Wissenschaftliche Hausarbeit für das Lehramt an Gymnasien
im Fach Chemie an der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt

Entwicklung von Schulversuchen zur Chemie der Textilien

Verfasserin Miriam Plattner
2004

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ... 3

1 Einleitung ... 7

2 Fachliche Darstellung ... 9
2.1 Grundlagen der Textilkunde ... 9
2.1.1 Grundbegriffe ... 9
2.1.2 Faserkennwerte ... 11
2.1.3 Einteilung der Fasern ... 13
2.1.4 Spinnverfahren ... 15
2.2 Faserkunde ... 17
2.2.1 Tierische Naturfasern ... 17
2.2.1.1 Wolle ... 17
2.2.1.2 Seide ... 19
2.2.2 Pflanzliche Naturfasern ... 21
2.2.2.1 Der strukturelle Aufbau der Cellulose ... 21
2.2.2.2 Baumwolle ... 24
2.2.2.3 Leinen (Flachs) ... 28
2.2.2.4 Hanf ... 31
2.2.2.5 Jute ... 32
2.2.2.6 Ramie ... 32
2.2.3 Cellulosische Regeneratfasern ... 33
2.2.3.1 Viskosefasern ... 33
2.2.3.2 Modal ... 36
2.2.3.3 Cupro ... 37
2.2.3.4 Acetat/Triacetat ... 37
2.2.3.5 Lyocell ... 38
2.2.3.6 Weitere (unrentable) Verfahren ... 45
2.2.4 Synthesefasern ... 46
2.2.4.1 Allgemeines ... 46
2.2.4.2 Modifikationen ... 48
2.2.4.3 Polyester ... 50
2.2.4.4 Polyamid ... 51
2.2.4.5 Polyacrylnitril ... 52
2.3 Die Funktion der Bekleidung – Kleidung mit Funktion ... 53
2.3.1 Definition und Aufgaben der Bekleidungsphysiologie ... 53
2.3.2 Tragekomfort ... 53
2.3.2.1 Hautsensorischer Tragekomfort ... 54
2.3.2.2 Thermophysiologischer Tragekomfort ... 54
2.3.3 Messung der Kenngrößen ... 57
2.3.4 Kritik ... 57
2.3.5 Wärmeisolierende Kleidung ... 59
2.3.6 Kleidung bei sportlicher Aktivität ... 59
2.3.6.1 Transport des Schweißes ... 59
2.3.6.2 Spezielle Maschenwaren ... 60
2.3.6.3 Zwiebelprinzip ... 61
2.3.7 Kleidung bei Hitze ... 63
2.3.8 „Funktionelle“ Textilien mit Besonderheiten ... 63
2.3.8.1 Textilien mit Silbergehalt ... 63
2.3.8.2 PCM-Technologie ... 65
2.3.8.3 Elastanfasern und Stretchstoffe ... 65
2.3.8.4 Textilien mit UV-Schutz ... 66
2.3.8.5 Anwendung von Cyclodextrinen im Bekleidungssektor ... 67

3 Entwicklung der Versuche ... 68
3.1 Mikroskopie ... 68
3.1.1 Mikroskopie der Baumwolle ... 69
3.1.2 Mikroskopie des Flachses ... 70
3.1.3 Mikroskopie des Hanfs ... 71
3.1.4 Mikroskopie der Jute ... 72
3.1.5 Mikroskopie der Wolle ... 73
3.1.6 Mikroskopie der Seide ... 74
3.1.7 Mikroskopie von Viskose und Lyocell ... 74
3.1.8 Mikroskopie von Polyamidfasern ... 75
3.1.9 Mikroskopie von Polyacrylnitrilfasern 75
3.1.10 Mikroskopie von Polyesterfasern ... 76
3.2 Silberhaltige Textilien ... 76
3.2.1 Silbernachweis ... 76
3.2.1.1 Silverness® ... 76
3.2.1.2 X-static® ... 77
3.2.2 Bakterienkultur ... 79
3.3 Lyocell ... 80
3.3.1 Entwicklung der Fasern ... 80
3.3.2 Wiederverwertung des NMMO ... 86
3.4 Test des Feuchtigkeitsmanagements ... 87
3.5 Trennung von Mischgeweben ... 90

