WO2010006457A1 - Multifunktionelle, responsive funktionsschichten auf festen oberflächen und verfahren zur herstellung dazu - Google Patents

Multifunktionelle, responsive funktionsschichten auf festen oberflächen und verfahren zur herstellung dazu Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to multifunctional, responsive functional layers on solid surfaces according to patent claim 1 and to a method for producing the same according to patent claims 18 to 20.
  • phase-change materials eg Micronal ® PCM from BASF
  • the phase-change materials are microcapsules whose contents are, for example, an electrolyte or electrolyte mixture or low-melting polymers.
  • phase change solid / liquid or liquid / solid
  • heat is absorbed or released, allowing temperature control through the equipment made with Phase-Change Materials.
  • protective blankets for horses which are both highly reflective and phase change materials in the
  • the manufacturing principle of multifunctional layers on textiles used today consists in most cases in the mixing of at least two functional products or composites in an application liquor or in the sequential application of the functional products to the substrate to be treated.
  • substrate will also be used to represent various solid-state arrays, such as e.g. Textile, paper and plastic or synthetic fiber materials used.
  • Known methods of producing multifunctional layers, according to one of the aforementioned principles, are described in the following documents: a) Functional equipment with a one-step procedure [1]:
  • Another multifunctional layer which is particularly desirable for health and safety clothing and bed linen, includes dirt repellent and water repellent bactericidal and antistatic function.
  • the already mentioned technical disadvantages also include the very often limited washing and usage properties, especially in the case of functional layers on synthetic fibers and plastics. As these drawbacks become increasingly important, they are a major reason for the reluctant market acceptance.
  • the main economic disadvantage lies in the high cost of the individual functional products with their more or less complex manufacturing techniques.
  • Another object is the realization of high demands on the typical performance characteristics of the multifunctional layer, wherein the requirement for a high wash resistance is common to all multifunctional layers.
  • the layer-specific properties are based on the individual functions to be fulfilled by the coating layer.
  • the object of the invention is achieved by the use of bipolar and / or arnphiphilic compounds suitable for barrier, in particular for membrane formation, in combination with responsive compounds to be switched by a stimulus or polymers, which together form a multifunctional, responsive functional layer.
  • the property of the multifunctional, responsive functional layer as an overall system or at least one of the functions must be reversibly switchable (responsive) by an external stimulus.
  • the responsive property of the multifunctional, responsive functional layer can be predetermined by one, several or only by the combination of at least two functional components.
  • the overall system ie the multifunctional, responsive one, responds Functional layer, to an external stimulus according to the properties of the responsive polymer.
  • the overall system ie the multifunctional, responsive one, responds Functional layer, to an external stimulus according to the properties of the responsive polymer.
  • their geometric differentiated arrangement in the layer is also specified. This results in self-dynamics by assembling, due to the prevailing interface forces in such a way that, for example, the responsive polymer layer on the substrate or the solid matrix and the membrane or barrier structure forming compound or the polymer forms the air-oriented layer. In this sense, the responsive polymer layer and the barrier layer behave cooperatively with respect to their properties.
  • Chemically-functional compounds have reactive groups such as amino, hydroxy, carboxyl, carbonyl, epoxy, isocyanate groups; Constitutional features of the compounds are those which are distinguished by their physical or structural properties, such as bipolarity, planarity or chirality.
  • Fig. 1 Schematic structure of a multifunctional, responsive functional layer with two functional components, one of which is reversibly switchable by an external stimulus.
  • FIG. 3 Schematic structure of a multifunctional, responsive functional layer with two functional components, wherein the lipophilic functional component sits on the responsive functional component and the moisture content forms the external stimulus.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a multifunctional, responsive functional layer with two functional components, one of which is reversibly switchable by an external stimulus.
  • first functional component 1 On a substrate 3, or a solid surface or a solid matrix, there is a first functional component 1, which is physically-chemically bonded to the substrate 3.
  • a second functional component 2 is located next to the first functional component 1 and is also physically-chemically connected to the substrate 3.
  • the second functional component 2 consists of a responsive, polar polymer component, on which water molecules 4 are attached.
  • the first functional component 1 consists of a hydrophobizing polymer.
  • First and second functional components 1, 2 form a responsive functional layer 5, or a finishing layer, whose responsive behavior is explained below. In this functional layer, the responsive and hydrophobicizing polymer components 1, 2 are isolated from each other in an isolated manner due to the phase separation forced during application and fixation.
  • hydrophobing functional component 1 forms largely rigid chains to the gas phase (air) by means of assembly
  • the chains of the responsive functional component 2 are greatly stretched with increasing water content, resulting in a hydrophilic layer dominance of the responsive functional layer 5.
  • Water molecules 4 'located in the gas phase are deposited on the responsive functional component 2, which is indicated by an arrow 6. This hydrophilic layer dominance is at a normal temperature in front.
  • the external stimulus is the temperature with which the hydrophilicity or the hydrophobicity of the surface of the functional layer 5, 5 'is reversibly switchable. This is indicated by a double arrow 7.
  • Bipolar monomers and polymer compounds are capable of forming interfacial structures, particularly membrane layers, from micelles and / or vesicles by assembling on solid or liquid surfaces.
  • the thermodynamically induced separation leads to a vice versa directed (hydrophobic or hydrophilic) orientation with respect to the air [11], [12], [13 ].
  • Typical examples of such compounds are specially formulated fat-modified (C 3 -C 24 , preferably C 8 -C 18 ) formaldehyde, polyacrylate and polyurethane resins and fluorocarbon resins (C 2 -C 12 , preferably C 4 -C 8 ), whose backbones are also, for example Acrylic or urethane based.
  • Further possibilities are the use of metal salts of higher fatty acids (C 3 - C 24, preferably C 8 - C 18) and, for example, polysaccharides or quat groups containing compounds esterified fatty acids (C 3 - C 24, preferably C 8 - C 18).
  • Another amphiphilic class of compounds are block polymers containing both hydrophobic and hydrophilic segments.
  • the hydrophobic segments are often silicone and fluorocarbon resin based; the hydrophilic preferably polyoxyethylene and polyoxypropylene based.
  • the amounts of the mentioned compounds Textiles are 0.1-5%, preferably 0.2-2.0% of the active substance, based on the dry weight of the textiiguts to be finished.
  • the mentioned classes of compounds are used in part for the hydrophobization of textile fiber materials and fabrics.
  • the barrier layers produced by fabric assembling with such compounds on fabric surfaces fulfill the majority only one equipment-specific function, namely a hydrophilization or hydrophobing of the textile material.
  • barrier layers in particular membrane layers with 'spacers' to the solid matrix are referred to as tethered membranes' [11], [12].
  • responsive polymers are used as spacers that can be reversibly switched by external stimuli between differently shaped polymer states (e.g., stretched or creased form of the polymer).
  • the triggering trigger triggers are physical and / or chemical, layer extrinsic factors such as temperature, pH, electrical charge and moisture.
  • Other stimuli triggering the switching process are the ionic strength of an electrolyte solution or that of the polymer surface itself [4], [12], [13].
  • the responsive functional layers according to the invention can be switched by mechanical forces in the range from 10 -7 Newton (N) to several Newton (N), as well as by electromagnetic waves (electromagnetic radiation) of very different spectral ranges and their strength.
  • N 10 -7 Newton
  • N several Newton
  • electromagnetic waves electromagnetic radiation
  • the light of a certain wave range and its intensity is mentioned.
  • additional functionalities can be generated by incorporating a spacer layer.
  • Very important are e.g. that of a water reservoir between the solid-state matrix and the hydrophobically dominated barrier layer, for example, or that of an antistatic and / or antimicrobial function.
  • responsive polymers are polyethylene oxide and polypropylene oxide derivatives and their copolymers, ethoxylated and propoxylated polysaccharides, polyacrylamides or polyacrylates, and polyelectrolytes, such as e.g. ionic polysaccharides, acrylamides or acrylates.
  • the relative amounts used are 0.05-5.0%, preferably 0.1-2.0% of the active substance, based on the dry weight of the textile material to be finished.
  • a two-stage or multistage production process [14], [15] can also be practiced, even if the additional costs are accepted.
  • Such an operation is appropriate, for example, in the construction of a bilayer structure for realizing a high reversible water storage capacity, thereby achieving a high degree of heat regulation.
  • the responsive spacer layer is applied by an impregnation process, while the barrier-forming functional component or the functional composite is subsequently applied on one or two sides.
  • one-sided application techniques for example, patting, spraying and doctoring are available, while the two-sided application is preferably carried out by dipping.
  • the one-sided or two-sided barrier coating application is based on the intended use of the textile material.
  • the tissue side opposite the barrier layer is hydrophilic and able to absorb water as a liquid phase.
  • the second functional component 2 On the substrate 3 is the second functional component 2, which is physically-chemically bonded to the substrate 3 and consists of a responsive, polar polymer component, on which water molecules 4 are deposited.
  • the first functional component 1, namely a lipophilic component, is fixed physically-chemically on the responsive polymer component.
  • the second functional component 2 is also referred to as a spacer polymer.
  • First and second functional components 1, 2 form a responsive functional layer 5, or a finishing layer.
  • the responsive functional layer 5 located thereon at normal temperature allows only a small water transport, which is indicated by a narrow arrow 8.
  • a narrow arrow 8 allows the responsive functional layer 5 'excellent water transport, which is indicated by a broad arrow 9.
  • the external stimulus is the temperature with which the hydrophilicity or the hydrophobicity of the surface of the functional layer 5, 5 'can be reversibly switched or triggered. This is again indicated by the double arrow 7.
  • the functional layer 5 may also contain a plurality of first functional components 1 and a plurality of second functional components 2. It is by no means limited to a single first and second functional component.
  • the responsive polymer layer has the property of a water reservoir whose storage capacity is determined by the temperature.
  • the responsive spacer polymers By using responsive spacer polymers, the properties typical for this layer must be switched on or off. Of particular importance in this case is the temperature as a trigger, which respon- sive polymers to their hydration or dehydration leads.
  • the responsive polymer layer when appropriately geared, will exhibit a significant and reversible change in the chain arrangement, which may vary from the stretched to fully nipped shapes.
  • the use of a responsive polymer is of interest, which binds water at lower body temperatures ( ⁇ 30 ° C.) and precipitates water at higher temperatures as a result of increasing insolubility [16]. Since the released water evaporates more or less quickly according to the prevailing conditions and energy is withdrawn from the system due to the evaporation enthalpy to be expended, cooling of the textile and thus of the skin is the consequence.
  • the functional layers produced in this way on two sides show to the outside, e.g.
