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Schule > Chemie > Organische Chemie > Chemiefasern - Grundlage für Textilindustrie

Biotechnologisches Gymnasium

Belegarbeit
Im Fach Chemie
„Chemiefasern – Grundlage für die Herstellung von Textilien“
Verfasser: Robert Eckardt
Kurs: Bgy04ch3
Betreuer: Frau Bernert

Bewertung:
Dresden, den 22.Februar 2006

Gliederung:
1 Einleitung 3
2 Entwicklung der Chemiefasern 4
3.1 Synthetische Fasern 6
3.1.1 Aufbau 6
3.1.2 Eigenschaften 7
3.1.3 Herstellung 7
3.1.4 Verwendung 7
3.2 Fasern aus abgewandelten Naturstoffen 8
3.2.1 Aufbau 8
3.2.2 Eigenschaften 9
3.2.3 Herstellung 9
3.2.4 Verwendung 10
3.3 anorganische Chemiefasern 10
3.3.1 Aufbau 10
3.3.2 Eigenschaften 11
3.3.3 Herstellung 11
3.3.4 Verwendung 11
4 Verarbeitungverfahren 11
4.1 Schmelzspinnverfahren 12
4.2 Nassspinnverfahren 12
4.3 Trockenspinnverfahren 12

1 Einleitung
Es gibt zwei verschiedene Arten von Fasern. Naturfasern und Chemiefasern, welche ein weltweit verbreitetes Produkt in der Industrie sind. Sogar viel beliebter als die Naturfasern.
Vor allem in der Textilindustrie werden heute viele Dinge aus industriell hergestellten Fasern produziert, wie zum Beispiel Teppiche, Kleidung und Bürsten. Schon sehr zeitig begann das Chemiefaser-Wachstum. 1933 waren schon ¾ aller Fasern, die in Deutschland verarbeitet wurden, synthetisch hergestellt.
Sie können aus natürlichen oder synthetischen Polymeren und anorganischen Stoffen bestehen. Ausgangsstoffe für die anorganischen Faserstoffe sind v.a. Glas, Schlacke oder Metall.
Chemiefasern haben ihre Vor- und Nachteile gegen über den natürlichen Fasern, wie Baumwolle. Sie verschmutzen eher, durch ihre elektrostatischen Kräfte, aber sind auch viel Reißfester.
2 Entwicklung der Chemiefasern
1665 spielte der Engländer Robert Hooke mit dem Gedanken, Fasern künstlich aus einer zähflüssigen Masse herzustellen. Jedoch war dieser Gedanke schwer umzusetzen, da er der technologischen Entwicklung der damaligen Zeit weit voraus war.
Ab 1850 wurde die Zellulosechemie entwickelt, welche die Voraussetzung für das herstellen synthetischer Fasern war. 1884 gelang es erstmals Graf Hilaire de Chardonnet (Bild siehe Anhang 2) aus gelöster Zellulose künstliche Seide herzustellen. Hierzu wurde Nitrozellulose versponnen und anschließend
denitriert. Die künstlich hergestellte Seide hatte jedoch einen Nachteil, wegen dem sie nicht für Kleidung verwendet werden konnte. Sie war sehr leicht brennbar.
Mit der Gründung der „Societe Anonyme pour la Fabrication de la Soie Chardonnet" in Besangon/Frankreich wurde 1890 ein weiterer Schritt für die industrielle Kunstseiden-Produktion gemacht. Die damalige Tagesproduktion erreichte ca 50 kg, ein Jahr später hat sie sich bereits verdoppelt. Heute dürfte die Tagesproduktion weltweit bei über 75.000 t Chemiefasern liegen.
1927 erkennt der deutsche Chemiker Hermann Staudinger (Bild siehe Anhang 4), dass die Naturfasern aus kettenförmigen Großmolekülen bestehen. Desweiteren erkennt er das Zellulose ein Makromolekül ist (Bild siehe Anhang 3).
Damit legt er den Grundstein für die Entwicklung der Kunstfasern. Später erhält er dafür den Nobelpreis für Chemie.
Vier Jahre Später werden die ersten PVC-Fasern entwickelt, kurz darauf im Jahre 1935 wird das erste Nylon (Polyamid 6.6) hergestellt und gleichzeitig bewiesen das Chemiefaser auch spinnbar sind. Parallel dazu gelingt es dem deutschen Paul Schlack Perlonfasern chemisch herzustellen. Bereits 5 Jahre nach der Entwicklung des ersten Nylons kann man die berühmten Nylonstrümpfe kaufen
1941 wir das Polyethylentherephthalats (PET) durch Winfield und Dickson erfunden. Dies entstand durch die Polykondensation von Ethylenglycol und Therephthalsäure.
Der Siegeszug der Chemiefasern ging unaufhaltsam weiter 1942/43 entwickelten H. Rein und H. C. Houtz Polyacrylfasern, eine der wichtigsten Chemiefasern. 1948 wurden weitere Polyamidfasern entwickelt.3 Arten von Chemiefasern
Es gibt zwei verschiedene Arten von chemisch hergestellten Fasern. Synthetische Chemiefasern und Cellulosische Chemiefasern.
3.1 Synthetische Fasern

