Chemiefasern

Stoffe nach Maß

Ein Experimentalvortrag von

Christoph Schulz

1. Einleitung

Seit Anbeginn der Menschheit, ist sie angewiesen auf Bekleidung zum Schutz vor Kälte und Umwelteinflüssen. Erste Bekleidung bestand aus Fellen, Tierhaaren oder Pflanzenfasern.

Die Kleidung hat die Aufgabe, ein Luftpolsters von stehender Luft um den Körper aufzubauen und so vor Kälte zu schützen. Sie soll vor Nässe schützen, aber auf der anderen Seite den entstehenden Schweiß vom Körper abtransportieren - in gewisser Weise widersprüchliche Eigenschaften. Außerdem soll die Kleidung haltbar und hygienisch sein, das heißt sie müssen waschbar sein und schwer verrotten.

Für die Fasern, welche für Bekleidung benutzt werden können, ergeben sich somit die folgenden Anforderungen:

• mechanische Festigkeit
• Dehnbarkeit für gute Trageeigenschaften
• Unempfindlichkeit gegen Wärme und Feuchtigkeit (kein zu großes Einlaufen und gute Formbeständigkeit)
• Beständigkeit gegen Temperatur und chemische sowie andere äußere Einflüsse (wie unter anderem auch Schädlinge oder Mikroorganismen)
• nicht zu geringes Wasseraufnahmevermögen zum Abtransport des Körperschweißes

Die Rohstoffe, welche uns die Natur liefern kann, haben nun gewisse Nachteile oder sind nicht im erforderlichen Umfang lieferbar. So ist der Vegetationsrhythmus der faserliefernden Pflanzen nur begrenzt beeinflußbar und die Produktionsflächen zum Anbau zum Beispiel von Baumwolle oder zur Schafzucht begrenzt und können kaum noch ausgedehnt werden. Auch zeigen die natürlichen Fasern eine Empfindlichkeit gegen Licht, Luft, Mikroorganismen und Schädlinge. Es besteht daher ein großer Bedarf nach neuen Fasern. Die moderne Chemie hat hierin großes und für die Entwicklung der Menschheit wichtiges Betätigungsfeld gefunden.

Eine Möglichkeit, neue Fasern herzustellen, zeigt Versuch 1, auch wenn die hier erzeugten Polyamidfasern durch die Art der Herstellung nicht zur Produktion von Garnen geeignet sind. Im Versuch findet eine Polykondensation von 1,6 - Diaminohexan und Sebacinsäuredichlorid statt. Die Reaktion erfolgt nach den bekannten nukleophilen Substitutionsmechanismus an Carbonylgruppen.

Die Bezeichnung Polyamid 6.10 kommt von den 6 Kohlenstoffatomen in der Kette beim Diamin und den 10 Kohlenstoffatomen in der Kette beim Disäurechlorid.

Die Polyreaktionen, d.h. Reaktionen bei denen aus kleineren Verbindungen Moleküle mit extrem hohen Molmassen entstehen, werden in der deutschen Literatur in drei verschiedene Typen unterteilt.

Die Polymerisation verläuft nach einem Polymerisations-Kettenmechanismus, bei dem die Kettenaufbaureaktion nur an einem aktivierten Ende der Verbindung weiterverläuft (z.B. radikalische Polymerisation).

Bei der Polykondensation und der Polyaddition besteht kein solcher Kettenmechanismus, die Reaktion kann gleichzeitig an verschiedenen Stellen erfolgen. Der Unterschied besteht nun darin, daß bei der Polykondensation ein (kleineres) Nebenprodukt abgespalten wird (in Versuch 1 ist dies der Chlorwasserstoff). Bei der Polyaddition entsteht kein solches Nebenprodukt.