  • the skin has a hydrophobically dominated and therefore dry behavior.
  • the water released by transpiration from the body is mainly transported via the gas phase into the spacer layer, stored and, depending on the temperature conditions, without noticeable moisture on the skin, released very quickly to the environment.
  • a miscibility gap can be formed by removal of the homogeneous phase (eg water) during the layer fixation.
  • Such miscibility gaps can also be formed by other stimuli such as electrical charges or electrolyte. Due to the miscibility gap, the polar dominated, amphiphilic polymer forms water-transporting polymer bridges, comparable to the transmembrane proteins in biological membranes.
  • this functional layer is the predominance of low to medium relative humidity ( ⁇ 80%) hydrophobicity, which means an extremely water-repellent property, and at higher relative humidity (> 80%) increasing hydrophilicity, which is excellent leachability of dirt means.
  • ⁇ 80% low to medium relative humidity
  • > 80% higher relative humidity
  • l_otus [17] and petal effect [18] layers are intrinsically present, wherein the moisture or the corresponding water content of the functional layer is the trigger for switching the respective function. SoM release functional coatings based on this principle show high effect levels.
  • the hydrophilic-dominated responsive polymer is immobilized on several ⁇ m-sized particles (eg SiO 2 ) and dispersed in water together with the hydrophobic membrane polymer and corresponding dispersants.
  • phase separation By taking place after the application of drying occurs phase separation to form hydrophilic condensation nuclei.
  • These are capable of sorbing water from the gas phase with decreasing ambient temperature on one side (top side) of the textile material and transported as a liquid phase through the present due to the phase separation bridges of polar polymer associates on the back or drain on the top of the fabric allow.
  • the responsive polymer is rehydrated to revert to the hydrophobic domain.
  • Application examples include camping, watering crops and using as a military survival kit.
  • FIG. 3 shows the schematic structure of a multifunctional, responsive functional layer with two functional components, wherein the lipophilic functional component sits on the responsive functional component and the moisture content forms the external stimulus.
  • the second functional component 2 On the substrate 3 is the second functional component 2, which is physically-chemically connected to the substrate 3 only at the two locations 10, 10 '.
  • the second functional component 2 consists of a responsive, polar polymer component as a spacer layer.
  • the first functional component 1, namely a hydrophilic component, is physically chemically fixed on the responsive polymer component.
  • First and second functional components 1, 2 form a responsive functional layer 5 or a finishing layer, eg a soil release functional layer. layer.
  • the responsive functional layer 5 is water-repellent at a low moisture content, which is indicated by the water molecule 4 'and by the arrow 6'. Any dirt 11 or dirt particles remain on the hydrophobic surface of the functional layer 5 adhere.
  • the 'Soil release' function consists of two opposing functions. On the one hand, this is the dirt-repelling function and, on the other hand, the best possible washability of once soiled surfaces.
  • the principle for the realization of the two functions is the use of a hydrophobic membrane-forming polymer in combination with a hydrophilic-dominated responsive polymer.
  • the use of specially modified cellulose derivatives as a spacer polymer this is present at low humidity in nuscher, more or less unswollen form. In the presence of water, for example during the washing process, a water access can be detected by existing defects in the barrier layer, which has a significant swelling of the spacer layer and thus an opening of the membrane layer result.
  • a trigger for triggering the responsive effect is used in this case, the increased water content of the spacer layer.
  • the spacer layer is not necessarily a responsive polymer layer;
  • the at least one first functional component may also be formed as a spacer layer, for example as a lipophilic functional component.
  • barrier layer forming polymers are preferably fluorocarbon resins with C 4 - C 12 chains and as responsive polymers polyelectrolytes such as carboxylated poly- saccharides and / or acrylic acid derivatives applied.
  • the amounts used of the barrier layer forming compounds is 0.1 - 3.0%, preferably 0.2 - 1.5% and that of the responsive polymer 0.05 - 5.0%, preferably 0.1 - 2.0% of the active ingredient, based on the dry weight of the textile material to be finished.
  • the responsive nature of a corresponding spacer polymer can also be used to achieve high oil and gasoline repellency of e.g. Protective clothing can be used. Of particular importance is the high oil and gasoline rejection in protective suits for the police, fire and the military, as in appropriate operations the risk of fire is the biggest threat.
  • the unswollen spacer polymer once penetrated oil or gasoline can distribute freely, the swollen spacer polymer forms a second, for oil and gasoline impermeable barrier layer.
  • the swelling of the responsive spacer layer already takes place through human perspiration, with which in this case the relative humidity of the body-near climate is the stimulus for the formation of the desired function. This behavior can be repeated as often as desired after drying the protective suit.
  • a functional layer according to the invention contains further ingredients and thus forms a multifunctional composite.
  • crosslinkers are formaldehyde resins, in particular melamine and ethyleneurea derivatives, such as, for example, Knittex FEL (Huntsman), free and blocked isocyanates, e.g. Phobol XAN (Huntsman), aziridine compounds, e.g. XAMA 7 (flevo chemistry) and multifunctional glycidyl compounds, e.g. Isobond GE 100 (Isochem) used.
  • the mass quantities vary in the range of 0.05-1.5%, preferably 0.1-0.5%, of the active substance, based on the dry weight of the textile material to be finished.
  • the catalysts should be selected specifically for the reaction system. In the case of formaldehyde resins but also in the use of glycidyl compounds, metal salts and preferably carboxylic acids are used. Typical catalysts for formaldehyde resins are magnesium chloride, aluminum chlorohydrate, citric acid acid and tartaric acid.
  • the quantities used for metal salts in the liquor are 1 to 25 g / l, preferably 5 to 15 g / l.
  • the acid concentrations to be set in the liquors are in the range of 0.1-10 g / l, preferably 0.5-4 g / l.
  • amines preferably tertiary amines such as e.g. 1, 4-diazabicyclo (2.2.2) octane (DABCO), triethanolamine, 1, 2-dimethylimidazole and benzyldimethylamine (BDMA) for use.
  • DABCO 4-diazabicyclo
  • BDMA benzyldimethylamine
  • Example 1 Soil release functional layer.
  • This example relates to the preparation of a soil release function on textiles, with a responsive-acting functional component, characterized by a repellency of hydrophilic and hydrophobic substances and by a simultaneously present good washability of any residual dirt.
  • the stimulus for switching the respective function (reject or mobilize) is the moisture content of the functional layer. While up to a moisture content of about 8%, based on the dry weight of the finishing layer, this has a high water, oil and soil repellency occurs when further increasing the water content (typically in the washing machine), a strong reduction of the repellent character.
  • the equipped according to the method described tissues exhibit a very good water, oil and dirt repellency, characterized by the contact angle with water and heptane (Tab. 2) and by the evaluation of soil removal after a washing operation at 40 0 C (Tab. 3 ).
  • the rating scale includes grades 1-5. Grade 1 corresponds to an invisible cleaning effect and Grade 5 indicates complete removability. Grade 4 is synonymous with barely visible residues (dirt removal> 95%). Based on the values in Tables 2 and 3, according to the invention, the very good water, oil and soil repellency in the dry fabric state and in the wet state of the fabric, the good cleaning ability of the fabric by the responsive functional behavior and the washing resistance of the functional layer.
  • Example 2 Combination of soil release with an antimicrobial function. This example relates to the preparation of a multifunctional responsive functional layer which combines an antimicrobial action with a hydrophilic or hydrophobic function, wherein the antimicrobial function can be switched on and off by an external stimulus.
  • the corresponding textile material In order to meet the high functional standard of workwear in the healthcare sector (hospitals, medical practices, etc.), the corresponding textile material has to be equipped with a combined soil release / antimicrobial function. It is a polyester fabric with a grammage of 160 g.
  • the production of the functional layer is carried out in two stages. In the first application process the responsive and antimicrobial functional composite is applied (Tab. 4) and in the second step the membrane layer is applied. The application of the responsive / antimicrobial layer takes place by means of a padding process (Table 5). The resulting pick up is 45%, based on the dry weight of the Tissue. The drying process after the padding is conducted so that the resulting residual moisture on the fabric after this process step is 20-25%.
  • the membrane layer is also applied with an impregnation process.
  • the pick-up of the fleet containing the membrane composite is 30%.
  • the subsequent drying is carried out at 120 0 C, followed by the condensation process, with a temperature setting of 150 0 C.
  • Tab. 4 Fleet formulation of the first application step (responsive and antimicrobial).
  • the described equipment shows a wash-resistant, high water, oil and soil repellency due to its responsive behavior in the dry state of the fabric and the excellent leachability of soils when wet, as well as the desired antimicrobial function after fifty washes at 40 ° C.
  • Good cleaning is usually not given in hydrophobicized with fluorocarbon resins tissues.
  • the antimicrobial activity localized in the polar, responsive polymer unfolds with increasing moisture content. In the water-free or water-poor state of the functional layer, a bacterial attack is hardly possible anyway.
  • the layer characterization is carried out by determining the contact angles with water / alcohol solutions in the unwashed state and after 50 washes (Table 6) as well as by a soiling test with various substances (Table 7).
  • Example 3 Moisture transport and temperature regulating equipment.
  • This example relates to a responsive, equipment-based functional layer on textiles, which layer intrinsically comprises both moisture wicking and thermal regulation.
  • Today's demands on modern sports underwear include not only the pleasant feel, which is essentially determined by the moisture transport, but also the antimicrobial function.
  • An additional desirable function is the heat regulation that is realized today on the fiber material and the Gewirkkonstrutation and possibly with the use of Phase-Change Materials (PCM).
  • PCM Phase-Change Materials
  • the heat-regulating effect is achieved by the use of a responsive composite in this example of equipment.
  • a knitted fabric consisting of 80% polyester, 15% cotton and 5% elastane fiber material is impregnated in one stage with a liquor formulation containing the functional components (Table 8).
  • the Flottenappiikation carried out by means of a foulard passage with subsequent crushing, drying of the fabric and condensation for washing permanent fixation of the functional layer on the textile.
  • the fleet order is 72%.
  • the drying is carried out at 110-120 0 C and the condensation at 150 to 160 0 C.
  • the criteria for the evaluation of the functions are the contact angle with water, the antimicrobial effect and the water storage by the responsive composite with the associated water release.
  • the film characterization is performed (Tab. 9) in the unwashed state and after 10 washes, which were carried out at 40 0 C.
  • the liquor formulation is listed below. Tab. 8 Fleet formulation
  • Table 9 clearly show the decreasing water storage capacity of the repulsive functional layer with increasing temperature and the associated increasing evaporation of water, which extracts heat from the system. According to the invention, this is due to the responsive behavior of the functional layer. This is a direct consequence of the dehydration of the responsive polymer occurring at elevated body temperature.
