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ein berührungssensitives Haarband Hybrid Body Lab/Provided
19.05.2025

Pflanzen zum Anziehen: LivingLoom webt Samen in Textilien

Die Beziehung des Menschen zu Pflanzen ist weitgehend zweckorientiert und dient unseren Bedürfnissen. In der Regel essen wir sie oder stellen Dinge aus ihnen her.
 
Forscher des College of Human Ecology (CHE) haben einen Design- und Herstellungsansatz entwickelt, der diese Lebewesen zu Begleitern des Menschen macht. Die Samen werden in Hydrogelmaterial eingewebt, das unter anderem für Haarbänder, Armbänder, Hüte und Sandalen verwendet wird. Die Samen wachsen bei richtiger Pflege zu Sprossen heran.

Die Beziehung des Menschen zu Pflanzen ist weitgehend zweckorientiert und dient unseren Bedürfnissen. In der Regel essen wir sie oder stellen Dinge aus ihnen her.
 
Forscher des College of Human Ecology (CHE) haben einen Design- und Herstellungsansatz entwickelt, der diese Lebewesen zu Begleitern des Menschen macht. Die Samen werden in Hydrogelmaterial eingewebt, das unter anderem für Haarbänder, Armbänder, Hüte und Sandalen verwendet wird. Die Samen wachsen bei richtiger Pflege zu Sprossen heran.

„Während des größten Teils der Menschheitsgeschichte haben wir Seite an Seite mit Pflanzen gelebt, sie wurden von den Menschen genutzt, um sie als Nahrung zu verwenden oder zu Garnen für Stoffe zu spinnen“, sagt Cindy Hsin-Liu Kao, außerordentliche Professorin für Human Centered Design (CHE). „Wir sind wirklich daran interessiert, darüber nachzudenken, was es bedeuten könnte, wenn wir eine wechselseitige, kollaborative Beziehung zu Pflanzen aufbauen könnten. Könnte uns dies dabei helfen, unsere Beziehungen zur Umwelt neu zu gestalten und eine nachhaltigere Zukunft anzustreben?"

Ein berührungssensitives Haarband gehört zu den potenziellen Anwendungen von LivingLoom, einem Designforschungs- und Herstellungskonzept, das lebende Pflanzen in Textilien integriert. Weitere Anwendungen sind ein schützender Hut, ein Gartenkissen, eine gewebte Tasche aus Rattan und Sandalen, die zu Aktivitäten im Freien anregen.

Jingwen Zhu, Doktorand im Bereich Human Behavior Design, ist der Hauptautorin von “LivingLoom: Investigating Human-Plant Symbiosis Through Integrating Living Plants Into (E-)Textiles", das am 25. April veröffentlicht und von Zhu auf der Association for Computing Machinery Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI '25) vom 26. April bis 1. Mai in Yokohama, Japan, vorgestellt wurde. Die Arbeit wurde auf der Konferenz mit dem Best Paper Award ausgezeichnet, eine Auszeichnung, die den besten 1 % der eingereichten Arbeiten vorbehalten ist.

LivingLoom ist eine Erweiterung eines Prototyping-Ansatzes namens Eco-Threads, der im Hybrid Body Lab von Kao entwickelt wurde. EcoThreads umfasst zwei Herstellungsmethoden - Nassspinnen und Fadenbeschichtung - zur Herstellung funktionaler Garne aus Biomaterialien.

Beim Nassspinnen werden Polymere in ein Koagulationsbad extrudiert, wo sich das Polymer zu Fasern verfestigt. Der entscheidende Unterschied bei LivingLoom: Chia-Samen werden in die Spinnlösung, ein Hydrogel, eingearbeitet, so dass das entstehende Garn Samen enthält, die bei richtiger Pflege wachsen können.

Die Garne, in die das Saatgut eingebettet ist, werden dann mit einem digitalen Jacquard-Webstuhl zu Textilien verwoben, die neuartige Textilstrukturen bilden, die Wasser speichern und die Wurzeln unterstützen. Durch diesen Prozess werden die Samen mit Nährstoffen, Wachstumsraum und Wasser ausgestattet und wachsen dann in pflanzenintegrierten Textilien.

Kao und ihre Gruppe führten eine tagebuchbasierte Nutzerstudie durch, um herauszufinden, wie Menschen pflanzliche Textilien im Alltag tragen und pflegen würden. Die Forscher rekrutierten 10 Teilnehmer, die drei Tage lang ein LivingLoom-Armband trugen und ihre Beobachtungen aufzeichneten. Das Experiment wurde im Spätsommer durchgeführt, so dass die Teilnehmer während der Teilnahme kurze Ärmel tragen konnten.

Die Teilnehmer wurden gebeten, das Armband drei Tage lang täglich zwei bis acht Stunden zu tragen. Danach gaben sie die Armbänder zurück und wurden vom Forschungsteam befragt. Wenn der Benutzer das Gerät abnahm, legte er es in einen Behälter, um die wachsenden Pflanzen zu schützen.

Laut Zhu sagten mehrere der Teilnehmer, dass sie bereits Erfahrung mit der Pflege von Zimmerpflanzen hätten, aber „das war das erste Mal, dass es sich um ein Wearable handelte, so dass die Nähe sehr eng war und tatsächlich eine sehr intime Beziehung zu der Pflanze entstand“. Andere beschrieben die Symbiose zwischen ihnen und der Pflanze: Wenn die Pflanze zum Beispiel Wasser brauchte, durften auch sie etwas trinken.

Die Teilnehmer würden auch am Morgen nach einer guten Nachtruhe Parallelen feststellen. „Sie setzten die Pflanzen nachts wieder in den Container“, sagte Zhu, "und am Morgen stellten sie fest, dass die Pflanzen größer geworden waren. Das war so ähnlich, wie wenn sie sich durch ausreichend Ruhe wieder aufladen würden.“

Kao sagte, dass Zimmerpflanzen während der Pandemie immer beliebter wurden, da die Menschen mehr Zeit zu Hause verbrachten, aber die Nähe zwischen dem Träger und dem LivingLoom macht die Beziehung noch enger. „Man hat diese lebenden Pflanzen, diese lebenden Dinge, direkt auf der Hautoberfläche und ich denke, dass wir diese Erfahrung nur selten machen“, sagte sie.

Die Beziehung wurde für einige Teilnehmer emotional, meinte Zhu.

„Eine Teilnehmerin sagte, dass sie sich verbunden fühlte, als sie aufwachte und sah, dass die Sprossen wirklich gut wuchsen“, sagte sie. "Und eine Teilnehmerin bemerkte, dass sie sehr traurig gewesen sei, als eine der Sprossen abfiel, weil sie so nah an ihrem Körper war und sie sich dadurch sehr verbunden fühlte.

Zu den anderen potenziellen Einsatzmöglichkeiten der LivingLoom sagte Zhu: „Viele Leute waren der Meinung, dass der Hut und das Haarband sehr sinnvoll seien, da es sich um einen Bereich handelt, in dem die Menschen von Natur aus dekorative Accessoires tragen, die sie bei ihrer Tätigkeit nicht wirklich stören, und der von Natur aus dem Sonnenlicht ausgesetzt ist.“

Kao sagte, dass die LivingLoom auch in der digitalen Landwirtschaft und Lebensmittelwissenschaft Anwendung finden könnte. „Zusätzlich zum Saatgut können wir digitale Spuren und in das Garn eingebettete Sensoren einflechten, die zum Beispiel für die automatische Überwachung des Bodenzustands verwendet werden könnten“, sagte sie. „Es gibt ein großes Potenzial an Anwendungsfällen - nicht nur im Bereich der Wearables, sondern auch für unsere Umwelt.“

Weitere Co-Autoren sind Samantha Chang und Ruth Zhao, eine Studentin an der University of Pennsylvania.

Dieses Projekt wurde von der National Science Foundation, dem Cornell Atkinson Center for Sustainability Academic Venture Fund und dem College of Human Ecology Faculty Sustainability Research Grant unterstützt.

Quelle:

Tom Fleischman, Cornell Chronicle

Deakin-Forscher verbessern Seidenraupenseide durch ganzheitlichen Ansatz © Freyla Ferguson / Deakin University
17.04.2025

Deakin-Forscher verbessern Seidenraupenseide durch ganzheitlichen Ansatz

Dr. Ben Allardyce und Doktorand Martin Zaki vom Deakin Institute for Frontier Materials (IFM) haben eine Weltneuheit in der Materialforschung der nächsten Generation vorgelegt.

Seidenraupenseide ist eine Faser auf Proteinbasis, deren mechanische Eigenschaften mit denen von aus Erdöl gewonnenen synthetischen Fasern konkurrieren, die aber mit einem Bruchteil der Energie gesponnen werden. Trotz jahrzehntelanger Forschung bleiben Aspekte des natürlichen Seidenspinnens ein Rätsel.

Dr. Ben Allardyce und Doktorand Martin Zaki vom Deakin Institute for Frontier Materials (IFM) haben eine Weltneuheit in der Materialforschung der nächsten Generation vorgelegt.

Seidenraupenseide ist eine Faser auf Proteinbasis, deren mechanische Eigenschaften mit denen von aus Erdöl gewonnenen synthetischen Fasern konkurrieren, die aber mit einem Bruchteil der Energie gesponnen werden. Trotz jahrzehntelanger Forschung bleiben Aspekte des natürlichen Seidenspinnens ein Rätsel.

Die Entdeckung des IFM bringt die Forscher einen Schritt näher an die Lösung dieses Rätsels heran, indem eine neue Klasse von Seide nass gesponnen wird, die Fasern erzeugt, die die natürliche Seide übertreffen.
 
Durchbruch bei Werkstoffen
Bei dieser von Dr. Allardyce und Herrn Zaki geleiteten Forschungsarbeit, an der auch Professor Chris Holland von der Universität Sheffield beteiligt war, wurde die Degummierung - ein in der Industrie übliches Verfahren - umgangen und mit der Auflösung ganzer Seidenfasern experimentiert.

Mit dieser neuen Technik konnte das Team eine spinnbare Lösung herstellen, die die von der Seidenraupe produzierte Seide besser imitiert. Diese Lösung wurde in der hochmodernen Pilotfaser- und Textilanlage des IFM nass gesponnen, um Fasern herzustellen, die der natürlichen Seide näher kommen.

Laut Joe Razal, dem stellvertretenden Direktor des IFM, ist die Entdeckung des Teams eine Weltneuheit und zeigt, wie IFM-Forscher neue nachhaltige Materialien entwickeln, die in der Praxis Anwendung finden und Auswirkungen haben.

„Ben und Martin haben die Norm herausgefordert, indem sie Seidenfasern in einer Laborumgebung hergestellt haben“, sagte Professor Razal.

Sie haben einen Cocktail aus gelösten, nicht getrennten Seidenbestandteilen nass gesponnen, der die in der Natur vorkommenden Eigenschaften nachahmt.

Das Team fand einen Weg, die von der Seidenraupe produzierten Fasern nachzubilden und deren Potenzial zu erschließen, dass sie ebenso biologisch abbaubar, robust und energieeffizient sind. Wenn sie unter identischen Bedingungen gesponnen werden, sind die Fasern aus nicht degummierten Lösungen achtmal stärker und 218-mal zäher als degummierte Seidenrohstoffe.

Nicht degummierte versus degummierte Seide
„Traditionell verwendet die Industrie das Degummieren, um den Seidenraupenkokon zu entwirren und die Fasern herzustellen. Es wird auch häufig von Forschern verwendet, um die Seide wieder in eine Lösung zu spinnen, die dann zu neuen Formen verfestigt werden kann“, sagte Professor Holland.

Das Entfernen einer Schlüsselkomponente des natürlichen Materials, der Sericin-Gummibeschichtung, geht jedoch oft mit einer kollateralen Schädigung der Seidenproteine einher und wird daher oft als notwendiges Übel betrachtet.

Herr Zaki erklärt, dass das Team bessere Materialien herstellen und gleichzeitig verstehen wollte, wie das geht:
Wir gingen einen Schritt zurück und fragten uns: Warum hat das noch niemand versucht? Liegt es daran, dass es zu schwierig ist, oder daran, dass jeder Seide entgummiert und niemand etwas anderes in Betracht gezogen hat?

In der Industrie entfällt der größte Teil der Wasserverschwendung, des Arbeitsaufwands und des Energieverbrauchs auf den Entbastungsprozess. Indem wir diesen Schritt umgehen, erhöhen wir das Potenzial einer nachhaltigeren Technologie.

„Unentschleimte Kokons sind normalerweise unlöslich“, fügt Dr. Allardyce hinzu. Unser innovatives Verfahren kombiniert einen Mahlschritt, gefolgt von einem übersättigten Lösungsmittel, das die Auflösung ermöglicht.

Noch nie hat jemand versucht, nicht degummierte Seide künstlich zu spinnen. Und niemand hat bisher erfolgreich nicht entschleimte Kokons aufgelöst und auf diese Weise neu gesponnen.
 
Zukünftige Anwendungen
Entschleimte Seide wird für die Reparatur von Nerven, die Beschichtung von Lebensmitteln zur Verlängerung der Haltbarkeit und für biologisch abbaubare Batterien verwendet.

Mit dieser bahnbrechenden Forschung wird ein neuer Weg beschritten, um eine Faser mit ähnlichen Strukturen wie die der ursprünglichen Seide zu erzeugen.

Dr. Allardyce zufolge handelt es sich um eine Innovation, die auch für andere Fasern der nächsten Generation gelten könnte.
Wenn das Wissen auf andere Biopolymere - andere Proteine, Zellulosefasern - angewandt werden könnte, könnten wir möglicherweise neue Fasern herstellen, die einen Bruchteil des Energieaufwands von synthetischen Fasern haben, aber genauso gut funktionieren und den Vorteil der biologischen Abbaubarkeit beibehalten.

Quelle:

Deakin’s Institute for Frontier Materials’ (IFM)

Foto: Rice University
08.04.2025

Revolution der Haptik

Von der virtuellen Realität über die Rehabilitation bis hin zur Kommunikation hat die haptische Technologie die Art und Weise revolutioniert, wie Menschen mit der digitalen Welt interagieren. Während sich frühe haptische Geräte auf einzelne Sinnesreize wie vibrationsbasierte Benachrichtigungen konzentrierten, haben moderne Weiterentwicklungen den Weg für multisensorische haptische Geräte geebnet, die verschiedene Formen des berührungsbasierten Feedbacks integrieren, darunter Vibration, Hautdehnung, Druck und Temperatur.
 

Von der virtuellen Realität über die Rehabilitation bis hin zur Kommunikation hat die haptische Technologie die Art und Weise revolutioniert, wie Menschen mit der digitalen Welt interagieren. Während sich frühe haptische Geräte auf einzelne Sinnesreize wie vibrationsbasierte Benachrichtigungen konzentrierten, haben moderne Weiterentwicklungen den Weg für multisensorische haptische Geräte geebnet, die verschiedene Formen des berührungsbasierten Feedbacks integrieren, darunter Vibration, Hautdehnung, Druck und Temperatur.
 
Kürzlich veröffentlichte ein Expertenteam, zu dem Marcia O'Malley und Daniel Preston von der Rice University, der Doktorand Joshua Fleck, die Absolventen Zane Zook und Janelle Clark sowie weitere Mitarbeiter gehörten, in Nature Reviews Bioengineering einen ausführlichen Forschungsbericht, in dem der aktuelle Stand der tragbaren multisensorischen haptischen Technologie analysiert und ihre Herausforderungen, Fortschritte und realen Anwendungen beschrieben wurden.

Haptische Geräte, die Kommunikation durch Berührung ermöglichen, haben sich seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren erheblich weiterentwickelt. Ursprünglich beruhten sie auf starren, geerdeten Mechanismen, die als Benutzerschnittstellen fungierten und kraftbasierte Rückmeldungen aus virtuellen Umgebungen erzeugten. Mit Fortschritten in der Sensor- und Antriebstechnologie sind haptische Geräte jedoch zunehmend tragbar geworden. Die heutigen Innovationen konzentrieren sich auf das Hautfeedback - die Stimulierung der Hautrezeptoren, um realistische Berührungsempfindungen zu erzeugen - und nicht auf das kinästhetische Feedback, das die auf den Bewegungsapparat ausgeübte Kraft nachahmt.
 