4 Fachdidaktische Einordnung ... 94
4.1 Einordnung der Thematik in den Chemieunterricht ... 94
4.2 Sichtung der didaktischen Literatur ... 96
4.3 Didaktische Einordnung der entwickelten Versuche ... 97
4.3.1 Mikroskopie ... 97
4.3.2 Lyocell ... 99
4.3.3 Test des Feuchtigkeitsmanagements ... 101
4.3.4 Trennung von Mischgeweben ... 102

5 Versuchsanleitungen ... 104
5.1 Mikroskopie ... 104
5.1.1 Allgemeines ... 104
5.1.2 Mikroskopie von Pflanzenfasern ... 107
5.1.3 Mikroskopie von tierischen Haaren ... 109
5.1.4 Mikroskopie von Seide ... 110
5.1.5 Mikroskopie von cellulosischen Regeneratfasern ... 111
5.1.6 Mikroskopie von Synthesefasern ... 111
5.2 Darstellung von Lyocell ... 112
5.3 Test des Feuchtigkeitsmanagements ... 113
5.3.1 Test der Wasserdampfdurchlässigkeit ... 113
5.3.2 Test der Wasserdichte ... 115
5.4 Trennung von Mischgeweben ... 116
5.4.1 Lösen des Kunststoffes ... 116
5.4.2 Rückgewinnung des Kunststoffes ... 118

6 Zusammenfassung ... 119

7 Literaturverzeichnis ... 121

8 Abbildungsverzeichnis ... 131

9 Anhang ... 134
9.1 Anleitungen zur Herstellung der Reagenzien zur Mikroskopie ... 134
9.1.1 Cuoxam ... 134
9.1.2 Phloroglucin ... 134
9.1.3 Chlorzinkiodlösung ... 134
9.2 Versuchsansätze Lyocell ... 135
9.3 Versuchsansätze Trennung von Mischgeweben ... 136

