Faserlexikon Teil 3: Synthetische Fasern

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Synthetische Fasern werden oft auch als Kunstfasern oder Chemiefasern bezeichnet. Der Begriff Chemiefaser ist jedoch irreführend, da alle Fasern Chemiefasern sind. Als synthetische Fasern werden alle Fasern bezeichnet, die durch chemisch-technische Verfahren hergestellt werden. Als Rohstoff dienen sowohl natürliche, als auch synthetische Polymere, aber auch anorganische Stoffe. Die so gewonnenen Fasern liegen oft in Form von Filamenten (Fasern mit praktisch unbegrenzter Länger, Endlosfaser) vor, die zu Filamentgarnen oder, durch Schneiden oder Reißen, zu Spinnfasern (Stapelfasern) verarbeitet werden.

Fasern aus natürlichen Polymeren

Fasern aus regenerierter Cellulose

Fasern aus regenerierter Cellulose, sogenannte Regeneratfasern, werden aus Cellulose und deren Derivaten hergestellt. Diese werden überwiegend aus Holz, aber auch aus den Hartfasern anderer Pflanzen gewonnen.

Zur Herstellung der Regeneratfasern muss zunächst die feste Cellulose (Zellstoff) verflüssigt werden. Da Cellulose nicht schmilzt und auch nicht in den üblichen organischen Lösungsmitteln löslich ist, müssen hier andere Wege gefunden werden. Zudem sind die Anforderungen an das Produkt andere als an Papier. So muss die Cellulose eine höhere Reinheit (da sie auf der Haut getragen wird) und bessere Reaktivität (zum Färben) besitzen. Zur Verflüssigung der Cellulose haben sich Systeme aus mehreren Komponenten wie Natronlauge/Schwefelkohlenstoff (NaOH/CS₂) oder Direktlöseverfahren mittels N-Methylmorpholin-N-oxid-Monohydrat (NMO*MH). Nach dem Verflüssigen wird die Lösung durch Spinndrüsen gepresst und anschließend wieder zu fester Cellulosefasern regeneriert.

Bei den Spinnverfahren wird zwischen Nassspinnen und Trockenspinnen unterschieden. Beim Nassspinnen findet die Faserbildung in einem Fällbad statt, während beim Trockenspinnen das Lösungsmittel verdampft wird. Eine Mischform wird beim Lyocellverfahren angewendet, der Trocken-Nass-Spinnprozess.

Fasern aus regenerierter Cellulose sind:

• Viskose: wird nach dem Viskoseverfahren aus reiner Cellulose hergestellt; hauptsächlich aus Eukalyptus-, Buchen- und Pinienholz, aber auch aus Bambus, Rosenholz und Pfefferminzblättern
• Modal: wird nach einem modifizierten Viskoseverfahren hergestellt; ausschließlich aus Cellulose aus Buchenholz; Fasern besitzen im trockenen und nassen Zustand eine höhere Festigkeit als Viskose
• Lyocell: wird im Trocken-Nass-Spinnverfahren hergestellt; Lösungsmittel ist NMO*MH; Fasern besitzen eine sehr hohe Trocken- und Nassfestigkeit aus; Tencel und Seacell
• Cupro: aus Cellulose mit Kupferoxid-Ammoniak-Verfahren hergestellt

Fasern aus Celluloseestern

Auch für Fasern aus Celluloseestern wird Cellulose aus Holz verwendet. Diese Cellulose wird jedoch durch Veresterung der Hydroxygruppe (-OH) mit einer Säure in Celluloseester überführt. Dadurch können die Eigenschaften der Cellulose verändert werden. Dabei sind diese Eigenschaft vom Grad der Veresterung, also wie viele OH-Gruppen in Ester umgewandelt werden, abhängig.

Es gibt zwei Arten von Celluloseestern – Cellulosenitrat mit NO₂ für R² und Celluloseacetate mit COCH₃ für R².

