Ziel der Entwicklung

In diesem Projekt sollten ein Herstellungsprozess sowie Rezepturen für funktionelle Beschichtungs- und Druckpasten auf Basis bakteriell erzeugter Zellulosefasern für die Anwendung auf Textilien entwickelt werden. Mittelfristiges Ziel war es, einen Formulierungsbaukasten auf Basis des Werkstoffes Zellulose aufzubauen. Für die konkrete Entwicklung standen folgende Problemstellungen und Anforderungen im Fokus:
– Entwicklung und Charakterisierung von wässrigen Dispersionen, bestehend aus bakteriell gewachsenen Zellulosenetzwerken mit einem Zelluloseanteil von 1 Gew.% bis 10 Gew.% und Faserlängen bis max. 10 mm als Rohstoffformulierung, je nach den Anforderungen des Beschichtungsprozesses,
– Basierend auf der Rohstoffformulierung: Entwicklung von Pastenrezepturen mit zwei maßgeblichen rheologischen Eigenschaften, hoch- und niederviskos für folgende drei Prozesse: (1) Rakelbeschichtung (direkt und indirekt), (2) Dispensen (Liquid Layer Modeling) mit dynamischen Viskositäten um die 10 000 mPa∙s bei einer Scherrate von 100 pro/s und ausgeprägtes strukturviskoses Verhalten sowie für den (3) Mikroventildruck mit einer dynamischen Viskosität bis max. 150 mPa∙s bei einer Scherrate von 100 pro/s und newtonschem bzw. nur leicht scherverdünnendem Verhalten,
– Entwicklung von spezifischen Rezepturen für folgende zwei Anwendungsszenarien:
– Schutz/Dekoration: Abriebfeste Beschichtung, sowohl binderlos als auch mit biobasierter Polymermatrix auf biobasiertem Faservliesstoff, als Inkjet-bedruckbare sowie prägbare Dekorbeschichtung
– Leitfähigkeit/Sensorik: Pasten bzw. Tinten für die Herstellung von sensorischen Flächen und Strukturen in einem Dispensverfahren auf Basis von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) und gegebenenfalls Leitruß.

Vorteile und Lösungen

Es erfolgte die Entwicklung der Beschichtungsrezepturen auf Basis bakterieller Nanozellulose. Letztere lag als Feinstfaser-Netzwerk in Mattenform vor und sollte nach entsprechender Zerkleinerung homogen in unterschiedliche Bindermaterialien eingearbeitet werden. Unter Nutzung verschiedener Bestandteile wurde die Entwicklung eines Baukastensystems für Beschichtungsrezepturen angestoßen und mit ersten Beispielen untersetzt. Dieses System bildete die Grundlage zur Herstellung von auf bakterieller Zellulose basierenden sowie auf die jeweilige Endanwendung abgestimmten, unterschiedlich funktionalisierten Pasten und Tinten. Im weiteren Projektverlauf konzentrierten sich die Arbeiten auf die Zerkleinerung der Zellulose, um diese als strukturgebende Komponente in die verschiedenen Rezepturen einarbeiten zu können. Neben einer mechanischen Zerkleinerung mittels Fallmesser sowie einer anschließenden Bearbeitung mittels Ultra-Turrax standen auch Untersuchungen zur Zerkleinerung und Homogenisierung mittels Kugelmühle im Fokus. Die unterschiedlich zerkleinerten Zellulosefraktionen wurden anschließend in den zuvor erarbeiteten Beschichtungsrezepturen erprobt.
Da der starke innerstrukturelle Zusammenhalt der Zellulosenetzwerke insbesondere bei höheren Massegehalten in den Rezepturen vermehrt zu einer Agglomeratbildung führte, war der kontinuierliche Materialauftrag via 3D-Druck- oder Sprühapplikation merklich erschwert. Deshalb fokussierten sich die nachfolgenden Applikationsversuche vorwiegend auf klassische Streichbeschichtungen mittels Rakel. Die Verarbeitung der zellulosehaltigen Formulierungen blieb dabei eine Herausforderung. Letztlich konnten – im Gegensatz zum Anwendungsszenario Leitfähigkeit/Sensorik – für die Anwendung Schutz/Dekor funktionale Beschichtungen entwickelt werden. In allen Fällen ist hinsichtlich der Verarbeitung und erzielbaren Funktionalität jedoch weitere Entwicklungsarbeit erforderlich.

