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Bundesministerium für Bildung und Forschung
Zusammenfassender Abschlussbericht zum Verbundprojekt
SUBSTITUTION VON CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN DURCH NATÜRLICHE EINSATZSTOFFE
BMBF-FKZ: 01 RK 9619, 9620/1 und 9621/4
durchgeführt von:
Dipl.-Ing (FH) Andrea Mayr, Dipl.-Ing (FH) Bernd Gosolits, Petra Klein, Prof. Dipl.-Ing. Josef Kurz
Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein e.V.
Schloss Hohenstein · D-74357 Bönnigheim
in Zusammenarbeit mit
Manfred Zott
BÖWE Garment Care Systems GmbH
Rumplerstraße 2 · D-86159 Augsburg
und
Dipl.-Ing Hans Müller
BIO-Ingenieurtechnik GmbH
Hans-Weigel-Straße 2 · D-04439 Engelsdorf
Projektkoordinator: Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein (BPI)
BÖWE
Bio-Ingenieurtechnik GmbH
Garment Care Systems
Juni 2000
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
Substitution von chlorhaltigen Lösemitteln durch natürliche Einsatzstoffe
Beginn: 01.08.1997
Ende: 31.12.1999
Zusammenfassender Abschlussbericht
zum Verbundprojekt
Substitution von chlorhaltigen
Lösemitteln durch
natürliche Einsatzstoffe
BMBF-FKZ: 01 RK 9619, 9620/1 und 9621/4
durchgeführt von:
Dipl.-Ing (FH) Andrea Mayr, Dipl.-Ing (FH) Bernd Gosolits, Petra Klein,
Prof. Dipl.-Ing. Josef Kurz
Schloss Hohenstein · D-74357 Bönnigheim
in Zusammenarbeit mit
Manfred Zott
Rumplerstraße 2 · D-86159 Augsburg
und
Dipl.-Ing Hans Müller
Hans-Weigel-Straße 2 · D-04439 Engelsdorf
Projektkoordinator: Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein (BPI)
Projektkoordinator
Schloss Hohenstein, 74357 Bönnigheim
Verbundpartner
BÖWE Garment Systems GmbH
Rumplerstraße 2, 86159 Augsburg
Dipl.-Ing. Manfred Zott
Hans-Weigel-Straße 2, 04439 Engelsdorf
Dipl.-Ing. Hans Müller
Projektträgerschaft
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Projektträger des BMBF, Südstraße 125, 53175 Bonn
Berichtsblatt
1. ISDN
2. Berichtsart
---
Schlussbericht
Final
Report
4. Titel des Berichts
Substitution von chlorhaltigen Lösemitteln durch natürliche Einsatzstoffe
6. Abschlußdatum des Vorhabens
5. Autor(en) (Name, Vorname)
31.12.1999
Mayr, Andrea; Gosolits, Bernd; Klein, Petra; Kurz, Josef
7. Veröffentlichungsdatum
Juni 2000
9. Ber.Nr. Durchführende Institution
8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)
--
Schloss Hohenstein, D - 74357 Bönnigheim (TV 1)
10. Förderkennzeichen
FK 01 RK 9619, 9620/1, 9621/4
Hans-Weigel-Straße 2, D-04439 Engelsdorf (TV 2)
11. Seitenzahl
63
Rumplerstraße 2, D -86159 Augsburg (TV 3)
12. Literaturangaben
13. Fördernde Institution (Name, Adresse)
14. Tabellen
13 + 6
11
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Heinemannstraße 2
D - 53170 Bonn
15. Abbildungen
61
16. Zusätzliche Angaben
keine
17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)
Projektträger des BMBF Südstraße 125
53175 Bonn
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18. Kurzfassung
Das Ziel dieses Verbundvorhabens war die Erforschung von komprimiertem Kohlendioxid als Lösemittel für die
Textilreinigung.
Im Rahmen dieses Verbundvorhabens wurde für flüssiges Kohlendioxid eine Prototyp-Textilreinigungsmaschine
entwickelt, in welcher die Funktionen von herkömmlichen, etablierten Textilreinigungsmaschinen mit der Hochdrucktechnologie kombiniert wurden. Für diese Prototyp-Maschine wurden Reinigungsverfahren entwickelt, mit
deren Hilfe die Untersuchungen zur Beständigkeit von Textilien, Färbungen, Drucken und Ausrüstungen sowie
Zutaten wie Knöpfe, Reißverschlüsse, Pailletten und Fixiereinlagen durchgeführt wurden. Diese Arbeiten haben
gezeigt, dass sowohl die textilen Fasern als auch die konfektionierten Textilien bei einer Reinigung in komprimiertem CO2 keiner erhöhten Schädigung unterliegen. Lediglich für einige wenige nichttextile Zutaten, wie
Polyesterknöpfe oder Pailletten, wurde eine Beeinträchtigung der Oberflächenqualität nachgewiesen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Verbundvorhabens lag in der Erforschung des Schmutzentfernungsvermögens
von komprimiertem Kohlendioxid. Hier konnte durch die Forschungsergebnisse nachgewiesen werden, dass
komprimiertes Kohlendioxid ein hohes Reinigungsvermögen für unpolare Schmutzkomponenten wie Fette und
Öle besitzt und die Schmutzentfernung heutigen Reinigungsprozessen in Tetrachlorethen entspricht.
Für Pigmente und polare (wasserlösliche und wasserquellbare) Substanzen wie Salze und Proteine kann allein
durch komprimiertem Kohlendioxid keine ausreichende Reinigungswirkung erzielt werden, weshalb hier die
Entwicklung von Tensidsystemen dringend notwendig ist, damit flüssiges Kohlendioxid eine gleichwertige Alternative zu Tetrachlorethen darstellen kann.
19. Schlagwörter
Hochdrucktechnologie Perchlorethylen
Textilreinigung Lösemittel Prototyp-Maschine
rethen
komprimiertes Kohlendioxid
Textilbeständigkeit Schmutzentfernung
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Tetrachlo-
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20. Verlag
BPI Hohenstein e.V., Schloss Hohenstein, D - 74357 Bönnigheim
21. Preis
DM 50,- zuzüglich MWSt,
Porto und Verpackung
BMFT-Vordr. 3831/08 86
Document Control Sheet
1. ISBN
2. Type of Report
---
3.
FinalReport
Report
Final
4. Titel of Report
Substituting natural substances for solvents containing chlorine
6. End of Project
5. Author(s) (Family Name, First Name(s))
31.12.1999
Mayr, Andrea; Gosolits, Bernd; Klein, Petra; Kurz, Josef
7. Publication Date
8. Performing Organisation(s) (Name, Address)
June 2000
9. Originator's Report No.
8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)
Schloss Hohenstein, D - 74357 Bönnigheim (part 1)
10. Reference No.
Hans-Weigel-Straße 2, D-04439 Engelsdorf (part 2)
11. No. of Pages
--
FK 01 RK 9619, 9620/1, 9621/4
63
Rumplerstraße 2, D -86159 Augsburg (part 3)
12. No. of References
13 + 6
13. Sponsoring Agency (Name, Address)
14. No. of Tables
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Heinemannstraße 2
D - 53170 Bonn
11
15. No. of Figures
61
16. Supplementary Notes
not applicable
17. Presented at (Title, Place, Date)
Projektträger des BMBF Südstraße 125
53175 Bonn
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18. Abstract
The purpose of this joint project was to study the use of compressed carbon dioxide as a solvent in textile
cleaning.
As part of the project, a prototype textile cleaning machine for liquid carbon dioxide was developed which
combines the functions of conventional, established cleaning machines with high-pressure technology.
Cleaning methods were developed for this prototype to enable the successful testing of the fastness of
textiles, colourings, prints and finishes, as well as findings (e. g. buttons, zips, sequins and fusible interlinings).
Research has shown that neither fibres nor ready-made textiles suffer any increased damage when being
cleaned in compressed CO2. A slight deterioration in the surface quality of a very small number of non-textile
findings, such as polyester buttons or sequins, is the only adverse effect to be detected.
Another major focus of this joint project was research into the soil removal capacity of compressed carbon
dioxide. Research results proved that compressed carbon dioxide has high cleaning efficiency when used
on non-polarised soiling, such as fats and oils, and is comparable with the soil removal achieved in current
cleaning processes using tetrachloroethylene. For pigments and polarised substances (water-soluble and
water-swellable ones, such as salts and proteins) it is impossible to achieve an adequate cleaning effect
using compressed carbon dioxide. It is therefore urgently necessary to develop related surfactant systems, so
that liquid carbon dioxide is able to provide an equivalent alternative to tetrachloroethylene.
19. Keywords
Textile cleaning Solvents Prototype machine High-pressure technology Perchloroethylene
ro-ethylene
Compressed carbon dioxide
Textile fastness Soil removal
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Tetrachlo-
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20. Publisher
BPI Hohenstein e.V., Schloss Hohenstein, D - 74357 Bönnigheim
21. Price
DEM 50,- plus VAT, dispatch and packing
BMFT-Vordr. 3831/08 86
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Inhaltsverzeichnis
Seite
1.
Ausgangssituation und Ziel des Forschungsvorhabens ........................................ 01
2.
Stand der Wissenschaft und Technik ....................................................................... 03
2.1 Lösemittel in der T
extilr
Textilr
extilreinigung
einigung ............................................................. 0 3
2.1.1 Japan .......................................................................................................... 03
2.1.2 USA und Kanada ........................................................................................ 04
2.1.3 Frankreich, Italien, Großbritannien, Niederlande ........................................ 06
2.1.4 Deutschland ............................................................................................... 06
2.2 Komprimier
tes Kohlendioxid als Lösemittel ............................................ 07
Komprimiertes
2.2.1 Definition Bedeutung und Eigenschaften von Kohlendioxid....................... 07
2.2.2 Gewinnung, Lagerung und Transport von CO2 .......................................... 09
2.2.3 Anwendungen ............................................................................................ 10
3.
Entwicklung einer Reinigungstechnologie für Textilien ......................................... 11
3.1 Entwicklung einer Reinigungsmaschine ................................................. 11
3.1.1 Vorarbeiten .................................................................................................. 11
3.1.2 Aufbau der Prototyp-Maschine ................................................................... 12
3.2 Entwicklung eines Steuerungs-Systems für die Prototyp-Maschine ...... 17
3.3 Entwicklung von Filtrationsver
fahr
en ...................................................... 19
Filtrationsverfahr
fahren
4.
Textiltechnologische Forschungsarbeiten ............................................................... 21
4.1 Beständigkeitsprüfungen ........................................................................ 21
4.1.1 Beständigkeit von Fasern und Textilien ...................................................... 22
4.1.1.1 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen ........................22
4.1.1.2 Prüfung der Maßbeständigkeiten .....................................................22
4.1.2 Beständigkeit von Lederimitaten ................................................................ 25
4.1.3 Beständigkeit von Wetterschutztextilien mit Membranen ........................... 28
4.1.4 Beständigkeit von Färbungen, Drucken, Ausrüstungen ............................ 31
4.1.4.1 Beständigkeit von Färbungen ......................................................... 31
4.1.4.2 Beständigkeit von Drucken ............................................................ 39
4.1.4.3 Beständigkeit von hydrophoben Ausrüstungen ............................. 40
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
4.1.5 Beständigkeit von Zutaten .......................................................................... 41
4.1.5.1 Beständigkeit von Fixiereinlagen ..................................................... 41
4.1.5.2 Beständigkeit von Knöpfen .............................................................. 42
4.1.5.3 Beständigkeit von Pailletten ............................................................. 44
4.1.5.4 Beständigkeit von Reißverschlüssen .............................................. 44
4.2 Schmutzentfer
nung in komprimier
tem Kohlendioxid ...........................45
Schmutzentfernung
komprimiertem
4.2.1 Ablösung von unpolaren Schmutzkomponenten .........................................47
4.2.2 Ablösung von polaren Schmutzkomponenten ........................................... 48
4.2.3 Ablösung von Pigmentschmutz .................................................................. 51
5.
Zusammenfassung und Bewertung .......................................................................... 55
6.
Danksagung ................................................................................................................ 59
7.
Literatur ....................................................................................................................... 61
8.
Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................. 63
Anhang 1: Mustertafeln 1-8
Anhang 2: CD-ROM "Textilreinigung in komprimiertem Kohlendioxid"
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
1.
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Ausgangssituation und Ziel des
Forschungsvorhabens
Bereits im Jahre 1820 wurde in Frankreich von
Jolly Belin die Reinigung von Textilien in organischen Lösemitteln entwickelt.
Im Laufe der Jahrzehnte wurden die eingesetzten Lösemittel bis heute immer wieder verändert und weiterentwickelt und die MaschinenTechnologie an die veränderten Lösemittel angepasst. In den frühen zwanziger Jahren wurde
Tetrachlorethen (auch als Perchlorethylen oder
kurz als Per bezeichnet) für die Textilreinigung
entdeckt. Da es im Gegensatz zu den damals
gebräuchlichen Lösemitteln nicht brennbar war,
konnte sich Tetrachlorethen rasch etablieren und
wurde zum bedeutendsten Lösemittel in der Textilreinigung. In den achtziger Jahren erreichte die
Verwendung von Tetrachlorethen in der Textil-
reinigung mengenmäßig ihren Höhepunkt. Nach
Angaben der European Chlorinated
Solvent Association (ECSA) betrug 1995 der Tetrachlorethen-Verbrauch der TextilreinigungsBranche in Westeuropa noch etwa
60.000 t/a [1]. Weltweit sind etwa 140.000 t als
jährlicher Verbrauch anzusetzen. Der Marktanteil von Tetrachlorethen als Lösemittel in der Textilreinigung beträgt heute weltweit noch immer
95 %, in Deutschland immerhin noch ca. 65 %.
Aufgrund ökologischer und humantoxikologischer Bedenken steht Tetrachlorethen seit vielen Jahren als Lösemittel in der Diskussion [2].
Daher wird seit längerer Zeit international nach
alternativen Lösemitteln und Reinigungsverfahren für die Textilreinigung gesucht [3-8].
Anwendungszeitraum der verschiedener Lösemittel in der
Textilreinigung in Deutschland
FCKW 11
FCKW 113 (bis 31.12.92)
Trichlorethylen
Perchlorethylen
KWL
Schwerbenzin
Tetrachlorkohlenstoff
Leichtbenzin
Benzol
Nassreinigung
1900
´10
´20
´30
´40
´50
´60
´70
´80
´90
2000
Jahr
m/folien/kurz/co2forum.ppt/ak, Folie Nr.1
Abbildung 1: Wandel der Lösemittel in der deutschen Textilreinigung
BPI HOHENSTEIN
Seite 1
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Die seit den fünfziger und sechziger Jahren in
der Textilreinigung als Lösemitteln eingesetzten
FCKW wurden in Deutschland in den neunziger Jahren verboten, da sie zur Zerstörung der
Ozonschicht der Erde beitragen.
Als Ersatz für diese FCKW-Lösemittel wurden
nun in den neunziger Jahren die sogenannten
Kohlenwasserstofflösemittel (KWL) in Deutschland eingeführt. Sie besitzen heute einen Marktanteil von ca. 15 %. Da die Kohlenwasserstofflösemittel brennbar sind, als Volatile Organic Compounds (VOC) in die Atmosphäre gelangen können und hier durch die Bildung von Photooxidantien wie z.B. Ozon oder Peroxyacetylnitrat zum
sogenannten Sommersmog beitragen, besitzt
dieses Alternativ-Lösemittel ebenfalls anwendungstechnische und ökologische Nachteile.
Seit Mitte der neunziger Jahre wurde komprimiertes, d.h. verflüssigtes oder überkritisches
Kohlendioxid (CO2) verstärkt als Extraktionsmittel für Lebensmittel wie Kaffee oder Tee sowie
bei der Reinigung von Leiterplatten eingesetzt
[9-12]. In diesen zum Teil sehr erfolgreichen Anwendungen hat sich gezeigt, dass komprimiertes Kohlendioxid wesentliche Vorteile gegenüber
den herkömmlichen, zum Teil halogenhaltigen
Extraktions- und Lösemittel besitzt.
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es
daher, die Eignung von komprimiertem Kohlendioxid als Lösemittel in der Textilreinigung zu
erforschen.
Seite 2
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Dies bedeutet, dass eine Maschinentechnologie entwickelt werden muss, mit deren Hilfe die
Reinigung von Textilien durchgeführt werden
kann. Ein zentrales Ziel dieses Vorhabens ist daher die Entwicklung einer Prototyp-Textilreinigungsmaschine, in welcher die Merkmale und
Funktionen von herkömmlichen, etablierten Textilreinigungsmaschinen und der Hochdrucktechnologie kombiniert werden.
Darüber hinaus muss die Beständigkeit der textilen Fasern, Färbungen, Textilausrüstungen und
Textilzutaten wie Knöpfe, Reißverschlüsse und
Pailletten geprüft und die Reinigungswirkung für
unterschiedliche Schmutzkomponenten systematisch erforscht werden.
Die Ergebnisse dieser grundlegenden Untersuchungen an der Prototyp-Textilreinigungsmaschine sind die Basis für die Beurteilung der Einsetzbarkeit von komprimiertem Kohlendioxid als
Lösemittel in der Textilreinigung. Sie sind damit
die Voraussetzung für die Substitution des chlorhaltigen organischen Lösemittels Tetrachlorethen gegen ökologisch neutrales Kohlendioxid.
Das Lösemittel Kohlendioxid gilt als ökologisch
neutral, da es nicht extra für diese Anwendung
hergestellt wird, sondern bei industriellen Prozesses in großen Mengen als Nebenprodukt
entsteht bzw. aus naturlichen Quellen gewonnen wird.
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
2.
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Lösemittel in der Textilreinigung
Wie bereits in Kapitel 1 dargestellt, wurden in
der Vergangenheit unterschiedliche organische
Lösemittel in der Textilreinigung verwendet. Heute werden weltweit nahezu ausschließlich Tetrachlorethen und KWL-Lösemittel zur Textilreinigung eingesetzt. Die Textilreinigung mit Wasser, die sogenannte Nassreinigung, bei der unter besonders textilschonenden Bedingungen
das Textil gereinigt wird, die nicht mit den Bedingungen im Waschprozess zu vergleichen
sind, konnte sich ebenfalls in einigen Ländern
als Ergänzung, weniger als Alternative zur herkömmlichen Textilreinigung mit organischen
Lösemitteln, etablieren.
In diesem Kapitel sind in einem aktuellen Vergleich die unterschiedlichen Techniken, die derzeit in der Textilreingung Anwendung finden,
zusammengestellt.
2.1.1 Japan
Im Vergleich zu den westlichen Ländern nimmt
Japan eine Sonderstellung ein. In Japan beträgt
der KWL-Lösemittelanteil ca. 75 % und liegt
damit weltweit an der Spitze in der Anwendung
von Kohlenwasserstofflösemitteln in der Textilreinigung.
dings eingeführten KWL auf Basis von Isoparaffinen, sondern dem klassischen White Spirit,
einem Lösemittel, das hier in Deutschland als
Leichtbenzin mit einem Flammpunkt unter 55 °
eingestuft werden würde. Mit ca. 12% Tetrachlorethen am Gesamtlösemittelverbrauch hat Japan den geringsten Anteil an nicht-brennbaren
Lösemitteln in der Welt. FCKW spielen nur eine
untergeordnete Rolle.
Das klassische brennbare Lösemittel White
Spirit (Abb. 3) wird in Japan vorwiegend in Umlademaschinen eingesetzt, d.h. der Reinigungsvorgang ist vom Trocknungsvorgang getrennt.
Vom ökologischen Standpunkt aus liegt der Lösemittelverlust dieser klassischen Umlademaschinen weit über dem Niveau der innovativen
KWL-Maschinen. Die klassischen Anlagen haben einen Verlust von ca. 20 %. Die neuen Dryto-dry-Maschinen verbrauchen unter 1 % KWL,
bezogen auf das Gewicht der gereinigten Kleidung. Die Ursache dieses hohen Lösemittelverlusts der klassischen Umlademaschinen ist allerdings nicht in der grundsätzlichen Technologie des Umladeverfahrens begründet, sondern
in der meist fehlenden Rückgewinnungseinrichtung in den Trocknern.
Japan
Dies liegt daran, dass Japan, wie auch alle anderen Länder, mit brennbaren Lösemitteln begonnen hat, aber den Umstieg in die Technik der
unbrennbaren Lösemittel bis zur Mitte dieses
Jahrhunderts nicht vollzogen hat.
Nach dem zweiten Weltkrieg kamen dann durch
den internationalen Handelsverkehr auch unbrennbare Lösemittel nach Japan, die jedoch bis
heute noch in der Minderheit sind.
Nassreinigung
Per
White Spirit
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Menge gereinigter Textilien in %
Das in Japan gebräuchliche brennbare Lösemittel entspricht nicht den in Deutschland neuer-
BPI HOHENSTEIN
Abbildung 2:
Marktanteile der verschiedenen Lösemittel in Japan
Seite 3
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Weltweit angewandte Kohlenwasserstofflösemittel
Die heutigen Kohlenwasserstoffe unterscheiden sich in der Verteilung der Kettenlängen bzw. der
Verzweigungen der jeweiligen C-Atome-Homologen.
White Spirit:
Flammpunkt:
45.0°C (FP 113°F)
Siedebereich,Boiling Range:
150 - 200°C (302 - 392°F)
Aromaten: 20 %
60
40
20
HCS Shellsol TK:
Flammpunkt:
59°C (FP 138.2°F)
187 - 209°C (369 - 408°F)
Aromaten: < 0,01 %
60
40
20
0
%
HCS Total TDC 3:
Flammpunkt:
59.0°C (FP 138.2°F)
182 - 195°C (360 - 383°F)
Aromaten :
< 0,01 %
60
40
20
0
HCS Actrel 3356 D:
Flammpunkt :
56.0°C (FP 132.8°F)
184 - 200°C (363 - 392)°F
Aromaten: < 0,01 %
60
40
20
0
8
HOHENSTEINER
INSTITUTE
9
10
11
12
Anzahl Kohlenstoffatome im Molekül
Signifikant niedrigerer
Flammpunkt als
anderen
gebräuchlichen KWL
Alle 3
KohlenwasserstoffLösemittel sind
Isoparaffine. Im
Flammpunkt
unterscheiden sich
Shellsol TK und Total
TDC 3 nicht, Actrel
weist aufgrund des
hohen Anteil an C 10Ketten einen etwas
niedrigeren
Flammpunkt auf. Der
Aromatengehalt liegt
mit 0,1% weit unter den
von White Spirit mit
20%.
Klassifizierung
Abbildung 3: Überblick über die unterschiedlichen Varianten der Kohlenwasserstofflösemittel
Die in der Minderheit befindlichen japanischen
KWL-Maschinen entsprechen genauso dem
deutschen Standard mit Verbrauchswerten unter 1 %. Werden im Umladeverfahren sogenannte Rückgewinnungstrockner eingesetzt, liegen
die Lösemittelverluste unter 2 %.
Bei Tetrachlorethen sind behördliche Minimierungsstrategien verordnet. FCKW darf weiterhin verwendet werden. Der Anteil liegt aber weit
unter 5 %. Insgesamt ist Japan dabei, die umweltrelevanten Lösemittelemissionen durch konkrete Maßnahmen nachhaltig zu reduzieren.
