PFAS-Alternative Für Jacke wie Hose – Alternativen für PFAS in Textilien

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EMPA Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Franke GmbH

Ob Wandern oder Joggen – Moderne Funktionskleidung kann wasserdicht und schmutzabweisend sein, ist dafür aber oft mit PFAS-haltigen Chemikalien imprägniert. Forschende der Empa haben gemeinsam mit Textilherstellern eine Technologie entwickelt, mit der Ersatzstoffe für PFAS gefunden und präziser eingesetzt werden können.

Damit Funktionskleidung allen Wettern trotzt, ist eine chemische Imprägnierung nötig. Bisher wurden Regenjacke, Badehose & Co mit einer PFAS-haltigen Beschichtung imprägniert. Diese fluorhaltigen Ewigkeitschemikalien zu ersetzen, ist nicht so einfach wie gedacht, da sie über ausgezeichnete Eigenschaften verfügen: PFAS sind wasser-, schmutz- und fettabweisend. Daher arbeiten Empa-Forschende gemeinsam mit Partnern aus der Industrie daran, Technologien und Materialien zu entwickeln, mit denen sich PFAS-freie Textilien mit den gewünschten Eigenschaften nachhaltig und wirtschaftlich herstellen lassen. 
Das von der Innosuisse geförderte Projekt „EC0Tex“ hat zum Ziel, wasserabweisende Beschichtungen für textile Garne zu erzeugen, indem Fluor-freie Substanzen in einer eigens entwickelten Plasmabeschichtungsanlage eingesetzt werden.

Bei der Suche nach Alternativen zu PFAS geht es darum, keinesfalls sogenannte Regrettable Substitutes zu erzeugen, also Ersatzstoffe, die sich im Nachhinein als ähnlich schädlich herausstellen wie die ursprünglich verwendete Chemikalie.

Dirk Hegemann

Zentral im Projekt „EC0Tex“ ist dabei der „Safe and Sustainable by Design“-Grundsatz, kurz SSbD. „Bei der Suche nach Alternativen zu PFAS geht es darum, keinesfalls sogenannte Regrettable Substitutes zu erzeugen, also Ersatzstoffe, die sich im Nachhinein als ähnlich schädlich herausstellen wie die ursprünglich verwendete Chemikalie“, sagt Empa-Forscher Dirk Hegemann vom „Advanced Fibers“-Labor in St. Gallen. Daher gleicht das Team um Dirk Hegemann, Martin Amberg und Patrick Rupper bereits früh im Entwicklungsprozess die Bedürfnisse von Industrie, Umwelt und Gesellschaft anhand von Risikoanalysen miteinander ab und filtert jene Materialien und Technologien heraus, die bei den gewünschten Eigenschaften, der Nachhaltigkeit oder der Wirtschaftlichkeit durchfallen.

Dünne Beschichtungen auf die Einzelfasern in einem Garn aufbringen

Gemeinsam mit den Umsetzungspartnern aus der Schweizer Textilindustrie Bäumlin & Ernst AG, Lothos KLG und Seilfabrik Ullmann AG entsteht so ein neuartiges industrietaugliches Imprägnierverfahren mittels Plasmatechnologie. Denn PFAS-freie Substanzen müssten mit herkömmlichen Techniken in zu großen Mengen eingesetzt werden, um die Materialeigenschaften von PFAS-beschichteten Textilien zu erzeugen. Die Folge: Punkteabzug bei Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit, was die Suche nach gangbaren Alternativen nach SSbD-Massstäben zu einer Herausforderung macht.
Die neue Plasmaanlage, die hierfür gemeinsam mit den Empa-Forschenden konzipiert wurde, ermöglicht es indes, äußerst dünne Beschichtungen auf die Einzelfasern in einem Garn aufzubringen. „So können wir die Menge der verwendeten Chemikalien deutlich verringern und gleichzeitig eine umfassende Imprägnierung der Garne erzielen“, sagt Hegemann. Die auf diese Weise erzeugten Garne könnten direkt zur Produktion von Outdoor- und Sportbekleidung, aber auch Seilen eingesetzt werden, so der Forscher.
Bei der plasmainduzierten Beschichtungstechnik wird mittels elektrischer Gasentladung in einer Kammer Plasma erzeugt. Da hierbei hohe Energie bei niedriger Temperatur zur Verfügung gestellt wird, verdampfen die Chemikalien in der Kammer und bilden reaktive Spezies, die an die Einzelfasern eines Garns andocken. Üblicherweise können so jedoch lediglich die äußersten Fasern eines Textils imprägniert werden. „Wir haben einen neuen Ansatz verfolgt: Die neue Plasmabeschichtungsanlage erzeugt unterschiedlich reaktive Spezies, die auch tief in die Garnstruktur eindringen können“, erklärt Empa-Forscher Dirk Hegemann. So ergebe sich eine beständige und durchdringende Beschichtung.

Siliciumorganische Verbindungen als Alternative zu PFAS

Als Alternative für PFAS untersuchen die Forschenden nun, wie siliciumorganische Verbindungen zur Imprägnierung eingesetzt werden können. Die Unbedenklichkeit auch bei Umweltexposition etwa durch Abrieb oder Waschen muss dabei genau analysiert werden. Erste Analysen zeigen, dass die siliciumorganischen Verbindungen hochvernetzte Schichten mit hervorragenden Eigenschaften in Bezug auf Wasserabweisung und Schnelltrocknung bilden, die jene von PFAS-Imprägnierungen punkto Beständigkeit sogar noch übertreffen.
Eine Herausforderung ist derzeit noch die Fett- und Schmutzabweisung, die PFAS-Textilien leisten können. Hier seien weitere Arbeiten nötig, um PFAS in Textilien wie Arbeitsschutzbekleidung ersetzen zu können, so Hegemann. Die große Gruppe der siliciumorganischen Verbindungen eröffne hier eine Vielzahl von Möglichkeiten. Dank der Plasmatechnologie besteht nun auch die Möglichkeit, durch Anpassungen der Ausgangssubstanzen und Beschichtungsbedingungen weitere neue Lösungen zu finden und auf die gewünschten Eigenschaften der Textilien masszuschneidern – und dabei gleichzeitig die „Safe and Sustainable by Design“-Grundsätze im Auge zu behalten.