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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.
Energy consumption by air-conditioning is expansive and leads to the emission of millions of tons of CO2 every year. A promising approach to circumvent this problem is the reflection of solar radiation: Rooms that would not heat up by irradiation will not need to be cooled down. Especially, transparent conductive metal oxides exhibit high infrared (IR) reflectivity and are commonly applied as low-emissivity coatings (low-e coatings). Indium tin oxide (ITO) coatings are the state-of-the-art application, though indium is a rare and expensive resource. This work demonstrates that aluminum-doped zinc oxide (AZO) can be a suitable alternative to ITO for IR-reflection applications. AZO synthesized here exhibits better emissivity to be used as roofing membrane coatings for buildings in comparison to commercially available ITO coatings. AZO particles forming the reflective coating are generated via solvothermal synthesis routes and obtain high conductivity and IR reflectivity without the need of any further post-thermal treatment. Different synthesis parameters were studied, and their effects on both conductive and optical properties of the AZO nanoparticles were evaluated. To this end, a series of characterization methods, especially 27Al-nuclear magnetic resonance spectroscopy (27Al-NMR) analysis, have been conducted for a deeper insight into the particles’ structure to understand the differences in conductivity and optical properties. The optimized AZO nanoparticles were coated on flexible transparent textile-based roofing membranes and tested as low-e coatings. The membranes demonstrated higher thermal reflectance compared with commercial ITO materials with an emissivity value lowered by 16%.
Sol-Gel basierte Flammschutzmittel stellen einen vielversprechenden Ansatz für Textilien dar, gerade im Bereich des Ersatzes von derzeit etablierten halogenhaltigen Flammschutzmitteln. Letztere sind aufgrund ihrer toxikologisch Bedenklichkeit sowie ihrer mitunter bioakkumulierenden Eigenschaften in die Kritik geraten. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher untersucht wie aus Phosphor- und stickstoffhaltige Silane halogenfreie Flammschutzmittel verwirklicht werden können. Die Sol-Gel-Schicht fungierte dabei zum einen als nicht brennbarer Binder, zum anderen konnten über das Anbinden von Phosphorgruppen in an kommerziell verfügbare Silane Flammschutz aktive Gruppen direkt mit eingebunden werden. Verschiedene Syntheseansätze wurden dabei verfolgt, wobei durch alle hergestellten N-P-Silane ein Flammschutz nach DIN EN ISO 15025 (Schutzkleidung – Schutz gegen Hitze und Flammen) erhalten wurden. Dabei hängt die Flammschutzwirkung stark von den funktionellen Gruppen und der Oxidationsstufe des Phosphors ab, dabei konnte ein entsprechender Flammschutz bei Auflagen von 5 % erzielt werden. Es konnte gezeigt werden, dass ein Mechanismus auf Basis der Bildung einer Schutzschicht hauptsächlich verantwortlich für den Flammschutz ist. Dieses Ergebnis ist für eine zukünftige, weitere Optimierung entsprechender Ausrüstungen nicht zu unterschätzen. Durch Ausrüstungsversuche im semi-industriellen Maßstab konnte weiterhin gezeigt werden, dass einer großtechnischen Umsetzung der angewandten Ausrüstungen prinzipiell nichts im Wege steht. Je nach funktioneller Gruppe am Phosphor konnte die Wasserlöslichkeit und die Waschstabilität kontrolliert werden. Dabei konnte zum einen gezeigt werden, dass hydrophobes N-P-Silane eine bessere Waschbeständigkeit aufweisen, hydrophile N-P-Silane erhalten diese erst bei Fixierungstemperaturen von 180 °C. Ausgehend von den Ergebnissen konnten sticktstoffgenerierende und cyanursäure-basierte N-P-Silane entwickelt werden, welche sich besonders in einer guten Flammschutzwirkung bei Mischgeweben auszeichnen. Insgesamt konnte innerhalb des Forschungsvorhabens gezeigt werden, dass N-P-Silane hervorragende permanente Flammschutzmittel für Textilien sind und auf welchem Mechanismus dieser Flammschutz begründet ist.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, unter Verwendung von photokatalytisch aktiven Zinkoxid- und/oder Titandioxid-Partikeln Kombinationsausrüstungen für die Textilindustrie zu entwickeln, welche einen hohen UV-Schutz (UPF-Wert: 50+), eine hohe antimikrobielle Wirksamkeit und selbsteinigende Eigenschaften garantieren, um so neue hygienischere Textilien zu schaffen. Hierzu sollten wässrige Ausrüstungen entwickelt werden, die über konventionelle Veredlungstechniken – „pad-dry-cure“ – appliziert werden können. Die Aktivität der Partikel sollte unter Einstrahlung von Raumlicht gegeben sein. Daher sollten die Partikel so modifiziert werden, dass ihre Absorption im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes liegt.
