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The sol-gel approach offers a new class of flame retardants with a high potential for textile applications. Pure inorganic sol-gel systems do, however, typically not provide an effect sufficient for a sel-fextinguishing behavior on its own. We therefore employed compounds with nitrogen and phosphorous containing groups. Especially the combination of compounds with both elements, using the synergism, is promising for the aim to find well-applicable, environmental friendly, halogen-free flame retardants. In our approach, the sol-gel network ensured on the one hand the link to the textile as nonflammable binder. On the other hand, the sol-gel-based networks modified with functional groups containing nitrogen groups provided flame retardancy. In this way, a flame retardant finishing for textiles could be obtained by simple finishing techniques as, e.g., padding. Besides a characterization with various flame tests (e.g., according to EN ISO 15025 e protective clothing), we used a combination of cone calorimetry, thermogravimetry coupled with infrared spectroscopy analysis and scanning electron microscopy to analyze the mechanism of flame retardancy. Thus, we could show that the main mechanism is based on the formation of a protection layer. This work provides a model system for sol-gel-based flame retardants and has the potential to show the principle feasibility of the sol-gel approach in flame retardancy of textiles. It therefore lays the groundwork for tailoring sol-gel layers from newly synthesized sol-gel precursors containing nitrogen and phosphorous groups.
Schweißerschutzkleidung muss unterschiedlichen Anforderungen genügen. Sie muss u.a. flammfest sein, den Schweißer vor Metallspritzern schützen, die beim Schweißen entstehen, und auch einen Schutz vor UV-Licht sicherstellen, das im Schweißbogen entsteht. Besonders der Schutz vor Metallspritzern wird durch das Flächengewicht der Textilien bestimmt. Der entsprechende Schutzfaktor wird durch Tropfen flüssigen Eisens bestimmt, die auf ein Gewebe fallen. Dabei gilt: je höher das Flächengewicht, desto höher der Schutz vor Schweißspritzern. Jedoch gilt auch: je höher das Flächengewicht, desto schlechter ist der Tragekomfort und desto wärmender ist die Kleidung und damit die körperliche Belastung des Trägers. Durch die Applikation von Nanopartikeln ist es möglich, das benötigte Flächengewicht der Kleidung zu reduzieren.
Abreinigbare Schlauchfilter kommen zur Abscheidung von Stäuben sowie staubförmigen Substanzen zum Einsatz. Aufgrund typischer Prozessbedingungen unterliegen sie während ihres Einsatzes thermischer, chemischer und mechanischer Beanspruchung. Das IGF-Projekt Nr. 18307 "Untersuchung der chemischen und thermischen Degradation von abreinigbaren Filtermedien und Verbesserung deren Beständigkeit durch Oberflächenmodifikation" hat mehrere Prüfmethoden verglichen.
Several ionic liquids are excellent solvents for cellulose. Starting from that finishing of PET fabrics with cellulose dissolved in ionic liquids like 1-ethyl 3-methyl imidazolium acetate, diethylphosphate and chloride, or the chloride of butyl-methyl imidazolium has been investigated. Finishing has been carried out from solutions of different concentrations, using microcrystalline cellulose or cotton and by employing different cross-linkers. Viscosity of solutions has been investigated for different ionic liquids,concentrations, cellulose sources, linkers and temperatures. Since ionic liquids exhibit no vapor pressure,simple pad-dry-cure processes are excluded. Before drying the ionic liquid has to be removed by a rinsing step. Accordingly rinsing with fresh ionic liquid followed by water or the direct rinsing with waterhave been tested. The amount of cellulose deposited has been investigated by gravimetry, zinc chlorideiodine test as well as reactive dyeing. Results concerning wettability, water up-take, surface resistance,wear-resistance or washing stability are presented.
Säureschutzmantel - Ausrüstung zum Schutz gegen mikrobiellen Befall - (DTNW Mitteilung Nr. 129)
(2022)
Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Effekt des Säureschutzmantels der menschlichen Haut auf der textilen Oberfläche unter der Verwendung von Säurekatalyten nachzuahmen, um so neuartige, antibakterielle Textilien zu entwickeln. Hierzu sollten für die Textilindustrie wässrige Ausrüstungen entwickelt werden, die über konventionelle Veredlungstechniken wie das Foulardieren appliziert werden können. Die Aktivität der Ausrüstung sollte im feuchten Millieu gegeben sein, um einen Effekt beim Tragen von z.B. Funktionskleidung oder Arbeitskleidung im medizinischen Bereich zu gewährleisten.
