Technologieradar für die Textilindustrie
Vom Verbot der sogenannten „C8-Chemie“, das Mitte 2020 in Kraft getreten ist und weiterhin vom in absehbarer Zeit folgenden Verbot der sogenannten „C6-Chemie“ sind bayerische Textilunternehmen und ihre Abnehmer zum Teil existenziell betroffen. Die bayerischen Textilunternehmen machen heute ca. 60% ihres Umsatzes mit technischen Textilien wie u.a. Schutztextilien, Automobiltextilien oder Filtermaterialien für Motoren und Industrietechnik und sind dabei momentan noch auf die Verwendung der PFC-basierten C6/C8-Chemie angewiesen. Die Identifizierung und Erforschung neuer, PFC-freier und möglichst ökologisch nachhaltiger Ansätze für wasser- fett- und schmutzabweisende Ausrüstung von Textilien ist daher entscheidend für die Zukunft der bayerischen Textilbranche.
Projekt "Technologieradar - Alternativen für die C6/C8-Chemie in der Textil- und Bekleidungsbranche"
Im Rahmen des von der Bayern Innovativ durchgeführten Projektes "Technologieradar - Alternativen für die C6/C8-Chemie in der Textil- und Bekleidungsbranche" wurden in Zusammenarbeit mit Akteuren aus Wirtschaft und Wissenschaft Alternativen für eine C6/C8-Chemie identifiziert und diese bezüglich Innovationspotenzial, Technology Readiness Level und notwendigem Forschungsbedarf bewertet. Ziel war somit nicht nur die reine Darstellung möglicher Lösungsansätze, sondern vor allem das Zusammenführen von Expertenwissen, um eine Bewertung der identifizierten Ansätze und eine Aussage zu deren Zukunftsfähigkeit zu erhalten.
Bei der Durchführung des Projektes konnte auf bereits vorhandenes Wissen zurückgegriffen werden, das im Rahmen der Studie „Textil & Nachhaltigkeit“ in 2018 erarbeitet wurde. Hier wurden durch intensive Recherchearbeit und ausführliche Experteninterviews potenzielle alternative Lösungsansätze zur C6/C8-Chemie identifiziert und diskutiert. Die in der Studie dargestellten Ergebnisse bildeten die Grundlage für einen Expertenworkshop, der am 06.03.2019 in Nürnberg durchgeführt wurde. Hier wurde mit einem kleinen Expertenkreis (6 Experten aus der Textilindustrie und Wissenschaft) eine Auswahl möglicher alternativer Lösungsansätze zur C6/C8-Chemie intensiv diskutiert und bewertet.
In einem zweiten Schritt wurde im Rahmen des Kongresses Textil Innovativ am 12.03.2019 in Lindau eine anonymisierte Umfrage durchgeführt. An der Befragung haben sich 26 Teilnehmer des Kongresses beteiligt - Experten der verschiedenen Stufen der textilen Kette (Faser, Veredelung, Ausrüstung, Chemie, Flächenbildung, Maschinenbau) und Anwender textiler Materialien (Sport, Outdoor, Mode, technische Textilien).
Die auf diesem Weg gewonnenen Erkenntnisse über zukunftsweisende Technologieansätze wurden in Form eines Technologieradars aufbereitet und dargestellt.
Ergebnisse des Projekts und der Studie „Textil & Nachhaltigkeit“
Die Expertenmeinungen, die im Rahmen der Studie „Textil & Nachhaltigkeit“ und dieses Projektes gesammelt wurden, geben keinen Hinweis darauf, dass sich eine klare, universelle alternative Lösung für die bisher eingesetzte C6/C8-Chemie in der Textilindustrie abzeichnet, die sowohl wasserabweisende als auch schmutz- und ölabweisende Eigenschaften ermöglicht. Es gibt eine Reihe an Lösungsansätzen, alle mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Diese sind:
1. Oberflächenmodifikation durch Plasmabehandlung
Die Plasmatechnologie befindet sich bereits seit vielen Jahren im Blickfeld der Textilindustrie und von Forschungsaktivitäten. Mit ihr können Oberflächen von Fasern, Garnen und textilen Flächen gezielt modifiziert werden. Anwendungsmöglichkeiten sind nicht nur die Reinigung und chemische Aktivierung von Oberflächen, sondern auch die Ausstattung mit funktionellen Gruppen und die Beschichtung. Damit können zudem Eigenschaften erzielt werden, die mit herkömmlichen nasschemischen Prozessen nicht realisierbar sind.
