3

Vorwort

Diese Arbeit gibt vor allem über den chemischen Aufbau der gebräuchlichsten Textilfasern Auskunft. In den Text sind lediglich einige Formeln eingefügt. Die zu der Arbeit gehörenden Plakate ermöglichen eine genauere Vorstellung des Aufbaus und Aussehens der Fasern.

Mein Dank geht im Speziellen an Herrn Wagner, der mir bei den Versuchen behilflich war, an Herrn Keck der Firma Clariant, der mir Fachliteratur zu dem Thema besorgte und an Frau Weiler aus Grasset/Burgkirchen, die mich über Schafwolle aufklärte und mir Wolle zur Verfügung stellte.

4

Geschichte der Textilfasern

Nahrung, Behausung und auch Kleidung: Seit jeher die dringendsten Bedürfnisse des Menschen. Ganz simpel begann die „Textilherstellung“, indem Blätter um den Leib gewickelt wurden, die mit Knochen, Ästchen oder Baumnadeln festgesteckt waren. Bald darauf erfanden die Menschen eine Technik, die sich „Reihung“ nennt, wobei man gleichartige Blätter zu einem Schurz zusammenlegte und diese mit einer Sehne oder Ranke durchzog. Ein Grasrock entstand durch Verknoten von Gräsern („Knüpfen“). Mit der Zeit fand man heraus, welche Tiersehnen, Ranken oder binsen bzw. hanfartige Pflanzenteile sich am besten zur Textilherstellung eigneten und sammelte diese gezielt ein. In den kälteren Teilen der Welt griff der Mensch auf Tierfelle zurück, die er zurechtschnitt und mit Tiersehnen zusammennähte. Dann begann man aus Tierhaaren, v. a. Wolle, durch Filzen oder Walken, also stampfen in Urin oder Walkerde, eine feste zusammenhängende Masse zu fertigen. Mit der Erfindung des Spinnens, zunächst von Wolle, konnte man längere bzw. endlose Fäden erzeugen, die das Weben möglich machten. Diese Technik wurde immer weiter ausgefeilt und findet bis heute Anwen-dung in der Herstellung unserer Textilwaren. Erst in neuester Zeit benutzt man neben den natürlich vorkommenden Fasern auch auf chemischem Wege hergestellte Fasern, die künstlichen und synthetischen Fasern, um Stoffe zu fertigen.

5

Chemie der Textilfasern

I. Naturfasern

Naturfasern sind Fasern, die der Mensch aus der Natur als Ganzes gewinnen kann. Sei es aus Pflanzen, von Tieren oder sogar aus anorganischen Materialien. Die in der Textilindustrie genutzten Fasern sind in der Regel organische Fasern. Sie bestehen, Naturfasern genau so wie Chemiefasern, zum Größten Teil aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff.

1. Pflanzliche Fasern

Pflanzliche Fasern nennt man auch natürliche bzw. native Cellulosefasern. Man unterscheidet zwischen Samen, Hart und Bastfasern. Die Fasern befinden sich jeweils in den Samen, in/an der Frucht bzw. in der Bastschicht des Stengels oder des Blattes. Zu den Samenfasern gehören die Baumwolle und Kapok. Die Kokosfaser ist ein Vertre-ter der Fruchtfasern. Flachs, Hanf, Ramie und Jute zählt man zu der Gruppe der Bastfa-sern.

Cellulose, zu deren Aufklärung der Chemiker H. Staudinger ganz wesentlich beigetragen hat, ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand. Cellulosefasern bestehen ganz oder zum Großteil aus Cellulose, welche aus dem 1,4- β glycosidisch verknüpf-tem Disaccharid Cellobiose aufgebaut ist. Durch vollständige Hydrolyse mit mäßig konzentrierter Säure erhält man ausschließlich β -D-Glucose (Drehwert: + 18,7°). Nach kurzer Zeit hat sich aber durch den Vorgang der Mutorotation ein Gleichgewicht aus α - und β Glucose mit dem optischen Drehwehrt + 52,7° eingestellt. Der Polyme-risationsgrad der Fadenmoleküle schwankt in weiten Grenzen (1500 – 5000 Glucoseeinheiten), wie man durch Molekülmassenbestimmung (zwischen 500.000 und

1.500.000 u) feststellen kann. Etwa 30 dieser Makromoleküle sind wiederum zu bün-

delartigen Elementarfibrillen ( o / ca. 3 nm), die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden, zu-

sammengefasst und kristallin Eine Elementarzelle des Gitters enthält 4 Glucose bzw. 2 Cel-lobioseeinheiten.

6

In der Zellwand von Pflanzen sind diese Elementarfibrillen zu größeren Bündeln, den sogenannten Mikrofibrillen zusammengelagert, welche untereinander netzartig verflochten sind.

Manche Pflanzenfasern wie Flachs oder Baumwolle bestehen fast ausschließlich aus Cellulose. Holz, einer der wichtigsten Celluloselieferanten, enthält hingegen neben der Cellulose auch einige Begleitstoffe wie Hemicellulosen, Pektin oder Lignin, deren Aufgabe es ist, die Elementarfibrillen in den Mikrofibrillen zu „verkleben“. Hemicellulosen sind Polysaccharide, v. a. Xylan, die durch Säuren leichter spaltbar sind als Cellulose. Auch in Laugen sind sie besser löslich. So können sie auf chemischem Wege entfernt werden.

Pektin

Galakturonsäurebausteinen.

