Forschungspublikationen

Introduction

The global annual man-made fibre production is growing steadily and is expected to exceed 100 million tonnes by 2030. Polyethylene terephthalate (PET) from the polyester (PES) family is the most widely used polymer, with an 80 % market share. Global clothing production alone almost doubled between 2000 and 2015. More than 80 % of all fibres produced are now used for clothing. Between 30 and 60 % of PET produced worldwide is used in clothing, i.e. approx. 18 to 36 million tonnes. This makes PET the most widely used material for clothing (as of 2021). The textile industry therefore faces enormous ecological challenges, particularly due to the high proportion of fossil raw materials used in textile production. Fossil-based polyesters account for around 52 % of the market and have a significant negative impact on the environment and resource consumption. Synthetic fibres in clothing are largely made from these fossil-based polyesters, the main component of which is PET, which is not yet 100 % bio-based. Clothing made from 100 % biopolymers has so far only been shown in studies and flagship projects, as it is too expensive for the mass market and not available in sufficient quantities. The bioPEtex project aims to establish 100 % bio-based polyethylene (bioPE) in the clothing market. The large-volume thermoplastic drop-in polymer is used to produce mono material, thermomechanically recyclable clothing. To achieve this, the challenge that PE is not produced for continuous fibre production and that there are no designated types for this purpose and no textile plant technology designed for the polymer must be solved. Based on preliminary work at the Institute für Textiltechnik (ITA), the current project status and Alberghini et al., it is foreseeable that the project will be successful. The consortium's expertise is ideally suited for rapid implementation. [Tex22; AHL+21; SB20Materials and Methods

In the scope of this project, commercially available bio-based polyethylenes are selected, procured and modified (see Figure 1).

Spinnable compounds made from BioPE are then developed. For subsequent spin dyeing in the melt spinning process, colour masterbatches with bio-based colour pigments are developed by our industry partner TECNARO GmbH, Ilsfeld, Germany, in order to realise a sustainable alternative to conventional dyeing with dyes. In addition, conventional dyeing of PE is challenging [BBO+13]. Various textured multifilament yarns with up to 100 filaments are developed from these bioPE compounds using melt spinning and texturing processes on a semi-industrial scale, so that a bio-based T-shirt can be manufactured. Until now, PE has only been used in the industry for staple fibres, highly drawn fibres for technical applications or for carbon fibres – but not yet as yarn in clothing [Fou99; Pei18; Wor17]. In addition to the elasticity provided by the meshes in the knitted fabric, innovative, pre-competitive, sustainable textile finishes are being tested and further developed.

Results

Initial results show promising progress in the processing of bioPE into spun-dyed yarns with suitable properties for textile applications. BioPE can be processed into multifilament yarns in stable melt spinning processes. Process development with dyed bioPE compounds is currently underway (see Figure 2).

The resulting partially oriented yarns (POY) with currently 96 filaments and a single filament titre of approx. 1 dtex have suitable properties for subsequent false-twist texturing (see Figure 3). Production speeds for melt spinning are currently in the industrial range (2,500 m/min). In a next step, yarns with 30 filaments and a higher single filament titre will be spun in order to give the resulting textile more stability in combination with the fine yarns.

Tensile strengths of approx. 20 cN/tex have been achieved to date, thus already meeting the target values derived from PET-POY. False-twist texturing on a laboratory scale (ITA) and on a semi-industrial scale (BB Engineering GmbH, Remscheid, Germany) has also been successful. The mechanical properties of the textured yarns (draw-textured yarn, DTY) are thus improved and the yarn volume and heat retention capacity are increased (see Figure 4). The close-up image of the DTY below shows that no tangling was introduced on a laboratory scale and that the yarn cohesion is therefore not yet ideal. However, the DTY can already be processed into a knitted fabric without any problems. These shortcomings are also remedied on a semi-industrial scale.

The resulting natural fibre-like, cool feel now makes it possible to use the yarn in textiles. Initial knitting trials with the lab-scale DTY have been successful at our industrial partner FALKE KGaA in Schmallenberg, Germany, once again confirming the cooling sensation when the textile is touched. Further yarns are being developed so that the next step can be to produce a T-shirt for sports applications using semi-industrial yarns and validate it as a demonstrator. The development of the bio-based elastic finish is also currently underway.

