Nanotechnologie in der Textilindustrie - Hohenstein Institute

04/07
Nanotechnik
Moleküle • Materialien • Mikrosysteme
Nanotechnologie in der Textilindustrie –
aktuelle und zukünftige Entwicklungen
Dr. Jan Beringer, Hohensteiner Institute, Bönnigheim
Seit molekulare Vorgänge nicht nur abgebildet sondern auch gezielt beeinfl usst
werden können, wird die Nanotechnologie für viele Anwendungsbereiche
als Schlüsseltechnologie betrachtet – auch für die Textilindustrie. Durch die
gezielte Angliederung von Nanopartikeln an altbekannte textile Materialien,
oder durch Einbindung in diese, entstehen neue funktionelle Werkstoffe, die
zum Teil völlig veränderte Oberfl ächen- und Volumeneigenschaften besitzen.
Vielfach steht die Natur Pate für innovative
Ideen im Bereich der Nanotechnologie. Das
Stichwort lautet hier Bionik. Bei der Entwicklung
schmutzabweisender Oberfl ächen
hat man sich z.B. am Blatt der Lotuspfl anze
orientiert, an dem Schmutzpartikel aufgrund
der mikro/nanorauen Oberfl ächen nicht haften
bleiben und von Wasser einfach weggespült
werden (Bild 1). Das faszinierende
Bild 1: Durch schmutzabweisendeNano-Ausrüstungen
können sich
Schmutzpartikel nur
oberfl ächlich an Textilfasern
oder Gewebe
anlagern und leicht z.B.
mit Wasser abgespült werden (Quelle: BASF)
Farbspiel von Schmetterlingsfl ügeln oder
schillerndem Muschelperlmutt diente als
Vorlage für die Entwicklung von Partikeln
und Dispersionen, mit denen sich der Farbeindruck
von Oberfl ächen abhängig vom
Einfallswinkel des Lichtes verändert und so
quasi eine Farbgebung ohne Farbstoff aufgrund
von Interferenzeffekten ermöglicht.
Aber auch Badeanzüge mit extrem nied-
rigem Strömungswiderstand für Hochleistungssportler
sind der Natur nachempfunden,
und zwar mikroskopischen Strukturen
in der Haut von Haifi schen (Bild 2).
Nano oder nicht?
Der Begriff Nano stammt aus dem Griechischen
(Nanos = Zwerg) und steht in
unserem Maßsystem als Vorsilbe für ein
Milliardstel (10 -9 ). So ist eine Haselnuss
etwa um den Faktor 10 -9 kleiner als der
Erddurchmesser. Mit der Nanometerskala
bewegt man sich in der Welt der Moleküle,
die man z.B. durch Rasterkraftmikroskope
(AFM) oder hochaufl ösende Rasterelektronenmikroskope
(REM) sichtbar machen
kann (Bild 3).
Von Nanotechnik spricht man heute im
Allgemeinen, sobald charakteristische
Strukturgrößen unter 100 nm gezielt
beeinfl usst oder genutzt werden. Die
Hohensteiner Institute haben in Zusammenarbeit
mit NanoMat, einem Netzwerk
verschiedener Forschungseinrichtungen
und führender Anbieter von Nanomaterialien
(www.nanomat.de), eine Defi nition
für Nanotechnologie gefunden, die sich
Bild 2: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Haifi schhaut-Probe (links). Die ca.
200 µm großen Schuppen sind von einer gezahnten Struktur überzogen, deren nanoskalige
Stufen zur Verringerung des Strömungswiderstands im Wasser beitragen (Bild:
University of Cape Town). Rechts: Moderne Schwimmanzüge für Hochleistungssportler
(hier Fastskin FSII Bodyskin von Speedo) imitieren mit einem Gewebe aus ultrafeinem
Nylon garn und chlorbeständigem Elastan die gezahnte Haifi schhaut und erreichen u.a.
einen extrem niedrigen Oberfl ächenreibungswiderstand (Bild: Speedo)
Eine Publikation der
AT-Fachverlag GmbH
August 2007 / No. 4
Bild 3: Eine dreidimensionale Topographiedarstellung
einzelner Nanopartikel gelingt
mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM).