Zielgruppe und Zielmarkt

Technische Textilien und Heimtextilien werden zur Erreichung unterschiedlichster Funktionalitäten zum Teil vollflächig oder partiell beschichtet bzw. bedruckt. Der Beschichtungsprozess ist in der Wertschöpfung textiler Produkte neben der Herstellung des Textilträgers selbst der wichtigste Schritt und beeinflusst maßgeblich die Eigenschaften des Textils sowie nachfolgende Herstellungsprozesse. Beschichtungen bestehen im einfachsten Fall aus einem Polymer. Je nach Beschichtungsprozess liegt das Polymer in fester Form vor, ist gelöst in einem Lösemittel oder wird in Form von Dispersionen (lösemittelhaltig oder wasserbasiert) auf das Substrat aufgebracht. In der Textilindustrie werden zu einem großen Anteil wasser- oder lösemittelbasierte Prozesse zum Beschichten der Textilien genutzt. Der Markt für Polymerdispersionen einschließlich biobasierter Polymerdispersionen wächst notwendigerweise einhergehend mit dem Markt für beschichtete Textilien. Parallel wächst der Markt für Beschichtungsadditive vergleichbar mit dem Markt für Beschichtungen, da sie direkt aneinander gekoppelt sind. Darüber hinaus muss auch der Markt für zellulosische Additive bzw. Funktionsfüllstoffe näher betrachtet werden. Für den Bereich der Funktionsbeschichtungen sind einerseits die typischen Additive auf Basis von Celluloseether (z. B. Carboxymethyl Cellulose) von Interesse, aber auch der Einsatz von kurzgeschnittenen Regeneratfasern wie Viskose oder Lyocell® oder mikrofibrillierte Cellulosefasern als Verstärkungsadditive in Beschichtungen. Sie alle verbessern die funktionellen Eigenschaften von Beschichtungen hinsichtlich Zugfestigkeiten und Abriebfestigkeiten. Speziell diese Anwendungsfälle erfordern einen hochwertigen Chemiezellstoff als Rohstoff. Die alternative lokale Herstellung von Cellulose über Fermentierungsprozesse mittels Bakterien in Kombination mit Hefepilzen ist eine Möglichkeit, Cellulose hinsichtlich des Durchsatzes schneller und Ressourcen sparsamer wachsen zu lassen. Ausgehend von diesen grundlegenden Bedürfnissen ist damit zu rechnen, dass der Preis für hochwertige Cellulose aus Pflanzen in Zukunft weiter und schneller steigen wird. Des Weiteren kann davon ausgegangen werden, dass der Preis für bakteriell gewachsene Cellulose durch Skalierungseffekte deutlich fallen wird. Dadurch wird der Einsatz dieser Art von Cellulose über die Zeit immer attraktiver, sodass auch größere Mengen dieses Rohstoffes auf unterschiedlicher Art und Weise eingesetzt werden.
Die in diesem Projekt durchgeführten FuE-Arbeiten bzgl. cellulosehaltiger nachhaltiger Beschichtungen zielen in erster Linie auf den Geschäftsmarkt Heimtextilien und Technische Textilien ab. Aber natürlich hat diese Entwicklung eine direkte Auswirkung auf mögliche Endkundenprodukte, wie zum Beispiel dekorative Kunstleder für Mobiliar, Wandbespannungen, Raumteiler o. ä..
Bereits während der Projektlaufzeit stand das STFI mit interessierten Unternehmen im intensiven Dialog. Dabei wurden gemeinsam Zwischenergebnisse und auftretende Probleme diskutiert und somit ein direkter Wissenstransfer in die Unternehmen sichergestellt. Weiterer Wissenstransfer wird außerdem durch Veröffentlichungen in Form von schriftlichen und mündlichen Präsentationen auf nationalen und internationalen Tagungen und Messen sowie durch Publikationen in Fachzeitschriften, wie z. B. „TEXTILplus“ oder „Technische Textilien“, und auf der Homepage des Instituts angestrebt. Der nach Abschluss des Projektes erstellte Sachbericht kann von interessierten Unternehmen und Instituten ausgeliehen werden. Zu den profitierenden Unternehmen zählen neben Textilbeschichtern auch Hersteller bakterieller Cellulose und Chemikalienhersteller (biobasierte Beschichtungspolymere). Durch Dienstleistungsangebote können Transferunternehmen die Anwendbarkeit der erhaltenen Ergebnisse für ihre eigenen Produkte und Leistungen testen, ohne sofort in die notwendige Anlagentechnik investieren zu müssen.