Viskosefaser

Als Viskosefasern werden Chemiefasern (Celluloseregeneratfasern) bezeichnet, die ausgehend von Cellulose, heute überwiegend in Form von Holzzellstoff, mit Hilfe des Viskoseverfahrens, dem am weitest verbreiteten Nassspinnverfahren, industriell ersponnen werden. Der Zellstoff wird in nacheinander folgenden Prozessstufen durch Behandlung mit Natronlauge, wodurch sich Alkalicellulose bildet, und deren anschließender Umsetzung mit Schwefelkohlenstoff zu Cellulose-Xanthogenat umgewandelt. Durch eine weitere Zugabe von Natronlauge wird die Viskose-Spinnlösung erzeugt, die durch Löcher von brausenartigen Spinndüsen in das Spinnbad gepumpt wird. Dort entstehen durch Koagulation pro Spinndüsenloch ein Viskose-Filament. Durch Verstrecken und weitere Bearbeitungsschritte und dem Zusammenfassen der einzelnen Filamente entstehen Viskosefilamentgarne bzw. durch zusätzliches Schneiden Viskosespinnfasern. Früher wurden die Viskose-Filamentgarne als Reyon oder Kunstseide, die Spinnfasern als Zellwolle bezeichnet.

Die chemische Zusammensetzung der Viskosefasern (Grundbestandteil Cellulose) ähnelt dabei der von Baumwolle.

Verwendung

Die Verwendung von Viskosefasern ähnelt wegen der gemeinsamen Basis Cellulose und den damit verbunden bekleidungsphysiologischen Eigenschaften der von Baumwollfasern. Wegen der viel größeren Variationsmöglichkeit in der Fasergeometrie (Länge, Kräuselung, Feinheit, Querschnittsform) übertrifft sie aber in vielen Anwendungseigenschaften die von Baumwollfasern. Bedeutend für die Verarbeitung und damit für die Verwendung ist auch, dass aus Viskose nicht nur Spinnfasern wie bei Baumwolle zur Verfügung stehen, sondern Filamente (Endlosfasern) hergestellt werden können.

• Beispiele für die Verwendung im Bekleidungs- und Heimtextiliensektor sind:
  • Garne aus 100 % Viskose-Spinnfasern oder in Mischung mit Baumwoll-, Woll- , Polyester- oder Polyacrylnitrilfasern werden
    • zu Stoffen für Oberbekleidung, wie Kleider, Blusen, Hemden, Anzüge und Mäntel,
    • wegen ihrer hohen Saugfähigkeit auch zu Stoffen für Unterbekleidungsartikel,
    • zu Deko- und Möbelstoffen sowie Stoffen für Bett- und Tischwäsche verarbeitet.
  • Viskose-Filamentgarne werden insbesondere für Kleider-, Blusen- und Rockstoffe sowie für Futterstoffe verwendet, wobei die Stoffe vorrangig Gewebe, aber auch Strick- und Wirkwaren sind
  • Viskose-Kurzfasern (Faserlänge 0,5 bis 1 mm) finden zum Beflocken von z.B. T-Shirts mit plastischen Motiven Anwendung
  • In Mischung mit Polyesterfasern werden Viskosefasern auch im Bekleidungssektor für näh- und fixierbare Einlagevliesstoffe genutzt
• Beispiele für die Verwendung in Medizin- und Hygieneprodukten sind:
  • Verbands- und Kompressionsmaterialien wie Verbandmull aus leinwandbindigen Visksosefasergarn-Geweben, Viskosefaser-Verbandwatte, Viskosefaservliesstoffe für Kompressions- und Saugkissenfertigung, Viskosefaservliesstoffe als Sekretverteilschicht (Acquisitionlayer) in mehrlagigen Saugkompressen, Mullbinden aus Viskosfasergarn-Geweben für Fixierbinden sowie rundgestrickte, quer-und längselastische Trikot-Schlauchverbände aus Viskosefasergarnen
  • Krankenhaustextilien wie mehrlagige Matratzenauflagen mit Viskosfaser/Baumwollfaser-Frottiergewirken als Saugschicht, bindemittelverfestigte Viskosfaservliesstoffe als Saugschicht in mehrlagigen OP-Abdecktüchern, wasserstrahlverfestigte Polyester-/Viskosefaser-Vliesstoffe als OP-Mäntel
  • Hygiene- und Körperpflegeprodukte wie
    • Trocken- und Feucht-Reinigungstücher aus unterschiedlich verfestigten Vliesstoffen (zunehmend durch Verfestigung mit Wasserstrahlen; auch als Spunlace-Vliesstoffe bezeichnet) auf Basis von 100 % Viskosefasern oder Mischungen mit Polyesterfasern oder defibrillierten Zellstoff
    • Saugkerne von Tampons, die aus Streifen von Nadel- oder wasserstrahlverfestigten Vliesstoffen hergestellt werden, wobei zur Erhöhung der Saugkraft 100 % querschnittsmodifizierte (multilobale) Viskosefasern verwendet werden können
    • Wattestäbchen
• Beispiele für technische Anwendungen sind:
  • die aus nach einem Spezialspinnverfahren erzeugten Hochfest-Viskosefilamenten (Viscosecord) gefertigten Cordgewebe als Radialkarkassen im Reifenbau, Schläuche, wie für Kraftstoff- und Schmieröle in Autos, Gewebe für Förderbänder sowie Kordeln und Schnüre
  • Hochfest-Viskosefilamente, aber auch geschnitten als Kurzfasern zur Verstärkungfasern in PP-Compounds, die durch Spritzguss, Extrusion oder Fließpressen verarbeitet werden (z.B. für Bauteile im Kfz-Innenraum)
  • bindemittelverfestigte Viskosfaservliesstoffe als Filtermaterialien in der Flüssigfiltration (Abwasser, Kühlschmierstoffe, Milch)
  • Teebeutel und Papier für Banknoten

