Ein extrudiertes Filament verlässt den Compunter. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Ein extrudiertes Filament verlässt den Extruder. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Um Polymere und Kunststoffe für Textilien einsetzen zu können, entwickelt das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht, Oberhausen, neue Rezepturen, die zum Teil auf nachwachsenden Rohstoffen basieren und an unterschiedliche Herstellungsverfahren angepasst sind. Der Fokus liegt auf dem Entwickeln thermisch und elektrisch leitfähiger, biologisch abbaubarer, biobasierter sowie für die additive Fertigung geeigneter Compounds zur Modifizierung von Textilien.

Textile Verbundwerkstoffe additiv gefertigt

Im Projekt Additex wurden Kunststoffe entwickelt, um Textilien mit Hilfe des 3D-Drucks funktionale Eigenschaften zu verleihen. Die Kunststoffe werden dabei schichtweise auf das Textil aufgetragen, weswegen ein hohes Maß an Designfreiheit sowie Funktionsoptimierung und -integration erzielt wird. Dies war mit konventionellen Fertigungsverfahren bisher nicht möglich. Anwendungen finden sich besonders im Bereich der Sport-, Schutz- und Sicherheitsbekleidung sowie bei flächigen Textilien, die zum Beispiel zum Optimieren der Akkustik eingesetzt werden.

Aus entwickelten Werkstoffen werden Filamente für den 3D-Druck. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Aus entwickelten Werkstoffen werden Filamente für den 3D-Druck. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Anspruchsvoll war die Entwicklung und Modifizierung von Werkstoffen und Filamenten für das Verarbeiten mit der 3D-Drucktechnologie Fused Deposition Modeling (FDM). Die benötigten Werkstoffeigenschaften (zum Beispiel hinsichtlich Flexibilität) führten zu Problemen bei der Verarbeitung mittels FDM. Herausfordern erwies sich auch die permanente Haftfestigkeit auf dem Textil. Der aufgedruckte Kunststoff soll sich mit dem Textil fest verbinden und gleichzeitig ausreichend flexibel sein, um die Bewegung und Dehnung der Unterlage mitmachen zu können. Dafür wurde ein flexibles, flammgeschütztes Compound entwickelt, das die Shore-Härte 70A besitzt. Das Material eignet sich besonders für Anwendungen im Bereich des textilen Sonnen- und Schallschutzes. Es wurde bereits durch branchenübliche Tests erfolgreich auf seine Eignung hin geprüft. Werkstoffe in diesem Shore-Härtebereich sind derzeit als FDM-Filament nicht auf dem Markt verfügbar.

Außerdem konnte ein steifes Compound entwickelt werden, das sich besonders für den direkten Aufdruck von Steckverbindungen oder die Formverstärkung für Schutz- und Funktionsbekleidung eignet. Dadurch sollen zukünftig Produktionsschritte eingespart und Kosten gesenkt werden. Auch nach Abschluss des Projekts soll es weitergehen, um die Compounds zu optimieren und weitere Anwendungen zu erschließen. Zukünftig sollen auch biobasierte Kunststoffe für die Anwendung auf Textilien getestet werden.

Wearables aus thermoplastischen Elastomeren

Darüber hinaus werden neuartige, elektrisch leitfähig eingestellte und flexible Kunststoff-Compounds entwickelt, die zu Thermoplast-basierten Bipolarplatten verarbeitet werden können. Das Besondere: Durch das Entwickeln der Rezepturen beim Fraunhofer-Institut konnten die Eigenschaften der Materialien gezielt eingestellt werden. Hergestellt werden sie in kontinuierlicher Rolle-zu-Rolle-Produktionsweise – ein neuartiges Verfahren, das Material und Ressourcen schont. Zudem ermöglicht ein durchdachtes Temperieren im Produktionsprozess, dass die Kunststoffe auch im Nachgang noch umgeformt und sogar verschweißt werden können.

