Faser-„Barcodes“ können Kleidungsetiketten langlebig machen

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In den Vereinigten Staaten landen jedes Jahr schätzungsweise 15 Millionen Tonnen Textilien auf Mülldeponien oder werden verbrannt. Dieser Abfall, der 85 Prozent der jährlich produzierten Textilien ausmacht, ist ein wachsendes Umweltproblem. Im Jahr 2022 erließ Massachusetts als erster Bundesstaat ein Gesetz, das die Entsorgung von Textilien im Müll verbietet, um den Recyclinganteil zu erhöhen.

Doch das Recycling von Textilien ist nicht immer einfach. Diejenigen, die nicht so wie sie sind weiterverkauft werden können, werden an Einrichtungen geschickt, wo sie nach Stoffart sortiert werden. Das manuelle Sortieren ist arbeitsintensiv und wird durch abgenutzte oder fehlende Etiketten erschwert. Fortgeschrittenere Techniken zur Analyse der Chemie eines Stoffes sind oft nicht präzise genug, um Materialien in Stoffmischungen zu identifizieren, aus denen die meisten Kleidungsstücke bestehen.

Um diesen Sortierprozess zu verbessern, bietet ein Team des MIT Lincoln Laboratory und der University of Michigan eine neue Möglichkeit, Stoffe zu kennzeichnen: durch das Einweben von Fasern mit technischem Reflexionsvermögen. Diese Faser reflektiert nur bei bestimmtem Infrarotlicht. Abhängig von der Wellenlänge des Lichts, das die Faser beim Scannen reflektiert, würden Recycler wissen, um welche Art von Stoff es sich bei der Faser handelt. Im Wesentlichen funktioniert die Faser wie ein optischer Barcode zur Identifizierung eines Produkts.

„Eine Möglichkeit zu haben, Stoffarten einfach zu identifizieren und sie beim Durchlaufen zu sortieren, könnte dazu beitragen, Recyclingprozesse zu optimieren. Wir wollen Wege finden, Materialien für eine andere Verwendung nach dem Lebenszyklus des Kleidungsstücks zu identifizieren“, sagt Erin Doran, Mitautorin der Studie des Teams, die kürzlich in Advanced Materials Technologies veröffentlicht wurde.

Fäden ziehen

Doran ist Textilspezialist am Defence Fabric Discovery Center (DFDC) am Lincoln Laboratory. Dort arbeitet sie mit Forschern der Advanced Materials and Microsystems Group zusammen, um „Stoffe der Zukunft“ herzustellen, indem sie Fasern mit winziger Elektronik und Sensoren integriert.

An der University of Michigan untersuchte Brian Iezzi, der Hauptautor der Studie, Möglichkeiten zur Verbesserung der Recyclingfähigkeit von Textilien. Seine Arbeit im Shtein Lab der U-Michigan konzentriert sich auf die Anwendung der Photonik auf faserbasierte Geräte. Ein solches Gerät wird als Strukturfarbfaser bezeichnet, eine Art photonische Faser, die erstmals vor mehr als 20 Jahren vom Forschungsteam von Professor Yoel Fink am MIT entwickelt wurde. Dies ist heute ein Fachgebiet des DFDC.

„Es ist eine Faser, die wie ein perfekter Spiegel wirkt“, sagt DFDC-Forscher Bradford Perkins, Mitautor der Studie. „Durch die Schichtung bestimmter Materialien kann man diesen Spiegel so gestalten, dass er bestimmte Wellenlängen reflektiert. In diesem Fall möchten Sie Reflexionen bei Wellenlängen, die sich von den optischen Signaturen der anderen Materialien in Ihrem Stoff abheben, die tendenziell dunkel sind, weil gewöhnliche Stoffmaterialien Infrarotstrahlung absorbieren.“

Die Faser beginnt als Polymerblock, der als Vorform bezeichnet wird. Das Team konstruierte den Vorformling sorgfältig so, dass er mehr als 50 abwechselnde Schichten aus Acryl und Polycarbonat enthielt. Anschließend wird der Vorformling erhitzt und wie Toffee von der Spitze eines Turms gezogen. Jede Schicht ist am Ende weniger als einen Mikrometer dick und ergibt zusammen eine Faser, die die gleiche Größe wie ein herkömmliches Garn in Stoff hat.

