Industrielles Schmelzspinnen nachhaltiger elastischer Garne aus CO2-enthaltenden thermoplastischen Polyurethanen

Thiel, Jan; Dahlmann, Rainer; Gries, Thomas

doi:10.18154/RWTH-2024-12050

Industrielles Schmelzspinnen nachhaltiger elastischer Garne aus CO2-enthaltenden thermoplastischen Polyurethanen = Industrial melt spinning of sustainable elastic yarns made from CO2-containing thermoplastic polyurethanes

Thiel, Jan^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Thiel

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Gries, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Dahlmann, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-12050
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/999348/files/999348.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik (419110)

Projekte

Innovationsraum: BioTexFuture - CO2Tex - Umsetzungsphase, TP A (031B1207A) (031B1207A)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Elastizität ist in der Materialwissenschaft die Fähigkeit eines Körpers, seine Form aufgrund einer Krafteinwirkung zu ändern und vollständig in seine Ursprungsform zurückzukehren, sobald diese Krafteinwirkung wieder entfällt. Nach textiltechnischer Interpretation ist sie die Bereitstellung von Dehnung und Rückstellung bei Bedarf. Elastiztät ist für die Funktionsfähigkeit vieler Textilien essenziell. Die bedeutendste Möglichkeit zur Elastifizierung von Textilien ist der Einsatz sogenannter „Elastane“, trockengesponnener Filamentgarne aus elastomeren Polyurethanen. Deren Produktionsvolumen betrug im Jahr 2023 ca. 1,23 Mio. t mit einem Wachstum von ca. 6,4 % pro Jahr. Elastane und die zur Herstellung eingesetzten Trockenspinnprozesse sind mit Herausforderungen behaftet: Niedrige Produktionsgeschwindigkeiten, eine Erdölabhängigkeit aufgrund fossil basierter Rohstoffe, der Einsatz potenziell schädlicher Lösungsmittel, die Störung des werkstofflichen Recyclings thermoplastischer Textilien. Das Schmelzspinnen elastischer Filamentgarne aus thermoplastischen Polyurethanen ist ein Lösungsansatz zur Überwindung dieser Herausforderungen. In dieser Dissertation wird die Hochskalierung des Schmelzspinnens elastischer Multifilamentgarne aus CO2-enthaltenden thermoplastischen Polyurethanen von Technological Readiness Level 2 auf Technological Readiness Level 7 untersucht. Bisher verhindern eine die Verarbeitung störende Garn-Garn- sowie Garn-Bauteil-Haftung, unzureichende mechanische Garnkennwerte und unbekannte Anwendungsgebiete die Industrialisierung und Kommerzialisierung. Die Haftung ist durch Verwendung eines Spin Finish mit einem bestimmten Salz als Wirkstoff ausreichend reduzierbar, idealerweise in Verbindung mit einem Inline-Wärmeeintrag beim Spinnen oder einem nachgelagerten Tempern. Der Kraftdehnungsverlauf ist durch Streckrelaxation sowie mittels Schrumpfbehandlung an den eines Elastans angleichbar. Die Verarbeitbarkeit wird anhand von Umwindegarnen, einem Lifestyle-Kompressionsstrumpf sowie einem Sportschuh-Upper demonstriert. Auf Technological Readiness Level 7 sind elastische Multifilamentgarne aus CO2-enthaltenden thermoplastischen Polyurethanen mit einer Dehnung bei Höchstzugkraft von ca. 273 % herstellbar. Das gewonnene Wissen ist zur Industrialisierung und Kommerzialisierung einsetzbar.

In materials science, elasticity is the ability of a body to change its shape when subjected to a force and to return completely to its original shape as soon as this force is removed. According to the interpretation of textile technology, elasticity is the provision of stretch and recovery when required. Elasticity is essential for the functionality of many textiles. The most important option for the elastification of textiles is the use of so-called "elastanes", dry-spun filament yarns made from elastomeric polyurethanes. Their production volume amounted to approx. 1.23 million tonnes in 2023, with growth of approx. 6.4 % per year. Elastanes and the dry spinning processes used to produce them are fraught with challenges: Low production speeds, a dependence on crude oil due to fossil-based raw materials, the use of potentially harmful solvents, the disturbance of material recycling of thermoplastic textiles. The melt spinning of elastic filament yarns from thermoplastic polyurethanes is one approach to overcome these challenges.In this dissertation, the upscaling of the melt spinning of elastic multifilament yarns made from CO2-containing thermoplastic polyurethanes from Technological Readiness Level 2 to Technological Readiness Level 7 is investigated. To date, a yarn-yarn and yarn-component adhesion, which interferes with processing, insufficient mechanical yarn characteristics and unknown areas of application have prevented industrialisation and commercialisation.The adhesion is sufficiently reducible by the application of a spin finish that contains a specific salt as an active ingredient. Ideally the application of the spin finish with the specific salt is combined with an inline heat application during spinning respectively tempering of yarns on bobbins after spinning. The force-elongation-curve is adjustable to one of an elastane by draw-relaxation as well as by enabling of shrinking. Further processability is demonstrated by covered yarns, a lifestyle compression stocking and a sports shoe upper. On Technological Readiness Level 7, elastic multifilament yarns from CO2-containing thermoplastic polyurethanes having an elongation at the highest force of approx. 273 % are producible. The obtained knowledge is usable for industrialisation and commercialisation.

OpenAccess:
PDF
(additional files)