen von Chemikalien zur Synthese der LCE können die Forscher die endgültigen Eigenschaften der Faser steuern, z. B. ihre Dicke oder die Temperatur, bei der sie aktiviert wird.

Sie perfektionierten eine Präparationstechnik, mit der LCE-Fasern hergestellt werden können, die bei hautverträglichen Temperaturen aktiviert werden können, so dass sie sich für tragbare Stoffe eignen.

"Es gibt viele Knöpfe, an denen wir drehen können. Es war eine Menge Arbeit, dieses Verfahren von Grund auf neu zu entwickeln, aber letztendlich gibt es uns viel Freiheit für die entstehende Faser", fügt er hinzu.

Die Forscher stellten jedoch fest, dass die Herstellung von Fasern aus LCE-Harz ein heikler Prozess ist. Bestehende Techniken führen oft zu einer verschmolzenen Masse, die sich nicht abspulen lässt.

Die Forscher untersuchen auch andere Möglichkeiten zur Herstellung funktioneller Fasern, wie z. B. die Einarbeitung von Hunderten von mikroskopisch kleinen digitalen Chips in ein Polymer, die Verwendung eines aktivierten Fluidiksystems oder die Einbeziehung von piezoelektrischem Material, das Schallschwingungen in elektrische Signale umwandeln kann.

Faserherstellung
Forman baute eine Maschine mit 3D-gedruckten und lasergeschnittenen Teilen und einfacher Elektronik, um die Herausforderungen bei der Herstellung zu meistern. Er baute die Maschine zunächst im Rahmen des Graduiertenkurses MAS.865 (Rapid-Prototyping of Rapid-Prototyping Machines: How to Make Something that Makes [almost] Anything).

Zu Beginn wird das dicke und zähflüssige LCE-Harz erhitzt und dann langsam durch eine Düse wie bei einer Klebepistole gepresst. Wenn das Harz austritt, wird es sorgfältig mit UV-Lichtern ausgehärtet, die auf beide Seiten der langsam extrudierenden Faser leuchten. Ist das Licht zu schwach, trennt sich das Material und tropft aus der Maschine, ist es jedoch zu hell, können sich Klumpen bilden, was zu unebenen Fasern führt.

Dann wird die Faser in Öl getaucht, um ihr eine gleitfähige Beschichtung zu verleihen, und erneut ausgehärtet, diesmal mit voll aufgedrehtem UV-Licht, wodurch eine starke und glatte Faser entsteht. Schließlich wird die Faser auf eine Spule aufgewickelt und in Pulver getaucht, damit sie leicht in die Maschinen für die Textilherstellung gleiten kann.

Von der chemischen Synthese bis zur fertigen Spule dauert der Prozess etwa einen Tag und ergibt etwa einen Kilometer gebrauchsfertige Faser. „Am Ende des Tages will man keine Diva-Faser. Man möchte eine Faser, die sich bei der Arbeit mit ihr in das Ensemble der Materialien einfügt - eine Faser, mit der man wie mit jedem anderen Fasermaterial arbeiten kann, die aber eine Menge aufregender neuer Möglichkeiten bietet“, sagt Forman.

Die Entwicklung einer solchen Faser erforderte eine Menge „trial and error“ sowie die Zusammenarbeit von Forschern mit Fachwissen in vielen Disziplinen, von der Chemie über den Maschinenbau und die Elektronik bis hin zum Design. Die so entstandene Faser mit dem Namen FibeRobo kann sich um bis zu 40 Prozent zusammenziehen, ohne sich zu krümmen, sie kann bei hautverträglichen Temperaturen aktiviert werden (die hautverträgliche Version der Faser zieht sich um bis zu 25 Prozent zusammen) und sie kann mit einer kostengünstigen Anlage für 20 Cent pro Meter hergestellt werden, was etwa 60-mal billiger ist als handelsübliche formverändernde Fasern. Die Faser kann sowohl in industrielle Näh- und Strickmaschinen als auch in nicht-industrielle Verfahren wie Handwebstühle oder manuelles Häkeln integriert werden, ohne dass eine Prozessänderung erforderlich ist.

Die MIT-Forscher haben mit FibeRobo mehrere Anwendungen demonstriert, darunter einen adaptiven Sport-BH, der durch Stickerei hergestellt wird und sich strafft, wenn die Trägerin mit dem Training beginnt. Sie verwendeten auch eine industrielle Strickmaschine, um eine Kompressionsweste für den Hund von Forman, der Professor heißt, herzustellen. Die Jacke wird über ein Bluetooth-Signal von Formans Smartphone aktiviert und „umarmt“ den Hund. Kompressionswesten werden üblicherweise verwendet, um die Trennungsangst eines Hundes zu lindern, wenn sein Besitzer nicht zu Hause ist.