• Cellulosenitrat, auch Nitrocellulose, Schießbaumwolle oder Blitzwatte genannt, neigt, wie die anderen Namen schon vermuten lassen, zur Selbstentzündung und Explosion. Aus ihr wurde früher Kunstseide (Chardonnet-Seide) hergestellt. Aufgrund der Eigenschaften keine so gute Idee, weshalb die Produktion recht schnell wieder eingestellt wurde.
  Mit Campher als Weichmacher bekommt man Celluloid, das der erste thermoplastische Kunststoff war. Auch Celluloid ist feuergefährlich, wird aber auch heute noch für einige Produkte verwendet. Am bekanntesten hierbei ist die Verwendung als Träger für fotografische Filme.
  Durch Zugabe weiterer Stoffe zu Cellulosenitrat ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie etwa als Bestandteil von Nagellack, als Bindemittel in Nitrolacken, Klebstoffen und Kitten, als Bestandteil von Schießpulver, Raketentreibstoff und in der Pyrotechnik für Feuerwerkseffekte und als Bestandteil von Sprühpflastern.
• Celluloseacetat ist der Sammelbegriff für die Ester aus Essigsäure und Cellulose. Hauptsächlich wird Celluloseacetat für Textilfasern und Gewebe verwendet, die durch Schmelzspinnen oder durch Trockenspinnen aus Aceton hergestellt werden. Beim Schmelzspinnen wird das Celluloseacetat unter Luftabschluss geschmolzen und dieses dann durch Spinndüsen gedrückt. Die Fasern sehen ähnlich aus wie Naturseide und fühlen sich auch so an. Sie sind knitterarm und pflegeleicht und sind wegen ihrer geringen Wasseraufnahme besonders für Regenmäntel- und Schirmstoffe geeignet.
  Folien aus Celluloseacetat werden in Flachbildschirmen, Displays von Mobiltelefonen und LCDs verwendet. Die Ummantelung an Schnürsenkelenden und Brillengestelle aus Kunststoff sind ebenfalls häufig aus Celluloseacetat. Auch für Zigarettenfilter wird Celluloseacetat verwendet.

Regeneriert Proteinfasern

Regenerierte Proteinfasern (USA: Azlon) sind Fasern, die aus Proteinen tierischen und pflanzlichen Ursprungs hergestellt werden. Wie auch andere synthetische Fasern werden die Proteine im Nassspinnverfahren hergestellt.

Regenerierte Proteinfasern fühlen sich warm und weich wie Kaschmir an, sind hautfreundlich, sehr gut atmungsaktiv, antistatisch und UV-blockend. Außerdem sind sie leicht färbbar. Allerdings sind sie relativ schwach, haben eine geringe Reißlast und haben, besonders wenn sie feucht sind, eine schlechte Rückdehnung. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften werden die Proteine oft mit synthetischen Polymeren wie Acrylnitril oder Vinylalkohol copolymerisiert oder gemischt.

Aufgrund ihrer Eigenschaften sind regenerierte Proteinfasern für atmungsaktive Kleidung wie Sportkleidung, aber auch für Markenkleidung.

• Casein: aus entrahmter Milch; wurde während des 2. Weltkrieges entwickelt und diente als Wollersatz. Die Caseinfaser war bis in die 1950er Jahren unter den Handelsnamen Lanital, Aralac und Merinowa erhältlich und verlor ab dann an Bedeutung. In den 2010ern wurde sie wiederentdeckt und in neuer Form produziert.
• Zein: aus Mais.
• Proteine aus Sojabohnen, Baumwollsamen und Erdnüssen.
• Keratin: aus Hühnerfedern.
• Albumin: aus Eiern.
• Collagen: aus Leder und Tierhautresten.
• Künstliche Spinnenfaser: synthetische Proteine werden durch Bakterien erzeugt und zu spinnenseideartigen Fasern geformt.

Polylactid

Polylactide werden umgangssprachlich auch Polymilchsäuren genannt, da diese Polymere aus vielen aneinander gebundenen Milchsäuremolekülen bestehen. Gewonnen wird die Milchsäure aus nachwachsenden Rohstoffen, indem Stärke, Dextrose oder einfache Pflanzenzucker fermentiert werden. Die so erhaltene Milchsäure wird synthetisch unter Abspaltung von Wasser in Polylactid umgewandelt.

