Forschungspublikationen

Einleitung:

Kletterseile zählen zu den sicherheitskritischsten Ausrüstungsgegenständen im Bergsport und unterliegen strengen Regulierungen und müssen höchsten Sicherheitsstandards entsprechen, besonders hinsichtlich der dynamischen Leistung. [DIN EN 892] Zur Erfüllung dieser Anforderungen werden nahezu ausschließlich Seile aus Polyamid 6 (PA6) verwendet, da dieses Polymer aufgrund seiner molekularen Struktur Sturzenergie über große reversible Dehnungen aufnehmen und dissipieren kann und zugleich eine hohe Scheuerfestigkeit aufweist [McL06] Die industrielle Erzeugung von PA 6 aus fossilen Rohstoffen ist jedoch energieintensiv und mit einem hohen Ressourcenverbrauch sowie relevanten CO₂-Emissionen verbunden. Dadurch ist die Herstellung von PA 6 als primärem Rohstoff für ca. 50 % des Treibhauspotenzials eines Seilprodukts verantwortlich. [BRS21] Angesichts zunehmender regulatorischer und ökologischer Anforderungen rückt die Rückführung gebrauchter Seilprodukte in den Fokus. Konzepte zur stofflichen Wiederverwertung technischer Textilien eröffnen die Möglichkeit, Materialströme zu schließen, Primärrohstoffe zu substituieren und die Umweltwirkungen über den gesamten Produktlebensweg hinweg zu reduzieren.

Das Recycling von gebrauchten Kletterseilen stellt besondere Anforderungen, da neben nutzungsbedingten Verunreinigungen auch material- und prozessbedingte Bestandteile aus der Herstellung berücksichtigt werden müssen. Dazu zählen unter anderem Farbstoffe und Beschichtungen, die im Zuge nachgelagerter Prozessschritte appliziert werden und im Recyclingprozess als Störstoffe auftreten können. Zusätzlich werden die Polymerketten der Kletterseile bei intensiver Nutzung im Outdoor-Bereich, insbesondere durch UV-Strahlung, geschädigt und teilweise abgebaut, was zu einer Materialdegradation führt. Um ein hochwertiges Regranulat zu erzeugen, ist eine umfassende Analyse des Materials daher essenziell. Mithilfe dieser Analysen werden vorhandene Verunreinigungen sowie der Zustand der Polymerketten untersucht. Auf dieser Grundlage können gezielte Maßnahmen zur Reinigung, Entfernung von Störstoffen und zur Wiederherstellung bzw. Verlängerung der Polymerketten eingeleitet werden.

Problemlösung:

Im Projekt RecyKlett wird ein Ansatz zur Wiederverwertung gebrauchter Kletterseile aus PA6 verfolgt. Ziel ist es, ausgediente Seile so aufzubereiten, dass sie erneut als Rohstoff für die Herstellung hochwertiger Garne eingesetzt und anschließend zu dynamischen Kletterseilen weiterverarbeitet werden können. Zu Beginn werden gebrauchte Kletterseile untersucht, um material- und prozessrelevante Veränderungen durch Nutzung und Alterung zu erfassen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse entwickelt Hoffmann und Voss geeignete Aufbereitungsverfahren zur Herstellung eines schmelzspinnfähigen Regranulats. Die gewonnenen Materialien werden anschließend am ITA zu technischen Filamentgarnen verarbeitet, wobei ein besonderer Fokus auf der Auslegung profilierter Filamente liegt, deren gezielt gestaltete Querschnittsgeometrie dazu dient, mögliche materialbedingte Eigenschaftsverluste auszugleichen und mechanische sowie tribologische Anforderungen für den Einsatz in Kletterseilen sicherzustellen. Parallel dazu werden bei EDELRID angepasste Seilkonstruktionen und Verarbeitungsstrategien untersucht, um profilierte und funktionalisierte Recyclinggarne schädigungsfrei in komplexe dynamische Seilstrukturen zu integrieren und deren Leistungsfähigkeit im Gesamtsystem sicherzustellen. Die Projektübersicht ist in Abbildung 1 dargestellt.

s. Abbildung 1 "Prozesskette zum thermomechanischen Recycling von Kletterseilen"

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für die Förderung des Forschungsprojektes RecyKlett im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM).