In Zukunft wollen die Forscher die chemischen Komponenten der Faser so anpassen, dass sie recycelbar oder biologisch abbaubar ist. Darüber hinaus wollen sie den Prozess der Polymersynthese vereinfachen, so dass auch Nutzer ohne Nasslaborerfahrung ihn selbst durchführen können.

Forman ist gespannt auf die FibeRobo-Anwendungen, die andere Forschungsgruppen auf der Grundlage dieser frühen Ergebnisse entwickeln. Langfristig hofft er, dass FibeRobo zu einem Produkt wird, das man wie ein Garnknäuel im Bastelladen kaufen kann und mit dem sich leicht veränderliche Stoffe herstellen lassen.

„LCE-Fasern erwachen zum Leben, wenn sie in Funktionstextilien integriert werden. Es ist besonders faszinierend zu beobachten, wie die Autoren kreative Textildesigns mit einer Vielzahl von Web- und Strickmustern entwickelt haben“, sagt Lining Yao, der Cooper-Siegel Associate Professor of Human Computer Interaction an der Carnegie Mellon University, der jedoch nicht an dieser Arbeit beteiligt war.

Diese Forschungsarbeit wurde zum Teil durch das William Asbjornsen Albert Memorial Fellowship, das Dr. Martin Luther King Jr. Visiting Professor Program, Toppan Printing Co., Honda Research, Chinese Scholarship Council und Shima Seiki unterstützt. Zum Team gehörten Ozgun Kilic Afsar, Sarah Nicita, Rosalie (Hsin-Ju) Lin, Liu Yang, Akshay Kothakonda, Zachary Gordon und Cedric Honnet am MIT sowie Megan Hofmann und Kristen Dorsey an der Northeastern University.

Ein neu entwickeltes Konzept für Chemikalienschutzanzüge soll den Einsatz für den Träger komfortabler und sicherer machen. Neue Materialien und ein verbessertes Design erhöhen den Tragekomfort. Integrierte Sensorik überwacht die Vitalfunktionen.
 
Bei Gefährdungen durch chemische, biologische oder radioaktive Stoffe schützen Chemikalienschutzanzüge (CSA) Menschen vor körperlichem Kontakt. CSA bestehen aus Atemgerät, Kopfschutz, Tragegestellen und dem Anzug selbst. So kommt ein Gewicht von rund 25 kg zusammen. Der Aufbau aus einem mehrfach beschichteten Gewebe macht die CSA steif und sorgt für erhebliche Einschränkungen in der Bewegungsfreiheit. Die Einsatzkräfte sind dadurch einer signifikanten physischen Belastung ausgesetzt. Aus diesem Grund ist die gesamte Einsatzdauer bei Verwendung eines CSA auf 30 Minuten beschränkt.

In einem Verbundvorhaben mit verschiedenen Firmen, Instituten und Berufsfeuerwehren wird derzeit daran gearbeitet, sowohl den textilen Materialverbund als auch die Hartkomponenten und Verbindungselemente zwischen beiden neu zu gestalten. Das Ziel ist ein sogenannter „AgiCSA“, der für die Einsatzkräfte aufgrund der leichteren und flexibleren Konstruktion deutlich mehr Komfort bietet. Das Teilvorhaben der DITF fokussiert sich einerseits auf die Entwicklung eines individuell anpassbareren, körpernahen Anzugs, andererseits auf die Integration von Sensoren, die der Online-Überwachung wichtiger Körperfunktionen der Einsatzkraft dienen.
               
Unterstützung bekamen die DITF zum Projektbeginn von der Feuerwehr Esslingen. Sie stellte einen heute standardmäßig zum Einsatz kommenden Komplett-CSA zur Verfügung. Dieser konnte an den DITF auf seine Trageeigenschaften getestet werden. Dabei untersuchen die Denkendorfer Forscher, an welchen Stellen Optimierungsbedarf für verbesserten ergonomischen Tragkomfort besteht.

Ziel ist die Konstruktion eines chemikalien- und gasdichten Anzugs, der relativ eng am Körper anliegt. Es stellte sich schnell heraus, dass man sich vom bisherigen Konzept der Verwendung von Geweben als textilem Grundmaterial lösen und in Richtung elastischer Maschenwaren denken musste. Bei der Umsetzung kamen den Forschern neuere Entwicklungen im Bereich der Maschentechnologie in Form von Abstandsgewirken zu Hilfe. Durch die Verwendung von Abstandstextilien lassen sich viele Anforderungen, die an das Grundsubstrat gestellt werden, sehr gut erfüllen.