Hierdurch kann z.B. geklärt werden, ob die
Nanopartikel innerhalb einer Bindermatrix liegen
oder aus deren Oberfl äche herausragen
auch auf den textilen Bereich anwenden
lässt:
„Unter Nanotechnologie versteht man
Herstellungs- und/oder Verarbeitungsverfahren,
die zu einer systematischen
Anordnung funktioneller Strukturen führen,
die aus Teilchen mit größenabhängigen
Eigenschaften bestehen.“ Wichtig ist
dabei die gezielte funktionelle Anordnung
der Nanopartikel (Bild 4). Motivation für
eine im Textilbereich anwendbare Defi nition
ohne direkten Bezug zum Nanometer
ist der Umstand, dass sich die textiltechnisch
wirksamen physikalischen und chemischen
Eigenschaften der hier eingesetzten
Nanomaterialien jeweils erst unterhalb
bestimmter Partikelgrößen ändern – und
diese Größe variiert je nach Material. Man
könnte z.B. auch sagen, dass die Nanotechnik
bei TiO 2 schon „früher“ (d.h. bei
größeren Partikeln) anfängt, als bei Silberpartikeln.
Bild 4: Um Nanotechnologie handelt es
sich nach der mit NanoMat erarbeiteten
Defi nition nur dann, wenn die Nanopartikel
als Untereinheiten in einem funktionellen
System geordnet ausgerichtet sind (links).
Im Gegensatz dazu sind die Moleküle in der
rechten Grafi k zwar der Größe nach ebenfalls
Nanopartikel, ergeben aber aufgrund der fehlenden
Ordnung kein funktionelles System

Nanotechnik
Bild 5: Für moderne UV-Schutzkleidung wird die Polyamid-Faser mit TiO 2-Nanopartikeln
(rechts) beschichtet, welche die schädigenden UV-Strahlen refl ektieren. Im Vergleich dazu
links eine unbehandelte Faser
Nanotechnik auf der Haut
Kommerziell schon lange verfügbar und
in diesem Kontext auch landläufi g einigermaßen
bekannt sind Nanopartikel in Sonnencremes
oder UV-Schutzkleidung, die
die Haut durch Refl exion oder Absorption
energiereicher Sonnenstrahlen vor Schädigungen
schützen (Bild 5). Ebenfalls bereits
am Markt befi ndet sich Spezialwäsche
für Neurodermitiskranke aus silberummantelten
Fasern. Von diesen werden während
des Tragens Silberionen abgegeben,
die schädliche Bakterien auf der Haut
dezimieren, das Risiko von Sekundärinfektionen
verringern und damit für eine
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Verbesserung des Krankheitsbildes sorgen.
Keramische Nano-Beschichtungen, die mittels
Sol-Gel-Verfahren auf eine Wundauflage
appliziert werden, verleihen dieser
antiadhäsive Eigenschaften, so dass beim
Verbandswechsel die frisch gebildete Haut
auf der Wunde verbleibt. Für Wellness und
medizinische Anwendungen eigenen sich
Mikro- oder Nanokapselsysteme, welche
nachträglich auf das fertig konfektionierte
Textil aufgebracht werden und durch die
beim Tragen entstehende Reibung oder
Wärmeeinwirkung die inkorporierten Wirkstoffe
freisetzen. Nanoskalige Depotstrukturen
von Cyclodextrinen sind in der Lage,
Geruchsmoleküle adsorptiv zu binden und
Gewünschte Materialeigenschaft Nanotechnischer Ansatz
Superhydrophobie, d.h. extrem wasserabweisendes
Verhalten
Siliziumdioxid -Nanopartikel (SiO2) oder Sol-Gel
UV-Schutz, Faserschutz Titandioxid-Nanopartikel (TiO2 in Rutil-Kristallmodifi
kation) oder Zinkoxid (ZnO)
Photokatalyse (organische Schadstoffe
wie Formaldehyd etc. werden unter Einfl
uss von Licht zersetzt)
Titandioxid-Nanopartikel (TiO2 in Anatas-Kristallmodifi
kation)
Schmutzabweisende Funktion, vergleich- Mikroraue, dreidimensionale Oberfl ächenstrukbar
mit Lotusblättern
