[Zusammenfassung] PLA-Fasern sind Hochleistungspolyesterfasern. Diese Arbeit analysiert umfassend die biologische Abbaubarkeit und Recyclingfähigkeit, die Ungiftigkeit, die Färbbarkeit bei niedrigen Temperaturen, die Elastizität und Knitterfestigkeit, die Flammschutzwirkung und die UV-Beständigkeit von PLA-Fasern. Darüber hinaus werden produktionsrelevante Aspekte erörtert und die Anwendungsperspektiven von PLA-Fasern aufgezeigt. Im 21. Jahrhundert spielt die Forschung und Entwicklung neuer Materialien eine entscheidende Rolle. Insbesondere unter dem Motto „Wir haben nur eine Erde“ hat sich die Entwicklung und Nutzung biologisch abbaubarer Polymilchsäure (PLA)-Fasern zu einem zentralen Thema unter den neuen textilen Rohstoffen dieses Jahrhunderts entwickelt. PLA-Fasern nutzen natürliche und nachwachsende pflanzliche Rohstoffe und reduzieren so die Abhängigkeit von Erdölressourcen. Im Vergleich zu herkömmlichen Fasermaterialien weisen PLA-Fasern zudem einzigartige und überlegene Eigenschaften auf. Mit dem wachsenden Umweltbewusstsein, der großtechnischen Produktion von Polymilchsäureharz und der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Anwendungsgebiete von PLA-Fasern werden diese unweigerlich zu einem der wichtigsten Fasermaterialien des 21. Jahrhunderts werden. 1. Forschungsfortschritte bei PLA-Fasern PLA-Fasern PLA-Fasern sind Hochleistungspolyesterfasern. Es handelt sich um ein Polymer, das durch Polymerisation von L-Milchsäure als Hauptrohstoff gewonnen wird. Da L-Milchsäure hauptsächlich aus Mais gewonnen wird, werden PLA-Fasern auch als Maisfasern bezeichnet. Die Herstellung von PLA-Fasern erfolgt wie folgt: Maisstärke wird zu Glucose hydrolysiert und anschließend anaerob mit Milchsäurebakterien fermentiert. Während der Fermentation wird flüssige Lauge zur Neutralisation und zur Bildung von Milchsäure eingesetzt. Nach der Reinigung wird die Fermentationsflüssigkeit mittels Elektrodialyse zu Milchsäure mit einer Reinheit von 99,5 % aufgereinigt. Die Herstellung von PLA aus Milchsäure erfolgt auf zwei Wegen: (1) durch direkte Polykondensation, bei der unter Vakuum ein Lösungsmittel zur Dehydratisierung und Polykondensation verwendet wird; (2) durch lösungsmittelfreies Verfahren, bei dem aus Milchsäure ein cyclisches Dimer Lactid entsteht, das anschließend durch Ringöffnungspolykondensation zu PLA reagiert. Die Geschichte der Forschung und Entwicklung von Polymilchsäure lässt sich bis in die 1920er und 1930er Jahre zurückverfolgen. Der berühmte Polymerchemiker Carothers berichtete einst über die Synthese von Polymilchsäure. 1944 führte Filachiene eine systematische Studie zur Polymerisationsmethode von Polymilchsäure durch, basierend auf den Forschungen von Hovey, Hodgins und Begji. 1954 stellte DuPont hochmolekulare Polymilchsäure (PLA) mittels eines neuen Polymerisationsverfahrens her, die sich jedoch aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Hitze und Wasser nicht durchsetzte. Nach den 1960er Jahren führte die Entdeckung der biologischen Abbaubarkeit von PLA im menschlichen Körper zu intensiver Forschung und Anwendung als biomedizinisches Material. Später entwickelte Cargill, ein bekanntes amerikanisches Getreideunternehmen, erfolgreich Mais-PLA-Fasern. 1997 erkannte Dow Polymers das Potenzial von PLA-Fasern und gründete in Partnerschaft mit Cargill die CargillDow Polymers LLC (CDP), um PLA unter dem Handelsnamen NatureWorks PLA zu produzieren. 1989 kooperierte das japanische Unternehmen Kanebo mit der Shimadzu Corporation, um Mais-PLA-Fasern zu entwickeln. Die Rohstoffe stammten von Shimadzu und CDP. 1994 entwickelten sie eine Faser, die unter dem Namen Lactron vermarktet wurde. 1998 präsentierten sie eine Reihe von Produkten aus dieser Faser und stellten verschiedene Kleidungsstücke aus Lactron-Fasern bei den Olympischen Winterspielen in Nagano vor. Im Januar 2000 ging Kanebo eine Partnerschaft mit CDP ein, um gemeinsam Polymilchsäure (PLA)-Harz herzustellen. Im Januar 2003 gab CDP in New York den neuen Namen „Ingeo“ für seine Nature Work TMPLA-Faser bekannt. Dieser Name steht für einen wirksamen, natürlichen Inhaltsstoff und verkörpert die harmonische Einheit von Mensch, Natur und Technologie. 85 renommierte internationale Hersteller unterzeichneten eine Vereinbarung zur gemeinsamen Entwicklung und Förderung der Anwendung von PLA-Fasern. Mit dem Beginn der PLA-Harzproduktion konnte auch das Problem der hohen Kosten für PLA-Fasern gelöst werden. Aktuell liegt der Preis 10–15 % unter dem von PET (Polyethylenterephthalat). Weltweit beziehen Fabriken ihre PLA-Faserrohstoffe von CDP in den USA, und auch große Hersteller wie DuPont und Monsanto planen den Bau solcher Werke. Auf der 10. Internationalen Textilmesse Shanghai (Herbst/Winter) präsentierten renommierte Unternehmen wie die China Huafu Group, die Hong Kong Futian Company, die Taiwan Far Eastern Textile Company sowie die japanischen Firmen Itochu Corporation, CDP Corporation, Thermore Corporation und UnifiAsia Corporation ihre jeweiligen PLA-Faserserien. Dies unterstreicht den Beginn der Ära des breiten Einsatzes von PLA-Fasern. 2. Morphologie und Struktur von PLA-Fasern und die Eigenschaften ihrer Produkte 2.1 Morphologie und physikalische Eigenschaften von PLA-Fasern 2.1.1 Morphologie und Struktur von PLA-Fasern Die Morphologie und Struktur von PLA-Fasern sind in Abbildung 1 dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist der Querschnitt der Polymilchsäurefaser kein vollständiger Kreis. 2.1.2 Physikalische Eigenschaften von PLA-Fasern Die Eigenschaften von PLA-Fasern sind in Tabelle 1 dargestellt: Tabelle 1 zeigt, dass Dichte, Bruchfestigkeit, Dehnung und Elastizitätsmodul von PLA-Fasern zwischen denen von PET- und PA-Fasern liegen. Daher vereinen PLA-Fasern die Vorteile von PET- und PA-Fasern und weisen eine bessere Feuchtigkeitsaufnahme als diese beiden Fasertypen auf. 2.2 Eigenschaften von PLA-Fasern und ihren Produkten 2.2.1 Biologische Abbaubarkeit und Recyclingfähigkeit von PLA-Fasern Im Vergleich zu anderen synthetischen Fasern ist der größte Vorteil von PLA-Fasern ihre leichte Zersetzung in natürlichen Umgebungen. Das bei der Zersetzung entstehende Kohlendioxid und Wasser belasten die Umwelt nicht und können durch die Photosynthese von Pflanzen wieder in den ökologischen Kreislauf zurückgeführt werden. Zu den Abbaumethoden gehören: a) Kompostierung (auch bekannt als Zersetzung im Kompost). Diese Kompostierung erfolgt bei einer Temperatur von 60 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 90 %. Der Hauptabbaumechanismus ist die durch die Temperatur katalysierte Hydrolyse, gefolgt vom bakteriellen Abbau der verbleibenden Bestandteile. b) Abbau durch Vergrabung im Boden. Gebrauchte PLA-Fasern werden vergraben. Nach 8–10 Monaten gehen Festigkeit und andere Eigenschaften der PLA-Fasern durch die Einwirkung