Summary

The bioPEtex project represents an innovative approach to producing sustainable clothing from bio-based materials. Targeted research and development aims to achieve both ecological and economic benefits. The results achieved could contribute to significantly reducing the ecological footprint of the textile industry and setting new standards for recyclability in the fashion industry. So far, developments with bio-based PE compounds have been successful, and smooth, partially oriented as well as textured yarns can be produced on a semi-industrial scale and processed into a cooling knit fabric. Validation as a demonstrator in the form of a seamless, bio-based T-shirt with elastic bio-based finishing is still pending in the further course of the project.

Acknowledgement

We thank the Federal Ministry of Research, Technology and Space for funding the Innovation Space BIOTEXFUTURE and the research project bioPEtex (031B1496). Furthermore, we would also like to thank everyone involved in this project for their contributions and commitment.

Bibliography

[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,

 

Einleitung

Der Wald spielt in vielen Funktionen eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung der Klimakrise. Ein gesunder und resilienter Wald ist somit von höchster Wichtigkeit für die Zukunft. Starke Dürren zwischen 2018 und 2020 haben den Wald unter enormen Stress gestellt. Wassermangel und Hitzehaben die Bäume geschwächt und anfällig für Schädlinge wie den Borkenkäfer gemacht. Vor allem der Kronenzustand von Fichtenwäldern ist dabei stark betroffen. Der Borkenkäfer ist aktuell der größte Schädling in deutschen Wäldern. Er befällt hauptsächlich Fichten, welche mit 25 % die weitverbreitetste Baumart in Deutschland ist [Joh19a]. Borkenkäfer sind in der Lage großflächig geschwächte, aber auch gesunde Bäume absterben zu lassen und stellen somit ein großes Problem für den Wald dar [Nor15].

Bisherige Methoden zum Schutz der Bäume zielen darauf ab, die Borkenkäferdichte in einer Region allgemein zu senken. Übliche passive Vorgehensweisen sind, dem Käfer das Brutmaterial zu entziehen oder befallenes Holz schnellstmöglich zu entfernen. Mit Fallen können Käfer auch gezielt zu eliminiert werden, wobei Insektizide zum Einsatz kommen. Der Einsatz von chemischen Mitteln im Wald ist immer mit Vorsicht zu behandeln und sollte nur als Ultima Ratio eingesetzt werden, da er ungeplant auf andere, nützliche Tierarten Einfluss haben kann [HS12].

Im Rahmen  des  Projekts „HolzSchutzTex“  wird  ein  Gewebe  aus funktionalisierten Monofilamenten untersucht. In der Praxis soll es auf geschlagenes Holz gelegt werden und dieses vor Borkenkäfern schützen. Dies verhindert einerseits einen wirtschaftlichen Schaden. Dieser entsteht, wenn Borkenkäfer Holzpolter angreifen und somit wirtschaftlich nutzbares Holz unbrauchbar machen. Andererseits kann dem Borkenkäfer so Brutmaterial entzogen werden, wodurch es die Käfer insgesamt schwerer haben, sich auszubreiten. Die mechanische Barriere durch das Gewebe und für Käfer abstoßende Geruchsstoffe sollen die gewünschte Wirkung erbringen, ohne andere Käferarten zu gefährden.

Materialien

Die Monofilamente für das Projekt „HolzSchutzTex“ werden aus einem Polymer-Geruchsstoff-Compound hergestellt. Das verwendete Polymer, Lumicene Supertough 40ST05, ist ein metallocen-katalysiertes Ethylencopolymer. Lumicene Supertough ist der Handelsname eines speziellen Kunststoffes aus der Kunststoff Gruppe der Polyethylene der Firma TOTAL RESEARCH & TECHNOLOGY FELUY, in Belgien [TOT19]. Neemöl und „Termite Repellent Film“ (TRF) wurden als Geruchsstoffe verwendet.

TRF erhält seinen termitenabweisenden Effekt durch seine Inhaltsstoffe Lavendelöl, Pfefferminzöl und Citronellal.  Diese sind Biozid-Stoffe und jeweils mit einer Konzentration von weniger als 0,5 m% im Masterbatch gelöst. TRF ist farblos und riecht durch den Zusatzstoff Citronellal leicht nach Zitrone [FBW21].Bei Neemöl handelt es sich um ein Extrakt aus Samen und Rinde des Neem-Baumes. Es ist ein durchsichtiges, bei Raumtemperatur zähflüssiges Öl [COP+16]. In Neemöl sind mindestens 100 biologisch aktive Stoffe vorhanden, von denen Azadirachtin der Wichtigste ist. Seine repellente Wirkung gegen Kupferstecher wurde bereits 1990 erforscht [WS90]. Die Schmelztemperaturen liegen bei 120°C und 160°C, wodurch sich beide Stoffe in herkömmlichen Extrudern mit dem Polymer gemischt und zu einem Film oder Filament ausgearbeitet werden können. Die Geruchsstoffe und das Polymer werden durch die Firma FBW GmbH zu einem Compounds mit jeweils 2 m% und 5 M% verarbeitet.