Abstandstextilien weisen eine voluminöse, elastische Struktur auf. Aus einer Vielzahl verwendbarer Fasertypen und dreidimensionaler Konstruktionsmerkmale wurde für den neuen CSA ein 3 mm dickes Abstandstextil aus einem Polyester-Polfaden und einer flammhemmenden Fasermischung aus Aramid und Viskose ausgewählt. Dieses Textil wird beidseitig mit Fluor- bzw. Butylkautschuk beschichtet. Dadurch erhält das Textil eine Barrierefunktion, die das Eindringen giftiger Flüssigkeiten und Gase verhindert. Die Beschichtung erfolgt durch ein neu entwickeltes Sprühverfahren am fertig konfektionierten Anzug. Der Vorteil dieses Verfahrens im Gegensatz zum bisher üblichen Beschichtungsprozess ist, dass die gewünschte Elastizität des Anzugs erhalten bleibt.

Eine weitere Neuheit ist die Integration eines schräg verlaufenden Reißverschlusses. Dieser erleichtert das An- und Ausziehen des Schutzanzugs. Während dies bislang nur mit Hilfe einer weiteren Person möglich war, kann der neue Anzug prinzipiell von der Einsatzkraft alleine angelegt werden. Vorbild für das neue Design sind moderne Trockenanzüge mit schräg verlaufendem, gasdichtem Reißverschluss.   

In den neuen AgiSCA sind zudem Sensoren integriert, die die Übertragung und Überwachung der Vital- und Umgebungsdaten der Einsatzkraft wie auch deren Ortung via GPS-Daten erlaubt. Diese Zusatzfunktionen unterstützen die Einsatzsicherheit erheblich.

Für die Hartkomponenten - den Helm sowie die Rückentrage für die Pressluftversorgung - werden leichte carbonfaserverstärkte Verbundmaterialien der Firma Wings and More GmbH & Co. KG verwendet.

Erste Demonstratoren sind verfügbar und stehen den Projektpartnern zu Prüfzwecken zur Verfügung. Die Kombination von aktueller Textiltechnologie, Leichtbaukonzepten und IT-Integration in Textilien hat in diesem Projekt zu einer umfassenden Verbesserung eines hochtechnologisierten Produkts geführt.

BMBF-Projekt „Entwicklung eines Chemikalienschutzanzuges mit erhöhter Beweglichkeit für effizientere Einsatzkonzepte durch erhöhte Autonomie der Einsatzkräfte (AgiCSA)“
Das Vorhaben greift die Ziele des Rahmenprogramms der Bundesregierung „Forschung für die zivile Sicherheit 2018-2023 und der Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Forschung für die zivile Sicherheit“ vom 3. Juli 2018 auf.

Textilbetonteile mit einer nachhaltigen Naturfaserbewehrung haben ein ausreichendes Verbund- und Zugtragverhalten für den Einsatz im Bau. Das konnten Forschende des Fraunhofer WKI gemeinsam mit der Hochschule Biberach und dem Industriepartner FABRINO nachweisen. Damit könnten künftig Textilbetonbauteile mit Naturfaserbewehrung herkömmlich bewehrte Betonbauteile ersetzen und die Umweltbilanz im Bauwesen verbessern.

Nichtmetallische Bewehrungen von Betonkörpern werden derzeit häufig aus unterschiedlichen, synthetisch erzeugten Fasern hergestellt – zum Beispiel aus Glas- oder Carbonfasern. Eine ökologische Alternative zu den synthetischen Fasern stellen Flachs- oder andere Naturfasern dar. Diese sind vielerorts verfügbar und nachhaltiger, unter anderem aufgrund ihrer nachwachsenden Rohstoffbasis, den Vorteilen im Recycling und dem geringeren Energiebedarf in der Herstellung. Hier setzten die Forschenden des Fraunhofer WKI und der Hochschule Biberach gemeinsam mit einem Industriepartner an. Ihr Ziel war, nachzuweisen, dass sich Bewehrungen aus Textilfasern für den Einsatz im Bau ebenso eignen wie synthetische Fasern.

»Wir haben am Fraunhofer WKI mit einer Webmaschine Drehergewebe aus Flachsfasergarn hergestellt. Um die Nachhaltigkeit zu erhöhen, haben wir eine Behandlung der Flachsgarne zur Verbesserung der Zugfestigkeit, Dauerhaftigkeit und Verbundhaftung erprobt, die im Vergleich zu petrobasierten Behandlungen ökologisch vorteilhafter ist«, erläutert Jana Winkelmann, Projektleiterin am Fraunhofer WKI. Im Beschichtungsverfahren konnte ein gängiges petrobasiertes Epoxidharz erfolgreich durch eine zum Teil biobasierte Tränkung ersetzt werden. Ein großer Anteil (56 Prozent) der molekularen Struktur des verwendeten Epoxidharzes besteht aus Kohlenwasserstoffen pflanzlichen Ursprungs und kann somit die CO₂-Bilanz verbessern.