Lignin, auch „Holzstoff“ genannt, besteht aus substituierten Phenylpropaneinheiten.

a) Samenfasern Die Baumwollfaser soll als Vertreter der Samenfasern genauer behandelt werden. Fast

60 % der Weltproduktion kommt aus den Südstaaten der USA. Die Baumwollpflanze

(Gossypium) wächst als Strauch, der nur 25 cm aber auch 2 m hoch werden kann. Sie gehört zur Familie der Malvengewächse. 1 Die zwischen 18 und 50 cm lange Baumwollfaser, eine einzellige Faser, besteht zu etwa

91 % aus Cellulose. Der Rest sind ca. 6-8% Wasser und Begleitstoffe. Die Cellulose

1 echte Baumwollblüte auf dem Plakat der Cellulosefasern

7 ordnet sich ähnlich den Schichten einer Zwiebel, um den mit Plasma gefüllten Zellkanal (Lumen) der Faser an. Die Faserreste, die sich nach der Abtrennung noch am Samen befinden, nennt man Linters. Man verwendet sie zur Herstellung von cellulosischen Chemiefasern.

b) Bastfasern Flachs zählt zu den Stengelbastfasern. Der für die Textilindustrie bedeutsame Faserflachs wird vorwiegend in Osteuropa angebaut. Im Gegensatz zur Baumwolle, die nahezu spinnfertig zur Verfügung steht, muss die Bastfaser erst durch aufwendige Prozesse aus der Rinde bzw. dem Blatt der Pflanze isoliert werden.

Entfernt man Cuticula und Epidermis vom Flachsstängel 1 , so stößt man auf das Rindengewebe, in das die Bastfaser eingebettet ist. Durch fünf bis acht Tage langes Rösten 2 werden die Mittellamellen (Parenchymmittellamellen), die aus Pektin bestehen und die Fasern mit dem Rindengewebe verbinden, zerstört. Durch darauffolgende mechanische Arbeitsprozesse wie Brechen, Schwingen und Hecheln, d. h. knicken, schleudern und auskämmen, werden die Fasern isoliert.

Die gewonnene Langflachsfaser, die zu 6589 % aus Cellulose besteht, ist im Durchschnitt 50 cm lang und besteht, im Gegensatz zur Baumwolle, aus mehreren Einzelzellen mit 2-5 cm Länge, die durch Mittellamellen zusammengehalten werden. Diese Mit-tellamellen (Sklerenchymmittellamellen), die aus einer etwas anderen Pektinart aufgebaut sind, halten enzymantischer und chemischer Einwirkung besser stand als jene, die die Fasern in das Rindengewebe einbinden. Somit überstehen sie den Röstvorgang unbeschädigt.

Löst man die Mittellamellen der Leinfasern chemisch auf, erhält man Flockenbast, der aus Elementarfasern, also einzelnen Zellen, besteht. Diesen Vorgang bezeichnet man als Cottonisieren.

Charakteristisch sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Faserverdickungen, die durch das Brechen und Schwingen entstehen.

c) Hartfasern Die Kokosnuß besitzt eine harte Schale, die von vielen Fäden umgeben ist. Diese verwendet man u. a. zur Produktion von Seilen. Hartfasern haben in der Textilindustrie nur geringe Bedeutung, weshalb ich auf diese hier nicht genauer eingehe.

1 siehe Plakat der Cellulosefasern; z. B. Aufbau des Flachsstengels

2 in warmes Wasser legen

8

2. Tierische Fasern

Tierische Fasern gewinnt der Mensch aus dem Fellkleid der Tiere (Wollen und Haare) oder aus den Kokons bestimmter Seidenspinnerraupen.

Tierische Fasern bestehen aus Eiweiß. Gegenüber den Cellulosefasern reagieren Proteinfasern wesentlich empfindlicher auf Alkalien, zeigen aber höhere Säureresistenz und wesentlich bessere Wärmeisolation.

Alle Eiweißkörper bestehen aus Aminocarbonsäuren oder kurz Aminosäuren. Die Anzahl und Kombination der Aminosäuren nennt man Aminosäurensequenz bzw. Primärstruktur. Sie ist bei jedem Protein verschieden.

Folgende Tabelle zeigt die Zusammensetzung von Wollkeratin und Seidenfibroin:

Jede Aminosäure besitzt zwei funktionelle Gruppen, eine Aminogruppe (NH 2 -) und eine Carboxylgruppe (-COOH). Die Aminogruppe einer Aminosäure geht mit der Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure eine Peptidbindung unter Wasserabspaltung ein, wobei die Säureamid- bzw. Peptidgruppe (-CONH-) das charakteristische Bindeglied darstellt.

9

Durch Wiederholen dieser Reaktion mit zahlreichen Aminosäuren, von denen es 20 verschiedene gibt, 1 erhält man zunächst Oligopeptide ( ≤ 10 AS) und Polypeptide (11-100 AS). Sind noch mehr Aminosäuren enthalten, spricht man von Eiweißen oder Proteinen. Faserproteine/Skleroproteine (Keratin, Fibroin, Kollagen) lassen sich im Gegensatz zu globulären Proteinen/Sphäroproteinen (Albumine, Globuline, Hämoglobine) nicht auflösen, ohne dass sie vorher abgebaut werden. Der Grund dafür ist die geringere Viskosität der Sphäroproteine, die darauf hinweist, dass die Strukturelemente Peptidringe und keine langgestreckten Molekülketten wie die Faserproteine sind.

Eiweißkörper besitzen an einem Molekülende eine freie Amino-, an dem anderen eine freie Carboxylgruppe. Zusätzlich befinden sich Amino- und Carboxylgruppen innerhalb des Moleküls, wenn die Bausteine Diaminocarbonsäuren (Arginin, Lysin, Histidin) oder Aminodicarbonsäuren (Asparginsäure, Glutaminsäure) sind. Sind Amino und Carbo-xylgruppen gleichzeitig in einem Molekül vorhanden, hat das ein amphoteres 2 Verhalten der Eiweißkörper zur Folge. Auch die einzelnen Bausteine, die Aminosäuren selbst, weisen dieses Verhalten auf, das an diesen im Folgendem genauer erläutert wird: Aminosäuren liegen in ungeladener oder geladener Form, als Zwitterion, vor.

