Nanotechnologie
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+ NANOTECHNOLOGIE JOVANOVIC SANDRA 5AHBMT 11/8/2013 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT INHALTSVERZEICHNIS WAS BEDEUTET NANO? ……………………………………………………………………………….………………………… 2 NANOTECHNOLOGIE IN DER TEXTILBRANCHE ERMÖGLICHT ………………………………….………….……. 2 ANWENDUGSBEREICHE ……………………………………………………………………………………………………. 2 NANO- TEXTILIEN ……………………………………………………………………………………………………………………. 3 WIE WERDEN NANOMATERIALIEN IN TEXTILIEN INTEGRIERT? ……………………………………..……….. 4 MÖGLICHKEITEN DER EINBETTUNG VON «NANO» …………………………………………………………... 5 NANOBESCHICHTUNGEN …………………………………………………………………………………………..………..…… 7 SELBSTREINIGUNGSEFFEKT …………………………………………………………………………………………...….. 7 LOTUSEFFEKT ………………………………………………………………………………………………………………… . 8 - 11 OBERFLÄCHENSPANNUNG …………………………………………………………………………………………………………. 8 HYDROPHOBIE UND HYDROPHOBER EFFEKT …………………………………………………………………..……………….. 9 PLASMABEHANDLUNG VON TEXTILOBERFLÄCHEN ……………………………………………….……………….. 12 PLASMAREINIGUNG/-AKTIVIERUNG ……………………………………………………………………………………. 12 PLASMAPOLYMERISATION ………………………………………………………………………………..……………….. 13 PLASMA- METALLISIERUNG ……………………………………………………………………………………………. 14 PLASMA CO-POLYMERISATION ………………………………………………………………………….………………. 14 NANOSILBER ……………………………………………………………………………….……………………….…………………… 15 ANWENDUNGSBEREICHE ………………………………………………..…………………………….…………………… 16 SILBERSOCKEN ……………………………………………………………..…………………………………..……………… 17 NANOFASER ………………………………………………………………..……………………………………………………………. 18 HERSTELLUNG VON NANOFASERN …………………………………………………….………………………………… 18 KRITERIEN BEI DER HERSTELLUNG …………………………………………………….…………………………….…… 19 ANWENDUNGSBEREICHE …………………………………………………….………………………………………..……. 19 RISIKEN VON NANOTECHNOLOGIE ……………………………………………………………..…………,,……………….. 20 GESUNDHEIT …………………………………………………………………………………………………………………….. 20 UMWELT ………………………………………………………………………………………………………………………….. 20 1 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT WAS BEDEUTET NANO? 1 Die Vorsilbe „Nano“ leitet sich vom griechischen Wort „nanos“ ab und beudeutet „Zwerg“. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter und wird im wissenschaftlichen Sprachgebrauch in eine Größenordnung von 10−9 m bezeichnet. Zur besseren Vorstellung: Ein Nanometer Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie der Durchmesser einer 1-Cent-Münze zu dem unseres Erdballs. 2 Für den Blick in den Nanokosmos, reicht ein gewöhnliches optisches Mikroskop aufgrund der Begrenzung durch die Wellenlänge des Lichts nicht mehr aus. Um dennoch Strukturen im Nanometer-Bereich sichtbar machen zu können, nutzen Wissenschaftler in der Nanotechnologie zwei spezielle Methoden, die Elektronenmikroskopie und die Rastersondenmikroskopie. Ein "Nano-Produkt" kann die verschiedensten Nanomaterialien bzw. Nanopartikel in den unterschiedlichsten Formen enthalten, die entweder fest in ein Trägermaterial (z.B. Kunststoff) eingearbeitet sind oder frei vorliegen. Das Nanomaterial selbst kann löslich oder unlöslich sein, biologisch abbaubar oder nicht-abbaubar sein. Bei manchen Produkten bezieht sich "nano" lediglich auf eine sehr dünne Beschichtung mit einer chemischen Substanz. NANOTECHNOLOGIE IN DER TEXTILBRANCHE ERMÖGLICHT Neue oder etabilierte Textilien mit bisher nicht erreichten Eigenschaften herzustellen Textilveredelungen durch Beschichtung (z.B mit Nanopartikeln), Strukturierung oder Ausstattung mit neuen Funktionen zu erreichen Permanente Ausrüstung mit Nanomaterialschichten für Gleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und magnetische Abschirmung, katalytische Selbstreinigung, gesteuerte Abgabe von Inhaltsstoffen oder Flammfestigkeit ANWENDUGSBEREICHE 1 2 Herstellungsverfahren Freizeit- und Berufsbekleidung Luftreinigung, Abwasser- und Staubfiltration (zB. Industieanlagen, Automobil) Verbänder und chirurgisches Nahtmaterial in der Medizin Sonnenschirme und Markisen mit