Wie lässt sich die Leistung von PDMS in der Textil- und Bauindustrie maximieren?

Die Herstellungssequenz von Polydimethylsiloxan (PDMS) verleiht dem Material besondere Eigenschaften, die eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber Wasser und Öl ermöglichen. Durch die Einbindung von Polymeren aus gemischtem Siloxan und PDMS in die Herstellung erfolgt eine nahtlose Integration in das Gewebe: Die Siloxan-Komponente sorgt für die Haftung an den Gewebefasern, während die PDMS-Komponente die Oberfläche des Gewebes beeinflusst. Diese polymerisierten PDMS-Bestandteile erzeugen durch molekulare Ausrichtung eine bislang einzigartige hydrophobe Oberfläche und weisen zudem gängige Öle ab, wodurch sowohl hydrophobe als auch oleophobe Eigenschaften entstehen, die über die gesamte Lebensdauer des Gewebes bestehen bleiben. Das Ergebnis dieses Verfahrens sind Oberflächenkontaktwinkel von mehr als 150° gegenüber Wasser und etwa 130° gegenüber Ölen. Das ausgeprägteste Merkmal von PDMS ist, dass es sich im Gegensatz zu fluorhaltigen, abrasionsbeständigen Beschichtungen, die bei Biegen und Falten reißen, über eine lange Zeit hinweg durch seine Abrasionsbeständigkeit hindurch als oleophob und hydrophob behauptet.

Leistungsbenchmarking: PDMS im Vergleich zu fluorierten Beschichtungen gemäß den Prüfverfahren AATCC 118 und ISO 14419

Während fluorierte Systeme eine leicht bessere Ölwiderstandsfähigkeit bieten, erfüllen PDMS-Beschichtungen nach wie vor die funktionalen Anforderungen für die meisten Bekleidungsstücke, Berufskleidung und technische Textilien – auch solche mit OEKO-TEX® Standard 100- und bluesign®-Zertifizierung. Da PDMS keine Kohlenstoff-Fluor-Bindungen enthält, entfällt das Risiko einer Bioakkumulation sowie die langfristige Umweltbelastung und die regulatorischen Risiken, die mit PFAS verbunden sind.

Die Einführung von PDMS sowie mögliche neue Vermarktungschancen sind auf die neuen EU-Beschränkungen für PFAS sowie weitere neue Regelungen der US-Umweltschutzbehörde (EPA) zurückzuführen.

Die Gesetzgebung, die die Suche nach Alternativen zu PFAS vorschreibt, entwickelt sich rasch weiter. Beispiele hierfür sind die jüngsten Ergänzungen der EU-Verordnung REACH aus dem Jahr 2023 sowie der strategische Plan der US-Umweltschutzbehörde (EPA) für den Zeitraum 2021–2024. Dies ist von Herstellern textiler Produkte bemerkt worden, und viele von ihnen wechseln nun zu silikonbasierten Abstoßmitteln. Seit 2022 ist die Anwendung dieser Materialien laut Branchenberichten um nahezu 60 % gestiegen. Die Hersteller verweisen auf den GRAS-Status von PDMS („Generally Recognized As Safe“) und darauf, wie einfach es in bestehende Produktionsprozesse integriert werden kann. Während andere potenzielle Alternativen (wie biobasierte Lösungen und hybride Chemien) noch geprüft werden, gilt PDMS als bevorzugte Option, da es sich um eine erprobte und bewährte Lösung handelt, vollständig gesetzeskonform ist und sich problemlos in bestehende Produktionsprozesse integrieren lässt. Damit stellt PDMS die führende Kandidatin dar, um die Anforderung nach PFAS-freien Textilien zu erfüllen und gleichzeitig Öl- und Wasserabweisung zu gewährleisten.

Die Funktionalität von PDMS kann durch Änderung seines Molekulargewichts und seines Vernetzungsgrades beeinflusst werden. Kürzerkettiges PDMS, wie F-3600, bildet eine dichtere Oberflächenschicht, wodurch Wasser-Kontaktwinkel von über 140° erreicht werden; gleichzeitig liegt die Transpiration jedoch sehr niedrig (und unerwünscht) bei < 15 g/m²/24 h. Solche PDMS-Varianten können für medizinische und Sportbekleidung eingesetzt werden, bei der Komfort ein entscheidender Faktor ist. Im Gegensatz dazu führt längerkettiges PDMS, wie F-12000, zu umfangreicheren molekularen Verschlingungen, was stärkere Zwischenschichtenbindungen und eine bessere Waschbeständigkeit von über 20 Zyklen gemäß ISO 6330 bewirkt (bei reduzierter Luftdurchlässigkeit infolge der Vernetzung). Der Vernetzungsgrad bestimmt maßgeblich das beschriebene Gleichgewicht der Leistungsmerkmale.

