PFAS-freie Funktionskleidung

Wandern, Joggen, Velofahren – bei Außen-Aktivitäten kann man leicht von Wind und Wetter überrascht werden. Moderne Funktionskleidung kann wasserdicht und schmutzabweisend sein, ist dafür aber oft mit PFAS-haltigen Chemikalien imprägniert. Es ist nicht leicht, diese belastenden Substanzen zu ersetzen. Forschende der Empa entwickeln daher gemeinsam mit Textilherstellern eine Technologie, mit der Ersatzstoffe für PFAS gefunden und präziser eingesetzt werden können – ganz nach dem Prinzip „Sicher und nachhaltig durch Gestaltung“.

Damit Funktionskleidung allen Wettern trotzt, ist eine chemische Imprägnierung nötig. Regenjacke, Badehose & Co. mit einer PFAS-haltigen Beschichtung tragen dadurch allerdings zur Umweltbelastung mit den fluorhaltigen Ewigkeitschemikalien bei. Die Substanzgruppe zu ersetzen, ist nicht trivial, da sie über ausgezeichnete Eigenschaften verfügt: PFAS sind wasser-, schmutz- und fettabweisend. Daher arbeiten Empa-Forschende gemeinsam mit Partnern aus der Industrie daran, Technologien und Materialien zu entwickeln, mit denen sich PFAS-freie Textilien mit den gewünschten Eigenschaften nachhaltig und wirtschaftlich herstellen lassen.

Entstanden war das innovative Vorhaben aus dem Netzwerk Subitex, einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen Unternehmen des Schweizer Textilverbandes Swiss-Textiles und der Empa in St. Gallen. Das von der Innosuisse geförderte Projekt «EC0Tex» hat zum Ziel, wasserabweisende Beschichtungen für textile Garne zu erzeugen, indem fluorfreie Substanzen in einer eigens entwickelten Plasma-Beschichtungsanlage eingesetzt werden. Kürzlich wurde das Projekt auf der internationalen Fachmesse «Techtextil» in Frankfurt am Main denn auch mit dem «Innovationspreis» für Nachhaltigkeit und Innovation ausgezeichnet.

Ersatz ohne Reue

Zentral im Projekt «EC0Tex» ist dabei der Grundsatz „Sicher und nachhaltig durch Gestaltung“, kurz SSbD. „Bei der Suche nach Alternativen zu PFAS geht es darum, keinesfalls sogenannte problematische Ersatzstoffe zu erzeugen, also Ersatzstoffe, die sich im Nachhinein als ähnlich schädlich herausstellen wie die ursprünglich verwendete Chemikalie“, sagt Empa-Forscher Dirk Hegemann vom Labor «Fortschrittliche Fasern» in St. Gallen.

Daher gleicht das Team um Dirk Hegemann, Martin Amberg und Patrick Rupper bereits früh im Entwicklungsprozeß die Bedürfnisse von Industrie, Umwelt und Gesellschaft anhand von Risikoanalysen miteinander ab und filtert jene Materialien und Technologien heraus, die bei den gewünschten Eigenschaften, der Nachhaltigkeit oder der Wirtschaftlichkeit durchfallen.

Umhüllt bis in die Tiefe

Gemeinsam mit den Umsetzungspartnern aus der Schweizer Textilindustrie Bäumlin & Ernst AG, Lothos KLG und Seilfabrik Ullmann AG entsteht so ein neuartiges industrietaugliches Imprägnierverfahren mittels Plasma-Technologie. Denn PFAS-freie Substanzen müßten mit herkömmlichen Techniken in zu großen Mengen eingesetzt werden, um die Materialeigenschaften von PFAS-beschichteten Textilien zu erzeugen.

Die Folge: Punkteabzug bei Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit, was die Suche nach gangbaren Alternativen nach SSbD-Maßstäben zu einer Herausforderung macht. Die neue Plasma-Anlage, die hierfür gemeinsam mit den Empa-Forschenden konzipiert wurde, ermöglicht es indes, äußerst dünne Beschichtungen auf die Einzelfasern in einem Garn aufzubringen. „So können wir die Menge der verwendeten Chemikalien deutlich verringern und gleichzeitig eine umfassende Imprägnierung der Garne erzielen“, sagt Hegemann.

Die auf diese Weise erzeugten Garne könnten direkt zur Produktion von Outdoor- und Sportbekleidung, aber auch Seilen eingesetzt werden, so der Forscher. Bei der plasmainduzierten Beschichtungstechnik wird mittels elektrischer Gasentladung in einer Kammer Plasma erzeugt. Da hierbei hohe Energie bei niedriger Temperatur zur Verfügung gestellt wird, verdampfen die Chemikalien in der Kammer und bilden reaktive Spezies, die an die Einzelfasern eines Garns andocken.

Üblicherweise können so jedoch lediglich die äußersten Fasern eines Textils imprägniert werden. „Wir haben einen neuen Ansatz verfolgt: Die neue Plasma-Beschichtungsanlage erzeugt unterschiedlich reaktive Spezies, die auch tief in die Garnstruktur eindringen können“, erklärt Empa-Forscher Dirk Hegemann. So ergebe sich eine beständige und durchdringende Beschichtung.

Plasmawolke

Im Plasma docken die reaktiven Spezies der Imprägnierungschemikalien an die Einzelfasern eines Textilgarns an. — © Empa

Herausforderung: Fett und Schmutz

Als Alternative für PFAS untersuchen die Forschenden nun, wie siliciumorganische Verbindungen zur Imprägnierung eingesetzt werden können. Die Unbedenklichkeit auch bei Umweltexposition etwa durch Abrieb oder Waschen muß dabei genau analysiert werden. Erste Analysen zeigen, daß die siliciumorganischen Verbindungen hochvernetzte Schichten mit hervorragenden Eigenschaften in bezug auf Wasserabweisung und Schnelltrocknung bilden, die jene von PFAS-Imprägnierungen punkto Beständigkeit sogar noch übertreffen.

Eine Herausforderung ist derzeit noch die Fett- und Schmutzabweisung, die PFAS-Textilien leisten können. Hier seien weitere Arbeiten nötig, um PFAS in Textilien wie Arbeitsschutzbekleidung ersetzen zu können, so Hegemann. Die große Gruppe der siliciumorganischen Verbindungen eröffne hier eine Vielzahl von Möglichkeiten.

Dank der Plasma-Technologie besteht nun auch die Möglichkeit, durch Anpassungen der Ausgangssubstanzen und Beschichtungsbedingungen weitere neue Lösungen zu finden und auf die gewünschten Eigenschaften der Textilien maßzuschneidern – und dabei gleichzeitig die Grundsätze „Sicher und nachhaltig durch Gestaltung“ im Auge zu behalten.

Technologie-Briefing zu SSbD

Am 25. Juni findet das Technologie-Briefing zu „Sicher und nachhaltig durch Gestaltung“ (SSbD) an der Empa in Dübendorf statt. Forschende der Empa und Industriepartner geben praxisnahe Einblicke und zeigen anhand konkreter Beispiele, welche Chancen SSbD für sichere und zukunftsfähige Innovationen bietet. Die Veranstaltung wird von der Empa-Akademie organisiert und die Teilnahme ist kostenlos.

Unter dem folgenden Verweis können Sie sich anmelden:

https://www.empa-akademie.ch/ssbd

Belastung für Generationen: PFAS in der Umwelt

PFAS-Chemikalien landen in der Umwelt und belasten diese für Generationen. Dabei reichern sich die Substanzen dieser riesigen Stoffklasse in der Umwelt, manche sogar im menschlichen Körper an. PFAS stehen mit verschiedenen Krankheiten wie Krebs, Stoffwechselstörungen oder Immunschäden in Verbindung. Zudem sind Auswirkungen auf die Fruchtbarkeit und auf Babys im Mutterleib bekannt.

Daher ist der Einsatz unbedenklicher Alternativen dringend nötig. Die Ausgabe #2 der Pocket-Facts liefert Fakten zur Belastung durch diese problematische Stoffklasse – und zeigt auf, was Empa, Eawag und das Oekotoxzentrum dagegen unternehmen.

Literatur

D. Hegemann, A. Southam, M. Heuberger, P. Navascués; Potential and Challenges to Replace PFAS Coatings Considering Safe and Sustainable by Design Aspects: Review and Perspectives; Plasma Processes and Polymers (2026); https://doi.org/10.1002/ppap.70125

(pd, rm)
(Bild: Siliciumorganische Verbindungen konnten dank Plasmatechnologie erfolgreich für die Imprägnierung von Textilien eingesetzt werden: Das Wasser perlt vom imprägnierten Garn ab)