ID 9240
Weißmann, Wolfgang: Möglichkeiten der nicht-fluorbasierten wasser- und ölabweisenden
Ausrüstung von Textilien in der professionellen Wäscherei
Hamburg: Diplomica GmbH, 2006
Zugl.: Fachhochschule Niederrhein, Diplomarbeit, 2004
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2006
Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
Seite
Kapitel
Thema
1...
1.0
...Einleitung
1...
2.0
...Aufgabenstellung
2...
3.0
...Allgemeine Grundlagen zur Oberflächenspannung
2
3.1.
Wie entsteht die Oberflächenspannung
2
3.2.
Oberflächenspannung in den Alveolen der Lunge
3
3.3.
Oberflächenaktive Substanzen
3
3.4.
Messung der Oberflächenspannung
4
3.5.
Tropfenformen benetzender und nichtbenetzender Flüssigkeiten
4...
4.0
...Physikalische Grundlagen zum Benetzungsverhalten
7...
5.0
...Allgemeines zu grenzflächenaktiven Verbindungen
8...
6.0
...Phobierungsarten
8
6.1.
Hydrophobierung
9
6.2.
Oleophobierung
10...
7.0.0
...Prüfverfahren
10
7.1.0.
Wasserabstoßende Eigenschaften
10
7.1.1.
AATCC Prüfverfahren (AATCC-Testverfahren 22-1985)
12
7.1.2.
Bundesmann-Prüfverfahren
13
7.1.3.
Wassersäule nach DIN 20811
13
7.2.0. Ölabweisende Eigenschaften
13
7.2.1.
Oil-Repellency AATCC-Prüfverfahren
15
7.2.2.
Oil-Stain-Release AATCC-Prüfverfahren
15
7.2.3. Du Pont Wassertropfen-Test
TM
16...
8.0
...Allgemeines zu textilen Phobierungsmitteln
16
8.1.
Einleitung
16
8.2.
Phobierungsklassen
17
8.3.
Vergleich der Phobierungsmittelklassen
18...
9.0
...Konstitution der Phobierungsmittel
18
9.1.
Chemische Konstitution der Hydrophobiermittel
20
9.2.
Chemische Konstiution der Oleophobierungsmittel
21
10.0.
Historische Enntwicklung der Fluorderivate
22
10.1.
Fluorderivate auf dem Textilmarkt
22
10.2.
Toxikologische Aspekte der Fluorsurfacanten am Beispiel von
3 MTM
23
10.3.
Toxikologischer Befund von PFOS-Verbindungen
23
10.4.
Herstellungsverfahren von Fluorsurfacanten
25
10.5.
Umweltrelevante Betrachtungen von Fluorsurfacanten im Allgm.
26
10.6.
Polytetrafluorethylene
27
10.7.
Herstellung der Polytetrafluorethylene
28
10.8.
Eigenschaften der Polytetrafluorethylene
28
10.9.
Handelsbezeichnung der Tetrafluorethylenprodukte
28...
11.0
...Beispiele fluorfreier hydro- und oleophober Applikationsmittel
28
11.1.0.
Paraffine und Wachse
29
11.1.1.
Weitere Verwendung von Paraffinen und Wachsen
30
11.2.0.
Pyridiumsalze
30
11.2.1.
Allgemeines zu Pyridinium-Verbindungen
31
11.3.0.
Amide
32
11.4.0.
Silicone
32
11.4.1.
Allgemeines zu Siliconen
34
11.4.2.
Herstellung von Siliconen
34
11.4.3.
Einteilung der Silicone
35
11.4.3.1.
Siliconöle und deren Verwendung
35
11.4.3.2.
Siliconharze und deren Verwendung
36
11.4.3.3.
Siliconkautschuke und deren Verwendung
40...
12.0
...Imprägnierung in der professionellen Wäscherei
40
12.1.
Allgemeines
41
12.2.
Spezielle Anforderungen in der Wäscherei am Beispiel von OP-
Textilien
45
12.3.
Vergleich der speziellen Anforderungen in der Wäscherei
47
12.4.
Vorraussetzungen in der Wäscherei
49
12.5.
Vorraussetzungen für eine Imprägnierung
50...
13.0
...Beispiele industrieller Waschverfahren (nach Henkel-
Ecolab
TM)
50
13.1.