Für Schutzkleidung für Industriearbeiter, bei der Abriebfestigkeit von höchster Bedeutung ist, bietet eine ausgewogene Verwendung von Materialien des Typs F-12000 die beste Gesamtkombination aus Haltbarkeit und Abriebfestigkeit gemäß den Normen ISO 12947-2. Produkte auf Basis von F-3600 konzentrieren sich hingegen tendenziell auf Anwendungsfälle, bei denen ein höherer Tragekomfort erforderlich ist. Was branchenüblichen Tests zufolge wirklich bemerkenswert ist, ist die Fähigkeit bestimmter mittellanger Ketten (mit geeigneter Vernetzung), nach 50 Zyklen des Martindale-Abriebtests Kontaktwinkel von über 130 Grad beizubehalten. Dies entspricht einer um rund 35 % verbesserten Balance zwischen Haltbarkeit und Komfort im Vergleich zu herkömmlichen Siloxan-Formulierungen. Diese Ergebnisse wurden 2023 in der internationalen, begutachteten Fachzeitschrift „Textile Chemistry“ veröffentlicht.

Bewertung der Langzeit-Haltbarkeit einer PDMS-Beschichtung auf realen Textilien

Was die Haltbarkeit von PDMS-Beschichtungen betrifft, bieten sie eine ausgezeichnete Waschbeständigkeit und behalten ihre Wasserabweisfähigkeit auch nach mehr als 20 industriellen Waschgängen bei.
(ISO 6330/12945-2-Daten). PDMS-Beschichtungen verlieren lediglich 15 % ihrer Wasserabweisfähigkeit, während Wachs- und Acryl-Alternativen bereits nach nur 10 Waschgängen mehr als 50 % ihrer wasserdichten Eigenschaften einbüßen. Warum weisen PDMS-Beschichtungen die beste Leistung auf? Während der Aushärtungsphase bilden PDMS-Beschichtungen starke chemische Bindungen mit den Fasern des Gewebes aus, die den aggressivsten Waschmitteln und Reinigungsmitteln standhalten und auch der mechanischen Abnutzung des Gewebes durch wiederholtes Waschen widerstehen. Einige dieser speziellen, proprietären Formulierungen weisen nach 50 Waschgängen noch einen statischen Kontaktwinkel von über 140 Grad auf. Das bedeutet, dass sie sich ideal für kritische technische Sicherheitsanwendungen eignen – beispielsweise bei Feuerwehruniformen und Outdoor-Bekleidung –, bei denen wasserabweisende Beschichtungen industriellen Waschzyklen standhalten müssen.

Anwendungen mit hoher Reibung: Abriebfestigkeit und mechanische Verschleißfestigkeit

Möglicherweise zählt eine der überraschendsten und außergewöhnlichsten Anwendungen von PDMS zu dessen hervorragender Verschleißfestigkeit in extremen Umgebungen wie Automobil-Innenräumen, militärischen Geweben und beruflicher Schutzkleidung. Mit PDMS beschichtete Gewebe wurden nach ISO 12947-2 getestet und wiesen nach 50.000 (fünfzigtausend) Zyklen einen Gewichtsverlust von < 5 % sowie keinerlei Einbußen bei der Integrität der Beschichtung auf. Im Gegensatz dazu zeigen unbeschichtete Gewebe ohne Vernetzung bei derselben Anzahl äquivalenter Zyklen einen Gewichtsverlust von 20 % sowie schwere Beschichtungsversagen. Die Vernetzung von PDMS ist äußerst vorteilhaft, da dessen elastomere Eigenschaft die mechanische Belastung gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Beschichtung verteilt. Dies ist ideal, um die Entstehung oder Ausbreitung von Mikrorissen zu verhindern, wenn die Beschichtung wiederholt gebogen und komprimiert wird. Am wichtigsten jedoch ist, dass all dieser Schutz ohne Einbußen bei der Luftdurchlässigkeit gewährleistet wird. Schutzgewebe mit PDMS-Beschichtung schützen den Träger vor sämtlichen Gefahren, ohne dessen Komfort einzuschränken. Dies ist ein entscheidendes Merkmal für Schichten mit langen Einsatzzeiten.

