Viskosefaser

Viskosefasern, kurz Viskose oder Zellwolle, sind Chemiefasern (Regeneratfasern), die vom Grundstoff Zellulose ausgehend, über das Viskoseverfahren industriell hergestellt werden. Die chemische Zusammensetzung der Viskosefasern gleicht der von Baumwolle. Auch die typische Faserfeinheit (etwa 10 bis 15 µm Durchmesser) und Faserlänge (etwa 40 mm) sind ähnlich der von Baumwolle. Für die Textilindustrie wird Viskose zu einem Endlosfaden versponnen. Durch die Bearbeitung der Zellulose im Viskoseverfahren können – im Gegensatz zum Naturprodukt Baumwolle – die Charakteristika der Faser (Farbe, glänzendes oder mattiertes Aussehen, Faserlänge, -dicke und -querschnitt) variiert werden. Viskose ist eine natürliche Kunstfaser, im Gegensatz zu bekannten synthetischen Kunstfasern wie beispielsweise Polyester oder Polyacryl.

Eine Variante von Viskose ist das Zellglas (Cellophan), das nach dem gleichen Verfahren hergestellt jedoch dann zu Folien verarbeitet wird.

Verwendung

Die Verwendung von Viskose ähnelt der von Baumwolle (Textilien, Mischgewebe mit Polyester uvm.). Im nichttextilen Bereich (Nonwovens) hat die Viskosefaser aufgrund der vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten größere Marktanteile als im textilen Bereich. Anwendungsbeispiele sind hier der Einsatz in Intimhygieneprodukten (z.B. Tampons) sowie in Putztüchern/-schwämmen aufgrund günstigerer Flüssigkeitsaufnahmecharakteristika.

Herstellung (Viskoseverfahren)

Als Ausgangsmaterial für Viskosefasern dient Zellstoff, welcher seinerseits aus Holz von Buchen, Fichten, Eukalyptus, Pinien o. ä. stammt. Die verwendete Zellstoffqualität unterscheidet sich von der Papierzellstoff-Qualität dadurch, dass die Kettenlänge der Zellulosemoleküle kürzer und die Reinheit höher ist. Der Zellstoff für die Viskoseproduktion enthält weniger Restlignin und weniger Hemizellulosen bzw. Pentosane. Er hat eine bessere Reaktivität gegenüber Natronlauge und Schwefelkohlenstoff und eine bessere Löslichkeit in Natronlauge nach erfolgter Xanthogenierungsreaktion.

Für die Herstellung einer Spinnmasse für das Erspinnen der Viskosefasern wird im klassischen Viskoseverfahren der Zellstoff zunächst mit Natronlauge versetzt. In der wässrigen Natronlauge quillt die Zellulose und bildet Natronzellulose. Auf diese lässt man Schwefelkohlenstoff (CS₂) einwirken. Dabei entsteht Natriumxanthogenat (Xanthat). Das orangegelbe Xanthat ist in wässriger, verdünnter NaOH-Lösung lösbar und bildet darin eine viskose (honigartige) Lösung. Daher stammt auch der Name der Viskose. Diese Masse mit einer Konsistenz ähnlich der von warmem Honig stellt die Viskose-Spinnmasse dar.

Sowohl vor der Reaktion mit CS₂ als auch nach dem Lösen in Natronlauge wird der Natronzellulose beziehungsweise der Spinnviskose Zeit für die jeweiligen chemischen Reaktionen gegeben. Hierzu gehören die Verkürzung der Kettenlängen der polymeren Zellulosemoleküle vor der Xanthogenierungsreaktion und Umlagerungsreaktionen nach dem Löseprozess. Nach zwei- oder dreifacher Filtration und Entlüftung besitzt dann die Spinnmasse die geeignete Viskosität und den geeigneten Reifegrad – Reaktivität gegenüber dem Spinnbad – um nachfolgend versponnen werden zu können.

Für die Viskosefasern im klassischen Herstellungsprozess wird ein Schwefelsäurespinnbad eingesetzt, welches zusätzlich noch – fast bis zur Sättigungsgrenze – Natriumsulfat und eine geringe Menge Zinksulfat zur Verzögerung der Zellulose-Ausfällungsreaktion enthält. Die Viskosespinnmasse wird mittels Zahnradpumpen durch die Spinndüsen gepresst. Der typische Lochdurchmesser eines Einzellochs der Spinndüsen beträgt etwa 50 µm. Das Natrium-Zellulosexanthogenat in der Viskosespinnmasse zerfällt im sauren Milieu des Spinnbades wieder in die Ausgangsmaterialien Zellulose und Schwefelkohlenstoff (CS₂). Die Natronlauge der Viskosespinnmasse bildet mit der Schwefelsäure des Spinnbads Natriumsulfat. Gleichzeitig entsteht Wasser und aufgrund von Nebenreaktionen eine geringe Menge an übelriechendem, giftigem Schwefelwasserstoff, der in einer aufwendigen Gaswäsche entfernt werden muss. Alternativ kann das Biotrickling Filter-Verfahren (Lenzing AG) angewendet werden, eine einfache und betriebssichere biologische Reinigungstechnik.