Für die Erfüllung der Projektziele wurden verschiedene dotierte TiO2- und ZnO-Nanopartikel synthetisiert, die durch das Einbringen von Dotanden eine Verschiebung der Absorption elektromagnetischer Strahlung erfahren haben. Ein Aktivitätsscreening geeigneter Kandidaten zeigte, dass einige einen Abbau organischer Referenzmaterialien katalysierten und eine antibakterielle Aktivität vorwiesen. Eisendotiertes Zinkoxid (Fe-ZnO) vereinte die beiden gewünschten Eigenschaften in ausreichendem Maße und verfügte zudem über eine hohe Absorption von UV-Strahlung, sodass damit auch das dritte Projektziel - ein ausreichender UV-Schutz - erreicht werden konnte.
Die wiederholte Synthese von Fe-ZnO gelang im Labormaßstab. Die Partikel konnten durch das Sol-Gel-Verfahren mittels anorganischem Tetraethoxysilan, sowie über einen organischen Polyurethanbasierten Binder durch Foulardierverfahren an verschiedenen Textilien immobilisiert werden. Die Waschstabilität war gegeben und eine Photodegradation des Binders und der Textilien konnte zumindest für das TEOS-System ausgeschlossen werden. Das Aktivitätsscreening der ausgerüsteten Textilien zeigte, dass immobilisierte Nanopartikel zwar zum Erreichen der anvisierten
Projektziele genügen, jedoch konnte die Aktivität des als Referenz verwendeten TiO2 nicht übertroffen werden.
Insgesamt ergab sich ein Einblick in den Nutzen von Nanopartikeln als katalytisch aktive Substanz, die zur Ausrüstung von Textilien geeignet ist. Um eine genügende Aktivität im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erzielen und damit einen Nutzen für eine Innenraumanwendung zu generieren, müssen jedoch deutlich besser die Grundlagen der Dotierung und ihre Auswirkung auf die ROS-Generierung verstanden werden.
Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden zum Teil erreicht.
Der pH-Wert der menschlichen Haut liegt nicht im neutralen Bereich, sondern ist mit Werten von 3,5-6 – je nach Körperstelle – leicht Sauer. Das bietet der Kommensalen Hautflora einen geeigneten Lebensraum, wirkt jedoch abtötend auf einige pathogene Mikroorganismen und inaktivierend auf einige Viren. Dieser Säureschutzmantel der Haut stellt somit eine erste äußere Schutzschicht vor dem Befall von Krankheitserregern dar. Ein entsprechender Oberflächen-pH-Wert auf Textilien kann dazu beitragen, die Übertragung von Krankheitserregern durch die Kleidung von Mitarbeitern im Gesundheitswesen zu minimieren und gleichzeitig keinen negativen Einfluss auf die hauteigene Flora auszuüben. Zudem kann die Besiedlung von z.B. Bettwäsche durch pathogene Mikroorganismen vermindert werden. Einen positiven Einfluss kann dies zudem auf die bakterienassoziierte Geruchsbildung auf Funktionskleidung haben.
Der pH-Wert der menschlichen Haut liegt nicht im neutralen Bereich, sondern ist mit Werten von 3,5-6 – je nach Körperstelle – leicht Sauer. Das bietet der Kommensalen Hautflora einen geeigneten Lebensraum, wirkt jedoch abtötend auf einige pathogene Mikroorganismen und inaktivierend auf einige Viren. Dieser Säureschutzmantel der Haut stellt somit eine erste äußere Schutzschicht vor dem Befall von Krankheitserregern dar. Ein entsprechender Oberflächen-pH-Wert auf Textilien kann dazu beitragen, die Übertragung von Krankheitserregern durch die Kleidung von Mitarbeitern im Gesundheitswesen zu minimieren und gleichzeitig keinen negativen Einfluss auf die hauteigene Flora auszuüben. Zudem kann die Besiedlung von z.B. Bettwäsche durch pathogene Mikroorganismen vermindert werden. Einen positiven Einfluss kann dies zudem auf die bakterienassoziierte Geruchsbildung auf Funktionskleidung haben.
The pH value of the human skin is not in the neutral range but is slightly acidic with values of – depending on the body part – 3.5 to 6. This provides a suitable habitat for the commensal skin floral but has a killing effect on some pathogenic micro-organisms and an inactivating effect on some viruses. This protective acid mantle of the skin thus represents a first external protective layer against infestation by pathogens. An appropriate surface pH on textiles can help to minimize the transmission of pathogens through the clothing of healthcare workers while at the same time not exerting a negative influence on the skin’s own flora. In addition, the colonization of e.g. bed linen by pathogenic microorganisms can be reduced. This can also have a positive influence on bacteria-associated odor formation on functional clothing.
The pH value of the human skin is not in the neutral range but is slightly acidic with values of – depending on the body part – 3.5 to 6. This provides a suitable habitat for the commensal skin floral but has a killing effect on some pathogenic micro-organisms and an inactivating effect on some viruses. This protective acid mantle of the skin thus represents a first external protective layer against infestation by pathogens. An appropriate surface pH on textiles can help to minimize the transmission of pathogens through the clothing of healthcare workers while at the same time not exerting a negative influence on the skin’s own flora. In addition, the colonization of e.g. bed linen by pathogenic microorganisms can be reduced. This can also have a positive influence on bacteria-associated odor formation on functional clothing.