„Haptische Geräte, die am Körper getragen werden können, sind heute in Verbraucherprodukte wie Smartwatches und Spielzubehör integriert und erfüllen komplexere Aufgaben im Gesundheitswesen, in der Robotik und in immersiven Medien“, sagte O'Malley, Inhaberin der Thomas Michael Panos Family Professur in Ingenieurwissenschaften und Professorin und Lehrstuhlinhaberin für Maschinenbau. „Der neue Trend zum multisensorischen haptischen Feedback, d. h. zur gleichzeitigen Bereitstellung von mehr als einer Art von Berührungsreizen, verbessert das Benutzererlebnis, stellt jedoch neue technische und wahrnehmungsbezogene Herausforderungen dar. Mit der weiteren Entwicklung dieser Technologie werden wir sehen, wie sie sich zu einer reichhaltigeren, multisensorischen Erfahrung entwickelt - eine, die die Lücke zwischen digitaler Interaktion und menschlicher Berührung schließt.

Die Entwicklung effektiver, tragbarer, multisensorischer haptischer Geräte erfordert ein tiefes Verständnis der menschlichen Berührungswahrnehmung, und das Forschungsteam hat mehrere zentrale Herausforderungen auf diesem Gebiet identifiziert. Eine der größten Hürden ist die Variabilität der Hautkontaktmechanik, da Unterschiede in der Hautelastizität, der Rezeptorverteilung und externen Faktoren wie Feuchtigkeit die Wahrnehmung haptischer Reize verändern können. Ein weiteres Problem ist die taktile Maskierung, bei der mehrere haptische Empfindungen wie Vibration und Hautdehnung einander überlagern können, was die Wahrnehmungsschärfe verringert.
„Die Haut eines jeden Menschen reagiert anders auf Reize, weil sie unterschiedlich elastisch, feucht und sogar behaart ist“, sagt Preston, Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Diese Variabilität macht die Entwicklung universell wirksamer Geräte unglaublich komplex.

Darüber hinaus spielen Tragekomfort und Bequemlichkeit bei jedem Produkt eine wichtige Rolle. Haptische Geräte müssen so konzipiert sein, dass sie sich an verschiedene Körperstellen anpassen, ohne Unbehagen zu verursachen, die Bewegung einzuschränken oder die täglichen Aktivitäten zu stören. Faktoren wie Gewicht, Größe und Befestigungsmethoden spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der langfristigen Nutzbarkeit.

„Echtes Eintauchen in die haptische Technologie hängt nicht nur davon ab, was die Benutzer fühlen, sondern auch davon, wie natürlich und bequem sie es erleben“, so Preston.

Zusätzlich zu den Herausforderungen haben die Autoren mehrere neue Betätigungsmethoden identifiziert, die die tragbare haptische Technologie neu definieren könnten.

Die elektromechanische Übertragung, die üblicherweise in Vibrations-Feedback-Systemen verwendet wird, ist aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Erschwinglichkeit nach wie vor die am häufigsten verwendete Methode. Allerdings ist es oft schwierig, eine Vielzahl von haptischen Hinweisen zu geben. Die polymere Aktivierung, die sich auf intelligente Polymere stützt, die ihre Form oder Beschaffenheit ändern, wenn sie Reizen ausgesetzt werden, bietet eine leichte und flexible Alternative für die Bereitstellung haptischer Rückmeldungen. Die Fluidik, bei der unter Druck stehende Luft oder Flüssigkeiten zur Erzeugung dynamischer taktiler Empfindungen eingesetzt werden, gewinnt in der Soft-Robotik und bei textilbasierten haptischen Wearables zunehmend an Bedeutung und bietet neue Möglichkeiten für Komfort und Anpassungsfähigkeit. Darüber hinaus entwickelt sich die thermische Betätigung zu einer Möglichkeit, das Eintauchen in virtuelle Umgebungen zu verbessern oder reale Interaktionen durch Wärme- oder Kälteempfindungen zu simulieren.
     
„Wir gehen davon aus, dass diese Technologien den Anwendungsbereich des haptischen Feedbacks erheblich erweitern werden, insbesondere in Bereichen wie der medizinischen Rehabilitation, der Entwicklung von Prothesen und der Mensch-Maschine-Interaktion“, so O'Malley. „Obwohl sie vielversprechend sind, müssen sie weiter verfeinert werden, um Reaktionszeit, Haltbarkeit und Energieeffizienz zu verbessern.

Der Bericht gibt ebenfalls einen Einblick in die Möglichkeiten, die die tragbare haptische Technologie für die Interaktion des Menschen mit digitalen und physischen Umgebungen eröffnen wird. In der virtuellen und erweiterten Realität verbessert die multisensorische Haptik das Eintauchen in die Materie, indem sie es den Nutzern ermöglicht, digitale Objekte zu ertasten und so das Erlebnis in Spielen, Trainingssimulationen und im Bildungsbereich zu verbessern. Im Gesundheits- und Rehabilitationswesen unterstützen tragbare Haptiksysteme das Training motorischer Fähigkeiten, die Rehabilitation nach einem Schlaganfall und die Rückmeldung von Prothesen, so dass die Patienten effektiver mit ihrer Umgebung interagieren können. Hilfstechnologien und Kommunikationsanwendungen nutzen taktile Schnittstellen, um Menschen mit Seh- oder Hörbehinderungen zu helfen, indem sie auditive oder visuelle Informationen in berührungsbasierte Signale umwandeln. Navigations- und Leitsysteme profitieren von haptischen Wearables, indem sie intuitive Richtungshinweise geben, sehbehinderte Personen unterstützen und die freihändige Navigation in Bereichen wie Militär und Luftfahrt verbessern. Auch Teleoperation und Robotik können erheblich profitieren, da ferngesteuerte Robotersysteme mit haptischem Feedback dem Benutzer ermöglichen, Objekte aus der Ferne zu „ertasten“, was die Präzision bei heiklen Aufgaben wie der Roboterchirurgie verbessert.

Trotz bedeutender Fortschritte betonen die Autoren, dass die multisensorische haptische Wahrnehmung weiter erforscht werden muss. Das Verständnis dafür, wie das Gehirn die gleichzeitigen haptischen Hinweise verarbeitet, wird für die Verbesserung künftiger Geräte von entscheidender Bedeutung sein, und um eine breite Akzeptanz zu gewährleisten, muss ein Gleichgewicht zwischen technologischer Raffinesse, Benutzerkomfort und praktischer Verwendbarkeit gefunden werden. „Das ultimative Ziel ist es, haptische Geräte zu entwickeln, die sich so natürlich anfühlen wie echte Berührungen“, so O'Malley.

 

Weitere Informationen:
Haptik Rice University wearables
Quelle:

Rice University, Alexandra Becker, Media Relations Specialist

Windenergie Bild BulentYILDIZ, Pixabay
11.03.2025

Revolutionierung der Carbonfaserindustrie

Ein Forscherteam der Universität Limerick hat ein zukunftsweisendes neues Verfahren zur Herstellung von Carbonfasern entwickelt, das gleichzeitig eine drastische Reduzierung des Energiebedarfs ermöglicht.

Forscher der UL leiten ein Projekt, in dem eine neue Methode zur Herstellung von Carbonfasern entwickelt wurde. Carbonfasern sind ein kostengünstiges, leichtes Material, das in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Windenergie, Bauwesen und Transportwesen verwendet wird.

Im Rahmen des CARBOWAVE-Projekts wird ein innovatives Plasma- und Mikrowellen-Heizverfahren zur Herstellung von Carbonfasern eingesetzt, das die herkömmlichen Heizmethoden ersetzt und den Energieverbrauch um bis zu 70 % senkt, während die Leistungsfähigkeit des Materials erhalten bleibt.
Durch die Verringerung des Energiebedarfs bei der Herstellung des Materials wird der Prozess umweltfreundlicher und kostengünstiger.

Ein Forscherteam der Universität Limerick hat ein zukunftsweisendes neues Verfahren zur Herstellung von Carbonfasern entwickelt, das gleichzeitig eine drastische Reduzierung des Energiebedarfs ermöglicht.

Forscher der UL leiten ein Projekt, in dem eine neue Methode zur Herstellung von Carbonfasern entwickelt wurde. Carbonfasern sind ein kostengünstiges, leichtes Material, das in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Windenergie, Bauwesen und Transportwesen verwendet wird.

Im Rahmen des CARBOWAVE-Projekts wird ein innovatives Plasma- und Mikrowellen-Heizverfahren zur Herstellung von Carbonfasern eingesetzt, das die herkömmlichen Heizmethoden ersetzt und den Energieverbrauch um bis zu 70 % senkt, während die Leistungsfähigkeit des Materials erhalten bleibt.
Durch die Verringerung des Energiebedarfs bei der Herstellung des Materials wird der Prozess umweltfreundlicher und kostengünstiger.

Das ehrgeizige neue Projekt, das von den UL-Professoren Maurice N. Collins und Dr. Anne Beaucamp McLoughlin koordiniert wird, soll die energieintensive Carbonfaser-Industrie durch den Einsatz modernster alternativer Heiztechnologien verändern.

Die ersten Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Composites and Hybrid Materials Journal veröffentlicht. Die Fortschritte werden dazu beitragen, Umweltprobleme wie Energieverbrauch und Emissionen zu bewältigen und gleichzeitig ein nachhaltiges industrielles Wachstum zu fördern.

Die von dem Forschungsteam entwickelten Ergebnisse werden eine effizientere Umwandlung von Polyacrylnitril (PAN) ermöglichen, einer Schlüsselkomponente bei der Herstellung von Carbonfasern, deren Umwandlung einen enormen Energieaufwand erfordert und die ein strategisches Material darstellen, das für die zukünftige Energiesicherheit Europas von entscheidender Bedeutung ist.

Das CARBOWAVE-Team wird zur Umwandlung von PAN in Carbonfasern die suszeptor-induzierte Mikrowellenerwärmung mit Hilfe der Technologie der selbstorganisierten Nanostrukturen nutzen, die ursprünglich von Forschern der Universität Limerick und der Universität Valencia entwickelt wurde. Dadurch kann es schneller erhitzt werden, was den Produktionsprozess effizienter macht.

Interessanterweise entdeckte das UL-Team bei seinen Forschungen, dass Carbonfasern in einer kostengünstigen Haushaltsmikrowelle hergestellt werden können und eine mechanische Leistung aufweisen, die derjenigen entspricht, die durch herkömmliche Erhitzung erzeugt wird.

Professor Maurice Collins, leitender Forscher des Projekts und Professor für Materialwissenschaften an der School of Engineering von UL, erklärte: „Europas Abhängigkeit von energieintensiven Prozessen ist seit langem ein Hindernis für das Erreichen von Nachhaltigkeit. CARBOWAVE ist ein spannendes Projekt, das die Möglichkeit bietet, nachhaltigere und billigere Carbonfasern herzustellen.

Die langfristigen Auswirkungen sind enorm, da es den Einsatz von Carbonfasern in allen möglichen Anwendungen ermöglichen könnte, bei denen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit erforderlich ist - vom Bauwesen über das Transportwesen und die Wasserstoffspeicherung bis hin zur Windenergie und darüber hinaus.“

Dr. Anne Beaucamp McLoughlin, Assistenzprofessorin für Bauingenieurwesen an der UL, erklärte, dass das Projekt darauf abzielt, die Carbonfaser-Industrie zu revolutionieren, indem es den Energieverbrauch und die Kosten des Kohlenstoffumwandlungsprozesses erheblich reduziert, ohne dass die mechanischen Eigenschaften der Fasern verloren gehen.

„Dieses Projekt wird eine energieeffizientere, schnellere und kostengünstigere Herstellung von Carbonfasern ermöglichen und ihren ökologischen Fußabdruck erheblich verkleinern.“

Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK), die aus Carbonfasern gewonnen werden, sind in Sektoren wie Windenergie, Bauwesen und Verkehr von entscheidender Bedeutung. Das geringe Gewicht von CFK erhöht die Effizienz von Windkraftanlagen, unterstützt die Dekarbonisierung im Bauwesen und verbessert die Kraftstoffeffizienz im Verkehrswesen, insbesondere bei Elektrofahrzeugen.

Die derzeitige Produktion von Carbonfasern ist jedoch sehr energieintensiv und hängt stark von Strom und Erdgas ab.

Die Lösungen von CARBOWAVE zielen darauf ab, diesen Energieverbrauch bei gleichbleibender Materialleistung um über 70 % zu senken. Der europäische Markt für fortschrittliche Kohlenstoffmaterialien, der 37 % des Weltmarkts beherrscht, wird von dieser zukunftsweisenden Initiative unmittelbar profitieren.

Professor Collins fügte hinzu: „Dieses Projekt verspricht eine breitere industrielle Nutzung von Carbonfasern durch eine drastische Verringerung ihrer Produktionskosten und ihres ökologischen Fußabdrucks zu ermöglichen.

„CARBOWAVE ist ein Schritt zur Dekarbonisierung der energieintensiven Industrien in Europa. Durch die Integration von Plasma- und Mikrowellenerwärmungstechnologien geht das Projekt nicht nur unmittelbare Herausforderungen wie Energieverbrauch und Emissionen an, sondern ebnet auch den Weg für ein nachhaltiges industrielles Wachstum.“

Das Projekt vereint führende Forschungseinrichtungen und Industriepartner in ganz Europa, um diesen transformativen Wandel voranzutreiben. Das Forschungsteam von UL bildet gemeinsam mit dem Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung in Deutschland, der Universität Valencia in Spanien, Fraunhofer IFAM in Deutschland, Microwave Technologies Consulting SAS in Frankreich, Muegge GmbH in Deutschland, Centro Ricerche Fiat in Italien, Juno Composite Ltd in Irland und Eirecom-posites Ltd, ebenfalls Irland, das CARBOWAVE-Konsortium.

CARBOWAVE ist eine von der Europäischen Kommission finanzierte Initiative, die darauf abzielt, alternative Wärmequellen für energieintensive Industrien zu entwickeln und umzusetzen, indem fortschrittliche Plasma- und Mikrowellentechnologien eingesetzt werden. Sie wird von der Europäischen Union finanziert.

Quelle:

University of Limerick

Medizinische Kleidung, Pixabay Bild: Sasin Tipchai auf Pixabay
11.02.2025

Medizinische Textilien mit Infektionsschutz

In Kooperation mit der Firma Heraeus entwickeln die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung (DITF) Fasern und Textilien mit einem neuartigen Infektionsschutzsystem. Die Grundlage ist ein antimikrobieller Wirkstoffmechanismus, der von Heraeus einlizensiert wurde und unter dem Namen AGXX vertrieben wird. Die Kooperationsarbeit hat zum Ziel, die AGXX-Technologie optimal in textile Ausrüstungen und Beschichtungen zu integrieren und sie in faserverspinnbare Polymere einzubinden. Medizintextilien erhalten dadurch einen hochwirksamen und dauerhaften Schutz zur Vorbeugung gegen mikrobielle Infektionen.
 

In Kooperation mit der Firma Heraeus entwickeln die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung (DITF) Fasern und Textilien mit einem neuartigen Infektionsschutzsystem. Die Grundlage ist ein antimikrobieller Wirkstoffmechanismus, der von Heraeus einlizensiert wurde und unter dem Namen AGXX vertrieben wird. Die Kooperationsarbeit hat zum Ziel, die AGXX-Technologie optimal in textile Ausrüstungen und Beschichtungen zu integrieren und sie in faserverspinnbare Polymere einzubinden. Medizintextilien erhalten dadurch einen hochwirksamen und dauerhaften Schutz zur Vorbeugung gegen mikrobielle Infektionen.
 
Die AGXX-Technologie basiert auf einem völlig neuen Wirkmechanismus. Er nutzt eine katalytische Redoxreaktion, die durch metallische AGXX-Partikel, bestehend aus Silber und Ruthenium, eingeleitet wird. In Wechselwirkung mit Luftfeuchtigkeit entstehen reaktive Sauerstoffspezies wie Peroxide. Das sind sauerstoffhaltige Moleküle mit sehr hoher Reaktionsbereitschaft. Sie töten effektiv Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Algen und sind ebenso wirksam gegen Viren.

Das Besondere an diesem Wirkmechanismus ist, dass sich die AGXX-Partikel nicht verbrauchen und keine Wirkstoffe freisetzen. Denn in etablierten antimikrobiellen Systemen, die auf der Freisetzung von Silberionen beruhen, ist genau diese Wirkstofffreisetzung zum Problem geworden: Die Freigabe der Silberionen-Konzentration ist kaum steuerbar und viele der etablierten Systeme halten den Vorgaben der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA) nicht stand. Solche Systeme werden mittelfristig vom Markt verschwinden und müssen durch Alternativen ersetzt werden.

Neben der permanenten Wirksamkeit überzeugt die AGXX-Technologie zudem durch eine besonders breites Abwehrspektrum gegenüber Krankheitserregern und verhindert die Bildung von Resistenzen.
      