Die neue CO2-Technolgie stößt in Japan auf Interesse, aber im Hinblick auf die ökonomische
Situation auf große Skepsis. Japan ist sicherlich nicht der Markt, in dem sich eine neue CO2Technolgie in der Textilreinigung erfolgreich einführen lässt.
Seite 4
2.1.2 USA und Kanada
Die USA/Kanada nehmen eine Mittelstellung
zwischen Japan und Europa in der Art ein, dass
sie wie alle anderen Länder mit brennbaren Lösemitteln um die Jahrhundertwende angefangen
haben, dann jedoch nach dem 2. Weltkrieg konsequent auf unbrennbare Lösemittel umgestiegen sind.
Der Anteil an White Spirit ist seit Jahren ziemlich konstant, so dass sich in den USA eine ausgewogene Co-Existenz zwischen Tetrachlorethen und White Spirit entwickelt hat. Die White
Spirit-Maschinen sind vorwiegend Transfermaschinen, d.h. Reinigungs- und Trocknungseinheit sind getrennt. Im Gegensatz zu Japan hat
man in den USA bereits vor Jahrzehnten begonnen, die Trocknungseinheiten mit einer Rück-
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
gewinnungseinheit auszurüsten, so dass die
Lösemittelverluste in White Spirit drastisch gesenkt werden konnten. Sie liegen in der Größenordnung von 2% bis 5% bezogen auf das Gewicht der gereinigten Ware.
Die Tetrachlorethen-Maschinen entsprechen
weitestgehend dem europäischen Standard. Der
ursprünglich nur in den USA übliche Typ der
Transfermaschinen mit Tetrachlorethen ist zahlenmässig rückläufig. Üblich sind die Dry-to-DryMaschinen. Die US-amerikanischen und die kanadischen Regulierungen lehnen sich im Prinzip an die deutschen Vorschriften an. Seit der
Einführung des Clean-Air-Act ist der Verlust an
Perchlorethylen in den USA und Kanada deutlich zurückgegangen.
KWL-Lösemittel im Sinne von Isoparaffinen
spielen in den USA/Kanada zur Zeit nur eine
untergeordnete Rolle. Dies hängt zum einen mit
den stringenten Sicherheitsvorschriften amerikanischer/kanadischer feuerpolizeilicher Behörden zusammen, aber auch mit der Erkenntnis,
dass in Bezug auf die bilanzierte Umweltbelastung das KWL keine signifikanten Vorteile gegenüber Tetrachlorethen aufweist.
In den USA/Kanada hat das FCKW113 nie eine
größere Rolle gespielt. Zwar wurden in der hohen Zeit der FCKW-Anwendung in Deutschland
USA/Kanada
Nassreinigung
Per
White Spirit
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
M enge gereinigter Textilien in %
Abbildung 4: Marktanteile der verschiedenen Lösemittel in USA und Kanada
BPI HOHENSTEIN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
in den achtziger Jahren auch FCKW-Maschinen
installiert, doch war dies nur ein kurzes Intervall.
In den USA entstehen zur Zeit neue, von der
übrigen Welt abgekoppelte Initiativen zur Substitution von Tetrachlorethen durch Glycolether
bzw. Methylcyclosiloxanen.
Glycolether sind 1996 als sogenanntes Drop-inLösemittel für Tetrachlorethen auf dem Markt
angekündigt worden. Damit ist zumindest in einigen Ländern die Hoffnung geweckt worden,
dass es möglich sein könnte, in den bisherigen
Per-Maschinen ein chlorfreies Lösemittel einzufüllen, um dann umweltgerecht reinigen zu können. Zwar sind die Diskussionen über die Zukunft dieser Perspektiven in den USA noch in
vollem Gange, doch aus der Sicht der deutschen
Gesetzgebung kann jetzt schon mit Sicherheit
gesagt werden, dass die Glycolether in Deutschland als brennbare Lösemittel eingestuft werden
und ihre Verwendung nur in KWL-Maschinen
erlaubt wird, wobei es noch zu klären sein wird,
ob nicht sogar die Klassifizierung nach III A erforderlich ist, die noch restriktiver als für KWL
wäre. Der Marktanteil an Glycolether ist zur Zeit
absolut vernachlässigbar.
Methylcyclosiloxane sind in Deutschland bereits
vor 12 Jahren als mögliche Alternativen zu Tetrachlorethen eingehend untersucht und getestet
worden - so auch in den Hohensteiner Instituten. Die Substanz ist brennbar und ähnlich klassifiziert wie Isoparaffin (KWL). Neben der begrenzten Reinigungswirkung ist die Trennung
von Wasser und Lösemittel problematisch, da
die spezifischen Gewichte von Cyclosiloxanen
und Wasser sehr eng beieinander liegen. Die
Marktbedeutung ist zur Zeit in den USA noch
klein. Cyclosiloxane dürfen auch dort nur in
KWL-Maschinen verwendet werden. Die Toxizität dieses Lösemittels ist ebenfalls noch nicht
vollständig geklärt. Zumindest Octamethylcyclotetrasiloxan (D4) wird als potentiell teratogen eingestuft. Kommerzielle Methylcyclosiloxane enthalten aber nach Herstellerangaben diese Komponente nicht.
Seite 5
SUBSTITUTION VON
2.1.3
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Frankreich, Italien,
Großbritannien, Niederlande
Alle vier Länder haben einen außergewöhnlichen
Einklang in der Entwicklung der TetrachlorethenVerwendung. Mit ca. 95 % liegen diese Länder
weltweit an der Spitze. In diesen vier Ländern
besteht auch ein ziemlicher Einklang bezüglich
der Verwendung von KWL, dass nämlich so gut
wie keine Akzeptanz dieses Lösemittels vorhanden ist.
Auch bei der Nassreinigung besteht Übereinstimmung. Mit weniger als 5 % hat diese Technologie nur eine untergeordnete Bedeutung.
Nicht ganz konform ist die Verwendung von
FCKW 113 verlaufen. Hier hat Großbritannien
deutlich mehr Reinigungsmaschinen betrieben
als die anderen Länder. Doch in den letzten Jahren ging auch dort die FCKW-Verwendung deutlich zurück.
DURCH NATÜRLICHE
2.1.4
EINSATZSTOFFE
Deutschland
Was nachfolgend für Deutschland aufgeführt
wird, gilt auch für Österreich und die Schweiz,
ist aber nicht deckungsgleich (Abbildung 6).
Vergleicht man die deutschen Zahlen mit den
anderen Ländern, so fallen einige Besonderheiten auf: In Europa liegt Deutschland mit einem
prozentualen Tetrachlorethen-Verbrauch von ca.
65 % weit hinter den europäischen Ländern zurück. Der Grund dafür ist zum einen in dem allgemeinen Umweltbewusstsein, zum anderen in
der deutschen Gesetzgebung für die Textilreinigung zu sehen.
Deutschland
Nassreinigung
Per
Kohlenwasserstofflösemittel KWL
Italien, Frankreich, Großbritannien, Niederlande
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
M enge gereinigter Textilien in %
Nassreinigung
Per
Abbildung 6: Marktanteile der verschiedenen Lösemittel in Deutschland
White Spirit/KWL
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Europäischer Vergleich
90 100
NASSREINIGUNG
Deutschland
Europa*
PERCHLORETHYLEN
Abbildung 5: Marktanteile der verschiedenen Lösemittel in Italien, Frankreich, Großbritannien und Niederlande
Deutschland
Europa*
KOHLENWASSERSTOFFE
Deutschland
Europa*
In allen Ländern hat sich in den letzten 5 Jahren
die Maschinentechnik weiterentwickelt, was in
entsprechenden Einsparungen an Tetrachlorethen abzulesen ist. Besonders strenge Regelungen gelten in den Niederlanden.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
*Italien, Frankreich, Großbritannien, Niederlande
Abbildung 7: Vergleich der deutschen Situation mit
Westeuropa
Seite 6
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
In der zweiten Bundes-Immissionsschutzverordnung (2. BImSchV) wurden zwei verschiedene Schutzziele festgelegt:
- weltweite Atmosphäre (globales Schutzziel)
- Nachbarschaftsräume (lokales Schutzziel)
Für das globale Schutzziel, d.h. den Eintrag (Immission) in die Atmosphäre werden die Emissionen von Tetrachlorethen pro Reinigungsmaschine begrenzt. Dafür sind Grenzwerte (2 g
Tetrachlorethen/m3 Luft in der Maschinentrommel) und dazugehörige Rahmenbedingungen
festgelegt. Dies ist ähnlich auch in den anderen
Industrieländern geschehen. Diese Vorschriften
sind mit neuester Maschinentechnik einzuhalten und werden auch eingehalten.
Die lokale Immissionsbegrenzung in Nachbarschaftsräumen, seien diese Räume bewohnt
oder nur als Lagerräume benutzt, ist in der stringenten Form nirgends sonst auf der Welt anzutreffen. Hier ist nämlich festgelegt, dass die
Nachbarschaftsräume von Textilreinigungen einen Grenzwert von 0,1 ml Tetrachlorethen/m3
Luft nicht übersteigen dürfen. Der Betreiber der
Textilreinigung hat durch geeignete Schutzmaßnahmen sicherzustellen, dass der gesetzliche
Grenzwert nicht überschritten wird.
Der deutsche Textilreiniger ist durch diese Vorgaben vor ein ernsthaftes Problem gestellt, welches sich in etwa so definieren lässt: es müssen geeignete Schutzmaßnahmen durchgeführt
werden, doch kann der Textilreiniger nicht kontrollieren, ob das Schutzziel, nämlich die Begrenzung der Tetrachlorethen-Konzentrationen unter 0,1 mg/m3, in Nachbarräumen erreicht wird.
Da es sich um fremde Räume handelt, kann er
auch die Konzentration an Tetrachlorethen in der
Luft der Nachbarräume nicht messen. Der Textilreiniger lebt ständig in der Ungewissheit, ob
nicht der Nachbarraum über dem Grenzwert
belastet ist.
Verständlicherweise suchten die deutschen
Textilreiniger nach Abhilfen und die haben sie in
der KWL-Technologie gefunden. Mit ca.
15 % KWL-Anteil nimmt Deutschland in der
BPI HOHENSTEIN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Verwendung von brennbaren Lösemitteln nach
Japan den zweiten Platz ein, obwohl in Deutschland erst seit ca. 5 Jahren die Kohlenwasserstofflösemittel richtig Fuß fassen konnten.
Es muss hier noch einmal betont werden, dass
diese Hinwendung zum KWL auf die lokalen
Schutzziele der deutschen Gesetzgebung zurückzuführen sind und nicht auf eine gezielte
Verringerung an Tetrachlorethen-Immissionen in
die Atmosphäre.
Mit der Nassreinigung sind in Deutschland diejenigen Artikel aus der Lösemittelbehandlung
verschwunden, die aus fachlichen Gründen besser in wässrigen Systemen gesäubert werden
können als in Lösemitteln. Der Umweltschutzgedanke hat dabei vielleicht mitgespielt, war aber
nicht die ausschlaggebende Ursache.
2.2 Komprimiertes Kohlendioxid als
Lösemittel [13]
2.2.1 Definition, Bedeutung und Eigenschaften von Kohlendioxid
Kohlendioxid, chemische Formel CO2, ist unter
Umgebungsbedingungen eine gasförmige Substanz. In Anlehnung an dessen Verwendung in
der Getränkeindustrie wird CO2 oft auch als Kohlensäure bezeichnet.
Kohlendioxid ist an der Atmosphäre mit rund 350
ppm mit steigender Tendenz beteiligt, was etwa
einer Menge von 2.300 x 109 t entspricht.
Kohlendioxid ist eines der wenigen technischen
Gase, das in technisch relativ einfach zu beherrschenden Temperatur- und Druckbereichen
sowohl in den festen als auch in den flüssigen,
gasförmigen und überkritischen Zustand gebracht werden kann (Abb. 8). Alle vier Zustände
werden seit langem in großem Umfang technisch
genutzt.
Seit etwa 8 Jahren werden Verfahren zur Reinigung von Bauteilen und Textilien in flüssigem
bzw. überkritischem CO2 entwickelt.
Seite 7
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Die Viskosität, die Oberflächenspannung und die
Dichte sind im Druckbereich bis 70 bar deutlich
kleiner als bei den ebenfalls aufgeführten herkömmlichen Lösungsmitteln (siehe Tab. 1). Die
sehr geringe Viskosität und Oberflächenspannung des komprimierten Kohlendioxids wirkt
sich bei einem Reinigungsprozess sicherlich
positiv aus, da das Lösemittel auch in kleinste
Poren eindringen kann. Die geringe Dichte des
komprimierten Kohlendioxids wirkt sich hingegen negativ auf den Reinigungsprozess aus, da
die Reinigungsmechanik mit abnehmender Dichte des Lösemittels geringer wird.
Ein wichtiger Vorteil für die Textilreinigung ist,
dass CO2 nicht brennbar und ungiftig ist. Allerdings ist bei ausströmendem Kohlendioxid insofern ein Gefahrenpotential vorhanden, da Luft
und damit der Sauerstoff durch das schwerere
Kohlendioxid verdrängt wird. Werte über 7 Vol.% in der Atemluft führen zu Sauerstoffmangel
der bis zur Bewusstlosigkeit führen kann.
Eine ausreichende Lüftung, verbunden mit einem CO2 -Sensor, bieten jedoch hinreichende
Sicherheit.
Wie bekannt ist, hängt das Reinigungsergebnis
u.a. auch von dem Lösungsverhalten der Reinigungsflüssigkeit ab. Während überkritisches
CO2 im Zusammenhang mit der Extraktion sehr
eingehend hinsichtlich des Lösungsverhalten
untersucht wurde (siehe Abb.9 ), sind zum flüssigen Zustand noch unzureichend konkrete Ergebnisse, (vor allem zu den typischen Textilverschmutzungen wie Fette, Eiweiße) vorhanden.
EINSATZSTOFFE
DURCH NATÜRLICHE
Interessant ist natürlich auch das System Kohlendioxid/Wasser, denn im realen Reinigungsprozess wird immer eine gewisse Menge FeuchWichtige Eigenschaften von CO2
Farbe im Gaszustand
farblos
Brandverhalten
nicht brennbar; bekannt als
Feuerlöschmittel
stabile Verbindung; bei
Reaktion unter
Raumtemperatur als Inertgas
normalen Bedingungen
einsetzbar
Verbindungen mit
Wasser
CO2 + H2O <=> H2CO3 (Kohlensäure)
vom gelösten CO2-Gas in Wasser
liegen ca. 0,1 % als Säure H2CO3
vor; pH-Wert wässriger CO2Lösungen bei Normaldruck: 3,7,
Grenz-pH-Wert bei Druckerhöhung:
3,3 => CO2 gut als
Neutralisationsmedium basischer
Lösungen geeignet
Geruch
geruchslos
Geschmack
neutral
Giftigkeit
nicht giftig; lebensmittelrechtich
zugelassen und deklarationsfrei
MAK-Wert
5.000 ml/m3 (ppm) als 8-StundenMittelwert; Spitzenbegrenzung: 3 mal
pro Schicht max. 10.000 ppm für
max. je 60 Min.
Medizinische
Anwendung
Inhalation von 3 bis 5 Vol.-% (30.000
bis 50.000 ppm) CO 2 im Atemgas
Auswirkungen höherer
CO2-Konzentration in
der Atemluft
Reizung des Atemzentrums bei
30.000 bis 50.000 ppm (5 bis 7 Vol%). Bewusstlosigkeit bei 70.000 bis
100.000 ppm (7 bis 10 Vol-%)
wegen Sauerstoffmangels
Physikalisch-chemische Eigenschaften von CO2
Chemische Formel
CO2 (Atombindung 0=C=0)
Molare Masse
M CO2 = 44,011 kg/kmol
Molares
Normvolumen
V mn = 22,263 m3/kmol
Kritische Temperatur
tcrit = 31 °C
Kritischer Druck
Pcrit = 73,83 bar
Kritische Dichte
Pcrit = 466 kg/m3
Sublimationspunkt
ts = 78,9 °C bei 0,981 bar
Tripelpunkt
tT = 56,6 °C bei 5,18 bar
Viskosität CO2 flüssig
0,056
(cpi)
Abbildung 8: Zustandsdiagramm von Kohlendioxid
Seite 8
Oberflächenspannung
CO2-flüssig
(mN/m)
5
Dichte CO2-flüssig
(g/ml)
0,7
Tabelle 1: Datensammlung CO2
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
tigkeit beteiligt sein. In diesem Zusammenhang
ist die hohe Löslichkeit des Wassers in CO2 von
Bedeutung (Abbildungen 10 und 11).
Direkt aus dem Zustandsdiagramm (Abb. 8 ) ist
eine weitere positive Eigenschaft des CO2 für
die Textilreinigung abzuleiten. Dadurch, dass die
Texilreinigung im Zweiphasengrenzgebiet flüssig/gasförmig üblicherweise stattfindet, ist es bei
CO2 sehr einfach möglich, durch eine geringe
Druckabsenkung das CO2 zu verdampfen und
so die Reinigungsflotte relativ einfach und energetisch günstig von den gelösten Stoffen und
Schmutzpartikeln zu trennen. Bei herkömmlichen Lösemitteln ist hier ein wesentlich größerer Aufwand zur Regeneration der Reinigungsflotte notwendig.
DURCH NATÜRLICHE
δ
EINSATZSTOFFE
3 1/2
(cal/cm )
D en sity
( g/cm
3
)
1,23 g/cm
3
0,9 g/cm
3
0,6 g/cm
3
Abbildung 9: Löslichkeitseigenschaften von Kohlendioxid
Da bei der Textilreinigung in komprimiertem
Kohlendioxid außerdem vollständig auf einen
herkömmlichen Trocknungsprozess verzichtet
werden kann, bietet dieses Lösemittel zusätzliches Potential hinsichtlich einer Energieeinsparung und kann zur Schonung des Reinigungsgutes beitragen.
2.2.2 Gewinnung, Lagerung und Transport von CO2
Kohlendioxid wird als technisches Gas aus zwei
unterschiedlichen Quellen gewonnen. Einmal
aus natürlichen Vorkommen, z.B. in Verbindung
mit Mineralbrunnen und sonstigen Lagerstätten
wie Erdgas, Erdöl. Zum anderen entstehen bei
vielen chemischen Prozessen, einschliesslich
der Verbrennung und Gärung, in großen Mengen CO2 als Abfallprodukt. Die bekanntesten,
wirtschaftlich genutzten Prozesse sind die Ammoniakproduktion und die Wasserstoffherstellung.
Abbildung 10: Löslichkeit von CO2 in Wasser
Sowohl das aus natürlichen Quellen gewonnene als auch das industriell erzeugte CO2 muss
vor der für die Abfüllung notwendigen Verflüssigung intensiv in mehreren Prozessstufen gereinigt und aufgearbeitet werden.
Abbildung 11: Löslichkeit von Wasser in flüssigem CO2
BPI HOHENSTEIN
Seite 9
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Die Lagerung und der Transport von CO2 erfolgt
im Phasengrenzbereich gasförmig/flüssig, d.h.
im Temperaturbereich zwischen – 30 und + 30
°C und den dazugehörigen Drücken von 12 und
80 bar. Wenn die üblichen “Kohlensäureflaschen” mit 40l Volumen (standardgemäß mit
grauer Farbe gekennzeichnet ) bzw. die Kombination von 12 Einzelflaschen zu einem Flaschenbündel für den Prozess nicht ausreichend ist,
werden größere Druckbehälter zur Lagerung und
zum Transport verwendet.
Die Abbildung 12 zeigt die verschiedenen BeIsolierungsart:
Behälterforrn:
nicht isoliert
isoliert (Vakuum-, Schaum-)
Kugel; Zylinder (stehend,
liegend)
Betriebsdruck:
- Niederdruckbehälter (immer isoliert)
Behälterdruck:
20 bis 22 bar
Arbeitsdruck:
15 bis 17 bar
Temperaturbereich: -30°C bis -25°C
Größe:
3 bis 4.000 t
Befüllung:
flüssig
Entnahme:
flüssig und gasförmig;
Verdampfer:
i.d.R. mit externem Verdampfer
- Mitteldruckbehälter (nicht isoliert)
Behälterdruck:
max. 80 bar
Größe:
1,1 / 2,4 / 5 / 10 t
Befüllung:
flüssig
Entnahme:
flüssig und gasförmig,
Verdampfer:
Verdampfung über Umgebungsenergie
Kühlung:
evtl. Wasserberieselung
- Hochdruckbehälter (nicht isoliert)
Behälterdruck:
max. 140 bar
Größe:
0,8 / 1,1 / 1,3 / 1,75 / 2 t
Befüllung:
flüssig
Entnahme:
flüssig und gasförmig;
Verdampfer:
getrennter Verdampfer,
evtl. mit innenliegender
Heizung
Kühlung:
evtl. Wasserberieselung
Abbildung 12: Behälter zur Lagerung von CO2
Seite 10
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
hälterarten, - größen und - formen. Die meisten
Behälter sind im Interesse einer konstanten Entnahmemenge auch bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen mit einem Verdampfer und/
oder einer innenliegenden Heizung ausgestattet. Bei extrem hohen Umgebungstemperaturen
lässt sich die Behälteraußenwand mit Wasser
abkühlen.
2.2.3 Anwendungen
Kohlendioxid ist eines derjenigen technischen
Gase mit den vielfältigsten Anwendung. In der
nachfolgenden Aufzählung sind nur die wichtigsten Anwendungsbereiche beispielhaft wiedergegeben.
Biologische Verfahren:
- Lebensmittelverpackung
- Getränkeabfüllung
- Obstlagerung
- Gewächshausbegasung
Chemische Verfahren:
- Neutralisation von Abwasser
- Trinkwasserbehandlung
- Kernhärtung in Gießereien
- Schweißtechnik
Physikalische Verfahren:
- Farbspritzen
- Schäumen von Kunststoffen
- Extrahieren von Lebensmitteln
- Kohlenstaubförderung
- Treibgas
- Feuerlöschen
- Kaltmahlen
- Schockgefrieren
- Hohlkörperblasen
- Oberflächenreinigen mit CO2-Pellets
- Reinigen von Textilien und Bauteilen
- Brandbekämpfung
Reinigungsverfahren:
Die Reinigungsverfahren für Textilien und Bauteile sowie Halbzeuge mit flüssigem bzw. überkritischem CO2 befinden sich in der Entwicklung.
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
3.
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
EINSATZSTOFFE
Entwicklung einer Reinigungstechnologie für
Textilien
3.1 Entwicklung einer Reinigungsmaschine
3.1.1
DURCH NATÜRLICHE
Vorarbeiten
Ein zentrales Ziel dieses Verbundvorhabens
bestand in der Entwicklung einer praxisgerechten Prototyp-Reinigungsmaschine zur Optimierung der Maschinentechnologie und der Prozessparameter. Für Entwicklung, Aufbau, Montage und Inbetriebnahme der Prototyp-Maschine wurde ein Zeitraum von ca. einem Jahr kalkuliert. Damit diese Vorlaufzeit bereits für erste
textiltechnologische Forschungsarbeiten genutzt
werden konnte, wurden zu Beginn dieses For-
schungsvorhabens die experimentellen Arbeiten
in separaten Hochdruck-Autoklaven und in einer
Pilotanlage durchgeführt, die von der Linde AG,
Höllriegelskreuth zur Verfügung gestellt wurde.