Bisher hat sich die Technologie für die Funktionalisierung textiler Materialien nicht in voller Breite am Markt durchsetzen können. Ein Grund sind die hohen Investitionskosten. Hingegen ist die Plasmatechnologie zur Vorbehandlung bei Beschichtungen Stand der Technik: Dadurch werden die Benetzbarkeit verbessert und somit bessere Eigenschaften und eine längere Haltbarkeit der Funktionen erzielt. Weitere Pluspunkte sind ein geringerer Chemikalieneinsatz und ein grundsätzlich trockenes Verfahren. Im Zuge der kommenden REACH-Restriktionen könnte die Technologie für die Funktionalisierung textiler Materialien an Attraktivität gewinnen – vor allem hinsichtlich wasser- und ölabweisender Eigenschaften.
2. Entwicklung und Einsatz neuartiger Materialverbunde
Vielversprechend sind Forschungsprojekte, die die Wirkung von bisher nicht verwendeten Materialverbunden untersuchen. So wurde zum Beispiel am DITF in einem Projekt von 2014 bis 2016 untersucht, welchen Einfluss die Einarbeitung von Cellulose auf wasserabweisende Beschichtungen aus Polyurethan (PUR) hat. Nach Zugabe von Cellulosepartikeln wurde eine abgestufte, aber zum Teil deutliche Steigerung der Wasserdampfdurchlässigkeit (und damit der Atmungsaktivität) ohne signifikante Einbuße der Wasserdichte oder der mechanischen Eigenschaften erreicht. Ein Einsparpotenzial von bis zu 40 % PUR ist so möglich.
3. Oberflächenstrukturierung mittels (UV-) Laser
Zukunftspotenzial bietet der Transfer branchenfremder Verfahren für die Mikrostrukturierung von Oberflächen wie der Lasertechnik. Mit der Lasertechnologie können funktionelle Strukturen im Millimeter-, Mikrometer- sowie Nanometer-Bereich realisiert werden – durch gezielten Materialabtrag oder gezielte Erhebungen. Ebenso kann die Lasertechnik in der Vorbehandlung von Beschichtungen eingesetzt werden. Dabei gibt es nicht die eine Lasertechnik, mit der sich alle Werkstoffe bearbeiten lassen. Es stehen verschiedenste Wellenlängen, Pulsdauern und Leistungen sowie Bearbeitungsoptiken und Bewegungsmechaniken zur Verfügung. Derzeit ist die Lasertechnologie für die Anwendung im Textilbereich noch zu langsam und nicht im industriellen Maßstab verfügbar. An zukünftigen Anwendung in Materialbearbeitung und Oberflächenstrukturierung für Textilien wird an mehreren Stellen intensiv geforscht.
4. Oberflächenfunktionalisierung mittels Drucktechnologie
Ein bedeutender Wachstumsmarkt im Bereich der Textilveredelung ist der Digitaldruck . Wenn es um „modische“ Applikationen geht, nimmt der Digitaldruck heute bereits einen wichtigen Stellenwert ein. Die hohe Prozessgeschwindigkeit und Präzision der Tintenapplikation, aber auch die Nachhaltigkeit der Technologie, machen den Digitaldruck auch für die Oberflächenfunktionalisierung textiler Materialien zunehmend interessant. Damit wird ihm als eine Minimalauftragstechnik im Bereich der funktionellen und technischen Textilien ein großes Anwendungspotenzial zugesprochen. Denn mit ihm lassen sich nicht nur Funktionen lokal/partiell/selektiv aufbringen, was den Chemikalieneinsatz reduziert und Ressourcen schont, sondern auch verschiedene bisher nicht kombinierbare Funktionen darstellen (unterschiedlicher Druck auf Vorder- und Rückseite).
5. Weiterentwicklung und Einsatz von Paraffinen/Dendrimeren
Im Laufe der vergangenen Jahre haben Unternehmen, vor allem aus der Outdoorbranche , zunehmend Schritte unternommen, um eine DWR-Ausrüstung (Durable Water Repellent) ohne PFCs (Perfluorierte Chemikalien) zu realisieren. Diese Art der Ausrüstung wird im Moment vor allem mit Hilfe von petrochemisch hergestellten Paraffinen, Dendrimeren, Polyurethanen oder Silikonen erzeugt. In einer Reihe von Studien konnte gezeigt werden, dass eine DWR-Ausrüstung auf Basis von Kohlenwasserstoffen oder Silikonen eine mit C6/C8 vergleichbare Wasserabweisung aufweist. Gegenüber niederpolaren Flüssigkeiten wie z. B. Ölen zeigen nichtfluorierte DWRs nur eine verminderte bis keine Abweisung. Damit behandelte Endprodukte verschmutzen schneller und eignen sich daher auch nicht für Arbeitsschutzbekleidung.