2. Historische Entwicklung

Bereits 1664 hatte der Engländer Robert Hooke die Idee aus klebrigen Massen künstliche Fäden zu spinnen. Mit dieser Idee war allerdings die Chemie und die Technologie seiner Zeit überfordert. Erst als ab 1850 die Entwicklung der Zellulosechemie einsetzte, ergaben sich Möglichkeiten die Vision von künstlichen Fäden zu verwirklichen. Es wurden verschiedene Verfahren gefunden, Zellulose in eine lösliche Form zu überführen. 1884 präsentierte Graf Hilaire de Chardonnent (1839-1924) bereits erste "Kunstseide", welche er durch Verspinnen von Nitrozellulose (löslich in organischen Lösemitteln) und anschließendem Denitrieren gewonnen hatte. Allerdings war diese Kunstseide - ein Begriff, der sich bis heute gehalten hat, obwohl die Zellulosefasern aus chemischer Sicht nichts mit den Polyamidfasern der Seide zu tun haben - leicht brennbar und konnte daher nicht für Kleidung genutzt werden. Mit der Entwicklung weiterer Verfahren konnten dann allerdings bessere zellulosische Chemiefasern erzeugt werden.

Das Prinzip ist dabei immer das gleiche. Die natürlichen Zellulosestränge werden aus der gewachsenen Struktur herausgelöst und durch Spinndüsen in Faserform gebracht. Das ermöglicht die Gewinnung von neuen Fasern aus Holz oder gebrauchter Baumwolle.

Oben ist die natürliche Anordnung von Zellulosefasern in Baumwolle zu sehen, unten die Form einer künstlichen Viskosefaser.

Dabei wird die Zellulose auf verschiedene Arten in eine lösliche Form überführt. Für Acetatseide wird Acetatzellulose in organischen Lösungsmitteln gelöst und versponnen. Beim Viscoseverfahren wird mit CS₂ Zellulosexanthogenat hergestellt, welches in Wasser löslich ist. Nach den Durchgang durch die Spinndüse wird das CS₂ dann wieder abgespalten und die Zellulose regeneriert. Auch das Cuoxamverfahren zur Herstellung von Kupferseide (Versuch 2) stammt aus dieser Zeit. Hierbei wird die Löslichkeit von Zelloluse in Schweizers Reagenz (wässrige Lösung von Cu(NH₃)₄(OH)₂) zur Herstellung von Fasern ausgenutzt. Neuartige Verfahren nutzen das Lösungsmittel N-Methyl-Morpholin-N-Oxid (NMMO), in dem sich Zellulose ohne Aufbereitung direkt löst.

Lange Zeit war die wahre Struktrur von faserbilbenden Molekülen nicht bekannt. Erst Hermann Staudinger (1881-1965) erkannte 1927 die grundlegenden Bauprinzipien. Unter anderem für diese Arbeiten bekam er später den Nobelpreis für Chemie. Die ersten echten Kunstfasern, d.h. Fasern die nicht von schon vorhandenen natürlichen Zellulosefasern ausgehen, wurden 1935 unter Leitung von Wallace H. Carothers (1896-1937) hergestellt. Sein Team synthetisierte als erstes "Nylon" (Polyamid 6.6).

Seit den Fünfziger Jahren werden nun Chemiefasern in immer größerem Umfang produziert. Vielfältige Stoffe und unterschiedliche Eigenschaften eröffnen den Chemiefasern die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten.

3. Systematik der Chemiefasern

Chemiefasern lassen sich anhand verschiedener Kriterien einteilen:

• Unterschiedliche Materialien
• Unterschiedliche Herstellung
• Unterschiedliche Ausstattung und Nachbehandlung

Das folgende Schema beschreibt die unterschiedlichen Materialien:

Die obengenannten Materialien sind die am häufigsten verwendeten, wie ein Blick auf die Anteile in der Produktion von 1995 zeigt:

Eine gute Möglichkeit, Chemiefasern zu unterscheiden, ist die Brennprobe (Versuch 3). Unterschiedliche Materialien zeigen ein für die Stoffklasse typisches Brandverhalten.

Neben den Unterschieden gibt es aber auch Gemeinsamkeiten der faserbildenden Polymere:

• Die Fasern bestehen aus gleichgerichteten linear gebauten Kettenmolekülen.
• Die Makromoleküle weisen intermolekulare Wechselwirkungen auf, die den Zusammenhalt der Faser sicherstellen. So kommt es zu einer Ausbildung einer einer Nahordnung, d.h. einer Kristallstruktur parallel zur Faserachse.