tur (SiO2 und Fluorcarbone)
Physikalische Bindung unangenehmer Cyclodextrine („körbchenförmige“ Stärkemo-
Gerüche
leküle)
Biochemische Inhibition unangenehmer
Gerüche
Silber-Nanopartikel
Antimikrobielle Wirkung (z.B. Textilien
für Neurodermitiker)
Silber-Nanopartikel
Elektromagnetische und Infrarot-Abschirmung
(EM/IR-Schutzkleidung)
ITO-Nanopartikel (Indium-Zinn-Oxid, InSnO)
Leitfähigkeit, magnetische Eigenschaften
(Remote Heating), z.B. zur Wärmung
von Outdoorkleidung
Eisen-Nanopartikel (Fe) und Eisenoxid (Fe2O3) Antiadhäsive Wirkung (Wundaufl agen) Keramische Nano-Beschichtung (Sol-Gel-Verfahren)
Interferenzfarben, bei denen der Farbeindruck
abhängig vom Einfallswinkel
des Lichts wechselt
Brechungsindex-Veränderungen der
optischen Eigenschaften
Kern-Schale-Partikel mit Dimensionen im Bereich
des sichtbarer Lichtwellenlängen; Nanoskalige
Lichtfallen für ultraschwarze Effekte
Kristallisierte Nanodispersionen mit Partikelgrößen
im Bereich sichtbarer Lichtwellenlängen
(400-800 nm)
Verbesserte Abriebfestigkeit Keramische Nanopartikel (Aluminiumoxid,
Al 2O 3)
Tabelle 1: Beispiele für den möglichen Einsatz von Nanopartikeln
(ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
erst bei der nächsten Wäsche wieder freizusetzen.
So ausgerüstete Kleidungsstücke
wirken länger frisch. Hinsichtlich hochfester
oder leitfähiger Fasern werden Kohlenstoff-Nanoröhren
(CNTs) in hybriden Faserverbünden
oder sogar als Reinmaterial in
den nächsten Jahren eine zunehmende
Rolle spielen. In Tabelle 1 sind einige
Anwendungen zusammengestellt, die sich
in der Entwicklung befi nden oder teilweise
auch bereits marktreif sind.
Kritische Prüfung der Verträglichkeit
Damit eröffnet die Nanotechnologie für
Textilien vielfältige neue Einsatzbereiche
und für Hersteller und Handel neue Zielgruppen
und Umsatzchancen. Mit der weiteren
Verbreitung wird der Nachweis biologischer
Unbedenklichkeit an Bedeutung
gewinnen und Voraussetzung für eine
nachhaltige Akzeptanz sein. Die Hohensteiner
Institute haben für den Textilsektor
weltweit einzigartige biologische, tierversuchsfreie
Testsysteme entwickelt, um
die Wirkung von Nanopartikeln auf den
Menschen sicher zu beurteilen. Anhand
standardisierter Laboruntersuchungen lässt
sich so die Gewebeverträglichkeit belegen
(Ausschluss möglicher Zytotoxizität) und
etwaige Sensibilisierungs- und Irritationspotenziale
sowie das Erbgut schädigende
Potenziale (Genotoxizität) textiler Ausrüstungen
bestimmen. Art und Umfang der
Prüfungen richten sich dabei nach den
Einsatzbereichen der Textilien.
Der Beleg über die Biokompatibilität einer
Nano-Ausrüstung ist – neben dem Nachweis
einer erreichten zusätzlichen Funktion
– u.a. auch Basis für die Vergabe des
Hohensteiner Qualitätslabels für Nanotechnologie.
Dieses fi ndet sich an immer mehr
Textilien und bietet sowohl dem Handel
als auch dem Verbraucher die Sicherheit,
dass das so ausgezeichnete Produkt über
eine auf Nanopartikel begründete Zusatzfunktion
verfügt und dabei nachweislich
gesundheitlich unbedenklich in der Verwendung
ist.
Ansprechpartner:
Dr. Jan Beringer
Direktor Abteilung Textile Dienstleistungen
& Innovationen
Forschungsinstitut Hohenstein Prof. Dr.
Jürgen Mecheels GmbH & Co. KG
(Hohensteiner Institute)
Schloss Hohenstein
D-74357 Bönnigheim
Tel. 07143/271-714
Fax 07143/271-94714
eMail: j.beringer@hohenstein.de
Internet: www.hohenstein.de