Die AGXX-Technologie von Heraeus hat bereits einen hohen Entwicklungsstand erreicht und findet Anwendung in verschiedenen industriellen Bereichen. AGXX-Partikel lassen sich grundsätzlich gut in verschiedene Materialien einarbeiten. Textilien, die im Medizinbereich verwendet werden, sind jedoch erhöhten Anforderungen ausgesetzt. Die Beständigkeit des antimikrobiellen Schutzmechanismus muss hoch sein, denn kontaminierte Textilien können über längere Zeit eine Quelle für Übertragung von Krankheitserregern sein. Dazu sollte eine Modifikation des textilen Materials, entweder über Oberflächenbehandlung (Ausrüstung oder Beschichtung) oder durch die Inkorporation von AGXX in Filamentgarne, bekleidungsphysiologisch nicht nachteilig sein. Denn eine Einschränkung der textilen Gebrauchseigenschaften dürfte bei den Trägern der Textilien keine Akzeptanz finden.

Die Einbindung von AGXX-Partikeln in textile Ausrüstungen und in faserverspinnbare Polymere steht im Mittelpunkt des gemeinsamen Forschungsansatzes der DITF und der Fa. Heraeus. Dabei werden nicht nur die optimalen Konzentrationen der AGXX-Partikel bestimmt, die besten Infektionsschutz ermöglichen sollen, ohne textilmechanische Kennwerte zu beeinträchtigen. Es werden zudem die technischen Voraussetzungen für die Entwicklung geeigneter Textilausrüstungen und für die Compoundierung von Polymerschmelzen geschaffen.

Die auf diese Weise hergestellten textilen Muster testet man in den DITF-eigenen Laboren auf ihre antimikrobielle und antivirale Wirkung. Hier zeigten Ausrüstungen bzw. Beschichtungen für Polyester- wie auch Polyamidgewebe überzeugende Ergebnisse. Die Compoundierung von AGXX in PA6-Polymerschmelze ermöglichte die Herstellung von Filamentfasern mit unvermindert guten Faserfestigkeitswerten.
Die Bestimmung textilmechanischer Kennwerte wie Scheuerbeständigkeit, Luftdurchlässigkeit und Maßänderung in Abhängigkeit der Anzahl von Waschzyklen ist derzeit noch in Arbeit. Es zeichnet sich aber ab, dass mit AGXX modifizierten Textilien eine beständige Wirksamkeit haben, ohne die Beschaffenheit des Textils übermäßig zu beeinflussen.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten sind ein wichtiger Beitrag zur Verminderung von Infektionsgefahr über medizinische Berufskleidung. Sie bilden die Grundlage für kommende industrielle Produktion eines langanhaltenden und zuverlässigen Infektionsschutzes von Textilien.

Quelle:

Quelle: DITF Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung
Kontakt: Dipl.-Ing. Cigdem Kaya, Kompetenzzentrum Textilchemie, Umwelt & Energie, Barrieretextilien

Foto FlyD, Unsplash
04.02.2025

Nachhaltige Textilien - der Weg in die Zukunft

Die hohe Abhängigkeit von fossilem Kohlenstoff, der damit verbundene hohe Kohlenstoff-Fußabdruck, niedrige Recyclingraten und Mikroplastik: Es zeichnen sich mehrere Lösungsansätze ab.

Die Entwicklung der Nachfrage nach Textilfasern von 1960 bis heute (siehe Abbildung 1 und Tabelle 1) zeigt, wie die Textilindustrie in dieses Dilemma geraten ist. Im Jahr 1960 waren etwa 95 % der Textilfasern natürlichen Ursprungs, aus biobasiertem Kohlenstoff, und es gab kein Problem mit Mikroplastik, alle Fasern waren biologisch abbaubar.

Die hohe Abhängigkeit von fossilem Kohlenstoff, der damit verbundene hohe Kohlenstoff-Fußabdruck, niedrige Recyclingraten und Mikroplastik: Es zeichnen sich mehrere Lösungsansätze ab.

Die Entwicklung der Nachfrage nach Textilfasern von 1960 bis heute (siehe Abbildung 1 und Tabelle 1) zeigt, wie die Textilindustrie in dieses Dilemma geraten ist. Im Jahr 1960 waren etwa 95 % der Textilfasern natürlichen Ursprungs, aus biobasiertem Kohlenstoff, und es gab kein Problem mit Mikroplastik, alle Fasern waren biologisch abbaubar.

Der explosionsartige Anstieg der Nachfrage - um 650 % zwischen 1960 und 2023 - konnte nur durch die synthetischen Fasern der Chemie- und Kunststoffindustrie gedeckt werden. Ihr Anteil stieg von 3 % im Jahr 1960 auf 68 % im Jahr 2023 und von weniger als 700.000 Tonnen auf 85 Millionen Tonnen/Jahr (The Fiber Year 2024). Die neuen Fasern deckten ein breites Eigenschaftsspektrum ab, konnten sogar bisher unbekannte Eigenschaften realisieren und vor allem konnten dank einer leistungsfähigen und innovativen Chemie- und Kunststoffindustrie die Produktionsmengen rasch gesteigert und verhältnismäßig niedrige Preise realisiert werden.
 
Gleichzeitig hat die Nachhaltigkeit abgenommen, der Kohlenstoff-Fußabdruck der Textilien hat sich deutlich vergrößert und das Problem des Mikroplastiks erfordert Lösungen.

Der erste Schritt wäre, den Anteil an nachwachsenden Fasern deutlich zu erhöhen, denn nur so lässt sich die Abhängigkeit von fossilem Kohlenstoff, vor allem in Form von Erdöl, verringern und damit der Kohlenstoff-Fußabdruck verkleinern. Doch wie kann dies erreicht werden? Nach der Definition der Renewable Carbon Initiative stammt erneuerbarer Kohlenstoff aus Biomasse, CO2 und Recycling: Aus oberirdischem Kohlenstoff. Damit wird das Kernproblem des Klimawandels angegangen, nämlich die Gewinnung und Nutzung von zusätzlichem fossilem Kohlenstoff aus dem Boden, der dann in die Atmosphäre gelangt.
 
Was können Baumwolle, Bastfasern und Wolle beitragen?
Die Baumwollfaserproduktion kann kaum gesteigert werden, sie stagniert zwischen 20 und max. 25 Millionen Tonnen/Jahr. Die Anbauflächen können nur wenig ausgeweitet werden, und die bestehenden Flächen werden durch die erforderliche Bewässerung versalzen. Mit Ausnahme von etwa 1% Bio-Baumwolle werden erhebliche Mengen an Pestiziden eingesetzt. Der Marktanteil der „präferierten“ Baumwolle - definiert durch eine Liste anerkannter Programme - wird nach Jahren des Wachstums von 27 % der gesamten Baumwollproduktion im Jahr 2019/20 auf 24 % im Jahr 2020/21 sinken. (Textile Exchange, Oktober 2022: Preferred Fiber & Materi-als Market Report) Bastfasern wie Jute (75 %), Flachs, Hanf, Ramie oder Kenaf würden einen enormen Schub an Technologieentwicklung und Kapazitätsinvestitionen erfordern und werden dennoch wahrscheinlich teurer bleiben als Baumwolle, einfach weil Bastfasern viel komplizierter zu verarbeiten sind, z. B. die Trennung der Faser vom Stängel, was bei Baumwolle als Fruchtfaser nicht notwendig ist. Als Quelle für Zellulosefasern werden Bastfasern teurer bleiben als Holz.

Obwohl Bastfasern nachhaltiger sind als viele andere Fasern, wird es wahrscheinlich keine große Veränderung geben - es sei denn, China setzt auf Bastfasern als Ersatz für Baumwolle. Entsprechende Pläne wurden aufgrund technologischer Probleme auf Eis gelegt.

Die Bedeutung von Man-made Cellulosefasern (MMCFs) oder einfach: Cellulosefasern
Die Produktion von Cellulosefasern ist in den letzten Jahrzehnten stetig gewachsen und hat im Jahr 2023 mit fast 8 Millionen Tonnen einen historischen Höchststand erreicht, der bis 2030 auf 11 Millionen Tonnen ansteigen soll. Cellulosefasern sind die einzigen biobasierten und biologisch abbaubaren Fasern, die ein breiteres Spektrum an Eigenschaften und Anwendungen abdecken und ihre Kapazität schnell steigern können. Als Rohstoffe können sowohl Frischholz als auch alle Arten von Zelluloseabfällen aus der Forst- und Landwirtschaft, Abfälle aus der Baumwollverarbeitung, Textilabfälle und Papierabfälle verwendet werden. Die Erhöhung des Anteils zellulosehaltiger Fasern wird daher eine entscheidende Rolle bei der Lösung der Nachhaltigkeitsherausforderungen in der Textilindustrie spielen.

Die Produktion von MMCFs umfasst Viskose, Lyocell, Modal, Acetat und Cupro. Der Marktanteil von FSC- und/oder PEFC-zertifizierten MMCF stieg von 55-60 % im Jahr 2020 auf 60-65 % aller MMCF im Jahr 2021. Der Marktanteil von ³eRecycling-MMCF³c stieg auf einen geschätzten Anteil von 0,5 %. Zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind im Gange. Infolgedessen wird erwartet, dass die Mengen an rezyklierten MMCF in den kommenden Jahren erheblich ansteigen werden. (Textile Ex-change, Oktober 2022: Preferred Fiber & Materials Market Report)

Die CEPI-Studie „Forest-Based Biorefineries: Innovative Bio-Based Products for a Clean Transition“ (renewable-carbon.eu/publications/product/innovative-bio-based-products-for-a-clean-transition-pdf/) wurden 143 Bioraffinerien in Europa ermittelt, von denen 126 in Betrieb und 17 in Planung sind. Die meisten von ihnen basieren auf chemischem Zellstoff (67 %) - dem Vorprodukt von Zellulosefasern. Die meisten Bioraffinerien befinden sich in Schweden, Finnland, Deutschland, Portugal und Österreich. Aber in 18 verschiedenen europäischen Ländern sind bereits Bioraffinerien in Betrieb oder geplant.

Der globale Bericht „Is there enough biomass to defossilise the Chemicals and Derived Materials Sector by 2050?“ (bevorstehende Veröffentlichung Ende Februar 2025, abrufbar unter: renewablecarbon.eu/publications) zeigt ein besonders hohes Wachstum bei Zellstoff (von 9 im Jahr 2020 auf 44 Millionen Tonnen im Jahr 2050; Wachstum von 406 %), Zellulosefasern (von 7 im Jahr 2020 auf 38 Millionen Tonnen im Jahr 2050; Wachstum von 447 %) und Zellulosederivaten (von 2 im Jahr 2020 auf 6 Millionen Tonnen im Jahr 2050; Wachstum von 190 %).

Biosynthetik - Biobasierte und CO2-basierte Synthesefasern
Um den Anteil der fossilen Kunstfasern weiter zu reduzieren, sind biobasierte Polymerfasern (auch „Biosynthetics“ genannt) aufgrund ihres breiten Eigenschaftsspektrums eine hervorragende Option - nur die Umsetzung wird Jahrzehnte dauern, da der Anteil heute nur unter 0,5 % liegt. Es gibt viele Optionen, wie Polyesterfasern (PLA, PTT, PEF, PHA), Polyolefinfasern (PE/PP), biobasierte PA-Fasern aus Rizinusöl. PTT zum Beispiel ist auf dem US-Teppichmarkt gut etabliert und PLA auf dem Hygienemarkt. Sie alle sind biobasiert, aber nur wenige sind auch biologisch abbaubar (PLA, PHA).
 
Biokunststoffe sind eine von vielen Anwendungen für biobasierte Polymere. Im Allgemeinen sind derzeit 17 biobasierte Polymere mit einer installierten Kapazität von über 4 Millionen Tonnen im Jahr 2023 kommerziell verfügbar. Zehn dieser biobasierten Polymere werden als Biokunststoffe verwendet, was zu einer Produktion von über einer Million Tonnen Biokunststoffen führt:
(nova report: Bio-based Building Blocks and Polymers - Global Capacities, Production and Trends 2023-2028, renewable-carbon.eu/publications/product/bio-based-buildingblocks-and-polymers-global-capacities-production-and-trends-2023-2028-short-version/).

Im Prinzip können viele Fasern auch aus CO2 hergestellt werden, aber hier müssen die Technologie und die Kapazitäten noch entwickelt werden, vielleicht parallel zur Herstellung nachhaltiger Flugkraftstoffe aus CO2, die zur Pflicht werden.

Kreislaufwirtschaft - Recycling von Textilabfällen und Recycling von Fasern zu Fasern
Die Textilindustrie befindet sich an einem entscheidenden Punkt, an dem Nachhaltigkeit nicht mehr eine Option, sondern eine Notwendigkeit ist. Da die Umweltauswirkungen der Textilproduktion und -entsorgung immer deutlicher werden, wächst der Druck, die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft zu übernehmen.

Eine vielversprechende Lösung ist das Faser-zu-Faser-Recycling, ein Verfahren, bei dem gebrauchte Textilien in neue, hochwertige Fasern umgewandelt werden, wodurch der Abfallkreislauf effektiv geschlossen wird. In der Europäischen Union wurden zwar erhebliche Fortschritte erzielt, doch gibt es nach wie vor Probleme, insbesondere bei der Ausweitung der Technologien, dem Fehlen von Sammelsystemen und der Handhabung von Textilien aus Mischfasern. In Europa fallen derzeit etwa 6,95 (1,25 + 5,7) Millionen Tonnen Textilabfälle pro Jahr an, von denen nur 1,95 Millionen Tonnen getrennt gesammelt und 1,02 Millionen Tonnen durch Recycling oder Verfüllung behandelt werden (Abbildung 3).
 
Das Recycling von Textilien verringert die Nachfrage nach neuen Fasern und den textilen Fußabdruck. Der Anteil der recycelten Fasern stieg leicht von 8,4 % im Jahr 2020 auf 8,9 % im Jahr 2021, was hauptsächlich auf einen Anstieg der PET-Fasern aus Flaschen zurückzuführen ist. Im Jahr 2021 wird jedoch weniger als 1 % des globalen Fasermarktes aus Pre- und Post-Consumer-Recycling-Textilien stammen (Textile Exchange, Oktober 2022: Preferred Fiber & Materials Market Report). Neue Vorschriften aus Brüssel für das Recycling in geschlossenen Kreisläufen, insbesondere das Recycling von Flaschen, könnten die Verwendung von PET-Fasern aus Flaschen in der Textilindustrie gefährden. Dies würde eine Verringerung der Recyclingraten in der Textilindustrie bedeuten, bis die Logistik und die Technologien für das Recycling von Textilien in großem Umfang vorhanden sind. Dies wird notwendig sein, um einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft zu leisten. Mehrere Forschungsprojekte sind im Gange, um Lösungen zu finden, und erste Pilotimplementierungen sind verfügbar.

Die Zukunft der nachhaltigen Textilien
Die nachhaltige Textilindustrie der Zukunft wird auf einem Fundament aus Baumwollfasern und schnell wachsenden Zellulosefasern aufgebaut sein, das später durch bio- und CO2-basierte Synthetikfasern (Biosynthetics") und hohe Recyclingraten für alle Faserarten stark unterstützt wird. Diese Kombination kann bis zum Jahr 2050 die meisten Kunstfasern auf fossiler Basis ersetzen.

Um die neuesten Informationen über Cellulosefasern zu erhalten, veranstaltet das nova-Institut jedes Jahr die „Cellulosefasertagung“, die das nächste Mal am 12. und 13. März 2025 in Köln stattfinden wird - dieses Jahr erstmals mit Biokunststoffen.

Quelle:

Michael Carus und Dr. Asta Partanen, nova-Institute (Deutschland)

ISPO Awards (c) Messe München
03.12.2024

ISPO 2024: Ausgezeichnete Innovationen & Newcomer von morgen

Die ISPO Munich, globale Leitmesse der Sportbranche und weltweit größtes Sport-Business-Event, steht in den Startlöchern und vergibt die prestigeträchtigen ISPO Awards an die innovativsten Produkte und Newcomer von morgen. Die ISPO Awards gelten als globale Impulsgeber für die Sportbranche. Sie zeigen die aktuellen Trends und Innovationen in den Bereichen Produktdesign, Materialien und digitale Lösungen und setzen neue Maßstäbe für die Zukunft der Sportbranche. Die besten Produkte des Jahres 2024 werden im Dezember auf der ISPO Munich prämiert und sind vom 3. bis zum 5. Dezember 2024 auf der ISPO Award Fläche in Halle B1 zu sehen. Parallel erhalten Newcomer der Sport- und Outdoorbranche beim größten Gründerwettbewerb im Sportbusiness ISPO Brandnew eine Bühne, sie präsentieren ihre innovativen Produkte während spannender Live-Pitches während der ISPO Munich. Das große Finale findet am zweiten Event-Tag auf der Main Stage statt.