  • Example 4 Body temperature regulating equipment of sportswear. This example describes a responsive finishing layer on textiles, especially for sportswear. It regulates body temperature based on water sorption and desorption. With the water desorption from the functional layer, the evaporation rate is increased, as a result of which heat is removed from the body.
  • the external stimuli for the responsive behavior of the functional layer are the temperature and the electrolyte content of the water released by the body (sweat). While under normal load the sweat emitted by the body is primarily transported as water vapor and partially sorbed by the finishing layer, a mixed phase of welding fluid and water vapor occurs during athletic activity. Both the elevated temperature (about 30 ° C.) and the electrolyte content of the welding fluid lead to contraction and curling of the responsive polymer with the associated 'release' of the sorbed water.
  • the polymers used for this purpose are, on the one hand, block or random polymers based on polyethylene oxide, which additionally have anionic end groups and, on the other hand, product mixtures, one of the products being nonionic and the other being ionogenic (anionic or cationic) in nature.
  • a fabric consisting of 92% polyester and 8% elastane is impregnated with a liquor containing the functional polymers (Table 10).
  • the presence of the functional polymer (62% non-ionic, 38% anionic based on the total polymer composition) in the finishing layer leads to the control of the body temperature, with a cooling effect due to the increased water release from about 28 ° C.
  • the fleet application and the completion of the equipment is done with conventional technology (impregnation, drying and condense). Fleet application is 48% based on the dry weight of the fabric.
  • the drying is carried out at 100 - 12O 0 C and the fixing of the finish layer on the textile substrate at 150 - 160 0 C.
  • the characterization of the functional layer takes place by detecting the water sorption at different temperature and different electrolyte content of the water.
  • the Fiotten formulation and test results are listed in Tables 10 and 11.
  • Fumexol WDN wetting agent ERBA 1
  • Uses find the inventive responsive functional layers in working and protective clothing, such. in the hospital, fire department, police, military, forestry and food technology.
  • sportswear e.g. Outdoor clothing as jackets, trousers, headgear, and breathable garments such as shirts, trousers and trainers.
  • underwear e.g. Thermal underwear with an additional antimicrobial effect.

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Abstract

Eine multifunktionelle responsive Funktionsschicht (5) auf einem Substrat, insbesondere Textilien, Papier und Kunststoffmaterialien umfasst mindestens eine erste und eine zweite Funktionskomponente (1, 2), wovon mindestens eine der zweiten Funktionskomponenten (2) die chemisch-funktionelle und konstitutionelle Voraussetzung für ein responsives Verhalten aufweist und damit durch einen äusseren Stimulus reversibel schaltbar ist. Die ersten und zweiten Funktionskomponenten (1, 2) unterscheiden sich in ihren intrinsisch vorgegebenen Eigenschaften und sind aufeinander abgestimmt, wobei mindestens eine der Funktionskomponenten auf dem Substrat (3) physikalischchemisch verbunden vorliegt. Verfahren zur Herstellung der multifunktionellen responsiven Funktionsschicht (5) werden beschrieben, die Kombination von Funktionen ermöglichen wie Moisture Management, Soil Release, Antistatic, Hydrophobie, Hydrophilie, Oleophobie, Controlled Release und Leitfähigkeit.

Description

Multifunktionelle, responsive Funktionsschichten auf festen Oberflächen und Verfahren zur Herstellung dazu
Die Erfindung betrifft multifunktionelle, responsive Funktionsschichten auf festen Oberflächen gemäss Patentanspruch 1 und Verfahren zur Herstellung derselben gemäss den Patentansprüchen 18 bis 20.
Die Herstellung von Multifunktionsschichten auf festen Matrizen wie sie Textil-, Papier- und Kunststoffmaterialien darstellen gewinnt enorm an Bedeutung und sind Gegenstand aktueller Forschungs- und Entwicklungsprojekte. Diverse kombinierte Funktionsbeispiele wie z.B. flammhemmend und Schmutz abweisend oder bügelfrei und antistatisch etc. befinden sich bereits in der praktischen Anwendung und sind auch in der Fachliteratur beschrieben [1].
In der nachstehenden Liste sind die Dokumente zusammengestellt, an Hand derer im Weiteren der Stand der Technik erläutert wird:
[1] S. Duquesne et al., Multifunctional Barriers for Flexible Structure, (2007), S. 39-43,
63-71 , 109-124, Springer Berlin, Heidelberg, New York
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Phase_Change_Material
[3] St. Galler Tagblatt, Freitag, 6. Juni 2008
[4] V. Papaefthimiou, R. Steitz, G. H. Findenegg, Responsive Polymerschichten, Chem.
Unserer Zeit, (2008) 42, S. 102-115
[5] J. Rühe, M. Ballauf, M. Biesalski et al., Polyelectrolyt brushes, Adv. Polym. Sei
(2004) 165, S. 79-150
[6] M. Motornov, R. Sheparovych et al., Stimuli-Responsive Colloidal Systems from
Mixed Brush-Coated Nanoparticles, Advanced Functional Materials (2007) 17, S. 2307-
2314
[7] D. Hegemann, M. M. Hossain, D. J. Balazs, Nanostructured plasma coatings to obtain multifunctional textile surfaces, Progress in Organic Coatings 58 (2007) S. 237-
240 [8] M. Weder, A. Satir, W. Federer, Wenn sich die Kleidung dem Menschen anpasst,
Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Medien Information,
Dübendorf, September (2002)
[9] W. D. Schindler, PJ. Hauser, Chemical finishing of Textiles, CRC Press (2004), S.
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606-608 New York
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(2000) Weinheim, New York
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[13] A. Janshoff, C. Steinern, Transport across artificial membranes an analytical perspective, Anal. Bio. Chem. (2006) 385, S. 33-51
[14] R. v. Klitzing, Intemal structure of polyelectrolyte multilayers assemblies, Phys.
Chem. Chem. Phys. (2006) 8, S. 5012-5033
[15] K. Glinel, C. Dejugnat, M. Prevot et al., Responsive polyelectrolyte multilayers,
Colloid Surf. A. (2007) 303, S. 3-13
[16] C. Wu, S. Zhou, First Observation of the Molton Globule State of a Single
Homopolymer Chain, Phys. Rev. Lett. (1996) 77, S. 3053 -3055
[17] W. Barthlott, C. Neinhuis, Nur was rauh ist, wird von selbst sauber, Technische
Rundschau Nr. 10, (1999) S. 56-57
[18] L. Feng et al., Petal Effect: A Superhydrophobic State with High Adhesive Force,
Langmuir Vol. 24, (2008), S. 4114-4119
Die im Dokument [1 ] erwähnten Beispiele, durch eine Ausrüstung bzw. Coating erzielten Effekte, sind permanent vorhanden. Beim Einsatz von Phase-Change Materials [2] (z.B. Micronal® PCM der Firma BASF) in Multifunktionsschichten ist der durch diese Materialien ausgelöste, Wärme regulierende Effekt reversibel. Bei den Phase-Change Materials handelt es sich um Mikrokapseln, deren Inhalt z.B. ein Elektrolyt bzw. Elektrolytgemisch oder nieder schmelzende Polymere sind. Während des Phasenwechsels (fest/flüssig bzw. flüssig/fest) wird Wärme aufgenommen oder abgegeben, wodurch eine Temperaturregelung durch die mit Phase-Change Materials hergestellte Ausrüstung möglich ist. In neuesten Arbeiten [3] werden z.B. Schutzdecken für Pferde untersucht, die sowohl hoch reflektierend sind als auch Phase change materials in der
Beschichtung enthalten.
In der Literatur finden sich weitere Polymermaterialien beschrieben, die durch einen äusseren Stimulus reversibel ein- bzw. ausschaltbar sind, so genannte responsive
Polymermaterialien, jedoch nicht deren Anwendung in Multifunktionsschichten [4], [5],
[6].
Das heute angewendete Herstellungsprinzip von Multifunktionsschichten auf Textilien besteht in den meisten Fällen im Mischen mindestens zweier Funktionsprodukte oder -komposite in einer Applikationsflotte oder in der sequentiellen Applikation der Funktionsprodukte auf das zu behandelnde Substrat. Im Folgenden wird auch der Begriff Substrat stellvertretend für verschiedene Festkörpermatrizen wie z.B. Textil-, Papier- und Kunststoff- bzw. Kunstfasermaterialien verwendet. Bekannte Herstellungsverfahren von Multifunktionsschichten, nach einem der genannten Prinzipien sind in den folgenden Dokumenten beschrieben: a) Funktionsausrüstungen mit einstufiger Verfahrensweise [1]:
Antistatik, Wasser-, Öl- und Schmutzabweisung, Flammhemmung, Bügelfrei etc. b) Sequentielle Applikation von Funktionsschichten (zweistufige Verfahrensweise): Textile Fläche1 (WO 02/075038 A2).
Eine weitere, sehr aktuelle Verfahrenstechnik zur Herstellung von Multifunktionsschichten bietet die Plasmatechnik [1], [7].
Zwei heute bevorzugt angestrebte kombinierte Funktionen sind die Feuchtigkeits- und Wärmeregulierung auf der menschlichen Haut durch die Bekleidung und deren Ausrüstung. Diese Funktionen wurden während den letzten zehn Jahren intensiv erforscht und diskutiert [8]. Hierzu sind für verschiedene Anwendungsbereiche Funktionsmodelle entwickelt und realisiert worden, die sehr viele Ressourcen vom Fasermaterial über die Gewebekonstruktion bis hin zur Konfektionstechnologie nutzen. Eine weitere erwähnenswerte Doppelfunktion steckt im Begriff 'Soil release' [9], womit sowohl die Schmutzabweisung als auch die Wiederauswaschbarkeit sorbierter Schmutzsubstanzen als Funktionen gefordert sind.
Eine andere, vor allem für Arbeitsschutzbekleidung und Bettwäsche im Gesundheitsbereich erwünschte Multifunktionsschicht beinhaltet die Schmutzabweisung sowie die bakterizide und antistatische Funktion.
Wesentliche Nachteile aller erwähnten Multifunktionsschichten sind deren Herstellungsprinzip mit den gesondert zu formulierenden Funktionsprodukten bzw. -kompositen und den sehr oft beschränkten Verträglichkeiten mit den weiteren vorhandenen Flotteningredienzien.
Ein weiterer Nachteil der Herstellung diverser Multifunktionsschichten ist die Mehrstufigkeit des Verfahrens, wobei sehr kostenintensive Prozessstufen wie Trocknen und Kondensieren mindestens zweimal durchzuführen sind.