Die Pilotanlage der Linde AG besteht aus einer
Hochdruckkammer mit einer drehenden Trommel (Volumen ca. 50 Liter), einem Vorlagebehälter mit einem Volumen von 150 Liter und einem maximalen Druck von 100 bar und einem
Vorratsbehälter mit einem Volumen von 50 Liter, der auf einen Arbeitsdruck von max. 100 bar
ausgelegt ist. Über einen Kaltwasser- bzw.
Warmwasserspeichersatz erfolgt die Temperierung der Pilotanlage. Die Pilotanlage weist ein
Gesamtgewicht von ca. 4,5 t auf (Abb. 13).
Abbildung 13: Pilotanlage der Linde AG
BPI HOHENSTEIN
Seite 11
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
In der Trommel kann mit einem maximalen Arbeitsdruck von 163 bar und einer maximalen Arbeitstemperatur von 60 °C gearbeitet werden. Die
Pilotanlage ist daher so ausgelegt, dass sowohl
im flüssigen als auch im überkritischen Bereich
gearbeitet werden kann.Für die experimentellen
Arbeiten wurden von der Linde AG außerdem ein
Vorratstank für flüssiges Kohlendioxid zur Verfügung gestellt, über den die Pilotanlage und später auch die Prototyp-Maschine mit komprimiertem Kohlendioxid versorgt wurde.
Abbildung 14: Vorratstank für Flüssig-CO2
Zu Beginn des Verbundvorhabens erarbeiteten
die beiden Projektpartner BÖWE GCS und BioIngenieurtechnik eine Konzeption zum Aufbau
der Prototyp-Maschine. In dieser Konzeption
wurden die Funktionen und Eigenschaften einer
herkömmlichen Textilreinigungsmaschine mit
der für die CO2-Technologie notwendigen Hochdrucktechnolgie verschmolzen. Während
BÖWE GCS insbesondere für den reinigungstechnologischen Teil der Maschine verantwortlich zeichnete, war der Projektpartner Bio-Ingenieurtechnik für die Planung und Ausführung der
Hochdrucktechnolgie und Verfahrenstechnik verantwortlich. Die Fertigung der Hochdruckbehälter und der Spezialtüre der Reinigungsmaschine sowie die Montage der einzelnen Elemente
erfolgte im Unterauftrag durch die Siegfried Kempe, Apparate- und Behälterbau GmbH.
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Das Innenvolumen der Reinigungstrommel beträgt ca. 240 Liter. Der Druckbehälter um die
Reinigungstrommel ist als liegender Zylinder mit
innerer, korrosionsbeständiger Auskleidung hergestellt.
Die perforierte und mit Mitnehmerrippen bestückte Reinigungstrommel ist fliegend gelagert und
mittels gekammerter Rotordichtung abgedichtet. Der Trommelantrieb erfolgt über einen außenliegenden, frequenzgeregelten Motor mittels
Riemenantrieb.
Die optimale Drehzahl für den Reinigungsvorgang liegt im Bereich von 10-30 Umdrehungen
pro Minute. Ein Schleuderprozess bei Drehzahlen bis zu 400 Umdrehungen pro Minute (Beschleunigungsfaktor 60 g) ist ebenfalls möglich.
An der Außenwand der Druckkammer sind Anschlüsse für CO2-Zu- und Abführungen, Temperatur-, Druck- und Füllstandsmessungen sowie für weitere Messsonden angebracht.
Mit Hilfe eines ENRIMAT®-Schnellverschlusses
kann die Sicherheitstüre der Reinigungsmaschine innerhalb weniger Sekunden manuell geöffnet bzw druckfest verschlossen werden. Die
Schwenktüre ist mit einem Sicherheitssystem
verbunden, durch das sichergestellt ist, dass die
Türe nur zu öffen ist, wenn in der Reinigungstrommel selbst kein Überdruck herrscht.
Zur Beobachtung des Reinigungsvorganges ist
in der Verschlusstür ein Schauglas angebracht.
Als Werkstoffmaterial wurde für alle Teile, die
mit komprimiertem Kohlendioxid in Berührung
3.1.2 Aufbau der Prototyp-Maschine
Das Kernstück der Prototyp-Maschine bildet die
Reinigungstrommel.
Seite 12
Abbildung 15: geöffnete Druckkammer der Pilotanlage
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
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Abbildung 16: Prototyp-Reinigungsmaschine mit drehender Reinigungstrommel und geöffneter Schwenktür
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Abbildung 17: Arbeitstank und Reintank
Abbildung 18: Destillation (links) und Heizelement (rechts) der Prototyp-Maschine
kommen, Chromnickelstahl (vorzugsweise
WST-Nr. 1.4571) ausgewählt.
Die Abtrennung löslicher Schmutzanteile sowie
von zugesetzten Reinigungsverstärkern (z. B.
Tenside) erfolgt durch Destillation im warmwasser beheizten Destillationsbehälter.
BPI HOHENSTEIN
In der Destillation wird das CO2 verdampft, dabei verliert es seine Lösefähigkeit und der lösliche Schmutzanteil sowie die Reinigungsverstärker scheiden sich am Boden des Destillationsbehälters ab und können von dort periodisch
ausgeschleust werden. Das dampfförmige Koh-
Seite 13
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Abbildung 19: CO2-Umwälzpumpe
lendioxid aus dem Destillationsbehälter wird in
einem wassergekühlten Kondensator kondensiert und in einem Reintank zwischengelagert.
Für ein Zweibad-Verfahren steht ein zusätzlicher
Arbeitstank zur Verfügung (Abb. 17).
Zur Temperierung der Destillationseinheit dient
eine elektrisch betriebene Warmwasser- bzw.
Kaltwassereinheit, die zusätzlich auch zur Temperaturregulierung während des Reinigungsvorgangs dient. Hierfür sind im Inneren des Druckbehälters Rohrschlangen angebracht, durch die
warmes oder kaltes Wasser gepumpt werden
kann.
Zur Förderung von flüssigem CO2 aus den einzelnen Vorratsbehältern in die Reinigungstrommel oder zur Überführung der Reinigungsflotte
in die Destillation dient eine elektrisch angetrie-
Abbildung 20: Hilfsmittelpumpe für Tensiddosierung
Seite 14
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
bene Membranpumpe. Die Fördermenge beträgt
max. 1.000 kg/h und kann über Frequenzregelung zwischen 50% und 100% reguliert werden.
Zur Abtrennung von Pigmentschmutz aus der
Reinigungsflotte dient ein Kartuschenfilter (siehe Abb. 25). Das Filterelement trennt die während des Reinigungsprozesses abgelösten
Schmutzpartikel aus der Reinigungsflotte ab,
wodurch die Redeposition dieser Schmutzpartikel auf dem Reinigungsgut und damit eine Vergrauung des Reinigungsgutes vermieden werden soll.
Durch die Bestimmung des Druckabfalls kann
der richtige Zeitpunkt zum Austausch des Kartuschenfilters gemessen werden. Zur Abtrennung von Flusen und groben Partikeln ist vor dem
Pigmentfilter ein separates Flusensieb installiert.
An der Prototyp-Maschine ist bereits eine Hilfsmittelpumpe installiert, mit deren Hilfe zukünftige Reinigungsverstärker in den CO2-Strom dosiert werden können (Abb. 20).
Zur Minimierung des CO2-Bedarfs ist an der Prototyp-Maschine ein Rückgewinnungskompressor installiert, welcher das nach dem Abpumpen der Reinigungsflotte verbleibende gasförmige Kohlendioxid in der Reinigungstrommel
verdichtet und in den Destillationsbehälter bzw.
Reintank zurückführt. Die Kompression des gasförmigen CO2 erfolgt bis zu einem Restdruck in
der Reinigungstrommel von ca. 7 bar. Der Rückgewinnungskompressor ist unterhalb des CO2Vorratstank installiert (Abb. 14).
An allen zentralen Einrichtungen der PrototypMaschine werden die wichtigsten Prozessparameter erfasst (Temperatur, Druck, Füllstand,
Durchfluss) und von dem installierten Steuerungssytem verarbeitet. Die Bedienung der Anlage erfolgt mit Hilfe eines speziell für diesen Prototyp entwickelten Steuerungsprogramms über
manuelle Bildschirmsteuerung.
Das gefahrlose Betreiben der Anlage wird durch
eine interne Maschinen- und Ventilverriegelung
auf Basis von definierten Alarmwerten gewährleistet. Die Absicherung der einzelnen Maschinenelemente gegen unzulässige Drucke erfolgt
über den Anschluss an Sicherheitsleitungen, die
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Abbildung 21: Technische Skizze der Prototyp-Maschine
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Abbildung 22: Seitenansicht der Prototyp-Maschine
durch Sicherheitsventile abgesichert sind. Beim
Ansprechen der Sicherheitsventile erfolgt die gefahrlose Ableitung der Stoffströme ins Freie.
Die Konstruktion und Herstellung der Druckbehälter sowie Auswahl der Zusatzeinrichtungen
Seite 16
(Pumpen, Messwertaufnehmer, Sicherheitsventile) erfolgte nach den einschlägigen gesetzlichen Vorschriften (z. B. AD-Regelwerk, Druckbehälterverordnung, technische Regeln Druckbehälter, Unfallverhütungsvorschriften, Gerätesicherheitsgesetz).
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3.2. Entwicklung eines SteuerungsSystems für die Prototyp-Maschine
Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde vom
Projektpartner BÖWE GCS ein modulares
Steuerungssystem für die Prototyp-Maschine
mit der Bezeichnung "Carbo-Control " entwikkelt. Die wichtigsten Merkmale der Carbo-Control-Steuerung sind in Abbildung 23 dargestellt.
Über eine serielle Schnittstelle RS 232 ist der
Steuerungscomputer mit der Prototyp-Maschine verbunden. Durch ein "Carbo-Control-Interface" können mehrere Maschinen untereinander
vernetzt werden. Die Bedienung des Carbo-Control-Systems erfolgt über die Bildschirmoberfläche des Steuerungscomputers. Die Bedienungsoberfläche ist in Abbildung 24 wiedergegeben. In dem Prozessbild sind sämtliche Instrumente, Ventile, Leitungen und Behältnisse
schematich dargestellt. Durch das Anklicken der
Symbole werden die entsprechenden Bezeichnungen der einzelnen Elemente angezeigt und
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
es können die aktuellen Messwerte abgefragt
werden. Durch unterschiedliche Farben sind die
Zustände der einzelnen Elemente gekennzeichnet. Die Steuerung der einzelnen Ventile kann
über Mausklick erfolgen.
Das Steuerungssystem verfügt außerdem über
zusätzliche Funktionen. So sind ein Hilfemodus,
eine unterstützende Bedienerführung und ein
Kurzwahl-Tastensystem als Zusatzfunktionen
installiert. Über ein PC-Modem ist es möglich,
die Daten der Reinigungsmaschine über das öffentliche und interne Telefonnetz beispielsweise an den Hersteller weiterzuleiten. Der Hersteller kann dann anhand der übermittelten Daten
schnell Hilfe bei Problemen bieten und den Anwendern Unterstützung bei der Steuerung der
Anlage zukommen lassen. Außerdem können
durch das Carbo-Control-Steuerungssystem aktuelle Betriebsdaten und Fehlerstatistiken abgerufen werden. Auch eine vollständige Steuerung
der Reinigungsmaschine durch den Anlagenhersteller ist über PC-Modem möglich.
• PC-Programm auf Windows 95
• Bedienung, Menüführung und Fenstertechnik entsprechen dem WIN 95-Standard
• Datenaustausch zwischen Carbo-Control und PC erfolgt über die serielle Schnittstelle RS 232
• Darstellung des Prozessschemas der Maschine am PC
• Menge der anzeigbaren Daten im Prozessbild einstellbar
• Visualisierung des Prozessstandes der Maschine
❍ grafische Darstellung der Zustände der Aktoren
❍ grafische Darstellung der Zustände der Sensosren
❍ grafische Darstellung der Zustände der Leitungen
• Zustandsveränderung der Aktoren über grafische Bedienung am Prozessbild
• Anzeige von Fehlnummern, die von der Carbo-Control-Steuerung übertragen werden
Abbildung 23: Zentrale Merkmale der Carbo-Control-Steuerung
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EINSATZSTOFFE
Abbildung 24: Bildschirmoberfläche des Steuerungsprogramms zur Bedienung der Prototyp-Reinigungsmaschine
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3.3 Entwicklung von Filtrationsverfahren
Bei der Textilreinigung besteht immer die Gefahr, dass unlösliche Pigmente, die von der Textiloberfläche abgelöst wurden, sich wieder auf
den Textilien absetzen (Redeposition) und so
zu einer Vergrauung der Textilien führen. Tenside können der Reinigungsflotte ein gewisses
Schmutztragevermögen verleihen, in dem sie
die Pigmente in sogenannte Micellen einbinden.
Dennoch ist allein durch Tenside die Redeposition der Pigmente und damit die Vergrauung der
Textilien nicht zu verhindern. Daher ist es für die
Qualität des Reinigungsprozesses wichtig, die
abgelösten Pigmente rasch durch ein installiertes Filtersystem aus der Reinigungsflotte zu
entfernen. Hierfür wird das Lösemittel während
dem Reinigungsprozess kontinuierlich über ein
Filterelement im Kreislauf gepumpt.
In der Praxis haben sich zweistufige Filtersysteme bewährt. Die erste Stufe besteht aus einem
Grobfilter, in welchem Flusen und grobe
Schmutzpartikel, aber auch Fremdstoffe, abgetrennt werden. Diesem Grobfilter ist ein Feinfilter nachgeschaltet, welches für die Abtrennung
der Pigmente verantwortlich ist.
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Da die in der klassischen Textilreinigung eingesetzten Filter nur bis zu Drücken von 3 bar verwendet werden können, mussten in diesem
Forschungsvorhaben neue, druckbeständige
Filterelemente entwickelt und auf ihre Wirksamkeit überprüft werden.
Sowohl in der Pilotanlage als auch in der Prototyp-Anlage hat sich ein Kartuschenfilter zur Abtrennung der Pigmente bewährt. In der Pilotanlage wurde mit einer Filterkerze der Firma SATORIUS, Typ Sartorfluor II gearbeitet. Dieser
Filtertyp besitzt eine Porengröße von 0,2 µm und
eine Filterfläche von 0,2 m2. In der Prototyp-Maschine wurde ein Kartuschenfilter des Projektpartners BÖWE mit gutem Erfolg eingesetzt.
Die Standard Kombi-Kartusche aus Papier und
Kohle besitzt eine Aktivkohlefüllung von 1800 cm³
und eine Filterfläche von 3,5 m². Das Filterelement, welches in das druckfest gekapselte Gehäuse eingesetzt ist, wird von oben nach unten
mit Lösemittel durchströmt. Die Aufnahmefähigkeit des Filters wird mittels Druckdifferenzmessung festgestellt. Bei einem Anstieg der Druckdifferenz über einen zulässigen Grenzwert muss
das Kartuschenfilter ausgetauscht werden.
Für herkömmliche Reinigungsmaschinen existieren drei unterschiedliche Arten von Feinfiltern:
- Anschwemmfilter
- anschwemmfreie Schleuderfilter
- Kartuschenfilter.
Diese Filtersysteme bestehen im Prinzip aus drei
Teilen:
- Filtergehäuse
- Filterelement
- Filterschicht.
BPI HOHENSTEIN
Abbildung 25: Filterelement der Prototyp-Maschine
Seite 19
SUBSTITUTION VON
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CHLORHALTIGEN
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
4.
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Textiltechnologische Forschungsarbeiten
lendioxid erforscht. Hierfür wurden verschiedene Testschmutzgewebe, die mit unterschiedlichsten Schmutzkomponenten beladen waren,
in komprimiertem Kohlendioxid gereinigt und die
Schmutzentfernung quantitativ ausgewertet.
Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens
durchgeführten textiltechnologischen Forschungsarbeiten können in zwei unterschiedliche Schwerpunkte unterteilt werden:
Im ersten Arbeitsschwerpunkt wurde die Beständigkeit von textilen Fasern und Textilien sowie
von Lederimitate und konfektionierter Wetterschutzkleidung untersucht. Desweiteren wurden
die Beständigkeiten unterschiedlicher Färbungen, Drucken, Ausrüstungen und von Zutaten
wie Knöpfen, Reißverschlüssen, Pailletten und
Fixiereinlagen ermittelt.
4.1 Beständigkeitsprüfungen
Die Beständigkeitsprüfungen wurden sowohl an
der Pilotanlage als auch an der neu entwickelten Prototyp-Maschine durchgeführt. Die Reinigungsbedingungen waren bei beiden Systemen
weitgehend identisch, so dass die Resultate direkt miteinander verglichen werden können.
Die Reinigungsverfahren und -bedingungen, die
zur Erforschung der Beständigkeiten entwickelt
wurden, sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Im zweiten Schwerpunkt der textiltechnologischen Forschungsarbeiten wurde das Schmutzentfernungsvermögen von komprimiertem Koh-
Tabelle 2: Reinigungsbedingungen zur Prüfung der Beständigkeit und der Schmutzentfernung von Textilien,
Lederimitaten, Wetterschutzmaterialien und Zutaten
Lösemittel
Tetrachlorethen
ISO 3175-2/8.1
Maschinentyp
Komprimiertes CO2
ISO 3175-2/8.2
CO2 ohne Wasser
BÖWE P 520
CO2 mit Wasser
Prototyp
Trommelinhalt
200 l
200 l
ca. 240 l
ca. 240 l
Reinigungsverfahren
2-Bad-Verfahren
2-Bad-Verfahren
1-Bad-Verfahren
1-Bad-Verfahren
Beladeverhältnis
1 : 20
1 : 30
1 : 24
1 : 24
LösemittelTemperatur
30 °C ± 3 °C
30 °C ± 3 °C
15 °C
und 20 °C *
15 °C
Arbeitsdruck
ca. 1 bar
ca. 1 bar
ca. 60 bar
ca. 60 bar
Trocknung
60 °C / 30 min
50 °C / 30 min
--
--
Entspannungsvorgang
--
--
ca. 30 min
ca. 30 min
Reinigungsverstärkerzusatz
1 g/l
1 g/l
--
--
Wasserzusatz
2 % vom
Warengewicht
--
--
2 % vom
Warengewicht
* Bei der Prüfung der Beständigkeit von Färbungen und Drucken betrug die Lösemitteltemperatur 18 °C und 10 °C
BPI HOHENSTEIN
Seite 21
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
4.1.1 Beständigkeit von Fasern und textilen Flächengebilden
In dem Reinigungsgut, das in Textilreinigungen
behandelt wird, sind die unterschiedlichsten
Faserstoffe vertreten. Zur Prüfung der Beständigkeit von Fasern und des Verhaltens von textilen Flächengebilden wurde eine Auswahl der am
häufigsten vorkommenden und der empfindlichsten Materialien getroffen. In den nachfolgenden
Übersichten ist das gesamte Spektrum der Textilfasern dargestellt. Für die Untersuchungen im
Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die
Fasern ausgewählt, die in der Praxis der Textilreinigung häufig auftreten.
Naturfasern
Pflanzliche
Fasern
◆ Baumwolle
◆ Flachs
◆ Hanf
◆ Jute
◆ Ramie
◆ Manila
◆ Sisal
◆ Kapok
◆ Kokos
tierische Fasern
Wolle
Seide
◆ Merino
◆ Crossbred
◆ Cheviot
◆ Kamel
◆ Lama
◆ Alpaka
◆ Mohair
◆ Kaschmir
◆ Tibet
◆ Cashgora
◆ Angorakanin
◆ Maulbeerspinner
Mineralische
Fasern
◆ Asbest
◆ Tussah
Aus dem Bereich pflanzliche Fasern kommen
praktisch nur Baumwolle und Flachs in Betracht.
Bei den tierischen Fasern ist feine Wolle der
häufigste Faserstoff, gefolgt von Maulbeerspinnerseide. Die übrigen feinen Tierhaare sind in
Chemiefasern
pflanzliche
Herkunft
Latex
◆ Gummi
Seite 22
Celluloseregeneratfasern
◆ Cupro
◆ Acetat
◆ Triacetat
◆ Lyocell
◆ Viskose
◆ Modal
synthetische
Herkunft
anorganische
Herkunft
◆ Polyamid
◆ Polyester
◆ Polyacryl
◆ Polyethylen
◆ Polypropylen
◆ Polychlorid
◆ Modacryl
◆ Elasthan
◆ Glas
◆ Metall
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
den Eigenschaften mit Wolle vergleichbar. Mineralische Fasern werden für Bekleidung nicht
verarbeitet.
Aus der Gruppe der Chemiefasern kommen Viskose, Acetat, Polyamid, Polyester, Polyacryl und
Elasthan in der Oberbekleidung am häufigsten
vor.
4.1.1.1 Rasterelektronenmikroskopische
Untersuchungen
Zunächst wurden Textilien aus den unterschiedlichen Faserstoffen in komprimiertem CO2 gereinigt und vor und nach dem Reinigungsprozess visuell und mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) auf Beschädigung und Veränderung
untersucht. Bei der REM-Auswertung der Fasern
wurde insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit der gereinigten Fasern bewertet. In Abbildung 26 sind REM-Aufnahmen der wichtigsten
Faserarten nach der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid dargestellt.
Sowohl die visuelle als auch die rasterelektronenmikroskopische Auswertung der unterschiedlichen textilen Materialien (Baumwolle,
Leinen, Wolle, Seide, Viskose, Acetat, Polyamid,
Polyester, Polyacrylnitril, Elasthan) ergab keine
signifikante Veränderung der Faserstabilität und
Oberflächenbeschaffenheit, die auf das Reinigungsverfahren zurückzuführen wäre.
Der Warengriff hat sich durch die Behandlung
der Textilien in der Prototyp-Maschine ebenfalls
nicht signifikant verändert. Die leicht erhöhte
Knitterung der Textilien nach der Entnahme aus
der Reinigngsmaschine ist auf den hohen Arbeitsdruck von ca. 60 bar zurückzuführen.
4.1.1.2 Prüfung der Maßbeständigkeiten
Neben den optischen Prüfungen wurden auch
Untersuchungen zur Maßbeständigkeit an ausgewählten Textilien durchgeführt. Für die Prüfungen wurden Gewebe- und Maschenwaren in
chrarakteristischer Struktur ausgewählt. Aus den
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
1.500 x vergrößert
Baumwolle
REM-Aufnahmen
Leinen
REM-Aufnahmen
Wolle
REM-Aufnahmen
Seide
REM-Aufnahmen
Viskose
REM-Aufnahmen
Unbehandelt
Unbehandelt
Unbehandelt
Unbehandelt
Unbehandelt
1x gereinigt
1x gereinigt
1x gereinigt
1x gereinigt
1x gereinigt
Abbildung 26a: REM-Aufnahmen der in CO2 gereinigten Fasern
Acetat
REM-Aufnahmen
Polyamid
REM-Aufnahmen
REM-Aufnahmen
Polyester
Polyacrylnitril
REM-Aufnahmen
Elasthan
REM-Aufnahmen
Unbehandelt
1x gereinigt
1x gereinigt
1x gereinigt
1x gereinigt
Unbehandelt
1x gereinigt
Abbildung 26b: REM-Aufnahmen der in CO2 gereinigten Fasern
BPI HOHENSTEIN
Seite 23
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Bestimmung der Maßänderung
nach einem und nach drei Reinigungszyklen
1x behandelt
3x behandelt
-6
PerISO 3175-2/8.