Die ISPO Munich, globale Leitmesse der Sportbranche und weltweit größtes Sport-Business-Event, steht in den Startlöchern und vergibt die prestigeträchtigen ISPO Awards an die innovativsten Produkte und Newcomer von morgen. Die ISPO Awards gelten als globale Impulsgeber für die Sportbranche. Sie zeigen die aktuellen Trends und Innovationen in den Bereichen Produktdesign, Materialien und digitale Lösungen und setzen neue Maßstäbe für die Zukunft der Sportbranche. Die besten Produkte des Jahres 2024 werden im Dezember auf der ISPO Munich prämiert und sind vom 3. bis zum 5. Dezember 2024 auf der ISPO Award Fläche in Halle B1 zu sehen. Parallel erhalten Newcomer der Sport- und Outdoorbranche beim größten Gründerwettbewerb im Sportbusiness ISPO Brandnew eine Bühne, sie präsentieren ihre innovativen Produkte während spannender Live-Pitches während der ISPO Munich. Das große Finale findet am zweiten Event-Tag auf der Main Stage statt.

Mit dem Gütesiegel ISPO Award werden Sportprodukte mit einem besonders hohen Innovationscharakter ausgezeichnet und bieten somit einen kuratierten Überblick über die wichtigsten Trends innerhalb der Branche. Für die Marken sind Innovationen wichtig und unerlässlich. Sei es im Textilbereich, wo sich materialseitig enorm viel verändert hat, oder bei der Einbindung von KI in sämtlichen Teilbereichen der Sportartikelindustrie. Eine Expertenjury aus Business Professionals und regelmäßig wechselnden, sportaffinen Endverbrauchern des ISPO Collaborators Clubs begutachtet im Vorfeld die eingereichten Produkt-Innovationen und prämiert diese, sofern die relevanten Kriterien erfüllt wurden.

Anhand der eingereichten Produkte lassen sich Trends ableiten und beobachten. Dazu zählen 2024 weiterhin das Thema Nachhaltigkeit in Bezug auf Textilinnovationen, Kreislaufwirtschaft und Recycling, aber auch der Wunsch des Endkonsumenten eines Multi-Purpose-Use von unterschiedlichen Produkten. Die Integration von Technologie und die stetig wachsende Rolle von KI sind dabei die spannendsten Beobachtungen.

NACHHALTIGKEIT ALS STANDARD
Neue EU-Gesetzgebungen haben dazu geführt, die Entwicklung nachhaltiger, funktionaler Materialien zu beschleunigen. Bei den ISPO Award Jurymeetings konnten in diesem Jahr gerade beim Blick auf Textilien zahlreiche spannende Materialinnovationen beobachtet werden. Auch die Fortschritte bei chemischen Behandlungen, wie PFC-freie DWRs und Textilien, sind bemerkenswert. „Nachhaltigkeit ist zunehmend eine Norm, was dazu führt, dass auch Konsumenten diese als Standard erwarten“, sagt Jurymitglied und Textilexpertin Dr. Regina Henkel. „Fortschritte sind erkennbar, wie etwa der Einsatz von Monomaterialien oder biobasierten Stoffen wie Wolle-Tencel-Mischungen.“ Zu finden, beispielsweise beim diesjährigen ISPO Award Gewinner Icebreaker mit dem Merino Blend 800 RealFleece Classic Pile LS Zip.
Auch Kooperationen mit großen Chemie- und Technologieunternehmen wie BASF beschleunigen Innovationen, sichtbar etwa bei Laufschuhen mit neuen Schaumstoffmischungen, wie dem T1 von Mount to Coast, dem weltweit ersten Performance-Laufschuh mit biomassenbilanzierten Biopolymeren von BASF als Zwischensohlenmaterial.

Zu beobachten ist bei den ISPO Award Einreichungen auch, dass sich die Performance von nachhaltigen Produkten aus Recyclingfasern gesteigert hat, mittlerweile stehen sie den nicht recycelten in puncto Funktionsfähigkeit nicht mehr nach. Dennoch wird Recycling nicht die Lösung aller zukünftigen Herausforderungen sein, weshalb die Hersteller zunehmend natürliche Fasern und biologisch abbaubare Sporttextilien, entweder als in reiner Form oder als Blend-Variante, in ihre Kollektionen aufnehmen.

MULTI-USE BLEIBT TOP-TREND
Der Trend zu multifunktionalen Produkten spiegelt den Wunsch der Konsumenten nach praktischen Lösungen wider. Besonders in Asien werden multifunktionale Hartwarenprodukte positiv wahrgenommen, während in Europa Textilien für den multifunktionalen Einsatz im Fokus stehen. „Hochwertige, performante Materialien und Designs werden als Alltagsmode adaptiert, was eine breitere Zielgruppe anspricht“, sagt Fachjournalistin Dr. Martina Wengenmeir, ebenfalls Jurymitglied des ISPO Awards. Der Trend des „Urban Outdoor“ setzt sich damit fort, auch im Bereich Committing rücken mehrzwecktaugliche Produkte in den Fokus. Ein Beispiel dafür ist der Outdoor Backpack 45L von Peak Design, der modisches und multifunktionales Design bei voller Performanceleistung vereint.

Einen weiteren Trend hat ISPO Award Jurymitglied Dr. Wengenmeir ausgemacht: „Ein wachsender Fokus auf technische Sportprodukte, die speziell für Frauen entworfen sind, ist feststellbar. Hierzu gehören etwa Fußballschuhe mit einer tatsächlich eigenen Konstruktion. Diese Entwicklung geht über einfache Anpassungen hinaus und umfasst durchdachte Designs in Bezug auf Passform und Funktionalität.“ Dazu zählt aber auch der BettHer – Bra Antishock+ – der BH verfügt über eine patentierte thermoplastische Gel-Technologie, die für hervorragende Stoßdämpfung und Schutz bei intensiven Aktivitäten sorgt.

INTEGRATION VON TECHNOLOGIE
Ein Trend aus Asien, der auch in Europa ankommt, ist die Integration von Technologie in Bekleidung, etwa durch Sensoren und Wärme-Apps. Die Personalisierung von Kleidungsstücken durch Technologien wie KI und Sensorik zur Temperaturregulierung wird, trotz Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit, als potenzieller Wachstumsbereich angesehen.

Technologie spielt auch beim stationären Fachhandel – dem Experten – eine zunehmend wichtigere Rolle, beispielsweise bei der Analyse für die Auswahl des passenden Produkts für seinen Kunden. Laufbänder für Laufanalysen sind bekannt, mit dem diesjährigen ISPO Award Preisträger Skimulator zeigt sich eine patentierte Weltneuheit für den passgenauen Sitz von Skischuhen. Mit dem Simulator lassen sich Pisten-Gefälle präzise simulieren und somit die perfekte Anpassung des Skischuhs ermöglichen.

ISPO BRANDNEW AWARD
Auch die innovativsten und kreativsten Newcomer der Sport- und Outdoorbranche erhalten auf der ISPO Munich eine Bühne. Zu den bisherigen ISPO Brandnew Gewinnern zählen zukunftsweisende Marken aus aller Welt, die mit neuartigen Materialien, Technologie und nachhaltigem Handeln die Grenzen in ihrem jeweiligen Gebiet neu definiert haben. Je vier Start-ups aus den Bereichen „Outdoor & Adventure & Snowsports“, „Performance, Body & Mind (physical product)”, „Sustainability” sowie „Sports technology & platforms” pitchen ihre Ideen live auf der Main Stage. Ein kleiner Sneak Peek – von BreezeLabs, Überwachung der Atemmuster während des Trainings, über no normal coffee, Kaffee aus der Tube, oder AeroGraph Puffer Jacket, eine wetterisolierende Isolationsjacke, bieten sich spannende Einblicke in die neuesten Innovationen. Im großen Finale am zweiten Messetag (4. Dezember 2024) wird der Gewinner gekürt.

Quelle:

Messe München

Prototyp des leitfähigen Gewebes Foto: Chalmers University of Technology, Hanna Magnusson
04.11.2024

Der Seidenfaden, der Kleidung in Ladestationen verwandeln kann

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.

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.

Quelle:

Chalmers University of Technology
Übersetzung Textination

Durchbruch bei intelligenten Geweben für Sensorik und Energiegewinnung (c) University of Waterloo
26.08.2024

Durchbruch bei Smart Textiles für Sensorik und Energiegewinnung

Stellen Sie sich einen Mantel vor, der Solarenergie einfängt, um Sie bei einem kalten Winterspaziergang warm zu halten, oder ein Hemd, das Ihre Herzfrequenz und Temperatur überwachen kann. Stellen Sie sich Kleidung vor, die Sportler tragen können, um ihre Leistungsdaten zu messen, ohne dass sie sperrige Batterien benötigen.

Forscher der University of Waterloo haben ein intelligentes Gewebe mit diesen bemerkenswerten Fähigkeiten entwickelt. Das Gewebe hat das Potenzial für Anwendungen zur Energiegewinnung, Gesundheitsüberwachung und Bewegungsverfolgung.

Das neue Gewebe kann Körperwärme und Sonnenenergie in Strom umwandeln, was einen Dauerbetrieb ohne externe Stromquelle ermöglichen könnte. Verschiedene Sensoren zur Überwachung von Temperatur, Stress und mehr können in das Material integriert werden.

Stellen Sie sich einen Mantel vor, der Solarenergie einfängt, um Sie bei einem kalten Winterspaziergang warm zu halten, oder ein Hemd, das Ihre Herzfrequenz und Temperatur überwachen kann. Stellen Sie sich Kleidung vor, die Sportler tragen können, um ihre Leistungsdaten zu messen, ohne dass sie sperrige Batterien benötigen.

Forscher der University of Waterloo haben ein intelligentes Gewebe mit diesen bemerkenswerten Fähigkeiten entwickelt. Das Gewebe hat das Potenzial für Anwendungen zur Energiegewinnung, Gesundheitsüberwachung und Bewegungsverfolgung.

Das neue Gewebe kann Körperwärme und Sonnenenergie in Strom umwandeln, was einen Dauerbetrieb ohne externe Stromquelle ermöglichen könnte. Verschiedene Sensoren zur Überwachung von Temperatur, Stress und mehr können in das Material integriert werden.

Es kann Temperaturänderungen erkennen und eine Reihe anderer Sensoren zur Überwachung von Druck, chemischer Zusammensetzung und mehr einsetzen. Eine vielversprechende Anwendung sind intelligente Gesichtsmasken, die die Atemtemperatur und -frequenz überwachen und Chemikalien in der Atemluft erkennen können, um Viren, Lungenkrebs und andere Krankheiten zu identifizieren.

„Wir haben ein Gewebematerial mit multifunktionalen Sensorfähigkeiten und dem Potenzial, sich selbst mit Energie zu versorgen, entwickelt“, so Yuning Li, Professor am Fachbereich Chemieingenieurwesen. „Diese Innovation bringt uns näher an praktische Anwendungen für intelligente Gewebe.“

Im Gegensatz zu aktuellen tragbaren Geräten, die oft von externen Stromquellen oder häufigem Aufladen abhängig sind, hat diese innovative Forschung ein neuartiges Gewebe geschaffen, das stabiler, haltbarer und kostengünstiger ist als andere auf dem Markt erhältliche Gewebe.

Diese Forschung, die in Zusammenarbeit mit Professor Chaoxia Wang und Doktorand Jun Peng vom College of Textile Science and Engineering der Jiangnan University durchgeführt wurde, zeigt das Potenzial der Integration fortschrittlicher Materialien wie MXene und leitfähiger Polymere mit modernsten Textiltechnologien, um intelligente Gewebe für tragbare Technologien zu entwickeln.

Li, Direktor des Labors für druckbare elektronische Materialien in Waterloo, hob die Bedeutung dieses Fortschritts hervor, der der jüngste in der Reihe von Technologien der Universität ist, die die Grenzen der Medizin verändern.

„Die KI-Technologie entwickelt sich rasant weiter und bietet hochentwickelte Signalanalysen für die Gesundheitsüberwachung, die Lagerung von Lebensmitteln und Arzneimitteln, die Umweltüberwachung und vieles mehr. Dieser Fortschritt hängt jedoch von einer umfangreichen Datensammlung ab, die herkömmliche Sensoren, die oft sperrig, schwer und kostspielig sind, nicht leisten können“, sagte Li. „Gedruckte Sensoren, einschließlich solcher, die in intelligente Gewebe eingebettet sind, sind ideal für die kontinuierliche Datenerfassung und Überwachung. Dieses neue intelligente Gewebe ist ein Schritt nach vorn, um diese Anwendungen praxisnah zu machen.“

Die nächste Phase der Forschung wird sich darauf konzentrieren, die Leistung des Gewebes weiter zu verbessern und es in Zusammenarbeit mit Elektro- und Computeringenieuren mit elektronischen Komponenten zu versehen. Zu den künftigen Entwicklungen könnte eine Smartphone-App gehören, mit der Daten aus dem Gewebe verfolgt und an medizinisches Fachpersonal übertragen werden können, um eine nicht-invasive Gesundheitsüberwachung in Echtzeit und eine alltägliche Nutzung zu ermöglichen.

Die Studie erschien im Journal of Materials Science & Technology.

Quelle:

Waterloo University

Neste liefert erneuerbare Neste RE, einen Rohstoff für Polymere und Chemikalien aus biobasierten Materialien. Quelle: Neste
06.08.2024

Erste Polyester-Lieferkette aus nachhaltigen Rohstoffen

Ein Konsortium von sieben Unternehmen aus fünf Ländern hat gemeinsam eine Lieferkette für nachhaltigere Polyesterfasern aufgebaut. Anstelle von fossilen Materialien werden bei der Herstellung von Polyesterfasern für die Marke The North Face in Japan erneuerbare und biobasierte Materialien sowie Kohlenstoffabscheidung und -verwertung (CCU ) eingesetzt. Die Konsortialpartner sind Goldwin als Projekteigner, Mitsubishi Corporation, Chiyoda Corporation (alle drei aus Japan), SK geo centric (Südkorea), Indorama Ventures (Thailand), India Glycols (Indien) und Neste.

Neste wird das erneuerbare Neste RE™ als einen der erforderlichen Bestandteile für die Polyesterproduktion bereitstellen. Die im Rahmen des Projekts hergestellte Polyesterfaser soll im Juli 2024 von Goldwin für einen Teil der Produkte von The North Face, einschließlich Sportuniformen, verwendet werden. Danach wird die Einführung weiterer Goldwin-Produkte und -Marken in Betracht gezogen.

Ein Konsortium von sieben Unternehmen aus fünf Ländern hat gemeinsam eine Lieferkette für nachhaltigere Polyesterfasern aufgebaut. Anstelle von fossilen Materialien werden bei der Herstellung von Polyesterfasern für die Marke The North Face in Japan erneuerbare und biobasierte Materialien sowie Kohlenstoffabscheidung und -verwertung (CCU ) eingesetzt. Die Konsortialpartner sind Goldwin als Projekteigner, Mitsubishi Corporation, Chiyoda Corporation (alle drei aus Japan), SK geo centric (Südkorea), Indorama Ventures (Thailand), India Glycols (Indien) und Neste.

Neste wird das erneuerbare Neste RE™ als einen der erforderlichen Bestandteile für die Polyesterproduktion bereitstellen. Die im Rahmen des Projekts hergestellte Polyesterfaser soll im Juli 2024 von Goldwin für einen Teil der Produkte von The North Face, einschließlich Sportuniformen, verwendet werden. Danach wird die Einführung weiterer Goldwin-Produkte und -Marken in Betracht gezogen.

Die sieben Unternehmen wenden einen Massenbilanzierungsansatz an, um eine glaubwürdige Rückverfolgbarkeit der Materialströme in der gesamten Lieferkette zu gewährleisten, und werden gemeinsam die Defossilisierung von Materialien weiter vorantreiben, um zu einer nachhaltigeren Gesellschaft beizutragen.