Literatur:

[BRS21] Bradford, S.; Rupf, R.; Stucki, M.: Climbing ropes – Environmental hotspots in their life cycle and potentials for optimization. - Sustainability, 2021, Band 13, H. 2, S. 707

[DIN EN 892] DIN EN 892: Bergsteigerausrüstung – Dynamische Bergseile – Sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfverfahren

[McL06] McLaren, A. J.: Design and performance of ropes for climbing and sailing. - Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 2006, Band 220, H. 1, S. 1-12

Einleitung

Die weltweite jährliche Chemiefaserproduktion wächst stetig und wird 2030 voraussichtlich 100 Mio. t überschreiten. Der Polyester (PES) Polyethylenterephthalat (PET) ist mit 80 % Marktanteil das meistgenutzte Polymer. Alleine die weltweite Kleidungsproduktion wurde zwischen 2000 und 2015 fast verdoppelt. Mittlerweile werden mehr als 80 % aller produzierten Fasern für Kleidung eingesetzt. Von weltweit produziertem PET werden 30 bis 60 % in Kleidung eingesetzt, also ca. 18 bis 36 Mio. t. So ist PET das meistgenutzte Material für Kleidung (Stand 2021). Die Textilindustrie steht somit vor enormen ökologischen Herausforderungen, insbesondere aufgrund des hohen Anteils an fossilen Rohstoffen in der Textilproduktion. Fossile Polyester machen etwa 52 % des Marktes aus und haben erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt und den Ressourcenverbrauch. Kunstfasern in Bekleidung werden zum Großteil aus diesen fossilen Polyestern mit Hauptbestandteil Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt, welches jedoch noch nicht zu 100 % biobasiert hergestellt wird. Kleidung aus 100 % Biopolymeren wird bisher nur in Studien und Leuchtturmprojekten gezeigt, da diese zu teuer für den Massenmarkt und nicht in ausreichender Menge vorhanden sind. Das Projekt bioPEtex verfolgt das Ziel, 100 % biobasiertes Polyethylen (BioPE) im Bekleidungsmarkt zu etablieren. Aus dem großvolumig vorhandenen thermoplastischen Drop-In-Polymer wird sortenreine und thermomechanisch recycelbare Kleidung hergestellt. Dazu muss das Defizit gelöst werden, dass PE nicht für die Endlosfaserherstellung produziert wird und es keine dafür ausgewiesenen Typen sowie keine auf das Polymer ausgelegte, textiltechnische Anlagetechnik gibt. Aufgrund von Vorarbeiten am Institut für Textiltechnik, dem aktuellen Projektstand und Alberghini et al. ist abzusehen, dass das Projekt erfolgreich sein wird. Die Expertise des Konsortiums ist für die schnelle Umsetzung bestens geeignet. [Tex22; AHL+21; SB20]

Material und Methoden

Im Rahmen des Projekts werden kommerziell verfügbare biobasierte Polyethylene ausgewählt, beschafft und modifiziert (vgl. Abbildung 1).

Anschließend werden spinnbare Compounds aus BioPE entwickelt. Für die nachfolgende Spinnfärbung im Schmelzspinnprozess werden durch den Industriepartner TECNARO GmbH, Ilsfeld, Farbmasterbatches mit biobasierten Farbpigmenten entwickelt, um eine nachhaltige Alternative zur konventionellen Färbung mit Farbstoffen zu realisieren. Zudem ist die konventionelle Anfärbung von PE herausfordernd [BBO+13]. Aus diesen BioPE-Compounds werden über Schmelzspinn- und Texturierprozesse im semi-industriellen Maßstab verschiedene texturierte Multifilamentgarne mit bis zu 100 Filamenten entwickelt, sodass ein biobasiertes T-Shirt konfektioniert werden kann. Bisher wird PE in der Industrie lediglich für Stapelfasern, hochverstreckte Fasern für technische Anwendungen oder für Carbonfasern eingesetzt – jedoch noch nicht als Garn in der Bekleidung [Fou99; Pei18; Wor17]. Zusätzlich zur Elastizität durch die Maschen im Gestrick werden innovative, vorwettbewerbliche, nachhaltige Textilausrüstungen getestet und weiterentwickelt.

Ergebnisse

Die ersten Ergebnisse zeigen vielversprechende Fortschritte bei der Verarbeitung von BioPE in spinngefärbten Garnen mit geeigneten Eigenschaften für textile Anwendungen. BioPE kann in stabilen Schmelzspinnprozessen zu Multifilamentgarnen verarbeitet werden. Die Prozessentwicklung mit gefärbten BioPE-Compounds wird zurzeit durchgeführt (vgl. Abbildung 2).

Die resultierenden teilverstreckten Garne (engl. Partially-Oriented Yarn, POY) mit aktuell 96 Filamenten und einem Einzelfilamenttiter von ca. 1 dtex weisen geeignete Eigenschaften für die anschließende Falschdrahttexturierung auf (vgl. Abbildung 3). Produktionsgeschwindigkeiten beim Schmelzspinnen befinden sich zurzeit im industriellen Bereich (2.500 m/min). In einem nächsten Schritt werden Garne mit 30 Filamenten mit höher Einzelfilamenttiter ausgesponnen, um dem resultierenden Textil in Kombination mit den feinen Garnen mehr Stabilität zu verleihen.