Herstellungsmethodik

Es werden jeweils Gewebe mit 25 und 30 Schuss/10 cm für die Compounds TRF-5 M%-2022, Neemöl-5 M%-2022 und aus reinem Lumicene Supertough 40ST05 hergestellt. Die mit dem Geruchsstoff versetzten Monofilamente werden in den Geweben nur als Schussfaden eingetragen. Die Kettfäden werden wegen des hohen Umrüstaufwands und den damit verbundenen Kosten als Standardfilament ausgeführt. Die Kettfäden sind im Gewebe schwarz und grün eingefärbt.

Käferversuche

Die Wirksamkeit der Gewebe gegen Borkenkäfer wurde an Versuchen im Wald erprobt. Dafür wurden Fallen mit den verschiedenen Geweben bestückt und die gefangenen Käfer ermittelt. Bei den Fallen handelt es sich um Schlitzfallen der Firma WITASEK aus Feldkirchen in Kärnten und der Firma THEYSON aus Salzgitter. Diese sind circa 50 cm x 60 cm große schwarze Boxen mit Schlitzen an Vorder- und Rückseite und Auffangbehälter im Inneren (Abbildung 1).

Bei Schlitzfallen handelt es sich um Prallfallen: Die Käfer werden durch das Pheromon TYPOSAN P306 angelockt, fliegen gegen die Falle, prallen davon ab und fallen durch die nach oben geöffneten Schlitze durch einen Trichter in den Auffangbehälter. Es wurden 14 Fallen auf einer ca. 45.000 m² abgeholzten Fläche aufgestellt. Um den Einfluss der Geruchsadditive zwischen Fallen zu minimieren haben sie einen Abstand von mindestens 40 m. Der Mindestabstand zu umgebenden Bäumen beträgt 20 m.

Abbildung 1: Bild einer Schlitzfalle (s. PDF)

Die Anordnung der Fallen ist in Abbildung 2 zu sehen. Die Fallen werden so aufgestellt, dass sie die gleiche Orientierung aufweisen und in Hauptwindrichtung ausgerichtet sind.

Abbildung 2: Anordnung der Schlitzfallen auf der Fläche (s. PDF)

Dadurch kann eine möglichst ähnliche Geruchsausbreitung sichergestellt werden. Gewebe mit und ohne die verschiedenen Additive wurden von außen und innen an Fallen angebracht. Zusätzlich wurde eine Referenzfalle ohne Gewebe getestet. So gab es 8 verschiedene Ausstattungen. Alle 3 Tage wurden die Fallen geleert und die Standorte rotiert, um den Einfluss des Standortes zu minimieren. Bei jeder Leerung wird die Anzahl der gefangenen Käfer erfasst. Die Versuche werden über drei Wochen vom 02.08.2022 bis zum 23.08.2022 durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Vor Auswertung der Ergebnisse ist es sinnvoll mögliche Ergebnisse zu betrachten. Bei einer nachweisbaren Wirkung des Geruchstoffes ist zu erwarten, dass in der Referenzfalle (Falle 14) am meisten Käfer gefangen werden. Diese besitzt weder eine geruchliche noch eine mechanische Schutzwirkung, sodass Käfer ungehindert in die Falle fliegen können. Die Fallen 1 bis 4 sind mit einem geruchsstofffreien Gewebe ausgestattet. Es ist zu erwarten, dass durch die mechanische Barrierewirkung weniger Käfer als in Falle 14 gefangen werden. Am wenigsten Käfer sollten in den Fallen gefangen werden, die mit den geruchsstoffversetzten Geweben ausgerüstet sind (Fallen 5 bis 12). Hier lässt sich keine Vorhersage treffen, ob der Geruchsstoff TRF oder Neemöl eine stärkere repellente Wirkung aufweist. Die aufsummierten Anzahlen der gefangenen Käfer pro Falle sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Kumulierte Käferanzahl pro Falle über den gesamten Zeitraum (s. PDF)

Insgesamt werden 2014 Käfer gefangen. In den Daten ist kein Zusammenhang zwischen gefangenen Käfern und Art des Gewebes zu erkennen. In Falle 5 werden am meisten Käfer gefangen. Diese Falle ist mit dem Gewebe TRF- 5 M%-2022 bestückt. Die Falle 12 hat 204 Käfer gefangen. Das Gewebe dieser Falle ist mit Neemöl-5 M%-2022 versetzt. Bei den Fallen mit Geruchsstoff ist allerdings ein umgekehrter Zusammenhang zu erwarten. Beiden Geruchsstoffen ist damit keine direkte repellente Wirkung zuzuordnen.