Das Gleichgewicht dieser beiden Formen liegt stark auf der Seite des Zwitterions. Durch Säurezugabe wird die Dissoziation der Carboxylgruppen stark zurückgedrängt, bei Laugenzugabe die der Aminogruppen. Dies hat Einfluss auf das Bindevermögen, das bestimmte Eiweißkörper gegenüber Säuren bzw. Alkalien aufweisen, da diese an den COO - -bzw. NH 3 +

Gruppen reagieren. Das heißt: Im stark saurem Bereich liegt le-diglich die Kationenform der Aminosäuren vor, bei extrem hohen pH-Werten nur die Anionenform.

Für jeden Eiweißkörper gibt es einen bestimmten pHWert, bei dem die Anzahl der dis-soziierten Amino- und Carboxylgruppen gleich groß ist. An diesem isoelektrischen Punkt bilden die entgegengesetzt geladenen Gruppen ein inneres Salz (Ionengitter) was zu einer völligen Elektroneutralität führt; Wolle bei pH 4,9, Seide bei pH 5,0. In diesem Zustand weisen Eiweißkörper ein Minimum an Reaktionsfähigkeit und ein Maximum an Stabilität auf, was bei der Veredelung eine wesentlich Rolle spielt. Das pH-Intervall, in dem weder H + - noch OH - -Ionen aufgenommen werden, nennt man

1 siehe Tabelle S. 8

2 reagieren als Brönsted-Säuren bzw. -Basen

10

„isoelektrische Zone“, die bei Schafwolle z. B. zwischen pH 4,0 und pH 7,0 liegt, bei Seide zwischen pH 4,0 und pH 5,5.

a) Wolle und Haare Bei dem Wort Wolle denkt man zuerst an Schafe. In der Tat ist die Schafwolle eine der häufigst verwendeten Tierfasern. Generell wird je nach Schafrasse zwischen Streichund Kammwolle unterschieden. Eine Faser der Streichwolle ist zwischen 36 und 250 mm lang und stark gekräuselt. Die Oberfläche des Garns ist eher moosig. Kammwolle-fasern im Gegensatz sind relativ schlicht und 170 bis 550 mm lang. Eine weitgehendst parallele Lage der Fasern beim Verspinnen führt zu einer verhältnismäßig glatten Oberfläche.

Querschnittsmäßig lassen sich bei der Wollfaser von Außen nach Innen hin drei Schichten unterscheiden. Die aus schindelförmigen Zellen aufgebaute Cuticula oder Schuppenschicht (äußere Deckschicht, die wiederum in Epicuticula, Exocuticula und Endocuticula unterteilt ist), die Rindenschicht aus Spindelzellen, welche Hauptbestandteil der Faser ist und zuletzt die Markschicht, die mit ihren zylindrischen Zellen den inneren Teil der Faser ausfüllt. Letztere fehlt bei sehr feinen Fasern. Die einzelnen Zellen, die die Schichten zusammensetzten, sind in Fibrillen und sogar Mikrofibrillen untergliedert. 1 Der Eiweißkörper, der die einzelnen Schichten aufbaut, nennt sich Keratin 2 . Er unterschiedet sich je nach Schicht in z. B. Schwefel und Tyrosingehalt. Die mechanischen und chemischen Eigenschaften des Wollhaars sind hauptsächlich durch die Eigenschaf-ten des Keratins bestimmt.

Das Polypeptid des Wollkeratins liegt in der Sekundärstruktur in Form der α-Helix 3 vor, d. h. sie ist schraubenförmig um eine imaginäre Achse angeordnet, da sich zwischen den einzelnen Aminosäuren Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Eine Umdrehung besteht aus 3,7 Aminosäuren. Wolle lässt sich auf Grund der die Polypeptidketten durch Spiralisierung stark verkürzenden α Struktur in Wasser um zusätzliche 70 % ihrer ursprünglichen Länge dehnen, ohne dass sie danach in einer dauerhaften Dehnung erhal-ten bleibt. Bei den meisten anderen Fasern wäre das bei diesem Grad der Dehnung der Fall. Dehnt man die Faser, erhält man die ungefaltete Kettenstruktur 3

1 echte Schafwollmuster auf Plakat der Proteinfasern

2 Zusammensetzung siehe Tabelle S.8

3 siehe Plakat der Eiweißfasern

11

( β -Faltblattstruktur). Die Schrauben werden entspiralisiert und die intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen gelöst.

Keratin enthält neben Monoamino-monocarbonsäuren auch Diaminocarbonsäuren und Aminodicarbonsäuren, welche die einzelnen Polypeptidketten durch Ionenbindungen zusammenhalten (elektrostatische Bindungen = Salzbindeglieder). Diese räumliche Anordnung der einzelnen Ketten im Raum nennt man Tertiärstruktur. Auch Wasserstoff-brücken, Van-der-Waalsche Kräfte und jeweils zwei Moleküle der

schwefelhaltigen Aminosäure Cystein (etwa 3-4% des Keratins), die untereinander Disulfidbindungen (Cysteinbindung) ausbilden, sind für den Zusammenhalt der Polypeptide bzw. Micelle (Polypeptidbündel) verantwortlich. 1 Die oben erwähnte Verstreckung lässt sich am schwersten am isoelektrischen Punkt vollziehen, da hier am meisten Salzbindungen zwischen den Ketten bestehen. Aus diesem Grund arbeitet man bei der Wollverarbeitung nie in der isoelektrischen Zone. Die Cysteinbindungen können sehr leicht reduktiv, hydrolytisch oder oxydativ gespalten werden, ohne dass die Peptidbindungen selbst beeinflusst werden. Wirkt Säure geringerer Konzentration auf Wolle ein ist sie, ohne dass die Kristallstruktur beschädigt, wird leichter zu verarbeiten, z. B. bei Textilfärbung. Es werden lediglich die Salzbindungen gelöst, die beim Auswaschen wieder neu gebildet werden. Steigt die Konzentration der Säure an, greift diese die Peptidbindungen an, was bei entsprechend hoher Konzentration bis zum völligen Auflösen der Wolle führt. Elöd und Fröhlich fanden heraus, dass die Säureaufnahme zwischen pH 1,3 und pH 0,8 einen gewissen Stillstand erreicht, unter pH 0,8 aber wieder rasch ansteigt. Der Grund hierfür ist, dass die Iminogruppen der Peptidbindungen sich aufladen und deshalb zusätzlich Säure binden können.