Flexible Kunststoff-Compounds könnten auch in Kleidung eingesetzt werden. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Flexible Kunststoff-Compounds könnten auch in Kleidung eingesetzt werden. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Im Ergebnis sind die Kunststoff-Compounds sowohl elektrisch hochleitfähig, flexibel, mechanisch stabil, gasdicht und chemisch resistent als auch, in Abhängigkeit des Füllgrades an elektrisch leitfähigen Additiven, vielfältig nutzbar. Hochleitfähig werden sie in elektrochemischen Speichern (Batterien), in Energiewandlern (Brennstoffzellen), in chemikalienresistenten Wärmeübertragern eingesetzt oder als Widerstandsheizelemente, die mit einem geringeren Füllgrad an elektrisch leitfähigen Partikeln auskommen.

An diesem letzten Punkt soll in Zukunft angesetzt werden, erklärt Dr.-Ing. Anna Grevé. „Wir möchten für uns neue Einsatzgebiete elektrisch leitfähig eingestellter Kunststoffe erschließen: Wearables. Diese tragbaren Materialien lassen sich mit unseren Materialien nämlich einfach und günstig herstellen“, so die Leiterin der Abteilung Elektrochemische Energiespeicher am Fraunhofer Umsicht. Denkbar sei zum Beispiel, eine Weste, eine Computermaus oder auch Autositze aus Widerstandsheizelementen zu formen. Der Gedanke dahinter heißt Power-to-Heat und ermöglicht die direkte Umwandlung von Energie in Wärme.

Anpassen an die Anwendung

An Binnenwasserstraßen führt der Schiffsverkehr zu einer wechselnden hydraulischen Belastung der Ufer. Mit Einführen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie sollen die heutzutage überwiegend technisch gesicherten Ufer durch das Verwenden von Pflanzen langfristig naturnäher gestaltet werden. Bisher getestete, biologisch abbaubare Vliese sind unter den gegebenen Belastungen nicht ausreichend stabil und verlieren nach wenigen Monaten ihre Filterstabilität. Alternativen aus Kunststoff sind zwar stabil und langlebig, bleiben aber dauerhaft im Boden erhalten. Eine geeignete Lösung, die alle Anforderungen erfüllt, fehlt bislang.

Prototyp eines Geotextilfilters für die Ufersicherung. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Prototyp eines Geotextilfilters für die Ufersicherung. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Im Projekt Bioshoreline werden Textilien für ganz andere Zwecke benötigt: Als Geotextilfilter für die technisch-biologische Ufersicherung. Das hier entwickelte Textil besteht aus nachwachsenden Rohstoffen und soll im Anfangszustand den Boden im Uferbereich zurückhalten, bis die Pflanzenwurzeln ausreichend gewachsen sind und die Filter- und Rückhaltefunktion übernehmen können. Der Geotextilfilter baut sich parallel über eine lange Standzeit nach und nach vollständig ab.

Beim Entwickeln des Textils wurden zunächst Rohstoff bezüglich Verarbeitungseigenschaften zum Herstellen industriell geschaffener Fasern, biologischer Abbaubarkeit und mechanischer Eigenschaften ausgewählt. In mehreren Optimierungsschritten wurden erste Prototypen der Geotextilfilter hergestellt und charakterisiert. Die generelle Durchwurzelbarkeit dieser Materialien wurde mit Weidenspreitlage als Bepflanzung nachgewiesen. Allerdings bildeten sich in den Kästen mit Geotextil im Vergleich zu den Kästen ohne Geotextil weniger und kürzere Wurzeln und Sprosse. Derzeit finden Durchwurzelungsversuche mit optimierten Prototypen statt.

Eine Installation von drei verschiedenen Geotextilprototypen an der Versuchsstrecke der Bundesanstalt für Wasserbau BAW am Rhein findet im Laufe des Jahres statt. In regelmäßigen Zeitabständen werden die Geotextilproben hinsichtlich der technischen Eigenschaften und des biologischen Abbaus untersucht. Anschließend erfolgt auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse aus Freiland- und Durchwurzelungsversuch eine weitere Optimierung.

Über den Autor

Leandra Hamann

ist Redakteurin im Bereich Produkte am Fraunhofer Umsicht in Orberhausen.