Textination Newsline

Seit vielen Jahren arbeiten Forscher aus den nordischen Ländern daran, die Textilindustrie nachhaltiger zu gestalten. Jetzt gibt es Prototypen von Baumwolle, die sich selbst reinigen kann, und von Textilien, die aus heimischen Lupinen hergestellt werden.  
 
Wie könnten Kleidung und Textilien in Zukunft umweltfreundlicher, intelligenter und nachhaltiger werden? Eine Forschungsgruppe aus den nordischen Ländern versucht seit vielen Jahren, dies herauszufinden. Im Oktober werden die von ihnen entwickelten Prototypen in einer Ausstellung in Turku präsentiert.

Die Doktorandin Alicja Lawrynowicz von der Technischen Fakultät der Universität Turku hat zwei verschiedene intelligente Textilien entwickelt. In einem der Projekte haben die Forscher einen Baumwollstoff entwickelt, der sich ohne Wasser selbst reinigen kann.

Dies ist möglich, weil der Stoff mit einem Mineral namens Zinkoxid behandelt wurde.   
Das Mineral bildet eine selbstreinigende Schicht, und Flecken auf dem Stoff verschwinden, wenn sie dem Tageslicht, d. h. ultraviolettem Licht, ausgesetzt werden. Wenn Flecken von selbst verschwinden, verringert sich die Notwendigkeit des Waschens und die Kleidung belastet die Natur weniger.
     
Bei dem anderen Textilprojekt ist es den Forschern gelungen, einen ungiftigen Textildruck zu entwickeln, der seine Farbe verändert, wenn er dem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Hierfür wird das Mineral Hackmanit verwendet, das auf ultraviolette Strahlung reagiert. Das Mineral stammt nicht aus Bergwerken, sondern wird in einem Labor in Turku hergestellt.

Zum ersten Mal überhaupt wird Hackmanit jetzt für Textildrucke verwendet. Das Mineral wirkt als Ultraviolett-Zensor und ändert seine Farbe, wenn man zu lange in der Sonne war und sich schützen muss. Es kann das Risiko für Sonnenschäden verringern, so Alicja Lawrynowicz.

Material auf dem Markt
Prototypen, die jetzt gefunden wurden, sind noch nicht in größerem Maßstab verfügbar. Was wird also mit all den Entdeckungen geschehen?

Die Idee ist, dass sie nicht im Labor bleiben werden. Wir hoffen, dass unsere Innovationen in Zukunft in der Industrie eingesetzt werden“, sagt Lawrynowicz.

Die Forschung ist multidisziplinär, d. h. es gibt eine Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungsgruppen. Die Forschung findet auch in anderen nordischen Ländern statt.  

Lupinen können zu Textilien werden
In Dänemark hat eine Forschungsgruppe in umweltfreundliche Farbstoffe investiert und Farbstoffe aus großen Mengen von Abfällen der örtlichen Restaurants hergestellt, unter anderem aus Avocado- und Zwiebelschalen. Avocadoschalen verleihen Textilien eine schöne gelbe Farbe und Zwiebeln erzeugen braune Nuancen. Diese Farben könnten in Zukunft die traditionellen, schädlichen Farbstoffe ersetzen.
Gleichzeitig haben Forscher der Aalto-Universität Textilien aus der Lupine hergestellt, die in Finnland eine heimische Pflanze ist.

Bisher haben wir Lupinen aus Gräben entfernt und sie als Problem angesehen, aber hier haben die Forscher Fasern hergestellt und konnten daraus einen Stoff weben, sagt Forschungskoordinatorin Helen Salminen aus dem Fachbereich Materialwissenschaften der Universität Turku.

Im Rahmen des Projekts haben die schwedischen Forscher ihrerseits an der Entwicklung von Alternativen zu den Kunststofffasern (Elastan) gearbeitet, die häufig in Jeansstoffen verwendet werden, um den Stoff elastischer zu machen.