Waschverfahren für OP-Microfasertextilien
51
13.2.
Waschverfahren für OP-Laminate
52
13.3.
Waschverfahren für Arbeitschutzbekleidung am Beispiel von Feuer-
wehrschutzbekleidung
53...
14.0
...Störung der Applikationen
53
14.1.
Störung der Applikation durch chemische Einflüsse
53
14.2.
Störung der Applikation durch mechanische Einflüsse
54...
15.0
...Abwasserverordnung Wäschereien 29.12.98
55...
16.0
...Abwasserabgabengesetz
57...
17.0
...Die ökologische Verhaltensweise von Fluorchemikalien
57
17.1.
Allgemeines
57
17.2.
Produktion
58
17.3.
Abwasser
58
17.4.
Abluft
58
17.5.
Arbeitsschutz
59
17.6.
Müllverbrennung
60...
18.0
...Zukünftige Möglichkeiten einer fluorfreien Ausrüstung am
Beispiel Lotus-Effekt®
60
18.1.
Allgemeines
61
18.2.
Erklärung des phobierenden Effektes
63
18.3.
Allgemeine Fragen zum Lotus-Effekt®
64...
19.0
...Bewertung der Recherchenergebnisse
66...............................Quellenangaben
68...............................Anhang
Abkürzungen
In der vorliegenden Diplomarbeit werden folgende Abkürzungen verwendet:
AATCC
American Association of Textile Chemists and Colorists
Abb.
Abbildung
AbwAG
Abwasserabgabengesetz
allg.
allgemein
AOX
adsorbierendes organisches Halogen
APEO
Alkylphenolethoxilat
Aufl.
Auflage
bzw.
beziehungsweise
°C
Grad Celsius
Co
Baumwolle
CV
Viskose
CSB
chemischer Sauerstoffbedarf
dest.
destilliert
d.h.
das heißt
DIN
Deutsche Industrie Norm
EPA
Enviromental Protection Agency
Fa.
Firma
FC
Fluorcarbon
FCKW
Fluorchlorkohlenwasserstoff
FV
Flottenverhältnis
GF
Giftigkeit gegenüber Fischen
HT
Hochtemperatur
HTV
high temperature vulcanizing
MG
Massengewicht
MPG
Medizinproduktegesetz
MVA
Müllverbrennungsanlage
Nr.
Nummer
OP
Operation
PES
Polyester
PDMS
Polydimethylsiloxane
PFOS
Perfluoroctyl Sulfonat
PTFE
Polytetrafluorethylen
RTV
Room Temperature Vulcanizing
TFE
Tetrafluorethylen
TSCA
Toxic Substances Control Act
u.
und
u.a.
und andere
usw.
und so weiter
Verb.
Verbindungen
VOC
Voltatile Organic Carbon
z.B.
zum Beispiel
z.T.
zum Teil
Página 1 de 68
1
. Einleitung
Verbindungen, die während des Gebrauchs oder während der Pflege von Textilien wegen des
entsprechenden Textilen Anforderungsprofils unerwünscht sind, stellen in diesem Sinne
Fremdkörper dar. Ausrüstungen, welche Fremdkörper von der Warenoberfläche abstoßen
werden im Rahmen dieser Arbeit dargestellt:
Hydrophobierung (wasserabweisende Ausrüstung)
Oleophobierung (ölabweisende Ausrüstung)
Im besonderen werden Phobierungsmittel dargestellt, welche insbesondere in der pro-
fessionellen Wäscherei ihre Anwendung finden. In der Wäscherei geht es um die Erneuerung
der spezifischen Eigenschaften von Berufsbekleidung wie Wetterschutz für Außenberufe oder
Chemikalienschutz. Das andere Einsatzgebiet der Phobierungen sind OP-Textilien, die
flüssigkeitsdicht und beständig gegen mechanische und chemische Einflüsse sein müssen,
aber dennoch atmungsaktiv sind.