Am Beispiel Polyester
Synthetische Fasern sind aus Kohle oder Erdöl hergestellte Chemiefasern. Es sind sehr elastische fasern, die wenig Wasser aufnehmen und dadurch schneller trocknen. Textilien, welche aus synthetischen Fasern hergestellt wurden, sind pflegeleicht, da sie nach dem Trocknen meistens nicht gebügelt werden müssen.
Zu den synthetischen Fasern zählen unter anderen Polyamid, Polyester, Polyacryl und Elastan.

3.1.1 Aufbau
Polyester ist ein Polymer, welches aus mehreren Monomeren besteht. Diese werden durch Esterbindungen verknüpft.
Der Teil vor der Estergruppe (einschließlich der Gruppe) wird als Terephthalat bezeichne, der Teil hinter der Estergruppe ist eine Ethylengruppe, auch als Kohlenwasserstoffrückgrad bezeichnet. Die Sauerstoffatome der Estergruppen sind leicht negativ und Positiv geladen (Zum Beispiel Sauerstoffatom der linken Esterbindung positiv und das der rechten negativ). So entsteht eine Anziehung der beiden Gruppen zu einer Kristallform welche wiederum die Ursache für die Stärke der Fasern ist.

3.1.2 Eigenschaften
Polyester hat eine sehr geringe Glasübergangstemperatur (ähnlich Schmelztemperatur), deswegen waren früher die Flaschen nicht für Inhalt geeignet der heiß eingefüllt wurde (z. Bsp. Gelee).
Diese Eigenschaft wurde daraufhin verändert, so dass die Glasübergangstemperatur nun höher war und man auch heiß befüllen konnte.
Polyesterfasern sind leicht gelblich, können jedoch durch Aufheller weiß gefärbt werden. Sie sind sehr gut licht- und witterungsbeständig. Ein weiteres Plus ist die geringe Wasseraufnahme (z. Bsp. Poly(ethylenterephtalat) (PET) bei 20 °C und 65 % relativer Luftfeuchtigkeit nur 0,4 Gewichtsprozent). Daraus lässt sich ergibt sich auch die Formbeständigkeit in 60 °C warmen Wasser. Bei höheren Temperaturen wird die Faser aber geschädigt.
Textilien aus Polyesterfasern laden sich leicht elektrisch auf, was durch Antistatik-Ausrüstung minimiert werden kann. Die Fasern sind sehr scheuerbeständig und werden von Schimmelpilzen und Mottenlarven nicht befallen.
Reine Polyestertextilen sind schwer zu entzünden, beginnen aber leicht zu schmelzen.

3.1.3 Herstellung
Bei der säurekatalysierten Veresterung lagert sich zunächst ein Proton an das Carbonylsauerstoffatom der Carboxylgruppe an. Dessen positive Ladung wird auf das Carboxyl-C-Atom verschoben. Zwischen diesem und dem Sauerstoffatom eines Alkohols bildet sich eine Atombindung. Die positive Ladung verschiebt sich dabei auf das Alkohol-Sauerstoffatom, welches das Proton auf eine der nächstliegenden Hydroxylgruppen überträgt. Dadurch entsteht eine H2O+-Gruppe, die unter Mitnahme des Elektronenpaars, das Sauerstoffatom an den Kohlenstoff bindet. Die positive Ladung bleibt am Kohlenstoffatom. Durch Abspaltung eines Protons von der verbliebenen Hydroxylgruppe wird ein neutrales Molekül mit einer Estergruppe ausgebildet (siehe Anhang 5).