+

- Λ Λ Λ Λ −

NH 2

R Wolle reagiert auf alkalisches Medium und Hitze mit Filzen und Vergilben und schließlich sogar Lösen. Ich bewies in einem Versuch, dass sich Schafwolle im Gegensatz zu Baumwolle schon in 4 %-iger (1 mol/L) Natronlauge in kurzer Zeit auflöst. 2 Die Querverbindungen werden zerstört, indem die Salzbindeglieder gesprengt, die Wasserstoffbrücken aufgehoben und die Cysteinbindungen gelöst werden. Dies bedeutet einen empfindlichen Eingriff in das Keratingerüst. Für die Textilindustrie wurden daher Ver-

1 Bindungensiehe Plakat der Eiweißfasern

2 Siehe Videoaufzeichnung Teil 1 und 2

12 fahren entwickelt, mit denen alkali und hitzeresistente Querverbindungen in das Ei-weißmolekül eingefügt werden können. Die Beeinträchtigung der Wolle bei der Wäsche wird damit vermindert.

Wasser führt zu einer Quellung der Wolle, indem es in die zwischenmicellaren Räume der Faser eindringt. Je höher der Zusammenhalt durch die Querverbindungen ist, desto geringer ist die Quellung, d. h., innerhalb der isoelektrischen Zone ist sie am geringsten. Lässt man Druck, Schub oder Zug im wässrigen Medium auf Wolle einwirken, so führt das zu einer starken Verschlingung der Fasern untereinander, was man Filzen nennt. Außerhalb der isoelektrischen Zone, also im alkalischen und besonders im sauren Bereich, ist die Tendenz zum Filzen stärker. Diese Eigenschaft der Wolle wird in der Textilfabrikation zur Herstellung aller möglichen Filze ausgenutzt.

b) Seiden Echter Seidenfaden wird von der Raupe des Seidenspinners, eines Nachtschmetterlings, der nur von Maulbeerblättern lebt, bei dessen Verpuppung gesponnen. Sein Kokon besteht aus einem 1000-3000 m langen Faden. Die Naturseidenfaser ist ein Doppelfaden, der aus Fibroin 1 besteht. Dieser ist in einen Seidenbast, Sericin, eingehüllt. Die Rohseide besteht zu etwa 76 % aus Fibroin, 23 % aus Sericin und etwa 1 % Fett, Farbstoffen und mineralischen Bestandteilen. Das Sericin wird normalerweise durch Entbasten entfernt, da es den Seidenfaden hart macht und stumpf aussehen lässt.

Sericin und Fibroin sind beides Proteine, wobei Fibroin einen wesentlich höheren Anteil an Glycin besitzt. Sericin hat dafür einen wesentlich höheren Anteil an der Oxyaminosäure Serin.

H 3 N C H

Fibroin liegt von Haus aus in β-Faltbalttstruktur vor und weist auf Grund des hohen Anteils an Glycin und Alanin, das heißt vieler kurzer Seitenketten, einen sehr hohen Kristallisationsgrad und daher enorme Reißfestigkeit auf. Parallel gelagerten Fibroinmoleküle werden durch Salzbindeglieder, Wasserstoffbrücken und Van-der-Waalsche Kräfte zusammengehalten. Sericin ist großteils amorph 2 und deshalb auch in heißem Wasser löslich. Fibroin hingegen nicht. Diese Eigenschaft vereinfacht die Trennung der Beiden 1 Zusammensetzung siehe Tabelle S.8

2 Gegenteil von kristallin, d.h. ungeordnet

13

erheblich. Der isoelektrische Punkt des Fibroins ist bei pH 5,0 höher als der des Sericin bei pH 4,1.

Das Seidenfibroin besteht zum größten Teil aus Glycin, Alanin und Tyrosin. Im Gegensatz zum Wollfaden ist die Aminocarbonsäure Cystein kein Bestandteil des Fibroins und es hat weniger Diaminocarbonsäuren und Aminodicarbonsäuren. Das relative Äquivalentgewicht der Seide als Base ist deshalb mit 4200 höher als das der Wolle als Base mit 1400. Das Säurebindevermögen erreicht wie bei der Wolle zwischen pH 1,3 und pH 0,8 einen Stillstand, um dann wieder anzusteigen. Das Basebindevermögen ist etwa gleich groß wie das der Wolle.

Die isoelektrische Zone der Seide liegt zwischen pH 4,0 und pH 5,0. Entsprechend der Wolle hat sie hier ein Quellungs- und Reaktionsminimum. Fibroin ist im Vergleich zu Keratin empfindlicher gegenüber starken Säuren aber dafür etwas resistenter gegenüber Alkalien.

Neben der echten Seide gibt es noch wilde Seide, die Tussahseide. Die Raupe, die diese Seide spinnt, lebt wild und wird nicht gezüchtet.

3. Mineralische Fasern

Asbest ist ein Mineral, Magnesiumsilicat, das sich zu feinen Fasern aufteilen lässt. Gibt man Pflanzenfasern hinzu, kann man die Asbestfaser verspinnen. Oft werden die Pflanzenfasern nachträglich ausgebrannt und man erhält Feuerschutzkleidung.