Selbstreinigungseffekt. http://www.bund.net/themen_und_projekte/nanotechnologie/nanomaterialien/ http://www.nanotruck.de/treffpunkt-nanowelten/makro-mikro-nano.html 2 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT NANO- TEXTILIEN 3 Nanotechnologie wird im Textilen Sektor als großes Potential im Bereich der Entwicklung neuer Materialien angesehen. Mittels der nanotechnologischen Methode können besetehende Funktionalitäten verbessert werden und die Herstellung von Textilien können durch völlig neuen Eigenschaften oder Kombinationen veschiedener Funktionen ermöglicht werden. Derzeit realisierbare Anwendungen sind insbesondere schmutz- bzw wasserabweisende und antibakterielle Textilien, sowie im geringem Ausmaß Textilien, die Schutz vor UV-Strahlung bieten und sogenannte ‚‘‘Kosmeto-Textilien‘‘ zum Beispiel Damenstrumpfhosen, in welche Nanokapseln eingearbeitet werden, die spezielle, pflegende Wirkstoffe enthalten. Ebenso gibt es wärmeisolierende und feuchtigkeitabsobierende Textilien im Bereich der Schutzwesten, diese bestehen aus sogenannten Kohlenstoffnanorörchen (CNT). Es werden ebenfalls Textilmaterialien aus Nanofasern als Filter für Krankheitserreger (Bakterien, Viren), toxische Gase, Gift- und Schadstoffe in der Luft verwendet. Von Schutzbekleidungen aus solchen Materialien kann die Medizin, die Feuerwehr und das Militär profitieren. 3 http://epub.oeaw.ac.at/ita/nanotrust-dossiers/dossier015.pdf http://www.texbac.de/html/selbstreinigung.html 3 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT WIE WERDEN NANOMATERIALIEN IN TEXTILIEN INTEGRIERT? Nanofunktionalitäten lassen sich grundsätzlich auf zwei unterschiedliche Arten in Textilien einbringen: Beim Herstellungsprozess direkt in das Fasermaterial Während eines Veredelungsschrittes auf die Faser oder das Textil Das Erzeugen von Funktionaliät kann auf zwei Arten erfolgen: Einbetten von «NanO» Erzeugen von Nanostrukturen ohne «NanO» Produktionsschritt Faserherstellung: Einbringen von «NanO» in Fasermaterial Faser- oder Textilveredelung Mit «NanO» «NanO» werden durch «Compoundierung» ins Polymer eingebracht (Masterbatch). Die so hergestellten Nano-Komposite werden z.B. mittels Schmelzspinnen oder Lösungsspinnen zu Fasern oder mittels Elektrospinning zu nanoskaligen Fasern weiterverarbeitet Anlagerung auf oder kovalente Anbindung von einzelnen «NanO» an die Faser- oder Textiloberfläche Nanostrukturierung Erzeugung nanoporöser Polymer-Fasern ohne «NanO» Aufbringen von nanoskaligen Beschichtungen mit «NanO» auf faser oder Textiloberfläche Aufbringen von nanoporöser Beschichtung auf die Faseroberfläche oder von Fasern mit nanostrukturierter Oberfläche (Prägung) Einbringen von «NanO» in Fasermaterial kann bei der Herstellung der Textilien entweder als freies Pulver oder als Dispersion/Suspension in Polymere eingemischt werden (z.B. zu Masterbatches in Granulatform) als Dispersionen/Suspension/Sol-Gel in den Herstellungsprozess gelangen (z.B. SolGel-, Tauch-, Spray-Prozesse) «in situ», d.h. während des Prozesses generiert werden (z.B. Plasmabeschichtung) nur bei der Herstellung als Ausgangsstoffe vorhanden sein, aber nicht mehr im textilen Endprodukt (z.B. in manchen Sol-Gel-Prozessen). 4 4 http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/113752 4 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT MÖGLICHKEITEN DER EINBETTUNG VON «NANO» 5 5 http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/113752 5 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT Die Stabilität und damit die Langlebigkeit der Funktionalitäten werden beeinflusst durch die Art und Weise, wie «NanO» in die Textilien integriert werden: 6 6 http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/113752 6 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT NANOBESCHICHTUNGEN SELBSTREINIGUNGSEFFEKT Nanobeschichtungen bezeichnet das Aufbringen von Nanostrukturen auf Oberflächen. Diese Oberflächen können superhydrophob sein. Flüssigkeiten die auf die Oberfläche