1 Einleitung

Dieser Arbeit liegen verschiedene Fragestellungen zugrunde, die im Folgenden kurz skizziert werden sollen.
Zunächst soll untersucht werden, welche verschiedenen Fasergattungen es gibt und worin sie sich unterscheiden. Wie wirken sich die Unterschiede der Fasergattungen auf die Eigenschaften der daraus hergestellten Textilien aus? Beispielsweise soll dabei der Frage nachgegangen werden, warum sich Stoffe aus Leinen, Baumwolle und Viskose sichtbar und fühlbar unterscheiden, obwohl sie in ihrer Grundsubstanz alle aus Cellulose bestehen. Es wird zu klären sein, wie man die verschiedenen Fasergattungen identifizieren kann und ob es auch Methoden gibt, mit denen man textile Flächengebilde qualitativ und quantitativ untersuchen kann. Darüber hinaus soll die Frage geklärt werden, ob man diese Methoden im Chemieunterricht einsetzen kann.
Anschließend soll der Frage nachgegangen werden, wie eine physiologisch sinnvolle Kleidung aussieht und wie man diese Thematik in den Chemieunterricht einbetten kann.
Letztlich soll untersucht werden, welche Neuentwicklungen es im textilen Bereich gibt. Dabei steht ebenfalls die Frage im Vordergrund, wie man diese Neuerungen im Chemieunterricht in Form von Experimenten umsetzen kann.
In Kapitel 2, „Fachliche Darstellung“, soll zunächst der fachliche Hintergrund zur Beantwortung dieser Fragen geklärt werden. Dazu werden vorab einige Grundlagen und Grundbegriffe der Textilkunde zu klären sein, ohne die ein Verständnis der weiteren Ausführungen schwierig wäre. Im Anschluss stellt Kapitel 2.2 wichtige Fasergattungen vor. Dabei wird insbesondere auf die Herstellung bzw. Gewinnung, die Eigenschaften und die Chemie der Fasern eingegangen. Nur in Ausnahmefällen wird die wirtschaftliche Bedeutung der jeweiligen Fasergattung erwähnt. Ebenso wenig soll auf die historische Entwicklung der Fasergattungen eingegangen werden. Einen kurzen Abriss über das junge Gebiet der Bekleidungsphysiologie liefert Kapitel 2.3. Daran anknüpfend werden in Kapitel 2.3.8 einige ausgewählte Neuentwicklungen aus der Textilbranche vorgestellt.
Kapitel 3, „Entwicklung der Versuche“, stellt die im Rahmen dieser Staatsexamensarbeit durchgeführte praktische Arbeit vor. Es beschreibt, welche Versuche unternommen wurden, die im Rahmen der Fachlichen Darstellung beschriebenen fachlichen Grundlagen in Experimente umzusetzen. Diese Experimente sollten in der Schule mit den dort zur Verfügung stehenden technischen Mitteln durchführbar sein. Ziel war es, Experimente zu entwickeln, die auch als Schülerversuche durchgeführt werden können.
Die didaktische Analyse der Thematik folgt in Kapitel 4, „Fachdidaktische Einordnung“. Zunächst soll der Themenbereich Textilien auf seine Relevanz für den Chemieunterricht untersucht werden. Danach soll eine kurze Übersicht gegeben werden, welche Versuche zum Themenbereich Textilien in der didaktischen Literatur der letzten Jahre beschrieben worden sind. Im Anschluss wird der Einsatz der vier entwickelten Versuchskomplexe („Mikroskopie“, „Lyocell“, „Test des Feuchtigkeitsmanagements“ und „Trennung von Mischgeweben“) im Chemieunterricht didaktisch-methodisch analysiert.
Abschließend bietet Kapitel 5, „Versuchsanleitungen“, eine Zusammenstellung der Versuchsanleitungen der entwickelten Experimente.