1
-5
CO 2
-4
C O 2m it W asser
-3
-2
-1
0
ol
le
Vi
sk
os
e
Po
ly
es
te
r
Po
ly
ac
ry
l
W
Le
in
en
W
Vi
sk
os
e
Po
ly
es
te
r
Po
ly
ac
ry
Ba
l
um
wo
lle
Ba
um
ol
le
1
wo
lle
Le
in
en
Flächenschru m pf[%]
-7
Abbildung 27: Maßänderung ausgewählter Textilien nach der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid bzw.
Tetrachlorethen
ermittelten Ergebnissen lässt sich deshalb ein
Trend für das Verhalten der Textilien in den unterschiedlichen Lösemitteln ablesen.
Die Reinigungsbehandlung erfolgte in Tetrachlorethen gemäß ISO 8175-2/8.1. Die Behandlung
in komprimiertem CO 2 wurde mit und ohne
Wasserzusatz in der Prototyp-Anlage durchgeführt. Die Reinigungsbedingungen sind in Tabelle 2 detalliert wiedergegeben. Die ermittelte Maßänderung ist in Abbildung 27 dargestellt. Wie aus
dieser Abbildung deutlich wird, ist bei der Reinigung der Textilien in Tetrachlorethen eine signifikante höhere Maßänderung zu beobachten als
bei der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid. Dieser signifikante Unterschied ist im Wesentlichen auf die höhere mechanische Beanspruchung beim Trocknungsprozess des Tetrachlorethen-Reinigungsverfahrens zurückzuführen (siehe Kapitel 4.1.2).
Da bei Reinigungsverfahren mit komprimiertem
Kohlendioxid der Trocknungsprozess vollständig entfällt, resultiert hier eine deutlich geringere
Maßänderung. Eine Ausnahme bilden hier je-
Seite 24
doch Polyestergewebe, die bei CO2-Reinigungsverfahren eine ähnlich hohe Maßänderung aufweisen als bei herkömmlichen TetrachlorethenReinigungsverfahren.
Die Maßänderung in Tetrachlorethen liegen für
den Flächenschrumpf noch innerhalb der Toleranz. Bei der Reinigung in CO 2 wird die
tolerierbare Grenze deutlich unterschritten. Der
Zusatz von Wasser zu CO2 bewirkt bei dem in
Wasser quellbaren Fasern eine Zunahme des
Maßverlustes, doch liegen die Werte dennoch
weit unterhalb der tolerierbaren Grenze.
Da die anderen Textilfasern aufgrund ihres Faseraufbaus ein ähnliches Verhalten bei der Reinigung in verschiedenen Lösemitteln aufweisen,
können die für die ausgewählten Textilien ermittelten Werte auch auf andere Faserstoffe der
gleichen Gruppe übertragen werden. Die Auswirkung von unterschiedlichen Garn- und Gewebestrukturen spielt für das Krumpfverhalten eine
Rolle, hat aber bei Lösemitteln, die keine Faserquellung bewirken, die gleiche Auswirkung.
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
4.1.2 Beständigkeit von Lederimitaten
Die für die Untersuchungen verwendeten Velourslederimitate bestanden aus Mikrofaser-Wirbelvliesen aus Polyamid oder Polyester. Diese
Wirbelvliese sind mit Polyurethan verfestigt. Die
Velourslederimitate weisen ebenfalls einen weichen, geschmeidigen Griff und eine hohe Festigkeit auf (Abb. 28).
Lederimitate
Glattlederimitate
Velourslederimitate
❖ Trägermaterial (Gewebe,
Maschenware, Vlies)
❖ Beschichtung aus
Kunststoff;
oft Polyurethan
❖ weicher, geschmeidiger
Griff
❖ hohe Festigkeit
❖ Mikrofaserwirbelvliese
aus Polyamid oder
Polyester
❖ Verfestigung aus
Polyurethan
❖ weicher, geschmeidiger
Griff
❖ hohe Festigkeit
Mögl. Problembereiche Mögl. Problembereiche
❖ Polyurethanbeschichtung
Anquellung,
Ablösung
❖ Farbechtheit
❖ Polyurethanverfestigung
Anquellung,
Festigkeitsverlust
❖ Farbechtheit
Abbildung 28: Aufbau und Problemstellung bei Lederimitaten
Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde die
Maßänderung und Farbechtheit der Lederimitate untersucht, Außerdem wurde ermittelt, welchen Einfluss das Lösemittel Kohlendioxid auf
die Polyurethanbeschichtung ausübt und ob eine
Anquellung und Ablösung vom textilen Trägermaterial bzw. ein Festigkeitsverlust erfolgt.
BPI HOHENSTEIN
EINSATZSTOFFE
Lederimitate
Bestimmung der Maßänderung nach einer und drei Behandlungen
-FlächenschrumpfReinigen in flüssigem
CO2
-6
Maßänderung in %
Lederimitate bestehen aus einem textilen Trägermaterial und einer Beschichtung oder Verfestigung aus Polyurethan oder anderen Kunststoffen. Bei Glattlederimitaten kann das textile
Trägermaterial sowohl als Gewebe, als Maschenware oder auch als Vlies gefertigt sein. Auf
das Trägermaterial wird die Beschichtung meist
im Direktstreichverfahren oder im Transferverfahren aufgebracht. Die Glattlederimitate zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und einen
weichen, geschmeidigen Griff aus. Da für Bekleidungstextilien überwiegend Polyurethanbeschichtungen verwendet werden, wurden diese
Materialien für die Prüfungen ausgewählt.
DURCH NATÜRLICHE
Reinigen in Tetrachlorethen
ISO 3175-2/8.2
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7 1
2 3
4 5
6 7
Proben
= nach einer Behandlung
= nach 3 Behandlungen
Abbildung 29: Maßänderung der Lederimitate durch
den Reinigungsprozess
Wie aus den in Abbildung 29 dargestellten Ergebnissen zur Maßänderung der Lederimitate
deutlich wird, wurde bei den in komprimiertem
Kohlendioxid gereinigten Mustern ein signifikant
niedrigerer Flächenschrumpf festgestellt als bei
denjenigen Lederimitaten, die in Tetrachlorethen
gereinigt wurden. Der bei der Reinigung in CO2
beobachtete Flächenschrumpf beträgt ca. nur
1/3 des Flächenschrumpfs, wie er bei einer Reinigung in Tetrachlorethen auftritt. Dieses Ergebnis wurde übereinstimmend sowohl für die Pilotanlage, als auch für die Prototyp-Maschine
ermittelt.
Ein Zusatz von 2 % Wasser (bezogen auf des
Warengewicht) führt bei der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid zu keiner signifikanten
Änderung des Flächenschrumpfs.
Die Ursache für diesen deutlich geringeren Flächenschrumpf der Lederimitate kann auf zwei
unterschiedliche Einflüsse zurückgeführt werden:
Trocknungstemperatur:
Durch die Absenkung des Arbeitsdrucks in der
Reinigungstrommel auf Umgebungsdruck geht
das flüssige Kohlendioxid nach dem Reinigungsprozess vollständig in die Gasphase über, weshalb das Reinigungsgut nach dem Reinigungsprozess bereits als trockenes Textil vorliegt. Eine
Trocknung des Reinigungsgutes bei erhöhter
Temperatur ist deshalb bei der Textilreinigung
Seite 25
LÖSEMITTELN
EINSATZSTOFFE
Scheuerfestigkeit von Lederimitationen
(Durchscheuerversuch DIN EN 12 947-2)
PerISO 3175-2/8.
2
35.
000
30.
000
25.
000
CO 2
C O 2+ W asser
> 50.
000
> 50.
000
> 50.
000
N eu m aterial
40.
000
> 50.
000
> 50.
000
> 50.
000
> 50.
000
50.
000
45.
000
> 50.
000
> 50.
000
> 50.
000
in CO2 nicht notwendig. Im Gegensatz dazu wird
bei Reinigungsverfahren mit herkömmlichen
Lösemitteln ein Trocknungsprozess bei ca. 60°C
durchgeführt, um Lösemittelrückstände aus den
Textilien auszutreiben. Diese erhöhte Trocknungstemperaturen sind bei Reinigungsprozessen in Tetrachlorethen für die höhere Maßänderung mitverantwortlich.
DURCH NATÜRLICHE
> 50.
000
> 50.
000
> 50.
000
> 50.
000
CHLORHALTIGEN
Tou renzahl
SUBSTITUTION VON
20.
000
15.
000
10.
000
5.
000
0
2
Mechanik:
Neben der Trocknungstemperatur trägt auch die
Mechanik zur Maßänderung des Reingungsgutes bei. Da bei herkömmlichen Reinigungsprozessen mit Tetrachlorethen auch während der
Trocknungsphase durch die sich drehende Reinigungstrommel eine Mechanik auf das Reinigungsgut ausgeübt wird, ist hier eine zusätzliche mechanische Belastung des Reinigungsgutes gegeben, die bei der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid entfällt.
Die Scheuerfestigkeit der Lederimitate ist ein
Maß für die mechanische Stabilität der Proben
und gibt daher Auskunft, ob eine Beschädigung
Tabelle 3: Übersichtstabelle über die untersuchten
Lederimitate
Untersuchte Lederimitatproben
Nummer
Bezeichnung
1
Velours amaretta 7500
2
3
Glattleder Artina N
4
5
Velours Fashmo D506
6
7
Velours Fashmo Soft T05
Seite 26
3
4
5
7
Probenbezeichnu ng
Abbildung 30: Scheuerfestigkeit der Lederimitate
der Polyurethanbeschichtung bzw. der Polyurethanverfestigung eingetreten ist (Abb. 33).
Die Untersuchungsergebnisse in Abbildung 30
zeigen, dass die Festigkeit der Lederimitate
durch den Reinigungsprozess in komprimiertem
Kohlendioxid nicht erkennbar beeinträchtigt wird.
Die Lederimitate Nr. 2; 3; 5 und 7 hielten sowohl
im Neuzustand als auch nach den Reinigungsversuchen im Durchscheuerversuch über
50.000 Touren stand. Lediglich das Lederimitat
Nr. 4 zeigte von vornherein eine geringere Festigkeit. Die Scheuerfestigkeit der gereinigten
Muster unterscheiden sich allerdings auch hier
nicht wesentlich von der Neuware. Ein signifikanter Einfluss des Reinigungsprozesses auf die
Festigkeit der Lederimitate und damit auf die Beständigkeit der Polyurethanbeschichtung ist damit also nicht festzustellen.
Zur Ermittlung der Farbechtheit der Lederimitate wurden Reibechtheitsprüfungen nach EN ISO
105-X12 durchgeführt (Abb. 34).
Wie aus den Abbildungen 31 und 32 zu erkennen ist, besitzen die Lederimitate unabhängig
vom Reinigungsverfahren bei der Reibechtheit
nass im Durchschnitt eine geringere Farbechtheit als bei der Reibechtheit trocken.
Für die gereinigten Lederimitate wurden bei der
Reibechtheit trocken keine oder nur sehr geringe Abweichungen von der Neuware festgestellt.
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Farbechtheitsprüfungen
Reibechtheit von Färbungen -Trocken- (EN ISO 105-X12)
Kohlendioxid
(20° C/55-60 bar)
5
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2/8.2)
Noten
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
Proben
= Neumaterial
= 1 x gereinigt
= 3 x gereinigt
Abbildung 31: Farbechtheit der Lederimitate nach Reibechtheitsprüfung "Trocken"
Farbechtheitsprüfungen
Reibechtheit von Färbungen -Nass- (EN ISO 105-X12)
Kohlendioxid
(20° C/55-60 bar)
5
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2/8.2)
Noten
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
Proben
= Neumaterial
= 1 x gereinigt
= 3 x gereinigt
Abbildung 32: Farbechtheit der Lederimitate nach Reibechtheitsprüfung "Nass"
BPI HOHENSTEIN
Seite 27
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Prüfverfahren
Bestimmung der Scheuerbeständigkeit von
textilen Flächengebilden -Martindale Verfahren9 oder 12 kPa
◆ Vorschrift:
EN ISO 12947
◆ Die Norm umfasst
❖ Durchscheuerversuch
❖ Bestimmung des
Gewichtsverlustes
❖ Beurteilung der
Oberflächenänderung
Scheuermittel
Probe
◆ Ergebnisse:
Tourenzahl
Gewichtsverlust (%)
Klasse
Abbildung 33: Schematische Darstellung des Prüfverfahrens zur Bestimmung der Scheuerbeständigkeit nach EN ISO 12947
Prüfverfahren
Farbechtheitsprüfungen / Reibechtheit von Färbungen
◆ Vorschrift:
EN ISO 105 - X12
Reibmittel
Probe
◆ Bestimmung der
Widerstandsfähigkeit
der Farbe von Textilien
jeder Art gegen das
Abreiben und Anbluten
anderer Textilien beim
Gebrauch.
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
4.1.3 Beständigkeit von Wetterschutzmaterialien mit Membranen
Wetterschutztextilien sind moderne Funktionstextilien mit hohem Tragekomfort. Dieser Tragekomfort wird durch eine eingearbeitete Membran erreicht, die wind- und wasserabweisend,
aber dennoch wasserdampfdurchlässig (atmungsaktiv) ist. Grundsätzlich sind unterschiedliche Konstruktionen der Membrantextilien (Laminate) möglich. Die unterschiedlichen Prinzipien sind in Abbildung 35 schematisch dargestellt. Bei den sogenannten Zweischicht-Laminaten sind drei unterschiedliche Anordnungen
möglich. Je nach dem, ob die Membran am
Oberstoff oder Futterstoff fixiert (verklebt) ist, unterscheidet man zwischen Oberstoff- und Futterlaminaten. Bei den sogenannten Insert-Laminaten ist die Membran mit einem Vlies oder einer Wirkware verbunden und liegt frei zwischen
Ober- und Futterstoff.
P rinz ipie ller A ufb a u d e r L am ina te
Zweischichtlaminate: Oberstofflaminat
Oberstoff
Membran
Futterstoff
Zweischichtlaminate: Insertlaminat
Oberstoff
Membran
Vliesstoff/Wirkware
Futterstoff
◆ Bewertung mit dem
Graumaßstab
Zweischichtlaminate: Futterlaminat
Abbildung 34: Schematische Darstellung des Prüfverfahrens zur Bestimmung der Reibechtheit nach EN
ISO 105-X12
Dies gilt sowohl für den Reinigungsprozess in
komprimiertem Kohlendioxid als auch in Tetrachlorethen.
Für die Reibechtheitsprüfung nass wurden nach
dem Reinigungsprozess mit komprimiertem
CO2 ebenfalls nur geringe Abweichungen vom
Neumaterial festgestellt. Diejenigen Prüflinge,
die in Tetrachlorethen gereinigt wurden, zeigen
zum Teil eine leichte Verbesserung der Reibechtheit verglichen mit dem Neumaterial.
Stellt man die Ergebnisse, die an der Pilotanlage ermittelt wurden, den Ergebnissen aus der
Prototyp-Maschine gegenüber, ist kein signifikanter Unterschied in der Farbechtheit der Lederimitate festzustellen.
Seite 28
Oberstoff
Membran
Futterstoff
Dreischichtlaminate
Oberstoff
Membran
Futterstoff
Abbildung 35: Konstruktionsvarianten für Laminattextilien
Bei den Dreischicht-Laminaten sind die drei
Schichten Oberstoff, Membran und Futterstoff
fest miteinander verbunden.
Für die Funktionstüchtigkeit der Wetterschutzmaterialien ist es außerordentlich wichtig, dass
keine Delaminierung durch den Reinigungsprozess auftritt, d.h. sich die Membran nicht von den
textilen Materialien ablöst. Damit die Funktionsfähigkeit der Laminat-Textilien gewährleistet ist,
muss die Membran außerdem reinigungsbeständig sein.
Anhand der Parameter Maßänderung, Luftdurchlässigkeit und Widerstand gegen das Durchdrin-
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
gen von Wasser wurde die Reinigungsbeständigkeit unterschiedlicher Wetterschutz-Materialien bestimmt.
Die für die Wetterschutzmaterialien ermittelte
Maßänderung lag nach drei Reinigungszyklen in
komprimiertem CO2 je nach Laminattyp zwischen
0,3 % und 2,0 %. Nach dreimaliger Reinigung in
Tetrachlorethen wurde für alle drei untersuchten
Laminattypen ein Flächenschrumpf von 0,5 % bis
2,7 % ermittelt (Abb. 36) Ein signifikanter Einfluss
des Reinigungsverfahrens kann bei diesem geringen Unterschied in der Maßänderung nicht erkannt werden. Sowohl an der Pilotanlage als auch
an der Prototyp-Maschine wurden übereinstimmende Ergebnisse erzielt.
DURCH NATÜRLICHE
Prüfverfahen
Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von textilen Flächengebilden
◆ Vorschrift:
DIN EN ISO 9237
◆ Messung der
Luftdurchlässigkeit
von den meisten
Arten luftdurchlässiger
textiler Flächengebilde.
◆ Ergebnisse: mm / s
(100 Pa)
Abbildung 37: Schematische Darstellung des Prüfungverfahrens zur Bestimmung der Luftdurchlässigkeit
Luftdurchlässigkeit [mm/s]
Bestimmung der Maßänderung
-Flächenschrumpf-
Flächenschrumpf (%)
Wetterschutzmaterialien (mit Membran)
Kohlendioxid
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2/8.2)
(20° C/55-60 bar)
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1 x gerein igt
3 x gerein igt
1
2
3
1
2
3
EINSATZSTOFFE
Neumaterial
Gereinigt in
Tetrachlorethen
Gereinigt in CO2
1x
3x
1x
3x
Laminat 1
1,40
1,45
1,39
1,41
1,41
Laminat 2
0
0
0
0
0
Laminat 3
0
0
0
0
0
Tabelle 4: Bestimmung der Luftdurchlässigkeit der gereinigten Wetterschutzmaterialien nach EN ISO
9237,1995
Proben
BPI HOHENSTEIN
Bestimmung des Widerstandes gegenüber dem Durchdringen
von Wasser (EN 20 811; 1997)
>150
1
= Neumaterial
>150
2
>150
3
1
Proben
= 1 x gereinigt
>150
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Wetterschutzmaterialien (mit Membran)
Kohlendioxid
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2/8.2)
(20° C/55-60 bar)
>150
Die Prüfung der Luftdurchlässigkeit der Wetterschutzmaterialien erfolgte nach der internationalen Norm ISO 9237. Das Messprinzip ist in Abbildung 37 wiedergegeben. Wie anhand der Ergebnistabelle 4 deutlich wird, ist kein signifikanter Einfluss des Reinigungsverfahrens auf die Luftdurchlässigkeit der Wetterschutzmaterialien festzustellen. Sowohl die in komprimiertem CO2 als auch
die in Tetrachlorethen gereinigten Proben weisen
selbst nach dem dritten Reinigungszyklus eine
übereinstimmend hohe Luftundurchlässigkeit auf,
die sich nicht signifikant von der Luftdurchlässigkeit der Neumaterialien unterscheidet. Für die Laminate 2 und 3 konnte bei einem Prüfdruck von
100 Pascal keine Luftdurchlässigkeit ermittelt werden, während die Laminatprobe 1 eine Luftdurchlässigkeit von ca. 1,4 mm/s aufweist.
Wasserdruck (mbar)
Abbildung 36: Maßänderung der Wetterschutzmaterialien in Abhängigkeit vom Reinigungsprozess
Bei der Prüfung des Widerstandes gegen das
Durchdringen von Wasser wurden, wie aus Abbildung 38 hervorgeht, ebenfalls keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Reinigungsverfahren festgestellt.
>150
2
3
= 3 x gereinigt
Abbildung 38: Ergebnis der Wasserdruck-Prüfung an
den gereinigten Wetterschutzmaterialien
Seite 29
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Die Membranen der beiden Wetterschutzmaterialien 1 und 3 überstanden unbeschädigt die drei
Reinigungszyklen. Der Zusatz von 2% Wasser
(bezogen auf das Warengewicht) bei der Reinigung in komprimiertem CO2 führte ebenfalls
nicht zu einer Beeinträchtigung der Materialbeständigkeit.
Das Wetterschutzmaterial 2 wurde sowohl
durch die Reinigung in komprimiertem CO2 als
auch in Tetrachlorethen beschädigt. Da bereits
nach dem ersten Reinigungszyklus der Widerstand gegen das Durchdringen von Wasser
deutlich reduziert wurde, ist dieses Material unabhängig vom Lösemittel grundsätzlich als nicht
reinigungsbeständig einzustufen.
Die in Abbildung 38 beschriebenen Ergebnisse
stimmen sowohl für die Reinigung in der Pilotanlagen als auch in der Prototyp-Maschine überein. Die Reinigungsbedingungen sind in
Tabelle 2 aufgelistet. Das Prinzip des durchgeführten Prüfverfahrens ist in Abbildung 39 dargestellt.
Prüfverfahen
Widerstand gegen das Durchdringen von Wasser
-Hydrostatischer Druckversuch◆ Vorschrift: EN 20811
Wassersäule
Wassertank
150 cm
0 cm
◆ Materialien, die eine
wasserabweisende
Wirkung haben, werden zur Bestimmung
der Widerstandsfähigkeit gegen das Durchdringen von Wasser
einem hydrostatischen
Druckversuch unterProbe
zogen.
◆ Ergebnisse:
mbar oder cm
Wassersäule
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Untersuchung von konfektionierten Wetterschutzjacken
Neben den unkonfektioniert vorliegenden Wetterschutzmaterialien (Laminat 1-3) wurden auch
konfektionierte Jacken in der CO2 Prototyp-Maschine gereinigt. Nach dem einmaligen Reinigen wurde der äußere Zustand der Wetterschutzjacken beurteilt und die Funktionstüchtigkeit der eingearbeiteten Membranen durch die
Prüfung der Luftdurchlässigkeit und des Widerstandes gegen das Durchdringen von Wasser
untersucht.
Die gereinigten Jacken wiesen äußerlich ein zerknittertes Warenbild auf. Äußerliche Schäden
waren allerdings nicht festzustellen. Bei allen
Kleidungsstücken fiel auf, dass die Klebepunkte bei dem Futterlaminat braun verfärbt sind. Die
Nahtabdichtungsbänder weisen zum Teil eine
sehr intensive, gold-braune Färbung auf.
Diese Tönung des Kunststoffklebers und der
Nahtabdichtungsbänder waren darauf zurückzuführen, dass sich von einem der Textilien - eventuell auch von mehreren - Farbstoff während der
Reinigungsbehandlung löste und dann in die
Kunststoffe eingedrungen ist und die Verfärbung
verursacht hat. Bei einigen der untersuchten Jakken wurde nach der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid ein geringerer Widerstand gegen das Durchdringen von Wasser an Nahtstellen ermittelt.