6. Weiterentwicklung und Einsatz von Wachsen/Ölen/Fetten
Neben petrochemisch hergestellten Substanzen sind auch biobasierte Öle, Fette oder Wachse als Basis für eine PFC-freie DWR-Ausrüstung denkbar. Zum Teil sind entsprechende Systeme bereits am Markt verfügbar, zumindest für die Herstellung von Ourdoor-Textilien.
7. Kombination von Faserquerschnitt und Flächenbildung
Die Möglichkeiten zur Realisierung verschiedener Faserquerschnitte im Ausspinnprozess werden in der Chemiefaserherstellung genutzt, um Fasern mit speziellen Funktionen zu erzielen. Neben runden und dreieckigen Faserquerschnitten gibt es z. B. auch sternförmige und gezähnte. Hinzukommen sogenannte Hohlfasern. Runde Fasern weisen z. B. eine sehr gute Leitfähigkeit auf, Hohlfasern hingegen eine sehr gute Wärmeisolation. Auch die Flächenbildung bietet gezielte Möglichkeiten zur Beeinflussung der Eigenschaften eines Textils unter anderem durch das eingesetzte Material, die Festigkeit und Dichtigkeit. Somit bieten sich hier ebenfalls mögliche Ansatzpunkte für die Erzeugung von wasser-, schmutz- und ölabweisenden Eigenschaften.
8. Weiterentwicklung und Einsatz von Hydrophobinen
Unter anderem am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik forscht man seit 2016 in Zusammenarbeit mit dem William-Küster-Institut, Bönnigheim, an einer Textilausrüstung auf Basis von wasserabweisenden Proteinen, sogenannten Hydrophobinen. Diese Proteine kommen natürlicherweise in den Zellwänden von Pilzen vor, wo sie eine schützende Funktion haben. Sie können biotechnologisch hergestellt und auf Cellulosefasern chemisch verankert werden. Dies führt zu einer veränderten Oberflächenenergie und damit zu einer starken Hydrophobierung für Baumwolle und cellulosische Materialien. Die Technologie befindet sich allerdings noch im Forschungsstadium. Ein ähnliches Projekt wurde im September 2017 an der RWTH Aachen in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung gestartet. Das Ziel des Forschungsvorhabens „PPfit" ist die Entwicklung einer PFC-freien Technologie auf Proteinbasis zur schmutzabweisenden Ausrüstung für Gewebe aus Polyester, flammhemmendem Polyester und Polyamid für den Anwendungsbereich der Möbelstoffe.
9. Funktionalisierung mit Chitosan
Chitin aus den Panzern von Insekten bzw. den Schalen von Krebstieren gilt als ein nahezu unerschöpflicher nachwachsender Rohstoff mit großem Zukunftspotenzial. Es ist nach der Cellulose das zweithäufigste biogene Polysaccharid. Technisch nutzbare Quellen sind momentan hauptsächlich Abfälle aus der Nahrungsmittelproduktion. Auch mit Hilfe bestimmter Pilze lässt sich Chitin inzwischen biotechnologisch produzieren. Durch alkalische oder enzymatische Hydrolyse wird Chitin weiterverarbeitet zu Chitosan. Sowohl Chitin wie auch Chitosan bilden kristalline Mikrofibrillen und lassen sich zu Fasern, Filmen, Membranen oder Kolloiden verarbeiten. Aufgrund der vielfältigen Eigenschaften (biokompatibel, biologisch abbaubar, geringe Toxizität, nicht allergen, antibakteriell, antiviral, fungistatisch, geruchsbindend, fettbindend, blutstillend, koagulierend etc.) ergeben sich zahlreiche mögliche Anwendungen in den Feldern Medizin, Pharmazie, Kosmetik, Papier, Landwirtschaft, Nahrungsmittel, Abwasserreinigung und Textil. Weltweit existieren Hunderte von Patenten.
Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik wird seit 2015 im Rahmen des Verbundprojekts „ChitoTex“ gemeinsam mit sechs internationalen Partnern ein neues biotechnologisches Verfahren entwickelt, um Insektenchitin als funktionelle Beschichtung für Garne und Stoffe in der Textilindustrie nutzbar zu machen. Mit Partnern aus der Textilindustrie soll erforscht werden, wie man Chitosan am besten funktionalisieren und auf Textilien aufbringen kann. Dabei werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Aufgrund seiner Fähigkeit zur Filmbildung lässt sich Chitosan einerseits als Schlichtemittel nutzen. Eine zweite Einsatzmöglichkeit ist die wasserabweisende Ausrüstung von Textilien. Über die chemische Derivatisierung des Moleküls können hydrophobe Eigenschaften erzeugt werden. Eine chitosanbasierte Ausrüstung könnte somit als biobasierter Ersatz für Fluorcarbone infrage kommen.