3.1.4 Verwendung
Polyester haben sehr viele Anwendungsgebiete. Polyester-Textilfasern sind z.B. unter den Markennamen Trevira, Diolen, Terylen und Dacron bekannt. Aus ihnen wird Damen- und Herrenoberbekleidung und Sportkleidung hergestellt. Gekräuselte Fasern werden zu Herstellung von voluminösen und bauschigen Textilien mit sehr guten Wärmeisolationseigenschaften verwendet.
Hochwertige verspinnte Polyester werden zu Fußbodenbelägen, Einlagestoffen für Kleidung, Filter oder Deichverfestigungen verarbeitet. Biologisch abbaubare Polyester-Fasern (z.B. Polylactide aus Milchsäure) werden für chirurgische Nähte eingesetzt.
Im Alltagsleben findet man Polyestern nicht nur bei Bekleidung sondern auch als Material für Getränkeflaschen (Poly(ethylenterephthalat) und Poly(butylenterephthalat)), CD‘s (Polycarbonat), Lebensmittelverpackungen, Fotofilme, Zahnräder, Stecker und Schrauben.
Eine spezielle Bedeutung haben Alkydharze und gesättigte bzw. ungesättigte Polyesterharze, die in der Lackherstellung eine große Rolle einnehmen, desweiteren werden Polyester als Schaumstoffe und Beschichtungen eingesetzt.
3.2 Fasern aus abgewandelten Naturstoffen

Am Beispiel Viskose
Diese fasern sind, wie der Name schon sagt, aus Naturstoffen hergestellte Fasern. Am Beispiel Viskose ist dieser natürlich vorkommende Stoff die Zellulose, welche zu 50% im Holz enthalten ist.

3.2.1 Aufbau
Viskose auch Zellwolle genannt besteht aus Zellulose (siehe Anhang 6) welche in einem industriellen Verfahren zu einem ndlosfaden versponnen wird
Wie es zu dieser Struktur kommt, erläutere ich im Teil „Herstellung von Viskose“.

3.2.2 Eigenschaften
Viskose ist eine Chemiefaser die zu 99% aus Zellulose besteht und die Feuchtigkeit sehr gut aufnehmen kann, besitzt aber eine geringe Festigkeit – besonders wenn sie nass ist. Daraus folgt also das diese Chemiefaser eine sehr geringe Elastizität und sie knittert sehr schnell.
Es gibt natürlich nicht nur Nachteile, Viskose kann man sehr leicht färben. Die Brennbarkeit ist nicht abhängig vom Zustand (feucht, trocken, gepresst). Eine weiter Eigenschaft die Viskose so beliebt macht ist die Atmungsaktivität und die Hautfreundlichkeit. Ist also weich und geschmeidig zu tragen. Sie täuscht mit Baumwoll- oder Seidenähnlichkeit.

3.2.3 Herstellung
Viskose wird im Viskoseverfahren aus Zellulose (500 bis 5000 ß-Glucosemoleküle). Um diesen Stoff zu gewinnen werden aus dem Holz alle Stoffe, die nicht benötigt werden, durch organische Lösungsmittel entfernt, wie zum Beispiel Harze, Lipide, Eiweiße, etc.. Zurück bleibt ein feinfaseriger Zellstoff der hauptsächlich aus Zellulose besteht.
Diese Masse wird in Natriumhydroxid (18-22%ig) gegeben und es löst sich bei einem Teil der Hydroxidgruppen ein Wasserstoffproton (H+) . An diese freie Bindung lagert ich das Natrium an und es entsteht Alkalizellulose (siehe Anhang 7). Durch das Pressen dieses Stoffs wird er getrocknet. Außerdem muss er 1½ Tage lagern, damit die Fasern in kleinere Stücke zersetzt werden (Depolymerisation). Im nächsten Arbeitsschritt wird die Alkalizellulose bei ca. 25-30 °C in Schwefelkohlenstoff umgesetzt. Hierbei bindet sich an die Hydroxidgruppen die vorher ein Proton abgegeben haben der Schwefel und es entsteht Viskose. Um nun die Faser zu gewinnen wird eine Spinnlösung hergestellt, die aus Cellulosexanthogenat (Viskose) und einer 7%igen Natriumhydroxidlösung besteht. Diese reift nun noch 3 Tage nach wobei wieder längere Molekülketten gebildet werden (Polymerisation). Die gereifte Spinnlösung wird durch feine Düsen in ein "Spinnbad" gepresst (eine Lösung von Schwefelsäure (H2SO4) und Sulfaten wie Natriumsulfat (Na2SO4) und Zinksulfat (ZnSO4)), dort werden die Schwefelkohlenstoffmoleküle, die sich vorher an die Zellulose gebunden haben, zum größten Teil wieder abgespalten.
Der entstehende Schwefel wird gebunden und es entstehen Schwefelwasserstoff (H2S), Schwefelkohlenstoff (CS2) und Natriumsulfat (Na2SO4). Nicht zuletzt natürlich auch die gewünschte Viskosefaser, welche aus fast reiner Zellulose besteht.
Anschließend wird die Faser noch gewaschen und gebleicht.