Polylactidfasern werden im Schmelzspinnverfahren gewonnen. Polylactide sind widerstandsfähiger gegenüber UV-Licht als andere synthetische Fasern. Sie sind schwer entflammbar und besitzt eine geringe Rauchentwicklung. Aufgrund ihrer hydrophilen (wasserziehend) Eigenschaft erhält man, vermischt mit Baumwolle oder Wolle, leichte Kleidungsstücke, die die Feuchtigkeit vom Körper weg leiten.

Die bekannteste Polylactid-Faser ist Ingeo.

Alginat

Alginat ist eine Faser aus den Salzen der Alginsäure (Algin), einem Polysaccharid, das in Algen als strukturgebendes Element der Zellwände dient.

Die Alginsäure wird aus Braunalgen gewonnen. Diese werden zunächst gewaschen, getrocknet und gemahlen. Anschließend kann die Alginsäure beispielsweise mit Hilfe von Soda extrahiert werden. Weitere Alginate sind Kaliumalginat, Ammoniumalginat, Calciumalginat und Propylenglycoalginat.

In der Lebensmitteltechnik dienen Alginate als Emulgator, Gelier-, Überzugs- und Verdickungsmittel. Hier sind sie mit der Bezeichnung E 400 gekennzeichnet.

Weitere Anwendungen sind Appreturmittel für Textilien und Gewebe, die Herstellung photographischer Papiere, in der Medizin als Kompressen, Wundauflagen und als Mittel gegen Sodbrennen, in der Zahnmedizin zur Abformung der Zahnreihen und als Verdickungsmittel beim Textildruck.

Chitin

Chitin ist neben Cellulose das am weitesten verbreitete Polysaccharid. Am bekanntesten ist es wohl als Bestandteil des Exoskeletts (Außenskelett) von Insekten. Aber auch in Spinnentieren, Tausendfüßern, Krebstieren, Weichtieren (z.B. Muscheln) und Pilzen kommt Chitin vor. Chitin kann als Abwandlung von Cellulose angesehen werden. Es ist jedoch härter und stabiler als diese. Doch trotz seiner guten Verfügbarkeit und der sehr guten mechanischen Eigenschaften findet Chitin nur in wenigen Bereichen Anwendung.

Vor allem das aus Chitin hergestellte Chitosan, das aus den Schalenresten von Garnelen hergestellt wird, wird im Ernährungsbereich als „Fettblocker“, als Filtermaterial zur Wassergewinnung und in Kläranlagen, als Ausgangsmaterial für Fasern, Schaumstoffe, Membranen und Folien verwendet. Weitere Anwendungen sind als Zahnpasta, Papier- und Baumwollzusatz und zum Ausfällen von Trübungen in Getränken.

Elastodien

Elastodien, früher auch Gummifaser genannt, ist eine dehnbare Faser aus Polyisopren. Dieses stammt aus natürlichem oder synthetischem Kautschuk. Die Faser hat eine sehr hohe elastische Dehnung, aber eine geringere Festigkeit als Elastan. Bei trockener Hitze kann sie schnell brüchig werden.

Biobasierte Polyamide

Biobasierte Polyamide werden aus 11-Aminoundecansäure und Sebacinsäure, die aus Rizinusöl gewonnen werden, hergestellt. Sie besitzen eine sehr gute chemische und thermische Beständigkeit und eine geringe Dichte.

Fasern aus synthetischen Polymeren

Die Rohstoffe für Fasern aus synthetischen Polymeren stammen aus der petrochemischen Industrie, d. h. werden aus Erdölprodukten hergestellt. Auch wenn manch Tierschutzorganisation diese Fasern als einzige Alternative zu Naturfasern insbesondere Schafwolle und Co. sieht, dürfen sie aus umwelttechnischen Gründen durchaus mit Skepsis betrachtet werden.

Polyester

Polyester sind, wie der Name schon sagt, Polymere, in deren Hauptkette Esterfunktionen (-[-CO-O-]-) vorkommen. Obwohl Polyester auch natürlich vorkommen, werden üblicherweise nur die synthetischen Polymere als Polyester bezeichnet.