4. Technologie der Chemiefasern

Chemiefasern werden in verschiedenen Formen produziert. Zum einen gibt es Filamente, d.h. Endlosfasern, welche dann als Mono- oder Multifilamentgarne Verwendung finden. In der anderen Produktionsform werden die Endlosfasern in kleinere Stücke zerschnitten (Stapelfasern), welche dann zu Spinnfasergarnen versponnen werden.

Um die Feinheit von Fasern messen zu können, ist der Durchmesser eine schlechte Meßgröße, da der Fasern meist unregelmäßig dick und schwer zu messen ist. Eine bessere Meßgröße ist die mittlere Feinheit (Titer), d.h. das Verhältnis Masse/Länge. Die Einheit ist tex (1 tex = 1g / 1000 m, 1dtex = 1g / 10000m).

Zum Beispiel 33 dtex f10. Diese Bezeichnung steht für ein Filamentgarn mit 10 Strängen, 10 km wiegen 33 g. 1,7 dtex /38 steht für ein Spinnfasergarn mit 38 mm Schnittlänge, 10 km wiegen 1,7 g.

Bei der Produktion von Chemiefasern gibt es drei verschiedene Arten, die Fasern zu erzeugen (Spinnverfahen):

Naß-Spinnen: Beim Naßspinnverfahren wird das in Lösungsmittel gelöste Polymer durch Spinndüsen in ein Koagulations-bad gepreßt. Dort verfestigt sich die Faser. Auf diese Weise werden z. B. Viskose oder Cupro (Versuch 2) hergestellt.

Trocken-Spinnen: Beim Trockenspinnverfahren wird das gelöste Polymer durch Spinndüsen gepreßt und an einem Luftstrom vorbeigeleitet. Das Lösemittel verdampft und die Faser verfestigt sich. Acetat- und Triacetatfasern werden so hergestellt.

Schmelz-Spinnen: Beim Schmelzspinnverfahren wird das geschmolzene Polymer durch die Spinndüsen gepreßt. Dahinter erstarrt es und bildet die Fasern. Auf diese Weise werden Polyamid- und Polyesterfasern gewonnen.

Die Form der Spinndüse beim Spinnprozeß bestimmt den Querschnitt der Faser. Durch verschiedene Querschnitte können die Eigenschaften der Fasern beeinflußt werde. Dreieckige Querschnitte erhöhen z.B. den Glanz, andere Formen verändern den Griff der Faser. So werden auch Hohlfasern erzeugt, welche eine größere Wärmedämmleistung besitzen.

Nach dem Spinnprozeß werden die gewonnenen Fasern meist einer Nachbehandlung unterzogen.

Beim Verstrecken werden die Fasern kurz erhitzt und auf eine größere Länge ausgezogen. Dabei wird eine Parallelisierung der Faltensegmente in der Faser erzeugt. Die Marcomoleküle richten sich parallel aus und können so besser in Wechelwickung treten. Die Festigkeit in Faserrichtung erhöht sich.

Beim Texturieren wird durch Kräuseln der Faser mehr Bausch erzeugt. Die Fasern haben damit die Möglichkeit, mehr Luft zurückzuhalten. Die Wärmedämmleistung, der Griff und das Aussehen der Fasern verändern sich.

Beim Thermofixieren wird die Faser noch einmal in der neuen Form (nach Verstrecken und Texturieren) erwärmt. Dadurch sollen Spannungen in der Kristallstruktur der Faser abgebaut werden. So wird erreicht, daß der aus der Faser gewonnene Stoff formstabil bleibt und nicht zu viel einläuft. Versuch 4 demonstriert die Notwendigkeit des Thermofixierens.

5. Ausstattung der Chemiefasern

Neben den genannten Nachbehandlungstechniken gibt es noch weitere Möglichkeiten, die Fasern mit speziellen Eigenschaften auszustatten (unter anderen):

Der Prozeß der Verbrennung ist ein äußerst komplizierter Vorgang und noch nicht ein alle Einzelheiten verstanden. Auf jeden Fall lassen sich aber die folgenden Teilabschnitte formulieren: Pyrolyse, Zündung, Verbrennung und Brandausbreitung. Bei der Pyrolyse werden die verbrennenden Verbindungen unter Aufwendung von Aktivierungsenergie in kleinere Verbindungen gespalten. Diese kleineren Moleküle werden dann entzündet und verbrennen (oxidieren) nach radikalischen Mechanismen. Die dabei entstehende Energie wird nun zur Brandausbreitung, d.h. als Aktivierungsenergie für neue Pyrolyse und Zündung genutzt.

