Textination Newsline

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.

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.

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.

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.

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.

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.

 

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.“

 

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!“

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.

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.