Der wohl bekannteste Polyester ist Polyethylenterephthalat, kurz PET. Für die Textilindustrie relevant ist jedoch Polytrimethylenterephthalat (PTT).

PTT sind elastisch, dimensionsstabil (d. h. sie verlieren ihre Form nicht, verziehen sich nicht), glanz- und farbbeständig und weich. Sie laden sich weniger schnell auf als Nylonfasern. Neben der Verwendung in Teppichen, Unterwäsche oder Fußmatten für Autos werden PTT auch in Steckern und Gehäusen elektrischer Geräte oder als Zierteile in Autos verwendet.

Polyamid

Polyamide (PA) sind besser bekannt unter ihrem Handelsnamen Nylon. Wie der Name schon sagt, wiederholen sich in diesem linearen Polymer die Amidbindungen (-[-CO-NH-]-).

 

Neben dem schon erwähnten Namen Nylon sind Polyamide auch unter den Namen Perlon und Dederon bekannt.

Polyamide besitzen eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit, auch eine gute Verarbeitbarkeit und Beständigkeit gegenüber Chemikalien. Textilien aus PA werden z. B. für Bekleidung, Fallschirme und Segel, technische Gewebe wie Siebgewebe zur Papierherstellung, Seile, Angelschnur, Mähfaden für Rasentrimmer, Bespannung für Tennisschläger oder Saiten für Instrumente verwendet. Haushaltsgegenstände und technische Teile, die sehr abriebfest sein müssen, sind ebenfalls oft aus Polyamiden. Dazu gehören etwa Dübel, Schrauben, Gleitlager, Kabelbinder, Klebesockel, Küchenutensilien (Kellen und Löffel) und Borsten für Zahnbürsten.

Polyimid

Die sich wiederholende Einheit in Polyimiden (PI) ist die Imidgruppe (-[-CO-NR-CO-]-). Oft ist diese in Aromaten eingebunden.

 

Polyimide sind nicht oder nur schwer schmelzbar und besitzen eine hohe Beständigkeit gegenüber Chemikalien. Auch sind sie schwer entflammbar und haben eine hohe Thermostabilität. Sie dienen daher als Filter in der Heißgasfiltration, bei der aus den Abgasen etwa von Kraftwerken feine Stäube abgeschieden werden. Auch für schwerentflammbare Schutzbekleidung werden sie verwendet.

Polyamidimid

Polyamidimide (PAI) sind quasi eine Mischung aus Polyamiden und Polyimiden, denn sie besitzen eine Amid- und eine Imidgruppe.

Sie besitzen eine sehr hohe Temperatur- und Flammbeständigkeit, haben eine  sehr geringe Verschleißneigung und sind widerstandsfähig gegenüber starken, starken hochkonzentrierten Säuren und vielen organischen Lösungsmitteln.  PAI werden beispielsweise in der Luftfahrt, in der Halbleiterindustrie und der Elektrotechnik eingesetzt.

Aramid

Aramide sind eine Form der Polyamide. In ihnen sind die Amidgruppen an aromatische Gruppen gebunden. Dies schlägt sich auch im Namen nieder. Denn „Aramid“ ist die Kurzform von Aromatisches Polyamid. Es wird zwischen meta- und para-Aramiden und para-Aramid-Copolymeren unterschieden. Meta und para bezeichnen hierbei die Stellung der Amidgruppen im aromatischen 6-Ring zueinander.

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Strukturen besitzen die meta- und para-Aramide unterschiedliche Eigenschaften. Während m-Aramide eine hohe Temperaturbeständigkeit und gute Chemikalienresistenz besitzen,  zeichnen sich p-Aramide und p-Aramid-Copolymere durch ihre hohe Festigkeit aus. Entsprechend unterschiedlich sind auch ihre Anwendungsbereiche.

P-Aramide werden im Sicherheitsbereich als Splitterschutz, beschusshemmende Westen, Schutzhelme, Panzerungen für Fahrzeuge und Schnittschutzhandschuhe verwendet. Auch im Flugzeugbau, insbesondere bei Segelflugzeugen, und bei Sportgeräten, etwa als Fangleinen für Gleitschirme, kommen sie zum Einsatz.