Textile Bewehrungen haben grundsätzlich eine Reihe von Vorteilen. So weisen sie eine deutlich reduzierte Korrodierbarkeit bei gleicher oder höherer Zugfestigkeit als Stahl auf, so dass das notwendige Nennmaß der Betonüberdeckung reduziert werden kann. Dies führt bei gleicher Tragfähigkeit häufig zu geringeren erforderlichen Querschnitten. Bisher wurde das Tragverhalten von textilen Bewehrungen aus Naturfasern in Betonbauteilen allerdings noch nicht systematisch untersucht.

An der Hochschule Biberach testeten die Forschenden das Verbund- und Zugtragverhalten sowie das einachsige Biegetragverhalten von Betonbauteilen mit textiler Bewehrung aus Flachsfasern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kamen zu dem Ergebnis, dass sich die naturfaserbasierten Textilbetonbauteile mit einer biobasierten Tränkung grundsätzlich eignen. Die Eignung zeigte sich sowohl durch eine signifikante Erhöhung der Bruchlast im Vergleich zu unbewehrten und unterbewehrten Betonbauteilen als auch durch fein verteilte Rissbilder. Die Kurven der Spannungs¬Dehnungs¬Diagramme konnten in drei für bewehrte Dehnkörper typische Bereiche unterteilt werden (Zustand I – ungerissen, Zustand IIa – Erstrissbildung und Zustand IIb – abgeschlossenes Rissbild). Die Abgrenzung der Bereiche ist mit zunehmendem Bewehrungsgrad deutlicher.

Insgesamt tragen regional oder europaweit verfügbare, nachwachsende Naturfasern und eine zum Teil biobasierte Beschichtung zu einer Verbesserung des CO₂-Fußabdrucks der Bauindustrie bei. Damit eröffnet sich für die energie- und rohstoffintensive Bauindustrie eine weitere Möglichkeit, zunehmend strengere Umwelt- und Nachhaltigkeitsanforderungen zu erfüllen. »Textilbetone ermöglichen leichtere und schlankere Konstruktionen und bieten daher architektonische Spielräume. An den zahlreichen Einsatzmöglichkeiten von naturfaserbewehrten Textilbetonen möchten wir gern weiterforschen«, sagt Christina Haxter, Mitarbeiterin am Fraunhofer WKI.

Das Projekt, mit einer Laufzeit vom 9. Dezember 2020 bis zum 31. Dezember 2022, wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU gefördert.

Durch das Aufsticken von stromerzeugenden Garnen auf Stoff konnten Forscher ein selbstversorgendes, numerisches Touchpad und Bewegungssensoren in Kleidung einbetten. Die Technik bietet eine kostengünstige, skalierbare Methode für die Herstellung von tragbaren Geräten.
„Unsere Technik verwendet Stickerei, was ziemlich einfach ist - man kann unsere Garne direkt auf den Stoff aufbringen“, so der Hauptautor der Studie, Rong Yin, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der North Carolina State University. „Bei der Herstellung des Gewebes muss keine Rücksicht auf die tragbaren Geräte genommen werden. Man kann die stromerzeugenden Garne erst nach der Herstellung des Kleidungsstücks integrieren.“
 
In der Studie, die in der Zeitschrift Nano Energy veröffentlicht wurde, testeten die Forscher mehrere Designs für stromerzeugende Garne. Um sie so haltbar zu machen, dass sie der Spannung und Biegung beim Sticken standhalten, verwendeten sie schließlich fünf handelsübliche Kupferdrähte, die mit einer dünnen Polyurethanbeschichtung versehen waren. Dann nähten sie sie mit einem anderen Material - PTFE - auf Baumwollgewebe.

„Dies ist eine kostengünstige Methode zur Herstellung von tragbarer Elektronik mit handelsüblichen Produkten“, so Yin. „Die elektrischen Eigenschaften unserer Prototypen waren mit denen anderer Designs vergleichbar, die auf demselben Mechanismus zur Stromerzeugung basieren“.
Die Forscher stützten sich auf eine Methode zur Stromerzeugung, die als „triboelektrischer Effekt“ bezeichnet wird und bei der Elektronen, die von zwei verschiedenen Materialien ausgetauscht werden, wie statische Elektrizität nutzbar gemacht werden. Sie stellten fest, dass das PTFE-Gewebe in Kontakt mit den polyurethanbeschichteten Kupferdrähten die beste Leistung in Bezug auf Spannung und Stromstärke erbrachte, verglichen mit anderen getesteten Gewebetypen, darunter Baumwolle und Seide. Sie testeten ebenfalls die Beschichtung der Stickerei-Muster mit Plasma, um den Effekt zu verstärken.

„In unserem Muster gibt es zwei Schichten - eine ist der leitende, mit Polyurethan beschichtete Kupferdraht, die andere ist PTFE, und dazwischen befindet sich eine Lücke", so Yin. "Wenn die beiden nichtleitenden Materialien miteinander in Kontakt kommen, verliert das eine Material Elektronen und das andere erhält Elektronen. Verbindet man sie miteinander, so entsteht ein Strom.”