14

II. Chemiefasern

Bei Chemiefasern unterscheidet man zwischen Fasern, die aus natürlichen Polymeren erzeugt werden und synthetischen, auf der Basis von Erdöl und gas. Im Gegensatz zu den Naturfasern können Chemiefasern in Zusammensetzung und Aufbau vom Menschen gestaltet, also mit bestimmten Eigenschaften ausgestattet werden. Chemiefasern werden als Endlos- und Stapelfasern erzeugt. Stapelfasern sind in kleine Stücke ge-schnittene Endlosfasern, die zu einem Garn versponnen werden müssen. Endlos- und Stapelfasern haben unterschiedliches Aussehen und verschiedene Eigenschaften. Für die Herstellung von Chemiefasern braucht man zähe, fadenziehende Flüssigkeiten. Diese Spinnmasse entsteht durch Lösen oder Erhitzen. Aus ihr gewinnt man durch das Trockenspinnverfahren, das Nassspinnverfahren oder das Schmelzspinnverfahren Endlosfasern, die Filamente.

Wird der Ausgangsstoff durch Schmelzen unter Luftausschluss verspinnbar gemacht, spricht man von Schmelzspinnverfahren. Unmittelbar nachdem die Spinnflüssigkeit aus den Drüsen in den Blasschacht eintritt, in dem sie erstarrt und trocknet, setzt der Spinnverzug ein, welcher den Durchmesser der Faser um ein Vielfaches verkleinert. Beim Nassspinnverfahren werden die gelösten Ausgangsstoffe in ein Fällbad gesponnen, in dem die Fäden erstarren.

Beim Trockenspinnverfahren werden die Spinnmassen, meist Lösungen, in einen beheizten, mit Heißluft durchströmten Spinnschacht gespritzt. Darin verdampft das Lösungsmittel und die Faser wird fest.

Nach dem Spinnen werden die Chemiefasern in der Regel noch verstreckt, da die Molekülketten in den Fäden nicht parallel ausgerichtet sind. Um die Moleküle in der optimalen Kristallstruktur anzuordnen, wird der Garn, je nach Art kalt oder unter Hitzezufuhr, über zwei Galetten geführt und zur 3-5fachen Länge gestreckt.

1. Aus natürlichen Polymeren erzeugt

Aus Cellulose, Eiweiß, Latex oder Algen kann man durch spezielle chemische Behandlung Fasern gewinnen. Kunstseide wie der bekannte ViskoseRayon wird aus Cellulose hergestellt. Aus dem Eiweiß von Mais oder Erdnüssen kann man Zein und Ernussei-weißfasern herstellen. Gummi wird aus Latex gemacht und die Chemieseide Alginat er-hält man aus Algen.

15

a) Cellulose Obwohl Kunstseide weitaus nicht so stabil ist wie ihre natürlichen Verwandten, hat sie einen sehr hohen Stellenwert in der Textilindustrie für Damenbekleidung, da sie in ihrem Glanz, Weichheit und Geschmeidigkeit der vielfach teureren Naturseide gleicht. Zur Herstellung der regenerierten Cellulosefasern benötigt man den Rohstoff Zellstoff, der meist aus Holz gewonnen wird. Der hochwertigste Rohstoff ist Linters, der „Abfall“ aus der Baumwollproduktion.

Es sind verschiedene Verfahren wie das Nitratverfahren, das Kupfervefahren, das Acetatverfahren und das wohl bekannteste Viskoseverfahren 1 zur Produktion der Viskose/des Viskoserayon bekannt. In letzterem wird zunächst durch Zerkleinern und Aufschließen der Cellulose aus Fichten und Kiefernholz, aber auch aus Stroh Zellstoff gewonnen. Dieser wird in Natronlauge getaucht und ausgepresst. Es entsteht Alkalicellulose, welcher nach Zerkleinerung Schwefelkohlenstoff beigemischt wird. Als Reaktionsprodukt erhält man Xanthogenat, das man in verdünnter Natronlauge auflöst und so eine Spinnflüssigkeit, die sogenannte Viskose erhält. Diese kann durch Düsen gepresst werden um anschließend in ein Fällbad (üblicherweise Müllerbad: Schwefelsäure und ein Sulfat/eine Kombination aus Sulfaten) geleitet zu werden, in dem das gelöste Mate-rial bei der sogenannten Koagulation zu einem festen Faden erstarrt.

Rayon besteht aus einer Endlosfaser. Diese wird für die Zellwolle in kleine Faserstücke zerschnitten, die wie Baumwolle zu einem Garn versponnen werden müssen. Die Querschnittskonturen 1 der regenerierten Zellulosefasern sind je nach Sorte (Viskose-, Acetat-, Nitratfaser,...) mehr oder weniger unruhig. Die Form ist vor allem abhängig vom Zustand der Spinnlösung sowie der Geschwindigkeit der Koagulation.

b) Eiweiß Analog der Produktion von künstlichen Cellulosefaser werden Eiweißkörper in geeignete alkalische Lösungen überführt um daraus in einem sauren Bad künstliche Fasern zu spinnen. Wie bei künstlichen Cellulosefasern gibt es auch hier Stapelfasern, in dem man die Langfasern vor dem Gerben/Härten schneidet.

Man verwendet zur künstlichen Wollherstellung alle möglichen natürlichen Eiweißstoffe, z. B. Abfälle von Wolle und Seide oder Fischweiß und Gelatine. Da die Lösungsmittel meist alkalisch reagierende Substanzen sind, führt das Lösen von Wolle und Seide oft zu Problemen, da die Eiweißmoleküle abgebaut, d. h. die Peptidbindungen gelöst werden.

1 Siehe Plakat der Cellulosefasern

16

Die Ardilfaser besitzt zahlreiche Diaminocarbonsäuren und Aminodicarbonsäuren und kann deshalb etwa die gleiche Menge an Säure binden wie die Wolle. Die Zeinfaser hingegen kann auf Grund ihrer geringen Anzahl an Diaminocarbonsäuren sehr viel weniger Säure aufnehmen.

Auch bei der Veredelung der Fasern kann man weitgehenst auf die Verfahren, die bei den natürlichen Eiweißfasern angewandt werden, zurückgreifen.

Die erste großtechnisch hergestellte Faser beruhte auf der Verwendung von Milchcasein. Handelsübliche Bezeichnungen der Caseinfasern sind Lanital, Tiolan oder Aralac. Erdnussfasern heißen Ardil und Maisfasern Vicara.