Während jede einzelne Schicht klar ist, reflektiert und absorbiert die Paarung der beiden Materialien Licht und erzeugt so einen optischen Effekt, der wie Farbe aussehen kann. Es ist der gleiche Effekt, der den Flügeln von Schmetterlingen ihre satten, schimmernden Farben verleiht.

„Schmetterlingsflügel sind ein Beispiel für strukturelle Farben in der Natur“, sagt Co-Autor Tairan Wang, ebenfalls vom Lincoln Laboratory. „Wenn man sie genau betrachtet, handelt es sich in Wirklichkeit um eine Materialhülle mit nanostrukturierten Mustern, die Licht streuen, ähnlich wie wir es mit den Fasern machen.“

Durch die Steuerung der Geschwindigkeit, mit der die Fasern gezogen werden, können Forscher sie so „abstimmen“, dass sie bestimmte periodische Wellenlängenbereiche reflektieren und absorbieren und so in jeder Faser einen einzigartigen optischen Barcode erzeugen. Dieser Barcode kann dann entsprechenden Stoffarten zugeordnet werden, wobei einer beispielsweise Baumwolle und ein anderer Polyester symbolisiert. Die Fasern würden bei der Herstellung zu Stoffen verwoben, bevor sie in einem Kleidungsstück verwendet und schließlich recycelt würden.

Im Gegensatz zu den auffälligen Designs von Schmetterlingsflügeln sollen die Fasern nicht auffällig sein. „Sie würden weniger als ein paar Prozent des Stoffes ausmachen. Niemand könnte erkennen, dass sie dort sind, bis sie einen Infrarotdetektor hätten“, sagt Perkins.

Ein Detektor könnte an den Detektor angepasst werden, der in der Recyclingindustrie zum Sortieren von Kunststoffen verwendet wird, sagen die Forscher. Diese Detektoren nutzen ebenfalls Infrarotsensoren, um die einzigartigen optischen Signaturen verschiedener Polymere zu identifizieren.

Ich werde es in Zukunft ausprobieren

Heute hat das Team den Patentschutz für seine Technologie beantragt und Iezzi prüft Möglichkeiten für die Kommerzialisierung. Die in dieser Studie hergestellten Fasern sind im Vergleich zu Bekleidungsfasern immer noch etwas dick. Daher ist es ein weiteres Forschungsgebiet, sie weiter zu verdünnen und gleichzeitig ihr Reflexionsvermögen bei den gewünschten Wellenlängen beizubehalten.

Ein weiterer zu erforschender Weg besteht darin, die Fasern näher an Nähgarn anzupassen. Auf diese Weise könnten sie in ein Kleidungsstück eingenäht werden, wenn das Einweben in einen bestimmten Stofftyp dessen Aussehen oder Haptik beeinträchtigen könnte.

Die Forscher denken auch darüber nach, wie strukturell gefärbte Fasern dazu beitragen könnten, andere Umweltprobleme in der Textilindustrie anzugehen, beispielsweise giftige Abfälle aus Farbstoffen. Man könnte sich vorstellen, solche Fasern zur Herstellung von Stoffen zu verwenden, die von Natur aus mit Farben durchtränkt sind, die niemals verblassen.

„Für uns ist es wichtig, die Recyclingfähigkeit zu berücksichtigen, da auch der Markt für elektronische Textilien wächst. Diese Idee kann Möglichkeiten zur Rückgewinnung von Spänen und Metallen während des Textilrecyclingprozesses eröffnen.“ Sagt Doran. „Nachhaltigkeit ist ein großer Teil der Zukunft und es war spannend, an dieser Vision mitzuarbeiten.“

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