M-Aramide werden überwiegend im Brandschutz, z. B. als feuersichere Bekleidung, eingesetzt

Polyacryl

Als Polyacryl werden Kunstfasern bezeichnet, die mindestens 85 % Polyacrylnitril enthalten. Reines Polyacrylnitril ist hart, steif und resistent gegenüber Lösungsmitteln und Chemikalien. Deshalb sind Textilfasern aus Polyacrylen immer Copolymere, d. h. sie bestehen aus zwei oder mehr verschiedenen Monomereinheiten.

Wird Methylmethacrylat als Comonomer verwendet, sind die resultierenden Fasern wollartig. Sie sind meist gekräuselt und bauschig. Entsprechend sind sie warm, weich und knitterarm. Als Gemische mit Baumwolle oder Wolle werden aus ihnen Pullover, Decken oder Pelzimitate hergestellt.

In Verbindung mit Polyvinylchlorid entstehen schwer entflammbare Fasern. Polyacryle sind zudem die Basis für Kohlenstofffasern.

Modacryl

Kunstfasern mit weniger als 85 %, aber mindestens 50 %, Polyacrylnitril werden Modacryl genannt. Sie enthalten Vinylchlorid oder Vinylidenchlorid als Comonomere. Augrund ihrer flammenhemmenden Eigenschaft werden sie für Schutzbekleidung oder Auslegware und Vorhänge verwendet.

Polytetrafluorethylen

Wie der Name schon sagt, besteht PTFE aus Kohlenstoff und Fluor. Sein Handelsname ist Teflon, unter dem dieser Kunststoff jedem schon irgendwie untergekommen sein dürfte. Polytetrafluorethylen ist temperaturbeständig, sehr reaktionsträge und damit weitestgehend chemisch inert, wasserabweisend und kaum färbbar. Diese Faser wird daher überwiegend für technische Textilien und Membranen verwendet. Einige Beispiele sind: wasserabweisende Kleidung, Dichtungsband für Schraubverbindungen im Sanitärbereich, in der Medizin für Implantate wie Gefäßprothesen, Beschichtung der Metallsaiten bei Saiteninstrumenten.

Polyethylen

Polyethylen besteht aus polymerisiertem Ethen. Es werden verschiedene Typen an Polythylen anhand ihrer Dichte unterschieden. Sie alle besitzen eine hohe chemische Beständigkeit, sind gute elektrische Isolatoren und besitzen eine gute Gleitfähigkeit. Die mechanischen Eigenschaften sind jedoch weniger gut. Polyethylen besitzt eine niedrige Festigkeit, Härte und Steifheit.

Eingesetzt werden Polyethylene als Stapelfasern, etwa bei Vliesstoffen, aber auch für Seile, Taue und Netze.

Polypropylen

Ein weiterer bekannter Kunststoff ist Polypropylen. Es wird durch Polymersation von Propen hergestellt. Es hat ähnliche Eigenschaften wie Polyethylen, ist aber härter und wärmebeständiger als dieses. Zudem ist Polypropylen beständig gegen aggressive Chemikalien und besitzt eine hohe Scheuerfestigkeit. Textilien aus PP sind z. B. Sportfunktionskleidung und Unterwäsche. Auch für Geotextilien, Teppiche und Automobiltextilien wird Polypropylen eingesetzt.

Polychlorid

Polychloride werden auch Chlorofasern genannt. Sie sind Polymere, die aus mindestens 50 % Vinylchlorid oder Vinylidenchlorid bestehen. Ihr bekanntester Vertreter und erste Synthesefaser ist Polyvinylchlorid. Polychloride sind nicht entflammbar, besitzen eine gute Wärmedämmung, sind wasserabweisend und beständig gegen Säuren und Laugen.

Neben technischen Textilien werden Polychloride auch für Deko- und Möbelstoffe, Perücken und sehr gut wärmende Unterwäsche wie Rheumawäsche verwendet.

Elastan