Für die Erfüllung der Projektziele wurden verschiedene kommerzielle Polyoxometallate verwendet. Zudem wurden Polyoxometallate synthetisiert und funktionalisiert. Diese führen im wässrigen Millieu eine saure Katalyse durch und kommen als industrielle Katalysatoren an Membranen gebunden zum Einsatz. Ein Aktivitätsscreening geeigneter Kandidaten zeigte, dass eine wässrige Applikation möglich ist und zu einer antibakteriellen Aktivität der ausgerüsteten Textilien führt.
Die Polyoxometallate konnten durch das Sol-Gel-Verfahren mittels Tetraethoxysilan durch Foulardierverfahren im Labormaßstab an verschiedenen Textilien immobilisiert werden. Eine Hochskalierung auf den Technikumsmaßstab gelang ebenfalls. Das Aktivitätsscreening der Ausrüstungen zeigte, dass ein saurer Oberflächen-pH-Wert von ≤ 4 durch die entwickelte Ausrüstung möglich ist und zu einem antibakteriellen Effekt führt. Die Abrasionsbeständigkeit war gegeben. Nach Waschversuchen verloren die Ausrüstungen zum Teil ihren antibakteriellen Effekt.
Insgesamt ergab sich ein Einblick in den Nutzen von Polyoxometallaten als katalytisch aktive Substanz, die zur Ausrüstung von Textilien geeignet ist. Da die in diesem Forschungsvorhaben synthetisierten Polyoxometallate keine genotoxische und mutagene Aktivität aufweisen, können die KMU des textilveredelnden Wirtschaftszweigs eine neue Art der antibakteriellen Ausrüstung anwenden. Um eine Waschstabile Ausrüstung zu erzielen, müssen die Funktionalisierungen und darüber die Bindung der Polyoxometallate an die Ausrüstungsmatrix jedoch weiterentwickelt werden.
Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden erreicht.
Die Anforderungen an Textilien unterscheiden sich je nach Anwendungsbereich stark, wobei es häufig nicht bei nur einer benötigten Funktionalität bleibt. Im Bereich der Funktions- oder Schutzkleidung bzw. PSA ist es z.B. nötig, die Träger der Kleidung vor UV-Strahlung zu schützen. Gleichzeitig bieten hier selbstreinigende Effekte gewisse Vorteile. Zudem kann eine antimikrobielle Wirkung im Bereich der Funktionskleidung die Bildung unangenehmer Gerüche vermindern, sowie im Bereich der PSA – besonders im Gesundheitswesen – zur Unterbrechung von Infektionsketten beitragen. Eine Möglichkeit, diese 3 gewünschten Funktionen in nur einem Ausrüstungsschritt zu erzielen, ist die Immobilisierung von Titandioxid (TiO2). Dieses wird aber aufgrund einer REACH-Listung kritisch für die Anwendung im textilen Sektor gesehen. Nachteilig ist zudem, dass es seine Wirkung nur unter UV-Einstrahlung entfaltet und damit nicht für den Innenbereich geeignet ist. Alternativ können Photokatalysatoren wie dotierte Zinkoxide (ZnO) verwendet werden, die auch durch Einstrahlung im Bereich des sichtbaren Lichts eine katalytische Aktivität aufweisen, die zur Abtötung von Mikroorganismen und zum Abbau organischer Verschmutzungen führen kann.
The requirements for textiles differ greatly depending on the area of application, whereby it often does not remain with only one required functionality. For example, in the field of functional clothing or protective clothing/PPE, it is necessary to protect the textile’s wearers from UV radiation. At the same time, self-cleaning effects offer certain advantages in that field. In addition, an antimicrobial effect in functional clothing can reduce the formation of unpleasant odors, and in PPE – especially in the healthcare sector – can contribute to the interruption of the chain of infection. One way to achieve these 3 desired functions in just one finishing step is to immobilize titanium dioxide (TiO2). However, TiO2 is viewed critically for application in the textile sector due to a REACH listing. Another disadvantage is that it only takes effect under UV radiation and is therefore not suitable for indoor use. Alternatively, photocatalysts such as doped zinc oxides (ZnO) can be used, which also exhibit catalytic activity through activation by visible light, which can lead to the killing of microorganisms and the degradation of organic soiling.