gelangen, bilden Perlen und laufen ab oder superhydrophil Flüssigkeiten die auf die Oberfläche gelangen, bilden einen Flüssigkeitsfilm. Diese Schutzhülle verringert die Oberflächenenergie des Stoffes wodurch Wassertropfen, welche mit dem Textil in Kontakt geraten, runde Perlen bilden und schon bei geringer Neigung von der Oberfläche abrollen. Schmutzpartikel werden dabei aufgenommen und vom Textil entfernt. Außerdem gelangen Schmutz und andere Fremdkörper nicht mehr an das Textil und passen auch nicht zwischen die winzigen Partikel. Solch technische Textilien können mit Hilfe eines auf nanostrukturierten Oberflächen beruhenden Ausrüstungsmaterials mit einem Selbstreinigungseffekt ausgestattet werden. Das Prinzip beruht auf einem aus der Natur abgeschauten Effekt: dem ‘‘Lotuseffekt‘‘. Textilien werden üblicherweise durch eine Ausrüstung mit Fluorcarbonharzen gegen Verschmutzung geschützt. Diese bilden einen wasser- und ölabweisenden Polymerfilm und sorgen dafür, dass Schmutzpartikel oder Flecken weniger stark auf dem Textil haften und leichter abwaschbar sind. Insbesondere bei ölartigen, fettigen Verschmutzungen haben sich diese Produkte seit Jahren bewährt. Lotusartige Mikrostrukturen auf einem Textil können die Wirkung von Fluorcarbonfilmen erheblich steigern. Damit sind Textilien herstellbar, die viel stärker wasser- und schmutzabweisend sind. Verschmutzungen lassen sich nach dem Vorbild der Lotuspflanze mit wenig Wasser einfach ablösen. 7 7 http://www.tegewa.de/uploads/media/TEGEWA_Sachstandsbericht_Nano.pdf http://www.hessen-nanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=15768 7 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT LOTUSEFFEKT Die äusserste Schicht des Lotusblattes ist so aufgebaut, dass sie dank ihrer chemischphysikalischen Phänomene (Oberflächenspannung und hydrophober Effekt) „selbstreinigende“ Eigenschaften besitzt. OBERFLÄCHENSPANNUNG In Flüssigkeiten werden die einzelnen Moleküle durch schwache intermolekulare Kräfte zusammengehalten. Moleküle, die sich an der Oberfläche der Flüssigkeit befinden, können gleichzeitig intermolekulare Bindungen mit andersartigen Molekülen aus der Umgebung oder mit gleichartigen Molekülen aus der Flüssigkeit eingehen. Die einzelnen Moleküle tendieren dazu, den energetisch günstigsten Zustand zu erlangen. Mit anderen Worten: Sie wollen die stärkst mögliche Bindung mit anderen Molekülen eingehen. Wenn die stärkst möglichen Bindungspartner gleichartige Atome aus der Flüssigkeit sind, führt dies zu einer nach innen gerichteten Spannung der Flüssigkeit, der sogenannten Oberflächenspannung Die Wassermoleküle (blau) im Inneren des Tropfens stellen verglichen mit den Molekülen der Umgebung (grau) energetisch günstigere Bindungspartner für die Wassermoleküle an der Oberfläche des Tropfens dar. Es ensteht eine nach innen gerichtete „Bindungsspannung“, die sogenannte Oberflächenspannung. 8 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT Aus energetischen Gründen wollen sich möglichst viele Atome im Inneren der Flüssigkeit befinden. Die Oberfläche soll so klein wie möglich sein (Oberflächenminimierung). Die Form mit der kleinsten Oberfläche ist eine Kugel. Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung bilden aus diesem Grund Tropfen. Je schwächer zudem die intermolekularen Bindungen zu den Molekülen der Umgebung sind, desto stärker ausgeprägt ist die Tropfenform. Das Abperlen (Tropfenbildung) von Flüssigkeiten auf bestimmten Oberflächen ist somit eine Folge von sehr schwachen intermolekularen Bindungen zwischen Flüssigkeits- und Oberflächenmolekülen. HYDROPHOBIE UND HYDROPHOBER EFFEKT Hydrophob steht für wassermeidend oder wasserabstossend. Das Gegenteil von hydrophob ist hydrophil oder wasserliebend. In der Naturwissenschaft werden Moleküle und Atome nach ihrer Neigung, Wasser zu mögen oder Wasser nicht zu mögen,als hydrophil oder hydrophob eingestuft. Dabei sollte beachtet werden, dass hydrophob in der Naturwissenschaft nicht wasserabweisend bedeutet. Hydrophobe Moleküle stossen Wasser nicht ab, sie bilden mit Wassermolekülen lediglich sehr schwache intermolekulare Bindungen. Hydrophobe Moleküle sind unpolar (apolar) und können keine Dipol-Dipol-Bindungen mit anderen Molekülen eingehen. Hydrophoben Molekülen stehen lediglich die schwachen Londonschen Dispersionskräfte zur Bildung von intermolekularen Bindungen zur Verfügung.Wenn sich nun hydrophobe Moleküle im Wasser befinden (z.B. bei einem Gemisch aus Wasser und Olivenöl), bedeutet dies für die Wassermoleküle, dass sie zwei unterschiedlich starke mögliche Bindungspartner haben. Einerseits die anderen Wassermoleküle, mit welchen sie starke Dipol-Dipol-Bindungen bilden können, andererseits die hydrophoben Moleküle der Umgebung, mit denen sie lediglich schwache Bindungen eingehen können. Die Gesamtheit der Moleküle im Gemisch versucht nun, den energetisch günstigsten Zustand zu erreichen. Das heisst, sie wollen möglichst viele starke und möglichst wenige schwache Bindungen eingehen. Die energetisch günstigste Zustandsform wird dann erreicht, wenn die Kontaktfläche der Wassermoleküle zu den hydrophoben Umgebungsmolekülen minimal ist. Dieses Phänomen wird als hydrophober Effekt bezeichnet und kann beispielsweise bei der Bildung von Fett-Emulsionen in wässriger Umgebung beobachtet werden (Öltropfen im Wasser). hydrophob hydrophil 9 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT Die äusserste Zellschicht von Pflanzenblättern wird durch sogenannte Epidermiszellen gebildet. Direkt oberhalb der Epidermiszellen befindet sich eine mikrostrukturierte Schicht, die Cuticula. Sie besteht aus hydrophoben Molekülen und verhindert einerseits, dass die Pflanze von innen her Wasser verliert, und andererseits, dass Schmutzpartikel und Wasser an der Oberfläche der Blätter haften können. Das besondere an der Lotuspflanzenoberfläche ist jedoch nicht ihre hydrophobe Cuticula, denn eine solche besitzen nahezu alle Pflanzen. Die Lotuspflanze zeigt eine besonders strukturierte Cuticula, welche es ermöglicht, dass die Kontaktfläche zu Schmutzpartikeln oder Wasser stark verkleinert wird. Die Verkleinerung der Kontaktfläche geht mit der Vergrösserung des sogenannten „Kontaktwinkels“ zwischen Wasser und Oberfläche einher. Die Kombination aus hydrophober Oberfläche und grossem Kontaktwinkel wird als Superhydrophobie bezeichnet. Wassertropfen perlen von superhydrophoben Oberflächen als nahezu perfekte Tropfen ab und können dabei allfällig vorhandene Schmutzpartikel von der Pflanzenoberfläche mitreissen. Sogar hydrophobe Schmutzpartikel werden aufgrund ihrer minimalen Kontaktfläche zur Blattoberfläche von den Wassertropfen mitgeschwemmt. Die mikrostrukturierte Cuticula der Lotuspflanze besitzt einzelne, ca. 20 µm hohe Ausstülpungen, sogenannte Papillae. Darauf aufgelagert befindet sich eine Schicht aus nanostrukturierten Wachskristallen. Die Form und Struktur der Wachskristalle ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Wachse. Wachse sind chemisch gesehen Ester von Fettsäuren mit langkettigen Alkoholen. Die Wachse an der Blattoberfläche werden als epicuticulare Wachse bezeichnet. Neben der Lotuspflanze besitzen auch andere Pflanzen selbstreinigende Oberflächen dank der speziellen Zusammensetzung ihrer epicuticularen Wachse: Zum Beispiel die Kapuzinerkresse, der Frauenmantel oder der Kohlrabi 10 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT Die Struktur der epicuticularen Wachskristalle ist entscheidend für die Benetzbarkeit der Blattoberfläche. Die Benetzbarkeit wird anhand des Kontaktwinkels zwischen Wassertropfen und Oberfläche bestimmt. Eine totale Benetzung ist bei einem Kontaktwinkel von 0 Grad vorhanden, bei 180 Grad spricht man von vollkommener Unbenetzbarkeit, was allerdings in der Natur nicht möglich ist. Je rauer (auf Mikroebene!) und hydrophober die Oberfläche, desto grösser ist der Kontaktwinkel des