Die Caseinfaser kam als erste der künstlichen Proteinfasern in den Handel. Heute wurde sie aber durch Ardil und Vicara weitgehenst abgelöst.

Casein, das unter Verwendung von Säure aus Magermilch gewonnen wird, wird zunächst ausgepresst und getrocknet um anschließend in verdünnter NaOH gelöst und in koagulierende, saure Fällbäder gespritzt zu werden. Anschließend wird der so gewonnene Faden einem Härtungsprozess (Gerbung) mit Formaldehyd unterworfen um die Quellung zu verringern. Die einzelnen Micelle werden dabei zusätzlich miteinander verknüpft, in dem sich das Formaldehyd mit verschiedenen funktionellen Gruppen des Caseins umsetzt und v. a. Methylenbrücken bildet. Aus 1 kg Casein gewinnt man rund 1 kg Faser.

Casein zeigt auf Grund der Diaminocarbonsäuren, Aminodicarbonsäuren und des Cysteins ähnlich amphotere Eigenschaften wie das Keratin der Wolle. Casein enthält zusätzlich Phosphor, der als Phosphorsäure an die OH-Gruppen des Serins gebunden ist. Casein ist ein Sphäroprotein, das heißt ein globulärer Eiweißkörper. Erst durch den Spinnprozess (Ziehen der viskosen Lösung) tritt eine Entrollung zu Kettenmolekülen ein.

Das Prinzip zur Herstellung der Zeinfaser entspricht dem der Caseinfasern. Der Rohstoff für die Zeinfaser ist das bei der Maisstärkegewinnung anfallende Maismehl, das durch wässrige iso-Propylalkohollösung extrahiert wird.

Bei der Erdnussfaser versetzt man die vom Öl befreiten Erdnusspresskuchen mit verdünnter Sodalösung um den Rohstoff zu gewinnen.

2. Synthetisch erzeugt

Als Grundstoff synthetisch erzeugter Fasern wird Erdöl bzw. Erdgas verwendet, das chemisch umgewandelt wird. Sie werden durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition hergestellt. Die wichtigsten Arten von Synthesefasern, die in der Textilin-

17

dustrie verwendet werden, sind Polyesterfasern, Polyamidfasern, Polyacrylfasern und Polypropylenfasern.

a) Polymerisationsprodukte Unter Polymerisation versteht man den Zusammenschluß vieler einheitlicher, ungesättigter Moleküle zu Makromolekülen. Es entstehen keine Nebenprodukte. Obwohl die Polymerisatfasern aus den gleichen Materialien bestehen wie die Ausgangsstoffe, weisen sie ganz andere Eigenschaften, z. B. was Schmelzpunkte betrifft, auf. Die Polimerisation wird meist durch Radikale eingeleitet. Folgendes Beispiel zeigt die einfachste Polymerisationsreaktion, die des Ethens. Alle Polymerisationen folgen diesem Beispiel; lediglich das Ethen ist leicht verändert.

CH 2

R

Radikal

Es gibt eine Vielzahl von Polymerisationsfasern. Die bekanntesten sind wohl die Polyacrylfaser, die Polyvinylchloridfaser und die Polypropylenfaser. Polyacryl

Diese Faser, PAN, besteht zu mindestens 85 % aus Acrylnitril. Sie wird sowohl im Naßals auch im Trockenspinnverfahren hergestellt. Schmelzspinnverfahren ist hier nicht möglich, da der Zersetzungspunkt des Acrylnitrils unter dem des Schmelzpunktes liegt. Man muß also eine Lösung des Polyacrylnitril herstellen, um Fasern zu spinnen. Polyvinylchlorid

Bei der Herstellung von Vinylchlorid wird an Acetylen Chlorwasserstoff

angelagert. Auf Bimsstein oder Koks niedergeschlagenes Quecksilberchlorid wirkt hier als Katalysator. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Chlorierung von Ethylen.

Bei Raumtemperatur ist Vinylchlorid gasförmig und lässt sich erst bei –13,9 °C zu einer Flüssigkeit verdichten. In Gegenwart der Katalysatoren Dibenzoylperoxyd oder Acetylbenzoylperoxid kann man es zu dem farblosen Polyvinylchlorid, PeCe, polymerisieren. Nach der Polymerisation in einer Emulsion fällt man den Feststoff durch Vaccuumdestillation aus.

18

Da Polyvinylchlorid nur in hochsiedenden Lösungsmitteln löslich ist, wird es einer Säu-rebehandlung oder Chlorierung unterworfen und auf diese Weise in niedriger siedenden Mitteln löslich.

Versponnen wird nach dem Trocken oder Nassspinnverfahren aus einer Lösung aus organischen Lösungsmitteln. Durch Verstreckung erhöht man die Festigkeit der Faser. Die Polyvinylchloridfaser ist nahezu farblos und kann durch Natriumchlorit nachträg-lich gebleicht werden.

Der Polymerisationsgrad der PeCeFaser beträgt etwa 15002000. Da der viscosimetrisch bestimmte Polymerisationsgrad wesentlich geringer ist als der osmotisch be-stimmte, müssen die Moleküle laut Staudinger verzweigt oder mäanderförmig ge-krümmt sein.

Chlor und schwefelige Säure in hohen Konzentrationen, Chlorkohlenwasserstoffe, Ester, Ketone, sowie eine Vielzahl aromatischer Verbindungen wirken quellend bzw. lösend auf die Faser.

Polypropylen

Polypropylen, PP, wird nach dem Schmelzspinnverfahren aus isotakischem Polypropylengranulaten hergestellt, die aus verschiedenen Polymerisationsverfahren gewonnen werden.

b) Polykondensationsprodukte Bei der Polykondensation werden gleich- oder verschiedenartige Moleküle zu neuen, größeren Molekülen verbunden. Bei dieser Reaktion entstehen Nebenprodukte wie Wasser oder Alkohol. 1

Polyester

Die Normal-Polyesterfaser bzw. der Terylene-Typ, PES, besteht aus Terephthalsäure (1,4-Benzoldicarbonsäure) und Ethandiol. Verwendet man 1,4Dimethylcyclohexan er-hält man den Kodel- bzw. Vestan-Typ.

