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Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e.V., (GMBU), Technologiezentrum Rossendorf, Postfach 520165, D-01317 Dresden

Eine neue aussichtsreiche Möglichkeit zur Funktionalisierung von Textilien besteht in der Beschichtung mit anorganischen Oxiden. Als Alternative zu den technisch sehr anspruchsvollen vakuumtechnischen Verfahren bietet sich die Sol-Gel-Technik an. Mittels der Sol-Gel-Technik lassen sich Beschichtungen durch Verwendung flüssiger anorganischer Nanosole realisieren. Dazu können bei Raumtemperatur und Normaldruck konventionelle Beschichtungsverfahren wie Tauchen, Sprühen oder kontinuierlichen Beschichtungstechniken eingesetzt werden.

Die zur Textilbeschichtung verwendeten Nanosole erhält man durch saure oder basische Hydrolyse der entsprechenden Silicium- oder Metallalkoxide in Wasser oder einem mit Wasser mischbaren organischen Lösemittel. Der Feststoffgehalt der Nanosole liegt meist im Bereich von 3 bis 20 Gewichtsprozent, wobei die Oxidpartikel nanokristallin mit Durchmessern kleiner 10 nm vorliegen. Das extrem große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Nanopartikel führt während des Beschichtungsprozesses zu Kondensation, Aggregation und so schließlich zu einer dreidimensionalen Vernetzung der Partikel. Dabei erhält man nach Trocknung lösemittelfreie, poröse Xerogel-Schichten, die für die Funktionalisierung von Textilien von großem Interesse sind. Die Ursache besteht darin, daß man die Nanosole zusätzlich sehr leicht chemisch und physikalisch modifizieren kann.

Bei der chemischen Modifizierung werden die Nanopartikel (meist Siliciumdioxid) in ihrer chemischen Zusammensetzung verändert, z.B. durch die Bildung von Mischoxiden mit Al2O3, TiO2 oder anderen Oxiden. Eine weitere Möglichkeit bietet der Einbau von Alkylsilanen, die eine vernetzende, haftende oder schmutz- und wasserabweisender Wirkung hervorrufen. Bei der physikalischen Modifizierung werden Zusätze wie Polymere, Farbstoffe, Wirkstoffe oder Biomoleküle in die Oxidmatrix eingebettet, wodurch sich die chemisch-physikalischen Schichteigenschaften gravierend verändern und (multi-)funktionelle Beschichtungen erzeugt werden. Aufgrund dieser vielfältigen Modifizierungsmöglichkeiten und der guten Haftung es möglich, Textilien zu funktionalisieren und ihre Gebrauchswerteigenschaften zu erhöhen.

Einige Möglichkeiten zeigt die rechte Übersicht.

Im einfachsten Fall führt die Behandlung textiler Fasern und Gewebe mit anorganischen Nanosolen zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften, indem der gebildete dünne Oxidfilm die Faseroberfläche glättet und das Abriebverhalten verbessert. Beispielsweise können Polyester- bzw. Polyphenylensulfid-Siebe, welche als Endlosband bei der Papierherstellung zum Abpressen der Feuchtigkeit verwendet werden, beschichtet werden. Diese Siebe unterliegen durch Kontakt mit anorganischen Zuschlägen bei der Papierherstellung einem starken Verschleiß, welcher durch die Beschichtung mit alkylmodifizierten SiO2-Nanosolen beträchtlich verbessert werden kann.

Von besonderem Interesse sind die Möglichkeiten zur Beeinflussung des Haftverhaltens von Textilien. Durch die Beschichtung mit modifizierten Nanosolen kann die Oberflächenenergie von textilen Geweben von stark hydrophil (große Oberflächenenergie) bis zu stark hydrophob (antiadhäsiv mit kleiner Oberflächenenergie) variiert werden. Bei Zumischung geringer Mengen an fluorhaltigen Siliciumverbindungen ist die Oberflächenenergie beträchtlich geringer als die von Teflon, wobei der Effekt auch in hohen Verdünnungen der Bschichtungslösungen bestehen bleibt. Neuerdings lassen sich durch den Einsatz spezieller Alkylsilane fluorfreie wasserabweisende Schichten herstellen, bei denen die Wasseraufnahme beim Tauchen oder Sprühen geringer ist als bei fluorhaltigen Beschichtungen.

Generell kann man mit Nanosolen, denen man lösliche Farbstoffe oder dispergierte Pigmente zugesetzt hat, farbige Textilbeschichtungen erzeugen. Der Vorteil des Einsatzes von Nanosolen besteht u.a. darin, preiswerte wasserlösliche Farbstoffe zu immobilisieren und zur Textilfärbung zu nutzen. Durch die Modifierung der Nanosole mit vernetzenden Silanen und Einhaltung eines optimalen Trocknungsregimes kann die Waschstabiltät der wasserlöslichen Farbstoffe erheblich verbessert werden. Darüberhinaus bewirkt die Sol-Gel-Immobilisierung eine beträchtliche Verbesserung der Lichtstabilität.

Bioaktive Textilbeschichtungen finden in jüngster Zeit ein besonderes Interesse. Sie können durch physikalisch modifizierte Nanosole, in die bioaktive Reagenzien, Biomoleküle, und selbst lebenden Zellen homogen eingebettet sind, mit hohen Wirksamkeiten hergestellt werden. Die Vorteile der Metalloxid-Matrix gegenüber Polymermatrizen bestehen vor allem in ihrer besseren mechanischen Stabilität, biologischen Inertheit und steuerbaren Porosität.

Je nach der Zusammensetzung der Schicht kann man den Immobilisierungsgrad von eingebetteten bioaktiven Stoffen steuern. Die permanente Verkapselung biologischer Komponenten (z.B. von Biopolymeren wie Kollagen, Gelatine, Chitosan oder Hyaluronsäure) führt zur Verbesserung der Biokompatibilität und bietet z.B. die Möglichkeit, die Hautverträglichkeit bestimmter textiler Gewebe zu verbessern. In ähnlicher Weise ist die Immobilisierung von Enzymen auf Textiloberflächen möglich. Aufgrund der erheblichen Schichtporosität besteht für kleine Reagens- oder Gasmoleküle die Möglichkeit einer weitgehend ungehinderten Diffusion in und aus der Schicht. Dadurch werden oft ähnlich hohe Enzymaktivitäten wie in Lösung beobachtet, wobei Einsatzmöglichkeiten wie z.B. die Imprägnierung von Verbandsstoffen zur enzymatischen Wundreinigung oder Textilien mit biosensorischen Eigenschaften denkbar sind.

Besonders eignet sich die Sol-Gel-Technik für Systeme mit verzögerter bzw. gesteuerter Freisetzung der bioaktiven Komponente aus der anorganischen Metalloxid-Matrix zur Erzielung bestimmter biologischer oder therapeutischer Wirkungen. Beispielsweise ist es möglich, beliebige antimikrobielle Substanzen (z.B. Silberverbindungen oder organische Biocide) mit Hilfe von Nanosolen auf der Textiloberfläche zu immobilisieren und kontrolliert freizusetzen. Derart beschichtete Textilien zeigen eine hohe antimikrobielle Wirksamkeit gegenüber unterschiedlichen Testkeimen. Ebenso lassen sich mittels Nanosolen natürliche flüssige Aromastoffe und Insektenrepellenzien auf Geweben fixieren und kontrolliert freisetzen, wodurch sich vorteilhafte Anwendungen, z.B. zur Ausrüstung von Tropentextilien, ergeben.