Wassertropfens. Zwischen den einzelnen hydrophoben Wachskristallen sind Lufteinschlüsse vorhanden, wodurch die Kontaktfläche verringert wird. Aufgrund der hohen Oberflächenspannung des Wassers, das möglichst die Kugelform beibehalten möchte, sowie der geringen Interaktion zwischen Wasser und Oberfläche, ist es für das System energetisch am günstigsten, wenn der Wassertropfen Luft unter sich einschliesst und eine Brücke von Oberflächenrauhigkeitsspitze zu Oberflächenrauhigkeitsspitze bildet. Das Wasser kann seinen optimalen energetischen Zustand nur erreichen, wenn es den Kontaktwinkel maximiert. 11 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT PLASMABEHANDLUNG VON TEXTILOBERFLÄCHEN Die Plasmatechnologie ermöglicht nanoskalige und nanostrukturierte Beschichtungen auf Textilien, deren Wachstum über abscheidende und abtragende Prozesse kontrolliert wird. Gaszusammensetzung und Energieeintrag bestimmen die chemische Zusammensetzung und Funktionalität der Plasmaschichten. Plasmaschichten lassen die textilen Eigenschaften wie atmungsaktiv, schnell-trockend, wasserabweisend, schmutzabweisend, geruchshemmend, flammhemend, antibakteriell, etc. aufgrund ihrer Schichtdicke im Nanometerbereich unangetastet. Das Plasma stellt ein reaktives Medium dar, das bei niedrigen Temperaturen Materialoberflächen modifizieren lässt. Durch die Verwendung unterschiedlicher Techniken wie Plasmapolymerisation und Sputtern bzw. Kombinationsverfahren können nanostrukturierte Plasmaschichten erzeugt werden, die verschiedene Eigenschaft vereinigen und somit multifunktional sind. Insbesonders texturierte, nanoporöse oder Nanopartikel enthaltende Schichten weisen hohe spezifische Oberflächen auf und haben somit das Potential zu hoher Funktionalität. . PLASMAREINIGUNG/-AKTIVIERUNG Durch Verwendung von Plasmen, die nicht zu einer Schichtbildung führen, lassen sich textile Oberflächen sehr effektiv von Spinnölen, Schlichten etc. reinigen. Häufig werden Gasmischungen aus einem Inertgas (wie Argon) und einem Reaktivgas (wie Sauerstoff) eingesetzt, aber auch Luft bietet sich als Prozessgas an. Zusätzlich werden Radikalstellen erzeugt, die funktionale Gruppen an den Textiloberflächen bilden, was zu einer verbesseren Benetzbarkeit führt. Der optimale Druckbereich hinsichtlich Teilchendichte und -energie liegt bei etwa 10 mbar. Gute Ergebnisse lassen sich aber auch an Atmosphäre erzielen. Aufgrund Alterungseffekten nimmt die Anzahl der funktionalen Gruppen abhängig vom textilem Material und der Plasmaaktivierung mit der Zeit wieder ab. Weiterbehandlungen wie nasschemische Ausrüstung, Laminieren, Färben, Einarbeiten in Verbundwerkstoffe etc. sollten daher zeitnah erfolgen. 8 8 http://netsh106576.nb2331.yas.netbuild.net/de/412/4/newsletter,public,articledetail_public/view/247/ 12 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT PLASMAPOLYMERISATION Unter Plasmapolymerisation wird der Prozess verstanden, der Plasmapolymere aus gasförmigen Ausgangsverbindungen entstehen lässt. Aufgrund langlebiger Plasmaspezies (Radikale), die innerhalb der aktiven Plasmazone entstehen (bevorzugt bei einem Druck von 0.01 bis 10 mbar), wird eine gute Beschichtung komplex geformter Materialoberflächen wie Textilien ermöglicht. Die Wechselwirkung mit energiereichen Teilchen sorgt durch Vernetzung für stabile Plasmaschichten. Bei Textilien sollte auch das Substrat als mögliche Gasquelle betrachtet werden, im Wesentlichen durch Ausgasen von Wasserdampf. Siloxane (wie z.B. HMDSO) können zur Erzeugung von hydrophoben Oberflächen verwendet werden, wobei -CH3 Gruppen innerhalb eines Si-O-Netzwerks erhalten bleiben. Wird zum einen die Mikrostruktur der Filamentabstände in einem Textil und zum anderen eine Nanostruktur während der Plasmabeschichtung erzeugt, entstehen aufgrund der niedrigen Kontaktoberfläche und Lufteinschlüssen superhydrophobe textile Oberflächen. Abhängig von der textilen Struktur und einer geeigneten Prozessführung (Haftungssteigerung, Beschichtung innen-liegender Faseroberflächen) wird eine gute Waschbeständigkeit sowohl mit einer einseitigen oder beidseitigen Ausrüstung erzielt (Griff und Festigkeit bleiben dabei unverändert). Bei der Mischung von Kohlenwasserstoffen mit Ammoniak (NH3) oder Kohlendioxid (CO2) entstehen unter geeigneten Plasmabedingungen Löcher in den aufwachsenden Schichten durch Ätzprozesse und den Einbau funktioneller Gruppen, woraus eine nanoporöse Struktur in vernetzten Kohlenwasserstoffschichten resultiert. Diese können beispielsweise zur substratunabhängigen Färbung von Textilien (wie Polypropylen oder Aramid) oder zur Beladung mit weiteren chemischen oder biologischen Molekülen verwendet werden wie auch als haftungssteigernde Oberflächen. Die nanoporösen Plasmaschichten weisen zudem eine hohe Abriebfestigkeit und Waschbeständigkeit auf, was permanent hydrophile oder schmutzabweisende Oberflächen ermöglicht. 9 9 http://netsh106576.nb2331.yas.netbuild.net/de/412/4/newsletter,public,articledetail_public/view/247/ 13 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT PLASMA-METALLISIERUNG Neben der Abscheidung aus der Gasphase können auch Sputterprozesse zur Schichtbildung genutzt werden. Plasmasputtern wird dabei durch energiereiche Teilchen ausgelöst, die aus dem Plasma auf eine Materialoberfläche (Target) beschleunigt werden, wodurch Atome und Cluster aus dieser Oberfläche herausgeschlagen werden. Bei niedrigen Drücken (<0.1 mbar) werden diese Teilchen zur Schichtbildung von Metallen (wie auch Oxiden oder Keramiken) genutzt. Metallisierungen können auf Textilien wie auch auf Folien flächig ausgeführt werden, z.B. um eine antistatische oder antimikrobielle Ausrüstung oder optische Effekte zu erzielen. Metallisierungen auf Fasern sind zudem von grossem Interesse zur Erzeugung von nanoskaligen leitenden Faseroberflächen, die die textilen Eigenschaften nicht beeinträchtigen. Die Plasmaprozesse zur Silberbeschichtung von Fäden erweisen sich dabei als deutlich waschbeständiger und bei niedrigem Silberauftrag (im Nanometerbereich) leitfähiger als vergleichbare, elektrochemische Prozesse. PLASMA CO-POLYMERISATION Plasma Co-Polymerisation wird genutzt, um in-situ metallische Nanopartikel in Plasmapolymerschichten einzubauen. Dadurch werden multifunktionale (Textil-)Oberflächen ermöglicht, die die Substrateigenschaften wie z.B. Flexibilität, Festigkeit und Griff von Textilien unbeeinträchtigt lassen. Die vernetzten Plasmaschichten sind zudem permanent und ermöglichen somit neuartige textile Anwendungen in der Bekleidung, Medizintechnik oder Biotechnologie. Entsprechende Reaktorkonzepte werden ausgereifter und finden mehr und mehr Einzug in die Textilindustrie. (Smart Textiles).10 10 http://netsh106576.nb2331.yas.netbuild.net/de/412/4/newsletter,public,articledetail_public/view/247/ 14 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT NANOSILBER Silber zeigt eine breite Wirksamkeit gegen eine Vielzahl verschiedener Mikroorganismen, wie Bakterien, Pilze und Viren. Verantwortlich dafür ist das positiv geladene Silberion Ag + das durch Oxidation entsteht, wenn Silber in Kontakt mit Feuchtigkeit kommt. Unter Nanosilber werden Partikel von elementarem Silber in einer Größe von weniger als 100 nm verstanden. Nanosilber wird auch als nanokristallines oder nanopartikuläres Silber bezeichnet und kann verschiedenen Formen (z.B. Kugeln, Würfel, Stäbe) aufweisen . Diese könnn mit chemischen, elektrochemischen oder physikalischen Methoden hergestellt werden. Nanosilber unterscheidet sich grundlegend von anderen Silberformen. Die Aufteilung auf sehr viele kleine Partikel bringt eine enorme Vergrößerung der wirksamen Oberflächen mit sich, und daher können viel mehr reaktive Silberionen entstehen als bei größeren Partikeln. Silbernanopartikel können auch Zellmembranen durchdringen. Im Inneren von Zellen wirklen sie dann wie ein Depot, aus dem kontinuierlich über einen längeren Zeitraum Silberionen freigesetzt werden. Nanosilber zeigt bereits bei vergleichsweise niedrige Silberkonzentrationen ein hohes toxisches Potenzial. Um die Nanosilberpartikel mit Fasern zu verbinden, kommen unterschiedliche Herangehensweisen in Betracht. Zum einen kann Nanosilber in ein Polymer eingemischt werden (Masterbatch), bevor es zu Fasern versponnen wird. Dies wird z.B. bei Polyester- und Zelluloseacetatfasern angewandt dadurch erhält man eine besonders feste Einbindung in die Faser, die antibakterielle Wirkung hält damit besonders lange an. Alternativ kann Nanosilber als Finish auf die Faseroberfläche aufgetragen werden. Hierbei können die Stärke der Anbindung und damit die Wirkungsdauer sehr unterschiedlich ausfallen. Schwach gebundene Partikel werden bereits nach wenigen Waschvorgängen abgelöst und gelangen in die Kläranlage. Wenig sinnvoll erscheint in diesem Zusammenhang ein nanosilberhaltiger Weichspüler, der die Partikel nur in geringe m Anteil und lose auf die Wäsche aufträgt. 11 11 http://netsh106576.nb2331.yas.netbuild.net/de/412/4/newsletter,public,articledetail_public/view/247/ 15 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT ANWENDUNGSBEREICHE In sämtlichen Anwendungen wird jeweils die antimikrobielle Wirkung genutzt, die auf der Freisetzung von Silberionen Ag+ beruht. Bakterien werden durch Ag+-Ionen abgetötet. Hierfür sind deutlich geringere Wirkstoffkonzentrationen notwendig als für (metall)organische Biozide. Dies verhindert neben der Übertragung und Ausbreitung von krankheitserregenden Keimen auch die Entstehung von Schweißgeruch, denn Schweiß selbst ist eigentlich nahezu geruchlos. Der typische Geruch entsteht erst durch Bakterien, die natürlicherweise unsere Haut besiedeln und Bestandteile des Schweißes verstoffwechseln. Die gesunde Bakterienflora der Haut wird durch nanosilberhaltige Kleidung nicht gestört. 12 Die Anwendugsbereiche von antimikrobiellem Nanosilber sind bereits sehr vielfältig. Derzeit befinden sich etwa 250 verschiedene Produkte auf dem Markt. Die Palette reicht von antibakteriellen Farben und Lacken, Geräten, Textilien, Kosmetik-und Hygieneprodukten, Reinigungsmitteln, Küchenartikel, medizinischen Produkten, Nahrungsergänzungsmitteln bis hin zu Schuheinlagen, Koffern und Babyprodukten. Allerdings wird in Europa, Nanosilber eher zurückhaltend eingesetzt. Die Anwendung von Nanosilber in Medizinprodukten bringt große Vorteile durch seine breite Wirksamkeit gegen Krankheitserreger - sogar gegen solche, die gegen eine Vielzahl herkömmlicher Antibiotika bereits resistent sind. Auch in antimikrobiellen Wundauflagen wird Nanosilber erfolgreich eingesetzt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren Wundinfektionen die größte Ursache von Erkrankungen und Todesfällen bei Verbrennungen. Bei Verbrennungen der Haut wird die schützende Hautbarriere unterbrochen und die Haut ist besonders anfällig für die Ansiedelung von Bakterien und damit für Wundinfektionen. In diesem Bereich hat die Behandlung mit SilberAgenzien die Erkrankungs- und Sterblichkeitsrate signifikant reduziert. Weitere Anwendungen für antimikrobiell ausgestattete Medizinprodukte: Orthopädische Implantate Nahtmaterial Knochenplatten und Schrauben Neurochirurgische Shunts urologische Katheter 13 12 http://www.nanosilber.de/nanosilber/anwendungsbeispiele/nanosilber-in-textilien/ 13 http://bmg.gv.at/cms/home/attachments/9/7/2/CH1180/CMS1288805248274/bmg_nanosilber_fassung_vero effentlichung_final__mit_deckblaetter1.pdf 16 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT SILBERSOCKEN Silbersocken haben die Funktion den Schweiß und die Bakterien von den Socken fern zu halten. 