From the Sector

Die Qualität von Verbundsystemen aus Cord hochfester Fasern wie Polyester, Aramid oder Polyamid und Matrixmaterialien aus Kautschuk wird maßgeblich bestimmt durch die Haftfähigkeiten der Fasern an der Matrix. Im etablierten Herstellungsprozess werden Haftvermittler aus Resorcin-Formaldehyd-Latex (RFL) zur Verbesserung der Haftfähigkeiten verwendet. Forschende an den DITF Denkendorf zeigen Wege, um das gesundheitsschädliche Formaldehyd durch technisch gleichwertige, aber gesundheitlich unbedenkliche Stoffe zu ersetzen.

In Autoreifen, Förderbändern und Keilriemen sowie in vielen Anwendungen bei der Herstellung technischer Erzeugnisse werden Kautschukmaterialien durch Cord verstärkt. Verwendet werden hochfeste Fasern aus Polyester, Polyamid oder Aramid. Sie sorgen für die notwendige Festigkeit und Steifigkeit des Gesamtverbunds und wirken äußeren Kräften entgegen. Dadurch können Verformungen, Dehnung und Torsion des Materials klein gehalten werden.

Diese Ansprüche an das Faserverbundmaterial können aber nur erfüllt werden, wenn zwischen Fasern und Matrix (aus Kautschuk bzw. Gummi) eine ausreichend hohe Haftfestigkeit besteht. Andernfalls ist mit einer Delamination der Werkstoffverbunde zu rechnen, die in wechselnden Lagen von Gewebe und Kautschuk aufgebaut sind. Materialversagen wäre die Folge.

Die Haftfestigkeit wird durch den Einsatz von Haftvermittlern erhöht. Bewährt haben sich Chemikalien auf der Basis von Formaldehyd-Resorcin-Latex (RFL). Sie werden als sogenannte Dips auf die Fasern aufgebracht und sorgen dafür, dass sich deren Haftung an der Matrix aus Kautschuk deutlich verbessert. RFL ist als Haftvermittler etabliert, hat aber einen bedeutenden Nachteil: Formaldehyd ist seit 2014 von der EU als nachweislich cancerogen und mutagen eingestuft. Die chemische Industrie ist daher auf der dringenden Suche nach gesundheitlich unbedenklichen Alternativen.

Die DITF haben ein neues, formaldehydfreies Beschichtungssystem entwickelt. Es basiert auf dem aus Holz gewinnbaren Stoff Hydroxymethylfurfural (HMF). HMF bildet sich bei der thermischen Zersetzung von Kohlenhydraten. Es kommt in vielen mit Hitze behandelten Lebensmitteln wie Milch, Kaffee oder Fruchtsäften vor und gilt nach derzeitigem wissenschaftlichem Kenntnisstand als gesundheitlich unproblematisch.
Die an den DITF entwickelten HMF-Dips sind auch aus technischer Sicht vielversprechend: Bei Garnen aus Polyamid 6.6 reicht eine einfache Imprägnierung aus, um die gewünschte Haftverbesserung zu erzielen. Garne aus Polyester oder Aramid bedürfen einer zusätzlichen vorhergehenden Plasmabehandlung oder einer Sol-Gel-Ausrüstung, um die notwendige Haftverbesserung zu erreichen. Das Aufbringen des HMF-Dips ist unter den gleichen Bedingungen und mit derselben Technologie möglich, die auch für die RFL-Dips verwendet wird. An dieser Stelle sind also keine zusätzlichen Investitionen nötig, um den Haftvermittler in der Produktion auszutauschen.

Die bereits aufgezeigten Vorteile sollen ausgebaut werden. Der Ersatz des Resorcins in der Dip-Formulierung ist das nächste Forschungsziel. Denn auch Resorcin hat eine humantoxische Wirkung. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern untersucht man derzeit, inwieweit Resorcin durch Lignin ersetzbar ist. Das Besondere an dem verwendeten Lignin ist, dass es aus einjährigen Pflanzen gewonnen wird. Damit ist es, im Gegensatz zum häufig verwendeten Holzlignin, chemisch wesentlich aktiver und bietet mehr Potential für die weitere Verarbeitung zu einem technisch vorteilhaften Haftvermittler.
Beide Ansätze, Chemikalien in Haftvermittlern durch gesundheitlich unbedenkliche Stoffe auszutauschen, tragen durchweg den Gedanken des nachhaltigen Wirtschaftens: Die neuen Haftvermittler aus HMF und Lignin basieren auf natürlichen Rohstoffen. Die Problemlösung innerhalb einer anspruchsvollen, technischen Anwendung unter Einhaltung von Nachhaltigkeitsaspekten spiegelt die Verpflichtungen der Forschung gegenüber den gesellschaftlichen Vorgaben wider. Für die klein- und mittelständische Industrie bieten die Forschungsergebnisse Grundlage für Innovationen und damit einen echten Vorteil im internationalen Wettbewerb.

