Biobasierte Textilinnovationen aus der Forschung

Für das nächste Jahrzehnt werden die weitreichendsten Innovationen an der Schnittstelle zwischen Biologie und Technik erwartet. Dies gilt für die Ausgangsstoffe der Kunststoff- und Verpackungsindustrie ebenso wie für die Produktionsmechanismen der textilen Branchen. Mit jedem Prozess, in dem nachwachsende Ressourcen und biotechnologische Verfahren genutzt werden, um Materialien herzustellen oder sie in ihren Eigenschaften zu beeinflussen, schreitet die „Biologisierung der Industrie“ voran. Immer mehr Vorhaben zielen auf den Ersatz bislang üblicher Materialien durch biobasierte Lösungen ab.

Gleichzeitig werden wir im nächsten Jahrzehnt eine deutliche Ressourcenverknappung und eine Umorientierung der Mobilitätskonzepte erleben. Der Erfolg der Elektromobilität wird dabei entscheidend davon abhängen, inwieweit es den Konstrukteuren gelingt, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Die Verwendung leichtgewichtiger Materialien spielt dabei eine sehr wichtige Rolle. So wurden in den letzten Jahren immer häufiger schwere metallische Strukturelemente durch faserverstärkte Kunststoffteile ersetzt. Diese gehen zunehmend auf nachwachsende Rohstoffen zurück, was die CO2-Bilanz nochmals deutlich zu reduzieren verhilft.

Zahlreiche neue Entwicklungen auf Basis der Natur präsentiert im Mai die Techtextil. Zu den aktuellen und bis zur Messe abgeschlossenen Forschungsprojekten gehören Organobleche mit metallähnlicher Festigkeit unter Einsatz von Naturfasern (TU Dresden), leichtgewichtige Sandwich- oder Hohlstrukturen (ITV Denkendorf), biobasierte selbstverstärkende Verbundwerkstoffe (RWTH Aachen) und hochreine Alginate (Hohenstein Institute).

Organobleche aus Naturfasern

Umgeformtes Organoblech aus Flachsgewebe und Polymilchsäure (Quelle TU Dresden, Institut für Holz- und Papiertechnik) (2)

Umgeformtes Organoblech aus Flachsgewebe und Polymilchsäure (Quelle TU Dresden, Institut für Holz- und Papiertechnik)

Zur Verringerung des Gewichts in der Automobilindustrie und der Luftfahrt wurden in den letzten Jahren neue Werkstofflösungen und Fertigungsprozesse entwickelt, um metallische Strukturelemente durch leichtgewichtige Verbundmaterialien aus Kunststoffen zu ersetzen. So kommen immer häufiger so genannte Organobleche als plattenförmige und thermoverformbare Halbzeuge zur Anwendung. Üblicherweise bestehen die Werkstoffverbunde aus synthetischen Fasern wie Glas-, Kohle- oder Aramidfasern und einem Matrixsystem aus einem thermoplastischen Kunststoff der Petrochemie. Mit Blick auf die zu erwartende Ressourcenverknappung bei fossilen Rohstoffen wurden an der TU Dresden Werkstoffalternativen bei Organoblechen entwickelt, die aus einer Biopolymermatrix bestehen, in die eine Naturfaserstruktur eingebracht wurde. Durch die naturgemäß gute Haftung zwischen Naturfaser und Biopolymer konnte dabei ohne Haftvermittler gearbeitet werden. Die entstehenden Verbundwerkstoffe basieren vollständig auf nachwachsenden Rohstoffen und weisen für bestimmte Anwendungen bessere technische Eigenschaften im Vergleich zu den bisherigen Lösungen auf. Sie haben meist ein geringeres Gewicht, splittern im Crashfall nicht und bilden keine scharfen Bruchkanten. Zudem dämpfen sie Vibrationen sehr viel besser, wirken schallabsorbierend und weisen eine wesentlich günstigere Energiebilanz auf.