Hergestellt wird Polyester über das Schmelzspinnverfahren. Genauer werde ich hier auf die Produktion des Terylene-Typs eingehen:

Terephthalsäure wird durch Oxydation von Cyclo-octatetraen, welches aus Acetylen gewonnen wird, erhalten.

Bei der Kondensation erhitzt man Ethandiol und Terephthalsäure zusammen im Beisein von Chlorwasserstoff als Katalysator.

1 Siehe Anhang, Nylonherstellung, S. 25

19

O O CH 2 CH 2 O H

O H (Die Pfeile weisen auf weitere Angriffspunkte hin) Das erhaltene weiße Polykondensat schmilzt bei 256 °C und besitzt eine Molmasse von 8000-10000 g/mol. Es wird geschmolzen, zu Fasern versponnen und zuletzt verstreckt. Säure kann der Terylene-Faser wenig anhaben, wobei Alkalien mit Vorsicht einzusetzen sind.

Polyamid

Nach dem Schmelzspinnverfahren 1 wird die Polyamidfaser, PA, aus Caprolactam oder AH-Salz erzeugt. Polyamidfasern besitzen die typische Peptidgruppe (-CONH-). Bei 260-300 °C wird die Spinnlösung durch Drüsen gedrückt. Unmittelbar danach setzt ein Spinnverzug ein, der den Durchmesser der Faser wesentlich verfeinert. Zum Abschluß wird auch diese Faser verstreckt.

Nylon ist einer der wichtigsten Vertreter der Polyamide. Der Ausgangsstoff zur Herstellung von Nylon ist Phenol. Es wird katalytisch hydriert, wobei man Cyclohexanol erhält. Dieses wir oxydiert und das so entstandene Cyclohexanon bildet unter Ringspaltung Adipinsäure. Hexamethylendiamin entsteht über das Chlorid, Säureamid und letztlich Nitril der Adipinsäure aus Adipinsäure.

H

O

H O

Heute werden die Ausgangsstoffe auch schon billiger aus Acetylen und Formaldehyd bzw. Furfurol, einem Nebenprodukt der SulfitzellstoffFabrikation, hergestellt. Bei der Kondensation erhitzt man die Ausgangsmaterialien in hoch siedendem Lö-sungsmittel (Kresole, Xylenole) im Stickstoffstrom bei 200-300 °C um anschließend Wasser und Phenole im Vakuum abzudestillieren. Das so entstandene Polyamid wird flüssig, d. h. oberhalb 200 °C, aus Drüsen versponnen und in Schnitzel geschnitten.

1 Verfahren siehe Plakat der synthetischen Fasern

20 In einem einfachen Laborversuch habe ich das Nylon-Polyamid aus Sebacoylchloriden und Hexamethylendiamin hergestellt. 1 Bei der Perlonherstellung wird ε-Caprolactam kondensiert. Nach Matthes handelt es sich bei der Bildung des Polycaprolactams um eine Radikalkettenaddition, in der sich die Lactame öffnen und die daraus entstehenden Radikale zu Polymeren zusammentreten.

CH 2 CH 2 N H

H 2 C

2

CH 2 CH 2

ε -Caprolactam Löst man das monomere Lactam in Wasser, entstehen ε-Aminocapronsäuren. So kann bei der Polycaprolactam-Herstellung von ε-Aminocapronsäuren oder ε-Caprolactam ausgegangen werden.

Die ε-Aminocapronsäuren erhält man aus Adipinsäure, indem man sie nitriert, hydriert und anschließend verseift.

ε-Caprolactam erhält man über das Cyclohexan und dessen Oxim und eine darauf folgende Beckmannsche Umlagerung oder aus Tetrahydrofuran über δ-Valerolactanon, δ-Cyanvaleriansäure und ε-Aminocapronsäure.

Die Polykondensation wird bei 250 °C in N 2 - oder CO 2 Atmosphäre, also unter Ausschluss von Luftsauerstoff, entweder unter Druck im Autoklaven oder ohne Druck im VKRohr vorgenommen. Unter Beisein von Katalysatoren wird zum Lactam etwas hei-ßes Wasser gegeben, das anschließend wieder abgedampft wird. Der Polymerisations-grad des so entstandenen Polyamids beträgt 150-200. Dieses liegt nicht rein vor sondern ist von etwa 10 % monomerem Lactam begleitet.

Die Schmelze wird durch Drüsen in kaltes Wasser gespritzt in dem das Polycaprolactam erstarrt. Anschließend wird es in kleine Schnitzel geschnitten, die noch mal in kochendem Wasser erhitzt werden, um das monomere Lactam, das sich in kochendem Wasser löst, vom polymeren Lactam zu trennen. Zuletzt wird das Polylactam getrocknet.

c) Polyadditionsprodukte Bei der Polyaddition addieren sich die Makromoleküle der Ausgangsstoffe unter innermolekularer Verschiebung von Wasserstoffatomen. Es entstehen keine Nebenprodukte. Die wichtigsten Polyadditionsprodukte sind die Urethane. Sie entstehen durch Polyaddition von bi- oder trifunktionellen Isocyanatgruppen und mehrwertigen Alkoholen. 1 Siehe Viedeoaufzeichnung Teil 3 und Plakat der Synthesefasern

21

R 1 N C O

Darunter gibt es vernetzte und lineare Urethane. Letztere eignen sich auch zur Herstellung von Fasern, die wir Elastanfasern nennen.

Elastan

Die Elastanfaser, EL, bestehen mindestens zu 85 % aus Polyurethanen. Charakteristisch für diese Faser ist die extrem hohe Dehnfähigkeit auf das 68fache. Nach dieser Deh-nung nehmen sie ihre Ausgangslänge wieder ein. Sie werden nach dem Trocken- oder Nassspinnverfahren hergestellt.