In Abbildung 4 ist die kumulierte Käferanzahl der Gewebearten ohne Additiv, TRF-Geruchsstoff und Neemöl dargestellt. Für diesen Vergleichswert werden die gesamten Fallenfangzahlen der Gewebearten aufsummiert. Es ist zu erkennen, dass alle Gewebearten nahezu gleich viele Käfer gefangen haben. Wird die Anzahl der gefangenen Käfer der jeweiligen Gewebearten auf die Gesamtkäferanzahl bezogen, so ergibt sich für jede Gewebeart ein Anteil von 29 %. Eigentlich zu erwarten ist, dass die Gewebe ohne Additiv deutlich mehr Käfer fangen.

Abbildung 4: Kumulierte Käferanzahl nach Gewebeart (s. PDF)

Dass bei den Versuchen keine Wirksamkeit der Geruchsstoffe festgestellt wird, bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Geruchsstoffe keine repellente Wirkung gegen Borkenkäfer aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Geruchsadditive im Gewebe zu schwach sind. Genauso ist es möglich, dass das verwendete Pheromon in der Falle zu stark war und die Geruchsstoffe aus den Geweben überlagert hat. In diesem Fall wären alle Fallen gleich attraktiv für die Borkenkäfer. Bei Betrachtung der unterschiedlichen Anbringungsarten des Gewebes lässt sich feststellen, dass Fallen mit außen installiertem Gewebe weniger Käfer fangen als Fallen, bei denen das Gewebe innen angebracht wurde. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 5 zu sehen.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen des Projekts „HolzSchutzTex“ wurden Monofilamente mit Geruchsadditiv zur Vergrämung von Borkenkäfern zu Geweben hergestellt. Diese sollen bereits geschlagenes Holz vor einem Borkenkäferbefall schützen. Zur Wirksamkeitsanalyse der fertigen Gewebe werden diese im Rahmen einer Versuchsreihe mit Borkenkäferschlitzfallen untersucht. Diese Versuchsreihe wird auf einer Lichtung neben einem Fichtenwald durchgeführt. Dabei werden die Fallen mit unterschiedlichen Geweben verschiedener Additive und Eigenschaften bestückt.

Um sicherzustellen, dass die Messwerte nicht durch die verschiedenen Standorte der Fallen beeinflusst werden, werden diese in gleichen Intervallen rotiert. In den Versuchen werden insgesamt 2014 Borken-käfern gefangen, wobei sich jeweils 29 % in Fallen mit 5 % TRF, 5 % Neemöl und ohne Additiv befinden. Die Wirksamkeit der Duftstoffe hinsichtlich der vergrämenden Wirkung konnte nicht abschließend bewertet werden, allerdings kann eine Barrierewirkung des Funktionsgewebes nachgewiesen werden.

Abbildung 5: Mittelwerte der Käferfangzahlen nach Anbringungsart des Gewebes (s. PDF)

 

Quellen
[Bun22] Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft: Ergebnisse der Waldzustandserhebung 2021: März 2022
[FBW21] FBW GmbH: Material Safety Data Sheet – Regulation 1907/2006/EC: 2021, Ausgestellt im Juli 2022
[HS12] Hurling, R.; Stetter, J.: Untersuchungen zur Fangleistung von Schlitzfallen und Fangholzhaufen bei der lokalen Dichteabsenkung von Buchdrucker (Ips typographus)-Populationen, Gesunde Pflanzen Band:64 (2012), H. 2, S. 89–99
[Joh19a] Johann Heinrich von Thünen-Institut: Wald in Deutschland - Wald in Zahlen: 2019
[Nor15] Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt: Integrierte Bekämpfung rindenbrütender Borkenkäfer (2015), https://www.nw-fva.de/fileadmin/nwfva/common/veroeffentlichen/waldschutzpraxis/Waldschutz_PraxisInfo_01_Borkenkaefer_2015-04.pdf, Zugriff am 04.05.2023
[TOT19] TOTAL RESEARCH & TECHNOLOGY FELUY: Lumicene® Supertough 40ST05, https://polymers.totalenergies.com/supertough-40st05, Zugriff am 05.05.2023
185190195200205210215220225230InnenAußenKäferanzahlAnbringungMittelwert