Feuerfeste und bequeme Baumwolle: schützender Stoff ohne Formaldehyd

Mar 18, 2024

Von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), 18. September 2021

Kostengünstig: Empa-Wissenschaftler Sabyasachi Gaan nutzt Dampf aus einem handelsüblichen Schnellkochtopf, um Baumwollstoffproben flammhemmend zu machen. Bildnachweis: Empa

Ein neues, von der Empa entwickeltes chemisches Verfahren verwandelt Baumwolle in einen feuerfesten Stoff, der dennoch die hautfreundlichen Eigenschaften von Baumwolle behält.

Modernste flammhemmende Baumwolltextilien leiden unter der Freisetzung von Formaldehyd und sind unangenehm zu tragen. Empa-Wissenschaftlern gelang es, dieses Problem zu umgehen, indem sie im Inneren der Fasern ein physikalisch und chemisch unabhängiges Netzwerk von Flammschutzmitteln schufen. Dieser Ansatz bewahrt die inhärenten positiven Eigenschaften von Baumwollfasern, die drei Viertel des weltweiten Bedarfs an Naturfasern in Bekleidung und Heimtextilien ausmachen. Baumwolle ist hautfreundlich, da sie große Mengen Wasser aufnehmen und ein günstiges Mikroklima auf der Haut aufrechterhalten kann.

Für Feuerwehrleute und andere Einsatzkräfte stellt Schutzkleidung die wichtigste Barriere dar. Für solche Zwecke wird Baumwolle hauptsächlich als innere Textilschicht verwendet, die zusätzliche Eigenschaften benötigt: Sie muss beispielsweise feuerfest sein oder vor biologischen Schadstoffen schützen. Dennoch sollte es nicht hydrophob sein, da sonst ein unangenehmes Mikroklima entstehen würde. Diese zusätzlichen Eigenschaften können durch geeignete chemische Modifikationen in die Baumwollfasern eingebaut werden.

„Um Baumwolle feuerfest zu machen, war bisher immer ein Kompromiss erforderlich“, sagt Sabyasachi Gaan, Chemikerin und Polymerexpertin, die im Advanced Fibers-Labor der Empa arbeitet. Waschbeständige, flammhemmende Baumwolle wird in der Industrie durch die Behandlung des Stoffes mit Flammschutzmitteln hergestellt, die sich chemisch mit der Zellulose der Baumwolle verbinden. Derzeit hat die Textilindustrie keine andere Wahl, als Chemikalien auf Formaldehydbasis zu verwenden – und Formaldehyd wird als krebserregend eingestuft. Dies ist seit Jahrzehnten ein ungelöstes Problem. Flammschutzmittel auf Formaldehydbasis sind zwar langlebig, haben aber noch weitere Nachteile: Die -OH-Gruppen der Zellulose werden chemisch blockiert, was die Fähigkeit der Baumwolle, Wasser aufzunehmen, erheblich verringert, was zu einem unbequemen Textil führt.

Gaan kennt die Chemie von Baumwollfasern gut und hat viele Jahre an der Empa damit verbracht, Flammschutzmittel auf Basis der Phosphorchemie zu entwickeln, die bereits in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Nun ist es ihm gelungen, einen eleganten und einfachen Weg zu finden, Phosphor in Form eines eigenständigen Netzwerks im Inneren der Baumwolle zu verankern.

Die neuartige Phosphorchemie kann auch zur Entwicklung anderer Materialien genutzt werden, beispielsweise zur Herstellung von Hydrogelen, die bei pH-Änderungen Medikamente freisetzen können. Solche Gele könnten bei der Behandlung langsam heilender Wunden Anwendung finden. Bei solchen Wunden steigt der pH-Wert der Hautoberfläche und die neuen Gele auf Phosphorbasis können dazu veranlasst werden, Medikamente oder einen Farbstoff freizusetzen, der Ärzte und Pflegepersonal auf das Problem aufmerksam macht. Auch die Empa hat sich die Herstellung solcher Hydrogele patentieren lassen.

Gaan und seine Kollegen Rashid Nazir, Dambarudhar Parida und Joel Borgstädt nutzten eine trifunktionelle Phosphorverbindung (Trivinylphosphinoxid), die nur mit spezifisch hinzugefügten Molekülen (Stickstoffverbindungen wie Piperazin) reagieren kann, um im Inneren der Baumwolle ein eigenes Netzwerk zu bilden. Dadurch wird die Baumwolle dauerhaft feuerbeständig, ohne die günstigen -OH-Gruppen zu blockieren. Darüber hinaus mag das physikalische Phosphinoxid-Netzwerk auch Wasser. Diese flammhemmende Behandlung enthält kein krebserregendes Formaldehyd, das Textilarbeiter bei der Textilherstellung gefährden würde. Das so gebildete Phosphinoxid-Netzwerk lässt sich nicht auswaschen: Nach 50 Wäschen sind noch 95 Prozent des flammhemmenden Netzwerks im Stoff vorhanden.

Um der an der Empa entwickelten flammhemmenden Baumwolle zusätzliche Schutzfunktionen zu verleihen, haben die Forscher auch in situ erzeugte Silbernanopartikel in das Gewebe eingearbeitet. Dies funktioniert gut in einem einstufigen Prozess zusammen mit der Erzeugung der Phosphinoxid-Netzwerke. Silbernanopartikel verleihen der Faser antimikrobielle Eigenschaften und überstehen auch 50 Wäschezyklen.

„Wir haben einen einfachen Ansatz verwendet, um die Phosphinoxid-Netzwerke innerhalb der Cellulose zu fixieren“, sagt Gaan. „Für unsere Laborexperimente haben wir die Baumwolle zunächst mit einer wässrigen Lösung aus Phosphor- und Stickstoffverbindungen behandelt und sie dann in einem leicht zugänglichen Schnellkochtopf gedämpft, um die Vernetzungsreaktion der Phosphor- und Stickstoffmoleküle zu erleichtern.“ Der Auftragsprozess ist mit den in der Textilindustrie verwendeten Geräten kompatibel. „Das Dämpfen von Textilien nach dem Färben, Bedrucken und Veredeln ist ein normaler Schritt in der Textilindustrie. Daher ist für die Anwendung unseres Verfahrens keine zusätzliche Investition erforderlich“, sagt der Empa-Chemiker.

Mittlerweile ist diese neu entwickelte Phosphorchemie und ihre Anwendung durch eine Patentanmeldung geschützt. „Zwei wichtige Hürden bleiben bestehen“, sagt Gaan. „Für die zukünftige Kommerzialisierung müssen wir einen geeigneten Chemikalienhersteller finden, der Trivinylphosphinoxid produzieren und liefern kann. Darüber hinaus muss Trivinylphosphinoxid in Europa REACH-registriert werden.“

Referenz: „Physikalische In-situ-Phosphinoxid-Netzwerke: Eine einfache Strategie zur Erzielung dauerhafter flammhemmender und antimikrobieller Behandlungen von Zellulose“ von Rashid Nazir, Dambarudhar Parida, Joel Borgstädt, Sandro Lehner, Milijana Jovic, Daniel Rentsch, Ezgi Bülbül, Anja Huch, Stefanie Altenried, QunRen, Patrick Rupper, Simon Annaheim und Sabyasachi Gaan, 9. Dezember 2020, Chemical Engineering Journal.DOI: 10.1016/j.cej.2020.128028