Die Forscher testeten ihre Garne als Bewegungssensoren, indem sie sie mit dem PTFE-Gewebe auf Jeansstoff bestickten. Sie platzierten die Stickereien auf der Handfläche, unter dem Arm, am Ellbogen und am Knie, um die elektrischen Signale zu verfolgen, die bei der Bewegung einer Person entstehen. Außerdem befestigten sie den bestickten Stoff an der Innensohle eines Schuhs, um seine Verwendung als Schrittzähler zu testen. Dabei stellten sie fest, dass die elektrischen Signale variierten, je nachdem, ob die Person ging, lief oder sprang.
Schließlich testeten sie ihre Garne in einem textilbasierten Ziffernblock am Arm, den sie anfertigten, indem sie Zahlen auf ein Stück Baumwollstoff stickten und dieses auf einem Stück PTFE-Gewebe befestigten. Je nach Zahl, die die Person auf dem Tastenfeld drückte, wurden unterschiedliche elektrische Signale erzeugt.

„Man kann unsere Garne auf Kleidung sticken, und wenn man sich bewegt, wird ein elektrisches Signal erzeugt, und diese Signale können als Sensor verwendet werden“, sagte Yin. „Wenn wir die Stickerei in einen Schuh einnähen, erzeugt sie beim Laufen eine höhere Spannung als beim bloßen Gehen. Wenn wir Zahlen auf den Stoff gestickt haben und sie drücken, wird für jede Zahl eine andere Spannung erzeugt. Das könnte als Interface genutzt werden.”

Da Textilprodukte unweigerlich gewaschen werden, testeten sie die Haltbarkeit ihres Stickdesigns in einer Reihe von Wasch- und Reibungstests. Nach dem Waschen mit der Hand, dem Durchwaschen mit Waschmittel und dem Trocknen im Ofen, stellten sie keinen Unterschied oder einen leichten Anstieg der Spannung fest. Bei dem mit Plasma beschichteten Prototyp wurde eine schwächere, aber immer noch bessere Leistung im Vergleich zum Originalmuster festgestellt. Nach einem Abriebtest konnte festgehalten werden, dass sich die elektrische Ausgangsleistung nach 10.000 Scheuerzyklen nicht signifikant verändert hatte.

Für die Zukunft planen sie, ihre Sensoren mit anderen Geräten zu integrieren, um weitere Funktionen hinzuzufügen. „Der nächste Schritt ist die Integration dieser Sensoren in ein tragbares System“, so Yin.

Die Studie mit dem Titel " Flexible, durable and washable triboelectric yarn and embroidery for self-powered sensing and human-machine interaction " wurde online in Nano Energy veröffentlicht. Zu den Koautoren gehören Yu Chen, Erdong Chen, Zihao Wang, Yali Ling, Rosie Fisher, Mengjiao Li, Jacob Hart, Weilei Mu, Wei Gao, Xiaoming Tao und Bao Yang. Die Finanzierung erfolgte durch die North Carolina State University über den NC State Faculty Research & Professional Development Fund und das NC State Summer REU-Programm.

Zellulosefaser-Innovation des Jahres 2022: Zellulosefaser-Lösungen erweitern sich von Hygieneartikeln und Textilien sowie Vliesstoffen bis hin zu Alternativen für Carbonfasern für Leichtbauanwendungen.

Die Auswahl der Finalisten für den Innovationspreis war aufgrund der hochklassigen Einreichungen eine Herausforderung: Alle bieten vielversprechende nachhaltige Lösungen für die Wertschöpfungskette von Zellulosefasern. Sechs von ihnen erhalten die Chance, ihr Potenzial einem breiten Publikum vor Ort in Köln und Online zu demonstrieren.

Das nova-Institut kürt zum zweiten Mal die „Cellulose Fibre Innovation of the Year“ im Rahmen der „International Conference on Cellulose Fibres 2022“ (2.-3. Februar 2022). Der Konferenzbeirat hat sechs Produkte nominiert, von Zellulose aus Orangen- und Holzzellstoff bis hin zu einer neuartigen Technologie zur Zellulosefaserherstellung. Die Präsentationen der Kandidaten, die Wahl des Gewinners durch das Konferenzpublikum und die Preisverleihung finden am ersten Tag der Konferenz statt.