Three established test methods employed for evaluating the abrasion or wear resistance of textile materials were compared to gain deeper insight into the specific damaging mechanisms to better understand a possible comparability of the results of the different tests. The knowledge of these mechanisms is necessary for a systematic development of finishing agents improving the wear resistance of textiles. Martindale, Schopper, and Einlehner tests were used to analyze two different fabrics made of natural (cotton) or synthetic (polyethylene terephthalate) fibers, respectively. Samples were investigated by digital microscopy and scanning electron microscopy to visualize the damage. Damage symptoms are compared and discussed with respect to differences in the damaging mechanisms.
Hauptziel des Projektes war zum einen die Entwicklung einer validen Testmethode auf Grundlage vorliegender Normen, welche die in der betrieblichen Praxis auftretende Degradation abreinigbarer Filtermedien (hohe Temperaturen, aggressive chemische Atmosphären) praxisnah abbilden kann. Die Methode sollte auch die mechanische Alterung der Medien durch Staubbeaufschlagung sowie Abreinigungs Druckstöße berücksichtigen (DIN ISO 11057). Innerhalb des Projektes konnten umfangreiche Praxiserfahrungen mit der Inbetriebnahme und dem Betrieb einer schadgasbeaufschlagten, temperierbaren Testkammer zur chemischen Alterung von Filtermedien auf Grundlage der Vorgaben der DIN EN ISO 16891 gewonnen werden. Sollen vergleichbare Prüfdaten für mehrere Proben verlässlich ermittelt werden, sind bei den Untersuchungen demnach umfangreiche Randbedingungen zu beachten. Insbesondere zeigten die Untersuchungen den hohen technischen Aufwand zur Durchführung der Filtertests auf, welche nicht zuletzt auch aufgrund der erforderlichen Sicherheitstechnik und langen Untersuchungsdauer eine Umsetzung insbesondere bei KMU aus wirtschaftlichen Gründen erschwert ist. Es konnte weiter dargestellt werden, dass die Kombination von chemisch-thermischer und mechanisch(-thermischer) Alterung durch den Einsatz verschiedener Prüfeinrichtungen grundsätzlich umsetzbar ist. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelte Testmethode einer chemischen Alterung der Filtermatrices durch Gasphasenexposition in einer Druckkammer ermöglicht kürzere Beanspruchungszeiträume bei reduziertem zu behandelnden Schadgasanfall und kann damit den wirtschaftlichen Betrieb eines entsprechenden Prüfstandes ermöglichen. Kombiniert mit der externen mechanischen Alterung durch Staubbeaufschlagung und Möglichkeit der parallelen Temperaturaufprägung gem. EN ISO 16891 auf mehrere Filtermedien-Proben lässt sich das thermisch, chemisch und mechanisch induzierte Degradationsverhalten von Filtermedien ggf. realitätsnah und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in eine Prüfvorschrift überführen. Entsprechende Validierungsarbeiten sind Bestandteil eines aktuell gestarteten Folgeprojektes. Das zweite Hauptziel des Projektes war es Ausrüstungen zu entwickeln, die zu einer verbesserten Beständigkeit gegenüber aggressiven Komponenten führen. Die Ergebnisse zeigten, dass mit dem Sol-Gelverfahren mechanisch stabile Beschichtungen auf Faservlies dauerhaft aufgetragen werden konnten, welche insbesondere die chemisch induzierte Degradation von Aramiden reduzieren können. Bei Aramiden handelt es sich um relativ teure Hochleistungsmaterialien, von welchen bekannt ist, dass ihre Beständigkeit sowohl gegen über UV-Strahlung als auch unterschiedlichen Schadgasen gering ist. Daher stellen die Beständigkeit der Materialien verbessernde Ausrüstungen eine wichtige Entwicklung für Unternehmen dar, um auf diese Weise beständigere Aramid-basierte Produkte zu erhalten. Als besonders geeignet stellten sich dabei Fluorcarbonausrüstungen, organisch-anorganische Hybride auf Basis von GPTMS und Zirkonium-haltige Ausrüstungen heraus.