Flammschutzmittel greifen in diesen Prozeß an verschiedenen Stellen ein:

• Durch das Freisetzen von "feuerlöschenden" Gasen (H₂O, CO₂, HCl, ...) wird der Sauerstoff verdrängt und die Verbrennung verhindert.
• Die Erzeugung schlecht brennbare Überzüge (C, AlO) erschwert die Pyrolyse.
• Durch Freisetzten von Radikalen (Cl, Br, ...) werden die Kettenreaktionen der Verbrennung unterbrochen.

Häufig verwandte Flammschutzmittel sind Verbindungen von Aluminium, Antimon, Ammoniak, Phosphor, Chlor oder Brom.

In Versuch 5 werden die Flammschutzeigenschaften von Ammoniumphosphat demonstriert, ein damit versetzter Polyesterstoff brennt nicht so gut.

Bei modernen Chemiefasern sind die Flammschutzmittel als Copolymere direkt in der Faser verankert und somit nicht mehr auswaschbar. Da vieles im Bereich von Flammschutzmittel auf empirisch gewonnenen Daten basiert, sind die wahren Zusammen-setzungen der Flammschutzmittel gut gehütete Firmengehemnisse. Ein Einsatz von flammfest ausgestatteten Fasern hat besonders für Wohntextilien eine große Bedeutung.

6. Moderne Fasern

In den letzten Jahren haben sich neuartige Stoffe mit besonderen Eigenschaften am Markt durchgesetzt. Gewebe aus Microfasern und Stoffe mit Membranen erfreuen sich wegen ihrer herausragenden Eigenschaften einer steigenden Beliebtheit. Diese Stoffe verbinden den Schutz von Nässe und die Eigenschaft, Körperschweiß abtransportieren und nach außen leiten zu können. Daher sind sie sind sie besonders im Sport- und Freizeitbereich von großer Bedeutung.

Microfasern werden durch verbesserte Spinnverfahren aus verschiedenen Materialien hergestellt. Sie sind feiner als Seide (weniger als 1 dtex). Dadurch sind die aus ihnen hergestellten Gewebe so dicht, daß Wassertropfen nicht eindringen können. Sie bilden auf der anderen Seite auch keine geschlossene Oberfläche, so daß Wasserdampf aus den inneren entweichen kann. Versuch 6 zeigt diese Durchlässigkeit für Wasserdampf.

Ein ähnliches Prinzip liegt auch den Stoffen mit Membran zugrunde: Wassertropfen werden aufgehalten, Wasserdampf kann passieren.

Gore-Tex besteht dabei aus einer dünnen Teflonmembran mit kleinsten Poren. Sympatex besitzt eine extrem dünne Polyestermembran, durch die Wasserdampf hindurchdiffundieren kann.

0,01 mm starke Polyestermembran

Anhang: Kleines Lexikon der Fasern

Acetat - Fasern aus Zellulose-Acetat (Chemiefaser aus natürl. Grundstoff)

Acryl - Synthetikfaser (mit überwiegendem Acrylnitritanteil)

Afghalaine - Wollstoff

Alcantara - Marke, Gewebe aus Polyester und Polyurethan

Alfa - Fasern aus den Blättern der Slipa tenacissima

Alginat - Faser aus den Metallsalzen der Alginsäure

Alpaka - Haare des Alpakas (südamerik. Schafkamel)

