A szálasanyagoknak két nagy csoportja van: a természetes, azaz növényi magszálakból vagy rostokból (ide tartozik például a pamut, a len, a kender), vagy állati szőrökből ill. mirigyváladékokból állók (pl. gyapjú, selyem), valamint a mesterségesen előállítottak, amelyeknek ismét két nagy csoportja van: a természetes anyagokból (cellulózból ill. fehérjékből), valamint a szintetikus úton előállított változatok.
A természetes alapú mesterséges szálasanyagok között a legismertebb a viszkóz, a lyocell és az acetát műselyem, a szintetikus alapanyagúak között pedig egyebek között a poliamid (nylon), a poliészter, a poli(akrilnitril) és a gumirugalmas tulajdonságairól ismert poliuretán elasztán (más néven: spandex) szál.
Cikkünk a szintetikus szálasanyagok világába vezet, amelyeket a világ óriási mennyiségben gyárt és használ ruházati és nem ruházati (bútor- és háztartási textíliák formájában, valamint műszaki és egészségügyi) célokra. Hogy ezek a szálasanyagok milyen óriási jelentőségűek, az mutatja, hogy a világ teljes szálasanyag-termelése 2019-ben (a természetes és mesterséges szálasanyagok együttvéve) 111 millió tonna volt, amiből a szintetikus szálak 70 millió tonnát, a teljes termelés 63 százalékát tették ki.
A szintetikus szálasanyagokat manapság általában kőolajszármazékokból, egyszerű szerves vegyületekből (monomerekből) állítják elő. Ezekből kémiai úton, polimerizáció ill. polikondenzáció útján lineáris nagymolekulájú anyagokat, polimer láncmolekulákat állítanak elő, amelyek alkalmasak szálak képzésére. A szálképzés kétféleképpen történhet. Az egyik eljárásnál a hő hatására megömlesztett polimert a szálképző fej apró nyílásain préselik át, majd erősen megnyújtva lehűtéssel szilárdítják meg. A nyújtás hatására a szálakat alkotó polimerláncok rendeződnek, a száltengely irányában párhuzamosodnak, közöttük kötések jönnek létre és így elnyerik kívánt szilárdságukat. Így készül például a poliamid- és a poliészterszál. A másik eljárásnál alkalmas oldószerrel oldatba viszik a polimer anyagot, az így nyert folyadékot ismét apró nyílásokon átpréselve keletkeznek a szálak, amelyeket az oldószer elpárologtatásával, vagy kicsapó fürdőben a folyadéksugár koagulálása révén szilárdítanak meg, ugyancsak erős nyújtás mellett. Ezt az eljárást alkalmazzák például a poli(akrilnitril)- és az elasztánszálak gyártásában.
Ezeknek a szálasanyagoknak az alapanyaga tehát a fosszilis (az ősidőkben lebomlott növények és állatok maradványaiból keletkezett) kőolaj, aminek mennyisége a világban óriási ugyan, de egyre fogy. Azonkívül a kőolaj kitermelése, majd abból azoknak a monomer vegyületeknek az előállítása, amelyek a szintetikus szálak anyagát képezik, rendkívül energiaigényes és sokszor környezetszennyező. A fosszilis eredetű anyagokból előállított szálasanyagok ill. a belőlük gyártott termékek hátrányos tulajdonsága az is, hogy biológiailag nem bonthatók le, vagy csak rendkívül hosszú idő alatt bomlanak le, ezért nem újrahasznosítható hulladékaik nagyon terhelik a környezetet. Manapság ezért egyre nagyobb törekvés van olyan eljárások kifejlesztésére, amelyek más kiinduló anyagokból képesek a szálgyártáshoz szükséges monomer vegyületek előállítására. Kézenfekvő, hogy ehhez a lehető legnagyobb mértékben a természetben megújuló forrásokat igyekeznek keresni, amiket különböző növényekben, elsősorban a kukoricában, cukorrépában, cukornádban, növényi (pl. szója-, ricinus-) olajokban sikerült megtalálni. Az ezekből készült szintetikus szálasanyagokat nevezik bioszintetikus szálaknak.
Nem hagyható azonban figyelmen kívül, hogy épp ezek a növények egyúttal a táplálkozásban is igen fontos szerepet töltenek be, ezekkel kell a szálasanyaggyártásnak versenyeznie, ezért ezek mellett más, táplálkozásra nem alkalmas anyagokkal, mezőgazdasági vagy erdészeti maradványokkal (biomasszából), algákkal, gombákkal, baktériumok felhasználásával is próbálkoznak.