Baumwolle, die nur wenige Prozent Kunstfasern enthält, ist schwer zu recyceln. Das macht es schwierig, den Stoff als Rohstoff für weitere Prozesse zu verwenden. Deshalb ist es wichtig, neue Wege zu finden, um Gewebe so zu weben, dass sie recycelt werden können und ohne Kunstfasern elastisch sind, sagt Alicja Lawrynowicz.

Ein einzelner Faserstrang, der an der Washington State University entwickelt wurde, hat die Flexibilität von Baumwolle und die elektrische Leitfähigkeit eines Polymers namens Polyanilin.

Das neu entwickelte Material zeigt gutes Potenzial für tragbare E-Textiles. Die WSU-Forscher testeten die Fasern mit einem System, das eine LED-Lampe mit Strom versorgte, und einem anderen, das Ammoniakgas aufspürte. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift „Carbohydrate Polymers“.

„Wir haben eine Faser aus zwei Schichten: eine Schicht ist die herkömmliche Baumwolle, die flexibel und stark genug für den täglichen Gebrauch ist, und die andere Seite ist das leitfähige Material", sagt Hang Liu, Textilwissenschaftlerin an der WSU und Autorin der Studie.

„Die Baumwolle kann das leitfähige Material tragen, das die gewünschte Funktion erfüllen kann.“

Die Idee ist, solche Fasern als Sensoraufnäher mit flexiblen Schaltkreisen in die Kleidung zu integrieren, auch wenn es noch weiterer Entwicklung bedarf. Diese Aufnäher könnten Teil der Uniformen von Feuerwehrleuten, Soldaten oder Arbeitern sein, die mit Chemikalien umgehen, um gefährliche Expositionen zu erkennen. Andere Anwendungen sind Gesundheitsüberwachungen oder Sporthemden, die mehr können als die derzeitigen Fitnessmonitore.

„Es gibt bereits einige intelligente Wearables, wie z. B. intelligente Uhren, die die Bewegung und die menschlichen Vitalparameter überwachen können, aber wir hoffen, dass in Zukunft auch die Alltagskleidung diese Funktionen erfüllen kann“, so Liu. „Mode ist nicht nur Farbe und Stil, wie viele Leute denken: Mode ist Wissenschaft.“

In dieser Studie arbeitete das WSU-Team daran, die Herausforderungen beim Mischen des leitfähigen Polymers mit Baumwollzellulose zu meistern. Polymere sind Stoffe mit sehr großen Molekülen, die ein sich wiederholendes Muster aufweisen. In diesem Fall verwendeten die Forscher Polyanilin, auch bekannt als PANI, ein synthetisches Polymer mit leitenden Eigenschaften, das bereits in Anwendungen wie der Herstellung von Leiterplatten verwendet wird.

Polyanilin ist zwar von Natur aus leitfähig, aber spröde und kann daher nicht zu einer Faser für Textilien verarbeitet werden. Um dieses Problem zu bewältigen, lösten die WSU-Forscher Baumwollzellulose aus recycelten T-Shirts in einer Lösung und das leitfähige Polymer in einer anderen Lösung auf. Diese beiden Lösungen wurden dann zusammengeführt, und das Material wurde zu einer Faser extrudiert.

Das Ergebnis zeigte eine gute Grenzflächenbindung, was wiederum bedeutet, dass die Moleküle der verschiedenen Materialien durch Dehnung und Biegung zusammenbleiben würden.

Die richtige Mischung an der Schnittstelle zwischen Baumwollzellulose und Polyanilin zu erzielen, sei ein schwieriger Balanceakt, so Liu.

„Wir wollten, dass diese beiden Lösungen so zusammenwirken, dass sich die Baumwolle und das leitfähige Polymer bei Kontakt bis zu einem gewissen Grad vermischen und sozusagen zusammenkleben, aber wir wollten nicht, dass sie sich zu sehr vermischen, da sonst die Leitfähigkeit beeinträchtigt würde“, sagte sie.

Weitere WSU-Autoren dieser Studie waren der Hauptautor Wangcheng Liu sowie Zihui Zhao, Dan Liang, Wei-Hong Zhong und Jinwen Zhang. Diese Forschung wurde von der National Science Foundation und dem Walmart Foundation Project unterstützt.