3. Auf anorganischer Basis beruhend

Aus geschmolzenem Glas kann man Glasfasern ziehen, welche wegen ihrer guten Isolationseigenschaften oft beim Hausbau verwendet werden. Wenn man Metalle zu dünnen Fäden auszieht, kann man sie zu Metallfasern verweben, die beispielsweise in Dekorationsstoffen Bedeutung finden.

III. Eigenschaften der Fasern im Vergleich

Naturfasern und Chemiefasern aus natürlichen Polymeren

Synthesefasern

24

Beschaffung der Wolle

Um die Wolle für meine Plakate und den Versuch zu besorgen, besuchte ich Herrn und Frau Weiler, die selbst Schafe züchten, diese scheren und die Wolle bearbeiten. Sie waren sehr nett und Frau Weiler erklärte mir ausführlich alles, was es über Schafwolle, Spinnen, Stricken usw. zu wissen gibt. Sie gab mir etliche verschiedene Arten von Wolle mit und ließ mich auch an eines ihrer Spinnräder ausprobieren. Dabei wurde mir klar, dass Spinnen keine leichtes Handwerk ist. Ich brauchte eine gute halbe Stunde, um einen halbwegs vernünftigen Faden zu produzieren. Ein Stück davon habe ich auch auf dem Plakat befestigt. Der Nachmittag bei Fam. Weiler war sehr aufschlussreich und „mal ganz was anderes“.

25

Anhang

1. Kohlefilter

Mit diesem Filter filterte ich die Lösung aus Wolle und NaOH (1 mol/L). Wie man sieht war nach 7 min. schon kein Wollhaar mehr vorhanden.

2. Videokassette

Teil 1: Auflösen von Wolle in NaOH (1 mol/L) mit anschließendem Filtrieren. Reine Schafrohwolle wird in ein Becherglad mit etwa 200 ml NaOH (1 mol/L) gegeben und erhitzt. Nach 7 min. ist die Wolle völlig in der Natronlauge aufgelöst. Die Lösung wird durch einen Kohlefilter (siehe oben) filtriert, wobei so gut wie keine Rückstände festgestellt werden.

Teil 2: Versuch, Baumwolle in NaOH (1 mol/L) aufzulösen. Mit reiner Baumwolle wird genau so verfahren wie mit Schafwolle im Versuch vorher. Nach 7 min. kann keinerlei Veränderung bzw. Auflösen der Baumwolle in der NaOH festgestellt werden.

Teil 3: Herstellung von Nylon-Polyamid-Fäden In ein Becherglas wird die Lösung von 3 ml Sebacoylchlorid in 60 ml Trichlorethylen gegeben. Darüber wird vorsichtig die Lösung von 3 g Hexamethylendiamin in 34 ml Wasser gegossen. An der Grenzfläche der beiden Substanzen bildet sich sofort ein Film, der mit einer Pinzette gefasst und hochgezogen wird. Es bildet sich kontinuierlich ein neuer Film nach, der wie ein stark geschwollener Schlauch herausgezogen wird. Die ablaufende Reaktion ist eine Polykondensation bei der das Nebenprodukt HCl entsteht.

O Sebacoylchlorid

3. Plakate

• Cellulosefasern

• Eiweißfasern

• Synthetische Fasern

• Übersicht über Textilfasern im Allgemeinen

26

  Literaturangaben  

  Bücher  

1.  Synthetische Fasern F Fourné Hanser Verlag München 3 Auflage  1995

2.  Reutlinger Fasertafel Konradin-Ferlag Leinfelden  1986

3.  Grundlagen der organischen Chemie H R Christen Sauerländer-Diesterweg  

  Salle 3 Auflage  1975

4.  Stoffe 1 A Hofer Deutscher Fachverlag Frankfurt Main 7 Auflage  1992

5.  Synthesefasern B v Falkai Verlag Chemie Weinheim  1981

6.  Die textilen Rohstoffe E Wagner Deutscher Fachverlag Frankfurt Main 6 Auflage  

  1981  

7.  Chemiefasern Z A Rogowin Thieme Verlag Stuttgart  1982

8.  Naturwissenschaften und Technik Band 2 Verlag Enzyclopädische Bibliothek  1998

9.  Lehrbuch der Textilchemie H Rath Springer-Verlag Berlin Götigen Heidelberg  1952

10.  Neues großes Handbuch der Textilkunde Jaumann Rordorf  

  Fachbuchverlag Dr Pfannenberg Co Giessen 2 Auflage  1956

11.  Von der Faser zum Stoff L Adebahr-Dörel Verlag Handwerk und Technik GmbH  

  Frankfurt  1982

12.  Großes Textil-Lexikon Koch-Slatow Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart  1965

13.  Abitur Training Chemie 2 H Becker StarkVerlag Freising  1998

14.  Wissen Kleidet Begleitheft der Firma Clariant Werk Gendorf  

  Internet  

1.  Chemiefaser-Lexikon http: www ivc-ev de  

2.  Textile Rohstoffe http: www textilpflege-portal de faserkunde htm  

3.  Faservergleich http: www dohal at Faservergleich  

4.  Bekleidungstextilien http: www bediab de  

5.  Lexikon der textilen Raumausstattung http: www buurman de  

6.  Der Chemie-Informationsservice http: www chemie de  

7.  Chemieprojekt Textilfasern http: www schulen wien at ice projekte ch2  

  CD-Rom  

  Microsoft Encarta Enzyklpädie 2001 Microsoft Corporation  2001

  Bilder auf den Plakaten  

1.  Buch: Lehrbuch der Textilchemie H Rath Springer-Verlag Berlin Götigen Heidelberg  

  1952  

2.  CD-Rom: Microsoft Encarta Enzyklpädie 2001 Microsoft Corporation  2001

3.  Internet: Textile Rohstoffe http: www textilpflege-portal de faserkunde htm