Abstandstextilien mit zweifach gekrümmten Gewebestrukturen

Zur Realisierung besonders leichtgewichtiger Sandwich- oder Hohlstrukturen wurden am ITV in Denkendorf neue Verfahrensansätze entwickelt, um neben planparallelen Abstandsgewirken bis zu zweifach gekrümmte Gewebestrukturen zu realisieren. Die Wissenschaftler nutzen für die Entwicklung eine Analogie zum Schalenskelett des Sanddollars und übertrugen den Aufbau auf gekrümmte Abstandsgewebe. Denn die Seeigelgattung verfügt über eine gewölbte Außenschale mit dünnen Innenverstrebungen, was sie sehr leicht und gleichzeitig druckstabil macht. Fertigungsseitig wurde dies durch verfahrenstechnische Anpassungen an einer Doppelgreifer-Webmaschine mit abstandshaltenden Polfäden realisiert. Dabei wurden die Abstände zwischen den deckenden Gewebelagen erheblich erweitert, ohne die vorgegebene Druckstabilität zu reduzieren. Durch den Übergang von planparallelen zu veränderlichen Abständen der Gewebe in Kett- und Schussrichtung wurde die Voraussetzung für frei gestaltbare Krümmungsflächen an beiden Decklagen des Gewebes geschaffen.

Biobasierte selbstverstärkende Polymerverbundwerkstoffe

Die Faserverstärkung in Composites bietet für den Leichtbau hohes Potenzial zur Schonung von Ressourcen. Doch da sich Faser- und Matrixwerkstoff üblicherweise voneinander unterscheiden, ist eine sortenreine Trennung und die Rückführung die Materialkreisläufe nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren. Abhilfe bieten hier so genannte selbstverstärkende Polymerverbundwerkstoffe (SRPC), die sogar bessere mechanische Qualitäten aufweisen können als die faserverstärkten Varianten. Zurückzuführen ist dies auf die Beibehaltung der Molekularstruktur teilkristalliner Bereiche in der Endstruktur des Werkstoffs. Die Matrix entsteht zum Beispiel durch eine gezielte Anschmelzung der Verstärkungsfasern. Großer Vorteil gegenüber den konventionellen faserverstärkten Verbundmaterialien ist, dass für selbstverstärkende Polymerverbundwerkstoffe (SRPC) nur eine Polymerfamilie verwendet wird und das Recyceln am Lebensende des Produktes wesentlich einfacher ist. In einem Verbundprojekt mit Centexbel und dem SLC Lab aus Belgien wurden an der RWTH Aachen in den letzten beiden Jahren Prozesse entwickelt, um SRPC aus erneuerbaren PLA Polymeren herzustellen. Dabei wurden insbesondere einige nachteilige PLA Eigenschaften überwunden und BIO-SRPC entwickelt, die die sonst übliche Sprödigkeit und Stoßfestigkeit von PLA-Platten bei weitem übersteigt. Das Projekt wird Ende März abgeschlossen.

Biotechnologische Alginatgewinnung für die Textilindustrie

Antimikrobiell wirksamer Textilien durch mit Metallionen modifizierte Algenmaterialien (HS Niederrhein)

Antimikrobiell wirksamer Textilien durch mit Metallionen modifizierte Algenmaterialien (HS Niederrhein)

Aufgrund der einfachen Kultivierung, des schnellen Wachstums und der Eigenschaft zur Bindung von Kohlendioxid bieten Algen eine ganze Reihe von interessanten Perspektiven, die sie als natürliche Rohstoffquelle mit hohem Wertschöpfungspotenzial interessant werden lassen. Alginate werden in Wundauflagen schon eine ganze Weile für medizinische Zwecke verwendet. Die Salze der Alginsäure werden in aller Regel aus Algen gewonnen. Da die Zusammensetzung der Algen stark schwankt, variieren die Qualitäten der Alginate voneinander.

Daher haben sich die Partner des Verbundvorhabens AlBioTex zur Aufgabe gestellt, einen mikrobiellen Produktionsprozess zur Herstellung hochreiner Alginate mit definierter Qualität bei verbesserter Ökobilanz zu entwickeln. Der Biofermentationsprozess wird anschließend in industriellem Maßstab durchgeführt werden können um Fasern auf Textilmaschinen zu hochwertigen Wundauflagen zu verarbeiten. „Die Variation und Optimierung der Materialeigenschaften von Alginat war bislang nur unter sehr großem Aufwand möglich. Durch Einsatz der Biotechnologie wird hier erstmals ein differenzierter Einsatz von Alginaten im textilen Spezialitätenbereich ermöglicht“ sagte Dr. Timo Hammer, Leiter der Forschung am Fachbereich Hygiene, Umwelt & Medizin der Hohenstein Institute, bei der Ankündigung des Projektes im Dezember 2013. Neben den Hohenstein Instituten sind die BRAIN AG, Kelheim Fibres und rökona die weiteren Partner in der Forschungskooperation.

Bild oben: Zweifach gekrümmtes Abstandsgewebe (Quelle: ITV Denkendorf)

Marc Chalupsky

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