10. Funktionalisierung mit Cellulose
Unter anderem am Deutschen Textilforschungszentrum Nord-West arbeitet man an der Beschichtung und Ausrüstung von Textilien mit verschiedenen Cellulose-Modifikationen. Die daraus resultierende Hydrophilierung von synthetischen Fasern beeinflusst die Benetzbarkeit, die antistatischen Eigenschaften sowie die Wechselwirkung mit Prozesschemikalien. Weiterhin wird die Wasserdampfdurchlässigkeit optimiert, sodass im Idealfall ein erhöhter Tragekomfort resultiert. Die gute Verfügbarkeit ultrafeiner Mikrocellulosen macht diese Produkte zu vielversprechenden Ausgangschemikalien für die Textilindustrie. Nanocellulosen weisen im Moment zwar in Bezug auf Preis und Verfügbarkeit noch Nachteile auf, sind aber aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften und der daraus resultierenden Anwendungsbreite gleichfalls wirtschaftlich äußerst interessant. Insbesondere die nanofibrilläre Cellulose (NFC) weist ein großes Potenzial auf, da sie im Tonnenmaßstab aus Abfallprodukten der Holzwirtschaft produziert wird und zu Preisen unter 10 €/kg erhältlich ist.
Anwendung des Technologieradars
Die Bewertung der ausgewählten technologischen Ansätze erfolgte im Wesentlichen nach den folgenden drei Kriterien:
- Wie wichtig schätzen Sie diesen Themenkomplex/Ansatz für die Lösung der C6/C8-Problematik ein? (Wahlmöglichkeit zwischen „völlig unwichtig“, „unwichtig“, „neutral“, „wichtig“, „sehr wichtig“)
- Wie schätzen Sie den Zeithorizont diese Themenkomplexes/Ansatzes bis zur Marktreife ein? (Wahlmöglichkeit zwischen „0-3 Jahre“, „4-7 Jahre“, „8-15 Jahre“)
- Welche Funktionalität könnte Ihrer Meinung nach mit diesem Themenkomplex/Ansatz erzielt werden? (Wahlmöglichkeit zwischen „Wasserabweisung“, „Schmutzabweisung“ und „Ölabweisung“; Mehrfachauswahl möglich)
Im Mittel wurden alle Ansätze mit wichtig oder sehr wichtig bewertet. Bei allen Ansätzen besteht noch F&E-Bedarf. Weitere F&E-Projekte sind nötig, um die Ansätze zu entwickeln und die Potenziale ausloten zu können. Von Seiten der Experten wird der geringste Forschungsaufwand bei Wachsen/Ölen/Fetten und im Bereich Faserquerschnitt / Flächenbildung gesehen. Der größte F&E-Bedarf wird bei Hydrophobinen und Cellulose gesehen.
Der Technologieradar gibt einen Überblick über den geschätzten Stellenwert und F&E-Bedarf möglicher technologischer Alternativen zur C6-/C8-Chemie in der Textilindustrie. Betrachtet man die Bewertung der Lösungsansätze differenziert nach der zu erzielenden Funktion (Schmutz-, Öl- oder Wasserabweisung), so ergibt sich ein etwas konkreteres Bild. 
Bewertung der alternativen Lösungsansätze differenziert nach der zu erzielenden Funktion. Plasmatechnik, Lasertechnik und Materialverbünden werden die größten Chancen zugeschrieben, um zu einer Ölabweisung zu kommen. Bei den Ansätzen Digitaldruck, Paraffine/Dendrimere, Wachse/Öle/Fette und Faserquerschnitt/Flächenbildung werden nur geringe Chancen für die Erzielung einer Ölabweisung gesehen. Biobasierten Lösungen (Hydrophobine, Chitosan, Cellulose) werden hinsichtlich einer ölabweisenden Funktion keine Chancen eingeräumt.
Bei allen Ansätzen wird ein Potenzial für schmutzabweisende Oberflächen gesehen. Größtes Potenzial für eine Schmutzabweisung hat nach Einschätzung der teilnehmenden Experten die Plasmatechnik und der Digitaldruck.
Paraffinen/Dendrimeren sowie Wachsen/Ölen/Fetten schreiben die teilnehmenden Experten das größte Potenzial für Wasserabweisung zu.
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