Zu den bereits erwähnten technischen Nachteilen zählen auch die sehr oft eingeschränkten Wasch- und Gebrauchseigenschaften, insbesondere bei Funktionsschichten auf Synthesefasern und Kunststoffen. Da diese Nachteile zunehmend an Bedeutung gewinnen, sind sie ein wesentlicher Grund für die nur zögernde Marktakzeptanz. Der wesentliche wirtschaftliche Nachteil liegt in den hohen Kosten der einzelnen Funktionsprodukte mit ihren mehr oder weniger aufwändigen Herstellungstechniken.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein auf feste Oberflächen, insbesondere auf Textilien, zu applizierendes, ausrüstungsbasiertes Multifunktionsprinzip und Herstellverfahren zu entwickeln, welches Schicht intrinsisch mindestens zwei unterschiedliche Funktionen erfüllt. Beispiele solcher Funktionen sind: Moisture Management, Soil Release, Antistatic, Hydrophobie, Hydrophilie, Oleophobie, Controlled Release, Leitfähigkeit etc..
Eine weitere Aufgabe besteht in der Realisierung hoher Anforderungen an die typischen Gebrauchseigenschaften der Multifunktionsschicht, wobei die Forderung nach einer hohen Waschbeständigkeit allen Multifunktionsschichten gemeinsam ist. Die Schicht spezifischen Eigenschaften orientieren sich an den einzelnen, von der Coatingschicht zu erfüllenden Funktionen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Anwendung von bipolaren und/oder arnphiphilen, zur Barrieren-, im Besonderen zur Membranbildung geeigneten Verbindungen in Kombination mit responsiven, durch einen Stimulus zu schaltenden Verbindungen bzw. Polymeren, die gemeinsam eine multifunktionelle, responsive Funktionsschicht darstellen. Erfindungsgemäss muss die Eigenschaft der multifunktionellen, responsive Funktions- schicht als Gesamtsystem oder mindestens eine der Funktionen durch einen äusseren Stimulus reversibel schaltbar (responsiv) sein. Die responsive Eigenschaft der multifunktionellen, responsiven Funktionsschicht kann durch eine, mehrere oder erst durch die Kombination von mindestens zwei Funktionskomponenten vorgegeben sein. Aufgrund der durch SeIf Assembling [10] entstehenden geometrischen Anordnung der Barrierenschicht (auch als Membran- oder Grenzschicht bezeichnet) und der responsiven Polymerschicht auf einer Feststoffmatrix, sowie durch die chemische Verknüpfung der Barrierenschicht mit der responsiven Polymerschicht reagiert das Gesamtsystem, d.h. die multifunktionelle, responsive Funktionsschicht, auf einen äusseren Stimulus gemäss den Eigenschaften des responsiven Polymers. Mit der Anwendung unterschiedlicher chemisch-funktioneller und konstitutioneller Verbindungen zum Aufbau von multifunktionellen, responsiven Funktionsschichten wird auch deren geometrische differenzierte Anordnung in der Schicht vorgegeben. Diese ergibt sich eigendynamisch durch SeIf Assembling, aufgrund der vorherrschenden Grenzflächenkräfte in der Weise, dass beispielsweise die responsive Polymerschicht auf dem Substrat, bzw. der Feststoff matrix und die Membran- oder Barrierenstruktur bildende Verbindung bzw. das Polymer die zur Luft orientierte Schicht bildet. In diesem Sinne verhalten sich die responsive Polymerschicht und die Barriereschicht bezüglich ihrer Eigenschaften kooperativ.
Chemisch-funktionelle Verbindungen weisen reaktive Gruppen auf, wie etwa Amino-, Hydroxy-, Carboxyl-, Carbonyl-, Epoxy-, Isocyanat-Gruppen; konstitutionelle Merkmale der Verbindungen sind solche, die sich durch ihre physikalischen oder strukturellen Eigenschaften auszeichnen, wie etwa die Bipolarität, Planarität oder Chiralität.
Responsive Polymerschichten zeichnen sich dadurch aus, dass sie auf einen äusseren Stimulus (auch Trigger genannt) eine 'Antwort' zeigen. Daher auch der Begriff 'responsiv', dessen Ursprung im Lateinischen, 'respondere = antworten' liegt. Responsives Verhalten bedeutet, dass die durch einen Stimulus ausgelöste Systemänderung reversibel und wiederholbar ist.
Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Schematischer Aufbau einer multifunktionellen, responsiven Funktionsschicht mit zwei Funktionskomponenten, wovon die eine durch einen äusseren Stimulus reversibel schaltbar ist.
Fig.2 Schematischer Aufbau einer multifunktionellen, responsiven Funktionsschicht mit zwei Funktionskomponenten, wobei die lipophile Funktionskomponente auf der responsiven Funktionskomponente sitzt und die Temperatur den äusseren Stimulus bildet.
Fig.3 Schematischer Aufbau einer multifunktionellen, responsiven Funktionsschicht mit zwei Funktionskomponenten, wobei die lipophile Funktionskomponente auf der responsiven Funktionskomponente sitzt und der Feuchtigkeitsgehalt den äusseren Stimulus bildet.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer multifunktionellen, responsiven Funktionsschicht mit zwei Funktionskomponenten, wovon die eine durch einen äusseren Stimulus reversibel schaltbar ist.
Auf einem Substrat 3, bzw. einer festen Oberfläche oder einer Feststoffmatrix befindet sich eine erste Funktionskomponente 1 , die mit dem Substrat 3 physikalisch-chemisch verbunden vorliegt. Eine zweite Funktionskomponente 2 befindet sich neben der ersten Funktionskomponente 1 und ist ebenfalls mit dem Substrat 3 physikalisch-chemisch verbunden. Die zweite Funktionskomponente 2 besteht aus einer responsiven, polaren Polymerkomponente, auf der Wassermoleküle 4 angelagert sind. Die erste Funktionskomponente 1 besteht aus einem hydrophobierenden Polymer. Erste und zweite Funktionskomponenten 1 , 2 bilden eine responsive Funktionsschicht 5, bzw. eine Ausrüstungsschicht, deren responsives Verhalten im Weiteren erläutert wird. In dieser Funktionsschicht liegen die responsive und hydrophobierende Polymerkomponente 1 , 2 aufgrund der während der Applikation und Fixierung erzwungenen Phasentrennung isoliert nebeneinandervor. Während die hydrophobierende Funktionskomponente 1 durch SeIf Assembling weitgehend starre Ketten zur Gasphase (Luft) ausbildet, werden die Ketten der responsiven Funktionskomponente 2 mit zunehmendem Wassergehalt stark gestreckt, womit eine hydrophile Schichtdominanz der responsive Funktionsschicht 5 resultiert. In der Gasphase befindliche Wassermoleküle 4' lagern sich an der responsiven Funktionskomponente 2 an, was mit einem Pfeil 6 angedeutet ist. Diese hydrophile Schichtdominanz liegt bei einer normalen Temperatur vor.
Eine steigende Temperatur bewirkt eine zunehmende Dehydratisierung und Entquellung der responsiven Funktionskomponente 2', bzw. des responsiven Polymers, wobei die gestreckten Ketten kollabieren oder knäueln . Die vormals gebundenen Wassermoleküle 4 verdunsten und ein Neuzutritt von Wassermolekülen 4' wird erheblich erschwert, was mit dem Pfeil 6' angedeutet ist. Die responsive Funktionskomponente 2' zieht sich neben der hydrophobierenden Funktionskomponente 1' zurück, womit nun die weitgehend starren Ketten der Funktionskomponente 1' bzw. des Hydrophobierungspolymers die Oberfläche der Funktionsschicht 5' dominieren.
Der äussere Stimulus ist die Temperatur, mit der die Hydrophilie bzw. die Hydrophobie der Oberfläche der Funktionsschicht 5, 5' reversibel schaltbar wird. Dies ist mit einem Doppelpfeil 7 angedeutet.
Im Weiteren wird die Barriere bzw. die Barrierenschicht beschrieben. Bipolare Monomere und Polymerverbindungen sind in der Lage, ausgehend von Mizellen und/oder Vesikeln durch SeIf Assembling an festen oder flüssigen Oberflächen Grenzflächenstrukturen insbesondere Membranschichten auszubilden. Das thermodynamisch bedingte SeIf Assembling führt je nach Polarität der Oberfläche (hydrophil oder hydrophob), auf der die Mizelle oder das Vesikel spreitet, zu einer vice versa gerichteten (hydrophoben oder hydrophilen) Orientierung gegenüber der Luft [11], [12], [13]. Ein mit den Mizellen oder Vesikeln vergleichbares Verhalten zeigen beispielsweise in Wasser emulgierte bipolare Verbindungen und amphiphile Polymere nach der Applikation auf eine feste Matrix. Typische Beispiele solcher Verbindungen sind speziell formulierte fettmodifizierte (C3 - C24, bevorzugt C8 - C18) Formaldehyd-, Polyacrylat- und Polyurethanharze sowie Fluorkarbonharze (C2 - C12, bevorzugt C4 - C8), deren Backbone beispielsweise ebenfalls Acrylat oder Urethan basiert ist. Weitere Möglichkeiten sind die Verwendung von Metallsalzen höherer Fettsäuren (C3 - C24, bevorzugt C8 - C18) und beispielsweise mit Polysacchariden oder Quatgruppen haltigen Verbindungen veresterte Fettsäuren (C3 - C24, bevorzugt C8 - C18).
Eine andere amphiphile Verbindungsklasse stellen Blockpolymere dar, die sowohl hydrophobe als auch hydrophile Segmente enthalten. Die hydrophoben Segmente sind vielfach Silikon und Fluorkarbonharz basiert; die hydrophilen bevorzugt Polyoxyethylen und Polyoxypropylen basiert. Die Einsatzmengen der erwähnten Verbindungen auf Textilien betragen 0.1 - 5%, vorzugsweise 0.2 - 2.0% der Wirksubstanz, bezogen auf das Trockengewicht des auszurüstenden Textiiguts. Die erwähnten Verbindungsklassen werden teilweise zur Hydrophobierung von textilen Fasermaterialien und Flächengebilden verwendet. Die mit solchen Verbindungen auf Gewebeoberflächen hergestellten, durch SeIf Assembling entstehenden Barriereschichten erfüllen mehrheitlich nur eine ausrüstungsspezifische Funktion, nämlich eine Hydrophilierung oder Hydrophobierung des Textilgutes. Durch die Fixierung der bipolaren Barriere bildenden Verbindung (Monomer und/oder Polymer) auf festen oder flüssigen Oberflächen ist deren Orientierungsmöglichkeit durch die Steifigkeit der sich orientierenden Molekülketten und deren Nähe zur Festkörpermatrix eingeschränkt. Dies hat wiederum Effekteinbussen zur Folge.
