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DITF: Biopolymers from bacteria protect technical textiles Photo: DITF
Charging a doctor blade with molten PHA using a hot-melt gun
23.02.2024

DITF: Biopolymers from bacteria protect technical textiles

Textiles for technical applications often derive their special function via the application of coatings. This way, textiles become, for example wind and water proof or more resistant to abrasion. Usually, petroleum-based substances such as polyacrylates or polyurethanes are used. However, these consume exhaustible resources and the materials can end up in the environment if handled improperly. Therefore, the German Institutes of Textile and Fiber Research Denkendorf (DITF) are researching materials from renewable sources that are recyclable and do not pollute the environment after use. Polymers that can be produced from bacteria are here of particular interest.

Textiles for technical applications often derive their special function via the application of coatings. This way, textiles become, for example wind and water proof or more resistant to abrasion. Usually, petroleum-based substances such as polyacrylates or polyurethanes are used. However, these consume exhaustible resources and the materials can end up in the environment if handled improperly. Therefore, the German Institutes of Textile and Fiber Research Denkendorf (DITF) are researching materials from renewable sources that are recyclable and do not pollute the environment after use. Polymers that can be produced from bacteria are here of particular interest.

These biopolymers have the advantage that they can be produced in anything from small laboratory reactors to large production plants. The most promising biopolymers include polysaccharides, polyamides from amino acids and polyesters such as polylactic acid or polyhydroxyalkanoates (PHAs), all of which are derived from renewable raw materials. PHAs is an umbrella term for a group of biotechnologically produced polyesters. The main difference between these polyesters is the number of carbon atoms in the repeat unit. To date, they have mainly been investigated for medical applications. As PHAs products are increasingly available on the market, coatings made from PHAs may also be increasingly used in technical applications in the future.

The bacteria from which the PHAs are obtained grow with the help of carbohydrates, fats and an increased CO2 concentration and light with suitable wavelength.

The properties of PHA can be adapted by varying the structure of the repeat unit. This makes polyhydroxyalkanoates a particularly interesting class of compounds for technical textile coatings, which has hardly been investigated to date. Due to their water-repellent properties, which stem from their molecular structure, and their stable structure, polyhydroxyalkanoates have great potential for the production of water-repellent, mechanically resilient textiles, such as those in demand in the automotive sector and for outdoor clothing.

The DITF have already carried out successful research work in this area. Coatings on cotton yarns and fabrics made of cotton, polyamide and polyester showed smooth and quite good adhesion. The PHA types for the coating were both procured on the open market and produced by the research partner Fraunhofer IGB. It was shown that the molten polymer can be applied to cotton yarns by extrusion through a coating nozzle. The molten polymer was successfully coated onto fabric using a doctor blade. The length of the molecular side chain of the PHA plays an important role in the properties of the coated textile. Although PHAs with medium-length side chains are better suited to achieving low stiffness and a good textile handle, their wash resistance is low. PHAs with short side chains are suitable for achieving high wash and abrasion resistance, but the textile handle is somewhat stiffer.

The team is currently investigating how the properties of PHAs can be changed in order to achieve the desired resistance and textile properties in equal measure. There are also plans to formulate aqueous formulations for yarn and textile finishing. This will allow much thinner coatings to be applied to textiles than is possible with molten PHAs.

Other DITF research teams are investigating whether PHAs are also suitable for the production of fibers and nonwovens.

Source:

Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung (DITF)

© Fraunhofer UMSICHT
Im Projekt Power2C4 haben die Forschenden u.a. ein neues Katalysatorsystem auf Basis eines synthetischen Saponiten identifiziert und anschließend synthetisiert.
06.06.2023

Nachhaltigere und emissionsärmere Syntheseroute für Polymere

Butadien ist eine wichtige Plattformchemikalie, um Polymere – u.a. für die Produktion von Autoreifen – herzustellen. Bislang wird das Monomer aber meist auf Basis von Erdöl gewonnen. Eine alternative Syntheseroute haben Forschende des Fraunhofer UMSICHT im Rahmen des Projektes Power2C4 untersucht. Im Fokus: ein katalytisches Verfahren unter Einsatz regenerativ erzeugten Stroms.

»Butadien spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Polymeren«, ordnet UMSICHT-Wissenschaftler Marc Greuel ein. Neben Polybutadien, das in Autoreifen Anwendung findet, können Polytetrahydrofuran (PTHF), Polybutylenterephtalat (PBT) und Polybutylensuccinat (PBS) aus dem Monomer erzeugt werden. »Der Haken: Aktuell wird Butadien zu 95 Prozent als Nebenprodukt beim thermischen Zersetzen von Rohbenzin zu Ethen gewonnen – unter Ausstoß von Kohlendioxid. Zudem werden die Preise für Butadien perspektivisch ansteigen, da sich die Rohstoffbasis für Ethen immer mehr in Richtung Schiefergas verschiebt und dadurch die Produktionskapazität für Butadien sinkt.« Das Interesse an einem alternativen Herstellungsprozess ist also nicht nur aus Klimaschutzgründen groß.