Neste (NESTE, Nasdaq Helsinki) nutzt Wissenschaft und innovative Technologien, um Abfälle und andere Ressourcen in erneuerbare Kraftstoffe und Kreislaufrohstoffe umzuwandeln. Das Unternehmen schafft Lösungen zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Beschleunigung des Übergangs zu einer Kreislaufwirtschaft. Als weltweit führender Hersteller von nachhaltigem Flugbenzin (SAF) und erneuerbarem Diesel und als Vorreiter bei der Entwicklung erneuerbarer und kreislauffähiger Rohstofflösungen für Polymere und Chemikalien will das Unternehmen seinen Kunden helfen, ihre Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 20 Millionen Tonnen jährlich zu reduzieren.

Das Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, die Ölraffinerie Porvoo in Finnland zur nachhaltigsten Raffinerie in Europa zu machen. Neste hat sich verpflichtet, bis 2035 eine kohlenstoffneutrale Produktion zu erreichen, und wird die Kohlenstoffemissionen der verkauften Produkte bis 2040 um 50 % senken. Neste hat außerdem hohe Standards für die biologische Vielfalt, die Menschenrechte und die Lieferkette gesetzt. Das Unternehmen wurde immer wieder in die CDP- und die Global 100-Liste der nachhaltigsten Unternehmen der Welt aufgenommen. Im Jahr 2023 belief sich der Umsatz von Neste auf 22,9 Mrd. EUR.

Weitere Informationen:
Polyesterfasern Nachhaltigkeit CO2
Quelle:

Neste

Brotreste + Pilze = Garn (c) Fotos von Kanishka Wijayarathna (Brotabfälle), Erik Norving (Prototypen), Andreas Nordin ( Forschende) und Sofie Svensson (Mikroskop).
17.07.2024

Brotreste + Pilze = Garn

Die Gewinnung neuer Materialien aus Pilzen ist ein zunehmend interessanter Forschungsbereich. In einem Forschungsprojekt an der Swedish School of Textiles der Universität Borås hat das Nassspinnen von pilzlichem Zellwandmaterial vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Im Rahmen des Projekts wurden Pilze auf Brotresten gezüchtet, um Textilfasern mit Potenzial für den Bereich der Medizintechnik herzustellen.

Das Projekt von Sofie Svensson zielt unter anderem auf die globalen Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen 9 (nachhaltige Industrie, Innovation und Infrastruktur) und 12 (nachhaltiger Konsum und nachhaltige Produktion) ab, indem es ressourcen- und kosteneffiziente Methoden mit geringeren Auswirkungen auf Mensch und Umwelt einsetzt.

Sofie Svensson, die vor kurzem ihre Dissertation im Fachgebiet der Ressourcenrückgewinnung verteidigt hat, erklärte:

Die Gewinnung neuer Materialien aus Pilzen ist ein zunehmend interessanter Forschungsbereich. In einem Forschungsprojekt an der Swedish School of Textiles der Universität Borås hat das Nassspinnen von pilzlichem Zellwandmaterial vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Im Rahmen des Projekts wurden Pilze auf Brotresten gezüchtet, um Textilfasern mit Potenzial für den Bereich der Medizintechnik herzustellen.

Das Projekt von Sofie Svensson zielt unter anderem auf die globalen Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen 9 (nachhaltige Industrie, Innovation und Infrastruktur) und 12 (nachhaltiger Konsum und nachhaltige Produktion) ab, indem es ressourcen- und kosteneffiziente Methoden mit geringeren Auswirkungen auf Mensch und Umwelt einsetzt.

Sofie Svensson, die vor kurzem ihre Dissertation im Fachgebiet der Ressourcenrückgewinnung verteidigt hat, erklärte:

„In meinem Forschungsprojekt geht es um die Entwicklung von Fasern, die aus Fadenpilzen für textile Anwendungen gesponnen werden. Die Pilze wurden auf Brotabfällen aus Lebensmittelläden gezüchtet. Abfälle, die andernfalls erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt hätten, wenn sie weggeworfen würden.

Die Neuartigkeit des Projekts liegt in der eingesetzten Methode - dem Nassspinnen von Zellwandmaterial.

„Nassspinnen ist ein Verfahren, mit dem Fasern (Filamente) aus Materialien wie Zellulose gesponnen werden. In diesem Projekt wurde Zellwandmaterial aus fadenförmigen Pilzen verwendet, um Fasern durch Nassspinnen herzustellen. Das Zellwandmaterial der Pilze enthält verschiedene Polymere, hauptsächlich Polysaccharide wie Chitin, Chitosan und Glucan. Die Herausforderung bestand darin, das Material zu spinnen. Es dauerte zunächst einige Zeit, bis wir die richtigen Bedingungen gefunden hatten“, erläuterte Sofie Svensson.

Antibakterielle Eigenschaften
Pilzfäden wurden in Bioreaktoren kultiviert, um Pilzbiomasse zu erzeugen. Anschließend wurde Zellwandmaterial aus der Pilzbiomasse isoliert und zum Spinnen eines Fadens verwendet, der auf seine Eignung für medizinische Anwendungen getestet wurde.

„Tests der Fasern zeigten eine Kompatibilität mit Hautzellen und wiesen auch auf eine antibakterielle Wirkung hin“, sagte Sofie Svensson und fügte hinzu: „Bei der Methode, mit der wir gearbeitet haben, haben wir uns auf die Verwendung milderer Verfahren und Chemikalien konzentriert. Die Verwendung gefährlicher und giftiger Chemikalien ist derzeit eine Herausforderung in der Textilindustrie, und die Entwicklung nachhaltiger Materialien ist wichtig, um die Umweltbelastung zu verringern.“

Welche Bedeutung haben die Ergebnisse?
„Neue Materialien aus Pilzen sind ein aufstrebendes Forschungsgebiet. Hoffentlich kann diese Forschung zur Entwicklung neuer nachhaltiger Materialien aus Pilzen beitragen“, so Sofie Svensson.

Das Interesse der Community war während des Projekts sehr groß, und viele standen der Entwicklung dieser Art von Materialien positiv gegenüber.

Wann werden wir Produkte sehen, die aus diesen Fasern hergestellt werden?
„Diese spezielle Methode befindet sich im Labor-Maßstab und noch in der Forschungsphase“, erklärte sie.

Das Promotionsprojekt wurde im Rahmen des größeren Forschungsprojekts Sustainable Fungal Textiles durchgeführt: Ein neuartiger Ansatz für die Wiederverwendung von Lebensmittelabfällen.

Was ist der nächste Schritt in der Forschung über Pilzfasern?
„Künftige Studien könnten sich auf die Optimierung des Nassspinnverfahrens konzentrieren, um eine kontinuierliche Produktion von Pilzfasern zu erreichen. Außerdem könnte man die Kultivierung von Pilzen auf anderen Arten von Lebensmittelabfällen testen.“

Wie haben Sie Ihre Zeit als Doktorand im Bereich Ressourcenrückgewinnung erlebt?
„Es war eine intensive Zeit als Doktorandin, in der ich wirklich herausgefordert wurde und mich sehr weiterentwickelt habe.“

Was ist Ihr nächster Schritt?
„Ich werde eine Weile in Elternzeit gehen, bevor ich den nächsten Schritt mache, über den noch nicht entschieden wurde.“

Sofie Svensson verteidigte ihre Dissertation am 14. Juni 2024 im Swedish Centre for Resource Recovery der Universität Borås.

Development of Filaments Using Cell Wall Material of Filamentous Fungi Grown on Bread Waste for Application in Medical Textiles

Zweitgutachter: Han Hösten, Professor, Utrecht University
Betreuender Professor: Akram Zamani, Associate Professor, University of Borås
Mitbetreuer: Minna Hakkarainen, Professor, KTH; Lena Berglin, Associate Professor, University of Borås

Weitere Informationen:
University of Borås Sweden Garne Nassspinnen
Quelle:

University of Borås, Solveig Klug

Foto: 政徳 吉田, Pixabay
03.05.2024

Fahrzeugunterböden aus Naturfasern und Recycling-Kunststoffen

Gemeinsam mit Industriepartnern haben Forschende des Fraunhofer WKI einen Fahrzeugunterboden aus Naturfasern und recycelten Kunststoffen für den Automobilbau entwickelt. Der Fokus des Fraunhofer Instituts lag auf der Materialentwicklung für den Spritzguss sowie auf der Hydrophobierung von Flachs- und Hanffasern für naturfaserverstärkte Mischfaservliese.

Das Bauteil erfüllt die hohen technischen Anforderungen im Unterbodenbereich und könnte zukünftig herkömmliche Leichtbau-Fahrzeugunterböden ersetzen. Mit dieser Entwicklung wird die Klima- und Umweltbilanz über den gesamten Produktlebenszyklus optimiert.

Gemeinsam mit Industriepartnern haben Forschende des Fraunhofer WKI einen Fahrzeugunterboden aus Naturfasern und recycelten Kunststoffen für den Automobilbau entwickelt. Der Fokus des Fraunhofer Instituts lag auf der Materialentwicklung für den Spritzguss sowie auf der Hydrophobierung von Flachs- und Hanffasern für naturfaserverstärkte Mischfaservliese.

Das Bauteil erfüllt die hohen technischen Anforderungen im Unterbodenbereich und könnte zukünftig herkömmliche Leichtbau-Fahrzeugunterböden ersetzen. Mit dieser Entwicklung wird die Klima- und Umweltbilanz über den gesamten Produktlebenszyklus optimiert.

Den Projektpartnern Fraunhofer WKI, Thüringisches Institut für Textil- und Kunststofftechnik (TITK), Röchling Automotive SE & Co. KG, BBP Kunststoffwerk Marbach Baier GmbH und Audi AG ist es gelungen, ein nachhaltiges Gesamtkonzept für Fahrzeugunterböden zu entwickeln. Damit haben die Forschenden eine anspruchsvolle Bauteilgruppe mit hohem Kunststoffanteil für den Einsatz von Naturmaterialien erschlossen. Bisher wurden naturfaserverstärkte Kunststoffe im Automobil hauptsächlich für Verkleidungsteile ohne nennenswerte mechanische Aufgaben eingesetzt. Strukturelle Bauteile wie Fahrzeugunterböden sind enormen Belastungen ausgesetzt und stellen hohe Anforderungen an das Biege- und Crashverhalten des Materials. In modernen Leichtbau-Fahrzeugkonzepten kommen daher Hochleistungswerkstoffe aus glasfaserverstärkten Kunststoffen zum Einsatz.

Das Projektteam konnte die Glasfasern durch Naturmaterialien wie Flachs-, Hanf- und Cellulosefasern ersetzen und Unterbodenbauteile mit einem Naturfaseranteil von bis zu 45 Prozent realisieren. Im Bereich der Polymere wurde vollständig auf Polypropylen-Neuware verzichtet und ausschließlich Rezyklate eingesetzt. Alle mit dieser Materialumstellung verbundenen Herausforderungen, sowohl die geringeren mechanischen Ausgangseigenschaften der Werkstoffe als auch die zeitlich eingeschränkten Verarbeitungsfenster, konnten durch geschickte Compoundkombinationen gelöst werden.

Am Fraunhofer WKI wurden Materialien für den Spritzguss entwickelt. »Naturfaser-Spritz-guss-Compounds sind bisher vor allem durch Festigkeits- und Steifigkeitssteigerungen gegenüber unverstärkten Polymeren bekannt. Bei der Entwicklung im Fahrzeugunterboden ist es darüber hinaus gelungen, durch eine innovative Kombination von ausgewählten Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) als Matrix und Naturfasern unterschiedlicher Reinheitsgrade die hohen Anforderungen an die Kaltschlagzähigkeit zu erfüllen, ohne dabei die geforderte Steifigkeit und Festigkeit einzubüßen«, erklärt Moritz Micke-Camuz, Projektleiter am Fraunhofer WKI.

Im Rahmen der Entwicklung wurden am TITK und bei Röchling erstmals Faserverbundbauteile aus naturfaserverstärktem Mischfaservlies (Lightweight-Reinforced-Thermoplastic, LWRT) realisiert. Das entwickelte Produkt erfüllt nicht nur die mechanischen Anforderungen. Es widersteht auch den Herausforderungen, die durch die feuchte Einsatzumgebung hervorgerufen werden. Zur Hydrophobierung von Flachs- und Hanffasern für LWRT-Bauteile wurde am Fraunhofer WKI ein kontinuierliches Furfurylierungsverfahren entwickelt. Durch die Furfurylierung kann die Feuchtigkeitsaufnahme um bis zu 35 Prozent reduziert werden, ohne die Biegefestigkeit der späteren Bauteile zu beeinträchtigen. Das furfurylierte Fasermaterial lässt sich zudem problemlos auf einer Vliesanlage weiterverarbeiten

Die gefertigten Prototypenbauteile wurden anschließend sowohl auf Komponentenebene als auch im Fahrversuch intensiv getestet. Dazu dienten unter anderem die Fahrzeuge der neuen »Premium Platform Electric« (PPE) des VW-Konzerns. Im Rahmen der Serienerprobung konnten bereits Langzeiterfahrungen gesammelt werden. Das erfreuliche Ergebnis dieser Tests: Die neu entwickelten Bioverbundwerkstoffe erfüllen alle Standardanforderungen an Unterbodenbauteile und erweisen sich als serientauglich. Weder der Einsatz von Naturfasern noch von (Post-Consumer-)Rezyklaten führt zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Eigenschaften.

Ein wesentlicher Vorteil der Innovation liegt auch in der deutlich verbesserten CO2-Bilanz: Im Vergleich zur Serie können 10,5 Kilogramm Neuware (PP/Glasfaser) durch 4,2 Kilogramm Naturfasern und 6,3 Kilogramm Post-Consumer-Rezyklat ersetzt werden. Dadurch konnten die CO2-Emissionen während der Produktion, der Nutzung und des Produktlebens um bis zu 40 Prozent reduziert werden.

Im Rahmen des Entwicklungsprojektes wurde ein innovatives, ganzheitliches Gesamtkonzept für Fahrzeugunterböden inklusive Recycling mit kaskadischer Wiederverwendung der Komponenten entwickelt. Aus technischer Sicht können Fahrzeugunterböden zukünftig vollständig aus dem neuen, hochleistungsfähigen Bio-Leichtbau-Material hergestellt werden.

Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über den Projektträger TÜV Rheinland gefördert.

 

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI

Federn und Daunen von Wassergeflügel (c) Daunen- und Federnverbände Mainz
05.03.2024

Klebstoffe: Federn statt Erdöl

Klebstoffe beruhen fast immer auf fossilen Rohstoffen wie Erdöl. Fraunhofer-Forschende haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem der biobasierte Rohstoff Keratin erschlossen wird. Die leistungsfähige Protein-Verbindung ist beispielsweise in Hühnerfedern enthalten. Damit kann man nicht nur eine Vielzahl unterschiedlicher Klebstoffe für verschiedene Anwendungsbereiche herstellen. Die Verfahren und Endprodukte sind vielmehr nachhaltig und orientieren sich am Grundprinzip einer bioinspirierten Kreislaufwirtschaft. Das gemeinsame Projekt mit der Henkel AG & Co. KGaA adressiert einen Milliardenmarkt.

Klebstoffe beruhen fast immer auf fossilen Rohstoffen wie Erdöl. Fraunhofer-Forschende haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem der biobasierte Rohstoff Keratin erschlossen wird. Die leistungsfähige Protein-Verbindung ist beispielsweise in Hühnerfedern enthalten. Damit kann man nicht nur eine Vielzahl unterschiedlicher Klebstoffe für verschiedene Anwendungsbereiche herstellen. Die Verfahren und Endprodukte sind vielmehr nachhaltig und orientieren sich am Grundprinzip einer bioinspirierten Kreislaufwirtschaft. Das gemeinsame Projekt mit der Henkel AG & Co. KGaA adressiert einen Milliardenmarkt.

Klebstoffe sind fast überall: in Sportschuhen, im Smartphone, im Bodenbelag, in Möbeln, in Textilien oder in Verpackungen. Sogar die Frontscheiben von Autos werden eingeklebt. Experten kennen mehr als 1000 unterschiedliche Klebstoff-Varianten. Diese verbinden fast alle denkbaren Materialien miteinander. Klebstoffe wiegen nicht viel und sind deshalb für den Leichtbau geeignet. Zudem verziehen sich geklebte Flächen nicht, da der Druck anders als bei Schraubverbindungen gleichmäßig verteilt wird. Klebstoff rostet nicht und dichtet gegen Feuchtigkeit ab. Zudem sind mit Klebstoff verbundene Flächen weniger empfindlich gegen Schwingungen. Und Klebstoffe sind preiswert und relativ einfach zu verarbeiten.

Federn aus der Geflügelfleischproduktion
Bisher werden Klebstoffe fast immer aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl hergestellt. Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB geht nun einen anderen Weg. Die Forscherinnen und Forscher nutzen Federn als Ausgangsmaterial statt Erdöl. Federn fallen bei der Geflügelfleischherstellung als Abfälle an. Sie werden vernichtet oder in Tierfutter gemischt. Doch für Abfall sind die Federn viel zu schade, denn Federn enthalten das Strukturprotein Keratin. Dieses Biopolymer wird von Tieren für Krallen, Klauen, Hufe oder eben Federn gebildet. Seine Faserstruktur verleiht hohe Festigkeit.

Warum Keratin ideal für die Klebstoff-Herstellung ist
Keratin ist ein umweltfreundlicher, weil biologisch abbaubarer Stoff, der darüber hinaus durch seine Struktur jene Eigenschaften besitzt, die ihn für die Herstellung von Klebstoffen besonders geeignet machen. Die Polymer-Struktur, also die besonders langkettigen Moleküle, in Verbindung mit der Eigenschaft, über seine funktionellen Gruppen Vernetzungsreaktionen einzugehen, prädestiniert Keratin für die Herstellung von Klebstoffen aller Art. »Die für Klebstoffe erforderlichen Merkmale sind im Ausgangsmaterial gewissermaßen schon angelegt und müssen nur freigelegt, modifiziert und formuliert werden«, erklärt Projektleiter Dr. Michael Richter.

Plattform-Chemikalie und Spezialklebstoffe
Beim Projekt KERAbond »Spezialchemikalien aus maßgeschneiderten funktionalen Keratin-Proteinen« – Kera steht für Keratin, das englische Wort bond für Kleben – hat das Fraunhofer IGB in den letzten drei Jahren mit der Henkel AG & Co. KGaA zusammengearbeitet. Das Unternehmen ist Weltmarktführer im Klebstoff-Bereich.

Dabei haben die Projektpartner ein neues Verfahren entwickelt und optimiert. Im ersten Schritt werden die vom Schlachtbetrieb angelieferten Federn sterilisiert, gewaschen und mechanisch zerkleinert. Anschließend erfolgt ein enzymatischer Prozess, bei dem die langkettigen Polymere bzw. Protein-Ketten via Hydrolyse in kurzkettige Polymere gespalten werden.

Im Ergebnis soll eine Plattform-Chemikalie entstehen, die als Ausgangsstoff für die Weiterentwicklung speziell formulierter Klebstoffe dienen kann. „Wir nutzen das Verfahren und die Plattform-Chemikalie wie eine Toolbox, mit der wir die gewünschten Merkmale des Endprodukts herstellen“, sagt Richter. Auf diese Weise könnte man Parameter wie Aushärtezeit, Elastizität, Temperaturverhalten oder Festigkeit des gewünschten Spezialklebers festlegen. Daneben lassen sich nicht nur einfach Klebstoffe, sondern auch verwandte Substanzen wie Härter, Beschichtungen oder Grundierungen produzieren.

Im nächsten Schritt peilte das Fraunhofer-Team die Konversion der Federn im Großmaßstab an. Diese Hochskalierung fand am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna statt. Ziel war es zu beweisen, dass die Herstellung der Plattform-Chemikalien auf Keratin-Basis auch im industriellen Maßstab kostengünstig realisierbar ist. Dabei wurden mehrere Kilogramm Hühnerfedern verarbeitet, und das dabei produzierte Material konnte für erste vielversprechende Materialtests am Fraunhofer IGB und bei Henkel eingesetzt werden.

Baustein für eine bioinspirierte Ökonomie
Für die Fraunhofer-Gesellschaft hat diese bioinspirierte Verfahrenstechnik eine besondere Bedeutung. Biotechnologie zählt zu den zentralen Forschungsfeldern der Fraunhofer-Gesellschaft: „Wir lassen uns von Funktionen oder Eigenschaften inspirieren, die in der Natur oder in natürlichen Rohstoffen bereits vorhanden sind. Und wir versuchen, diese Eigenschaften durch innovative Herstellungsprozesse in die Produkte zu übersetzen. So entsteht ein bioinspirierter Kreislauf der wertvollen Rohstoffe,“ so Richter.

Ökonomisch hat das Projekt Gewicht. Nach Angaben von Statista wurden allein in Deutschland im Jahr 2019 rund eine Million Tonnen Klebstoffe produziert. Deren Gesamtwert beträgt etwa 1,87 Milliarden Euro.

Zum neuen Verfahren wurde eine Patentanmeldung eingereicht sowie eine Veröffentlichung in einem wissenschaftlichen Fachjournal publiziert. Zwei Doktoranden, die bei Henkel und Fraunhofer intensiv an dem Projekt forschten, werden ihre Doktorarbeiten voraussichtlich im ersten Quartal 2024 abschließen können. Mit der neuen Technologie auf Keratin-Basis werden sich viele Plattform-Chemikalien nachhaltig und bioinspiriert produzieren lassen.

Das KERAbond-Projekt wurde über drei Jahre von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) in Gülzow im Auftrag des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft aus dem Förderprogramm „Nachwachsende Rohstoffe“ gefördert und unterstützt (Förderkennzeichen 22014218).

Quelle:

Fraunhofer IBG

  Forschende um Bernd Nowack haben die Freisetzung von Nanopartikeln beim Waschen von Polyestertextilien untersucht. Bild: Empa
14.02.2024

Freisetzung von Oligomeren aus Polyester-Textilien

Wenn Nanoplastik keiner ist ... Textilien aus synthetischen Fasern geben beim Waschen Mikro- und Nanoplastik ab. Empa-Forschende konnten nun zeigen, dass ein Teil des vermeintlichen Nanoplastiks gar nicht aus Plastikpartikeln besteht, sondern aus wasserunlöslichen Oligomeren. Welche Auswirkungen sie auf Mensch und Umwelt haben, ist noch kaum erforscht.

Gebrauchsgegenstände aus Kunststoff und Kleider aus Kunstfasern setzen Mikroplastik frei: Partikel unter fünf Millimeter Größe, die unbemerkt in die Umwelt gelangen können. Ein kleiner Teil dieser Partikel befindet sich sogar im Nanometerbereich. Solcher Nanoplastik ist Gegenstand intensiver Forschung, denn aufgrund ihrer geringen Größe können Nanoplastik-Teilchen in den menschlichen Körper aufgenommen werden – über ihre potenzielle Toxizität ist jedoch noch wenig bekannt.

Wenn Nanoplastik keiner ist ... Textilien aus synthetischen Fasern geben beim Waschen Mikro- und Nanoplastik ab. Empa-Forschende konnten nun zeigen, dass ein Teil des vermeintlichen Nanoplastiks gar nicht aus Plastikpartikeln besteht, sondern aus wasserunlöslichen Oligomeren. Welche Auswirkungen sie auf Mensch und Umwelt haben, ist noch kaum erforscht.

Gebrauchsgegenstände aus Kunststoff und Kleider aus Kunstfasern setzen Mikroplastik frei: Partikel unter fünf Millimeter Größe, die unbemerkt in die Umwelt gelangen können. Ein kleiner Teil dieser Partikel befindet sich sogar im Nanometerbereich. Solcher Nanoplastik ist Gegenstand intensiver Forschung, denn aufgrund ihrer geringen Größe können Nanoplastik-Teilchen in den menschlichen Körper aufgenommen werden – über ihre potenzielle Toxizität ist jedoch noch wenig bekannt.

Empa-Forschende aus der Gruppe von Bernd Nowack aus dem Labor „Technologie und Gesellschaft" haben nun gemeinsam mit Kollegen aus China Nanopartikel aus Textilien unter die Lupe genommen. Tong Yang, Erstautor der Studie, hat die Untersuchungen während seines Doktorats an der Empa durchgeführt. Bereits in früheren Studien konnten die Empa-Forscher zeigen, dass beim Waschen von Polyester Mikro- und Nanoplastik freigesetzt wird. Eine genaue Untersuchung der freigesetzten Nanopartikel hat nun ergeben, dass nicht alles, was auf den ersten Blich nach Nanoplastik aussieht, auch tatsächlich Nanoplastik ist.

Zu einem beträchtlichen Teil handelte es sich tatsächlich nicht um Nanoplastik, sondern um Klumpen von sogenannten Oligomeren, also kleinen bis mittelgroßen Moleküle, die eine Zwischenstufe zwischen den langen verketteten Polymeren und ihren Einzelbausteinen, den Monomeren, darstellen. Diese Moleküle sind noch kleiner als Nanoplastik-Partikel. Auch über ihre Toxizität ist kaum etwas bekannt. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden in der Zeitschrift „Nature Water“.

Für die Studie haben die Forschenden zwölf unterschiedliche Polyesterstoffe untersucht, darunter etwa Mikrofaser, Satin und Jersey. Die Stoffproben wurden bis zu vier Mal gewaschen und die dabei freigesetzten Nanopartikel analysiert und charakterisiert. Keine einfache Aufgabe, sagt Bernd Nowack. „Plastik, vor allem Nanoplastik, ist überall, auch an unseren Geräten und Utensilien“, so der Wissenschaftler. „Bei Nanoplastik-Messungen müssen wir dieses 'Hintergrundrauschen' berücksichtigen.“

Großer Anteil löslicher Partikel
Um Nanoplastik von Oligomerklumpen zu unterscheiden, nutzten die Forschenden ein Ethanolbad. Plastikstückchen, egal wie klein, lösen sich darin nicht auf, Ansammlungen von Oligomeren dagegen schon. Der Befund: Rund ein Drittel bis knapp 90 Prozent der beim Waschen freigesetzten Nanopartikel ließen sich in Ethanol auflösen. „Dadurch konnten wir zeigen, dass nicht alles, was im ersten Moment nach Nanoplastik aussieht, auch Nanoplastik ist“, sagt Nowack.

Ob die Freisetzung von „nanopartikulären“ Oligomeren beim Waschen von Textilien negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt hat, ist noch nicht klar. „Bei anderen Kunststoffen haben Studien bereits gezeigt, dass nanopartikuläre Oligomere toxischer sind als Nanoplastik“, sagt Nowack. „Das ist ein Hinweis, dass man das genauer untersuchen sollte.“ Die Forschenden konnten jedoch feststellen, dass die Beschaffenheit des Textils sowie die Schnittmethode – Schere oder Laser – keinen großen Einfluss auf die Menge der freigesetzten Partikel haben.

Auch der Mechanismus der Freisetzung ist noch nicht geklärt – weder für Nanoplastik noch für die Oligomerpartikel. Die erfreuliche Nachricht ist, dass die Menge der freigesetzten Partikel mit wiederholten Waschgängen stark abnimmt. Denkbar wäre, dass die Oligomerpartikel bei der Herstellung des Textils entstehen oder sich durch chemische Prozesse bei der Lagerung von den Fasern abspalten. Auch hierzu sind weitere Studien notwendig.

Nowack und sein Team widmen sich jedoch vorerst wieder größeren Partikeln: In einem nächsten Projekt wollen sie untersuchen, welche Fasern beim Waschen von Textilien aus nachwachsenden Rohstoffen freigesetzt werden und ob diese die Umwelt und die Gesundheit belasten könnten. „Halbsynthetische Textilien wie Viskose oder Lyocell werden als Ersatz für Polyester angepriesen“, sagt Nowack. „Aber wir wissen noch gar nicht, ob sie wirklich besser sind, wenn es um die Freisetzung von Fasern geht.“

 

Quelle:

Empa

Bakterien, die Kunststoff essen und vielseitige Spinnenseide produzieren Foto: Kareni, Pixabay
05.02.2024

Plastikfressende Bakterien, die Spinnenseide produzieren

Wissenschaftler haben zum ersten Mal Bakterien eingesetzt, um Polyethylenabfälle „upzucyceln“: Mach Platz Spider-Man: Wissenschaftler des Rensselaer Polytechnic Institute haben einen Bakterienstamm entwickelt, der Plastikabfälle in biologisch abbaubare Spinnenseide mit vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten verwandeln kann.

In ihrer neuen Studie haben Wissenschaftler zum ersten Mal Bakterien eingesetzt, um Polyethylen-Kunststoff - wie er in vielen Einwegartikeln verwendet wird - in ein hochwertiges Proteinprodukt umzuwandeln.

Dieses Produkt, das die Wissenschaftler aufgrund seiner Ähnlichkeit mit der Seide, mit der Spinnen ihre Netze spinnen, als "bio-inspirierte Spinnenseide" bezeichnen, kann in Textilien, Kosmetika und sogar in der Medizin eingesetzt werden.

Wissenschaftler haben zum ersten Mal Bakterien eingesetzt, um Polyethylenabfälle „upzucyceln“: Mach Platz Spider-Man: Wissenschaftler des Rensselaer Polytechnic Institute haben einen Bakterienstamm entwickelt, der Plastikabfälle in biologisch abbaubare Spinnenseide mit vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten verwandeln kann.

In ihrer neuen Studie haben Wissenschaftler zum ersten Mal Bakterien eingesetzt, um Polyethylen-Kunststoff - wie er in vielen Einwegartikeln verwendet wird - in ein hochwertiges Proteinprodukt umzuwandeln.

Dieses Produkt, das die Wissenschaftler aufgrund seiner Ähnlichkeit mit der Seide, mit der Spinnen ihre Netze spinnen, als "bio-inspirierte Spinnenseide" bezeichnen, kann in Textilien, Kosmetika und sogar in der Medizin eingesetzt werden.

„Spinnenseide ist das Kevlar der Natur", sagte Helen Zha, Ph.D., Assistenzprofessorin für Chemie- und Bioingenieurwesen und eine der RPI-Forschenden, die das Projekt leiteten. „Sie kann unter Spannung fast so stark sein wie Stahl. Es hat jedoch eine sechsmal geringere Dichte als Stahl und ist daher sehr leicht. Als Biokunststoff ist es dehnbar, zäh, ungiftig und biologisch abbaubar.“

All diese Eigenschaften machen es zu einem großartigen Material für eine Zukunft, in der erneuerbare Ressourcen und die Vermeidung von anhaltender Plastikverschmutzung die Norm sind, so Zha.

Polyethylen-Kunststoffe, die in Produkten wie Plastiktüten, Wasserflaschen und Lebensmittelverpackungen enthalten sind, tragen weltweit am stärksten zur Plastikverschmutzung bei und brauchen bis zu 1.000 Jahre, um sich natürlich abzubauen. Nur ein kleiner Teil des Polyethylen-Kunststoffs wird recycelt, so dass die in der Studie verwendeten Bakterien dazu beitragen könnten, einen Teil des verbleibenden Abfalls „upzucyceln“.

Pseudomonas aeruginosa, das in der Studie verwendete Bakterium, kann auf natürliche Weise Polyethylen als Nahrungsquelle aufnehmen. Das RPI-Team stellte sich der Herausforderung, dieses Bakterium so zu steuern, dass es die Kohlenstoffatome des Polyethylens in ein genetisch kodiertes Seidenprotein umwandelt. Überraschenderweise stellten sie fest, dass ihre neu entwickelten Bakterien das Seidenprotein mit einer Effizienz herstellen konnten, die mit der einiger, üblicherweise in der Bioproduktion verwendeten Bakterienstämmen vergleichbar ist. Der biologische Prozess, der dieser Innovation zugrunde liegt, ist etwas, das die Menschen seit Jahrtausenden nutzen.

„Im Grunde genommen fermentieren die Bakterien den Kunststoff. Die Fermentierung wird zur Herstellung und Konservierung aller Arten von Lebensmitteln wie Käse, Brot und Wein verwendet, und in der biochemischen Industrie wird sie zur Herstellung von Antibiotika, Aminosäuren und organischen Säuren genutzt“, sagte Mattheos Koffas, Ph.D., Dorothy and Fred Chau ʼ71 Career Development Constellation Professor in Biocatalysis and Metabolic Engineering und der andere Wissenschaftler, der das Projekt leitet und zusammen mit Zha Mitglied des Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies in Rensselaer ist.

Damit die Bakterien Polyethylen fermentieren können, muss der Kunststoff zunächst „vorverdaut“ werden, so Zha. Genau wie wir Menschen unsere Nahrung in kleinere Stücke schneiden und kauen müssen, bevor unser Körper sie verwerten kann, haben die Bakterien Schwierigkeiten, die langen Molekülketten oder Polymere zu essen, aus denen Polyethylen besteht.

In der Studie arbeiteten Zha und Koffas mit Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory zusammen, die den Kunststoff durch Erhitzen unter Druck depolymerisierten, wodurch eine weiche, wachsartige Substanz entstand. Anschließend trug das Team eine Schicht des aus dem Kunststoff gewonnenen Wachses auf die Böden der Kolben auf, die als Nährstoffquelle für die Bakterienkultur dienten. Dies unterscheidet sich von der üblichen Fermentation, bei der Zucker als Nährstoffquelle dient.