2. Aufgabenstellung
Durch die weltweite Einstellung
der
Produktion des Fluorcarbon-Phobierungsmittels
Scotchgard® von 3M TM (Minnesota Miners Manufacturing, USA) im Juni 2000 angeregt,
diskutiert man über einen möglichen Ersatz. Zu der bekannten ökologischen Bedenklichkeit
der Fluorcarbone erkannte man nun auch eine toxikologischeGefärdung. (Enviromental
Protection Agency, 18.10.2000 Volume 65, Number 202) [1] [2]
Im Rahmen diese Arbeit werden gegenwärtige und zukünftige Möglichkeiten aufgezeigt , die
Fluorcarbonausrüstungen ersetzen können.
Página 2 de 68
3.0. Allgemeine Grundlagen zur Oberflächenspannung
3.1. Wie entsteht die Oberflächenspannnung
Moleküle im Innern eines Stoffes sind durch Kohäsionskräfte nach allen Seiten
gebunden.
Moleküle in der Grenzschichte erfahren durch Kohäsionskräfte eine resultierende
Kraft nach Innen. Die Grenzfläche wirkt wie eine dünne Membran.
Die Grenzflächenspannung wird in Nm
-1
angegeben.
3.2. Oberflächenspannung in den Alveolen der Lunge
Auf die Alveolarluft wirkt ein Druck, der direkt proportional der Oberflächenspannung und
verkehrt proportional dem Radius der Alveolen ist. Als Folge davon drücken kleinere
Alveolen die Luft in größere.
Página 3 de 68
3.3. Oberflächenaktive Substanzen
Alkohole und Fettsäuren haben hydrophile und hydrophobe Anteile in ihrem
molekularen Aufbaund
Sie schieben sich als monomolekulare Schichten zwischen Wassermoleküle und
Luftmoleküle und reduzieren auf diese Wesie die Oberflächenspannung.
3.4. Messung der Oberflächenspannung
Die Oberflächenspannung bestimmt man durch
Austropfen eines definierten Volumens mit einem Stalagmometer oder
mit Hilfe der Bügelmethode.
Página 4 de 68
3.5. Tropfenformen benetzender und nichtbenetzender Flüssigkeiten
In einer Dreiphasengrenze wirken auf ein Molekül Adhäsions- und Kohäsionskräfte.
Eine Flüssigkeit ist benetzend, wenn
die Adhäsionskräfte die Kohäsionskräfte überwiegen. (Fa > Fk)
Es stellt sich ein konkaver Meniskus ein.
Tropfen benetzender Flüssigkeiten haben eine spitzen Randwinkel.
Eine Flüssigkeit ist nicht benetzend, wenn
die Kohäsionskräfte die Adhäsionskräfte überwiegen. (Fa < Fk)
Es stellt sich ein konvexer Meniskus ein.
Ein Tropfen einer nichtbenetzenden Flüssigkeit bildet einen stumpfen
Randwinkel.
4.0. Physikalische Grundlagen zum Benetzungsverhalten
Zu Erklärung von Benetzungs- bzw. Entetzungsverhalten von Flüssigkeitstropfen auf
Oberflächen kann man unterschiedliche wissenschaftliche Betrachtungsweisen zur Hilfe
nehmen.
Universell anwendbar und gebräuchlich ist die Zuhilfenahme von Oberflächenspannungen
bzw. kritischen Oberflächenenergien, die über Kontaktwinkelmessungen ermittelt werden
können. Hohe Kontaktwinkel drücken dabei geringe Benetzbarkeit aus.
Página 5 de 68
Den Zusammenhang zwischen Kontaktwinkeln und Oberflächenenergien hat bereits 1805
Thomas Young beschrieben und Willard J. Gibbs stellte 1878 erstmals diese Beziehung
mathematisch dar. Der Durchbruch in der Charakterisierung gelang Zisman al. während und
nach dem 2. Weltkrieg, als man erstmals in der Lage ware, die Kontaktwinkelmessungen von
nicht-thermodynamischen Faktoren auszuschließen und reproduzierbare Ereignisse zu
erhalten. Während bei Flüssigkeiten die Oberflächenspannungen direkt gemessen werden
können, war und ist dies bei festen Oberflächen nicht möglich. Es wurde deshalb für
Festkörperoberflächen eine entsprechende Größe als sogenannte kritische Oberflächenenergie
c abgeleitet, die mittels mehreren Messungen extrapoliert werden kann. Der Zusammenhang
zwischen Abweisungsverhalten, Kontaktwinkel und der kritischen Oberflächenenergie c
wurde mit einer empirischen Beziehung beschrieben:
Dabei ist die empirische Größe c definiert als der Wert von l (Oberflächenspannung der
benetzenden Flüssigkeit) am Schnittpunkt der Geraden bei cos gegen l mit der Hori-
zontalen bei cos = 1. Dies entspricht einer Extrapolation zu einer kompletten Oberflächen-
benetzung durch die Flüssigkeit. Die Arbeiten von Girifalco-Good- Fowkes-Young, Johnson
und Dettre, Hamaker und Lifshitz, Hough und White bzw. Israelachvili ermöglichten immer
differenziertere Betrachtungen von kritischer Oberflächenenergie und Benetzung. Vereinfacht
kann man Benetzungsphänomene auf Textilien mit den folgenden Regeln erklären.