Butadien ist eine wichtige Plattformchemikalie, um Polymere – u.a. für die Produktion von Autoreifen – herzustellen. Bislang wird das Monomer aber meist auf Basis von Erdöl gewonnen. Eine alternative Syntheseroute haben Forschende des Fraunhofer UMSICHT im Rahmen des Projektes Power2C4 untersucht. Im Fokus: ein katalytisches Verfahren unter Einsatz regenerativ erzeugten Stroms.

»Butadien spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Polymeren«, ordnet UMSICHT-Wissenschaftler Marc Greuel ein. Neben Polybutadien, das in Autoreifen Anwendung findet, können Polytetrahydrofuran (PTHF), Polybutylenterephtalat (PBT) und Polybutylensuccinat (PBS) aus dem Monomer erzeugt werden. »Der Haken: Aktuell wird Butadien zu 95 Prozent als Nebenprodukt beim thermischen Zersetzen von Rohbenzin zu Ethen gewonnen – unter Ausstoß von Kohlendioxid. Zudem werden die Preise für Butadien perspektivisch ansteigen, da sich die Rohstoffbasis für Ethen immer mehr in Richtung Schiefergas verschiebt und dadurch die Produktionskapazität für Butadien sinkt.« Das Interesse an einem alternativen Herstellungsprozess ist also nicht nur aus Klimaschutzgründen groß.

Die Frage, wie eine nachhaltigere, emissionsärmere und auch günstige Syntheseroute aussehen kann, stand im Zentrum des Projektes Power2C4. Angesiedelt im Kompetenzzentrum »Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme« hat es Expertinnen und Experten des Fraunhofer UMSICHT, des Gas- und Wärme-Instituts Essen e.V., des Energiewirtschaftlichen Instituts an der Universität zu Köln, des Forschungszentrums Jülich, der Ruhr-Universität Bochum, des Wuppertal-Instituts und des ZBT Duisburg zusammengeführt. Ihre Zielsetzung: Flexibilitätsoptionen vor dem Hintergrund der Energiewende zu untersuchen. Im Fokus des Teilprojekts Power2C4 stand ein neues katalytisches Herstellungsverfahren unter Einsatz regenerativ erzeugten Stroms. Ausgangspunkt ist Ethanol, das zum Beispiel im Zuge einer Hydrierungsreaktion aus CO2 und elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff gewonnen wird. Dieses Ethanol dient in einem zweiten Schritt zur Synthese von Butadien mittels des sogenannten Lebedev-Prozesses.

Vielversprechendes Katalysatorsystem identifiziert
Da der erste Schritt bereits Gegenstand zahlreicher Forschungsaktivitäten ist, konzentrierten sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Weiterveredlung des Ethanols zu Butadien und die Verfahrenskopplung beider Schritte. »Wir haben u.a. ein neues Katalysatorsystem auf Basis eines synthetischen Saponiten identifiziert und anschließend synthetisiert«, erklärt Dr. Barbara Zeidler-Fandrich vom Fraunhofer UMSICHT. Die Testung der katalytischen Aktivität erfolgte in einer eigens konstruierten Versuchsanlage. »Aufbauend auf einem ersten Screening haben wir aussichtsreiche Materialien weiter optimiert. Das Ergebnis: Verglichen mit dem unmodifizierten Ausgangsmaterial lässt sich die Butadien-Selektivität im Rahmen der Katalysatoroptimierung deutlich erhöhen. Allerdings ist auch klar geworden, dass noch weiteres Potenzial zur Verbesserung der Katalysatorperformance besteht.«

Nachhaltigkeitsbewertung des Power-to-Butadien-Prozesses
Wie nachhaltig dieser Power-to-Butadien-Prozess wirklich ist, haben Dr. Markus Hiebel und Dr. Daniel Maga vom Fraunhofer UMSICHT in einer Life Cycle Analysis (LCA) untersucht. Beleuchtet haben sie dabei – neben unterschiedlichen Katalysatoren – die Herstellungsmethode von Ethanol und die Relevanz der eingesetzte Energiequelle. »Wir konnten zeigen, dass der Lebedev-Prozess je nach verwendeter Ethanol- und Energiequelle das Potenzial hat, Butadien und damit auch Styrol-Butadien-Kautschuk aus biobasiertem Ethanol oder CO2-basiertem Ethanol herzustellen und CO2-Emissionen zu reduzieren«, so Daniel Maga. »Damit ermöglicht der Power2C4-Prozess die Nutzung alternativer Kohlenstoffquellen.« Besonders die Nutzung von Ethanol aus Restbiomasseströmen wie Bagasse oder Stroh eröffne Wege, Treibhausgasemissionen von Butadien deutlich zu reduzieren. Zudem führe ein Strommix mit immer höheren Anteilen an erneuerbaren Energien zur Möglichkeit, Treibhausgasreduktionen über Carbon-Capture-and-Utilization-Prozesse (CCU) zu realisieren.
 
FÖRDERHINWEIS
Das Kompetenzzentrum »Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme« wird gefördert durch das »Operationelle Programm zur Förderung von Investitionen in Wachstum und Beschäftigung für Nordrhein-Westfalen aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung« (OP EFRE NRW) sowie durch das Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen.