Empa sucht mit Plasmaverfahren nach PFAS-Alternativen

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.

Weil PFAS wasser-, schmutz- und fettabweisend sind, ist die Suche nach einer alternativen Substanzgruppe eine Herausforderung. 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. Das Projekt «EC0Tex» hat zum Ziel, wasserabweisende Beschichtungen für textile Garne zu erzeugen, indem Fluor-freie Substanzen in einer eigens entwickelten Plasmabeschichtungsanlage eingesetzt werden.

Zentral im Projekt «EC0Tex» ist dabei der «Safe and Sustainable by Design»-Grundsatz, kurz SSbD, damit keine Ersatzstoffe verwendet werden, die später als genauso schädlich beurteilt werden müssen. Daher gleicht das Forschungsteam bereits früh, so die Empa in ihrer Mitteilung, 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 in puncto Nachhaltigkeit oder der Wirtschaftlichkeit durchfallen.

Imprägnierung mit Plasmaverfahren

Gemeinsam mit den Umsetzungspartnern aus der Schweizer Textilindustrie soll so ein neuartiges industrietaugliches Imprägnierverfahren mittels Plasmatechnologie entstehen. Denn bisherige PFAS-freie Substanzen müssen mit herkömmlichen Techniken in zu grossen Mengen eingesetzt werden, um die Materialeigenschaften von PFAS-beschichteten Textilien zu erzeugen.

Die neue Plasmaanlage, die hierfür gemeinsam mit den Empa-Forschenden konzipiert wurde, soll es ermöglichen 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», wird Dirk Hegemann von der Empa zitiert. Die auf diese Weise erzeugten Garne könnten direkt zur Produktion von Outdoor- und Sportbekleidung, aber auch bei Seilen eingesetzt werden, so der Forscher.

Umhüllt bis in die Tiefe

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 Plasmabeschichtungsanlage 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.

Herausforderung: Fett und Schmutz

Als Alternative für PFAS untersuchen die Forschenden, wie siliciumorganische Verbindungen zur Imprägnierung eingesetzt werden könnten. Die Unbedenklichkeit bei Umweltexposition durch Abrieb oder Waschen muss dabei genau analysiert werden. Gemäss der Empa zeigen erste Analysen, dass die siliciumorganischen Verbindungen hochvernetzte Schichten mit hervorragenden Eigenschaften in Bezug auf Wasserabweisung und Schnelltrocknung bilden, die jene von PFAS-Imprägnierungen in Bezug auf Beständigkeit sogar noch übertreffen.

Eine Herausforderung sei derzeit jedoch 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 eine Vielzahl von Möglichkeiten. Laut den Forschern bestehe dank der Plasmatechnologie 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 «Safe and Sustainable by Design»-Grundsätze im Auge zu behalten.