Azonban a bioalapú szintetikus anyagoknak csak egy része képes biológiailag (élő szervezetek, többnyire mikróbák hatására) az ipari komposztáló létesítményekben lebomlani. Az összes jelenleg gyártott bioszintetikus anyagnak csak mintegy 40 százaléka ilyen – és sajnos nem tartozik ide például a bio-poliészter, a bio-etilén, a bio-poliamid, azaz a leggyakrabban használt fajták. Ezek ill. a belőlük készült textíliák az idők folyamán oxidatív úton (napfény és oxigén együttes hatására) legfeljebb apró részecskékre bomlanak szét, így ún. mikroműanyagok formájában továbbra is környezetszennyezők maradnak.
Biztató eredmények
Az Európai Bizottság által meghirdetett 7. keretprogram egyik témája bioalapú szintetikus textilszálak (bioalapú elasztán és poliészter) kifejlesztése olyan ipari technológia optimalizálásával, amely lignocellulóz alapanyagokból (fa, növényi maradványok stb.) kiindulva 100 százalékban bioalapú vegyi anyagokat: furfurolt, hidroxi-metil-furfurolt (HMF), tetrahidrofuránt (THF) és 2,5-furán-dikarboxil savat (FDCA) állít elő. Cél a poliészter- és elasztánszálak gyártásában meghatározó fontosságú furfurol szintézisének optimalizálása a hozam növelése, a költségek csökkentése, az oldószerek és az ecetsav visszanyerése, a cellulóz felértékelése a HMF előállításához és a ligninből üzemen belül égethető bioszén előállítása hőtermelés céljából. A furfurolból optimalizálják a 100 százalékban bioalapú THF szintézisét, amely a gumirugalmas elasztánszál tömegének 70 százalékát teszi ki. A HMF-ből egy új, 100%-ban bioalapú poliészter textilszálat kívánnak kifejleszteni.
A furán és egyes furánszármazékok, mint például a furfurol a műanyagok gyártásában használatosak. A furfurol megtalálható a fenyő- és bükkfakátrányban, korpában, és előállítható mezőgazdasági hulladékokból is. Felhasználható bioalapú poliészter- és elasztánszálak gyártásában. Az EcoLASTANE néven futó fejlesztésen egy francia, egy spanyol és egy cseh vegyipari vállalat konzorciuma dolgozik, több kutatóintézettel együttműködve, ők a furfurolt facellulózból állítják elő. Az ígéretes kísérletek a textilipari próbafeldolgozásban igen jóminőségű elasztán- és poliészterszálakat eredményeztek.
Bioszintetikus poliészterek
A poliészter a legnagyobb mennyiségben gyártott szintetikus szálasanyag: a teljes szálasanyag-termelés mintegy 52 százalékát képviseli, tehát jelentősége igen nagy. Ennek egyelőre hozzávetőlegesen csupán 1 százalékát állítják elő bio-poliészter formájában, de a mennyiség növekvő tendenciát mutat.
A hagyományos, fosszilis alapú poliészter anyaga a poli(etiléntereftalát). Megközelítőleg hasonló tulajdonságú szálasanyag a poli(trimetilén-tereftalát) (PTT) és a politejsav (polylactic acid, PLA).
A DuPont Sorona mátkanevű poliészterszálának anyaga például a poli(trimetilén-tereftalát), amit 37 százalékban megújuló növényi eredetű anyagból állítanak elő. Legfontosabb összetevője az 1,3-propándiol (PDO). Míg a szálminőségű PDO-t hagyományosan petrolkémiai eljárással állítják elő, a DuPont erre egy új módszert fejlesztett ki. Kukoricából vagy biomasszából származó keményítőből glükózt (cukrot) vonnak ki és mikroorganizusok hozzáadásával fermentálják. Az eredmény természetes úton nyert PDA. Ehhez kőolaj alapú tereftálsavat (TFA) adnak, így keletkezik a szál előállításához szükséges makromolekula. A Sorona szálat ruházati és bútoripari textíliák gyártására ajánlják, köztük autók kárpitozására is. A gyártó szerint a szokványos poliészterszálhoz képest gyártása 30%-kal kisebb energiafelhasználást igényel és 63 százalékkal kevesebb üvegházhatású gáz keletkezésével jár.
A NatureWorks LLC cég gyártmánya, az Ingeo anyaga politejsav, amit cukorrépából, búzából, kukoricából vagy más, keményítőt tartalmazó növényből állítanak elő. A növényből kivonják a keményítőt (glükózt). Enzimek hozzáadásával a glükózt hidrolízis révén dextrózzá alakítják, amit mikroorganizmusok tejsavvá erjesztik. A következő folyamatban a tejsavmolekulákat laktidgyűrűkké alakítják és ebből képezik polimerizáció útján a hosszú polilaktid láncmolekulákat, az Ingeo PLA anyagát.
A japán Toray cég Ecodear PET néven hozza forgalomba bio-poliészter típusú szálasanyagát, amelyet cukornád melaszból kivont etilénglikol és kőolajból származó tereftálsav polimerizációjával és olvadékfonásával állítanak elő.
A PLA néven ismertté vált szálasanyag politejsavból készül és legalább 85 százalékban növényi eredetű: cukorrépából, búzából, kukoricából vagy más, keményítőt tartalmazó növényből, a keményítő cukorrá alakításával és ennek fermentálásával előállított tejsav-észtert tartalmazó anyag. A szálat olvadékos szálképzéssel készítik. Mechanikai tulajdonságai a polietilénhez és a poliészterhez hasonlítanak. Kémiailag a poliészter családhoz tartozik. Gyártása mintegy 65 százalékkal kisebb energiafelhasználást igényel, mint a kőolaj alapú szintetikus szálasanyagoké. Nagy előnye az is, hogy nedves közegben és 60 ºC feletti hőmérsékleten lebomlik; a lebontható szintetikus szálasanyagok kb. 19 százalékát képviseli, tehát jelentős mennyiséget tesz ki. Ruházati, műszaki (pl. bútor- és autókárpit-anyagok), egészségügyi (kötszer) és higiéniai (pl. pelenkák) textíliák gyártására használják.
A Toray Ecodear PLA, az ugyancsak japán Kanebo Lactron márkanéven hozza forgalomba PLA típusú szálasanyagát.
Bioszintetikus poliamidok
A különböző típusú poliamid-szálasanyagok a világ teljes szálasanyag-termelésének 5 százalékát képviselik.
A bio-poliamidok alapanyagát növényi zsírokból vagy olajokból nyerik. Legtöbbjük anyaga szebacinsav-alapú, kivéve a poliamid 11-et, amit ricinusolajból nyert aminoundekánsavból állítanak elő. A szebacinsav-alapú poliamidokat a diacidnak egy diaminnal, például 6 szénatomot tartalmazó hexametiléndiaminnal és 10 szénatomot tartalmazó dekametiléndiaminnal történő lépcsőzetes polimerizációjával állítják elő, így poliamid 6.10 és poliamid 10.10 keletkezik. A poliamid 11-et úgy állítják elő, hogy először brómozzák a 11 szénatomot tartalmazó undecilénsav kettős kötését, majd ammóniával reagáltatják, így 11-aminoundekánsav keletkezik, amelyet ezután poliamid 11-é polimerizálnak.
Mindhárom poliamid kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik: nagy szakítószilárdságúak, rugalmasak, szívósak, kopásállók, jó kémiai ellenállást mutatnak – értékes versenytársai a jól ismert poliamid 6 ill. poliamid 6.6 szálaknak.
A poliamid 6 (PA 6) nagyon széles körben elterjedt szálasanyag. A kaliforniai Genomatica Inc. biotechnológiai és az olasz Aquafil SpA szálgyártó cég sikeresen befejezte a növényi alapú poliamid 6 első kísérleti gyártását. Előállították az első néhány tonna növényi alapú kaprolaktámot, a poliamid láncmolekula monomerjét átalakították azt PA 6 polimerré, és az Aquafil szlovéniai gyárában megkezdték a nagyüzemi próbagyártást, hogy ennek eredményeként értékeljék a termék viselkedését, tulajdonságait a ruházati felhasználású és szőnyegfonalak körében.
Az Arkema cég által gyártott Rilsan márkanevű poliamid 11-et ricinusolajból nyert aminoundekánsavból állítják elő. Ruházati és műszaki textíliák gyártására egyaránt alkalmas. Kis, 1,04 g/cm3 sűrűségével, jó mechanikai szilárdságával és kiváló vegyszerekkel szembeni ellenállóképességével tűnik ki.
Bioszintetikus elasztánszál
A poliuretán anyagú, Európában elasztán, az amerikai angolban spandex néven ismert szálasanyag fő tulajdonsága nagy rugalmas nyúlása, ami alkalmassá teszi, hogy igen sok helyen helyettesítse a gumifonalakat.
Az Invista cég által gyártott Lycra az egyik legismertebb elasztánszál-fajta. Bioalapú változatában fő összetevőjének, az 1,4-butándiolnak (BDO) kukoricából nyert származékból állítják elő.
A dél-koreai Hyosung TNC cég Creora Bio-Based márkanevű bio-elasztánszála a gyártó szerint a szén-dioxid-kibocsátást 23 százalékkal, a vízfelhasználást 39 százalékkal csökkenti a hagyományos gyártási módhoz képest.