von Mikroorganismen im Boden fast vollständig oder größtenteils verloren. c) Abbau in Belebtschlamm. Hierbei werden die PLA-Fasern hauptsächlich durch eine große Anzahl von Bakterien schnell zersetzt. Im Allgemeinen geht die Festigkeit des Produkts innerhalb von 1–2 Monaten vollständig verloren. d) Abbau durch Eintauchen in Meerwasser. Das Prinzip ist ähnlich wie bei der Vergrabung im Boden. Zusätzlich kann die Copolymerisation durch Zugabe von Komponenten während der Polymerisation diesen Abbauprozess beschleunigen oder verlangsamen. Aus diesem Grund bezeichnen viele Experten PLA als „das umweltfreundliche Kreislaufmaterial des 21. Jahrhunderts“. 2.2.2 Ungiftigkeit von PLA-Fasern: PLA-Fasern werden unter Verwendung von Milchsäure, einem im menschlichen Körper vorkommenden Bestandteil, als Rohstoff synthetisiert und sind daher absolut unbedenklich für den menschlichen Gebrauch. Tests haben gezeigt, dass Textilien aus PLA-Fasern die Haut nicht reizen, antibakterielle und antiseptische Eigenschaften besitzen, gesundheitsfördernd sind und hohen Tragekomfort bieten. In Unterwäsche eingesetzt, zeichnen sie sich im Vergleich zu PET- und PBT-Fasern durch einen besseren Fall, eine glatte Oberfläche und einen edleren Glanz aus. Die Faserherstellung ist umweltfreundlich; das in der Faserproduktion gängige Schmelzspinnverfahren ist das einfachste und sauberste Verfahren in der Chemiefaserherstellung und vermeidet die Problematik schwer zu entsorgender Abfälle. Polylactidfasern haben bei Implantation in den Körper keine toxischen Nebenwirkungen und besitzen antibakterielle sowie UV-beständige Eigenschaften, wodurch eine hohe Sicherheit gewährleistet ist. Sie eignen sich nicht nur für resorbierbare chirurgische Nahtmaterialien und Gewebezüchtungsmaterialien, sondern auch für Anwendungen im Außenbereich und dekorative Textilien im Innenbereich. Darüber hinaus sind PLA-Fasern bei der Verbrennung ungiftig, und die Verbrennungsgase enthalten keine Dioxine sowie nur sehr geringe Mengen an Stickstoff und Sauerstoff. 2.2.3 Färbbarkeit von PLA-Fasern bei niedrigen Temperaturen Synthetische Fasern erreichen dunkle Farbtöne erst oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur. PET-Fasern weisen eine Glasübergangstemperatur von ca. 81 °C auf, und aufgrund ihrer dichten Struktur dringen Farbstoffmoleküle nur schwer in das Faserinnere ein. Daher lassen sich PET-Fasern mit Dispersionsfarbstoffen nur unter hohen Temperaturen und hohem Druck oder mit einem Trägerstoff dunkel färben. PLA-Fasern hingegen besitzen in der Regel eine Glasübergangstemperatur von 58–62 °C, wodurch Farbstoffmoleküle leicht in das Faserinnere eindringen und dunkle Farbtöne erzielen können. Daher weisen PLA-Fasern im Vergleich zu PET-Fasern eine überlegene Färbbarkeit auf und können bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck ohne Trägerstoff oder sogar durch Kochen gefärbt werden. PLA-Fasern wurden mit Dispersionsfarbstoffen bei 70 °C und 100 °C über verschiedene Zeiträume gefärbt, und die Farbstoffaufnahme wurde gemessen. Dies zeigte, dass Dispersionsfarbstoffe in PLA eine bessere Färbetiefe erzielen können, wobei die höchste Farbstoffaufnahme bei 100 °C über 30 Minuten erreicht wurde. Vor dem Färben wurden Keiralon JET-B oder Soda zugegeben und die Mischung 15–20 Minuten bei 60 °C behandelt, anschließend abgetropft, gewaschen und zum Färben vorbereitet. Beim Färben wird die Temperatur auf 40 °C erhöht und die Hilfsstoffe Setamol BL, Palatex PC und HAC zugegeben. Nach 5 Minuten Behandlung wird der Farbstoff zugegeben und der pH-Wert auf 3,5–4,0 eingestellt. Anschließend wird die Temperatur mit 2–3 °C/min auf 70 °C und danach mit 1–2 °C/min auf 100 °C erhöht. Die Färbezeit kann je nach gewünschter Färbetiefe angepasst werden. Die Waschechtheit und Farbstoffmigration der gefärbten Produkte sind gut, die Farbechtheit liegt über Grad 3. Es verblasst nicht unter Xenon-Bogenlicht. 