2 Fachliche Darstellung

2.1 Grundlagen der Textilkunde

2.1.1 Grundbegriffe

Unter Textilien versteht man nach KIEßLING und MATTHES [1, S. 377] alle Erzeugnisse der Chemiefaser- und Textilindustrie, im weiteren Sinne „alles, was aus Faserstoffen hergestellt ist“. Man unterteilt sie in drei Produktbereiche: Bekleidungstextilien, Heim- und Haustextilien und technische Textilien [2, S. 36]. Heimtextilien sind nach alle zur Wohnungsausstattung eingesetzten Textilien (Vorhänge, Möbel, Bodenbeläge u. a.), während der Begriff Haustextilien sich auf Bett- und Tischwäsche, Handtücher, Decken etc. bezieht [3, S. 373]. Technische Textilien werden in der Bauwirtschaft, in medizinischen Anwendungen, für Zelte, Schlauchboote, Säcke, in der Autoausstattung u. v. m. eingesetzt [4, S. 904-905].
Faserstoffe sind linienförmige Gebilde, die sich textil verarbeiten lassen [3, S. 272]. Haben sie eine begrenzte Länge, nennt man sie Spinnfasern (Stapelfasern). Filamente (Endlosfasern) dagegen sind Faserstoffe mit praktisch unbegrenzter Länge. Unter dem Begriff Faser versteht KOSLOWSKI [2, S. 70] den längenunabhängigen Oberbegriff für alle textilen Faserstoffe. Der Begriff schließt damit Spinnfasern und Filamente ein. Nach dieser Definition wird der Begriff in dieser Arbeit verwendet. Daneben gibt es andere Autoren [4, S. 267], die unter dem Begriff Faser nur die Spinnfasern verstehen.
Garne sind endlose linienförmige Gebilde. Spinnfasergarne werden aus Spinnfasern durch Verdrehung ersponnen [3, S. 324]. Filamente werden zu Filamentgarnen zusammengefasst. Besteht das Filamentgarn aus mehreren Filamenten, bezeichnet man es auch als Multifil [2, S. 110]. Nach KIEßLING [1, S. 324] umfasst der Begriff Garn außerdem Monofile. Monofile sind Filamente, die aus Einlochdüsen ersponnen werden und einen Durchmesser von 0,05 – 0,2 mm haben. In diesem Fall ist das Garn identisch mit der Faser. In den anderen Fällen besteht ein Garn aus mehreren bis vielen Fasern. Zwirne dagegen werden durch Verdrehung mehrerer Garne miteinander hergestellt.
Der Begriff Faden ist eine Sammelbezeichnung für linienförmige textile Gebilde. Er umfasst Garne und Zwirne, soll aber nicht für Filamente verwendet werden [1, S. 110; 3, S. 255].
Stoffe sind im textilwissenschaftlichen Sinn gebrauchsfertige textile Flächengebilde, die ein Mindestmaß an Dichte, Flexibilität und Porösität aufweisen müssen. Man unterscheidet Gewebe, Maschenwaren, Geflechte, Nähwirkwaren und non-woven fabrics. Membranen zählen ebenso zu den Stoffen, Folien mangels Porösität dagegen nicht. Aufgrund der zu geringen Dichte werden Netze ebenfalls nicht zu den Stoffen gezählt. [4, S. 869]
Gewebe sind textile Flächengebilde, die durch rechtwinkliges Verkreuzen von mindestens zwei Fadensystemen gebildet werden. Das eine Fadensystem verläuft parallel zur Webkante (Kette), das andere quer dazu (Schuss). In der Art der Verkreuzung der beiden Fadensysteme (Bindung) unterscheiden sich verschiedene Gewebearten [1, S. 43, S. 153; 2, S. 18; 3, S. 336]. Bestehen die Fäden aus verschiedenen Rohstoffen, so wird ein Mischgewebe erzeugt. Eine Systemmischung wird durch Verwendung von verschiedenen Faserarten in Kette und Schuss (beispielsweise ein Polyamidfilamentgarn als Kette und ein Baumwollgarn im Schuss) erzeugt. Von einer Intimmischung spricht man, wenn schon die verwendeten Garne auf Fasermischungen basieren. Möglich sind auch Kombinationsformen zwischen Intim- und Systemmischungen [1, S. 119, S. 368; 4, S. 410, S. 896]. Durch die Mischung von Natur- und Synthesefasern entstehen Textilien mit Eigenschaften, die nicht allein durch die Verwendung von Naturfasern erzielt werden können [2, S. 108]. Die Mischung von Fasern ist nicht allein auf Gewebe beschränkt, sondern wird beispielsweise auch in Maschenwaren verwendet.
Maschenwaren umfassen Häkel-, Strick- und Wirkwaren. Sie werden aus ineinanderhängenden Fadenschleifen (Maschen) gebildet. Dabei können ein bis mehrere Fäden verwendet werden. Durch die Maschen haben sie eine größere Elastizität als Gewebe. Man stellt sie aus den verschiedensten Garnen her. [1, S. 243-244; 5, S. 273]
Non-woven fabrics werden ohne Fadenkreuzung oder Maschenbildung hergestellt. Die einzelnen Fasern liegen völlig regellos neben- und übereinander. Der Zusammenhalt des Stoffes basiert auf dem Zusammenhalt der einzelnen Fasern, der nach verschiedenen Verfahren (z. B. durch Verkleben) hergestellt werden kann. Als Beispiel seien Vliesstoffe und Filze genannt ¹. [1, S. 401-402; 4, S. 617-618, S. 991-992]

[...]

1 Hier muss angemerkt werden, dass Vliesstoffe nicht mit den gleich ausgesprochenen Fleecestoffen verwechselt werden dürfen. Vliesstoffe gehören zu den non-woven-fabrics und werden beispielsweise als Füllmaterial für Winterjacken und Schlafsäcke verwendet. Fleecestoffe sind dagegen ein- oder beidseitig aufgeraute Maschenwaren. Verwendung fin¬den sie in gut isolierender Bekleidung wie Pullovern, Jacken, Mützen, Handschuhen etc.