Während bei Stellen ohne Naht noch ein Widerstand von >150 mbar ermittelt wurde, wurden
bei den Nahtstellen teilweise lediglich Widerstände von 15 bis 55 mbar gemessen.
Abbildung 39: Schematische Darstellung der Wasserdruck-Prüfung
Seite 30
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CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
4.1.4 Beständigkeit von Färbungen,
Drucken und Ausrüstungen
Für die Qualität eines Reinigungsverfahrens ist
ein zentraler Gesichtspunkt die Beständigkeit von
Färbungen, Drucken, Textilausrüstungen und Fixiereinlagen, da diese entscheidend zum Erscheinungsbild und zur Funktionstüchtigkeit der
Textilien beitragen. Eine Beeinträchtigung dieser Merkmale senkt die Lebenserwartung, insbesondere bei hochwertigen Textilien dramatisch, weshalb diese Beständigkeitsprüfungen
einen weiteren Schwerpunkt dieses Verbundvorhabens bilden.
Einteilung von Farbstoffgruppen nach ihrem chemischen Aufbau:
Farbstoffe können gemäß ihrem chemischen
Aufbau und Struktur in unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden. Wichtige Beispiele für
Farbstoffgrupen, die nach ihrem chemischen
Aufbau bezeichnet werden sind u.a.:
- Azofarbstoffe
- Indigoide Farbstoffe oder
- Schwefelfarbstoffe.
EINSATZSTOFFE
bau der Farbstoffe. Die Ursache hierfür ist, dass
bestimmte funktionelle Gruppen von Farbstoffen gleicher chemischer Konstruktion ein unterschiedliches färberisches Verhalten zeigen. Daher ist in der Praxis die Einteilung der Farbstoffe
nach färberischen Gesichtspunkten dominierend. In Tabelle 6 sind die wichtigsten Farbstoffklassen nach färberischen Gesichtpunkten aufgelistet.
Tabelle 6: Einteilung von Farbstoffklassen nach färberischen Gesichtspunkten
Farbstoffklassen
Einteilung nach färberischen
Gesichtspunkten
4.1.4.1 Beständigkeit von Färbungen
Damit eine umfassende Beurteilung der Reinigungsbeständigkeit von Färbungen in komprimiertem CO2 getroffen werden kann, wurden
häufig verwendete Vertreter der wichtigsten
Farbstoffklassen hinsichtlich Farbveränderung
und Anbluten von Begleitgeweben geprüft. Die
Einteilung der Farbstoffe in verschiedene Farbstoffgruppen kann nach zwei unterschiedlichen
Kriterien erfolgen:
DURCH NATÜRLICHE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Reaktivfarbstoffe
Küpenfarbstoffe
Direktfarbstoffe
Basische Farbstoffe
Metallkomplexfarbstoffe
Dispersionsfarbstoffe
Substantive Farbstoffe
Entwicklungsfarbstoffe
Pigmentfarbstoffe
Bindung zwischen Farbstoff und Faser
Die Beständigkeit von Färbungen bei der Textilreinigung ist im wesentlichen von der Art der
Farbstoffbindung an die Faser abhängig. Für eine
Beurteilung der Färbungsbeständigkeit müssen
daher die Bindungsarten zwischen Farbstoff und
Faser näher betrachtet werden. In Tabelle 7 sind
die fünf verschiedenen Bindungsformen, die es
zwischen Farbstoff und Faser gibt, aufgelistet.
Tabelle 7: Bindungsarten zwischen Farbstoff und Faser
In Tabelle 5a und 5b sind die wichtigsten Farbstoffgruppen, unterteilt nach ihrem chemischen
Aufbau, dargestellt.
Einteilung der Farbstoffgruppen nach färberischen Gesichtpunkten:
In der Färberei und Druckerei-Chemie ist das
färberische Verhalten der einzelnen Farbstoffe
von größerer Bedeutung als der chemische Auf-
BPI HOHENSTEIN
Übersicht Bindungsarten
1.
2.
3.
4.
5.
Ionenbindung
Atombindung
Komplexbindung
Wasserstoffbrückenbindung
Physikalische Bindungen
Seite 31
Farbstoffgruppe
Azofarbstoffe
Diphenylmethan-Farbstoffe
Triphenylmethan-Farbstoffe
Anthrachinon-Farbstoffe
Indigoide Farbstoffe
Indigosole
Cinonimin-Farbstoffe
Schwefelfarbstoffe + Thiazole
C
N
H
N
N
S
C
H
N
C
O
N(CH3)2
NH2
N(CH3)2
+ Anxochrome
OSO3Na
C
N
H
C
NH HCL
C
C
O
O
C
3
C
C
OSO Na
N
H
C
O
Alkyl - N = N - Aryl
Strukturformel (z.B.)
Einteilung nach chemischer Struktur
(CH3)2N
(CH3)2N
CH3
Tabelle 5b: Chemischer Aufbau typischer Farbstoffklassen (Teil 2)
Farbstoffgruppe
Nitro-Farbstoffe
Nitroso-Farbstoffe
Chinolin-Farbstoffe
Acridin-Farbstoffe
Cyanin-Farbstoffe
Phthalocyanin-Farbstoffe
N
Cu
C
N
C
N
N
O
CH2CH2Cl
CH3
NOH
NO2
N C
N C
C
H
NO 2
OH
Strukturformel (z.B.)
Einteilung nach chemischer Struktur
NaO3SO
NO
C
OH
O
C
C
OH
N
C N
C
H2
C
H H
C C C
N
CH3
N
C
C
Tabelle 5a: Chemischer Aufbau typischer Farbstoffklassen (Teil 1)
BPI HOHENSTEIN
Seite 32
EINSATZSTOFFE
DURCH NATÜRLICHE
LÖSEMITTELN
CHLORHALTIGEN
SUBSTITUTION VON
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
u Ionenbindung
Zur Ausbildung einer ionischen Verknüpfung
müssen der Farbstoff und die Faser einen anionischen bzw. kationischen Charakter besitzen.
Diese Voraussetzung ist auf der Faserseite bei
den tierischen Fasern (Wolle und Seide) gegeben. Als Eiweißfasern sind sie aus Aminosäuren aufgebaut. Die sich dabei ergebende typische Gruppierung wird als Peptidbindung bezeichnet. An den Enden derartiger Kettenmoleküle liegen Carboxyl- und Aminogruppen in freier Form vor.
Außerdem können als Bausteine Diamino- und
Aminodicarbonsäuren vorkommen, so dass in
den Proteinmolekülen eine ganze Anzahl freier
Amino- und Carboxylgruppen auftreten. Farbstoffe mit saurem Charakter können mit den Aminogruppen, Farbstoffe mit basischem Charakter an den Carboxylgruppen eine Ionenbindung
eingehen. Bei Polyamiden liegt ein ähnliches färberisches Verhalten vor, da sie in ihren Molekülen an den Endgruppen freie Amino- und Carboxylgruppen besitzen. Dadurch ist die Fähigkeit zur ionischen Bindung von Farbstoffen gegeben.
Bei den Polyacrylfasern sind zahlreiche saure
Gruppen durch Mischpolymerisation eingeführt,
so dass ihre Färbung mit basischen Farbstoffen ebenfalls möglich ist.
u Atombindung
Die Farbstoffbindung durch Atombindung liegt
bei den Reaktivfarbstoffen vor. Die vorhandenen
Etherbindungen werden zur hauptvalenzmäßigen Verknüpfung zwischen Faser- und Farbstoffmolekülen in den Reaktivfarbstoffen benutzt.
u Komplexbindungen
Zu dieser Bindungsform gehören die Metallkomplexfarbstoffe, die als solche erst auf bzw. in der
Faser erzeugt werden. Die Farbstoffe müssen
dazu entsprechende konstitutionelle Vorausset-
BPI HOHENSTEIN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
zungen haben, um bei einer Metallsalzvor- bzw.
-nachbehandlung Innerkomplexe zu bilden.
u Wasserstoffbrückenbindung
Diese Bindungsart ist für sich alleine nicht befähigt, einen Farbstoff mit hohen Echtheiten auf
textilen Fasern zu fixieren; sie wirkt aber bei allen Bindungsarten mehr oder weniger stark als
zusätzliche Bindungkraft mit. Bei substantiven
Färbungen ziehen monomere Farbstoffmoleküle
auf die Faser auf. Die Bindung Faser/Farbstoff
erfolgt durch Dipol- und Van-der-Waals´sche
Kräfte sowie durch Wasserstoffbrücken.
u Physikalisch-chemische bzw. physikalische Bindungen
Bei einigen Färbeverfahren wird Farbstoff im löslichen Zustand oder in Form von Teilkomponenten in die gequollene Faser eingeschleust und
dann durch Oxidation in unlösliche Farbstoffmoleküle überführt. Die Fixierung besteht also im
wesentlichen im Einschließen unlöslicher Teilchen (Pigmente) in den Faserzwischenräumen.
Das trifft zu bei der Küpenfärbung, der Bildung
von Azofarbstoffen in der Faser oder der Oxidation aromatischer Amine zu unlöslichen Großmolekülen.
Zusammenstellung von möglichen Faser- /
Farbstoffkombinationen
Wie aus den dargestellten Zusammenhängen
deutlich wird, können textile Fasern aufgrund
ihres chemischen Aufbaus nicht mit allen Farbstoffklassen eine ausreichend hohe Farbstoffbindung eingehen, die eine hinreichende Reinigungsbeständigkeit gewährleistet.
Nachfolgend ist eine Übersicht aufgelistet, aus
der deutlich wird, welche Farbstoffklassen für
die unterschiedlichen Faserarten geeignet sind.
Seite 33
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Pflanzliche Fasern
Celluloseregeneratfasern
Baumwolle
- Reaktivfarbstoff
- Küpenfarbstoff
- Substantiver Farbstoff
- Entwicklungsfarbstoff
Viskose, Cupro, Lyocell
- Reaktivfarbstoff
- Küpenfarbstoff
- Substantiver Farbstoff
- Entwicklungsfarbstoff
Leinen
- siehe Baumwolle
Acetat (2 ½ Acetat, Triacetat)
- Dispersionsfarbstoff
Tierische Fasern
Synthetische Fasern:
Wolle
- Säurefarbstoff
- Metallkomplexfarbstoff
- Reaktivfarbstoff (spez. für Wolle)
Polyamid
- Säurefarbstoff
- Reaktivfarbstoff
Seide
- Säurefarbstoff
- Reaktivfarbstoff (spez. für Seide)
Polyester
Polyacryl
- Basischer Farbstoff
Untersuchungsergebnisse
Die Bewertung der Farbbeständigkeit ist bei einer praxisnahen Behandlung in einer Reinigungsmaschine nicht immer eindeutig, da innerhalb einer Charge meist viele verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Farbstofftypen verwendet werden. Deshalb werden in der textilen
Warenprüfung für die Bestimmung der Farbbeständigkeit Laborprüfungen durchgeführt. Die
Bewertung der Farbbeständigkeit erfolgt nach
zwei unterschiedlicher Kriterien. Zum einen wird
die Farbtonänderung der Färbung, zum anderen das Anbluten von Begleitgewebe bewertet.
Bei der Bestimmung der sogenannten Trockenreinigungsechtheit nach DIN EN ISO 105-D01
wird die Widerstandsfähigkeit der Färbung gegen den Reinigungsprozess geprüft. Dies bedeutet, dass das Ausbluten von Farbstoffen aus
Seite 34
dem Textil in das Lösemittel geprüft und die
Farbveränderung des Textils und die Anfärbung
des Lösemittels bewertet werden. Für die Bewertung werden spezielle Graumaßstäbe verwendet, bei denen eine Notenskala von 1-5 vorliegt. In dieser Notenskala ist die Note 5 als Bestnote definiert; dies bedeutet, dass keine Farbveränderung am Textil und am Lösemittel festzustellen ist.
Bei der Bestimmung der Farbechtheit gegen
organische Lösemittel nach DIN EN ISO 105X05 wird die Farbtonänderung des Prüflings und
das Anfärben eines Begleitgewebes (Anbluten)
bewertet. Als Begleitgewebe wurde jeweils ein
Multifibre-Gewebe nach ISO 105-A01 eingesetzt, welches aus Wolle, Polyacryl, Polyester,
Polyamid, Baumwolle und Acetat besteht. Die
Beurteilung des Anblutens der Begleitgewebe erfolgte nach DIN EN ISO 105-A03.
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Zur Durchführung der Beständigkeitsunter
suchungen mit komprimiertem Kohlendioxid
wurden daher spezielle druckfeste Autoklaven
konstruiert und angefertigt, in denen diese
Laborversuche in Anlehnung an die DIN EN ISO
105-X05 durchgeführt wurden. Der Hochdruckautoklav und die Befüllstation mit dem Hochdruckautoklaven ist in den Abbildungen 40 und
41 zu sehen.
In Tabelle 8 sind die Färbungen aufgelistet, die
bezüglich ihrer Lösemittelbeständigkeit unter
Praxisbedingungen untersucht wurden (Reinigungsbedingungen siehe Tabelle 2). Die nach
der einmaligen Reinigung der Prototyp-Reinigungsmaschine vergebenen Noten sind ebenfalls in dieser Tabelle aufgelistet.
Abbildung 40: Befüllstation für Hochdruckautoklav
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Anhand der in Tabelle 8 dargestellten Ergebnisse wird deutlich, dass bei allen untersuchten
Testmustern eine hohe Farbbeständigkeit für die
Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid gegeben ist. Für die parallel in Tetrachlorethen gereinigten Vergleichsmuster wurden keine signifikanten Abweichungen in der Lösemittelechtheit festgestellt.
Der Zusatz von 2% Wasser (bezogen auf das
Warengewicht) ergab ebenfalls keine signifikante
Beeinträchtigung der Lösemittelbeständigkeit.
In Tabelle 9 ist eine Auswahl von Dispersionsfarbstoffen, Metallkomplexfarbstoffen und Reaktivfarbstoffen auf unterschiedlichen Substraten
enthalten. Die mit Multifibregeweben vernähten
Prüflinge wurden zunächst in der Prototyp-Anlage in CO 2 ohne Wasserzusatz bei unterschiedlicher Lösemitteltemperatur (18 °C und
10°C) behandelt.
Bei diesen Prüfungen konnten gute Bewertungen für die Farbbeständigkeit vergeben werden.
Da Acetat der Faserstoff ist, der am empfindlichsten auf das Anfärben mit Dispersionsfarbstoff reagiert, wurden in Abbildung 42 nur die
Noten für das Anbluten von Acetat dargestellt,
da die anderen Begleitgewebe nicht angefärbt
wurden.
Zur Ermittlung der Farbechtheit in komprimiertem Kohlendioxid in Anlehnung DIN EN ISO 105X05 wurde eine Auswahl der in Tabelle 9 genannten Färbungen herangezogen. Parallel
dazu wurde gemäß DIN EN ISO 105-X05 die Lösemittelechtheit in Tetrachlorethen geprüft. In
Abbildung 43 sind nur die Noten für das Anbluten von Baumwolle, Polyamid und Acetat enthalten, da die Begleitgewebe Wolle, Polyester
und Polyacryl nicht angefärbt wurden.
Abbildung 41: Hochdruckautoklav für Farbechtheitsbestimmungen in komprimiertem CO2
BPI HOHENSTEIN
Die Untersuchungen wurden zum größten Teil
in der Prototyp-Maschine durchgeführt. Zur Absicherung der Ergebnisse wurde ein Teil der Prüfungen in den Testautoklaven wiederholt.
Seite 35
SUBSTITUTION VON
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Tabelle 8: Ergebnistabelle über die unter Praxisbedingungen erzielten Farbtonänderungen
Farbtonänderung (Note)
Faserstoff
Farbstoffklasse
Bezeichnung
CO2 ohne Wasser
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2/8.2)
1 x gereinigt 3 x gereinigt
1 x gereinigt
Baumwolle
Entwicklungsfarbstoff
Naphthol
4
4
4-5
Polyamid
Säurefarbstoff
Marina Blue 43 F
5
5
5
Polyamid
Metallkomplex/Säurefarbstoff
grün
5
5
5
Polyamid
Metallkomplex
Levestone
4-5
4-5
5
Polyamid
Säurefarbstoff
Ether 00 T
5
4
4-5
Baumwolle
Reaktivfarbstoff
dunkelblau
4-5
4-5
5
Baumwolle
Reaktivfarbstoff
intensiv-blau
4-5
4-5
5
Viskose
Reaktivfarbstoff
intensiv-rot
4
4
5
Polyacryl
Basischer Farbstoff
Astrazon rot
4
4
4
Polyacryl
Basischer Farbstoff
Astrazon blau
4-5
4
4-5
Polyacry
Basischer Farbstoff
Astrazon goldgelb
4-5
--
4-5
Baumwolle
Küpenfarbstoff
blau
4-5
4-5
5
Baumwolle
Küpenfarbstoff
grün
4-5
4-5
4-5
Baumwolle
Küpenfarbstoff
braun
4-5
4-5
4-5
Baumwolle
Schwefelfarbstoff
dunkelblau
4-5
4-5
4
Baumwolle
Schwefelfarbstoff
schwarz
4-5
4-5
4-5
Baumwolle
Schwefelfarbstoff
Schwefelblau
4
4
4-5
Baumwolle
Druckfarbstoff
Orange
4
4
4-5
Baumwolle
Reaktivfarbstoff
Reaktivbraun
4-5
4-5
4-5
Baumwolle
Direktfarbstoff
rotbraun
4-5
4-5
4-5
Baumwolle
Direkttfarbstoff
steingrau
4-5
4-5
4-5
Polyester
Dispersionsfarbstoff
olivgrün
5
4-5
5
Seite 36
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SUBSTITUTION VON
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Tabelle 9: Übersicht über die unterschiedlichen Testgewebe, für die eine Beurteilung der Farbechtheit gegen
komprimiertes CO2 durchgeführt wurde
Nr.
Substrat: Triacetat
Farbstoffklasse: Dispersionsfarbstoffe
Nr.
Substrat: Viskose (Rayon)
Farbstoffklasse: Reaktivfarbstoffe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cibacet Gelb 4 RLF
Intasperse GelbGBA
Cibacet Blau GFD
Cibacet Blau BF (schmutzig)
Intasperse Rot NYB (schmutzig)
Intasperse Blau GFD 15
Cibacet Türkis G
Cibacet Navy EL-R
Cibycet Gelb 2 GC 150
Cibacet Braun
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
Rem azol
Rem azol
Rem azol
Rem azol
Rem azol
Rem azol
Rem azol
Rem azol
Rem azol
Rem azol
Nr.
Substrat: Acetat
Nr.
Substrat: Polyester
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Cibacet Gelb 2GC 150
Cibacet Türkis G
Cibacet Bau BF
Cibacet Blau GFD
Cibacet Navy EL-R
Cibacet Braun 2R
Intasperse Gelb GBA
Intrasperse Rot YNB
Intrasperse Blau GFD 150
Intrasperse Scarlet BRN
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
Resolin Gelb 4GL
Rerasil Rubin 2GFL
Dispersol Blau D-R
Terasil Gelb GW L
Terasil Gelb BRFL
Terasil Pink 2GLA-01
Terasil Rot R
Terasil Rot W -BF 200
Terasil blau GLF
Terasil Blau BGE-01 200
Brill Rot F3B
Rot RB
Gold-Gelb RNL
Dunkelblau
Schwarz B
Hellgrün
Hellgelb
Hellorange 3R-A
Hellviolett 5R
Türkisblau B
Nr.
Substrat: Seide
Farbstoffklasse: 1 : 2 Metallkomplexfarbstoffe, Reaktivfarbstoffe
Nr.
Substrat: Wolle
Farbstoffklasse: 1 : 2 Metallkomplexfarbstoffe, Reaktivfarbstoffe
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Lanaset Gelb 4 GN
Lanaset Rot G
Lanaset Blau 2 R
Lanaset Grün B
Lanaset Violet B
Lanaset Bordeaux B
Lanaset Schwarz
Lanaset Gelb 2R
Lanaset Rot NYL
Lanaset Braun G-01
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
Lanaset Gelb 4 GN
Lanaset Rot G
Lanaset Blau 2R
Lanaset Grün B
Lanaset Violet B
Lanaset Bordeaux B
Lanaset Schwarz
Lanaset Gelb 2R
Lanaset Rot NYL
Lanaset Braun G-01
BPI HOHENSTEIN
Seite 37
SUBSTITUTION VON
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CHLORHALTIGEN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Farbechtheitsprüfung in der Prototyp-Maschnine
(Begleitmaterial: Acetat)
Basismaterial mit Färbungs-Nr.
6
Acetat
Nr.: 11-20
Triacetat
Nr.: 1-10
Seide
Nr.: 21-30
Rayon
Nr.: 31-40
Polyester
Nr.: 41-50
Wolle
Nr.: 51-60
5
Benotung (1-5)
4
3
2
1
18 °C / 57 bar
10 °C / 50 bar
59
57
55
53
51
49
47
45
43
41
39
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
9
11
7
5
3
1
0
Nummer der Färbung
Abbildung 42: Farbechtheitsprüfung für verschiedene Färbungen in der CO2-Prototyp-Maschine (Begleitgewebe: Acetatgewebe)
Farbechtheitsprüfung nach DIN EN ISO 105-X05
5
4,5
4
Echtheitsnote
3,5
3
2,5
2
1,5
1
Wolle in CO2
Wolle in Per
PAN in CO2
PAN in Per
PES in CO2
PES in Per
0,5
0
Wolle 52
Wolle 58
Polyester Polyester
44
47
Viskose
33
Viskose
34
Seide 21
Seide 27
Acetat 19 Acetat 11 Triacetat 4 Triacetat 1
Abbildung 43: Bewertung der Farbechtheit von unterschiedlichen Färbungen in der Linitest-Apparatur (Begleitgewebe: Polyamid (PA), Baumwolle (CO) und Acetat)
Die Ergebnisse der Farbechtheitsprüfungen in
komprimiertem CO2 in Anlehnung an DIN EN
ISO-X05 für das Anbluten von Acetatbegleitgewebe entsprechen den in der Prototyp-Maschine bei 18°C ermittelten Werten. Das stärkere
Anbluten des Begleitmaterials bei einer Tempe-
Seite 38
ratur des CO2 von 10°C ist darauf zurückzuführen, dass das Lösevermögen für Farbstoffe in
CO2 bei niedrigerer Temperatur zunimmt. Um
die Farbbeständigkeit für diesen Temperaturbereich auch in Laborversuchen prüfen zu können,
muss das Prüfgerät modifiziert werden.
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
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4.1.4.2 Beständigkeit von Drucken
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde
die Reinigungsbeständigkeit von verschiedenen
Drucken geprüft. Ausgewählt wurden Thermodrucke auf Wolle, Seide und Leinen bei denen
bekannt war, dass sie in Tetrachlorethen empfindlich reagieren, Pigmentdrucke und Flockdrukke, da sie als lösemittelempfindliche Textilien einzustufen sind. Die Behandlungen wurden in flüssigem CO2 in der Pilot- und der Prototyp-Anlage
und für Tetrachlorethen nach ISO 3175-2/8.2
durchgeführt.
Thermodruck
Thermodrucke werden auch als Transferdruck
bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein indirektes, d.h. um ein Umdruckverfahren, bei dem
der Farbstoff nicht direkt auf das zu bemusternde Material, sondern zuerst auf ein Trägerpapier aufgedruckt wird. In einem zweiten Arbeitsgang wird dann das Muster von dem bedruckten Papier auf das zu bemusternde Textilgut
übertragen. Beim Transferdruck werden spezielle Dispersionsfarbstoffe eingesetzt. Während
bei synthetischen Fasern sehr gute Farbbeständigkeiten erzielt werden können, ist dies bei Naturfasern nur begrenzt möglich.
Wie aus der Ergebnistabelle 10 hervorgeht, zei-
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
gen die untersuchten Thermodrucke auf Naturfasern bereits nach einmaliger Reinigung eine
sehr geringe Beständigkeit in komprimiertem
Kohlendioxid. Für Reinigungsverfahren mit Tetrachlorethen wurden jedoch gleichartig geringe
Reinigungsbeständigkeiten ermittelt. Aus diesen
Ergebnissen wird deutlich, dass die untersuchten Thermodrucke unabhängig vom Lösemittel
eine geringe Reinigungsbeständigkeit aufweisen. Signifikante Unterschiede zwischen den
Lösemitteln CO2 und Tetrachlorethan können
nicht festgestellt werden.
Pigmentdruck
Bei Pigmentdrucken handelt es sich um eine
Drucktechnik mit dem Grundsystem Pigmente
und Bindemittel. Wasserunlösliche Weiß- oder
Farbpigmente ohne Faseraffinität werden mit
Bindemitteln auf dem Textilgut fixiert. Die Abgrenzung zu den übrigen Druckverfahren besteht
darin, dass der Farbstoff als unlöslicher Körper
keine Affinität zum Substrat besitzt. Die Beständigkeit dieser Pigmentdrucke gegenüber Reinigungsvorgängen hängt von den Eigenschaften
bzw. der Löslichkeit der Bindemittel ab.
Im Gegensatz zu den beschriebenen Thermodrucken zeigt das untersuchte PigmentdruckTestgewebe (Testgewebe GFK 19706) eine gute
Beständigkeit in komprimierten Kohlendioxid.
Tabelle 10: Bewertung der Farbechtheit von Thermodrucken nach der Reinigung in komprimiertem CO2 und in
Tetrachlorethen unter Praxisbedingungen
Fa r b to n än d e ru n g e n (N o te )
S u b s t ra t
Te tr a c h lo re t h e n
(IS O 3 1 7 5 -2/ 8 .2)
C o 2 o h n e W asser
1 x g e re in ig t
3 x g e re in ig t
1 x g e re in ig t
W o lle / S e id e I
1
1
1
W o lle / S e id e II
1
1
1
1 0 0 % S e id e
1
1
1
S c h u rw o lle
2
2
2
L e in e n
1
1
1
BPI HOHENSTEIN
Seite 39
SUBSTITUTION VON
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Nach drei Reinigungszyklen wies das Testgewebe noch eine Farbechtheitsnote von 4-5 auf.
Die gleiche Note konnte auch für die in Tetrachlorethen gereinigten Vergleichsmuster vergeben werden.
Flockdruck
Durch Flockdrucke können samtartige Effekte
erzielt werden, ohne dass es sich um Websamte handelt. Beim Flockdruck wird zunächst ein
Kleber in der gewünschten Musterung auf das
Textilmaterial aufgedruckt. Durch Aufbringen von
kurzgeschnittenen Fäserchen (Flocken) wird
eine samtartige Musterung erzielt. Die Faserflokken werden in einem elektrischen Feld ausgerichtet auf das Trägermaterial aufgebracht und
von dem Kleber gebunden. Die Reingungsbeständigkeit derartiger Flockdrucke ist abhängig
von der Beständigkeit der Bindemittel gegenüber
den eingesetzten Behandlungsflotten.
Es wurden Flockdrucke, die auf unterschiedlichen Substraten aufgebracht waren, in CO2
bzw. Tetrachlorethen behandelt und anschließend die Haftung beurteilt. Zur Untersuchung
wurden folgende Flockdrucke auf folgenden Textilien ausgewählt:
u Polyester (Chiffon)
u Viskose Georgette
u Viskose Webware
u Polyester Webware
u Polyamid -Tüll
u Baumwolle / Elasthan-Köper
DURCH NATÜRLICHE
Wie aus der Abbildung 44 hervorgeht, ist die
Reinigungsbeständigkeit von Flockdrucken in
komprimiertem Kohlendioxid besser als in Tetrachlorethen. Dies wird besonders durch die
Bewertung der Haftung nach fünf Reinigungszyklen deutlich, da hier nach der Reinigung in
Tetrachlorethen in Anlehnung an die Bewertung
der Farbechtheit Noten von durchschnittlich 1-2
vergeben wurden, während nach 5 Reinigungszyklen in komprimiertem Kohlendioxid die Durchschnittsnote 3 vergeben werden konnte.
4.1.4.3 Beständigkeit von hydrophoben Ausrüstungen
Fluorcarbonharzausrüstungen verleihen Textilien einen hydrophoben Charakter und bewirken
dadurch einen schmutz- und wasserabweisenden Effekt. Die Ausrüstungen können durch Gebrauchseinflüsse und Pflegebehandlungen in
ihrer Wirksamkeit beeinträchtigt werden und erfordern Nachausrüstungen. Es ist deshalb anzustreben, dass durch die Einwirkung der Lösemittel bei der Textilreinigung der Ausrüstungseffekt so gut wie möglich erhalten bleibt. Als Prüfkriterium für die Beständigkeit dieser Ausrüstungen dient daher das Prüfverfahren zur Bestimmung des Widerstands gegen das Durchdringen von Wasser nach EN 20811 (analog Wetterschutzmaterialien).
Einfluss von Lösemitteln auf die Hydrophobierung
von Textilien
Neu
5
Haftung
4
3
1
1
30
25
20
15
10
5
0
2
0
3
5
3
5
Anzahl B ehandlungen
1
0
1
5
1
5
Anzahl B ehand lunge n
Abbildung 44: Reinigungsbeständigkeit von Flockdrukken
Seite 40
Kohlendioxid
(55-60 bar, 20°C)
35
W asse rdruck (mbar)
Kohlendioxid
(55-60 bar, 20°C)
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2/8.2)
40
Visuelle Bewertung von Flockdruck auf unterschiedlichen
Basismaterialien nach Behandlungen
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2/8.2)
EINSATZSTOFFE
Abbildung 45: Beständigkeit von Fluorcarbonharzausrüstungen
Wie aus den Untersuchungsergebnissen deutlich wird, nimmt der hydrophobe Charakter der
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Textilen sowohl in komprimierten Kohlendioxid
als auch in Tetrachlorethen mit jedem Reinigungszyklus deutlich ab. Der hydrophobe Charakter der Textilien nimmt nach einer einmaligen Reinigung in komprimertem Kohlendioxid
um 4 mbar und nach fünf Behandlungen um
8 mbar ab. Bei Tetrachlorethen beträgt der Unterschied zur Neuware nach einer Behandlung
bereits 7 mbar und nach fünf Behandlungen sogar 13 mbar.
Damit belegen diese Untersuchungen, dass die
Wirkung der Fluorcarbonharzausrüstung durch
den Reinigungsprozess in komprimiertem Kohlendioxid weniger stark beeinträchtigt wird als
durch eine Reinigung in Tetrachlorethen.
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
mittels eines Schmelzklebers mit dem jeweiligen Oberstoff verbunden werden. Beim Fixieren wird durch Wärme und Druck der auf der
Einlage befindliche Kleber angeschmolzen und
mit dem Oberstoff verbunden.
Damit auch nach Pflegebehandlungen die Form
der Kleidungstücke erhalten bleibt, ist die Haftfestigkeit der Fixierung ein entscheidendes Kriterium für die Pflegebarkeit.
Um eine objektive Aussage über den Einfluss von
komprimiertem CO2 auf die unterschiedlichen
Haftmassen zu ermöglichem, wurde nach DIN
54310 die Kraft gemessen, die benötigt wird, um
den Oberstoff von der Fixiereinlage zu trennen.
Prüfung der Trennung von fixiertem Einlagestoff vom
Oberstoff (DIN 54 310)
4.1.5 Beständigkeit von Zutaten
Fixierung II 9 Po
Neu
Diese Zutaten können aus einer Vielzahl von
unterschiedlichen Materialien wie Metall, Kunststoff oder Naturstoffen bestehen, deren
Reinigungsbeständigkeit in komprimiertem Kohlendioxid in diesem Forschungsvorhaben erstmals systematisch untersucht wurde. Die Auswertung der Beständigkeitsprüfungen erfolgte
visuell bzw. mittels Rasterelektronenmikroskop.
4.1.5.1 Beständigkeit von Fixiereinlagen
Zur Stabilisierung der Form von Kleidungsstükken werden vor allem an den Frontpartien von
Jackets und Mänteln Fixiereinlagen eingearbeitet. Aber auch in den Kantenbereichen, an
Patten, am Kragen und Revers sind Fixiereinlagen üblich. Fixiereinlagen können aus Geweben, Maschenwaren oder Vliesen bestehen, die
BPI HOHENSTEIN
12
gereinigt
Kohlendioxid
ohne Wasser
(55-60 bar, 20°C)
gereinigt und gefinisht
10
Trennkraft (N)
Unter Zutaten versteht man neben Fixiereinlagen
zur Stabilisierung der Form vor allem die nichttextilen Bestandteile an konfektionierten Textilien wie Knöpfe, Reißverschlüsse oder Pailletten.
Da diese Zutaten nicht nur funktionell sind, sondern vor allem auch schmückenden Charakter
haben, wird die Reinigungsbeständigkeit eines
Kleidungstückes in hohem Maße von dem Aussehen dieser Zutaten nach Pflegeprozessen
bestimmt.
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2, 8.2))
8
6
4
2
0
0
1
3
5
1
3
5
A nzahl Behandlungen
Abbildung 46: Prüfung der Trennung von fixiertem Einlagestoff vom Oberstoff
Aus den in den Abbildungen 46 und 47 dargestellten Ergebnissen wird deutlich, dass abhängig vom Klebstofftyp der Fixiereinlage eine unterschiedliche Lösemittelstabilität vorhanden ist.
Bei Fixiereinlagen, bei den ein Schmelzkleberauf Copolyester-Basis verwendet wurde, bleibt
die Haftung der Fixierung (z.B. Nr II 9 Po) in komprimiertem Kohlendioxid weitgehend erhalten.
Sie ist jedoch im Gegensatz dazu in
Tetrachlorethen nicht beständig, weisen aber
eine gute Waschbeständigkeit auf.
Diese Schmelzklebertypen werden üblicherweise für Waschartikel eingesetzt, wurden aber in
das Prüfprogramm einbezogen, um ihr Verhalten in komprimiertem CO2 zu prüfen.
Seite 41
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Prüfung der Trennung von fixiertem Einlagestoff vom
Oberstoff (DIN 54 310)
Fixierung I D 1500A
Neu
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2, 8.2))
Kohlendioxid
ohne Wasser
(55-60 bar, 20°C)
12
g e re in ig t
g e re in ig t un d g e finish t
T r en n k r a ft (N )
10
8
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
send kann damit gesagt werden, dass die Stabilität von Fixiereinlagen durch die Reinigung in
komprimiertem Kohlendioxid nicht wesentlich
beeinträchtigt wird, unabhängig davon, ob ein
Copolyester- oder Copolyamidkleber verwendet
wird. Bei der Reinigung in Tetrachlorethen hingegen werden Copolyesterkleber abgelöst und
damit die Haftung zwischen Oberstoff und Fixiereinlage zerstört.
6
4
4.1.5.2 Knöpfe
2
0
0
1
3
5
1
3
5
A nza h l B e ha n d lu ng e n
Abbildung 47: Prüfung der Trennung von fixiertem Einlagestoff vom Oberstoff
Bei Fixierungen, die mit einem Kleber auf
Copolyamid-Basis aufgebaut sind, (z.B. Nr. 1 D
1500A) nimmt die Haftung mit jedem Lösemittel
ab, wobei die Abnahme in Tetrachlorethen deutlich höher ist, als in komprimiertem Kohlendioxid).
Nach einer Finishbehandlung wird die Festigkeit
der Fixierungen in der Regel entscheidend verbessert. Unter den gewählten Finishbedingungen
wird sogar für die gereinigten Muster meist eine
bessere Haftung erzielt als für die Neuware.
Die in Tetrachlorethen unbeständigen Fixierungen können allerdings durch den Finishprozess
nicht wieder regeneriert werden. Zusammenfas-
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden verschiedene Knöpfe, bestehend aus allen
gängigen Materialien, mehrfach in komprimiertem Kohlendioxid gereinigt, um die Beständigkeit dieser Materialien zu ermitteln. In Tabelle 11
sind die unterschiedlichen Materialien zusammengestellt. Für die Reinigungsversuche in der
Pilotanlage bzw. Prototyp-Maschine wurden die
Knöpfe auf textilen Trägermaterialien befestigt.
Die Auswertung der gereinigten Knöpfe ergab,
dass lediglich bei einigen wenigen, aus Kunststoffen gefertigten Knöpfen erkennbare Beschädigungen durch das Reinigungsverfahren in komprimiertem CO2 hervorgerufen werden.
Bei verschiedenen Polyesterknöpfen wurden
mehrfach Bläschenbildungen auf Vorder- und
Rückseite festgestellt, die zu einer ungleichmäßigen Rauhigkeit der Oberfläche führen (Abb. 48).
Tabelle 11: Übersicht über die untersuchten Knopfmaterialien
Naturmaterial
Metall
Glas/Plexiglas
Kunststoff
Büffelhorn
Spritzgruß
Polyester
Steinnuss
Metallknopf mit Rengomail
Kunststoffknopf mit
Glassteinen
Hirschhorn
ABS 23
Perlmutt
ABS 11
Seite 42
Plexiglasknopf
Polyesterknopf mit
Plexiglaseinlage
Nylon
Acrylknopf mit
Nyloneinlage und
Milticolorfolie
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
material heraus. Bei dieser raschen Druckabsenkung ist die
Expansion des aufgenommenen CO2 in den Knöpfen und der
rasche Diffusionsprozess aus
dem Knopfmaterial heraus so
heftig, dass Bläschen und
Rissbildung an den Oberflächen
auftreten.
Diese zum Teil auch makroskoUnbehandelt
Unbehandelt
pisch erkennbaren Beschädigungen der Knopfoberfläche
können nur vermieden werden,
wenn der Entspannungsvorgang deutlich langsamer durchgeführt wird oder wenn durch
das gezielte Aufbringen einer
CO2-undurchlässigen Schicht
1x gereinigt
1x gereinigt
auf die Oberfläche des KnopfAbbildung 48: Beschädigungen bei Polyesterknöpfen durch den Ent- materials der Diffusionsprozess
in das Material verhindert wird.
spannungsprozess bei der CO2-Reinigung
Polyesterknopf
50-fache Vergrößerung
Sowohl bei Nylonknöpfen als
auch bei einem Acrylknopf mit
Nyloneinlage und Multicolorfolie wurde ebenfalls eine Beschädigung der Oberfläche
durch Pusteln bzw. Porösitäten festgestellt (Abb. 49).
Die Ursache für diese Oberflächenbeschädigung ist im
Entspannungsvorgang des
Reinigungsprozesses zu suchen: Während des Reinigungsprozesses diffundiert
das komprimierte CO2 langsam in die Knöpfe hinein.
Beim Entspannungsvorgang,
bei dem innerhalb von ca. 15
bis 30 Minuten der Arbeitsdruck in der Reinigungstrommel von ca. 60 bar auf Umgebungsdruck abgesenkt wird,
diffundiert das inkooperierte
CO2 wieder aus dem Knopf-
BPI HOHENSTEIN
Acrylknopf mit Nyloneinlage und Multicolorfolie
der Nyloneinlage
der Multicolorfolie
Unbehandelt
Unbehandelt
1x gereinigt
1x gereinigt
Abbildung 49: Beschädigungen bei einem Acrylknopf mit Nyloneinlage
und Multicolorfolie durch den Entspannungsprozess bei der CO2-Reinigung
Seite 43
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
4.1.5.3 Pailletten
Pailletten können u.a. aus Polyvinylchlorid
(PVC) oder Celluloseacetat bestehen. Die
Oberfläche dieses Basismaterials ist meist mit
einer Lackschicht versehen oder mit Metallen
bedampft, damit ein hoher Glanzeffekt entsteht.
Pailletten
Schematische
Darstellung
des Aufbaus einer
Paillette
Kunststoffplättchen aus
◆ Polyvinylchlorid
◆ Celluloseacetat
Decklack
Aussehen
◆ transparent
Kunststoffkörper
◆ durchgefärbt
◆ mit Metallbedampfung
und Lackschicht in
pp j
verschiedenen
Farbtönen
Reflexionsschicht
(Metallbedampfung)
Abbildung 50: Aufbau von Pailletten
Teilweise sind aber auch transparente und gefärbte Pailletten im Handel. Der schematische
Aufbau einer Paillette ist in Abb. 50 dargestellt.
Paillette aus PVC
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Wie die Auswertung der REM-Aufnahmen (Abb.
51) ergab, zeigen die aus Celluloseacetat bestehenden Pailletten nach der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid in der Pilot - sowie in
der Prototypanlage zum Teil eine deutliche
Rissbildung an der Oberfläche. Der bei neuen
und in Tetrachlorethen gereinigten Pailletten bestehende Glanz ist nach der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid weitgehend zerstört.
Bei Pailletten, die aus Polyvinlychlorid bestehen,
wurde nach der Reinigung in komprimiertem
Kohlendioxid eine Veränderung der Form festgestellt. Die Pailletten, die ursprünglich und auch
nach der Reinigung in Tetrachlorethen plan vorlagen, zeigten nach der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid eine schüsselförmige, konkave Form, wie durch die REM-Aufnahme in 15facher Vergrößerung optisch deutlich wird.
4.1.5.4 Reißverschlüsse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden Reißverschlüsse aus unterschiedlichen Materialien auf ihre Reinigungsbeständigkeit in komprimiertem Kohlendioxid untersucht. Die Metallund Kunststoffreißverschlüsse lagen als Spiralund Profilreißverschlüsse vor.
Paillette aus Celluloseacetat
Unbehandelt
Unbehandelt
1x gereinigt
1x gereinigt
Abbildung 51: REM-Aufnahmen der in CO2-gereinigten Pailletten
Seite 44
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
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Die Reißverschlüsse wurden nach einem und
nach drei Reinigungzyklen in komprimiertem
Kohlendioxid auf Oberflächenbeschädigungen
und Laufeigenschaften untersucht.
Weder an den Metallreißverschlüssen, noch an
den Kunststoffreißverschlüssen konnten Oberflächenveränderungen oder sonstige Beschädigungen festgestellt werden. Auch die Laufeigenschaften der Reißverschlüsse war unverändert
gut.
In einer Langzeituntersuchung in den Hochdruckautoklaven wurden die Reißverschlüsse
über ca. 100 Stunden flüssigem Kohlendioxid
ausgesetzt, dem zum Teil auch Wasser zugesetzt wurde. Durch die in regelmäßigen Abständen durchgeführte Rotation der Autoklaven im
Linitest wurde während der Langzeituntersuchung diskontinuierlich die Reinigungsmechanik simuliert.
Die optische Auswertung dieser Reißverschlüsse ergab auch hier keine Veränderung der Oberfläche. Eine Beeinträchtigung der Laufeigenschaften konnte im Rahmen dieser Langzeituntersuchung nicht festgestellt werden.
Die Gefahr einer Korrosionsbildung auf den Metalloberflächen der Reißverschlüsse kann durch
die Versuche mit Wasser-Zusatz ebenfalls ausgeschlossen werden.
4.2 Schmutzentfernung in
komprimiertem Kohlendioxid
Die Qualität eines Reinigungsverfahrens zeichnet sich neben einer hohen Warenschonung
auch durch ein hohes Schmutzablösevermögen
aus. Daher besteht ein weiterer zentraler
Schwerpunkt dieses Verbundvorhabens in der
Bestimmung und Optimierung des Schmutzablösevermögens bei der Behandlung in komprimiertem Kohlendioxid.
Für die Beurteilung dieses entscheidenden Qualitätskriteriums wurden aus diesem Grund Rei-
BPI HOHENSTEIN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
nigungsversuche bei unterschiedlichen Prozessbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten, die sowohl an der Pilotanlage als auch an der Prototypmaschine durchgeführt wurden, werden in diesem Kapitel ausführlich beschrieben.
Entscheidend für die Schmutzentfernung bei der
Textilreinigung sind im wesentlichen folgende Kriterien:
u
u
u
u
die Polarität des Lösemittels
die auf das Textil ausgeübte Mechanik
beim Reinigungsprozess
die Art des Schmutzes
die unterstützende Wirkung von
chemischen Hilfsmitteln.
Polarität des Lösemittels
Die Polarität des Lösemittels beeinflusst entscheidend das Schmutzentfernungsvermögen
in der Textilreinigung. Gemäß dem chemischen
Grundsatzprinzip: "Gleiches löst sich im Gleichen" sind unpolare Lösemittel, wie sie in der
Textilreinigung eingesetzt werden, nur in der
Lage, unpolare Schmutzkomponenten zu lösen.
Schmutzkomponenten mit einer höheren Polarität können von den unpolaren Lösemitteln, unabhängig davon, ob Tetrachlorethen, KWL-Lösemittel oder komprimiertes Kohlendioxid eingesetzt wird, nur in deutlich geringerem Umfang
gelöst werden.
Wie bereits in Kapitel 2 beschrieben, kann die
Polarität von komprimiertem Kohlendioxid durch
die beim Reinigungsprozess herrschenden Prozessbedingungen (Arbeitsdruck und Temperatur) in gewissen Grenzen variiert werden. Mit abnehmender Temperatur und mit zunehmendem
Druck steigt die Dichte von flüssigem Kohlendioxid. Parallel zur Dichte steigt auch die Polarität
von verflüssigtem Kohlendioxid an, wie aus der
Abbildung 9 anhand des Hildebrand-Löslichkeitsparameters deutlich wird. Unter technisch und
wirtschaftlich vertretbaren Praxisbedingungen
sind aber die Möglichkeiten zur Variierung der
Polarität von komprimiertem Kohlendioxid sehr
Seite 45
SUBSTITUTION VON
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begrenzt, da für eine signifikante Erhöhung der
Polarität Arbeitsdrucke von mehreren 100 bar
notwendig sind und dies eine extrem aufwendige und damit teure Maschinentechnologie erfordert.
Mechanik des Reinigungsprozesses
Durch das kontinuierliche Rollieren der Reinigungstrommel wird das Reinigungsgut aus dem
Lösemittelbad herausgehoben und fällt zurück
in die Reinigungsflotte. Durch dieses kontinuierliche Anheben und Fallen der Ware wird eine
Mechanik auf das Reinigungsgut ausgeübt, die
den Schmutzablöseprozess nachhaltig beeinflusst. Da eine zu hohe Reinigungsmechanik
aber auch zu Textilschädigungen führen kann,
muss hier ein Kompromiss gefunden werden,
dessen Ziel lautet:
Maximale Schmutzablösung bei
minimaler Textilschädigung
Die Mechanik des Reinigungsprozesses wird
u.a. durch folgende Parameter beeinflusst:
u Trommelkonstruktion (z.B. Anordnung der
Mitnehmerrippen)
u Fallhöhe
u Beladungsverhältnis
u Flottenverhältnis
u Umdrehungsgeschwindigkeit der
Reinigungstrommel
u Physikalisch-chemische Eigenschaften des
Lösemittels (Dichteverhältnis flüssig/gasförmig, Viskosität, Oberflächenspannung)
Schmutzarten
Ein weiterer, wesentlicher Faktor für die
Schmutzentfernung ist die Art des Schmutzes.