Zellulosefasern weisen ein immer breiteres Anwendungsspektrum auf, während die Märkte gleichzeitig durch technologische Entwicklungen und politische Rahmenbedingungen, insbesondere Verbote und Beschränkungen für Kunststoffe und steigende Nachhaltigkeitsanforderungen, bewegt werden. Die Konferenz bietet einen ausführlichen Überblick über die Perspektiven für Zellulosefasern durch eine Einschätzung der politischen Rahmenbedingungen, eine Session zu Nachhaltigkeit, Recycling und alternativen Rohstoffen sowie Informationen zu den neuesten Entwicklungen in Zellstoff, Zellulosefasern und Garne. Dazu gehören Anwendungen wie Vliesstoffe, Verpackungen und Verbundwerkstoffe.

Das sind die Nominierten:
Kohlenstofffasern aus Holz - Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (Deutschland)
Die HighPerCellCarbon®-Technologie ist ein nachhaltiges und alternatives Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern aus Holz. Die Technologie beginnt mit dem Nassspinnen von Zellulosefasern unter Verwendung ionischer Flüssigkeiten (IL) als direktes Lösungsmittel in einem umweltfreundlichen, geschlossenen Filamentspinnverfahren (HighPerCell®-Technologie). Diese Filamente werden durch einen Niederdruck-Stabilisierungsprozess direkt in Kohlenstofffasern umgewandelt, gefolgt von einem geeigneten Karbonisierungsprozess. Während des gesamten Prozesses entstehen keine Abgase oder giftige Nebenprodukte. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren ein vollständiges Recycling von Lösungsmittel und Vorläuferfasern, wodurch ein einzigartiger und umweltfreundlicher Prozess entsteht. Kohlenstofffasern werden in vielen Leichtbauanwendungen eingesetzt und sind eine nachhaltige Alternative zu Fasern auf fossiler Basis.

Fibers365, Wirklich kohlenstoffnegative Frischfasern aus Stroh – Fibers365 (Deutschland)
Fibers365 sind die ersten kohlenstoffnegativen Fasern aus frischem Stroh auf dem Markt. Das Fibers365-Konzept basiert auf einem einzigartigen, hochmodernen Verfahren zur Herstellung funktioneller, kohlenstoffnegativer und wettbewerbsfähiger Nichtholz-Biomasseprodukte wie Frischfasern für Papier- Verpackungs- und Textilzwecke sowie hochwertige Prozessenergie-, Biopolymer- und Düngemittel-Nebenströme. Die Produkte werden aus den Stängeln einjähriger Nahrungspflanzen wie Stroh durch eine chemikalienfreie, regionale, bäuerliche Dampfexplosionsauflösungstechnologie gewonnen, die eine einfache Trennung der Fasern von Zucker, Lignin, organischer Säure und Mineralien ermöglicht. Bei einjährigen Pflanzen werden die CO2-Emissionen innerhalb von 12 Monaten nach dem Produktionsdatum zurückgewonnen, so dass ein sofortiger jährlicher Ausgleich der entsprechenden Emissionen möglich ist.

Iroony® Hanf- und Flachszellulose – RBX Créations (Frankreich)
Iroony® ist eine Marken-Zellulose, die von RBX Créations aus Hanf hergestellt wird. Die widerstandsfähige Hanfpflanze wächst schnell innerhalb weniger Monate, bindet massiv Kohlenstoff und weist einen hohen Zellulosegehalt auf. Die Biomasse wird direkt von französischen Landwirten geerntet, die sie ohne Chemikalien und Bewässerung in ausgedehnten Rotationszyklen anbauen und so zur Regeneration des Bodens und zur Artenvielfalt beitragen. Für ein diversifiziertes Angebot kann der Hanf mit biologisch angebautem Flachs kombiniert werden. Durch sein patentiertes Verfahren gewinnt RBX Créations hochreine Zellulose, die sich perfekt für Spinntechnologien wie HighPerCell® des DITF-Forschungszentrums eignet. Die daraus gewonnenen Fasern weisen vielseitige Eigenschaften wie Feinheit, Festigkeit und Dehnbarkeit auf und eignen sich für Anwendungen wie Bekleidung oder technische Textilien. Iroony® vereint geringe Umweltauswirkungen, Nachverfolgbarkeit und Leistung.

SPINNOVA, Nachhaltige Textilfasern ohne schädliche Chemikalien – Spinnova (Finnland)
Die innovative Technologie von Spinnova ermöglicht die Herstellung nachhaltiger Textilfasern in einem mechanischen Verfahren, ohne Auflösen oder schädliche Chemikalien. Das Verfahren umfasst die Verwendung von Zellstoff in Papierqualität und die mechanische Raffination zur Herstellung mikrofibrillierter Zellulose (MFC). Die aus MFC bestehende Fasersuspension wird ohne Regenerationsverfahren zu Textilfasern extrudiert. Beim Spinnova-Verfahren fallen keine Nebenabfälle an, und der ökologische Fußabdruck von SPINNOVA® umfasst 65 % weniger CO2-Emissionen und 99 % weniger Wasser im Vergleich zur Baumwollproduktion. Die Lösung von Spinnova ist außerdem skalierbar: Spinnova strebt an, in den nächsten 10 bis 12 Jahren eine jährliche Produktionskapazität von 1 Million Tonnen zu erreichen.