Amaretta - Markenname für Gewebe aus Polyester und Polyurethan

Amoco PP3 - Polypropylen-Marke

Angora - Haare des Angorakanins

Antron - Polyamid-Marke

Aramid - ähnlich wie Polyamid/Nylon

Asbest - Gesteinsfaser. Guter Feuerschutz, aber krebserregend

Avril - Viskose-Marke

B

Batist - Baumwollstoff

Baumwolle - Fasern aus den Samen der Baumwollpflanze

Biber - Baumwollstoff

Biber - Haare des Bibers

Bouclé - Wollstoff

Bourette - Seidenstoff

C

Cetryl - Polypropylen-Marke

Charmelaine - Wollstoff

Cheviot - Wollstoff

Chiffon - Seidenstoff

Chintz - Baumwollstoff

Clevyl - Polychlorid-Marke

Cord - Baumwollstoff

Cotton - engl. Bezeichnung für Baumwolle

Crêpe de Chine - Seidenstoff

Crêpe Georgette - Seidenstoff

Crêpe Satin - Seidenstoff

Cupro - seidenähnliche Chemiefaser aus Zellulosefasern

D

Dacron - Polyester-Marke

Damasse - Seidenstoff

Damast - Baumwollstoff

Danufil - Viskose-Marke

Denim - Baumwollstoff (=Jeans)

Diagonal - Wollstoff

Diolen - Polyester-Marke

Dolan - Polyacryl-Marke

Donegal - Wollstoff

Doppelripp - Baumwollstoff

Dorix - Polyamid-Marke

Dorlastan - Elasto-Marke

Doupionseide - grober Seidenstoff (Wildseide)

Dralon - Polyacryl-Marke

Drell - Leinenstoff

Duchesse - Seidenstoff

Dunova - Polyacryl-Marke

E

Elastan - elastische Faser aus überwiegend segmentiertem Polyurethan, Marke

Elasthan - alte Schreibweise für "Elastan"

Elasto - gummiartige Synthetikfaser

Elastodien - elastische Faser aus natürl. oder synthetischem Polyisopren

Enkaswing - Elasto-Marke

Evlan - Viskose-Marke

F

Feinripp - Baumwollstoff

Filz - Wollstoff

Finette - Baumwollstoff

Fischotter - Haare des Fischotters

Flachs - Bastfasern aus den Stengeln des Flachses = Leinen

Flanell - Wollstoff

Flausch - Wollstoff

Fluoro - Membran mit Mikroöffnungen (z.B. Gore-Tex)

Fluorfaser - Synthetikfaser (aus aliphatischen Fluor-Kohlenstoff-Monomeren)

Fresco - Wollstoff

G

Gabardine - Baumwollstoff

Ginster - Bastfasern aus den Stengeln bestimmter Pflanzenarten

Glas - Fasern aus Glas, absolut feuerfest

Gore-Tex - wasser- und windabweisendes, aber dampfdurchlässiges Teflongewebe (Marke)

Guanako - Haare des Guanakos

Gummi - wird vor allem als Regenschutz verwendet

H

Haar - Haare diverser Tiere, mit oder ohne Angabe der Tiergattung

Hanf - Bastfasern aus den Stengeln des Hanfes

Helanca - Polyamid-Marke

Henequen - Fasern aus dem Bast der Agave Fourcroydes

Honan - grober Seidenstoff (Wildseide)

Hostaflon - Fluoro-Membran, Marke

I

Interlock - Baumwollstoff

J

Jeans - Baumwollstoff (=Denim)

Jute - Bastfasern aus den Stengeln bestimmter Pflanzenarten

K

Kamel - Haare des Kamels

Kanin - Haare des Kanins

Kapok - Fasern aus dem Fruchtinneren der Kapokpflanze

Kaschmir - Haare der Kaschmirziege

Kattun - Baumwollstoff

Kevlar - Polyamid-Marke

Kohlenstoff - Fasern aus Kohlenstoff

Kokos - Fasern aus der Frucht der Cocos nucifera

Kretonne - Baumwollstoff

L

Laine - engl. Bezeichnung für Wolle

Lama - Haare des Lamas

Leavil - Polyvinylchlorid-Marke

Leinen - Bastfasern aus den Stengeln des Flachses

Loden - Wollstoff

Lurex - Metallfasern (überwiegend als Effekt)

Lycra - Markenname, Elastofaser (s. Elastan)

M

Maguey - Fasern aus dem Bast der Agave Cantala

Manila - Fasern aus den Blattscheiden der Musa textilis

Maulbeerseide - "echte" Seide, feine Seide (im Gegensatz zur Wildseide)