Das Wasser und das Natriumsulfat werden in der Rückgewinnung für die Wiederaufbereitung des Spinnbades aus dem verbrauchten Bad entfernt. Natriumsulfat ist somit ein Koppelprodukt im klassischen Viskoseverfahren und wird größtenteils an die Waschmittelindustrie verkauft. Der im Spinnprozess freigesetzte Schwefelkohlenstoff wird zum einen aus den Spinnanlagen abgesaugt und entweder durch Absorption an Aktivkohle direkt rückgewonnen oder zum Zwecke der Herstellung von Schwefelsäure verbrannt. Zum anderen wird das CS₂ aufgrund seines geringen Siedepunktes von 46 °C durch Austreibung aus den frisch gesponnenen Fasern mittels Dampf und nachfolgender Kondensation der Brüden direkt wiedergewonnen und in den Prozess zurückgeführt. Diese CS₂-Austreibung erfolgt üblicherweise, nachdem das frische Spinnkabel zuvor noch zur Festigkeitserhöhung verstreckt und auf die gewünschte Faserlänge geschnitten wurde. Da der Schwefelkohlenstoff ein vergleichsweise teures Rohmaterial darstellt, wird dessen vollständige Rückgewinnung angestrebt.

Für ein baumwolleähnliches Aussehen werden die Viskosefasern in einem Nachbehandlungsprozess gewaschen und gebleicht. Chlor-freie Bleiche und der Einsatz von chlorfrei hergestelltem Zellstoff ist in Europa bereits die Regel. Um den Viskosefasern für die Weiterverarbeitung günstige Gleiteigenschaften zu geben, werden vor deren Trocknung noch Avivagen – seifenähnlicheSubstanzen – im Promillebereich auf die Oberfläche der Fasern aufgebracht.

Die Viskosefasern (Stapelfaser) kommen in Ballen mit einem Gewicht von etwa 250 – 350 kg und einer Faser-Restfeuchte von etwa 11 % auf den Markt. Viskosefäden werden mit Spulengewichten von etwa 1,5 – 6,0 kg aufgewickelt. Hierbei werden üblicherweise Titer zwischen 40 und 660 dtex gesponnen.

Hersteller

1911 erwarb die bergische Besatzindustrie, die vorher die Kupferseideproduktion von Max Fremery und Johann Urban übernommen hatte, das Viskosepatent und brachte es zur Produktionsreife. Seit 1908/09 produzierte Hugo Küttner in Pirna Kunstseide, zuerst nach dem Chardonnet-Verfahren, und ab 1910 nach dem Viskosepatent.

Der größte Produzent weltweit ist die Grasim Industries Ltd. (Indien). Europäische Unternehmen sind Lenzing AG und Glanzstoff Austria GmbH in Österreich sowie Kelheim Fibres GmbH in Deutschland. Kelheim Fibres ist der größte Viskosespezialfaserhersteller der Welt, gleichzeitig ist Lenzing der weltgrößte Hersteller von zellulosischen Fasern insgesamt, betrachtet man Viskosefasern, Modalfasern und Tencel-/Lyocellfasern zusammengenommen. Die größten Produktionsstraßen werden von South Pacific Viscose in Purwakarta (Indonesien) mit einer Tagesleistung von ca. 150 Tonnen und in Lenzing mit fast 170 Tonnen betrieben. Der größte europäische Produzent von textilen Viskosefilamentgarnen ist die Enka GmbH & Co. KG in Wuppertal.

Der weltweit größte Hersteller von hochfesten Viskose-Fasern, welche hauptsächlich als Reifencord in der Reifenindustrie eingesetzt werden, ist die CORDENKA GmbH mit Sitz im Industrie Center Obernburg / Deutschland.

Verwandte Produkte

Ein ähnliches Produkt wie Viskosefasern sind Modalfasern. Sie bestehen ebenfalls zu 100 % aus Zellulose und werden, so wie Viskosefasern, aus natürlichem Zellstoff hergestellt. Durch einen etwas unterschiedlichen Prozess erreicht man bei den Modalfasern höhere Faserfestigkeiten und verbesserte Fasereigenschaften. Ebenfalls in die Klasse der zellulosischen Fasern sind die Tencel- und Lyocellfasern einzuordnen. Diese werden mit dem gleichen Grundprozess hergestellt. Nach dem Kauf der Marke Tencel durch die österreichischen Lenzing AG (Lyocell) wurde der Markenname Tencel von Lenzing übernommen, weil dieser einen höheren Bekanntheitsgrad hat als die Marke Lyocell. Bei den Tencel-/Lyocellfasern wird der Zellstoff durch das ungiftige Lösungsmittel NMMO ( N-Methylmorpholin-N-oxid) ohne vorherige Reaktion mit Natronlauge und Derivatisierung zum Xanthogenat direkt und unverändert aufgelöst. Das Verspinnen der Tencel-/Lyocellfasern erfolgt in einem verdünnten, wässrigen NMMO-Bad, wobei die Löslichkeitsgrenze der Zellulose überschritten und dadurch ein Faden gebildet wird.

So wie Viskosefasern ist auch bei Modal- und bei Tencel-/Lyocellfasern die Bezeichnung „synthetische Kunstfasern“ oder „Synthetikfasern“ unzutreffend. Das Rohmaterial für diese Fasern ist Zellstoff, welcher aus Holz durch die Entfernung der Bindestoffe (Lignine) direkt und ohne chemische Umwandlung hergestellt wird. Die Umsetzung des Zellstoffes zum Zellulosexanthogenat im klassischen Viskosefaserprozess dient nur zur Erzielung einer Löslichkeit und endet schließlich nach dem Spinnen wieder im Ausgangsmaterial Zellulose. Im Vergleich zu echten Synthetikfasern, deren Rohmaterialien auf Basis von Erdöl oder Erdgas hergestellt werden, tragen Viskosefasern wesentlich weniger zur Erhöhung des CO₂-Gehaltes in der Atmosphäre und damit zum Treibhauseffekt bei. Zutreffender ist für Viskose-, Modal- und Tencel-/Lyocellfasern die Bezeichnung „naturnahe Fasern“ oder „natürliche Kunstfasern“.

Weblinks

• PDF über „Cellulose und Polyosen als Chemierohstoffe“
• Didaktik der Chemie an der FU Berlin: Viskoseverfahren