Die Ausrüstung von Textilien mit Sol-Gel-Beschichtungen wird seit einigen Jahren intensiv verfolgt. Eine Vielzahl von bekannten, aber auch neuen Ausrüstungseffekten können über diesen Ansatz realisiert werden. Besonders interessant ist die Sol-Gel-Technik wegen der Möglichkeiten, multifunktionelle Ausrüstungen zu synthetisieren. Problematisch ist eine in vielen Fällen geringe Beständigkeit solcher Ausrüstungen, insbesondere gegenüber Waschprozessen. Ziel des Projektes war es davon ausgehend, Vorbehandlungsstrategien für textile Fasermaterialien, basierend auf synthetischen Polymeren oder aus Naturfasern, zu entwickeln, die die Haltbarkeit von Sol-Gel-basierten Ausrüstungen verbessern. Im Rahmen der Arbeiten wurden, angepasst an die jeweiligen Faserpolymere - Polyethylenterephthalat, Polyamid, Polypropylen und Baumwolle - funktionelle Gruppen über geeignete Anker auf den Polymeren etabliert, die in der Lage sind, kovalente Bindungen zu Sol-Gel-basierten Beschichtungssystemen auszubilden. Als Anker wurden primär Trialkoxysilane verwendet, die zusätzlich z.B. Epoxy-, Isocyanato-, Azido- oder Amino-funktionelle Reste besitzen. Mit diesen Resten können die Anker kovalent an die Polymere angebunden werden. Die meisten Sol-Gel-basierten Systeme enthalten zumindest zu einem gewissen Anteil SiOx und/oder MexOy-Cluster. Die zur Funktionalisierung der Oberflächen eingesetzten Alkoxysilane können generell an solche Systeme/Cluster per Kondensation gebunden werden und dienen daher für die effektive Anbindung verschiedenster funktioneller Sol-Gel-Schichten. Entsprechend vorfunktionalisierte Substrate wurden in der Folge mit exemplarisch ausgewählten Sol-Gel-Ausrüstungen beschichtet. Dabei wurden für den Großteil der Untersuchungen hydrophobierende Sole appliziert. Vorteilhaft ist, dass sich der mit hydrophobierenden Solen erzielte Ausrüstungseffekt genau wie dessen Beständigkeit mit vergleichsweise überschaubarem Aufwand über die Untersuchung der Benetzbarkeit (DuPont-Noten, Kontaktwinkel, Tropfeneinsinkzeiten) charakterisieren lässt. Die Wirksamkeit der Vorbehandlungen wurde dann vor allem anhand von Untersuchungen zur Waschbeständigkeit der Ausrüstungen überprüft. Im Rahmen der Arbeiten konnte gezeigt werden, dass sich über die Etablierung geeigneter Anker die Beständigkeit von Sol-Gel-Ausrüstungen bzw. der daraus hervorgehenden Effekte verbessern lässt. Es zeigt sich gleichzeitig, dass die erzielten Verbesserungen sehr stark vom jeweiligen Sol abhängen. D.h., dass sich erzielte Verbesserungen nicht zwangsläufig auf andere Sol übertragen lassen. Analytische Charakterisierungen weisen darauf hin, dass in vielen Fällen die Beständigkeit der Beschichtungsnetzwerke selbst einen weit größeren Einfluss besitzt als die Anbindung an das Substrat. So zeigt sich bei verschiedenen Untersuchungen, dass die Auflage der Sol-Gel-Beschichtung vor allem nach einer ersten Wäsche, aber auch darüber hinaus, signifikant sinkt, oftmals aber ohne dass der durch Ausrüstung erzielte Effekt verloren geht. Dies deutet auf ein (Auf-)Lösen der Beschichtungsmatrizes hin, wovor die Anker nicht schützen können, da deren Wirkung auf die Grenzfläche zum Substrat beschränkt ist. Neben den hydrophobierenden Ausrüstungen wurden exemplarisch auch antibakterielle Ausrüstungen nach den entsprechenden Vorbehandlungen appliziert. Auch hier konnten Verbesserungen in der Beständigkeit des Effektes erzielt werden. Abschließend wurde untersucht inwieweit sich die Vorbehandlungen im Vergleich zur einfachen Ausrüstung negativ auf die textilen Produkte auswirken. Hierzu wurden relevante textile Parameter wie z.B. Höchstzugkräfte, Weißgrade, Steifigkeit oder Luftdurchlässigkeiten bestimmt. Diese Parameter wurden in der überwiegenden Zahl der Vorbehandlungen nicht oder nur geringfügig beeinflusst.