Verbesserung der strukturellen Funktionalität von PDMS in Baumaterialien

Verstärkungstechniken: Silica-, Cellulose-Nanokristall- und POSS-Füllstoffe zur Erhöhung der Zugfestigkeit und Elastizität (ASTM D412)

Das Grundmaterial PDMS ist für Bauanwendungen einfach zu weich, daher benötigen wir die robustesten Modifikationen. Siliciumdioxid-Nanopartikel erzeugen dichte Vernetzungsnetzwerke im PDMS, was eine bessere Lastverteilung ermöglicht. Dies zeigt sich in Zugfestigkeitstests an PDMS/Silica gemäß ASTM D412 (3), bei denen bis zu das Dreifache der Zugfestigkeit von unfülltem PDMS erreicht werden kann. Ein weiterer Bestandteil sind Cellulose-Nanokristalle (CNC), die die Funktionalität der Siliciumdioxid-Nanopartikel unterstützen können. Dies liegt daran, dass CNCs langgestreckt sind und zahlreiche Hydroxylgruppen aufweisen, wodurch sie eine starke Haftung an der PDMS-Grundmatrix besitzen. Diese Haftung trägt dazu bei, die Flexibilität des PDMS beizubehalten und gleichzeitig dessen Wasserdichtigkeit sicherzustellen. Eine weitere Option ist der Einsatz von polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen (POSS) als Füllstoffe. Die käfigartige Struktur dieser Füllstoffe integriert sich auf nanoskaliger Ebene nahtlos in das Siloxan-Netzwerk. Bei einem Zusatz von 10 bis 15 % können POSS-Füllstoffe die Reißfestigkeit um etwa 40 % steigern und gleichzeitig nach mehrfachen Dehnungszyklen die Elastizität des Materials bewahren. Durch den kombinierten Einsatz aller drei Komponenten erreichen wir die optimale Zugfestigkeit, die üblicherweise größer als 5 MPa ist, sowie eine bleibende Dehnung von weniger als 15 % nach zahlreichen Zyklen aus Dehnung und Rückstellung.

Dies macht den Verbundwerkstoff ideal für die Abdichtung von Fugen in Beton, wasserdichte Beschichtungen sowie für erdbebensichere Dämpfer, die Witterungseinflüssen und physikalischen Veränderungen – darunter Temperaturschwankungen, ultraviolette Strahlung und Biegebeanspruchung – standhalten müssen.

FAQ

Was ist PDMS und warum wird es in Textilien eingesetzt?

PDMS (Polydimethylsiloxan) ist ein silikonbasiertes Material mit wasser- und ölabweisenden Eigenschaften. Da PDMS effektiv an den Fasern des Gewebes haftet, bildet es eine dauerhafte, schützende Schicht, die ohne chemische Behandlungen auskommt.

Wie unterscheidet sich PDMS von fluorhaltigen Beschichtungen?

PDMS bietet dieselbe Abweiswirkung wie fluorhaltige Beschichtungen, ist jedoch frei von den gesundheitlichen und umweltbedingten Risiken von PFAS. PDMS-Beschichtungen behalten ihre Abweiswirkung und Flexibilität bei, während fluorhaltige Beschichtungen ihre Abweiswirkung verlieren und spröde werden.

Ist PDMS sicher und umweltfreundlich?

PDMS ist umweltverträglich und umweltfreundlich. PDMS ist nach OEKO-TEX® Standard 100 und bluesign® zertifiziert. Da PDMS nicht mit schädlichen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen hergestellt wird, sind die Risiken für Gesundheit und Umwelt deutlich geringer.

Können PDMS-Beschichtungen industrielle Wäschezyklen standhalten?

PDMS-Beschichtungen sind wirksamer als Wachs- und Acrylbeschichtungen und behalten nach 20 Zyklen industrieller Wäsche 85 % ihrer Wasserabweisungsfähigkeit bei.