„Es ist, als würden wir die Bakterien nicht mit Kuchen füttern, sondern mit den Kerzen auf dem Kuchen“, so Zha.

Als dann der Inhalt der Kolben auf einer Wärmeplatte sanft umgewälzt wurde, gingen die Bakterien an die Arbeit. Nach 72 Stunden ließen die Wissenschaftler die Bakterien aus der flüssigen Kultur abtropfen, reinigten das Seidenprotein und gefriergetrockneten es. In diesem Stadium könnte das Protein, das zerrissenen Wattebällchen ähnelte, potenziell zu Garn gesponnen oder in andere nützliche Formen weiterverarbeitet werden.

„Das wirklich Spannende an diesem Prozess ist, dass er im Gegensatz zur heutigen Kunststoffproduktion wenig Energie verbraucht und keine giftigen Chemikalien benötigt“, so Zha. „Die besten Chemiker der Welt könnten Polyethylen nicht in Spinnenseide umwandeln, aber diese Bakterien können es. Wir machen uns wirklich zunutze, was die Natur entwickelt hat, um die Herstellung für uns zu übernehmen.“

Bevor jedoch Produkte aus recycelter Spinnenseide zur Realität werden, müssen die Wissenschaftler zunächst Wege finden, um das Seidenprotein effizienter herzustellen.
 
„Diese Studie zeigt, dass wir diese Bakterien verwenden können, um Plastik in Spinnenseide umzuwandeln. In unserer künftigen Arbeit werden wir untersuchen, ob wir die Bakterien oder andere Aspekte des Prozesses optimieren können, um die Produktion zu steigern“, sagte Koffas.

„Die Professoren Zha und Koffas repräsentieren die neue Generation von Chemie- und Bioingenieuren, die biologisches Engineering mit Materialwissenschaften zur Herstellung umweltfreundlicher Produkte verbinden. Ihre Arbeit ist ein neuartiger Ansatz zum Schutz der Umwelt und zur Verringerung unserer Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ressourcen“, sagte Shekhar Garde, Ph.D., Dekan der RPI School of Engineering.

Die Studie, die vom Erstautor Alexander Connor, der 2023 am RPI promoviert, und den Co-Autoren Jessica Lamb und Massimiliano Delferro vom Argonne National Laboratory durchgeführt wurde, wurde in der Zeitschrift „Microbial Cell Factories“ veröffentlicht.

Quelle:

Samantha Murray, Rensselaer

Verbesserte Fertigungsmethode für Wundverschlüsse (c) Wilson College of Textiles
03.01.2024

Verbesserte Fertigungsmethode für Wundverschlüsse

Wenn Sie schon einmal genäht wurden oder einen chirurgischen Eingriff hatten, haben Sie vielleicht eine Wundnaht erhalten. Das sind die Fäden, die zum Schließen von Wunden oder zum Zusammenfügen von Gewebe zu anderen Zwecken verwendet werden.

Aber wussten Sie, dass es verschiedene Arten von Nahtmaterial gibt, die sich auf Ihre Erfahrungen beim Arzt oder Chirurgen auswirken können?

So können beispielsweise „barbed sutures“ (chirurgisches Nahtmaterial mit Widerhaken) die Zeit, die Sie auf dem Operationstisch verbringen, verkürzen und die Wahrscheinlichkeit chirurgischer Komplikationen verringern. Diese Art von Naht hat ihre Wurzeln im amerikanischen Forschungsdreieck der drei Universitäten North Carolina State University, Duke University und University of North Carolina at Chapel Hill, sie wird von Studenten und Lehrkräften des Wilson College of Textiles weiterentwickelt.

Wenn Sie schon einmal genäht wurden oder einen chirurgischen Eingriff hatten, haben Sie vielleicht eine Wundnaht erhalten. Das sind die Fäden, die zum Schließen von Wunden oder zum Zusammenfügen von Gewebe zu anderen Zwecken verwendet werden.

Aber wussten Sie, dass es verschiedene Arten von Nahtmaterial gibt, die sich auf Ihre Erfahrungen beim Arzt oder Chirurgen auswirken können?

So können beispielsweise „barbed sutures“ (chirurgisches Nahtmaterial mit Widerhaken) die Zeit, die Sie auf dem Operationstisch verbringen, verkürzen und die Wahrscheinlichkeit chirurgischer Komplikationen verringern. Diese Art von Naht hat ihre Wurzeln im amerikanischen Forschungsdreieck der drei Universitäten North Carolina State University, Duke University und University of North Carolina at Chapel Hill, sie wird von Studenten und Lehrkräften des Wilson College of Textiles weiterentwickelt.

Dr. Gregory Ruff, ein landesweit anerkannter plastischer Chirurg, erfand den innovativen Verschluss erstmals 1991 in Chapel Hill, North Carolina.

„Ich habe darüber gegrübelt, dass wir Wunden mit einer Schlaufe und einem Knoten zusammennähen, und wenn man sie zu fest zusammenbindet, kann das die Durchblutung einschränken und das Gewebe in der Schlaufe zerstören“, erinnert sich Dr. Ruff. Ich habe weiter über Tiere nachgedacht, und mir kam der Stachelschweinkiel in den Sinn. Und das Aha-Erlebnis war: ‚Was wäre, wenn wir einen Stachel auf der einen Seite der Wunde anbringen und einen anderen auf der anderen Seite der Wunde, so dass es keine Schlaufe gibt: Die Stacheln gehen rein, aber sie kommen nicht wieder raus?‘“

Wie der Name schon sagt, haben Widerhaken-Nähte kleine Fortsätze, die aus ihnen herausschießen und sich im Gewebe verankern können: Denken Sie an Stacheldraht oder einen Angelhaken. Diese „Stacheln“ oder Widerhaken ermöglichen es dem Nahtmaterial, sich selbst zu verankern. Da kein Knoten zur Sicherung der Naht erforderlich ist, erfolgt der Verschluss schneller, und das Fehlen von Knoten und einschnürenden Schlingen fördert die Heilung. Zudem können Chirurgen dadurch auch mehr Operationen terminieren.

Bald nach seinem Aha-Erlebnis gründete Dr. Ruff sein eigenes Unternehmen, Quill Medical, um diese Widerhaken-Nähte herzustellen. Er verfügte zwar über das medizinische Fachwissen und einen soliden Geschäftspartner, doch suchte Dr. Ruff jemanden, der ihn in Bezug auf die Materialzusammensetzung des Nahtmaterials beraten konnte. Die biomedizinische Textilforschungsgruppe des Wilson College unter der Leitung von Professor Martin King erwies sich schnell als der geeignete Partner.

In den Laboren des Wilson College führten Kings Doktoranden eine Reihe von Tests mit Ruffs Nahtmaterial in verschiedenen Gewebetypen (wie Haut, Muskeln usw.) durch. Einer dieser Studenten, Nilesh Ingle, fand heraus, dass die Widerhaken am besten funktionierten, wenn ihre Winkel speziell auf die Art des zu nähenden Gewebes zugeschnitten waren.

Jahre danach baut einer von Kings derzeitigen Doktoranden auf diesen Forschungsergebnissen auf.

Herausforderungen verstehen und innovative Lösungen anbieten
Fast drei Jahrzehnte nach der Erfindung der Widerhaken-Naht verwenden die meisten Chirurgen trotz der von Forschern und Chirurgen dokumentierten Vorteile immer noch herkömmliche Nähte. Aber wieso?

Karuna Nambi Gowri, Doktorandin der Faser- und Polymerwissenschaften in Kings Forschungsgruppe, nennt dafür zwei Gründe. Der erste Grund ist der Widerstand gegen Veränderungen. Die meisten praktizierenden Chirurgen haben den Umgang mit Nahtmaterial gelernt, bevor chirurgisches Nahtmaterial mit Widerhaken auf breiter Front verfügbar wurde.

Das zweite Hindernis für die Verwendung von solchen Widerhakenfäden ist ihre Beschaffung. Widerhaken-Nähte sind in der Regel sowohl teuer als auch schwer zu beschaffen. Das liegt daran, dass das derzeitige Verfahren zu ihrer Herstellung (mechanisch und mit Klingen) sowohl zeitlich als auch ressourcenmäßig ineffizient ist.

Hier setzt die Forschung von Nambi Gowri in der Forschungsgruppe für biomedizinische Textilien des Wilson College an. Sie entwickelt eine schnellere und billigere Methode zur Herstellung von Nahtmaterial mit Widerhaken in der gleichen Qualität.

„Wenn ich mit einem Laser arbeite, ist die Herstellungszeit im Vergleich zu einer mechanischen Widerhakentechnik ziemlich kurz“, so Nambi Gowri.

Der Wechsel von einer mechanischen Methode zu einer Lasermethode hat einen weiteren Vorteil. „Die Manipulation des Widerhakennahtmaterials selbst ist mit einem Laser einfacher“, betont sie.

Mit anderen Worten: Der Einsatz des Lasers ermöglicht es Nambi Gowri, die von früheren Forschern vorgeschlagenen individuellen Widerhakengeometrien oder -winkel in kommerziellem Maßstab anzuwenden. Mit diesen maßgeschneiderten Geometrien kann das Nahtmaterial mit Widerhaken für die Art des Gewebes, das es verbinden soll, optimiert werden.

Neben dem neuen Verfahren entwickelt Nambi Gowri auch ein neues Nahtmaterial. „Ich bin die erste, die Catgut-Nähte mit Widerhaken untersucht hat“, erklärt sie.

Catgut war eines der ersten Materialien, die zur Herstellung von Nahtmaterial verwendet wurden. Der Faden wird aus Gewebe hergestellt, das dem Magen eines Tieres entnommen wird. Während die Industrie von diesem Material zugunsten synthetischer Polymere abgerückt ist, sieht Nambi Gowri das Potenzial von Catgut für Widerhaken-Nähte, da es sich schnell abbaut.

„Dies sind nützliche externe Wundverschlüsse“, sagt sie. „Da unser Körper so viel Kollagen enthält und Catgut zu 90 % aus Kollagen besteht, ist es ein geeigneteres Polymer, das in menschlichem Gewebe verwendet werden kann."

Praktische Erfahrungen prägen die Forschung
In der Zwischenzeit hat Nambi Gowri praktische Erfahrungen gesammelt, die sie in ihre Forschung einfließen lässt, indem sie alle Widerhakennähte herstellt, die bei den Mikro-Facelift-Operationen von Dr. Ruff verwendet werden.

Die Operation selbst wird durch die Form und die Materialzusammensetzung des Nahtmaterials ermöglicht: Poly-4-hydroxybutyrat (P4HB). Dieses Polymer ist in unserem Körper bereits natürlich vorhanden, so dass Nahtmaterial aus P4HB mit der Zeit auf natürliche und sichere Weise vom Körper aufgenommen wird. Das bedeutet, dass die Patienten nach der Operation keinen Termin für die Entfernung des Nahtmaterials vereinbaren müssen.

P4HB bietet außerdem die perfekte Kombination aus Festigkeit und Elastizität, um das Gesichtsgewebe zu stabilisieren, bis die Wunde verheilt ist. Die Widerhaken hingegen ermöglichen es, die Naht zu platzieren und sicher in der Haut zu verankern, ohne dass große Schnitte erforderlich sind.

„Die Haut strafft sich sofort“, sagt Dr. Ruff über das Verfahren, das Patienten aus dem ganzen Land anzieht. „Ich muss also keine Haare entfernen und keine Narbe am Haaransatz hinterlassen.“

“Diese Fäden sind weltweit nicht im Handel erhältlich. Um Nahtmaterial mit Widerhaken in unterschiedlicher Größe zuverlässig und einheitlich für den Einsatz in der klinischen Praxis mechanisch zu verarbeiten, braucht man also Geschick, Erfahrung und Kenntnisse in der Qualitätskontrolle“, sagt Professor King über die Arbeit von Nambi Gowri.

Dadurch hat Karuna ein praktisches Verständnis für die Nähte gewonnen, die sie zu verbessern hofft. Ihr Wissen über Fasern und Polymere habe dabei eine Schlüsselrolle gespielt, um alle Aspekte ihrer Forschung anzugehen.

„Alle analytischen Techniken, die für die Charakterisierung von Nahtmaterial verwendet werden - wie die Bestimmung mechanischer Eigenschaften und die Messung der Zugfestigkeit - stammen eigentlich aus meinem Wissen über Textilien“, sagt sie. „Ich wende meine Kenntnisse in der Polymerchemie an, um sicherzustellen, dass der Laser nicht dazu führt, dass das Nahtmaterial degradiert, schmilzt oder thermische Schäden erleidet.“

Wie geht es weiter?
Nambi Gowri arbeitet an der Patentierung ihrer Entwürfe und ist zuversichtlich, dass sie mit ihrer Dissertation nach ihrem Abschluss im Bereich Forschung und Entwicklung (F&E) erfolgreich sein wird.

In der Zwischenzeit hat sie bereits herausgefunden, wie ihre Forschung einen breiteren Nutzen haben kann.

„Dr. Dan Duffy, DVM, ein Chirurg am NC State College für Veterinärmedizin, ist ebenfalls an der Verwendung von Widerhaken-Nähten interessiert, um gerissene und kaputte Sehnen bei seinen Tieren zu behandeln, aber er hält die Kosten für den Kauf von kommerziellen Widerhaken-Nähten für unerschwinglich. Wir müssen also zusammenarbeiten", sagt King. „Karuna als Retterin!“

Quelle:

North Carolina State University, Sarah Stone

Neue leitfähige Faser auf Baumwollbasis für Smart Textiles entwickelt Foto: Dean Hare, WSU Photo Services
29.12.2023

Neue leitfähige Faser auf Baumwollbasis für Smart Textiles entwickelt

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.“

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.

Quelle:

Sara Zaske, WSU News & Media Relations

Chemiker entwickelt Kunststoffalternativen aus Proteinen und Kleiderresten Foto: Challa Kumar, emeritierter Professor für Chemie, in seinem Labor. (zur Verfügung gestelltes Foto)
21.12.2023

Chemiker entwickelt Kunststoffalternativen aus Proteinen und Kleiderresten

Challa Kumar hat Methoden zur Herstellung neuartiger kunststoffähnlicher Materialien aus Proteinen und Textilien entwickelt.

Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Weitere 92 Millionen Tonnen Textilabfälle werden zusätzlich jährlich erzeugt.

Challa Kumar, emeritierter Chemieprofessor, war es leid, dass die Menschen immer mehr Giftmüll in die Umwelt pumpen und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Für den Chemiker bedeutete dies, sein Fachwissen für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien einzusetzen.

Challa Kumar hat Methoden zur Herstellung neuartiger kunststoffähnlicher Materialien aus Proteinen und Textilien entwickelt.

Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Weitere 92 Millionen Tonnen Textilabfälle werden zusätzlich jährlich erzeugt.

Challa Kumar, emeritierter Chemieprofessor, war es leid, dass die Menschen immer mehr Giftmüll in die Umwelt pumpen und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Für den Chemiker bedeutete dies, sein Fachwissen für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien einzusetzen.

„Jeder sollte darüber nachdenken, wo immer er kann, auf fossilen Brennstoffen basierende Materialien durch natürliche zu ersetzen, um unserer Zivilisation zu helfen zu überleben", sagt Kumar. „Das Haus brennt, wir können nicht warten. Wenn das Haus brennt und man beginnt, einen Brunnen zu graben, dann wird das nicht funktionieren. Es ist an der Zeit, das Haus zu löschen.“

Kumar hat zwei Technologien entwickelt, die Proteine bzw. Textilien verwenden, um neue Materialien zu schaffen. Die Technology Commercialization Services (TCS) der UConn haben für beide Technologien vorläufige Patente angemeldet.

Inspiriert von der Fähigkeit der Natur, eine Vielzahl funktioneller Materialien zu konstruieren, entwickelten Kumar und sein Team eine Methode zur Herstellung stufenlos steuerbarer, ungiftiger Materialien.

„Die Chemie ist das Einzige, was uns in die Quere kommt“, so Kumar. „Wenn wir die Proteinchemie verstehen, können wir Proteinmaterialien herstellen, die so stark wie ein Diamant oder so weich wie eine Feder sind.“

Die erste Innovation ist ein Verfahren zur Umwandlung natürlich vorkommender Proteine in kunststoffähnliche Materialien. Kumars Student, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., arbeitete an diesem Projekt.

Proteine haben „reaktive Gruppen“ auf ihrer Oberfläche, die mit Substanzen reagieren können, mit denen sie in Berührung kommen. Kumar und sein Team nutzten sein Wissen über die Funktionsweise dieser Gruppen, um Proteinmoleküle durch eine chemische Verbindung miteinander zu verknüpfen.