Zugfestigkeiten von ca. 20 cN/tex werden bisher erreicht und die angestrebten, von PET-POY abgeleiteten Zielwerte somit bereits erfüllt. Die Falschdrahttexturierung im Labor- (ITA) sowie im semi-industriellen Maßstab (BB Engineering GmbH, Remscheid) ist ebenfalls erfolgreich. Die mechanischen Garnkennwerte der texturierten Garne (engl. Draw-Textured Yarn, DTY) werden somit verbessert und das Garnvolumen sowie das Wärmerückhaltevermögen erhöht (vgl. Abbildung 4). In der Abbildung ist bei der Nahaufnahme des DTY zu sehen, dass im Labormaßstab keine Tangelung eingebracht wurde und der Garnzusammenhalt somit noch nicht ideal ist. Das DTY aus dem Labormaßstab lässt sich jedoch bereits ohne Probleme zu einem Gestrick verarbeiten. Im semi-industriellen Maßstab werden diese Defizite zudem behoben.

Mit dem resultierenden naturfaserähnlichen, kühlen Griff ist der Einsatz im Textil nun möglich. Erste Strickversuche mit dem Labor-DTY sind beim Industriepartner FALKE KGaA, Schmallenberg, erfolgreich und bestätigen erneut das kühlende Gefühl bei Berührung des Textils. Weitere Garne werden entwickelt, damit als nächster Schritt das T-Shirt für Sportanwendungen mit aus semi-industriellen Garnen produziert und als Demonstrator validiert werden kann. Die Entwicklung der biobasierten elastischen Ausrüstung erfolgt zurzeit ebenfalls.

Zusammenfassung

Das Projekt bioPEtex stellt einen innovativen Ansatz dar, um nachhaltige Bekleidung aus biobasierten Materialien herzustellen. Durch gezielte Forschung und Entwicklung sollen sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile realisiert werden. Die erzielten Ergebnisse könnten dazu beitragen, den ökologischen Fußabdruck der Textilindustrie erheblich zu verringern und neue Standards für Recyclingfähigkeit in der Modebranche zu setzen. Bisher sind die Entwicklungen mit biobasierten PE-Compounds erfolgreich und glatte teilverstreckte sowie texturierte Garne können im semi-industriellen Maßstab produziert und zu einem kühlenden Gestrick verarbeitet werden. Die Validierung als Demonstrator in Form eines seamless gestrickten, biobasierten T-Shirts mit elastischer biobasierter Ausrüstung steht im weiteren Projektverlauf noch aus.

Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) für die Förderung des Innovationsraums BIOTEXFUTURE und des Forschungsprojekts bioPEtex (FKZ: 031B1496). Zudem möchten wir allen Beteiligten in diesem Projekt für ihre Beiträge und ihr Engagement danken.

Literaturverzeichnis

1. [AHL+21] Alberghini, M.; Hong, S.; Lozano, L. M.; Korolovych, V.; Huang, Y.; Signorato, F.; Zandavi, S. H.; Fucetola, C.; Uluturk, I.; Tolstorukov, M. Y.; Chen, G.; Asinari, P.; Osgood, R. M.; Fasano, M.; Boriskina, S. V.:
   Sustainable polyethylene fabrics with engineered moisture transport for passive cooling
   Nature Sustainability 4 (2021), H. 8, S. 715–724

   [BBO+13] Baur, E.; Brinkmann, S.; Osswald, T. A.; Rudolph, N.; Schmachtenberg, E.; Saechtling, H.:
   Saechtling Kunststoff Taschenbuch. 31. Ausgabe, [komplett überarb., aktualisiert und zum ersten Mal in Farbe]Aufl..- München: Hanser, 2013

   [Fou99] Fourné, F.:
   Synthetic Fibers. Hanser, München, 1999

   [Pei18] Peijs, T.:
   1.5 High Performance Polyethylene Fibers:
   Comprehensive Composite Materials II: Elsevier, 2018, S. 86–126

   [SB20] Siracusa, V.; Blanco, I.:
   Bio-Polyethylene (Bio-PE), Bio-Polypropylene (Bio-PP) and Bio-Poly(ethylene terephthalate) (Bio-PET): Recent Developments in Bio-Based Polymers Analogous to Petroleum-Derived Ones for Packaging and Engineering Applications
   Polymers 12 (2020), H. 8

   [Tex22] Textile Exchange:
   Preferred Fiber and Materials Market Report 2022
   Burbank, California: 10/2022

   [Wor17] Wortberg, G.:
   Entwicklung polyethylenbasierter Precursoren für die thermochemische Stabilisierung zur Carbonfaserherstellung. Shaker Verlag, Dissertation,