Jedes System strebt nach einem Zustand möglichst niedriger Energie
Die feste Oberfläche eines Textil hat eine kritische Oberflächenenergie. Wird auf diese
Oberfläche ein
Flüssigkeitstropfen mit niedriger oder gleicher Oberflächenspannung aufgesetzt, so
wird er das Textil benetzen ( gl < gc).
)
(
cos
c
l
m
Página 6 de 68
Wird ein Tropfen mit höherer Oberflächenspannung aufgesetzt, so würde das Spreiten
der Flüssigkeit auf demTextil zu einer größeren Fläche mit hoher hoher Oberflächen -
energie, also zu einem Zustand höherer Energie führen. Deshalb perlt der Tropfen ab.
(gl > g c).
Eine optimal imprägnierte Oberfläche muss also eine möglichst niedrige Oberflächenenergie
aufweisen, da dann alle Flüssigkeiten im Vergleich dazu eine höhere Oberflächenspannung
haben und von dem Textil abgewiesen werden.
Abb. Kontaktwinkel am Flüssigkeitstropfen
Der Kontaktwinkel ist der Winkel, der zwischen einem Flüssigkeitstropfen und einer festen
Oberfläche gebildet wird. Er drückt den Benetzungsgrad eines Festkörpers durch
dieFlüssigkeit aus. Ein Kontaktwinkel von 0° bedeutet eine vollständige Benetzung. Der
Wassertropfen bildet dabei keinen Flüssigkeitstropfen aus, sondern verläuft zu einer dünnen
Schicht. Ein Kontaktwinkel von 180° bedeutet dagegen eine absolute Abweisung. Der
Tropfen bildet eine Kugelform aus und berührt die Oberfläche nur in einem Punkt..Allgemein
gilt, dass Kontaktwinkel kleiner als 80° für hydrophile Oberflächen und größer als 100° für
hydrophobe Oberflächen kennzeichnend sind.
Man kann anhand der erläuterten Regeln und der Werte für kritische Oberflächenenergien
einige Imprägnierungsphänomene erklären. Gelingt es mit Hilfe einer Flourcarbonausrüstung
eine Oberfläche von dichtest gepackten Trifluormethylgruppen auf dem Textil anzuordnen, so
wird eine sehr niedrige Oberflächenenergie von 6mN/m erzielt, weshalb Wasser ( 73mN/m)
und Öl (20-35 mN/M) das Textil nicht benetzen. Zum Vergleich eine mit Silikon- bzw.
Wachsimprägnierung ausgerüstetes Textil ( kritische Oberflächenenergie ca. 25-35 mN/m) ist
Página 7 de 68
ebenfalls noch in der Lage, wasserabweisende Effekte zu vermitteln, weil auch hier eine
Differenz zu der Oberflächenspannung des Wassers gegeben ist. Ölabweisende Effekte
hingegen sind aber nicht mehr möglich.