Nachhaltige Menstruationsunterwäsche: Anwendungsorientierte Funktionalisierung von Fasern – Kelheim Fibres (Deutschland)
Die pflanzlichen und biologisch abbaubaren Fasern von Kelheim leisten einen wichtigen Beitrag für eine nachhaltige Zukunft im Bereich der wiederverwendbaren Hygienetextilien. Durch innovative Funktionalisierung werden sie gezielt auf die Anforderungen der einzelnen Lagen abgestimmt und erreichen dadurch eine vergleichbare Leistungsfähigkeit wie synthetische Fasern. Es entsteht eine einzigartige Dualität in der Fasertechnologie: nachhaltig hergestellte Zellulosefasern, die einen hohen Tragekomfort und Wiederverwendbarkeit bei außergewöhnlicher, langlebiger Leistung ermöglichen. Die Faserkonzepte umfassen Celliant® Viscose, eine faserinterne Infrarotlösung und Danufil®-Fasern in der Oberschicht, Galaxy, eine trilobale Faser für die ADL, Bramante, eine Viskosehohlfaser, im absorbierenden Kern und ein wasserabweisendes Gewebe, eine biologisch abbaubare PLA-Folie oder eine nachhaltige Beschichtung als Unterschicht.

Lyocellfaser der Marke TENCEL™ aus Orangen- und Holzzellstoff – Orange Fiber (Italien)
Orange Fiber ist das weltweit erste Unternehmen, das eine nachhaltige Textilfaser aus einem patentierten Verfahren zur Gewinnung von Zellulose herstellt, die aus den Resten von Zitrusfrüchten gesponnen wird, von denen allein in Italien mehr als 1 Million Tonnen pro Jahr anfallen. Das Ergebnis der Partnerschaft mit der Lenzing Gruppe, dem weltweit führenden Hersteller von Spezialfasern auf Holzbasis, ist die erste Lyocellfaser der Marke TENCEL™, die aus Orangen- und Holzzellstoff hergestellt wird. Eine neuartige Zellulosefaser, die die Nachhaltigkeit in der gesamten Wertschöpfungskette weiter vorantreibt und die Grenzen der Innovation verschiebt. Diese Faser, die Teil der TENCEL™ Limited Edition Initiative ist, zeichnet sich durch eine weiche Anmutung und eine hohe Feuchtigkeitsaufnahme aus. Sie hat bereits das OEKO-TEX Standard 100 Zertifikat erhalten und wird derzeit einer Reihe weiterer Nachhaltigkeitsbewertungen unterzogen.

Mit dem Jahresende wachsen die Erwartungen an einen baldigen Impfschutz gegen COVID-19. Bis es für weite Teile der Bevölkerung so weit ist, bieten 2020 in Forschung und Industrie erzielte Erfolge zum Schutz vor dem Virus eine gute Ausgangsbasis im Kampf gegen Corona und darüber hinaus. An Instituten der Zuse-Gemeinschaft wurden Fortschritte nicht nur in der Medizin-, sondern auch in der Materialforschung erzielt.

Zu diesen Erfolgen in der der Materialforschung gehören Neuerungen in der Beschichtung von Oberflächen. „Im Zuge der Pandemie ist die Nachfrage nach antiviral und antimikrobiell ausgestatteten Oberflächen stark gestiegen, und wir haben unsere Forschung in diesem Bereich erfolgreich intensiviert“, erklärt Dr. Sebastian Spange, Bereichsleiter Oberflächentechnik beim Jenaer Forschungsinstitut INNOVENT. Er rechnet künftig zunehmend mit Produkten, die über antiviral ausgestattete Oberflächen verfügen „Unsere Tests mit Modellorganismen zeigen, dass eine entsprechende Beschichtung von Oberflächen wirkt“, betont Spange. Zum Spektrum der von INNOVENT genutzten Techniken gehören Beflammung, Plasmabeschichtung und das sogenannte Sol-Gel-Verfahren, bei dem organische und anorganische Stoffe bei relativ niedrigen Temperaturen in einer Schicht verbunden werden können. Als Material für die Beschichtungen kommen laut Spange antibakteriell wirkende Metallverbindungen ebenso infrage wie Naturstoffe mit antiviralem Potenzial.