Für die Charakterisierung des Schmutzentfernungsvermögens ist die Einteilung in vier unterschiedliche Schmutzklassen sinnvoll.
Diese vier Schmutzklassen sind:
u lösemittellöslicher Schmutz
u in Lösemittel und Wasser unlöslicher
Schmutz (Pigmente)
Seite 46
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
u wasserlöslicher Schmutz
u wässrig quellbarer Schmutz
In der Gruppe der lösemittellöslichen Schmutzarten sind unpolare organische Substanzen wie
Fette und Öle einzuordnen, die sowohl in
Tetrachlorethen, KWL-Lösemittel und komprimiertem Kohlendioxid sehr gut löslich sind. Bei
dieser Schmutzklasse ist die Schmutzentfernung in der Textilreinigung in aller Regel unproblematisch.
Pigmentschmutz ist sowohl in Wasser als auch
in Lösemitteln unlöslich. Dieser Schmutz kann
nur durch die Unterstützung der Reinigungsmechanik von der Textiloberfläche abgelöst werden.
Damit die Redeposition der abgelösten Pigmente auf dem Reinigungsgut vermieden wird, muss
die Reinigungsflotte über ein hohes Schmutztragevermögen verfügen und der Pigmentschmutz durch kontinuierliche Filtration entfernt
werden.
Das Schmutztragevermögen wird bei herkömmlichen Textilreinigungsprozessen in Tetrachlorethen oder KWL-Lösemittel durch Tensidsysteme (Reinigungsverstärker) erreicht. Für das Lösemittel Kohlendioxid stehen derzeit keine Tensidsysteme zur Verfügung. Durch die kontinuierliche Filtration der Reinigungsflotte über spezielle Filtersysteme wird während des Reinigungsvorgangs der abgelöste Pigmentschmutz
aus der Reinigungsflotte abgetrennt, wodurch die
Redeposition der Pigmente auf dem Reinigungsgut reduziert wird.
Wasserlöslicher Schmutz ist in den Lösemitteln,
die in der Textilreinigung eingesetzt werden, aufgrund der hohen Polaritätsdifferenz weitestgehend unlöslich.
Bei den herkömmlichen Reinigungsprozessen
mit Tetrachlorethen und KWL-Lösemitteln kann
durch Zusatz von Wasser in die Tensidsysteme dieser wasserlösliche polare Schmutz entfernt werden. Bei komprimiertem Kohlendioxid
ist diese Möglichkeit der Schmutzentfernung aufgrund der nicht vorhandenen Tenside derzeit
noch nicht gegeben.
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
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Unter wässrig quellbarem Schmutz versteht man
meist organische, hochmolekulare Substanzen,
die Wasser aufsaugen, dabei aufquellen und
schließlich in zähflüssige, echte oder kolloidale
Lösungen übergehen. Hier ist analog zu den wasserlöslichen Schmutzkomponenten der Zusatz
von Wasser in die Tensidsysteme notwendig,
um diese Substanzen bei der Textilreinigung entfernen zu können.
Chemische Hilfsmittel (Reinigungsverstärker)
Zur Unterstützung der Schmutzentfernung werden bei herkömmlichen Reinigungsprozessen
tensidhaltige, chemische Hilfsmittel, sogenannte Reinigungsverstärker, zugegeben. Diese Reinigungsverstärker erhöhen die Benetzung des
Reinigungsgutes mit Lösemittel, verleihen der
Reinigungsflotte ein hohes Schmutztragevermögen und unterstützen, wie bereits beschrieben,
die Entfernung von polaren, wasserlöslichen und
wässrig-quellbaren Schmutz.
Wie Vorversuche ergeben haben, können die in
Tetrachlorethen oder KWL-Lösemitteln verwendeten Tensidsysteme nicht in dem Lösemittel
CO2 eingesetzt werden. Für die Textilreinigung
mit komprimiertem Kohlendioxid stehen daher
derzeit noch keine geeigneten Reinigungsverstärker zur Verfügung.
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
4.2.1 Ablösung von unpolaren Schmutzkomponenten
Unpolare Schmutzkomponenten wie Fette und
Öle besitzen eine hohe Löslichkeit in komprimiertem Kohlendioxid. Daher kann bei diesen
Schmutzkomponenten eine hohe Schmutzentfernung erwartet werden.
Innerhalb dieser Schmutzklasse sind unterschiedliche Schmutzkomponenten zusammengefasst, die sich in ihrem chemischen Aufbau
deutlich voneinander unterscheiden (z.B. Speiseöl, Mineralöl). Daher wurden Testschmutzgewebe mit unterschiedlichen Fettarten und Fettmischungen eingesetzt. Die Untersuchungen
wurden sowohl an der Pilotanlage als auch an
der Prototyp-Maschine durchgeführt.
Die Auswertung der Schmutztestgewebe erfolgte durch Extraktion mit FCKW 113 und Infrarotspektroskopie in Anlehnung an DIN 38409 H 18.
Zur Bewertung des Fettablösevermögens wurden die eingesetzten Testgewebe sowohl in CO2
auch in Tetrachlorethen gereinigt. Die Untersuchungsergebnisse sind in Abbildung 52 wiedergegeben.
Schmutzentfernung -Fettmischung(pflanzliche, tierische und mineralische Fette)
Kohlendioxid
(12-20°° C)
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2)
100
8.2
ohne
H2O
8.1
2%
H2O
10 %
H2O
ohne
H2O
2%
H2O 1)
2%
H2O 2)
10 %
H2O 2)
96%
90
Ablösung (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1) Dosierpumpe 1ml/min
2) Manuelle Zugabe
Abbildung 52: Entfernung von unpolaren Schmutzkomponenten in komprimiertem Kohlendioxid bzw. Tetrachlorethen
BPI HOHENSTEIN
Seite 47
SUBSTITUTION VON
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Wie aus dieser Abbildung deutlich wird, haben
die Reinigungsversuche die zuvor beschriebenen Erwartungen erfüllen können, da auf den gereinigten Schmutztestgeweben keine Fettsubstanzen mehr bestimmt werden konnten. Die
Ablösequote betrug damit sowohl bei der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid als auch
in Tetrachlorethen >96 %. Dieses hohe Fettablösevermögen wurde sowohl für Hautfett als
auch für pflanzliche, tierische und mineralische
Fette nachgewiesen. Diese Untersuchungsergebnisse belegen, dass das Lösemittel Kohlendioxid eine gleichwertige Schmutzablösekraft für
unpolare Schmutzkomponenten wie Fette und
Öle besitzt, wieTetrachlorethen.
Die Untersuchungen zur Entfernung der unpolaren Schmutzkomponenten wurden bei den
Temperaturen von 12 °C, 15 °C und 20 °C und
bei einer Flottenhöhe von 20 % (ca. 70 kg flüssiges CO2) und 30 % (ca. 100 kg flüssiges CO2)
durchgeführt. Die Füllhöhe bezieht sich auf den
Durchmesser der Außentrommel. Ein signifikanter Einfluss der Temperatur oder des Flottenstandes auf die Schmutzentfernung konnte innerhalb dieser Grenzen allerdings nicht festgestellt werden.
4.2.2 Ablösung von polaren Schmutzkomponenten
Unter dem Begriff "polare Schmutzkomponenten" sind wasserlösliche und wässrig quellbare
Schmutzkomponenten zusammengefasst. Zur
Untersuchung des Ablösevermögens für wasserlösliche Schmutzkomponenten in komprimiertem Kohlendioxid wurden im Bekleidungsphysiologischen Institut Hohenstein zwei Testschmutzgewebe entwickelt, welche Natriumchlorid (NaCl) bzw. den wasserlöslichen Farbstoff "Palatin-Echtblau GGN" enthalten.
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
wickeldocke zum Foulard (Kontinue-Anlage) geführt, durch die ca. 20 °C warme Salzlösung geleitet und zwischen zwei Walzen abgequetscht
(Abquetscheffekt 80%). Anschließend wurde die
Ware bei 110 °C getrocknet, abgekühlt und zur
Aufrolldocke überführt.
Der Farbstoff (6g/l Wasser) wurde auf ein Gewebe aus 100 % Polyester aufgebracht. Dieses
Gewebe wurde in einem Waschbad bei 70 °C
vorgewaschen und getrocknet. Im Anschluss erfolgte das Aufbringen des Farbstoffes. Bei dem
verwendeten Farbstoff handelt es sich um einen Wollfarbstoff, welcher mit Polyesterfasern
keine echte Bindung eingehen kann. Das bedeutet, dass der Farbstoff sehr schlechte Echtheiten auf dieser Faser hat. Der Farbstoff wurde
bei 60 °C dispergiert und in die restliche Flotte
eingerührt. Die Ware durchlief das auf ca.
30 °C temperierte Färbebad und einen anschliessenden Trocknungsprozess. Die angefärbten Gewebebahnen wurden in kleine Prüfmuster geschnitten, auf ein Trägergewebe aufgenäht und als Testmaterial eingesetzt.
Die Auswertung des NaCl-Testschmutzgewebes erfolgte mittels wässriger Extraktion und
anschließender Titration zur quantitativen Bestimmung des Restsalzgehaltes auf dem Testschmutzgewebe. Die Auswertung des wasserlöslichen Farbstoffes erfolgte farbmetrisch.
Wie aus Abbildung 53 deutlich wird, besitzen sowohl Tetrachlorethen als auch komprimiertes
Kohlendioxid nur ein sehr geringes Schmutzentfernungsvermögen für Salze. Die Reinigungsversuche in der Prototyp-Maschine ergaben eine
maximale Salzablösung von ca. 8 %. Durch Zusatz von Wasser in die Reinigungsflotte konnte
die Salzablösung nicht wesentlich verbessert
werden.
Für die Herstellung der beiden Testschmutzgewebe wurde ein kontinuierliches Auftragsverfahren eingesetzt.
Das Salz-Ablösevermögen von komprimiertem
Kohlendioxid war innerhalb des untersuchten
Temperaturbereichs (12°C-20 °C) und Flottenhöhe (20-30%) unabhängig von den Prozessbedingungen.
Das Natriumchlorid (100 g NaCl/l Wasser) wurde in kurzer Flotte heiss gelöst und dann in die
restliche Wassermenge eingerührt. Zum besseren Netzen wurde ein Netzmittel zugefügt. Als
Trägermaterial wurde ein Gewebe aus 100 %
Baumwolle in Leinwand-Bindung eingesetzt.
Die Ware wurde durch Walzenantrieb an der Ab-
Die Untersuchungen, die mit dem farbstoffhaltigen Testgewebe (Abb. 54) durchgeführt wurden,
zeigen, dass auch hier die Ablösung des wasserlöslichen Farbstoffes sowohl in Tetrachlorethen als auch in komprimiertem Kohlendioxid
nicht optimal ist.
Seite 48
BPI HOHENSTEIN
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Entfernung Salze (NaCl)
Kohlendioxid
(ca. 60 bar/12-20°°C)
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2)
100
8.2
ohne
H2O
8.1
2%
H2O
10 %
H2O
ohne
H2O
2%
H2O 1)
2%
H2O 2)
10 %
H2O 2)
Ablösung (%)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2) Manuelle Zugabe
Abbildung 53: Entfernung von Salzen in komprimiertem Kohlendioxid
bzw. Tetrachlorethen
Entfernung wasserlöslichen Schmutzes
-Wasserlöslicher Farbstoff-
Ausgang
100
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2)
8.2
ohne
H2O
8.1
2%
H2O
10 %
H2O
Kohlendioxid
(ca. 60 bar/12-20°° C)
ohne
H2O
2%
H2O 1)
2%
H2O 2)
10 %
H2O 2)
Aufhellung (%)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2) Manuelle Zugabe
Abbildung 54: Entfernung des wasserlöslichen Farbstoffs "Palantin-Echtblau GGN" von Polyestergewebe in
komprimiertem Kohlendioxid bzw. Tetrachlorethen
BPI HOHENSTEIN
Seite 49
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Während bei der Reinigung in Tetrachlorethen
eine geringe Aufhellung festzustellen ist, die
durch Wasserzusatz noch leicht gesteigert werden kann, ist bei der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid keine signifikante Aufhellung
zu beobachten. Hierbei stimmen die an der Prototyp-Maschine ermittelten Werte mit den Ergebnissen der Pilotanlage überein.
Für die Untersuchungen zur Entfernung von
wässrig-quellbarem Schmutz wurde ein Baumwolltestgewebe verwendet, welches Proteine
enthält. Dieses Testschmutzgewebe ist charakteristisch für Speiseflecken.
Die Auswertung der gereinigten Testgewebe erfolgt durch Elution und photometrische Quantifizierung eines Protein-Kupfer-Komplexes.
Das Testschmutzgewebe wurde sowohl in der
Pilotanlage als auch in der Prototyp-Maschine
bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen
12 °C und 20 °C gereinigt.
In Abbildung 55 ist die in komprimiertem Koh-
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
lendioxid erzielte Proteinablösung der Proteinablösung in Tetrachlorethen gegenübergestellt.
Wie aus dieser Abbildung deutlich wird, unterscheiden sich die beiden Lösemittel in ihrem Ablösevermögen für Proteine nicht wesentlich.
Vergleicht man die reinen Lösemittel, ohne Zusatz von Reinigungsverstärker oder Wasser,
besitzt komprimiertes Kohlendioxid aber mit ca.
20 % eine etwa doppelt so hohes Proteinablösevermögen wie Tetrachlorethan. Auch hier
stimmen die Ergebnisse der Pilotanlage mit den
Ergebnissen der Prototyp-Maschine weitgehend
überein.
Durch den Zusatz von Reinigungsverstärkern
kann das Protein-Ablösevermögen von Tetrachlorethen allerdings noch deutlich auf ca. 3035% gesteigert werden. Daher ist davon auszugehen, dass auch für komprimiertes Kohlendioxid das Protein-Ablösevermögen signifikant
erhöht werden kann, wenn wirksame Tenside
für dieses Lösemittel verfügbar sind.
Schmutzentfernung - Proteine
Kohlendioxid
(12 - 20° C)
ohne H2O
100
2% H2O
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2)
8.1
ohne RV
8.1
ohne H2O
8.1
2% H2O
Ablösung (%)
90
80
70
60
50
40
30
mit RV
mit RV
20
10
0
RV = Reinigungsverstärker
Abbildung 55: Entfernung von Proteinen mittels komprimiertem Kohlendioxid bzw. Tetrachlorethen
Seite 50
BPI HOHENSTEIN
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
4.2.3 Ablösung von Pigmentschmutz
Ein weiteres Qualitätskriterium für einen Textilreinigungsprozess ist das Ablösevermögen für
Pigmentschmutz. Pigmente sind wasser- und
lösemittelunlöslich, weshalb für die Ablösung der
Pigmente von der Faseroberfläche die einwirkende Reinigungsmechanik und Tenside eine
besonders große Rolle spielen.
Ist der Pigmentschmutz an ölige, fettartige Substanzen gebunden, werden die Pigmente durch
die rasche Ablösung dieser unpolaren Begleitschmutzkomponenten freigesetzt und können
daher in höherem Maße in die Reingungsflotte
überführt werden. Durch die im Laufe des Reingungsprozesses auftretende elektrostatische
Aufladung der Textilfasern wird der bereits abgelöste Pigmentschmutz zum Teil wieder von
den Textilfasern angezogen. Die Folge dieser
Anziehung ist die Redeposition der Pigmente auf
den Fasern, woraus eine Vergrauung der Materialien resultiert. Um diese Vergrauung zu vermeiden, muss der abgetragene Pigmentschmutz schnellstmöglich aus der unmittelbaren Fasernähe gebracht werden. Dies ist durch
die Umwälzung der Flotte über einen Filter möglich. Jedoch lässt sich die Vergrauung dadurch
nur verringern, nicht vollständig vermeiden.
Durch den Zusatz von antistatisch wirkenden
Produkten kann die Vergrauung nochmals reduziert werden. In Abbildung 56 ist die durch die
elektrostatische Aufladung der Faser hervorgerufene Redeposition der Pigmente schematisch
dargestellt.
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Für die Bewertung des Pigmentablösevermögens von komprimiertem Kohlendioxid wurden
unterschiedliche Testgewebe ausgewählt:
u
Testgewebe mit rußhaltigem
Pigmentschmutz
Testgewebe mit kakaohaltigem
Pigmentschmutz
Testgewebe mit Eisenoxid-Pigmenten
u
u
Diese Testgewebe wurden sowohl in der Pilotanlage als auch in der Prototyp-Maschine gereinigt. Während des Reinigungsprozesses wurde die Flotte kontinuierlich über die vorhandenen Filtereinrichtungen gepumpt.
Die Auswertung der Testgewebe erfolgte farbmetrisch. Das eisenoxidhaltige Pigmentschmutzgewebe wurde zusätzlich durch die
chemische Quantifizierung des Eisengehaltes
ausgewertet.
Farbmetrische Bestimmung der Entfernung von
rußhaltigem Pigmentschmutz
Kohlendioxid (flüssig)
(12 - 20 °C)
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2)
50
Aufhellung (∆L)
SUBSTITUTION VON
8.2
ohne
H2O
8.1
2%
H2O
10 %
H2O
ohne
H2O
2%
H2O 1)
2%
H2O 2)
10 %
H2O 2)
40
30
20
10
0
2) Manuelle Zugabe
Abbildung 57: Entfernung von rußhaltigem Pigmentschmutz in komprimiertem Kohlendioxid bzw. Tetrachlorethen
In Abbildung 57 ist das Untersuchungsergebnis
des rußhaltigen Pigmentschmutztestgewebes
dargestellt. Wie aus dieser Abbildung deutlich
wird, konnte bei der Reingung in Tetrachlorethen
konnte eine doppelt so hohe Aufhellung gegenüber der Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid erreicht werden.
Abbildung 56: Redeposition von Pigmenten durch elektrostatische Aufladung der Fasern
BPI HOHENSTEIN
Seite 51
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
eisenoxidhaltigem Pigmentschmutz
(12 - 20 °C)
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2)
Aufhellung (∆L)
40
8.2
ohne
H2O
8.1
2%
H2O
10 %
H2O
ohne
H2O
2%
H2O 1)
2%
H2O 2)
10 %
H2O 2)
30
20
10
0
2) Manuelle Zugabe
Abbildung 58: Entfernung von eisenoxidhaltigem Pigmentschmutz in komprimiertem Kohlendioxid bzw. Tetrachlorethen
kakaohaltigem Pigmentschmutz
(12 - 20 °C)
Tetrachlorethen
(ISO 3175-2)
Aufhellung (∆L)
20
8.2
ohne
H2O
8.1
2%
H2O
10 %
H2O
ohne
H2O
2%
H2O 1)
2%
H2O 2)
10 %
H2O 2)
15
10
5
0
2) Manuelle Zugabe
Abbildung 59: Entfernung von kakaohaltigem Pigmentschmutz in komprimiertem Kohlendioxid bzw. Tetrachlorethen
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BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Die Auswertung des kakaohaltigen Pigmentschmutzgewebes ergab unabhängig vom Lösemittel ebenfalls nur eine sehr geringe Aufhellung.
Durch den Zusatz von Wasser konnte bei der
Reinigung in Tetrachlorethen allerdings noch
eine geringe Erhöhung der Pigmententfernungsrate realisiert werden (Abb. 59).
Kohlendioxids zurückzuführen ist.
Da das Dichteverhältnis zwischen flüssiger Phase und Gasphase bei dem Reinigungsprozess
in komprimiertem Kohlendioxid deutlich geringer
ist als bei Reinigungsprozessen in Tetrachlorethen oder Wasser und flüssiges Kohlendioxid
nur eine sehr geringe Oberflächenspannung und
Viskosität besitzt, entsteht in der drehenden Reinigungstrommel eine deutlich geringere Reinigungsmechanik, die sich in einem reduzierten
Pigmentablösevermögen auswirkt. Im Gegensatz zu dem Reinigungsprozess in Tetrachlorethen stehen für das Lösemittel derzeit auch
keine wirksamenTenside zur Verfügung, um die
Pigmentablösekraft zu erhöhen.
Anhand dieser Ergebnisse wird deutlich, dass
die Pigmentablösung in komprimiertem Kohlendioxid zum Teil noch deutlich geringer ist als in
Tetrachlorethen. Eine Ursache hierfür liegt in der
geringeren Reinigungsmechanik, die auf die
physikalisch-chemischen Eigenschaften des
Durch die Entwicklung derartiger Tenside kann
die Ablösung der Pigmente unterstützt, die elektrostatische Aufladung der Textilien vermindert
und das Schmutztragevermögen der reinigungsflotte durch Micellbildung erhöht werden.
Die Auswertung des eisenhaltigen Pigmentschmutzgewebes ergab keine signifikante Aufhellung nach der Reinigung in flüssigem Kohlendioxid (Abb. 58). Durch die chemische Rückstandsbestimmung konnte eine Eisenablösung
zwischen 10 % und 20 % nachgewiesen werden.
BPI HOHENSTEIN
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SUBSTITUTION VON
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CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
5. Zusammenfassung und Bewertung
Das Verbundvorhaben "Substitution von chlorhaltigen Lösemitteln durch natürliche Einsatzstoffe" ist in drei Teilvorhaben gegliedert:
u Teil 1:
Wissenschaftlich-technische
Erforschung;
BPI Hohenstein
u Teil 2:
Hochdrucktechnik;
Bio-Ingenieurtechnik
Projektkoordinator: Bekleidungsphysiologisches
Institut Hohenstein e.V.
Das vorliegende Dokument ist die Zusammenfassung der Arbeitsergebnisse aller drei Teilvorhaben (Berichtszeitraum 01.08.1997 bis
31.12.1999).
u Teil 3: Prototypische Anlagenerstellung;
BÖWE Garment Care Systems
Das Ziel dieses Verbundvorhabens ist die Erforschung von komprimiertem Kohlendioxid als
Lösemittel in der Textilreinigung.