Dieser Nachteil wird durch den Einbau von z.B. Spacern zwischen die Festkörpermatrix und die Barriereschicht deutlich verbessert. Solche Barriereschichten insbesondere Membranschichten mit 'Abstandshaltern' zur Feststoffmatrix werden als Tethered membranes' bezeichnet [11], [12].
Erfindungsgemäss werden responsive Polymere als Spacer eingesetzt, die durch äussere Stimuli reversibel zwischen unterschiedlich geformten Polymerzuständen geschaltet werden können (z.B. gestreckte oder geknäulte Form des Polymers).
Entsprechende, in der Literatur beschriebene, den Schaltvorgang auslösende Trigger sind physikalische und/oder chemische, Schicht extrinsische Faktoren wie Temperatur, pH-Wert, elektrische Ladung und Feuchtigkeit. Als weitere den Schaltvorgang auslösende Stimuli sind die lonenstärke einer Elektrolytlösung oder die der Polymeroberfläche selbst zu benennen [4], [12], [13].
Die erfindungsgemässen responsiven Funktionsschichten können je nach Konstruktion und der zu erfüllenden Aufgabenstellung durch mechanische Kräfte im Bereich von 10"7 Newton (N) bis zu mehreren Newton (N), sowie durch elektromagnetische Wellen (elektromagnetische Strahlung) unterschiedlichster Spektralbereiche und deren Stärke geschaltet werden. Als Beispiele sei das Licht eines bestimmten Wellenbereichs und dessen Intensität erwähnt.
Die erwähnten Faktoren können während des Gebrauchs der mit responsiven Funktionsschichten ausgerüsteten Materialien auftreten wie z.B. Waschen, Lagern, Bügeln, Trocknen, Reinigen etc. Andere extrinsische, Stimuli provozierende Situationen sind Stress (Blutdruck, Schweiss etc.), hohe Temperaturen, Öl- und Chemikalienkontakt.
Gleichzeitig können durch den Einbau einer Spacerschicht zusätzliche Funktionalitäten generiert werden. Sehr wesentlich sind z.B. die eines Wasserspeichers zwischen der Festkörpermatrix und der beispielsweise hydrophob dominierten Barriereschicht oder die einer antistatischen und/oder antimikrobiellen Funktion.
Beispiele responsiver Polymere sind Polyethylenoxid- und Polypropylenoxid-Derivate sowie deren Copolymerisate, ethoxylierte und propoxylierte Polysaccharide, Polyacrylamide oder Polyacrylate sowie Polyelektrolyte wie z.B. ionische Polysaccharide, Acrylamide oder Acrylate.
Die diesbezüglichen Einsatzmengen betragen 0.05 - 5.0%, vorzugsweise 0.1 - 2.0% der Wirksubstanz, bezogen auf das Trockengewicht des auszurüstenden Textilguts.
Neben der bevorzugten einstufigen Verfahrensweise der Herstellung von multifunktionellen, responsiven Funktionsschichten nach dem erfindungsgemässen Prinzip ist auch bei Akzeptanz der Mehrkosten ein zwei- oder mehrstufiges Herstellverfahren [14], [15] praktizierbar. Eine solche Arbeitsweise ist beispielsweise beim Aufbau einer Bilayer Struktur zur Realisierung eines hohen reversiblen Wasserspeichervermögens angebracht, um dadurch einen hohen Grad der Wärmeregulierung zu erzielen. In einem solchen Fall wird zuerst die responsive Spacerschicht durch einen Imprägnierprozess appliziert, während die Barriere bildende Funktionskomponente bzw. das Funktionskomposit anschliessend einseitig oder zweiseitig aufgetragen wird. Als einseitige Applikationstechniken stehen z.B. Pflatschen, Besprühen und Rakeln zur Verfügung, während die zweiseitige Applikation vorzugsweise durch Tauchung erfolgt. Die einseitige oder zweiseitige Barriereschicht Applikation orientiert sich am Verwendungszweck des Textilgutes. Bei einseitiger Barriereschicht Applikation ist die der Barriereschicht gegenüberliegende Gewebeseite hydrophil und in der Lage Wasser als Flüssig-Phase aufzunehmen. Bei einer zweiseitigen Barriereschicht Applikation erfolgt der Wassertransport in die hydrophile responsive Funktionsschicht vorwiegend über die Gasphase. Fig.2 zeigt den schematischen Aufbau einer multifunktionellen, responsiven Funktionsschicht mit zwei Funktionskomponenten, wobei die lipophile Funktionskomponente auf der responsiven Funktionskomponente sitzt und die Temperatur den äusseren Stimulus bildet.
Auf dem Substrat 3 befindet sich die zweite Funktionskomponente 2, die mit dem Substrat 3 physikalisch-chemisch verbunden ist und aus einer responsiven, polaren Polymerkomponente besteht, auf der Wassermoleküle 4 angelagert sind. Auf der responsiven Polymerkomponente ist hier die erste Funktionskomponente 1 , nämlich eine lipophile Komponente physikalisch-chemisch fixiert. Die zweite Funktionskomponente 2 wird auch als Spacerpolymer bezeichnet.
Erste und zweite Funktionskomponenten 1 , 2 bilden eine responsive Funktionsschicht 5, bzw. eine Ausrüstungsschicht.
Falls das Substrat 3 ein Bekleidungsstück bzw. ein Gewebe ist, erlaubt die darauf befindliche responsive Funktionsschicht 5 bei Normaltemperatur (keine körperliche Anstrengung) lediglich einen geringen Wassertransport, was mit einem schmalen Pfeil 8 angedeutet ist. Bei körperliche Anstrengung und der damit verbundenen Temperaturerhöhung erlaubt die responsive Funktionsschicht 5' einen hervorragenden Wassertransport, was mit einem breiten Pfeil 9 angedeutet ist.
Der äussere Stimulus ist die Temperatur, mit der die Hydrophilie bzw. die Hydrophobie der Oberfläche der Funktionsschicht 5, 5' reversibel schaltbar bzw. getriggert wird. Dies ist wiederum mit dem Doppelpfeil 7 angedeutet.
Die Funktionsschicht 5 kann auch mehrere erste Funktionskomponenten 1 und mehrere zweite Funktionskomponenten 2 enthalten. Sie ist keineswegs auf eine einzelne erste und zweite Funktionskomponente beschränkt.
Durch die einstufige Applikation bipolarer, Barriere bildender Verbindungen mit responsiven Polymerverbindungen als Spacer auf Textilien werden erfindungsgemäss Funktionsschichten zum Feuchtigkeitstransport und zur Wärmeregelung körpernah getragener Textilien hergestellt. Die responsive Polymerschicht besitzt die Eigenschaft eines Wasserspeichers, dessen Speichervermögen durch die Temperatur bestimmt wird. Durch die Verwendung von responsiven Spacer-Polymeren sind die für diese Schicht typischen Eigenschaften ein- bzw. auszuschalten. Von besonderer Bedeutung in diesem Fall ist die Temperatur als Trigger, die bei Verwendung diesbezüglich respon- siven Polymeren zu deren Hydratisierung oder Dehydratisierung führt. Die responsive Polymerschicht zeigt bei entsprechender Schaltung eine deutliche und reversible Änderung der Kettenanordnung, die von der gestreckten bis zur vollständig geknäulten Form variieren kann.
Gemäss diesem Beispiel ist die Verwendung eines responsiven Polymers von Interesse, welches bei tieferen Körpertemperaturen (< 30 0C) Wasser bindet und bei höheren Temperaturen infolge zunehmender Unlöslichkeit Wasser abscheidet [16]. Da das freigesetzte Wasser entsprechend den vorherrschenden Bedingungen mehr oder weniger schnell verdunstet und durch die aufzuwendende Verdampfungsenthalphie dem System Energie entzogen wird, ist eine Kühlung des Textils und damit der Haut die Folge.
Die auf diese Weise zweiseitig hergestellten Funktionsschichten zeigen nach aussen, z.B. zur Haut bei körpernah getragenen Textilien ein hydrophob dominiertes und somit trockenes Verhalten. Das durch Transpiration vom Körper abgegebene Wasser wird vorwiegend über die Gasphase in die Spacerschicht transportiert, gespeichert und je nach Temperaturbedingungen, ohne merkliches Feuchtigkeitsgefühl auf der Haut, sehr schnell an die Umwelt abgegeben.
Durch Variation der Massenverhältnisse zwischen dem hydrophob dominierten Barrierepolymer und dem hydrophil dominierten responsiven Polymer in der auf eine Festkörpermatrix applizierten Dispersion/ Emulsion kann durch Entzug der homogenen Phase (z.B. Wasser) während der Schichtfixierung eine Mischungslücke entstehen. Solche Mischungslücken sind auch durch andere Stimuli wie z.B. elektrische Ladungen oder Elektrolyt^ zu bilden. Aufgrund der auftretenden Mischungslücke bildet das polar dominierte, amphiphile Polymer Wasser transportierende Polymerbrücken aus, vergleichbar mit den Transmembranproteinen in biologischen Membranen. Eine weitere erfindungsgemässe Besonderheit dieser Funktionsschicht ist die bei niedriger bis mittlerer relativer Luftfeuchtigkeit (< 80 %) dominierende Hydrophobie, was eine extrem Wasser abstossende Eigenschaft bedeutet, und die bei höherer relativer Feuchtigkeit (> 80 %) zunehmende Hydrophilie, was eine hervorragende Auswaschbarkeit von Schmutzsubstanzen bedeutet. Durch den Einbau von Mikro- und/ oder Nanopartikeln in die Funktionsschicht bzw. in das Komposit sind responsive, selbstreinigende Oberflächen herzustellen. Sowohl in der beschriebenen als auch in der folgenden Anwendungsform sind l_otus-[17] und Petal-Effekt [18] Schicht intrinsisch vorhanden, wobei die Feuchtigkeit bzw. der korrespondierende Wassergehalt der Funktionsschicht der Trigger zur Schaltung der jeweiligen Funktion ist. SoM release Funktionsschichten, basierend auf diesem Prinzip, zeigen hohe Effektniveaus.