Das Wort „Mode“ weckt in den meisten Gedanken an Schnitte, Farben und Muster – warum aber eigentlich nicht an Live-Auswertungen von Vitalfunktionen oder Trainingseinheiten für Rehabilitationspatient*innen? Bislang sind Produkte der Modebranche weitestgehend analog. Um jedoch Kleidung in der Ära des Digitalen smart zu gestalten, wurde das Projekt Re-FREAM ins Leben gerufen. Forschende und Künstler*innen arbeiten hier Seite an Seite, entwickeln innovative und nachhaltige Ideen sowie Umsetzungsvarianten für den Mode-Bereich und setzen Impulse für Nutzer*innen-orientierte Synergien aus Textil und Technik.

Der Schriftsteller Maxim Gorki brachte die Verbundenheit zweier lange unvereinbar geglaubter Gesellschaftsbereiche auf den Punkt: „Die Wissenschaft ist der Verstand der Welt, die Kunst ihre Seele“. Im Projekt Re-FREAM werden sie verbunden, denn Mode beschränkt sich nicht nur auf die Entscheidung des Äußerlichen, sie ist unmittelbar mit soziologischen, technologischen und ökologischen Weltanschauungen behaftet. Immer weniger reicht es aus, nur das Schöne zu präsentieren, denn auch die Schattenseiten der Fashion-Industrie müssen aufgedeckt und ihnen muss mit nachhaltigen Produktionszyklen und fairen Arbeitsbedingungen entgegengewirkt werden. Genau dieses Umdenken und Neugestalten der Prozesse, Produktionsmethoden, aber auch der Funktionalität und Traditionen in der Modewelt ist Teil des Projekts Re-FREAM.

Ziel ist es, eine Interaktion zwischen Mode, Design, Wissenschaft und Urban Manufacturing entstehen zu lassen, um kreative Visionen mit nachhaltigen technologischen Lösungen zu verbinden. In Teams entwickelten Künstler*innen und Wissenschaftler*innen gemeinsam Projekte und präsentierten ihre innovative Ästhetik anschließend auf dem virtuellen Ars Electronica Festival 2020.

Durch den Einbezug der Wissenschaftler*innen vom Fraunhofer IZM stehen den Kunstschaffenden gänzlich neue technologische Möglichkeiten offen: Die Mikroelektronik wird nicht nur zum modischen Accessoire, sondern verleiht Kleidungstücken auch neue Funktionen. Mit Hilfe von Integrationstechnologien kann Kleidung vernetzt und textilintegrierte Sensorik verwendet werden, was Perspektiven von tragbaren Anwendungen im Bereich E-Health eröffnet.

Eine Schwierigkeit, die die Fraunhofer-Forschenden dabei lösen müssen, sind die elektronischen Kontaktstellen zwischen Elektronik und Textilien, denn diese müssen im industriellen Maßstab fertigbar und bei textiltypischer mechanischer Belastung sowie Waschreinigung zuverlässig funktionieren, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen. Eine weitere Herausforderung sind die elektronischen Module. Am Fraunhofer IZM werden die elektronischen Komponenten so stark miniaturisiert, dass sie im Kleidungsstück nicht auffallen. Die verbindenden Leiterbahnen werden schließlich auf die Stoffe laminiert oder gestickt.

So vielseitig die Kooperationspartner*innen in Re-FREAM sind, so ist auch jedes Teilprojekt eine unikale Gemeinschaftsleistung. Die italienische Designerin Giulia Tomasello möchte zum Beispiel in ihrem Vorhaben „Alma“ Tabus rund um die weibliche Gesundheit aufdecken und ein Monitoring der vaginalen Flora realisieren. Das Team aus Designer*innen, einer Anthropologin und Fraunhofer-Forschenden entwickelt Unterwäsche mit integriertem pH-Sensor: Somit sollen eine nicht invasive Diagnose von bakterieller Vaginose sowie fungaler Erkrankungen im Alltag ermöglicht und schwerwiegende Entzündungen verhindert werden.