Sie ist in fast jedem Schrank: Funktionskleidung – ob als Shirt zum Joggen oder als Jacke zum Wandern. Spezielle Beschichtungen der Textilien sorgen für trockene Haut, indem sie Regen nicht durchdringen lassen und Schweiß nach außen leiten. Forschungsteams der Hochschule Niederrhein und des DWI – Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien aus Aachen arbeiten gemeinsam an einer neuen Art umweltfreundlicher Funktionskleidung.
 
Die üblicherweise verwendeten Materialien, sogenannte halbdurchlässige Membranen, sind weder umweltverträglich noch recyclingfähig. Durch diese dünnen Trennschichten wird Kleidung mit verschiedenen Funktionen ausgestattet, beispielsweise Nässeschutz, Atmungsaktivität und eine natürliche Temperaturregulierung. Die Membranen finden Anwendung im Sport-, Outdoor- und Workwear-Segment, aber auch in Heimtextilien (etwa Matratzenschutz), Schuhen und technischen Textilien aus dem Medizinbereich.
 
Ziel des Projekts ist es, eine Membran zu entwickeln, die sich bei körperlicher Betätigung speziell auf ihren Träger einstellt. Die Lösung, an der die Partner arbeiten, ist eine neue Barrieremembran aus sogenannten thermoplastischen Elastomeren. In die Membran sind Mikrogele eingebaut - kleine Partikel, die Wasser aufnehmen, wieder abgeben können und biokompatibel sind. Durch Kombination eines Trägermaterials mit Mikrogelen soll eine umweltfreundliche, pflegeleichte semipermeable Barriere mit hoher Funktionalität entwickelt werden. Zusätzlich werden spezielle Verfahren zur Beschichtung von Textilien mit diesen Membranen angewandt, die ein verbessertes Recycling der Kleidung ermöglichen und ebenfalls auf den Einsatz umweltbelastender Substanzen verzichten.
 
Um dieses Ziel zu erreichen, bündeln die Forscherteams ihre Kompetenzen aus den Bereichen Polymerchemie und Textiltechnik. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen daran, die Mikrogel-basierten Membranen mittels 3D-Druck als digitale Beschichtungsmethode nur an bestimmten Stellen eines Kleidungsstücks.
 
Von der Forschung profitieren sollen insbesondere Betriebe aus der verarbeitenden Industrie, darunter viele kleine und mittelständische Unternehmen aus dem Bereich der Sport-, Funktions- und Arbeitsbekleidung sowie der Medizin-Textilien. Das Forschungsvorhaben wird von einem Projektausschuss begleitet, in dem verschiedene Unternehmen und Partner entlang der Produktionskette des Rohstoffs bis zur Materialverwertung vertreten sind.  Das Projekt läuft über zwei Jahre und hat ein Gesamtvolumen von rund 500.000 Euro.

Um die Nachhaltigkeit einer Textilbeschichtung zu beurteilen, muss der komplette Produktzyklus betrachtet werden: Herkunft der Rohstoffe, Produktion und Anwendung. Genauso wichtig ist jedoch zu berücksichtigen, was nach dem Gebrauchsende passiert. Hier ist es ein großer Vorteil, wenn Substanzen am Ende des Produktlebenszyklus durch Mikroorganismen biologisch abgebaut werden können. Covestro bietet mit Impranil® DLN-SD eine wässrige Polyurethan (PU)-Dispersion an, aus der sich bioabbaubare Textilbeschichtungen ⁽¹⁾ herstellen lassen.

„Rohstoffe von Covestro ermöglichen bioabbaubare Beschichtungen, aber auch Verbundwerkstofflösungen“, sagt Dr. Torsten Pohl, globaler Leiter Textilbeschichtung bei Covestro. „Damit leisten sie einen Beitrag zu einer modernen Kreislaufwirtschaft.“ Wie Tests zeigen, wird unter den speziellen Bedingungen des OECD-Standards 301 mehr als die Hälfte der PU-Dispersion innerhalb von 28 Tagen abgebaut. Damit ist die Abbaurate deutlich größer als die von Polyacrylaten und anderen Filmbildnern. Covestro stellt die Testergebnisse auf der European Coatings Show 2019 vom 19. bis 21. März in Nürnberg vor.

Textilbeschichtungen, die auf Impranil® DLN-SD beruhen, fühlen sich angenehm weich und trocken an; darüber hinaus sind sie abrieb- und waschbeständig und sehr flexibel. Die Dispersion ist ferner ein guter Filmbildner und zeigt eine gute Kompatibilität mit Nitrilkautschuk (Nitrile Butadiene Rubber, NBR). Sie ist deshalb auch in anderen Produktanwendungen einsetzbar, zum Beispiel in Latexhandschuhen und Verpackungen.

Da es sich bei Impranil® DLN-SD um eine aliphatische PU-Dispersion handelt, lassen sich mit ihr sehr lichtbeständige Beschichtungen formulieren. Die Dispersion kann im Haftstrich, im Zwischenstrich und im Deckstrich eingesetzt werden. Biologisch abbaubare Beschichtungen auf Basis von Impranil® DLN-SD kommen dem Trend nach umweltverträglichen und über den ganzen Zyklus nachhaltigen Produkten entgegen.

⁽¹⁾ Nach ersten internen Tests an reinen Polymerfilmen ohne Zusatz von Additiven, Vernetzern und Pigmenten.