Kitin eredetű szálak
A kitin egy hosszú polimer láncmolekula, amely a természetben sok helyen előfordul: gombák sejtfalában, valamint ízeltlábúak (rákok, rovarok) külső vázának alkotóelemeként. A szálgyártásban elsősorban a rákok páncélanyagából nyert kitinnek van jelenősége, amiből vegyi úton kitozánt állítanak elő. Ez alkotja a szálak alapanyagát. A kitozán ecetsavban oldódik, így oldott állapotban lehet belőle szálakat képezni, amelyeket nátrium-hidroxidban csapatnak ki. A kitozánszál erős antibakteriális tulajdonságú, jó nedvszívó képességű és – ami nagyon fontos – biológiailag lebontható. Hátrány viszont, hogy szilárdsága viszonylag gyenge, ami korlátozza az alkalmazási lehetőségeket. Ezért főleg más szálasanyagokkal keverve – például viszkózzal keverve Crabyon néven forgalomba hozva – használják könnyű ruházati, ágynemű-, háztartási, gyógyászati és kozmetikai célú textíliák gyártására.
Bioszintetikus szálak algákból
A tengerekben és tavakban tenyésző, nagy cellulóz tartalmú algákból előállított szálasanyagok biológiailag lebonthatók és jól színezhetők természetes alapú festékanyagokkal. Előnyük, hogy nagy mennyiségben állnak rendelkezésre és rendkívül gyorsan szaporodnak. A megszárított és porrá őrölt tengeri algákból (alginátból) vizes alapú gélt képeznek, amelybe természetes alapú – például rovarok páncéljából nyert – festékanyagot kevernek és ebből a színes gélből képeznek szálakat, amik azután textilipari eljárással feldolgozhatók. Ezek a szálak erősek, hajlékonyak, lángálló tulajdonságúak, ezért például bőrutánzatok készítésére is alkalmasak. Pamuttal keverve alsóruházati cikkeket készítenek belőlük.
Kazeinszálak
A tej kazein fehérjéje, mint textilszálak gyártásának alapanyaga, nem újdonság, az 1930-as évek óta ismert. Az 1930-as, 1940-es években nagy népszerűségnek örvendett, amit később elnyomott a poliamid elterjedése. A tejből savakkal történő koaguláltatással állítják elő és nátronlúgban feloldva készítik el a szálhúzásra alkalmas pépet, ami az utánkezelések végén tulajdonképpen regenerált fehérje. Jó nedvszívó képessége és antimikrobiális tulajdonságánál fogva előnyös alsóruházati és ágynemű-alapanyag. Az utóbbi években ismét elővették és a gyártási eljárás korszerűsítésével Qmilk néven állítja elő a német Qmilch GmbH cég. Előszeretettel készítik olyan tejből, ami egyébként veszendőbe menne a tejtermékek gyártása és kereskedelme során.
Szintetikus pókselyem
A pókselyemnek kiváló mechanikai tulajdonságai vannak, amelyek az acéllal és a para-aramidok csoportjába tartozó Kevlarral vetekednek, miközben jóval könnyebb is azoknál. Jó hőállóságú, sav- és lúgálló, és gyógyászati szempontból is jó tulajdonságokat mutat (vérzéscsillapító hatású, elősegíti a sebek gyógyulását).
Mindezek a tulajdonságok nagyon fontosak lehetnek a műszaki ill. gyógyászati felhasználású textíliák számára, ezért érthető, hogy számos tudományos munka folyik a pókselyem szintetikus úton való előállítására, hiszen a természetes pókselyem „begyűjtése” kereskedelmi mennyiségben reménytelen vállalkozás lenne.
A biotechnológiával foglalkozó japán Spiber Inc. cég Brewed Protein néven állít elő a pókselyemnek megfelelő molekulaszerkezetű szálasanyagot cukorrépából és kukoricából nyert cukor, valamint mikróbák felhasználásával, fermentáció útján. A kaliforniai Bolt Threads cég Microsilk szálasanyaga szintén mesterségesen előállított pókselyem, amelynek proteinjét fermentációval, élesztő, cukor és víz alkalmazásával állítják elő. Az izraeli Seewix vállalat genetikailag módosított egyedi DNS-szekvenciát hozott létre, és egy baktériumokat, cukrot, élesztőt és vizet használó erjesztési folyamat révén olyan anyagot állít elő, amely utánozza a pókselyem természetes keletkezési folyamatát és a pókselyem tulajdonságait. A terméket SVX néven forgalmazzák. A német Kraig Biocraft Laboratories intézet géntechnológiával módosított selyemhernyók által előállított, a pókselyemhez hasonló selymet fejlesztett ki: a szálak a selyemhernyó által természetes módon termelt, de a pókselyem fehérjéjéből állnak. A Dragon Silk így a pókselyemfehérje és a selyemhernyó selyemfehérje egyedülálló kombinációjából állnak.
A borítókép illusztráció, forrás: By Simon A. Eugster - Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7814208
