Die Einwegwindel – Ein Hightechprodukt

Einwegwindeln kamen in der Mitte des 20. Jahrhundert auf den Markt und haben inzwischen ein jährliches Handelsvolumen von mehreren Milliarden US-Dollar erreicht. Ursprünglich waren solche Wegwerfwindeln recht einfach in ihrem Aufbau, doch durch kontinuierliche Entwicklung handelt es sich heute bei Einwegwindeln um echte Hightech-Produkte aus Hochleistungsmaterialien. Dabei sind typischerweise mehrlagige Schichtsysteme die Basis, in denen ein Vliesstoff den Transport der Flüssigkeit in den absorbierenden Kern übernimmt und die Haut trocken hält. Zusätzliche Schichten verteilen die Flüssigkeit innerhalb der Windel, um den Kern aus zellulosebasiertem Superabsorber gleichmäßig zu benetzen. Äußerlich wird die Windel von einem atmungsaktiven Kunststoffgewebe zusammengehalten, wobei die einzelnen Schichten oft selbst Laminate sind, die aus verschiedenen Polymeren, Füllstoffen und eingebetteten Fasern bestehen.

Die richtige Technik entscheidet

Raman-Mikroskop mit Sicherheitsgehäuse der Laserklasse 1 und automatischem Probentisch. (Bildquelle: Bruker Optik)

Die Raman Mikroskopie ist ein gutes Werkzeug, um die chemische Identität von organischen wie anorganischen Stoffen aufzuklären. Sie ist in der Lage kleinste Strukturen im Submikrometerbereich aufzulösen. Die Methode erlaubt das Anfertigen chemischer Bilder, mit denen Aussagen zur Verteilung einzelner Komponenten in heterogenen Materialien getroffen werden können. Bei der Ramanspektroskopie wird Materie mit monochromatischem (Laser-) Licht bestrahlt und das inelastisch gestreute Licht untersucht. Auf diese Weise werden zum Beispiel Informationen über Molekülschwingungen erhalten. Das Verfahren arbeitet sowohl zerstörungs- als auch kontaktfrei und erlaubt sogar die Analyse anspruchsvoller Proben, wie weichem Vliesstoff.

Moderne Raman Imaging Mikroskope, wie das Senterra II von Bruker, Ettlingen, sind inzwischen vor allem auf Anwenderfreundlichkeit ausgerichtet, hochgradig automatisiert und gehen in Punkto Leistung keine Kompromisse ein.

Analyse der äußeren Schichten einer Einwegwindel

Nahaufnahme des Laminats einer Wegwerfwindel (links) mit den definierten Messpunkten sowie eine beispielhafte Identifikation eines unbekannten Materials (rechts). (Bildquelle: Bruker Optik)

Die äußere Schicht einer Windel soll vor allem Flüssigkeiten zurückhalten und gleichzeitig durchlässig für Luft und Wasserdampf sein. Diese vielseitige Funktionalität wird durch spezifische Polymerlaminate erreicht. Bei solchen Verbunden kann beispielsweise ein im zu untersuchenden Material enthaltener Farbstoff zu einer unerwünschten Fluoreszenz führen und ist dadurch ein kritischer Faktor. Bei der Analyse wurde deshalb auf einen langwelligen Laser (785 nm) zurückgegriffen, um möglichst fluoreszenzfrei arbeiten zu können.

Entlang eines Querschnitts des circa 120 µm dicken Laminats wurden in einer Linie 210 Messpunkte mit einem Abstand von lediglich 0,55 µm definiert und die Analyse vollautomatisch gestartet. Das Ergebnis des Line-Mappings ergab, dass das Material aus sieben Schichten besteht, die in drei chemische Gruppen gegliedert werden konnten: Reines Polyethylen, Polyethylen mit TiO₂ als Füllstoff sowie ein roter, organischer, aromatischer Farbstoff.

3D-Darstellung der Korrelation zwischen chemischer Identifikation mittels Referenzdaten und den gemessenen Spektren des Laminats. Hohe Balken geben eine gute Übereinstimmung an. (Bildquelle: Bruker Optik)

Aus den erhaltenen Daten wurden chemische Bilder des Laminats erstellt. Die Höhe der Balken gibt an wie gut die entsprechende Schicht mit der chemischen Identifikation übereinstimmt. Da die Raman-Analyse die Probe nicht verändert hat, konnten im Nachgang die Schichtdicken der sieben einzelnen Schichten Raman mikroskopisch bestimmt werden: 3 µm PE (mit geringen Mengen TiO₂), 40 µm PE, 6 µm Schicht roter Farbstoff, 13 µm PE, 31 µm PE mit Füllstoff TiO₂, 12 µm PE und nochmals 3 µm (mit geringen Mengen TiO₂).

Zusammensetzung eines Vliesstoffes

Vliesstoffe sind meist aus verschiedenen Fasern hergestellt und besitzen eine poröse Struktur. Wie eingangs erwähnt, bilden solche Materialien die Innenseite der Einwegwindeln und stehen in direktem Kontakt mit der Haut. Gerade aufgrund des ständigen Hautkontaktes ist es wichtig solche Materialien genauestens auf ihre Bestandteile und Qualität zu prüfen.

Visuelle Aufnahme des Vliesstoffes und darübergelegt wurden chemische Bilder der Raman Analyse. Links im Bild PE, mittig PET und rechts ist die Verteilung der Fasersorten dargestellt. (Bildquelle: Bruker Optik)

Das Vlies wurde direkt und ohne Probenvorbereitung mit Raman Mikroskopie untersucht. Um die besten Ergebnisse von der Oberfläche des fluffigen Materials zu bekommen, wurde erneut der langwellige Laser mit 785 nm eingesetzt. Ziel war es, die Polymerart der verwendeten Fasern festzustellen.

Das Vorhandensein zweier verschiedener Fasersorten, Polyethylen (PE) und Polyethylenterephthalat (PET), konnte zweifelsfrei bestätigt werden. Um die Verteilung zu verdeutlichen wurde abermals ein chemisches Bild angefertigt. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl PE, als auch PET-Fasern verwendet wurden. Ebenso ist die Verteilung der Fasern zu sehen. Das chemische Bild ermöglicht es, neben dem eher geringen visuellen Kontrast der Fasersorten, auch den chemischen Kontrast zur Verteilungsanalyse zu nutzen.

Breites Anwendungsfeld

Obwohl einfach durchzuführen und unkompliziert im Messaufbau, ist die Raman Mikroskopie eine gut geeignete Methode, um komplexe Mehrschichtmaterialien zu untersuchen. Die Anwendungsmöglichkeiten enden selbstverständlich nicht bei Einwegwindeln, ganz im Gegenteil. Die vorgestellte Methodik lässt sich einfach und schnell auf viele Anwendungsbereiche und über viele Industrien hinweg adaptieren. Es kann die Carbonfaserverteilung in Composite-Werkstoffen ebenso dargestellt werden wie der Aufbau von Wundpflastern oder mehrschichtigen Oberflächenbeschichtungen.

Moderne und intuitive Benutzeroberflächen ermöglichen es inzwischen auch ungeübten Anwendern mit Raman Mikroskopen umzugehen und damit schnell analytische Erfolge zu erzielen.