Eine weitere Anwendungsform dieses Prinzips ist die eines Wasser- Kollektors. In diesem Fall wird beispielsweise das hydrophil dominierte Responsiv-Polymer auf mehrere μm grosse Partikel (z.B. SiO2) immobilisiert und zusammen mit dem hydrophoben Membranpolymer und entsprechenden Dispergatoren in Wasser disper- giert. Durch die nach der Applikation erfolgende Trocknung tritt eine Phasenseparierung unter Ausbildung von hydrophilen Kondensationskeimen aus. Diese sind in der Lage, mit abnehmender Umgebungstemperatur auf der einen Seite (Oberseite) des Textilgutes Wasser aus der Gasphase zu sorbieren und als Flüssigphase durch die aufgrund der Phasenseparierung vorhandenen Brücken aus polaren Polymerassoziaten auf die Rückseite zu transportieren oder ebenfalls auf der Oberseite des Gewebes abfliessen zu lassen. Hier führt es zur Tropfenbildung und kann beispielsweise als Trinkwasser weiter verwendet werden. Mit steigender Temperatur wird das Responsiv-Polymerwiederdehydratisiert, unter Rückbildung der hydrophoben Domäne. Anwendungsbeispiele sind Camping, Bewässerung von Kulturen und die Verwendung als militärischen Überlebenskit.
Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau einer multifunktionellen, responsiven Funktionsschicht mit zwei Funktionskomponenten, wobei die lipophile Funktionskomponente auf der responsiven Funktionskomponente sitzt und der Feuchtigkeitsgehalt den äusseren Stimulus bildet.
Auf dem Substrat 3 befindet sich die zweite Funktionskomponente 2, die mit dem Substrat 3 lediglich an den zwei Stellen 10, 10' physikalisch-chemisch verbunden ist. Die zweite Funktionskomponente 2 besteht aus einer responsiven, polaren Polymerkomponente als Spacerschicht. Auf der responsiven Polymerkomponente ist hier die erste Funktionskomponente 1 , nämlich eine hydrophile Komponente physikalischchemisch fixiert. Erste und zweite Funktionskomponenten 1 , 2 bilden eine responsive Funktionsschicht 5, bzw. eine Ausrüstungsschicht, z.B. eine Soil release Funktions- schicht.
Die responsive Funktionsschicht 5 ist bei einem geringen Feuchtigkeitsgehalt wasser- abstossend, was mit den Wassermoleküie 4' und mit dem Pfeil 6' angedeutet ist. Allfällige Verschmutzungen 11 bzw. Schmutzpartikel bleiben auf der hydrophoben Oberfläche der Funktionsschicht 5 haften.
Durch die Wasseraufnahme des responsiven Polymers und den vorzugsweise schwach alkalisch eingestellten pH-Wert tritt eine Quellung bzw. Streckung des Spacerpolymers 2' ein. In dessen Folge öffnet sich der Abstand der darauf fixierten ersten Funktionskomponente 1 ' bzw. der hydrophoben Ketten. Dadurch wird der Wasserzutritt ermöglicht, was die Wassermoleküle 4 und mit dem Pfeil 6 angedeutet ist. Damit wird der Reinigungseffekt der Funktionsschicht 5' und damit des Substrates 3 von allfälligen Verschmutzungen 11 ermöglicht, was mit einem Pfeil 12 angedeutet ist. Der äussere Stimulus ist der Feuchtigkeitsgehalt der Funktionsschicht 5, 5', der mit dem Waschprozess bzw. der Trocknung reversibel schaltbar bzw. getriggert wird. Dies ist wiederum mit dem Doppelpfeil 7 angedeutet.
Die 'Soil release' Funktion setzt sich aus zwei gegensätzlichen Funktionen zusammen. Es ist dies einerseits die Schmutz abweisende Funktion und andererseits die möglichst gute Auswaschbarkeit einmal verschmutzter Oberflächen. Das Prinzip zur Realisierung der beiden Funktionen besteht in der Anwendung eines hydrophoben Membran bildenden Polymers in Kombination mit einem hydrophil dominierten responsiven Polymer. Durch die Anwendung speziell modifizierter Zellulosederivate als Spacer-Polymer liegt dieses bei geringer Feuchtigkeit in geknäulter, mehr oder weniger ungequollen Form vor. Bei Anwesenheit von Wasser, beispielsweise während des Waschvorganges, ist durch vorhandene Fehlstellen in der Barriereschicht ein Wasserzutritt feststellbar, der eine erhebliche Quellung der Spacerschicht und damit auch eine Öffnung der Membranschicht zur Folge hat. Als Trigger zur Auslösung des responsiven Effektes dient in diesem Fall der erhöhte Wassergehalt der Spacerschicht.
Die Spacerschicht ist nicht zwingend eine responsive Polymerschicht; so kann auch die mindestens eine erste Funktionskomponente als Spacerschicht ausgebildet sein, etwa als lipophile Funktionskomponente .
Als Barriereschicht bildende Polymere werden vorzugsweise Fluorkarbonharze mit C4 - C12 Ketten und als responsive Polymere Polyelektrolyte wie z.B. carboxylierte PoIy- saccharide und/oder Acrylsäurederivate angewendet. Die Einsatzmengen der Barriereschicht bildenden Verbindungen beträgt 0.1 - 3.0%, vorzugsweise 0.2 - 1.5% und die des responsiven Polymers 0.05 - 5.0%, vorzugsweise 0.1 - 2.0% des Wirkstoffes, bezogen auf das Trockengewicht des auszurüstenden Textilguts.
Die responsive Eigenschaft eines entsprechenden Spacer-Polymers kann auch zur Erzielung einer hohen Öl- und Benzinabweisung von z.B. Schutzbekleidungen genutzt werden. Eine besondere Bedeutung besitzt die hohe Öl- und Benzinabweisung bei Schutzanzügen für die Polizei, Feuerwehr und das Militär, da bei entsprechenden Einsätzen die Brandgefahr die grösste Bedrohung ist. Während sich im ungequollene Spacer-Polymer einmal eingedrungenes Öl oder Benzin ungehindert verteilen kann, bildet das gequollene Spacerpolymer eine zweite, für Öl und Benzin nicht durchlässige Sperrschicht. Die Quellung der responsiven Spacer-Schicht erfolgt bereits durch die menschliche Transpiration, womit in diesem Fall die relative Luftfeuchtigkeit des körpernahen Klimas der Stimulus für die Ausbildung der gewünschten Funktion ist. Dieses Verhalten ist nach einer Trocknung des Schutzanzuges beliebig oft wiederholbar.
Neben der Barriere bildenden und der responsiven Polymerkomponente enthält eine erfindungsgemässe Funktionsschicht weitere Ingredienzien und bildet damit ein Multifunktionskomposit.
Vernetzer: Als Vernetzer werden Formaldehydharze insbesondere Melamin und Ethy- lenharnstoffderivate wie z.B. Knittex FEL (Huntsman), freie und blockierte Isocyanate wie z.B. Phobol XAN (Huntsman), Aziridinverbindungen wie z.B. XAMA 7 (flevo Chemie) und multifunktionelle Glycidylverbindungen wie z.B. Isobond GE 100 (Isochem) eingesetzt. Die massenmässigen Einsatzmengen variieren je nach Molekulargewicht und Reaktionsgruppengehalt des Vernetzerε im Bereich von 0.05 - 1.5%, vorzugsweise von 0.1 - 0.5% der Wirksubstanz, bezogen auf das Trockengewicht des auszurüstenden Textilguts.
Katalysatoren: Die Katalysatoren sind Reaktionssystem spezifisch auszuwählen. Im Fall von Formaldehydharzen aber auch beim Einsatz von Glycidylverbindungen werden Metallsalze und vorzugsweise Carbonsäuren eingesetzt. Typische Katalysatoren für Formaldehydharze sind Magnesiumchlorid, Aluminiumchlorhydrat, Zitronen- säure und Weinsäure. Die Einsatzmengen für Metallsalze in der Flotte betragen 1 - 25 g/l, vorzugsweise 5 - 15 g/l. Die in den Flotten einzustellenden Säurekonzentrationen liegen im Bereich von 0.1 - 10 g/l, vorzugsweise 0.5 - 4 g/l.
Beim Einsatz von Isocyanaten aber auch von Glycidylverbindungen gelangen Amine, bevorzugt tertiäre Amine wie z.B. 1 ,4-Diazabicyclo (2.2.2)octan (DABCO), Triethanol- amin, 1 ,2-Dimethylimidazol und Benzyldimethylamin (BDMA) zur Anwendung. Die Einsatzmengen betragen 0.5 - 15 g/l, vorzugsweise 2 - 10 g/l.
Mit den so beschriebenen Massnahmen wird eine neue Generation von Ausrüstungsverfahren realisiert, die entsprechend dem zugrunde liegenden bionischen Konzept zu einer verbesserten Feuchtigkeits- und Temperaturkontrolle durch körpernah getragene Textilien führt.
Beispiel 1 : Soil Release Funktionsschicht.
Dieses Beispiel betrifft die Herstellung einer Soil release Funktion auf Textilien, mit einer responsiv wirkenden Funktionskomponente, charakterisiert durch eine Abweisung hydrophiler und hydrophober Stoffe sowie durch eine gleichzeitig vorhandene gute Auswaschbarkeit allfälliger Schmutzreste.
Zur Herstellung von Schmutz abweisenden Hemden wird auf ein Garn gefärbtes Mischgewebe mit einem Quadratmetergewicht von 120 g, bestehend aus 70 % Polyester und 30 % Baumwolle, eine Soil release Flotten-Formulierung appliziert. Es handelt sich dabei um eine responsive Funktionsschicht, die einerseits Wasser und Öl abweisend ist und andererseits im Rahmen eines Waschprozesses gereinigt werden kann. Der Stimulus zur Schaltung der jeweiligen Funktion (abweisen oder mobilisieren) ist der Feuchtigkeitsgehalt der Funktionsschicht. Während bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt von ca. 8 %, bezogen auf das Trockengewicht der Ausrüstungsschicht diese eine hohe Wasser-, Öl- und Schmutzabweisung aufweist, tritt bei weiterer Erhöhung des Wassergehaltes (typischerweise in der Waschmaschine) eine starke Reduktion des abweisenden Charakters auf. Mit der Reduktion der Wasser-, Öl- und Schmutzabweisung dominiert zunehmend der hydrophile Charakter der Funktionsschicht, wodurch die Schmutzentfernung wesentlich erleichtert wird. Die anschliessende Trocknung des Kleidungsstücks führt wieder zum ursprünglichen Zustand, mit der hohen Wasser-, Öl- und Schmutzabweisung. Die Herstellung der Funktionsschicht erfolgt durch die Applikation einer alle Funktionskomponenten enthaltenden Flotte. Diese wird mittels eines Imprägnierprozesses mit einem Pick up von 65 % auf das Gewebe appliziert. Durch die anschliessende Trocknung des Gewebes bei ca. 120 0C und Kondensation bei 150 0C wird die Funktionsschicht waschfest auf dem Gewebe fixiert. Die Flottenformulierung ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Tab. 1 Flottenformulierung
Figure imgf000018_0001
Die nach der beschriebenen Methode ausgerüsteten Gewebe zeigen eine sehr gute Wasser-, Öl- und Schmutzabweisung, charakterisiert durch die Kontaktwinkel mit Wasser und Heptan (Tab. 2), sowie durch die Bewertung der Schmutzentfernung nach einer Waschoperation bei 40 0C (Tab. 3).