Bei diesem Prozess entsteht ein sogenannter Dimer - ein Molekül, das aus zwei Proteinen besteht. Anschließend wird das Dimer mit einem anderen Dimer zu einem Tetramer verbunden, und so weiter, bis ein großes 3D-Molekül entsteht. Dieser 3D-Aspekt der Technologie ist einzigartig, da die meisten synthetischen Polymere lineare Ketten aufweisen.

Dank dieser innovativen 3D-Struktur kann sich das neue Polymer wie ein Kunststoff verhalten. Genau wie die Proteine, aus denen es besteht, kann sich das Material dehnen, seine Form verändern und falten. So kann das Material mit Hilfe der Chemie für eine Vielzahl von spezifischen Anwendungen maßgeschneidert werden.

Da Kumars Material aus Proteinen und einer biologisch verbindenden Chemikalie besteht, kann es im Gegensatz zu synthetischen Polymeren biologisch abgebaut werden, so wie es pflanzliche und tierische Proteine natürlich tun.

„Die Natur baut Proteine ab, indem sie die Amidbindungen in ihnen aufspaltet“, sagt Kumar. „Sie verfügt über Enzyme, die diese Art von Chemie beherrschen. Wir haben die gleichen Amidbindungen in unseren Materialien. Die gleichen Enzyme, die in der Biologie arbeiten, sollten also auch bei diesem Material funktionieren und es auf natürliche Weise abbauen.“

Im Labor stellte das Team fest, dass sich das Material innerhalb weniger Tage in saurer Lösung zersetzt. Jetzt untersuchen sie, was passiert, wenn sie dieses Material im Boden vergraben, was das Los vieler Post-Consumer-Kunststoffe ist.

Sie haben gezeigt, dass das Material auf Proteinbasis eine Vielzahl von kunststoffähnlichen Produkten bilden kann, darunter Kaffeetassendeckel und dünne transparente Folien. Es könnte auch zur Herstellung von feuerfesten Dachziegeln oder höherwertigen Materialien wie Autotüren, Raketenspitzen oder Herzklappen verwendet werden.

Die nächsten Schritte für diese Technologie bestehen darin, ihre mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit oder Flexibilität, sowie ihre Toxizität weiter zu testen.

„Ich denke, wir brauchen ein soziales Bewusstsein dafür, dass wir keine toxischen Substanzen in die Umwelt bringen dürfen“, sagt Kumar. „Das geht einfach nicht. Wir müssen damit aufhören. Und wir können auch keine Materialien verwenden, die aus fossilen Brennstoffen stammen.“

Kumars zweite Technologie beruht auf einem ähnlichen Prinzip, verwendet aber nicht nur Proteine, sondern solche, die mit Naturfasern, insbesondere Baumwolle, verstärkt sind.

„Durch die sich schnell verändernde Modeindustrie entsteht jedes Jahr eine Menge Textilabfall“, sagt Kumar. „Warum sollten wir diese Abfälle nicht nutzen, um nützliche Materialien herzustellen - Abfall in Wohlstand umzuwandeln.“

Genau wie die kunststoffähnlichen Proteinmaterialien (Proteios, abgeleitet von den griechischen Originalwörtern) erwartet Kumar, dass die aus Proteinen und Naturfasern hergestellten Verbundmaterialien biologisch abbaubar sind, ohne toxische Abfälle zu produzieren.

Im Labor hat Kumars ehemaliger Student, der Doktorand Adekeye Damilola, viele Objekte aus Protein-Gewebe-Verbundstoffen hergestellt, darunter kleine Schuhe, Tische, Blumen und Stühle. Dieses Material enthält Textilfasern, die als Bindemittel für die Proteine dienen, und nicht die Vernetzungschemikalien, die Kumar für die proteinbasierten Kunststoffe verwendet.

Die Querverbindung verleiht dem neuartigen Material die Festigkeit, die es braucht, um dem Gewicht standzuhalten, das beispielsweise auf einem Stuhl oder Tisch lastet. Die natürliche Affinität zwischen Fasern und Proteinen ist der Grund, warum es so schwierig ist, Lebensmittelflecken aus der Kleidung zu entfernen. Die gleiche Anziehungskraft sorgt für starke Materialien aus Proteinfasern.

Kumars Team hat zwar bisher nur mit Baumwolle gearbeitet, geht aber davon aus, dass sich andere Fasermaterialien wie Hanffasern oder Jute aufgrund ihrer inhärenten, jedoch ähnlichen chemischen Eigenschaften wie Baumwolle auch so verhalten würden.

„Das Protein haftet auf natürliche Weise an der Oberfläche des Materials“, sagt Kumar. „Wir nutzten diese Erkenntnis, um zu sagen: 'Hey, wenn es sich so fest an Baumwolle bindet, warum machen wir dann nicht ein Material daraus? Und es funktioniert, es funktioniert erstaunlich."

Mit der Unterstützung von TCS sucht Professor Kumar derzeit nach Industriepartnern, um diese Technologien auf den Markt zu bringen. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Michael Invernale unter michael.invernale@uconn.edu.

Weitere Informationen:
Polymere Kunststoffe Naturfasern Baumwolle
Quelle:

Anna Zarra Aldrich '20 (CLAS), Büro des Vizepräsidenten für Forschung

TiHive gewinnt RISE® Innovationspreis für seine SAPMonit Technologie Foto INDA
03.10.2023

TiHive gewinnt RISE® Innovationspreis für SAPMonit Technologie

Auf der RISE®-Konferenz (Research, Innovation & Science for Engineered Fabrics) am 26. und 27. September in Raleigh, NC, trafen sich Führungskräfte aus der Wirtschaft, Produktentwickler und Technologie-Scouts, um zwei Tage lang wertvolle Einblicke in Materialwissenschaft, Prozess- und Nachhaltigkeitsinnovationen zu erhalten. Die RISE wird gemeinsam von der INDA und dem Nonwovens Institute der North Carolina State University organisiert.

Experten aus Industrie, Hochschulen und Behörden tauschten ihr Fachwissen zu folgenden Schlüsselbereichen aus:

Auf der RISE®-Konferenz (Research, Innovation & Science for Engineered Fabrics) am 26. und 27. September in Raleigh, NC, trafen sich Führungskräfte aus der Wirtschaft, Produktentwickler und Technologie-Scouts, um zwei Tage lang wertvolle Einblicke in Materialwissenschaft, Prozess- und Nachhaltigkeitsinnovationen zu erhalten. Die RISE wird gemeinsam von der INDA und dem Nonwovens Institute der North Carolina State University organisiert.

Experten aus Industrie, Hochschulen und Behörden tauschten ihr Fachwissen zu folgenden Schlüsselbereichen aus:

  • Die Zukunft der Vliesstoffherstellung
  • Praktische Anwendungen und Fortschritte bei Filtermedien
  • rPolymere und Nachhaltigkeit
  • Innovative Strategien und Kreislauflösungen
  • Fortschritte bei nachhaltigen Vliesstoffanwendungen
  • Marktstatistiken und Datentrends

Ein Highlight war eine Posterpräsentation der grundlegenden Vliesstoff-Forschung durch die Studenten des Nonwovens Institute. Als zusätzliches Angebot offerierte das Nonwovens Institute den RISE-Teilnehmern eine Führung durch seine weltweit anerkannten Einrichtungen auf dem Centennial Campus der North Carolina State University, die über die umfangreichste Ausstattung im Labor- und Pilotmaßstab verfügen, einschließlich aller Vliesstoffplattformen und Testtechnologien.

Gewinner des RISE®-Innovationspreises
TiHive hat den RISE Innovation Award 2023 für seine SAPMonit-Technologie gewonnen. Die Innovation von TiHive, SAPMonit - ein technologischer Durchbruch - prüft wöchentlich Millionen von Windeln. SAPMonit ermöglicht eine blitzschnelle Inline-Inspektion von Gewicht und Verteilung der Superabsorber, optimiert die Ressourcen, erkennt Fehler und beschleunigt Forschung und Entwicklung. SAPMonit nutzt fortschrittliche, intelligente Kameras, Hochgeschwindigkeits-Vision-Algorithmen und eine sichere Cloud-Integration und revolutioniert damit die Industrienormen. SAPMonit hat ein großes Potenzial für Nachhaltigkeit, Kostensenkung und verbesserte Kundenzufriedenheit, da pro Maschine Hunderte von Tonnen Kunststoffabfall pro Jahr vermieden werden.

Zu den Finalisten des RISE Innovation Award gehörten Curt. G. Joa, Inc. für ihren ESC-8 - The JOA® Electronic Size Change, Fiberpartner Aps für ihre BicoBio Fiber und Reifenhäuser REICOFIL GmbH & Co. KG für ihr Reifenhäuser Reicofil RF5 XHL.  Zusammen haben die Innovationen dieser Finalisten das Potenzial, den Kunststoffabfall um Millionen von Kilogramm zu reduzieren.

DiaperRecycle erhielt den RISE® Innovation Award 2022 für seine innovative Technologie zur Wiederverwertung gebrauchter Windeln zu saugfähigem und spülbarem Katzenstreu. Durch die Rücknahme gebrauchter Windeln aus Haushalten und Einrichtungen und die Trennung von Plastik und Fasern ist DiaperRecycle in der Lage, die klimaschädlichen Emissionen von Windeln aus Mülldeponien zu verringern.

2023 INDA Lifetime Technical Achievement Award
Ed Thomas, Präsident von Nonwoven Technology Associates, LLC, erhielt den INDA Lifetime Technical Achievement Award 2023 für seine jahrzehntelangen Beiträge zum Wachstum und Erfolg der Vliesstoffindustrie.

RISE 2024 findet vom 1. bis 2. Oktober 2024 in der James B. Hunt Jr. Library der North Carolina State University in Raleigh, NC, statt.

Weitere Informationen:
INDA RISE® Vliesstoffe
Quelle:

INDA

Foto: Claude Huniade
11.07.2023

Ionisch leitfähige Fasern als neuer Weg für intelligente und Funktionstextilien

Elektronisch leitfähige Fasern werden bereits in intelligenten Textilien verwendet, doch in einem kürzlich veröffentlichten Forschungsartikel wurde nachgewiesen, dass ionisch leitfähige Fasern von zunehmendem Interesse sind. Die sogenannten Ionenfasern sind flexibler und haltbarer und entsprechen der Art von Leitfähigkeit, die unser Körper nutzt. In Zukunft könnten sie unter anderem für Textilbatterien, Textildisplays und Textilmuskeln verwendet werden.

Das Forschungsprojekt wird von dem Doktoranden Claude Huniade an der Universität Borås durchgeführt und ist Teil eines größeren Projekts, Weafing. Sein Ziel es ist, neuartige, noch nie dagewesene Kleidungsstücke für haptische Stimulation zu entwickeln, die flexible und tragbare textile Aktoren und Sensoren, einschließlich Steuerelektronik, als eine neue Art von textilbasierter Großflächenelektronik umfassen.

Elektronisch leitfähige Fasern werden bereits in intelligenten Textilien verwendet, doch in einem kürzlich veröffentlichten Forschungsartikel wurde nachgewiesen, dass ionisch leitfähige Fasern von zunehmendem Interesse sind. Die sogenannten Ionenfasern sind flexibler und haltbarer und entsprechen der Art von Leitfähigkeit, die unser Körper nutzt. In Zukunft könnten sie unter anderem für Textilbatterien, Textildisplays und Textilmuskeln verwendet werden.

Das Forschungsprojekt wird von dem Doktoranden Claude Huniade an der Universität Borås durchgeführt und ist Teil eines größeren Projekts, Weafing. Sein Ziel es ist, neuartige, noch nie dagewesene Kleidungsstücke für haptische Stimulation zu entwickeln, die flexible und tragbare textile Aktoren und Sensoren, einschließlich Steuerelektronik, als eine neue Art von textilbasierter Großflächenelektronik umfassen.

WEAFING steht für Wearable Electroactive Fabrics Integrated in Garments. Das Projekt startete am 1. Januar 2019 und endete am 30. Juni 2023.

Diese Wearables basieren auf einer neuen Art von Textilmuskeln, deren Garne mit elektromechanisch aktiven Polymeren beschichtet sind und sich zusammenziehen, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird. Textilmuskeln bieten eine völlig neue und sehr unterschiedliche Qualität haptischer Empfindungen und sprechen auch Rezeptoren unseres taktilen Sinnessystems an, die nicht auf Vibration, sondern auf sanften Druck oder Schlag reagieren.

Da es sich um textile Materialien handelt, bieten sie zudem eine neue Möglichkeit, tragbare Haptik zu entwerfen und herzustellen. Sie können nahtlos in Stoffe und Kleidungsstücke integriert werden. Für diese neuartige Form der textilen Muskeln ist eine große Bandbreite an haptischen Anwendungsmöglichkeiten abzusehen: für Ergonomie, Bewegungscoaching im Sport oder Wellness, zur Unterstützung von Virtual- oder Augmented-Reality-Anwendungen in Spielen oder zu Trainingszwecken, zur Inklusion von sehbehinderten Menschen durch Informationen über ihre Umgebung, zur Stressreduktion oder sozialen Kommunikation, für anpassungsfähige Möbel, die Automobilindustrie und vieles mehr.

Im Projekt von Claude Huniade geht es darum, leitfähige Garne ohne leitfähige Metalle herzustellen.

„In meiner Forschung geht es um die Herstellung elektrisch leitfähiger Textilfasern - letzendlich von Garnen - durch die nachhaltige Beschichtung handelsüblicher Garne mit Nicht-Metallen. Die größte Herausforderung besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen der Beibehaltung der textilen Eigenschaften und dem Hinzufügen der leitenden Eigenschaft zu finden“, so Claude Huniade.

Ionofasern könnten als Sensoren verwendet werden, da ionische Flüssigkeiten empfindlich auf ihre Umgebung reagieren. So können die Ionenfasern beispielsweise Änderungen der Luftfeuchtigkeit, aber auch jede Dehnung oder jeden Druck, dem sie ausgesetzt sind, wahrnehmen.

„Ionofasern könnten wirklich herausragen, wenn sie mit anderen Materialien oder Geräten kombiniert werden, die Elektrolyte benötigen. Ionofasern ermöglichen es, dass bestimmte Phänomene, die derzeit nur in Flüssigkeiten möglich sind, auch in der Luft auf leichtgewichtige Weise realisiert werden können. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und einzigartig, zum Beispiel für Textilbatterien, textile Displays oder textile Muskeln“, so Claude Huniade.

Weitere Forschung ist erforderlich
Es sind noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Ionenfasern mit anderen funktionellen Fasern zu kombinieren und spezielle textile Produkte herzustellen.

Wie unterscheiden sie sich von herkömmlichen elektronisch leitfähigen Fasern?

„Im Vergleich zu elektronisch leitfähigen Fasern unterscheiden sich Ionofasern dadurch, wie sie Elektrizität leiten. Sie sind weniger leitfähig, bringen aber andere Eigenschaften mit, die elektronisch leitfähigen Fasern oft fehlen. Ionofasern sind flexibler und haltbarer und entsprechen der Art der Leitung, die unser Körper verwendet. Sie entsprechen sogar besser als elektronisch leitende Fasern der Art, wie Elektrizität in der Natur vorkommt“, schloss er.

Derzeit liegt die Einzigartigkeit seiner Forschung in den Beschichtungsstrategien. Diese Methoden umfassen sowohl die Verfahren als auch die verwendeten Materialien.

Verwendung von ionischen Flüssigkeiten
Eine der Spuren, die er verfolgt, betrifft eine neue Art von Material als Textilbeschichtung, nämlich ionische Flüssigkeiten in Kombination mit handelsüblichen Textilfasern. Genau wie Salzwasser leiten sie Strom, aber ohne Wasser. Ionische Flüssigkeiten sind stabilere Elektrolyte als Salzwasser, da nichts verdunstet.

„Der Faktor der Verarbeitbarkeit ist eine wichtige Voraussetzung, da die Textilproduktion Fasern stark beansprucht, vor allem, wenn sie in größerem Maßstab eingesetzt werden. Die Fasern können auch zu Geweben oder Gewirken verarbeitet werden, ohne dass sie mechanisch beschädigt werden, wobei ihre Leitfähigkeit erhalten bleibt. Überraschenderweise ließen sie sich sogar glatter zu Stoffen verarbeiten als die handelsüblichen Garne, aus denen sie hergestellt werden“, erklärte Claude Huniade.

Quelle:

University of Borås