Meraklon - Polypropylen-Marke

Metall - Faser aus Metall

Modacryl - ähnlich Polyacryl, aber geringerer Acrylnitritanteil

Modal - Chemiefaser aus natürl. Grundstoff - wie Viskose, aber reißfester

Mohair - Haare der Angoraziege

Molton - Baumwollstoff

Mousseline - Wollstoff

N

Nessel - Baumwollstoff

Nomex - Polyamid-Marke

Nylon - Markenname für Polyamid

Nyltest - Polyamid-Marke

O

Oletene - Polypropylen-Marke

Organza - Seidenstoff

Orlon - Polyacryl-Marke

Oxford - Baumwollstoff

P

Papier - Textil aus Papier

Perlon - Polyamid-Marke

Polyacryl - Synthetikfaser (mit überwiegendem Acrylnitritanteil)

Polyamid - Synthetikfaser (relativ elastisch)

Polyäthylen - Synthetikfaser = Polyethylen

Polychlorid - Synthetikfaser (mit überwiegendem Anteil chloriertem Olefin)

Polyester - Synthetikfaser (überwiegend aus Ester eines Diols mit Terephtalsäure)

Polyethylen - Polyolefin-Faser = Polyäthylen

Polyharnstoff - Synthetikfaser

Polynosic - muß in Deutschland mit "Modal" bezeichnet werden, viskoseähnlich

Polyolefin - Chemiefaser aus synthetischem Grundstoff

Polypropylen - Polyolefin-Faser

Polyurethan - Synthetikfaser (Elasto)

Polyvenylalkohol - Synthetikfaser

Polyvenylchlorid - Synthetikfaser

Polyvenylidenchlorid - Synthetikfaser

Ponge - Seidenstoff

Popeline - Baumwollstoff

R

Ramie - Fasern aus dem Bast bestimmter Pflanzenarten

Rayon - nicht mehr gebräuchliche Bezeichnung für Viskose

Reyon - amerik. für Rayon

Regenerierte Proteinfaser - Fasern aus regeneriertem und stabilisiertem Eiweiß

Renforcé - Baumwollstoff

Rhovyl - Polychlorid-Marke

Rinderhaar - Haare vom Rind

Roßhaar - Haare von Pferden

S

Samt - Baumwollstoff

Satin - Seidenstoff

Schurwolle - Haare vom Fell des Schafes

Seide - Fasern aus Kokons seidenspinnender Insekten

Shantung - grober Seidenstoff (Wildseide)

Shetland - Wollstoff

Sisal - Fasern aus den Blättern der Agave sisalana

Sunn - Fasern aus dem Bast der Crotalaria juncea

Sympa-Tex - wasser- und windabweisendes, aber dampfdurchlässiges

Teflongewebe (Marke)

T

Tactel - Polyamid-Marke

Taft - Seidenstoff

Teflon - Marke, Fluoro-Membran

Tencel - muß in Deutschland eigentlich "Lyocell" heißen, viskoseähnlich

Tergal - Polyester-Marke

Terylene - Polyester-Marke

Thermovyl - Polyvinylchlorid-Marke

Trevira - Polyester-Marke

Triacetat - Fasern aus Zellulose-Acetat (Chemiefaser aus natürl. Grundstoff)

Trikotine - Wollstoff

Trivinyl - Synthetikfaser aus verschiedenen Vinylmonomeren

Tuch - Wollstoff

Tweed - Wollstoff

Twill - Seidenstoff

V

Vegon - Polyolefin-Markenname

Vikunja - Haare des Vikunjas (wildlebendes Schafkamel)

Viskose - Synthetisch hergestellte Faser aus natürlichem Grundstoff

Vinylal - Synthetikfaser

W

Wolle - Fasern vom Fell des Schafes

Wolpryla - Polyacryl-Markenname

Wildseide - grobe, ungleichmäßige Seide

Y

Yak - Haare des Yaks

Z

Zellwolle - veralteter, nicht mehr zugelassener Begriff für Viskose

Ziegenhaar - Haare der Ziege (!)