Tab. 2 Charakterisierung der Wasser- und Ölabweisung
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Tab. 3 Bewertung der Schmutzentferπung
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Die Bewertungsskala umfasst die Noten 1 - 5. Note 1 entspricht einem nicht sichtbaren Reinigungseffekt und Note 5 bedeutet vollständige Entfernbarkeit. Note 4 ist gleichbedeutend mit kaum sichtbaren Rückständen (Schmutzentfernung > 95 %). Anhand der Werte in den Tabellen 2 und 3 werden erfindungsgemäss die im trockenen Gewebezustand sehr gute Wasser-, Öl- und Schmutzabweisung und im Nasszustand des Gewebes, die gute Reinigungsmöglichkeit des Gewebes durch das responsive Funktionsverhalten sowie die Waschbeständigkeit der Funktionsschicht demonstriert.
Beispiel 2: Kombination der Soil Release mit einer antimikrobiellen Funktion. Dieses Beispiel betrifft die Herstellung einer multifunktionellen responsiven Funktionsschicht, die eine antimikrobielle Wirkung mit einer hydrophilen oder hydrophoben Funktion vereinigt, wobei die antimikrobielle Funktion durch einen äusseren Stimulus ein- und ausschaltbar ist.
Um den hohen Funktionsstandard von Arbeitsbekleidung im Gesundheitswesen (Krankenhaus, Arztpraxen etc.) gerecht zu werden, ist das entsprechende Textilgut mit einer kombinierten Soil release/ antimikrobiellen Funktion auszurüsten. Es handelt sich um ein Polyestergewebe mit einem Quadratmetergewicht von 160 g. Die Herstellung der Funktionsschicht erfolgt zweistufig. Im ersten Applikationsprozess wird das responsive und antimikrobielle Funktionskomposit appliziert (Tab. 4) und im zweiten Schritt erfolgt die Applikation der Membranschicht. Die Aufbringung der responsiv/ antimikrobiell wirkenden Schicht erfolgt mittels eines Foulardprozesses (Tab. 5). Der resultierende Pick up beträgt 45 %, bezogen auf das Trockengewicht des Gewebes. Der nach der Foulardierung erfolgende Trocknungsprozess wird so geführt, dass die resultierende Restfeuchtigkeit auf dem Gewebe nach diesem Verfahrensschritt 20-25 % beträgt.
Im zweiten Schritt wird die Membranschicht ebenfalls mit einem Imprägnierungsprozess aufgebracht. Der Pick up der das Membrankomposit enthaltenden Flotte beträgt 30 %. Die nachfolgende Trocknung wird bei 120 0C durchgeführt, gefolgt vom Kondensations- prozess, mit einer Temperatureinstellung von 150 0C.
Tab. 4 Flottenformulierung des ersten Applikationsschrittes (responsiv und antimikro- biell).
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Tab. 5 Flottenformulierung des zweiten Applikationsschritts (Membranformuiierung)
Figure imgf000020_0002
Tab. 6 Charakterisierung der Wasser- und Ölabweisung
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Tab. 7 Bewertung der Schmutzentfernung
Figure imgf000021_0002
Die beschriebene Ausrüstung zeigt aufgrund ihres responsiven Funktionsverhaltens im Trockenzustand des Gewebes eine waschresistente, hohe Wasser-, Öl- und Schmutzabweisung und im Nasszustand die hervorragende Auswaschbarkeit von Verschmutzungen sowie die erwünschte antimikrobielle Funktion nach fünfzig Wäschen bei 40 0C. Die speziell in dieser Ausrüstung vorhandene gute Reinigungsmöglichkeit ist üblicherweise bei mit Fluorkarbonharzen hydrophobierten Geweben nicht gegeben. Die antimikrobielle Wirkung, die im polaren, responsiven Polymer lokalisiert ist, entfaltet sich mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt. Im Wasser freien oder Wasser armen Zustand der Funktionsschicht ist ein Bakterienbefall ohnehin kaum möglich. Die Schichtcharakterisierung erfolgt durch die Bestimmung der Kontaktwinkel mit Wasser/Alkohollösungen im ungewaschenen Zustand und nach 50 Wäschen (Tab. 6) sowie durch einen Anschmutztest mit verschiedenen Substanzen (Tab. 7). Beispiel 3: Feuchtigkeitstransport und Temperatur regulierende Ausrüstung. Dieses Beispiel betrifft eine responsive, ausrüstungsbasierte Funktionsschicht auf Textilien, die Schicht intrinsisch sowohl den Feuchtigkeitstransport als auch die Wärmeregulierung umfasst. Die heutigen Anforderungen an moderne Sportunterwäsche beinhalten neben dem angenehmen Tragegefühl, das im Wesentlichen vom Feuchtigkeitstransport bestimmt wird, auch die antimikrobielle Funktion. Eine zusätzlich erwünschte Funktion ist die Wärmeregulierung, die heute über das Fasermaterial und die Gewirkkonstruktion sowie allenfalls mit dem Einsatz von Phase-Change Materials (PCM) realisiert wird. Erfindungsgemäss wird in diesem Ausrüstungsbeispiel die Wärme regulierende Wirkung durch den Einsatz von einem Responsiv-Komposit erzielt. Ein Gewirk bestehend aus 80 % Polyester, 15 % Baumwolle und 5 % Elastanfaser- material wird einstufig mit einer die Funktionskomponenten enthaltenden Flottenformulierung imprägniert (Tab. 8). Durch die Applikation eines responsiv wirkenden Komposits dessen wasserspeichende Funktion durch die Temperatur geregelt wird, resultiert eine permanente Wärmeregulierung im Unterschied zu Phase-Change Materials.
Die Flottenappiikation erfolgt mittels einer Foulard Passage mit anschliessender Quetschung, Trocknung des Gewebes und Kondensation zur waschpermanenten Fixierung der Funktionsschicht auf dem Textilgut. Der Flottenauftrag beträgt 72 %. Die Trocknung wird bei 110 - 1200C und die Kondensation bei 150 - 1600C durchgeführt. Die Kriterien zur Bewertung der Funktionen sind der Kontaktwinkel mit Wasser, die antimikrobielle Wirkung und die Wasserspeicherung durch das responsive Komposit mit der damit verbundenen Wasserabgabe. Die Schichtcharakterisierung erfolgt im ungewaschenen Zustand sowie nach 10 Wäschen, die bei 40 0C durchgeführt wurden (Tab. 9). Die Flottenformulierung ist nachfolgend aufgeführt. Tab. 8 Flottenformulierung
Figure imgf000023_0001
Tab. 9 Charakterisierung der Funktionsschicht im ungewaschenen Zustand und nach 10 Wäschen.
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(1) Test Methode: Japanese lndustrial Standard JIS L 1902
Die Werte der Tabelle 9 zeigen deutlich das mit steigender Temperatur abnehmende Wasserspeichervermögen der reponsiven Funktionsschicht und der damit einhergehenden zunehmenden Wasserverdunstung, die dem System Wärme entzieht. Erfindungs- gemäss ist dies auf das responsive Verhalten der Funktionsschicht zurückzuführen. Dies ist eine unmittelbare Folge der bei erhöhter Körpertemperatur eintretenden De- hydratation des responsiven Polymers.
Der bakterielle Test zeigt, dass eine permanent hohe antimikrobielle Funktion vorhanden ist und somit eine Geruchsbildung auch bei starker Transpiration nicht gegeben ist. Der Kontaktwinkel mit Wasser liegt über 90 °, womit die Bildung einer nassen Schicht auf der Körperseite des Textils ausgeschlossen, jedoch der Wassertransport über die Gasphase ungehindert möglich ist. Durch die Kombination der drei Funktionen (Feuchtigkeitstransport, Wärmeregulierung, antimikrobieller Effekt) wird auch bei wechselnden Tragebedingungen auf dem Körper ein äusserst angenehmes Tragegefühl vermittelt. Beispiel 4: Körpertemperatur regulierende Ausrüstung von Sportbekleidung. Mit diesem Beispiel wird eine responsive Ausrüstungsschicht auf Textilien, insbesondere für Sportbekleidung beschrieben. Sie dient der Regelung der Körpertemperatur auf der Basis der Wassersorption und -desorption. Mit der Wasserdesorp- tion aus der Funktionsschicht wird die Verdunstungsrate erhöht, in deren Folge dem Körper Wärme entzogen wird. Die externen Stimuli für das responsive Verhalten der Funktionsschicht sind die Temperatur und der Elektrolytgehalt des vom Körper abgegebenen Wassers (Schweiss). Während bei Normalbelastung der vom Körper abgegebene Schweiss vornehmlich als Wasserdampf transportiert und von der Ausrüstungsschicht teilweise sorbiert wird, tritt bei sportlicher Tätigkeit eine Mischphase aus Schweissflüssigkeit und Wasserdampf auf. Sowohl die erhöhte Temperatur (ca. 300C) als auch der Elektrolytgehalt der Schweissflüssigkeit führen zur Kontraktion und Kräuselung des Responsivpolymers mit der damit verbundenen 'Freisetzung' des sorbierten Wassers.
Die zu diesem Zweck eingesetzten Polymere sind zum einen Block- oder statistische Polymere auf Polyethylenoxid Basis, die zusätzlich anionische Endgruppen aufweisen und zum anderen Produktmischungen, wobei eines der Produkte nichtionogener und das andere ionogener (anionisch oder kationisch) Natur ist.
Ein Gewebe bestehend aus 92 % Polyester und 8 % Elastan wird mit einer die Funktionspolymere enthaltenden Flotte imprägniert (Tab. 10). Die Anwesenheit der/des Funktionspolymere (62 % nichtionogen, 38 % anionisch bezogen auf die Gesamtpolymermasse) in der Ausrüstungsschicht führt zur Regelung der Körpertemperatur, wobei durch die erhöhte Wasserabgabe ab ca. 28 0C eine kühlende Wirkung erfolgt. Die Flottenapplikation und die Fertigstellung der Ausrüstung erfolgt mit konventioneller Technik (imprägnieren, trocknen und kondensieren). Der Flottenauftrag beträgt 48 % bezogen auf das Trockengewicht des Gewebes.