17 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT NANOFASER HERSTELLUNG VON NANOFASERN: Verfahren: SCHMELZSPINNEN: Herstellung von Fasern mittels aufgeschmolzenen Polymeren, welche durch eine oder mehrere Düsen gepresst und auf Wickler aufgespult werden. ELEKTROSPINNEN: Herstellung von sehr dünnen Fasern aus Polymerlösungen durch die Behandlung in einem elektrischen Feld. Zwischen Spinndüse und Gegenelektrode wird ein elektrostatisches Feld mit hoher Spannung (30kV) erzeugt. Das zu verspinnende Material wird anschließend durch die Düse gedrückt. Im elektrischen Feld bilden sich sehr feine und lange Fasern mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern aus. 18 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT KRITERIEN BEI DER HERSTELLUNG Bei Nanofasern handelt es sich um Fasern, deren Durchmesser kleiner als 900 nm ist, die normale Größe von Nanofasern liegt bei 100 – 500 nm. Dank dieser Tatsache verfügen Nanofasern über spezielle Eigenschaften: eine große spezifische Oberfläche über eine hohe Porosität eine kleine Porengröße man kann den Nanofasern Zusätze beifügen, wie z. B. biologisch aktive Stoffe Durch die kleine Porengröße können Staub- und auch biologische Verunreinigungen von sehr kleiner Größe gefiltert werden. Durch die hohe Porosität wird die gute Durchlässigkeit dieser Materialien bezüglich des Eindringens von Luft oder Flüssigkeiten gewährleistet. ANWENDUNGSBEREICHE Filter Schutzausrüstung Textilien Wundverbände Pflanzenschutz Tissue Engineering Membrane 14 14 http://de.wikipedia.org/wiki/Nanofaser 19 Nanotechnologie, Jovanovic Sandra 5AHBMT RISIKEN VON NANOTECHNOLOGIE GESUNDHEIT Nach derzeitigem Wissensstand geht man davon aus, dass lösliche und biologisch abbaubare Nanomaterialien keine Gefährdung für die Gesundheit darstellen. Bei unlöslichen bzw. nichtabbaubaren Nanomaterialien ist jedoch Vorsicht geboten, wenn sie in freier Form vorliegen. Sind sie aber fest in ein anderes Material eingebunden (z.B. in einen Kunststoff), dann ist eine gesundheitliche Gefährdung nicht wahrscheinlich. Untersuchungen an Zellkulturen und an Tieren haben gezeigt, dass bestimmte Nanomaterialien negative Effekte zeigen können. Insbesondere die Aufnahme über die Lunge kann zu Entzündungen führen, da Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Größe bis in die Lungenbläschen (Alveolen) vordringen können. Von dort ist auch ein Übertritt in den Blutkreislauf möglich. Insbesondere lange und nur Nanometer-dünne KohlenstoffNanoröhrchen zeigen gemäß den vorliegenden Studienergebnissen an Tieren ein Gefährdungspotenzial wenn sie eingeatmet werden. Sie können durch das körpereigene Immunsystem nicht entfernt werden, wodurch Entzündungsreaktionen auftreten können. Weitere Möglichkeiten, wie Nanopartikel in den menschlichen Körper aufgenommen werden können, sind über die Haut bzw. Schleimhäute oder über den Verdauungstrakt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die gesunde menschliche Haut einen sehr guten Schutz gegenüber dem Eindringen von Nanopartikeln bietet. Bei kranker oder geschädigter Haut sind noch weitere Untersuchungen notwendig. Studien an Zellkulturen haben auch gezeigt, dass Nanopartikel in Zellen eindringen und dort Schäden verursachen können. Sogar sehr effektive Schutzbarrieren im Körper, wie die BlutHirn-Schranke und die Plazenta, können Nanopartikel überwinden. Wie sich Nanomaterialien aber im menschlichen Körper verhalten, wie sie sich verteilen, ob sie sich anreichern oder ausgeschieden werden, ist derzeit noch weitgehend nicht bekannt. Ebenso sind noch weitere Untersuchungen notwendig, um herauszufinden, welche Menge eines Nanomaterials welche Wirkung hervorruft. UMWELT Durch Abfall und Abwasser können Nanomaterialien aus Produkten schon jetzt in die Umwelt gelangen. So etwa Nanosilber, das zur antibakteriellen Ausstattung von Textilien (z.B. Socken, Pölster, Decken) verwendet wird und das beim Waschen aus den Geweben gelöst und ins Abwasser gelangen kann. Pflanzen reagieren in Versuchen auf bestimmte Nanopartikel empfindlich, indem etwa ein verringertes Wachstum festgestellt werden kann. 15 15 http://nanoinformation.at/uploads/media/Pressemappe__Risiken_der_Nanotechnologie__-_final_02.pdf 20