2.2.4 Elastizität und Knitterfestigkeit von PLA-Fasern Die Elastizität von Fasern ist ein grundlegender Faktor für die Elastizität von Textilprodukten. Sie steht in engem Zusammenhang mit der Verschleißfestigkeit, Knitterfestigkeit, dem Griff und der Dimensionsstabilität der Produkte. Daher ist die Elastizität von Fasern ein äußerst nützlicher Indikator zur Bestimmung von Textilverarbeitungsparametern. Fasern mit hoher Elastizität widerstehen Zugkräften gut, ohne ihre Struktur zu verändern, behalten ihre Form stabil und sind langlebig. Auch die daraus hergestellten Produkte behalten ihre Form [11]. Die makromolekulare Struktur der PLA-Faser ist für ihre ausgezeichnete Elastizität verantwortlich. Bei 5 % Dehnung beträgt die Elastizitätsrate 93 % und bei 10 % Dehnung 64 %. Im Vergleich dazu weist PET-Faser eine Elastizitätsrate von 63 % bei 5 % Dehnung und 51 % bei 10 % Dehnung auf. 2.2.5 Flammschutz von PLA-Fasern Mit steigendem Lebensstandard steigen auch die Anforderungen an den Flammschutz von Textilfasern. Der Sauerstoffindex (LOI) von PLA-Fasern (26–27 %) ist vergleichbar mit dem von Wolle (24–25 %), besser als der von PET-Fasern (23–24 %) und liegt nahe an den nationalen Normen für den LOI flammhemmender Fasern (28–30 %). PLA-Fasern weisen einen niedrigen Heizwert (nur 16 % des LOI von PET-Fasern) und geringe Rauchentwicklung (nur 57 % des LOI von PET-Fasern) auf, sind leicht selbstverlöschend und stellen eine geringe Brandgefahr dar. Daher haben die flammhemmenden Eigenschaften von PLA-Fasern besondere Aufmerksamkeit erregt. 2.2.6 UV-Beständigkeit von PLA-Fasern: Die C-C- und C-H-Bindungen in der makromolekularen Struktur von PLA-Fasern absorbieren im Allgemeinen kein Licht mit Wellenlängen über 290 nm. Die ultravioletten Strahlen, die die Erdoberfläche bestrahlen, haben nahezu keine Wirkung auf Fasern mit diesen Bindungen [11]. Da PLA-Fasern jedoch eine große Anzahl von C-C- und C-H-Bindungen in ihrer Molekularstruktur enthalten, weisen sie eine ausgezeichnete UV-Beständigkeit auf. PLA-Fasern bestehen aus hochreiner L-Milchsäure und enthalten nur sehr wenige Verunreinigungen, was unter anderem ihre hervorragende UV-Beständigkeit erklärt. Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass PLA-Fasern nach 500 Stunden Sonneneinstrahlung 90 % ihrer Festigkeit behalten, während PET-Fasern nach 200 Stunden Sonneneinstrahlung etwa 60 % ihrer Festigkeit einbüßen. Darüber hinaus sind PLA- und PET-Fasern hydrophob und kleben nicht an der Haut. In Kombination mit Baumwolle für Unterwäsche transportieren sie Feuchtigkeit und sorgen für ein trockenes Tragegefühl. Besonders hervorzuheben ist die gute Biokompatibilität von PLA-Fasern, die Hautverträglichkeit und der hohe Tragekomfort. PLA-Fasern lassen sich zudem hervorragend verarbeiten und sind mit den meisten gängigen Verarbeitungsanlagen wie Web-, Strick-, Tufting- und Vliesstoffmaschinen kompatibel, was ihre Verbreitung und Anwendung erheblich fördert. 