Projekt 30276/01

Ressourceneffiziente und umweltentlastende Hydrophob- und Oleophob-Ausrüstung von Textilien mittels Plasmatechnik als Alternative zu nasschemischen Fluorkohlenstoffimprägnierungen

Projektträger

Plasma Electronic GmbH
Otto-Lilienthal-Str. 2
79395 Neuenburg
Telefon: 07631/7017-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes war es, eine plasmagestützte Technologie und Anlagentechnik zu etablieren, die die ressourceneffiziente und umweltentlastende Ausrüstung von Textilien mit hydro- und oleophoben Funktionen im größeren Maßstab ermöglicht. Im Vordergrund stand dabei, die Plasmaverfahren als energie- und rohstoffeinsparende Alternative zu nasschemischen Verfahren zu etablieren. Besonderes Augenmerk lag auf der Waschbeständigkeit der Schichten, der Umweltverträglichkeit der eingesetzten Substanzen und der Emissionen sowie der Skalierbarkeit der Beschichtungsverfahren auf große industrietaugliche Anlagen. Entscheidend war somit die Optimierung der Ökobilanz (Energie- und Chemikalieneinsatz, Abfallmengen) sowie die Kosteneffizienz dieser Prozesse im Vergleich zu herkömmlichen, nasschemischen Beschichtungsverfahren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenWährend der Projektlaufzeit wurden schwerpunkmäßig folgende Arbeiten durchgeführt:
• Herstellung von Hydro- und Oleophob-Ausrüstungen auf Textilien mittels Plasmatechnik
• Untersuchung der Schichtqualitäten, die mit unterschiedlichen Precursoren und unterschiedlichen plasmagestützten Verfahren erreicht werden können
• Darstellung der Schichten aus kostengünstigen Precusoren mit geringem (Umwelt-) Gefährdungspotenzial
• Untersuchung und Optimierung der Waschpermanenz
• Optimierung der zur Erzeugung von Fluorkohlenstoffpolymerbeschichtungen aus der Gasphase benötigten Prozesstechnik zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der Plasmatechnik


Ergebnisse und Diskussion

Zu Projektbeginn wurden geeignete Textilien für das Versuchsprogramm ausgewählt und Beschichtungsversuche durchgeführt. Hierzu wurden vorhandene Plasmabeschichtungsanlagen der Partner genutzt und teilweise speziell umgerüstet. Es konnten erfolgreich wenige Nanometer starke hydrophobe und oleophobe Schichten auf kleineren Flachsubstraten mit einer Oberflächenspannung von unter 11 mN/m abgeschieden werden. Um neben gas- auch dampfförmige Precursoren verwenden zu können, wurde im ersten Schritt eine bestehende PEALD-Anlage von PE umgebaut und für die darauffolgende Skalierung des Prozesses auf Basis einer vorhandenen Anlage eine neue RF-Plasma-Anlage entwickelt und eine geeignete neue Prozessführung erarbeitet. Insbesondere im Fall der dampfförmigen Presursoren konnten geringe Emissionswerte erreicht werden. Hierzu trugen die Wahl des geeigneten Beschichtungsprinzips zur Reduzierung der Abgasmengen bei, außerdem die Aufspaltung und Behandlung des Abgases in einem Gaswäscher sowie die Erhöhung der Permeabilitätsdichtigkeit der Systeme.

Zur Erforschung geeigneter gasförmiger Precursoren besonders zur Hydro- und Oleophob-Ausrüstung der Textilien wurden am IGVP verschiedene Gase getestet. Ferner wurden die Beschichtungsparameter variiert und die Beschichtungsergebnisse analysiert. Es konnten sowohl Gase als auch Verfahrensparameter ermittelt werden, mit denen homogene Schichten erzeugt werden können.

Die beschichteten Muster wurden Waschtests unterzogen und die Oberflächen anschließend erneut bewertet. Es zeigte sich, dass der intensive Kontakt des Textils mit Wasser offensichtlich zu einer reversiblen Minderung der wasserabweisenden Wirkung der Beschichtung führt. Es konnten Schichten ermittelt werden, die eine gute Wasserabweisung und von allen Ausrüstungen die größte Waschpermanenz aufweisen. Durch eine anschließende Wärmebehandlung (Tempern) ließ sich die Funktionsminderung wieder vollständig rückgängig machen.

Es wurden auch Waschprozesse durchgeführt, mit denen gewerbliche Waschzyklen simuliert und der Einsatz verschiedener Waschmittel getestet werden können. Hierbei nahm die Wasserabweisung mit zunehmendem pH-Wert ab. Die hydrophobe Eigenschaft der Oberfläche blieb dem Test zufolge selbst bei höherem pH-Wert nach 15 - 30 gewerblichen Waschungen, abhängig von der eingesetzten Waschflotte, in verminderter Form bestehen. Die Ölabweisung aller Beschichtungen entsprach in den besten Fällen der Benotung 1 gemäß AATCC 118. Damit wurden die Werte alternativ erhältlicher kommerzieller Ausrüstungen auf Basis von Kohlenwasserstoffen übertroffen.

Die Aufskalierung mittels geeigneter Modifikationen der Anlagentechnik erfolgte, sodass auch größer flächige Textilien beschichtet werden können.
Die Ökobilanzierung zeigt, dass im Vergleich zu nasschemischen Verfahren Chemikalien mit geringerem Umweltgefährdungspotenzial eingesetzt werden und vor allem geringere Mengen an Chemikalien sowie ein geringerer Chemikalieneintrag in die Umwelt zu erzielen sind.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Auf der 14th International Conference on Plasma Surface Engineering in Garmisch-Partenkirchen wurden die vorläufigen Projektergebnisse einem breiten Fachpublikum präsentiert. Auszugsweise wurden die Ergebnisse auch im Vortrag „Plasmaverfahren zur Textilausrüstung“ bei der Fachtagung „Beschichtung von technischen Textilien“ des SKZ vorgestellt.
Im Rahmen der Projektlaufzeit wurden die Ergebnisse außerdem interessierten Anwendern und potenziellen Kunden vorgestellt. Es liegen bereits konkrete Kundenanfragen vor.


Fazit

Die Ergebnisse sind insgesamt positiv. Die wesentlichen Projektziele der erfolgreichen hydrophoben und oleophoben Beschichtung von Textilien basierend auf dampfförmigen und gasförmigen Precursoren und der hocheffizienten Umsetzung der Precursoren konnten erfolgreich umgesetzt werden. Die Eignung des PECVD-Verfahrens zur Beschichtung mit gasförmigen Precursoren hinsichtlich der Aufskalierung für größer flächige Textilien mittels geeigneten Anpassungen der Anlagentechnik konnte ebenfalls nachgewiesen werden. Eine Optimierung der Ökobilanz, vor allem hinsichtlich des Chemikalieneinsatzes wurde erreicht. Als Nachteil erweisen sich allerdings die gegenüber den etablierten Verfahren deutlich höheren Kosten, die vor allem dem relativ hohen Investitionsanteil geschuldet sind.

PLASMA ELECTRONIC liegen konkrete Kundenanfragen vor, sodass auch nach Projektabschluss an der Weiterentwicklung der Verfahren für die Vermarktung gearbeitet werden wird und somit ein Beitrag zur Umweltentlastung zu erwarten ist, indem zukünftig nasschemische Verfahren durch die Plasma-basierte Beschichtung ersetzt werden können.