3.2.4 Verwendung
Aufgrund der hohen Feuchtigkeitsaufnahme wird Viskose häufig in der Intimhygiene eingesetzt, etwa zur Herstellung von Tampons.
Die Verwendung überschneidet sich stark mit der, der Baumwolle. Zur Herstellung von Textilien und Mischgeweben (z. Bsp.: Viskose und Polyester). Viskose wird vor allem für Sommertextilien verwendet, wie zum Beispiel T-Shirts und Hemden. In anderen gebieten der Textilindustrie findet man sie zum Beispiel in Dekorationen, Bettwäsche, Möbelbezügen und Freizeitbekleidung.
3.3 anorganische Chemiefasern
Am Beispiel Glasfaser
Anorganische Chemiefasern sind Fasern, die zum Größten Teil aus Erdöl hergestellt werden.

3.3.1 Aufbau
Glasfasern sind anorganische Chemiefasern die aus Glas bestehen, welches verflüssigt und anschließend in dünne Fäden gezogen wird. Die optischen Eigenschaften dieser Faser werden heute sehr stark benötigt, dazu komme ich aber im Unterpunkt Verwendung

3.3.2 Eigenschaften
Glasfaser sind besonders für ihre sehr hohe Zugfestigkeit und Elastizität bekannt. Diese hängt jedoch von der Feinheit der fasern ab, dünnere Fasern brechen schneller als längere. Sie sind schwer bis nicht brennbar, einlauffest, hitzebeständig, chemikalienresistent und sie verrotten nie.

3.3.3 Herstellung
Diese anorganische Faser wird mit dem "Online-RIC"-Verfahren hergestellt. Es können so extrem feine Fasern in nur einem Arbeitsschritt aus großen Quarzglas-Zylindern gewonnen werden. Das RIC steht für "rod in cylinder" zu deutsch bedeutet es "Kernstab im Zylinder, das Wort "Online" bedeutet, dass die Quarzglas-Zylinder mit den Quarzglas-Kernstäben der Kunden jetzt direkt beim Faserziehen verschmolzen werden, dies geschieht bei ca. 2.000°C und mit einer Ziehgeschwindigkeit von 100 bis 120 Km/s. Dieses Verfahren ermöglicht eine Faserlänge von 2.000 bis 5.000 Kilometern.

3.3.4 Verwendung
Glasfaser werden vorallem wegen ihrer Feuerbeständigkeit für Gardinen verwendet. Weiter finden sie Anwendung in der Kommuikationsindustrie als Glasfaserkabel. In der Textilindustrie wird es vorwiegend wegen der guten Wärmeisolierung eingesetzt.

4 Verarbeitungverfahren
Für alle Spinnverfahren ist das Ausgangsmaterial Granulat, welches verflüssigt wird, indem es entweder geschmolzen oder gelöst wird. Anschließend wird die Masse durch eine Spinnpumpe gepumpt. Diese Spinndüsen haben einen Durchmesser von ca. 1-10 cm und besitzen bis zu 60.000 Spinndüsenlöcher (0,05 - 1 mm)(siehe Anhang 8).

4.1 Schmelzspinnverfahren
Unter Schmelzspinnen versteht man die Herstellung von Fasern, bei der die Spinnmasse unter Luftausschluss und bei hohen Temperaturen verflüssigt wird. Dieser flüssige Kunststoff gelangt in einen Trichter und wird zur Spinnpumpe geleitet. Am Ende von ihr wird er durch die Spritzdüsen drückt, wobei lange dünne Fäden entstehen. Durch einen Kaltluftstrom werden die Fäden abgekühlt und erhärten somit. Ein verkleben der Fäden ist nicht mehr möglich. Vor dem aufwickeln auf große Rollen werden die Fäden noch verstreckt. Das Verstrecken dient zur Verfestigung der Fasern und zum verfeinern. Hierbei wird die Faser auf mehr als das 3-fache ihrer Länge gezogen (Grafik siehe Anhang 9).
Dieses Verfahren wird am häufigsten für Fasern wie zum Beispiel Polyamide, Polyester und Polypropylen.