3. Zu beachtende Punkte bei der Textilproduktion Obwohl PLA-Fasern viele Vorteile und Eigenschaften aufweisen, sollten bei der praktischen Produktion folgende Punkte beachtet werden: 3.1 Lange und kurze Fasern PLA-Fasern können mittels Schmelzspinnen zu langen oder kurzen Fasern verarbeitet werden. Lange Fasern sind in der Regel glänzend und gleichmäßig. PLA-Filamente weisen jedoch eine hohe Schrumpfungsrate von üblicherweise 20 % bis 23 % auf, was bei der Stoffherstellung berücksichtigt werden muss. Gegebenenfalls kann eine Vorbehandlung mit Dampf durchgeführt werden. Kurze Fasern haben üblicherweise einen Durchmesser von 1,2 bis 1,4 D. Beim Spinnen muss aufgrund der Dehnung von bis zu 47 % die Spinn- und Wickelspannung entsprechend reduziert werden. PLA-Fasern reagieren relativ empfindlich auf Temperaturen und härten bei hohen Temperaturen aus. Bei hohen Maschinengeschwindigkeiten während des Produktionsprozesses sollte die Produktionsgeschwindigkeit reduziert werden. 3.2 Webprobleme: Aufgrund der hohen Dehnung erfordert PLA-Fasergarn beim Weben eine angemessene Spannung, während die geringe Schrumpfung bei der Stoffgestaltung unbedingt berücksichtigt werden muss. Andernfalls werden die Spezifikationen des Endprodukts beeinträchtigt. Bei der Herstellung von PLA-Fasergarn für Strickwaren sind folgende Vorsichtsmaßnahmen zu treffen: Die Temperatur in der Produktionshalle sollte unter 25 °C und die relative Luftfeuchtigkeit über 60 % liegen. Die Produktionsmaschinen müssen gründlich gereinigt und mit transparentem Klebeband umwickelt werden, um Fadenabrisse zu vermeiden. Die Webgeschwindigkeit sollte nicht zu hoch sein und unter 20 U/min liegen, um Fehler wie Risse zu reduzieren. An allen Kontaktpunkten des Garnlaufs sind Keramik-Garnführungen vorzuziehen. Falls eine Garnwende erforderlich ist, muss der Fadenabriss sorgfältig überwacht und die Geschwindigkeit der Wendemaschine nicht zu hoch eingestellt werden. 3.3 Probleme beim Färben und Veredeln: PLA-Fasern reagieren besonders empfindlich auf Temperatur und Laugen (insbesondere starke Laugen). Beispielsweise führen Färbetemperaturen über 110 °C zu einer deutlichen Versteifung der PLA-Fasern, und Temperaturen über 130 °C führen zum Schmelzen der PLA-Fasern (Schmelzpunkt von PLA-Fasern: 130–166 °C). Die Zugabe starker Laugen während des Färbeprozesses führt zur Zersetzung des PLA (und damit zu einer deutlichen Reduzierung seiner Berstfestigkeit). Daher muss die Temperatur während des gesamten Färbe- und Veredelungsprozesses sorgfältig kontrolliert werden. PLA-Fasergarne neigen zu ungleichmäßiger Färbung, was die Farbkontrolle erschwert und den Prozess weiter verbessern muss. Die Herstellung von melierten Garnen aus PLA-Fasern stellt ein ernstes Problem der Farbveränderung dar, was zu erheblichen Farbunterschieden im Endprodukt führt. 4. Anwendungsperspektiven von PLA-Fasern PLA-Fasern besitzen viele hervorragende Eigenschaften, wie z. B. eine bessere Hydrophilie als PET; besseren Fall, höheren Tragekomfort und ein angenehmeres Tragegefühl; gute Elastizität; gute Kräuselbarkeit und Kräuselbeständigkeit; kontrollierbare Schrumpfung; eine hohe Festigkeit von bis zu 6,23 cN/dtex; gute UV-Stabilität; eine geringere Dichte als PET; Färbbarkeit mit Dispersionsfarbstoffen; gute Form- und Verarbeitungseigenschaften; eine kontrollierbare Wärmebindungstemperatur; eine