Die Trocknung wird bei 100 - 12O 0C und die Fixierung der Ausrüstungsschicht auf dem Textilsubstrat bei 150 - 160 0C durchgeführt.
Die Charakterisierung der Funktionsschicht erfolgt durch die Erfassung der Wassersorption bei unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlichem Elektrolytgehalt des Wassers. Die Fiottenformulierung und Testergebnisse sind in den Tabellen 10 und 11 aufgeführt.
Tab. 10 Flottenformulierung
_Flottenkomponente j Funktion ! Firma I Konz. g/l
Respond I : Responsiv Polymer j HeiQ 75
Phobol XAN | Vernetzer ERBA 8
Fumexol WDN Netzmittel : ERBA 1
Prodotto 175 ; Fluorkarbonharz HeiQ 10 JEssjgsäure ' pH-Einstellung Fluka 1
Tab. 11 Charakterisierungsergebnisse der Funktionsschicht
Wassersorption (1) Temp. ungewaschen 5x gewaschen 40 0C 0C q H2O/g TS (2> g H2O/g TS <2>
Deionisiertes Wasser 25 11.70 7.30 Deionisiertes Wasser 40 : 0.63 1.12
Kochsalzlösung 1 %ig 25 , 13.41 9.12 Kochsalzlösung 1 %ig 40 ! 0.44 0.95
(1 ) Die Wassersorption wurde mit der Perkolationsmethode bestimmt (O. Marte, U. Meyer, Neue Testverfahren zur Bewertung hydrophober und superhydrophober Ausrüstungen, Melliand Textilberichte 10/2006)
(2) TS := Trockensubstanz der Ausrüstungsschicht
Die in Tabelle 11 aufgeführten Testergebnisse zeigen die hohe Wasseraufnahme der Ausrüstungsschicht bei 25 0C und die im Verhältnis zu 25 0C deutlich niedrigere Wasseraufnahme bei 40 0C. Dieser Effekt (Freisetzung des vormals sorbierten Wassers), in Kombination mit der Wasserverdunstung, ist für die kühlende Wirkung der beschriebenen Ausrüstung auf Sportbekleidung verantwortlich. Ein Vergleich der Sorptionswerte mit reinem Wasser und jenen mit einer physiologischen Kochsalzlösung zeigen, dass die Wassersorption und -abgäbe durch Elektrolyte gesteigert und somit die kühlende Wirkung verstärkt werden kann. Die aufgeführten Beispiele sind vielfältig und in keiner Weise abschliessend. So kann die Erzielung einer stärkeren Ölabweisung im Vergleich mit heutigen, auf Fluorkarbonharz basierenden, Wasser- und Öl abweisenden Ausrüstungen, durch den Einsatz einer auf das Gesamtsystem responsiv wirkenden Komponente erfolgen, die ebenfalls mit einer antimikrobiellen Ausrüstung gekoppelt wird. Im Weiteren kann die Abweisung flüssiger und/oder als Aerosol vorhandener Schmutzstoffe bei gleichzeitiger Absorption gasförmig in das Substrat eingedrungener Geruchstoffe und deren Wiederauswaschbarkeit, basierend auf der responsiven Wirkung des Gesamtsystems erfolgen.
Oder die Herstellung einer multifunktionellen, responsiven Funktionsschicht, die eine antistatische Wirkung mit einer hydrophilen oder hydrophoben Funktion vereinigt, wobei die antistatische Funktion durch einen äusseren Stimulus ein- und ausschaltbar ist.
Verwendungen finden die erfindungsgemässen responsiven Funktionsschichten in Arbeits- und Schutzbekleidungen, wie z.B. im Krankenhaus, bei Feuerwehr, Polizei, Militär, Forstämtem und in der Lebensmitteltechnologie.
Im Weiteren für Sportswear, z.B. Outdoor-Bekleidungen als Jacken, Hosen, Kopfbedeckungen, und als hautnah atmungsaktiv getragene Bekleidungsstücke wie Shirts, Hosen und Trainer. Ferner als Unterwäsche, z.B. Thermounterwäsche mit einem zusätzlichen antimikrobiellen Effekt.
Weiter Verwendungen sind Tücher, Tischtücher, Zeltplanen, Folien, Bettwäsche oder eine Verwendung als Wasserkollektor.

Claims

Patentansprüche
1. Multifunktionelle responsive Funktionsschicht auf einem Substrat, einer festen Oberfläche, insbesondere Textilien, Papier und Kunststoffmaterialien, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine erste und mindestens eine zweite Funktionskomponenten (1 , 2) aufweist, wovon mindestens eine zweite Funktionskomponente (2) die chemisch-funktionelle und konstitutionelle Voraussetzung für ein responsives Verhalten bzw. ein responsive Eigenschaft aufweist und damit durch einen äusseren Stimulus reversibel schaltbar ist, dass sich die mindestens zwei Funktionskomponenten (1 , 2) in ihren intrinsisch vorgegebenen Eigenschaften unterscheiden, dass die in der Funktionsschicht ( 5, 51) vorliegenden Funktionskomponenten (1 , 2) sich bezüglich ihrer Eigenschaften in der Funktionsschicht kooperativ verhalten und dass mindestens eine der Funktionskomponenten (1 , 2) auf dem Substrat (3) physikalisch-chemisch verbunden vorliegt.
2. Funktionsschicht nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die responsive Eigenschaft der Funktionsschicht (5) erst durch die Kombination von mindestens einer ersten und zweiten Funktionskomponenten (1 , 2) vorgegeben ist.
3. Funktionsschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ersten Funktionskomponenten (1) und eine der zweiten Funktionskomponenten (2) als Spacerschicht ausgebildet ist.
4. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Funktionskomponenten (1 , 2) nebeneinander auf dem Substrat (3) vorliegen und dass durch den Entzug von Wasser eine Mischungslücke entsteht, die zur Bildung von Wasser transportierenden Polymerbrücken führt.
5. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch mechanische Kräfte im Bereich von 10"7 Newton (N) bis zu mehreren Newton (N), durch elektromagnetische Strahlung unterschiedlichster Spektralbereiche und deren Stärke schaltbar ist.
6. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch physikalische und/ oder chemische, Schicht extrinsische Faktoren wie Temperatur, pH-Wert, elektrische Ladung, Feuchtigkeit, die lonenstärke einer Elektrolytlösung oder Polymeroberfläche schaltbar ist.
7. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Stimulus Stress, Temperatur, Öl- und Chemikalienkontakt ist.
8. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionskomponente (2) mit der responsiven Eigenschaft als Spacerschicht auf dem Substrat (3) physikalisch-chemisch verbunden vorliegt, dass an der zweiten Funktionskomponente (2) die erste Funktionskomponente (1 ) als hydrophobe Barriereschicht physikalisch-chemisch fixiert vorliegt, wodurch die Funktionsschicht (5) zwischen dem Substrat (3) und der ersten Funktionskomponente (1 ) einen Wasserspeicher bildet.
9. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Funktionskomponente (2) ein responsives Polymer aus der Gruppe der Polyethylenoxid- und Polypropylenoxid-Derivate sowie deren Copolymeri- sate oder aus der Gruppe der ethoxylierten und propoxylierten Polysaccharide, der Polyacrylamide oder Polyacrylate, der Polyelektrolyte insbesondere ionische Polysaccharide, Acrylamide oder Acrylate ist.
10. Funktionsschicht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzmenge des responsiven Polymers 0.05 - 5.0%, vorzugsweise 0.1 - 2.0% der Wirksubstanz, bezogen auf das Trockengewicht des auszurüstenden Textilguts, beträgt.
11. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einbau von Nano- und/oder Mikropartikeln in die Funktionsschicht (5) diese einen Lotus-Effekt oder einen Petal-Effekt Schicht intrinsisch aufweist, wobei die Feuchtigkeit bzw. der entsprechende Wassergehalt der Funktionsschicht (5) den Trigger zur Schaltung der jeweiligen Funktion bzw. Eigenschaft bildet.
12. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Funktion Feuchtigkeitstransport, Wärmetransport, Soil release, Hydrophobie, Oleophobie oder eine Kombination davon ist.
13. Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionskomponente (2) einen antistatischen Effekt oder einen antimikro- biellen Effekt aufweist.
14. Verwendung der Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 13 für Arbeits- und Schutzbekleidungen.
15. Verwendung der Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 13 für Sportbekleidungen, Outdoor-Bekleidungen und Unterwäsche.
16. Verwendung der Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 13 als Wasserkollektor.
17. Verfahren zur Herstellung einer multifunktionellen responsiven Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Funktionskomponenten (1 , 2) in einer einzigen Flotte vorgelegt und auf das Substrat (3) appliziert werden, dass das beaufschlagte Substrat in ein Trocknungsaggregat geführt wird, wo die Ausbildung der responsiven Funktionsschicht (5) erfolgt, dass diese physikalisch-chemisch auf dem Substrat fixiert wird und dass dadurch eine responsive Funktionsschicht (5) in einem einstufigen Vorgang erzeugt wird.
18. Verfahren zur Herstellung einer multifunktionellen responsiven Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Funktionskomponente (2) auf das Substrat (3) zweiseitig appliziert wird und eine responsive Spacerschicht bildet, dass danach die erste Funktionskomponente (1 ) zweiseitig aufgetragen wird, dass das zweistufig beaufschlagte Substrat in ein Trocknungsaggregat geführt wird, wo die Ausbildung der responsiven Funktionsschicht (5) erfolgt und diese physikalisch-chemisch auf dem Substrat fixiert wird und dass dadurch eine responsive Funktionsschicht (5) auf beiden Seiten des Substrates (3) in einem zweistufigen Vorgang erzeugt wird.
19. Verfahren zur Herstellung einer multifunktionellen responsiven Funktionsschicht nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Funktionskomponente (2) auf das Substrat (3) zweiseitig appliziert wird und eine responsive Spacerschicht bildet, dass danach die erste Funktionskomponente (1) nur einseitig aufgetragen wird, dass das zweistufig beaufschlagte Substrat in ein Trocknungsaggregat geführt wird, wo die Ausbildung der responsiven Funktionsschicht (5) erfolgt und diese physikalisch-chemisch auf dem Substrat fixiert wird und dass dadurch eine responsive Funktionsschicht (5) auf nur einer Seite des Substrates (3) in einem zweistufigen Vorgang erzeugt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass den Funktionskomponenten (1 , 2) Vemetzer und/oder Katalysatoren zugefügt werden, wodurch ein Multifunktionskomposit gebildet wird.
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