Das Ziel einer Fluorcarbonausrüstung besteht darin, eine Oberfläche von dichtest gepackten
Trifluormethylgruppen auf dem Textil zu erzeugen, die eine möglichst niedrige
Oberflächenenergie verleihen
. [3]
5.0. Allgemeines zu grenzflächenaktiven Verbindungen
Sammelbezeichnung für in der Regel organische Verbindungen, die sich aus ihrer Lösung an
Grenzflächen (z.B. Wasser/Öl) stark anreichern und dadurch die Grenzflächenspannung im
Fall von flüssig/gasförmigen Systemen, die Oberflächenspannung herabsetzen. Obgleich
auch polare Lösungsmittel wie etwa Alkohole, Ether, Pyridine, Alkylformamide usw. grenz-
flächenaktiv sind, werden im üblichen Sprachgebrauch nur solche Verbinndungen als grenz-
flächenaktive Substanzen bezeichnet, die über einen lipophilen Kohlenwasserstoff-Rest und
über eine, ggf. auch mehrere, hydrophile funktionale Gruppen (COONa,SO3Na,OSO3Na
usw. ) verfügen; derartige Stoffe werden auch Tenside oder Detergentien genannt. In einer
wässrigen Tensid-Lösung richten sich die hydrophilen Gruppen der Tenside so aus, daß sie
mit dem Wasser in Kontakt bleiben, während sich die hydrophoben Gruppen der Wechsel-
wirkung mit dem Wasser zu entziehen suchen, indem sie aus der Wasseroberfläche heraus-
ragen und somit einen Paraffin-Film erzeugen. Eine Anreicherung der Wasseroberfläche mit
Tensid-Molekülen hat für dieOberflächenspannung Konsequenzen: Bei reinem Wasser sind
alle Moleküle in der Lösung gleichmäßig von Nachbarmolekülen umgeben. Damit sind diese
Moleküle in allen Raumrichtungen gleichen Wechselwirkungen anziehender und abstoßender
Art ausgesetzt, die sich im Mittel zu Null addieren. An der Grenzfläche Wasser/Luft ver-
ändern sich diese Verhältnisse jedoch entscheidend. Ein Wassermolekül ist dort nur noch
innerhalb der Grenzfläche und in Richtung auf die Flüssigkeit von Wassermolekülen
umgeben. Die Wechselwirkungskräfte heben sich nicht mehr gegenseitig auf und es verbleibt
eine resultierende Kraft F1, die in Richtung auf die Flüssigkeit weist.[4]
Página 8 de 68
Abb. Wechselwirkungskräfte [3]
Es ist das Bestreben dieser Kraft, die Oberfläche der Flüssigkeit zu verkleinern; wann immer
es möglich ist nimmt die Flüssigkeit Kugelform an (Wassertropfen, Ostwald-Reifung). In
einer wässrigen Lösung
von Tensiden sind die Kräfteverhältnisse in der Grenzfläche
insgesamt nicht mehr so einfach darzustellen. Die Tensid-Molekülen reichern sich in der
Grenzfläche an und verdrängen dabei Wassermoleküle. In das Kräftediagramm muß demnach
nicht mehr die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Wassermolekülen, sondern zwischen
Tensid- und Wassermolekülen eingesetzt werden. Da diese Wechselwirkung weniger stark ist,
wird die resultierende Kraft F1 zwar nicht in ihrer Richtung, aber in ihrem Betrag geändert:
die Oberflächenspannung g (zu der man genaugenommen die Beiträge aller Moleküle in der
Grenzfläche aufsummieren müßte) wird verringert.
Die Oberflächenspannung weist für jede Flüssigkeit bei Normalbedingungen einen
spezifischen Wert auf und wird in mN/m angegeben. Mit Ausnahme von Quecksilber besitzt
Wasser von allen Flüssigkeiten den größten Wert (73 mN/m). Durch Zugabe von geeigneten
Tensiden kann die Oberflächenspannung bis auf Werte um 20 mN/m herabgesetzt werden.
[5]
6.0. Phobierungsarten
6.1. Hydrophobierung
Unter Hydrophobierung versteht man eine Ausrüstung, bei der die textile Fläche durch
besondere Hilfsmittel wasserabstoßend gemacht wird. Früher machte man Unterschiede
zwischen einer luftdurchlässigen und wasserabstoßenden Ausrüstung die allgemein als
Imprägnieren bezeichnet wurde, und einer sogenannten wasserdichten Ausrüstung. der
Ausdruck Imprägnieren wird heute für die Applikation sämtlicher Appretur- oder anderer
Flotten gebraucht und man hat die waschechte und nicht waschbeständige Ausrüstung unter
G r e n z flä c h e
A
B
F
C
F
F
1
> F
2
Página 9 de 68
dem Ausdruck Hydrophobieren zusammengefaßt, wobei es sich immer um eine
luftdurchlässige Ausrüstung und nicht um eine Beschichtung handelt, die sämtliche Poren des
Gewebes schließt. Alle Faserarten sind mehr oder weniger hydrophil, d.h. sie saugen
Feuchtigkeit auf und benetzen sich mehr oder weniger schnell. Vor allem gilt dies für
Faserstoffe, denen der natürliche Fettgehalt bei Wolle das Wollfett, bei Baumwolle das
Baumwollwachs entzogen wurden.