Kristallisationsschmelztemperatur im Bereich von 120–170 °C; geringe Entflammbarkeit und geringe Rauchentwicklung. Diese Eigenschaften haben die Anwendung von PLA-Fasern in der Faser- und Vliesstoffindustrie gefördert. PLA-Fasern lassen sich zu Monofilamenten oder Multifilamenten mit rundem Querschnitt, zu BCF mit trilobalem Querschnitt (geeignet für die Herstellung von Teppichen und Filzen), zu gekräuselten oder ungekräuselten Kurzfasern, zu Bikomponentenfasern, Spinnvliesen und Schmelzblasvliesen usw. verarbeiten. Dadurch ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für PLA-Fasern in der Bekleidungs-, Heimtextilien-, Vliesstoff-, Bikomponentenfaser- sowie Hygiene- und Medizinbranche. Aktuell werden PLA-Fasern zu Multifilamenten, Monofilamenten, Stapelfasern, texturierten Garnen, Maschenwaren und Vliesstoffen verarbeitet, die vorwiegend in der Bekleidungsindustrie und in industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Textilien aus PLA-Fasern zeichnen sich durch seidenen Glanz, einen angenehmen Griff, Leuchtkraft, Saugfähigkeit, Formbeständigkeit und Knitterfestigkeit aus und sind daher ideal für Bekleidung, insbesondere Damenbekleidung. PLA-Fasern eignen sich auch für Einwegkleidung und Arbeitskleidung im Freien. PLA-Fasern weisen eine gute Beständigkeit gegenüber vielen Lösungsmitteln, einschließlich chemischer Reinigungsmittel, auf. Sie reagieren empfindlich auf wässrige Laugenlösungen (wie NaOH), sind aber gegenüber Säuren (wie HCl) recht stabil. Allerdings besitzen PLA-Fasern eine relativ geringe Abriebfestigkeit, was ihren Einsatz in Funktionsbekleidung einschränken kann. PLA-Fasern werden hauptsächlich in industriellen Anwendungen eingesetzt, darunter im Tiefbau für Netze, Matten, Sandsäcke und Erosionsschutzmaterialien; in der Land- und Forstwirtschaft für Saatgutgewebe, Folien, Insekten- und Tierschutzplanen, Unkrautbekämpfungssäcke und Wartungsfolien; in der Fischerei für Fischernetze und -leinen; in Haushaltsgeräten für Müllnetze, Handtücher, Filter und Wischtücher; sowie in der Outdoor-Ausrüstung für Planen, Abdeckungen und Zelte. Im Gesundheitswesen werden PLA-Fasern vorwiegend für Windeln, Inkontinenzprodukte, Damenhygieneprodukte, UV-beständige Textilien, chirurgisches Nahtmaterial, Knochenfixationsmaterialien, Gerüste für die Gewebezüchtung, Verbände, Einweg-Arbeitskleidung, medikamentenfreisetzende Materialien, künstliche Schläuche, künstliche Bänder und künstliche Sehnen verwendet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Ökologie, Gesundheit und Umweltschutz die zentralen Themen des 21. Jahrhunderts sind. PLA-Fasern durchlaufen von der Rohstoffgewinnung über die Produktion und Nutzung bis hin zur Entsorgung einen natürlichen Kreislauf, sind umwelt- und atmosphärisch unbedenklich und stellen eine nachhaltige ökologische Faser dar. PLA-Fasern und ihre Produkte gewinnen aufgrund ihrer hervorragenden Docht- und Feuchtigkeitstransporteigenschaften, ihrer hohen Elastizität, ihrer guten Flammwidrigkeit und geringen Rauchentwicklung, ihrer UV-Stabilität sowie ihres angenehmen Tragegefühls und fließenden Falls zunehmend an Bedeutung. Die Erforschung der Eigenschaften von PLA-Fasern und die Entwicklung von Produkten, die deren überlegene Merkmale hervorheben, sind ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Forschung und Entwicklung von „Ökotextilien“ mit bedeutender gesellschaftlicher Relevanz und hohem wirtschaftlichem Wert.