Ausgangssituation
Sowohl Leder als auch Textilien werden mit polymeren Beschichtungen versehen. Leder können dadurch beispielsweise vor äußeren Einflüssen wie Schmutz und Feuchtigkeit geschützt werden. Durch die Beschichtung von Textilien können spezifische Anforderungen erfüllt werden, so dass eine spezielle Anwendung möglich ist. Neben grundlegenden Funktionen wie Wasser- und Schmutzabweisung können auch antimikrobielle oder flammhemmende Eigenschaften eingebracht werden. Diese Beschichtungen machen das sortenreine Recycling der entsprechenden Materialen jedoch nahezu unmöglich, so dass nach Möglichkeiten gesucht wird, diese Verbundmaterialen am Ende ihrer Lebensdauer wieder zu trennen.
Projektziel
Im Rahmen dieses Projektes sollten bioabbaubare Polyurethan-Dispersionen für die Textil- und Lederbeschichtung mit dem Ziel entwickelt werden, das spätere Recycling dieser Verbundmaterialien zu erleichtern. Die Beschichtungen sind für Leder wünschenswert, um die biologische Abbaubarkeit beschichteter Leder zu erhöhen und damit die Abfallbehandlung zu erleichtern und die Umweltbelastung durch Mikroplastik zu minimieren. Im Bereich Textil sind solche abbaubaren Beschichtungen darüber hinaus besonders als Zwischenschicht interessant, um eine Trennung von Beschichtung und Trägergeweben zu ermöglichen. Dadurch kann eine sortenreine Aufarbeitung im Recycling beschichteter Polyester- oder Polyamidgewebe erreicht werden.
Lösungsweg
Zunächst wurden in einem modifizierten Acetonverfahren wässrige Polyurethan-Dispersionen synthetisiert. Dafür wurden verschiedene, teils biobasierte Polyole (Polycaprolactone, Azelate und andere) verwendet und ebenso die Kettenverlängerer variiert (u. a. Diethylamin, Lysin). Nachfolgend wurden die Dispersionen hinsichtlich ihrer Stabilität, Partikelgrößen und Partikelgrößenverteilung charakterisiert und freitragende Filme hergestellt. Mit diesen wurden umfangreiche biologische Abbauversuche durchgeführt, welche neben dem enzymatischen Abbau und Kompostierversuchen auch respirometrische Messungen umfassten. Auch Untersuchungen zur Löslichkeit, Quellung und zum Dauerfaltverhalten wurden durchgeführt, um die Eignung der Polyurethane als Lederbeschichtung zu bewerten. Die beiden besten Dispersionen wurden als base coat für die Lederbeschichtung eingesetzt und mit einem kommerziellen base coat verglichen. Es folgten wiederum die Charakterisierung der Eigenschaften als Beschichtung sowie der Bioabbaubarkeit.
Schematische Darstellung der durch Mikroorganismen induzierten Trennung von A) Leder und B) Textilien von einer bioabbaubaren Polyurethan Beschichtung.
Vergleich von unterschiedlich beschichteten Ledern. Dargestellt sind die Leder im Ausgangszustand und nach 44 Tagen im Kompostversuch.
Ergebnisse | Nutzen
Im Rahmen des Projektes war es möglich, bioabbaubare Polyurethan-Dispersionen auf Basis unterschiedlicher Polyole sowie Kettenverlängerer zu entwickeln. Es wurden monomodale Partikelgrößenverteilungen in den Dispersionen erreicht, die Partikelgrößen lagen zwischen 40 – 100 nm. Bevor die Dispersionen auf Leder bzw. Textil aufgebracht wurden, wurden freitragende Filme erstellt und diese umfassend untersucht. Entscheidend für die Stabilität der Filme und optimale Eigenschaften für die Löslichkeit, das Quellverhalten sowie das Dauerfaltverhalten war das Molekulargewicht der Polyole. Polyole mit einem Molekulargewicht von ca. 2000 g/mol erfüllten die Anforderungen am besten.
Der Abbau wurde sowohl enzymatisch, in einem Komposttest sowie mittels respirometrischer Messungen untersucht. Besonders PU-Filme basierend auf Azelat-Polyolen führten zu einem schnellen Abbau. In Komposttests waren alle untersuchten Filme (mit Ausnahme einer Probe) innerhalb einer Woche abgebaut, wobei der verwendete Kettenverlängerer keinen Einfluss auf die Abbaugeschwindigkeit zeigte. PU-Filme basierend auf Polycaprolacton (PCL) konnten innerhalb eines Monates abgebaut werden, wobei Lysin als Kettenverlängerer diesen Abbau beschleunigte. Enzymatische Abbauversuche mit Esterase zeigten, dass innerhalb von 24 h freitragende Filme basierend auf Azelaten und PCL teilweise abgebaut werden können. Auch die respirometrischen Messungen, bei denen Klärschlamm als Inokulum verwendet wurde, zeigten einen mikrobiell induzierten Abbau der Dispersionen.
Eine Auswahl der entwickelten Dispersionen wurde als base coat gemeinsam mit verschiedenen kommerziellen top coats als Lederzurichtung getestet. Untersuchungen zu den Haftfestigkeiten sowie der Reibechtheit zeigten, dass die entwickelten Formulierungen vergleichbare Resultate wie kommerzielle Vergleichszurichtungen erzielten. Das Dauerfaltverhalten lieferte jedoch unzureichende Ergebnisse, was an der fehlenden Kompatibilität zwischen top coat und base coat lag und optimiert werden kann. In Kompostierungsversuchen konnte gezeigt werden, dass ein Abbau bei Verwendung des entwickelten base coats erfolgt, im Vergleich zeigte eine Zurichtung mit kommerziellem base coat nach 44 Tagen noch keinen Abbau.
Die Entwicklung abbaubarer Beschichtungen kann dazu beitragen, umweltfreundliche und nachhaltige Verfahren zu etablieren und insbesondere die KMU der Lederherstellung und Textilbeschichtung bei ihren Anstrengungen zu nachhaltigen Technologien unterstützen. Durch den Wechsel zu umweltfreundlicheren Beschichtungen können Firmen die Verwendung von beschichteten Textilien und Leder besser vermarkten und die Bildung von Mikroplastik minimieren. Somit können sie zukünftigen Regularien standhalten sowie sich einen Wettbewerbsvorteil gegenüber Niedriglohnländern erhalten.
Dank
Das IGF-Vorhaben 01IF00342C (238 EBR) der Forschungsvereinigung FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1 – 5, 09599 Freiberg wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.