Im Rahmen dieses Projektes wurde hierfür eine
Kooperationsplan
Erstellung einer Gesamtkonzeption und
gemeinsame Festlegung der Einzelsegmentkonstruktion
Entwicklung eines Reinigungsund Filtrationsverfahrens
Gemeinsame Ausarbeitung eines Koordinationsplans
BÖWE GCS
Konstruktion und Fertigung
der Grundsegments
(Hochdruck)
BIO-Ingenieurtechnik
periphärer Hochdruckelemente (Filtration,
Regenerations- und Zudosiereinheit, Messeinrichtungen)
BÖWE GCS
Textiltechnologische Prüfungen
zur Beständigkeit
von Textilien, Färbungen
und Zutaten im
komprimiertem CO2
BPI Hohenstein
➩
➩
➩
Entwicklung und Aufbau
eines
Steuer- und Regelsystems
BPI Hohenstein
➩
BÖWE GCS
➩
➩
der Grundsegments
(Textilreinigung)
Textiltechnologische Prüfungen
zur Schmutzentfernung in
komprimiertem CO2
➩
BPI Hohenstein
Betreuung der
Prototypmaschine
Abbildung 60: Arbeitsteilung der Verbundpartner
BPI HOHENSTEIN
Seite 55
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Prototyp-Textilreinigungsmaschine entwickelt, in
welcher die Funktionen von herkömmlichen Textilreinigungsmaschinen mit der Hochdrucktechnologie kombiniert wurden. Für diese PrototypMaschine wurden Reinigungsverfahren entwikkelt, mit deren Hilfe die Untersuchungen zur
Beständigkeit von Textilien, Färbungen, Drucken,
Ausrüstungen und Zutaten durchgeführt wurden.
Desweiteren erfolgten Reinigungsversuche zum
Schmutzlösevermögen von komprimiertem Kohlendioxid.
Die entwickelte Reinigungsmaschine besitzt
eine Kapazität von 10 kg Reinigungsgut pro
Charge. Die Reinigungsmechanik wird durch
eine perforierte, mit Mitnehmerrippen ausgestattete drehende Reinigungstrommel erzeugt.
Abbildung 61: Frontansicht der Prototyp-Maschnine
Während des Reinigungsprozesses wird das
komprimierte Kohlendioxid kontinuierlich über ein
Filtersystem im Kreislauf geführt. Das Filtersystem dient der Abtrennung von Pigmentschmutz. Durch diese Pigmentabtrennung aus
der Reinigunsflotte wird die Redeposition des
abgelösten Pigmentschmutzes verringert und
dadurch die Vergrauung der Textilien minimiert.
Nach dem Reinigungsvorgang wird die Reinigungsflotte in einer Destillation aufgearbeitet,
damit diese ohne Qualitätseinbußen in der nachfolgenden Charge eingesetzt werden kann. Die
Destillation der Reinigungsflotte erfolgt weitgehend isothermisch durch Druckvariation.
Seite 56
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Die destillierte Reinigungsflotte wird in einen
Reintank überführt. Für ein Zweibad-Verfahren
steht außerdem ein weiterer Arbeitstank zur Verfügung.
Das nach dem Abpumpen der flüssigen Reinigungsflotte noch in der Reinigungstrommel vorhandene gasförmige CO2 wird mit Hilfe eines
Kompressors ebenfalls in die Vorlagenbehälter
geführt und steht somit zusätzlich dem nächsten Reinigungsprozess wieder zur Verfügung.
Mit Hilfe von Heiz- und Kühlelementen kann die
Arbeitstemperatur während des Reinigungsprozesses eingestellt werden.
Die großdimensionierte Tür der Reinigungsmaschine gestattet ein bequemes Be- und Entladen der Reinigungstrommel. Die Tür kann durch
einen ENRIMAT®-Schnellverschluss innerhalb
weniger Sekunden geöffnet bzw. druckfest verriegelt werden. Durch ein intelligentes Sicherheitssystem bleibt die Tür verriegelt, sobald ein
Überdruck in der Reinigungstrommel gemessen
wird.
Für den Betrieb der Reinigungsmaschine wurde ein SPS-basiertes modulares Steuerungssystem mit der Bezeichnung Carbo-Control entwickelt. Diese Steuerung gestattet die Bedienung
der Reingungsmaschine direkt über PC-Bildschirm. Die Verbindung zwischen dem PC und
der Carbo-Control-Steuerung erfolgt über eine
serielle Schnittstelle RS 232. Über ein Modem
können die aktuellen Daten der Reinigungsmaschine über das öffentliche Telefonnetz an den
Anlagenhersteller übertragen werden, was bei
technischen Problemen die Möglichkeit zur raschen online-Fehlerdiagnose durch den Hersteller eröffnet. Neben der Fehlerdiagnose ermöglicht das Carbo-Control -Steuerungssystem
auch die Übertragung aller intern gespeicherter
Daten wie Chargenzahl, Wartungsprogramme,
Chargenzeiten und eine Fernsteuerung der Reinigungsmaschine.
Die textiltechnologischen Forschungsarbeiten
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
zur Ermittlung der Beständigkeit der Textilien und
zur Erforschung des Schmutzablösevermögens
des komprimierten Kohlendioxids wurden im
Rahmen von Vorversuchen zunächst an der von
der Linde AG bereitgestellten Pilotanlage, später, nach der Entwicklung und Montage der Prototyp-Maschine auch unter Praxisbedingungen
durchgeführt.
Aus verfahrenstechnischer Sicht bestehen für die
Textilreinigung in komprimiertem Kohlendioxid
optimale Prozessbedingungen bei einem Arbeitsdruck von ca. 50 - 60 bar und einer Arbeitstemperatur zwischen 10°C und 20°C. Unter diesen
Prozessbedingungen wurden die beschriebenen
Forschungsarbeiten zur Beständigkeitsprüfung
und zur Ermittlung des Schmutzentfernungsvermögens durchgeführt. Teilweise erfolgte bei den
Reingungsprozessen in komprimiertem Kohlendioxid eine Zugabe von Wasser.
Durch die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnisse wurde belegt, dass sowohl die textilen Fasern als auch
die konfektionierten Textilien bei einer Reinigung
in komprimiertem CO2 eine gute Beständigkeit
aufweisen. Die Arbeiten haben gezeigt, dass bei
der Reinigung in komprimierten Kohlendioxid
durch den Wegfall des Trocknungsprozesses
die Textilien einer geringeren thermischen und
mechanischen Belastung unterliegen als bei herkömmlichen Reinigungsprozessen mit Tetrachlorethen. Sowohl die ermittelte Maßänderung
der Textilien als auch die Stabilitätsprüfungen der
Lederimitate und die Funktionsprüfung von Wetterschutzmaterialien bestätigen dies.
Die Beständigkeitsprüfungen haben ausserdem
gezeigt, dass Färbungen, Drucke, Ausrüstungen und Fixiereinlagen durch den Reinigungsprozess in komprimiertem Kohlendioxid nicht
stärker beeinträchtigt werden als bei herkömlichen Reinigungsprozessen in Tetrachlorethen.
Insbesondere bei einigen Ausrüstungen und Fixiereinlagen konnte sogar eine bessere Beständigkeit festgestellt werden.
Kritisch hingegen ist die Stabilität einiger nicht-
BPI HOHENSTEIN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
textiler Zutaten zu bewerten. Insbesondere
Kunststoffknöpfe aus Polyester und Nylon neigen zu Oberflächenveränderungen. Aber auch
Pailletten werden in ihrer Form und Oberflächenbeschaffenheit teilweise beeinträchtigt. Diese
Beeinträchtigung ist allerdings nicht auf die Löseeigenschaften des komprimiertem Kohlendioxids zurückzuführen, sondern hängen direkt mit
der Verfahrensführung des Reinigungsprozesses zusammen. Die durchgeführten Arbeiten
ergaben, dass entscheidend für die Beeinträchtigung der Oberflächenqualität die Zeitdauer des
Entspannungsvorgang beim Reinigungsprozess
ist.
Die Untersuchungen zum Schmutzentfernungsvermögen des Reingungsprozesses in komprimiertem Kohlendioxid haben deutlich gemacht,
dass komprimiertes Kohlendioxid ein gleichwertig hohes Reinigungsvermögen für unpolare
Schmutzkomponenten wie Fette und Öle besitzt
wie Tetrachlorethen. Mit Hilfe von unterschiedlichen Testschmutzgeweben wurde ein Schmutzentfernungsvermögen von > 96 % ermittelt.
Polare, wasserlösliche oder wässrig quellbare
Schmutzkomponenten, wie Salze oder Proteine können durch die Reinigung in komprimiertem Kohlendioxid lediglich zu ca. 10 % bis
20 % - und damit in nicht ausreichendem Umfang - aus den Textilien entfernt werden. Vergleichsmessungen in Tetrachlorethen ergaben,
dass auch hier bei einem Verzicht auf Reinigungsverstärker eine vergleichbar geringe
Schmutzentfernung resultiert.
Die Ursache für die geringe Schmutzentfernung
dieser polaren Schmutzkomponenten ist in der
hohen Polaritätsdifferenz und damit in der geringen Löslichkeit der polaren Schmutzkomponenten in den unpolaren Lösemitteln zu suchen.
kann bei dem Reinigungsverfahren mit Tetrachlorethen das Schmutzentfernungsvermögen
für diese polaren Komponenten deutlich erhöht
werden.
Da derzeit keine Reinigungsverstärker für die
Seite 57
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
Textilreinigung in komprimiertem Kohlendioxid
zur Verfügung stehen, ist eine Steigerung des
Schmutzentfernungsvermögens für polare Substanzen bei der Textilreinigung in komprimiertem Kohlendioxid derzeit nicht möglich.
Analog zur Entfernung von polaren Schmutzkomponenten wurde auch bei Pigmentschmutz
nur eine geringe Schmutzablösung festgestellt.
Dies wurde wiederum sowohl für komprimiertes Kohlendioxid als auch für Tetrachlorethen ermittelt, wenn hier ebenfalls auf den Zusatz von
Reinigungsverstärker verzichtet wurde.
Da aufgrund der geringeren Reinigungsmechanik in komprimiertem Kohlendioxid (geringer
Dichteunterschied zwischen Reinigungsflotte
und Gasphase) die Pigmentablösung zusätzlich
erschwert ist, weisen die Reinigungsverfahren
in Tetrachlorethen aber eine etwas höhere Pigmentablösung auf.
Die Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass ein
Zusatz von Reinigungsverstärkern sowohl bei
Tetrachlorethen als auch bei komprimiertem Kohlendioxid unbedingt notwendig ist, um der Reinigungsflotte ein hohes Schmutztragevermögen zu
verleihen und die Redeposition der abgelösten
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Pigmente auf den Fasern zu verhindern.
Zusammenfassend kann grundsätzlich festgestellt werden, dass komprimiertes Kohlendioxid
ein mit Tetrachlorethen vergleichbar hohes
Schmutzentfernungsvermögen für unpolare
Schmutzkomponenten besitzt.
kann bei der Textilreinigung in Tetrachlorethen
das geringe Reinigungsvermögen für polare
Schmutzkomponenten und Pigmentschmutz
deutlich gesteigert werden. Da derartige Reinigungsverstärker für die Textilreinigung in komprimiertem Kohlendioxid derzeit nicht zur Verfügung stehen, kann bei der Textilreinigung in komprimiertem Kohlendioxid noch keine ausreichende Reinigungswirkung für polare Schmutzkomponenten erzielt werden.
Damit das ökologisch neutrale Kohlendioxid zu
einer gleichwertigen Alternative zu den bestehenden Lösemitteln weiterentwickelt werden
kann, ist daher die Entwicklung von tensidhaltigen Reinigungsverstärkern und die Optimierung
der Maschinentechnologie für diese Anwendung
unumgänglich.
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6.
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Danksagung
Für die finanzielle Unterstützung der Forschungsarbeiten durch das Bundesministerium für Bildung
und Forschung (BMBF) sowie für die fachliche
und administrative Begleitung des Vorhabens
durch den Projektträger Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) sprechen wir unseren herzlichen Dank aus.
Der Forschungsstelle Textilreinigung e.V. danken wir für die Förderung dieses Projektes.
Wir danken den Projektpartnern BÖWE Garment Care Systems und Bio-Ingenieurtechnik
für die konstruktive Zusammenarbeit und freundschaftliche Atmosphäre bei den gemeinsamen
Arbeitssitzungen.
Der LINDE AG danken wir für die technische und
fachliche Unterstützung dieses Projektes, und
für die Bereitstellung der Pilotanlage und des
Vorratstanks für das flüssige Kohlendioxid.
Der Firma Siegfried Kempe, Apparate- und Behälterbau, danken wir ebenfalls für die gute Zusammenarbeit.
Herrn Prof. Dr. Manfred Wentz danken wir herzlich für die Zusammenarbeit bei den Beständigkeitsprüfungen der Färbungen.
BPI HOHENSTEIN
Ein ganz besonderer Dank gilt Herrn Schacke
und Herrn Strohhäcker für die tatkräftige Unterstützung bei den Montagearbeiten der PrototypMaschine.
Ebenfalls ein ganz besonderer Dank gilt Frau
Eugenie Bockelmann und Herrn Jürgen Tagge
vom Forschungsinstitut Hohenstein, die durch
ihre enorme fachliche Kompetenz auf dem Textilgebiet und ihre ständige Diskussionsbereitschaft wesentlich dazu beigetragen haben, die
forscherische Ebene mit der Praxis der Textilreinigung zu verbinden.
Frau Bopp und Ihrem Team danken wir für die
analytische Präzisionsarbeit.
Ganz herzlichen Dank auch an Frau Kurz und
Frau Jentsch für die übersichtliche Gestaltung
der Folien und Diagramme.
Unser Dank geht auch an Frau Istek, Frau Kurz
und an Frau Scheffler, die es durch Ihren unermüdlichen Einsatz ermöglichten, diesen Abschlussbericht termingerecht fertigzustellen. Ihre
Geduld und ihr Verständnis für die zahlreichen
Überarbeitungs-, Änderungs- und Korrekturwünsche der Autoren haben wir sehr geschätzt.
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
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7.
CHLORHALTIGEN
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DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Literatur
[1]
Dry Cleaning: Your options considered
Hrsg.: European Chlorinated Solvent Association (ECSA), Brüssel, 1996
[2]
P. H. Flückiger:
The Use of Life-Cycle Assessment and Product Risk Assessment within Application
Development of Chemicals - A Case Study of Perchloroethylene Use in Dry Cleaning
Dissertation ETH Nr. 13047, Zürich, 1999
[3]
J. Kurz:
Reinigen in flüssigem Kohlendioxid - Utopie oder Zukunftstechnologie?
FTR-Information 611, Dezember 1999
[4]
M. Wentz:
Textile Cleaning with Carbon Dioxide?
R.R. Street & Co.Inc., 1996
[5]
S.B. Williams, K.E. Laintz, W.D. Spall, L. Bustos, C. Tylor:
Fabric compatibility and cleaning effectiveness of drycleaning with carbon dioxide
Los Alamos National Laboratory Report Number LA-UR-96-822, 1996
[6]
S. Chao, M. Purer, C. Townsend:
Dry-Wash - a revolutionary garment dry-cleaning technology with liquid carbon dioxide
[7]
W.D. Spall:
Carbon dioxide as an environmentally conscious dry cleaning solvent
Los Alamos National Laboratory, 1997
[8]
S.B. Williams, K.E. Laintz, W.D. Spall, L. Bustos, C. Tylor:
Fabric compatibility and cleaning effectiveness of drycleaning with carbon dioxide
[9]
Anwendungsperspektiven von überkritschen Medien
Hrsg.: DECHEMA, Frankfurt, 1995
BPI HOHENSTEIN
Seite 61
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
[10] N. Dahmen, J.Schön, H. Schmieder, S. Veith, O. Muth, T. Wirth:
Solubility and interfacial phenomena of surfactants for use in cleaning processes with
compressed carbon dioxid
5th Meeting of SCV, Nizza, März 1998
[11] N. Dahmen, J. Schön, H. Schmieder:
Teilereinigung mit komprimiertem Kohlendioxid
metalloberfläche (mo), Juni 1998
[12] M. McCoy:
Industry intrigned by CO2 as solvent
C & EN, Juni 1999, Seite 11 - 13
[13] E. Wandke:
Kohlendioxid als Arbeitsmedium für die Industrie
3. Hohensteiner Zukunftsforum, Bönnigheim, November 1999
Veröffentlichungen zu diesem Verbundvorhaben
1.
L. Egelhof, S. Mecheels, H. Strohm:
Statement zum derzeitigen Stand der Reinigungstechnologie in flüssigem/überkritischen
Kohlendioxid
FTR-Information 666/667, November, 1997
2.
J. Kurz, A. Hilbink, B. Gosolits:
Present Situation of Research and Technology of Textile Cleaning in compressed CO2
International Meeting of the GVD Fachausschuss Hochdruckverfahrenstechnik,
Karlsruhe, 1999
3.
Ist komprimiertes Kohlendioxid das Lösemittel für die Textilreinigung der Zukunft?
Dokumentation zum 3. Hohensteiner Zukunftsforum
Hrsg.: Hohensteiner Institute, Bönnigheim, 2000
4.
Ist Kohlendioxid das neue Lösemittel des nächsten Jahrhunderts?
Reiniger & Wäscher (R&W), Januar 2000, Seite 8 - 10
5.
Noch Zukunftsmusik: Der Weiße Riese aus der Sprudelflasche
Wäscherei & Reinigungspraxis (WRP), Januar 2000, Seite 30 - 32
6.
Wordt CO2 het nieuwe oplosmiddel van de 21ste eeuw?
Textielreiniging, April 2000, Belgien
Seite 62
BPI HOHENSTEIN
SUBSTITUTION VON
8.
CHLORHALTIGEN
LÖSEMITTELN
DURCH NATÜRLICHE
EINSATZSTOFFE
Abkürzungsverzeichnis
>
°C
a
Abb
AD
BMB+F
BImSchV
BPI
cm 3
CO
DLR
ECSA
FCKW
FCKW 11
FCKW 113
FK
g
h
K
kg
kPa
KWL
ISO 3175-2
l
m2
m3
MAK
min
ml
mm
N
Pa
PA
PAN
PC
Per
ppm
PVC
REM
RV
s
t
Tab
TV
VOC
Vol %
WST-Nr.
BPI HOHENSTEIN
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Symbol für "größer als"
Maßeinheit Grad Celsius
Jahr
Abbildung
Arbeitsgruppe Druckbehälter
Bundes-Immissionschutzverordnung
Maßeinheit Kubikzentimeter
Baumwolle
Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.
European Chlorinated Solvent Association
Fluorchlorkohlenwasserstoffe
Trichlorfluormethan
1,1,2-Trichlortrifluorethan
Förderkennzeichen
Maßeinheit Gramm
Maßeinheit Stunde
Maßeinheit Kelvin
Maßeinheit Kilogramm
Maßeinheit Kilopascal
Kohlenwasserstofflösemittel
DIN EN ISO 3175-2
Maßeinheit Liter
Maßeinheit Quadratmeter
Maßeinheit Kubikmeter
Maximale Arbeitsplatzkonzentration
Maßeinheit Minuten
Maßeinheit Milliliter
Maßeinheit Millimeter
Maßeinheit Newton
Maßeinheit Pascal
Polyamid
Polyacrylnitril
Personal Computer
Perchlorethylen, Tetrachlorethen
parts per million
Polyvinylchlorid
Rasterelektronenmikroskop
Reinigungsverstärker
Sekunde
Maßeinheit Tonne
Tabelle
Teilvorhaben
Volatile Organic Compounds
Volumenprozent
Werkstoff-Nummer
Seite 63
SUBSTITUTION VON
Anhang 1
CHLORHALTIGEN
Mustertafeln
Mustertafel 1: Beständigkeitsprüfung Textil
Baumwolle
Viskose
Polyacrylnitril
Wolle
Polyester
Leinen
Mustertafel 2: Beständigkeitsprüfung Lederimitate
Velours Amaretta 7500
Glattleder Artina N
Velours Fashmo D506
Velours Fashmo Soft T05
BPI HOHENSTEIN
Seite 1
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
Mustertafel 3: Beständigkeitsprüfung Wetterschutzmaterialien
Mustertafel 1:
Beständigkeitsprüfung Textil
Laminat 3
Laminat 2
Laminat 1
Mustertafel 4: Beständigkeitsprüfung Farbechtheit
Baumwolle
Entwicklungsfarbstoff,
Naphtol
Mustertafel 1:
Polyamid
Säurefarbstoff,
Marina Blue 43 F
Polyamid
Metallkomplex,
Levestone
Polyamid
Säurefarbstoff,
Ether 00 T
Viskose
Reaktivfarbstoff,
intensiv-rot
Polyacryl,
Basischer Farbstoff,
Astrazon rot
BPI HOHENSTEIN
Polyamid
Metallkomplex/Säurefarbstoff,
grün
Baumwolle
Reaktivfarbstoff,
dunkelblau
Polyacryl,
Astrazon blau
Seite 2
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
Baumwolle
Küpenfarbstoff,
blau
Polyacryl,
Astrazon goldgelb
Mustertafel 1:
Baumwolle
Küpenfarbstoff,
grün
Baumwolle
Küpenfarbstoff,
braun
Baumwolle
Schwefelfarbstoff,
dunkelblau
Baumwolle
Schwefelfarbstoff,
schwarz
Baumwolle
Schwefelfarbstoff,
schwefelblau
Baumwolle
Direktfarbstoff,
druckorange
Baumwolle
Reaktivfarbstoff,
reaktivbraun
Baumwolle
Direktfarbstoff,
rotbraun
Baumwolle
Direktfarbstoff,
steingrau
Polyester,
Dispersionsfarbstoff,
olivgrün
Baumwolle
Reaktivfarbstoff,
intensiv-blau
BPI HOHENSTEIN
Seite 3
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
Mustertafel 5: Beständigkeitsprüfung Drucke
Thermodruck
Leinen
Mustertafel 1:
Thermodruck
Seide
Thermodruck
Wolle/Seide I
Pigmentdruck
auf Baumwolle
Thermodruck
Schurwolle
Thermodruck
Wolle/Seide II
Flockdruck
Polyester (Chiffon)
Flockdruck
Viskose Georgette
Flockdruck
Viskose Webware
Flockdruck
Polyester Webware
Flockdruck
Polyamid Tüll
Flockdruck
Baumwolle/Elasthan
BPI HOHENSTEIN
Seite 4
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
Mustertafel 6: Beständigkeitsprüfung Pailletten
Celluloseacetat
Polyvinylchlorid
Pailletten-Druck
Mustertafel 7: Beständigkeitsprüfung Knöpfe
Reihe 1
Reihe 2
Reihe 3
Reihe 1
Legende:
Polyester 1
Reihe 2
Metall
Reihe 3
Perlmutt
BPI HOHENSTEIN
Nylon
Polyester
mit Straßstein
ABS 11,
galvanisiert
ABS 23,
galvanisiert
Steinnuss
Perlmutt
Hirschhorn
Büffelhorn
Polyester 2
Seite 5
SUBSTITUTION VON
CHLORHALTIGEN
Mustertafel 8: Beständigkeitsprüfung Reißverschlüsse
1
2
3
4
5
Legende:
1)
2)
3)
4)
5)
Metallreißverschluss Messing
Metallreißverschluss Messing
Metallreißverschluss silberfarben
Profilreißverschluss (Kunststoff)
Spiralreißverschluss (Kunststoff)
BPI HOHENSTEIN
Seite 6
SUBSTITUTION VON CHLORHALTIGEN LÖSEMITTELN DURCH NATÜRLICHE EINSATZSTOFFE
Anhang 2
CD-ROM
"Reinigen in komprimiertem Kohlendioxid"
Inhalt
Videofiles in den Formaten AVI, MPEG I und QUICKTIME:
CO2-film.avi
CO2-film.mpg
CO2-film quicktime.mov
BPI HOHENSTEIN

Publikation ansehen - Cleaner Production Germany

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