Vliesstoffe für Maskenhersteller produziert
Die textile Expertise zahlreicher Institute der Zuse-Gemeinschaft hat 2020 dafür gesorgt, dass anwendungsnahe Forschung sich in der Praxis der Pandemiebekämpfung bewähren konnte. Nach der in Deutschland zu Beginn der Pandemie aufgetretenen Knappheit bei der Versorgung mit Masken reagierten Textilforschungseinrichtungen, um in die Bresche zu springen. So stellte das Sächsische Textilforschungsinstitut (STFI) seine Forschungsanlagen auf die Produktion von Vliesstoff zur Belieferung deutscher und europäischer Hersteller von partikelfilternden Schutzmasken um. „Von März bis November 2020 haben wir Vliesstoff an verschiedene Hersteller geliefert, um die Maskenproduktion bestmöglich zu unterstützen und somit zur Eindämmung der Pandemie beizutragen. In einer für Industrie und Bevölkerung kritischen Zeit konnten wir zur Entlastung kritischer Produktionskapazität beitragen - für ein Forschungsinstitut eine ungewohnte Rolle, die wir aber in ähnlichen Situationen erneut annehmen würden“, erklärt Andreas Berthel, Geschäfts-führender Kaufmännischer Direktor des STFI.

Entwicklung wiederverwendbarer medizinischer Gesichtsmasken
Zur Verbesserung von Alltags- wie auch medizinischen Gesichtsmasken arbeiten die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung (DITF). In Kooperation mit einem Industriepartner entwickelt man in Denkendorf aktuell u.a. wiederverwendbare, medizinische Gesichtsmasken aus leistungsfähigem Präzisionsgewebe in Jacquard-Webtechnik. Die Mehrfachnutzung vermeidet Abfall und etwaige Lieferengpässe.
Für alle Arten von Masken gibt es Regularien, nun auch für Alltagsmasken. Bei Hohenstein wird die Einhaltung von Standards für Masken überprüft. Ein neuer europäischer Leitfaden legt Mindestanforderungen für Konstruktion, Leistungsbeurteilung, Kennzeichnung und Verpackung von Alltagsmasken fest. „Als Prüflabor für Medizinprodukte testen wir die Funktionalität medizinischer Gesichtsmasken unter mikrobiologisch-hygienischen und physikalischen Gesichtspunkten“, erläutert Hohenstein-Geschäftsführer Prof. Dr. Stefan Mecheels. Hohenstein unterstützt damit Hersteller u.a. bei der technischen Dokumentation zum Nachweis der Wirksamkeit und Sicherheit.
Atemschutzmasken (FFP 1, FFP 2 und FFP 3) werden seit Mitte dieses Jahres am Kunststoff-Zentrum (SKZ) in Würzburg geprüft. Getestet werden u.a. Einatem- und Ausatemwiderstand und der Durchlass von Partikeln. Zudem ist das SKZ selbst in die Maskenforschung eingestiegen. In Zusammenarbeit mit einem Medizintechnikspezialisten entwickelt das SKZ eine innovative Maske, die aus einem reinig- und sterilisierbaren Maskenträger und austauschbaren Filterelementen besteht.

ILK-Tests: Bei „Nase raus“ gelangen 90 Prozent der Partikel in die Umgebung
Der Kampf gegen Corona wird durch die Beiträge der Menschen gewonnen: Von Forschenden in Laboren, von Entwicklern und Herstellern in der Industrie sowie von den Bürgerinnen und Bürgern auf der Straße. Das Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK) in Dresden hat vor diesem Hintergrund Untersuchungen zur Durchlässigkeit des Mund-Nasenschutzes (MNS) durchgeführt, und zwar zu   möglichen Beeinträchtigungen beim Atmen durch die Maske ebenso wie zur Schutzfunktion von Alltagsmasken.
Ergebnis: Obwohl die eingesetzten Materialien des Mund-Nasenschutzes rund 95 Prozent der ausgeatmeten Tröpfchen zurückhalten können ist „unter praktischen Gesichtspunkten und Berücksichtigung von Leckagen“ davon auszugehen, dass etwa 50 Prozent bis 70 Prozent der Tröpfchen in den Raum gelangen, so das ILK. Werde die Maske nur unterhalb der Nase getragen, so sei aufgrund des großen Anteils der Nasenatmung sogar davon auszugehen, dass ca. 90 Prozent der abgeatmeten Partikel in den Raum gelangen. Das verdeutlicht die Bedeutung des eng anliegenden und richtig getragenen Mund- und Nasenschutzes. „Hingegen sprechen aus physikalischer Sicht keine Gründe gegen das Tragen einer Maske“, betont ILK-Geschäftsführer Prof. Dr. Uwe Franzke. Die Forschenden untersuchten den CO2-Gehalt in der Atemluft ebenso wie den höheren Aufwand für die Atmung und legten dafür das Überwinden des Druckverlustes als Kriterium zugrunde. „Die Untersuchungen zum Druckverlust zeigten einen geringen, praktisch aber nicht relevanten Anstieg“, erläutert Franzke.

Der komplette ILK-Bericht „Untersuchungen zur Wirkung des Mund- und Nasenschutzes (MNS)“ ist hier abrufbar.