4.2 Nassspinnverfahren
Bei diesem Verfahren wird die Spinnmasse ebenfalls verflüssigt und anschließend durch Spinndüsen gepresst. Zum abkühlen und erstarren der Fäden kommen sie aber in ein Fällbad aus Chemikalien. Weiter geht es wie beim Schmelzspinnverfahren, die Filamente werden noch nass verstreckt und aufgespult (siehe Anhang 10).
Am meisten wird dieses Verfahren zum verspinnen von Viskose- und Triacetatfasern genutzt. Durch die Entwicklung von Temperaturbeständigen und feuerfesten Materialien gewinnt dieses Verfahren immer mehr an Bedeutung.

4.3 Trockenspinnverfahren
Für das Verfahren wird die Spinnmasse in Lösungsmitteln gelöst, die sich beim erhitzen verflüchtigen. Diese Masse wird durch sie Spinndüse in einen Schacht mit warmer Luft gepresst. Hier verdampfen die Lösungsmittel in der Spinnmasse und die Fäden werden fest. Die Lösungsmittel können durch Filter, etc. zu 99,9% wiedergewonnen werden, was ein großes Umweltplus für dieses Verfahren ist.
Anschließend werden die Fäden wie auch bei den anderen Verfahren verstreckt und aufgespult (siehe Anhang 11).

5 Umweltprobleme
Durch die vorwiegend chemische Gewinnung von Chemiefasern ist natürlich auch dieses Thema wichtig. Wie stark ist die Umweltbelastung durch diese Stoffe? Gleichen sie es aber vielleicht wieder aus, durch ihre leichte Pflege? Dies Fragen möchte ich jetzt klären.
Durch die Verwendung von nicht nachwachsenden Rohstoffen wird die Umwelt sehr stark belastet. Synthetisch hergestellte Textilien bereiten außerdem ein großes Problem beim Recycling, sie verrotten nicht, wie natürliche Baumwole. Sie müssen eingeschmolzen werden, soweit möglich, um dann wiederverwendet zu werden. Dabei entstehen jedoch auch wieder giftige Dämpfe die die Umwelt belasten. Fasern aus diesen Stoffen sind jedoch eine Minderheit in der Textilindustrie. Eher werden halbsynthetisch hergestellte Filamente verwendet. In dem Falle werden nachwachsende Rohstoffe als Grundlage verwendet und chemisch abgewandelt um ihre Eigenschaften zu verbessern, wie etwas das Knitterverhalten. Bei der Herstellung von Viskose zum Beispiel entsteht ein hoch explosives Gemisch aus Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff. Außerdem werden die meisten Fasern noch mit Chlor gebleicht damit beim Färben der Fasern auch der gewünschte Farbton entsteht.
Natürlich beseitigen sie auch Probleme die durch das Waschen der Baumwolle entstehen. Durch die schmutzabweißende Eigenschaft einiger Stoffe ist das häufige Waschen nicht mehr nötig, der Wasserverbrauch und die Grundwasserbelastung durch Waschmittel wird geringer.
Dir Größten Probleme der Textilindustrie mit der Umwelt liegen ganz klar im Bereich Abwasser, Abluft und Energieverbrauch.
Der Staat gibt Maximalwerte vor, die die Unternehmen strenge einzuhalten haben, jedoch versuchen sie die Umweltbelastungen so gering wie möglich zu halten und investieren eine Menge an Zeit in die Umweltforschung.
Die Umweltmaßnahmen reichen von einem Filter bis hin zur eigenen Abwasseraufbereitung. Damit sichern sich die Unternehmen staatliche Zuschüsse und bleiben so auch Konkurrenzfähig.
In der Chemiefaserproduktion werden Umweltrisiken bereits als Teil des Marktmechanismus gesehen und verlangen nach einem überregionalen Umweltschutzgesetz. Zum Schutz der Umwelt und zur kontinuierlichen Verbesserung der Verfahrenstechniken hat sich bereits 1984 eine Organisation zusammengefunden, die 'Responsible Care Initiative'.

Quellen:
http://www.innovations-report.de/html/berichte/verfahrenstechnologie/bericht-25945.html

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