Durch Hydrophobieren soll erreicht werden, daß die Wasseraufnahme möglichst wenige % ,
ebenso soll der Quellwert möglichst geringe Werte zeigen.
Unter dem Quellwert versteht man die prozentuelle Wasseraufnahme, die nach gründlichem
mechanischen nachbehandeln (zentrifugieren, schleudern) an der Faser bleibt und über-
wiegend der Faserquellung dient. Eine Bewertung von hydrophob-ausgerüsteten Textilien
hängt von folgenden Faktoren ab [6]:
niedrige Wasseraufnahme
geringer Quellwert
elastischer geschlossener hydrophober Faserfilm
möglichst großer Randwinkel
Permanenz der Ausrüstung
6.2. Oleophobierung
Bezeichnung für die ölabweisende Ausrüstung von Textil- und Lederwaren. Als
Oleophobierungsmittel
werden
allgemeine
lösungsmittelhaltige
Zubereitungen
von
Fluorkohlenstoffen und perfluorierten Verbindungen verwendet, denen während der
Anwendung durch Imprägnierung zusätzlich Hochveredlungsmittel oder Stoffe zur
Hydrrophobierung beigegeben werden können.
Unter Oleophobie bzw. Ölabweisung von Textilien versteht man das Vermögen von textilen
Fasern, Garnen, Gewirke und Geweben, einem Annetzen durch ölige Flüssigkeiten zu
widerstehen.
Página 10 de 68
Als Oleophobierungsmittel bezeichnet man chemische Verbindungen, die wäßrigen
eingesetzt, den behandelten Textilmaterialien Oleophobie verleihen, wobei Wasserdampf-
und Luftdurchlässikeit der behandelten Textilien weitgehend erhalten bleiben. Gleichzeitig
werden die so ausgerüsteten Materialien auch hydrophob. Dies bedeutet, daß mit
Oleophobierungsmitteln imprägnierte Fasersubstrate gegenüber öligen und wäßrigen Sub-
stanzen resistent werden. Da fast alle Flecken- bzw. Verschmutzungsarten aus verschiedenen
Anteilen dieser Substanzen bestehen, erhält der Stoff durch die Ausrüstung mit
Oleophobierungsmittel einen Fleckenschutz. Aus diesem Grund wird eine Ausrüstung mit
Oleophobierungsmitteln auch Fleckschutzausrüstung genannt.[6]
7.0.0. Prüfverfahren
Keine Behandlung zur Erzielung wasser- und ölabweisender sowie schmutzabstoßender
Eigenschaften usw. kann ohne Erwähnung der Prüfverfahren, mit deren Hilfe sich die
erwähnten Eigenschaften objektive messen lassen, als vollständig betrachtet werden. Die
bekanntesten Testmethoden sind jene, die von der American Association of Textile Chemists
and Colorists (AATCC) entwickelt wurden:
7.1.0. Wasserabstoßende Eigenschaften
7.1.1. AATCC Prüfverfahren (AATCC-Testverfahren 22-1985)
Dieses Verfahren ist auch als Sprühtest bekannt. Gegen die gespannte Oberfläche der be-
handelten Ware wird unter standardisierten Bedingungen Wasser gesprüht. dies ergibt einen
musterartigen strukturierten nassen Fleck, dessen Größe ein Maß für die wasserabstoßende
Eigenschaft der Ware ist. Die Bewertung erfolgt durch Vergleich mit Abbildungen auf einer
Standardkarte.
Ende der Leseprobe aus 76 Seiten
- nach oben
Details
- Arbeit zitieren
- , 2004, Möglichkeiten der nicht-fluorbasierten wasser- und ölabweisenden Ausrüstung von Textilien in der professionellen Wäscherei, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/224363
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