Projekt 14562/01

Untersuchungen zur Verbesserung der Produkt- und Verfahrensökologie von textilen Flächengebilden (Gewebe, Gewirke und Filze) durch ionen- und elektronenstrahlgestützte Ausrüstung

Projektträger

Fachhochschule Esslingen - Hochschule für TechnikInstitut für Ionenstrahl- undVakuumverfahrenstechnik (IVT)
Fritz Müller Str. 137
73730 Esslingen
Telefon: 0711/3109273

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Es sollten Grundlagen zur gezielten Anwendung von Ionen - und Elektronenstrahlen für die Veredlung von textilen Flächengebilden aus Wolle und Synthesefasern erarbeitet werden.
Das Projekt zielte hauptsächlich auf den Ersatz nasschemischer Veredlungsverfahren durch physikalisch initiierte Prozesse. Angestrebt wurde - zur Ressourceneinsparung und Reduzierung der Abwasserkontamination aus Textilveredlungsprozessen - ein möglichst schadstofffreies Veredlungsverfahren mit Methoden, die möglicherweise auch die Zusammenfassung mehrerer Ausrüstungsprozesse in einem Behandlungsschritt, die Erschließung neuer Wege zur abwasserfreien Wollfärbung sowie Standzeitverlängerungen bei technischen Textilien erlauben - mit deutlicher Entlastung der Umwelt durch Schadstoffvermeidung und Rohstoffeinsparung im Erfolgsfall. Primäre Teilziele waren dabei:
1.) Selektive Hydrophobisierung der äußeren und inneren Wollfaseroberfläche zur Erzeugung eines in überkritischen Medien färbbaren, schmutztunempfindlichen und waschbaren Materials.
2.) Verbesserung der Abriebbeständigkeit von Polyester- und Polyamidfasern zur Erhöhung der Haltbarkeit von Papiermaschinenfilzen und -sieben.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenGrundlegende Untersuchungen an Kleinmustern mit 6x6 cm² Bestrahlungsfläche: Ionenstrahlbehandlung, Elektronenstrahlbehandlung: Variation von Ionenart, Ionen-/Elektronenenergie, Ionen-/Elektronendosis, Stromdichten, Extraktionsspannungen, Hintergrundgasen, Gasmischung. Prüfkriterien waren: Filzverhalten, Färbeverhalten, Anschmutzungsverhalten, Erfassung chemischer und physikalischer Faserveränderungen durch XPS, REM, FT-IR, GPC, Aminosäureanalyse, Konzentration und Lebensdauer gebildeter Radikalspezies durch ESR, Garnzugprüfungen, Vergilbungen farbmetrisch, Wasserdampfaufnahme, Wasserrückhaltevermögen, Oberflächenrauhigkeit mittels REM, RKM, Reibungswerte, Abriebbeständigkeit.
Nach ersten Optimierungen war ein Umbau der Ionenstrahlanlage auf 10x10 cm² Bestrahlungsfläche und weitere Optimierung an größeren Proben geplant.


Ergebnisse und Diskussion

Aufgrund der hohen Komplexität der zu untersuchenden Mechanismen wurde im Projektzeitraum nur an der Steigerung der Abriebfestigkeit von Polyesterfilamenten durch Ionenimplantation mit Ar- , H- und Xe - Ionen zwecks Erhöhung der Haltbarkeit von Papiermaschinenfilzen und - sieben gearbeitet.
Behandelte und unbehandelte Polyesterfilamente wurden in Monofilscheuertests auf Abriebbeständigkeit untersucht. Ionenbestrahlte Proben wiesen in bestimmten Zonen der behandelten Filamente gegenüber unbehandeltem Rohmaterial bis zu um 112 % höhere Standzeiten aus.
Allein im Trockenbereich der Papiermaschinen würde eine solche Standzeitverlängerung eine Einsparung von rund 1.853 Tonnen Polyester pro Jahr bedeuten.
Erste analytische Untersuchungen an unbehandeltem und behandeltem Material mit Röntgendiffraktometrie und Differential Scanning Calorimetry haben gezeigt, dass in behandeltem Polyester gegenüber unbehandeltem eine deutliche Steigerung der Kristallgröße bzw. der Kristallinität auftritt. Da in Polyestern die Kristallinität eine wesentliche Einflussgröße für die mechanischen Eigenschaften ist, kann aus diesen ersten Messungen nachvollzogen werden, dass deren Veränderung durch die Ionenimplantation zu deutlichen Standzeitverlängerungen führt. Die grundsätzlichen Chancen für eine Verbesserung der Verfahrensökologie sind damit auch in ersten Grobzusammenhängen plausibilisiert. Auf Grund der Vielzahl der ablaufenden Wechselwirkungen bei der Ionenimplantation zeichnet sich aus den ersten Ergebnissen eine hohe Parameterempfindlichkeit der Implantationsresultate ab, die zur weiteren Entwicklung und Optimierung des Verfahrens ähnlich wie z.B. in der Halbleitertechnologie einen erheblichen experimentellen Aufwand nach sich zieht. Kernaufgabe weiterer Arbeiten ist es, die Parameter mit den optimalen Wirkungsquerschnitten und den günstigsten Folgereaktionen zu identifizieren und dann die günstigsten ökologischen und ökonomischen Varianten zu identifizieren und auf grundsätzliche großtechnische Machbarkeit zu prüfen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bisher wurden nur die Zwischenberichte 1, 2, 3 an die DBU sowie ein zusammenfassender Abschlussbericht erstellt. Es erfolgten noch keine weiteren Veröffentlichungen, da dieses Projekt nur als Vorver-suchsprogramm vorgesehen war


Fazit

Die grundlegende Frage, die in dem Projekt untersucht wurde, ob sich durch Ionenimplantation initiierte Prozesse eventuell Chancen für eine Verbesserung der Verfahrensökologie durch Schadstoffvermeidung und Rohstoffeinsparung abzeichnen, kann im Grundsatz positiv beantwortet werden. In einzelnen Bestrahlungsversuchen wurde eine deutliche Steigerung der Abriebfestigkeit von Polyesterfaserfilamenten erreicht. Die Bestrahlungsanlage wurde für die Textilfaseruntersuchungen ertüchtigt und weiterentwickelt. Die Erkenntnisse zur Wirkung einer Ionenimplantation auf Textilfasern wurden mit den Untersuchungen umfassend vertieft. Für die Weiterentwicklung muss noch intensiv gearbeitet werden.