Im Zwickel der Unterwäsche sammelt der wiederverwendbare Biosensor Daten und leitet diese an ein circa 1 Quadratzentimeter kleines Modul. Dank eines modularen Aufbaus kann der Mikrocontroller problemfrei von den Textilien gelöst werden. Auch der textile Sensor kann aus der Unterwäsche entnommen werden. Neben der technologischen Lösung stehen die ästhetischen Ansprüche im Vordergrund. Weitere Anwendungsmöglichkeiten wären das Monitoring von anormalen Gebärmutterblutungen sowie der Wechseljahre. „Durch die enge Kooperation mit den Künstlerinnen und Künstlern haben wir ganz besondere Einblicke in die Nutzerperspektive erhalten und sie wiederum in die der anwendungsorientierten Technologien. Wir haben uns gegenseitig stets gefordert und nun eine Lösung gefunden, die Medizintechnik, Wearables und eine zirkuläre Produktionsweise vereint, um Frauen zu stärken“, so Max Marwede, der „Alma“ am Fraunhofer IZM technisch begleitet hat.

Auch im Vorhaben „Connextyle“ rund um Designerin und Produktentwicklerin Jessica Smarsch liegt dem Team daran, nutzerorientierte Kleidungsstücke zu entwickeln: Die mit textilen Leiterplatten und laminierten EMG-Sensoren versehenen Oberteile messen Muskelaktivitäten und optimieren damit Rehabilitationsprozesse von Patient*innen. Eine App liefert visuelles Feedback aus den gesammelten Daten, generiert Berichte über den Heilungsprozess und erleichtert es Therapeut*innen, die Maßnahmen ideal anzupassen.

Soft Robotics sind wiederum der springende Punkt im Vorhaben „Lovewear“, denn hier wurde inklusive Unterwäsche entwickelt, die besonders Menschen mit körperlichen Einschränkungen dabei helfen soll, die eigene Intimität zu erforschen und ein stärkeres Bewusstsein für den eigenen Körper zu entwickeln. Durch Interaktionen mit einem angeschlossenen Kissen, das als Interface fungiert, werden Drucklufteinlagen im Spitzenstoff aktiviert. Anstelle der üblicherweise genutzten silikonbasierten Materialien werden die Soft Robotics hier aus Textilien und thermoplastischen Materialien hergestellt. Somit vermeiden die Forschenden den langen Aushärtungsprozess bei silikonbasierten Ansätzen und ermöglichen eine schnellere und kostengünstigere Massenfertigung mit verfügbaren Textilmaschinen.

Besonders herausfordernd und gleichzeitig fruchtbar ist die Kollaboration in der Gestaltung nachhaltiger und zirkulärer Produktionsdesigns in der Mode. Bereits beim Design werden ökologische Prinzipien berücksichtigt, so dass negative Auswirkungen auf die Umwelt entlang des Produktlebenszyklus‘ minimiert werden. Dazu zählt, wie zuverlässig die Ankontaktierungen der Komponenten sind, wie lang die Sensoren auf dem Textil haften, die Materialauswahl und der modulare Aufbau, um die Mikrocontroller wiederverwenden zu können. Die Teams erstellen jedoch keine Einzelstücke – sie wollen zeigen, dass der Weg zu High-Tech Fashion auch ein umweltfreundlicher sein kann. Hier wurde auch an zirkulären Geschäftsmodellen gearbeitet, die zur nachhaltigen Mission der Projekte passen.

Somit stellt die Expertise des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in den Bereichen der E-Textiles und des zirkulären Designs einen hohen Mehrwert im Projekt Re-FREAM dar. Mit weiterführenden Untersuchungen zu geeigneten leitfähigen Materialien entwickeln die Forscher*innen aktuell sensorische Textilien und Textil geeignete Kontaktierungstechnologien. Zudem arbeiten sie an thermoplastischen Substraten, die in so gut wie jedes Textil integriert werden können.

Re-FREAM ist Teil des Programms STARTS (Science + Technology + Arts), welches als Initiative der Europäischen Kommission im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 gefördert wird.