PFAS-freie Outdoorbekleidung

Empa-Forscher Dirk Hegemann entwickelt Materialien und Technologien für PFAS-freie Textilien. Bild: Empa

Moderne Funktionskleidung ist oft mit PFAS behandelt, um wasser- und schmutzabweisend zu sein. Empa-Forschende arbeiten an Alternativen nach Safe-and-Sustainable-by-Design-Prinzip.

Damit Funktionskleidung allen Wettern trotzt, ist eine chemische Imprägnierung nötig. Regenjacke, Badehose & Co mit einer PFAS-haltigen Beschichtung tragen dadurch allerdings zur Umweltbelastung mit den Fluor-haltigen Ewigkeitschemikalien bei. Die Substanzgruppe zu ersetzen, ist nicht trivial, da sie über ausgezeichnete Eigenschaften verfügt: PFAS sind wasser-, schmutz- und fettabweisend. Daher arbeiten Empa-Forschende gemeinsam mit Partnern aus der Industrie daran, Technologien und Materialien zu entwickeln, mit denen sich PFAS-freie Textilien mit den gewünschten Eigenschaften nachhaltig und wirtschaftlich herstellen lassen.

Netzwerk Subitex

Entstanden war das innovative Vorhaben aus dem Netzwerk Subitex, einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen Unternehmen des Schweizer Textilverbandes Swiss Textiles und der Empa in St.Gallen. Das von der Innosuisse geförderte Projekt «EC0Tex» hat zum Ziel, wasserabweisende Beschichtungen für textile Garne zu erzeugen, indem Fluor-freie Substanzen in einer eigens entwickelten Plasmabeschichtungsanlage eingesetzt werden. Kürzlich wurde das Projekt auf der Internationalen Fachmesse «Techtextil» in Frankfurt am Main denn auch mit dem «Innovation Award» für Nachhaltigkeit und Innovation ausgezeichnet.

Ersatz ohne Reue

Zentral im Projekt «EC0Tex» ist dabei der «Safe and Sustainable by Design»-Grundsatz, kurz SSbD. «Bei der Suche nach Alternativen zu PFAS geht es darum, keinesfalls sogenannte Regrettable Substitutes zu erzeugen, also Ersatzstoffe, die sich im Nachhinein als ähnlich schädlich herausstellen wie die ursprünglich verwendete Chemikalie», sagt Empa-Forscher Dirk Hegemann vom «Advanced Fibers»-Labor in St.Gallen.

Daher gleicht das Team um Dirk Hegemann, Martin Amberg und Patrick Rupper bereits früh im Entwicklungsprozess die Bedürfnisse von Industrie, Umwelt und Gesellschaft anhand von Risikoanalysen miteinander ab und filtert jene Materialien und Technologien heraus, die bei den gewünschten Eigenschaften, der Nachhaltigkeit oder der Wirtschaftlichkeit durchfallen.

Im Plasma docken die reaktiven Spezies der Imprägnierungschemikalien an die Einzelfasern eines Textilgarns an. Bild: Empa

Industrietaugliches Imprägnierverfahren

Gemeinsam mit den Umsetzungspartnern aus der Schweizer Textilindustrie Bäumlin & Ernst AG, Lothos KLG und Seilfabrik Ullmann AG entsteht so ein neuartiges industrietaugliches Imprägnierverfahren mittels Plasmatechnologie. Denn PFAS-freie Substanzen müssten mit herkömmlichen Techniken in zu grossen Mengen eingesetzt werden, um die Materialeigenschaften von PFAS-beschichteten Textilien zu erzeugen. Die Folge: Punkteabzug bei Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit, was die Suche nach gangbaren Alternativen nach SSbD-Massstäben zu einer Herausforderung macht.

Die neue Plasmaanlage, die hierfür gemeinsam mit den Empa-Forschenden konzipiert wurde, ermöglicht es indes, äusserst dünne Beschichtungen auf die Einzelfasern in einem Garn aufzubringen. «So können wir die Menge der verwendeten Chemikalien deutlich verringern und gleichzeitig eine umfassende Imprägnierung der Garne erzielen», sagt Hegemann. Die auf diese Weise erzeugten Garne könnten direkt zur Produktion von Outdoor- und Sportbekleidung, aber auch Seilen eingesetzt werden, so der Forscher.

Bei der plasmainduzierten Beschichtungstechnik wird mittels elektrischer Gasentladung in einer Kammer Plasma erzeugt. Da hierbei hohe Energie bei niedriger Temperatur zur Verfügung gestellt wird, verdampfen die Chemikalien in der Kammer und bilden reaktive Spezies, die an die Einzelfasern eines Garns andocken. Üblicherweise können so jedoch lediglich die äussersten Fasern eines Textils imprägniert werden. «Wir haben einen neuen Ansatz verfolgt: Die neue Plasmabeschichtungsanlage erzeugt unterschiedlich reaktive Spezies, die auch tief in die Garnstruktur eindringen können», erklärt Empa-Forscher Dirk Hegemann. So ergebe sich eine beständige und durchdringende Beschichtung.

Siliciumorganische Verbindungen konnten dank Plasmatechnologie erfolgreich für die Imprägnierung von Textilien eingesetzt werden: Das Wasser perlt vom imprägnierten Garn ab. Bild: Empa

Herausforderung: Fett und Schmutz

Als Alternative für PFAS untersuchen die Forschenden nun, wie siliciumorganische Verbindungen zur Imprägnierung eingesetzt werden können. Die Unbedenklichkeit auch bei Umweltexposition etwa durch Abrieb oder Waschen muss dabei genau analysiert werden. Erste Analysen zeigen, dass die siliciumorganischen Verbindungen hochvernetzte Schichten mit hervorragenden Eigenschaften in Bezug auf Wasserabweisung und Schnelltrocknung bilden, die jene von PFAS-Imprägnierungen punkto Beständigkeit sogar noch übertreffen.

Eine Herausforderung ist derzeit noch die Fett- und Schmutzabweisung, die PFAS-Textilien leisten können. Hier seien weitere Arbeiten nötig, um PFAS in Textilien wie Arbeitsschutzbekleidung ersetzen zu können, so Hegemann. Die grosse Gruppe der siliciumorganischen Verbindungen eröffne hier eine Vielzahl von Möglichkeiten. Dank der Plasmatechnologie besteht nun auch die Möglichkeit, durch Anpassungen der Ausgangssubstanzen und Beschichtungsbedingungen weitere neue Lösungen zu finden und auf die gewünschten Eigenschaften der Textilien masszuschneidern – und dabei gleichzeitig die «Safe and Sustainable by Design»"-Grundsätze im Auge zu behalten.