Herstellung (Viskoseverfahren)

Als Ausgangsmaterial für Viskosefasern dient Zellstoff, welcher seinerseits aus Holz von Buchen, Fichten, Eukalyptus, Pinien, Bambus oder ähnlichen stammt. Die verwendete Zellstoffqualität unterscheidet sich von der Papierzellstoff-Qualität dadurch, dass die Kettenlänge der Cellulosemoleküle kürzer und die Reinheit höher ist. Der Zellstoff für die Viskoseproduktion enthält weniger Restlignin und weniger Hemizellulosen beziehungsweise 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 Cellulose (Mercerisierung). Auf diese lässt man Schwefelkohlenstoff (CS₂) einwirken. Dabei entsteht Natriumxanthogenat (Xanthat). Das orangegelbe Xanthat bildet in wässriger, verdünnter Natriumhydroxid-Lösung eine viskose Lösung. Daher stammt auch der Name der Viskose-Lösung in diesem Reaktionsstadium. Diese Masse mit einer Konsistenz ähnlich der von warmem Honig stellt die Viskose-Spinnmasse dar. Nach zwei- oder dreifacher Filtration, Nachreifung und Entlüftung besitzt dann diese Spinnmasse die geeignete Viskosität zur Wiederausfällung der Cellulose als Viskosefäden. Diese alkalische Lösung wird dazu durch Düsen in schwefelsaure Salzlösungen gepresst.

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 Cellulose-Ausfällungsreaktion enthält. Die Viskosespinnmasse wird mittels Zahnradpumpen durch die Spinndüsen gepresst. Der typische Lochdurchmesser eines Einzellochs der Spinndüsen beträgt etwa 50 µm. Durch Neutralisation bildet die Schwefelsäure aus dem Natriumxanthogenat sowohl Natriumsulfat als auch die unbeständige Cellulose-Xanthogensäure, die ihrerseits sofort zu Cellulose und Schwefelkohlenstoff zerfällt. Nebenprodukte hierbei sind geringe Mengen Kohlendioxid und übelriechender 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 zurückgewonnen 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. Andererseits ist Schwefelkohlenstoff durch seine extrem niedrige Zündtemperatur von 102 °C in Betrieben nur schwer sicher zu handhaben.

Konfektionierung

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 – seifenähnliche Substanzen – im Promillebereich auf die Oberfläche der Fasern aufgebracht.

Die Viskosefasern (Stapelfaser) kommen in Ballen mit einem Gewicht von etwa 250 bis 350 Kilogramm und einer Reprise (handelsübliche Restfeuchte) von etwa elf Prozent auf den Markt. Viskosefäden werden mit Spulengewichten von etwa 1,5 bis 6,0 Kilogramm aufgewickelt. Hierbei werden üblicherweise Titer zwischen 40 und 660 dtex gesponnen.

Aus Viskose lassen sich grundsätzlich verschiedene Produkte des alltäglichen Lebens, wie Stapelfasern, Filamentfasern, Verpackungsfolien und Kunstdärme mit und ohne Faservliesverstärkung herstellen.

Verwandte Produkte

Modalfaser

Ein ähnliches Produkt wie Viskosefasern sind Modalfasern. Sie bestehen ebenfalls zu 100 Prozent aus Cellulose und werden wie Viskosefasern aus natürlichem Zellstoff hergestellt, dessen Ausgangsstoff entrindetes und anschließend zur Trennung vom Lignin in streichholzgroße Stücke zerkleinertes Eukalyptus-, Pinien- oder Buchenholz ist. Ausgangsstoff für die Gewinnung von Modalfasern hingegen ist stets nur Buchenholz. Durch einen etwas unterschiedlichen Prozess erreicht man bei den Modalfasern höhere Faserfestigkeiten und verbesserte Fasereigenschaften. Außerdem besitzt die Modalfaser eine höhere Feuchtigkeitsaufnahme und trocknet schnell.

Tencel- und Lyocellfaser

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 österreichische 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 NMO (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 NMO-Bad, wobei die Löslichkeitsgrenze der Cellulose überschritten und dadurch ein Faden gebildet wird.

Umwelt- und Trageeigenschaften

Viskose-, Modal- und Tencel-/Lyocellfasern sind künstlich hergestellte Fasern aus dem Naturstoff Cellulose. Aufgrund ihres Wasseraufnahmevermögens (Pufferung, Weiterleitung) ist daraus hergestellte Kleidung angenehm zu tragen. Risiken und Hautirritationen entstehen daher gegebenenfalls nur aufgrund des Färbens oder der Ausrüstung der Faser. Das Rohmaterial für diese Fasern ist Zellstoff, welcher aus Holz durch die Entfernung der Bindestoffe (Lignin) 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 Cellulose.

Im Vergleich zu echten Synthetikfasern, deren Rohmaterialien aus Erdöl oder Erdgas hergestellt werden, bestehen Viskosefasern aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz. Nach Herstellerangaben sind die Fasern biologisch abbaubar. Der Energie- und Wasserverbrauch bei Herstellung und Verarbeitung ist wesentlich geringer als bei Baumwolle. Überdies entfallen die beim Baumwollanbau meist eingesetzten Herbizide und Pestizide, die sich außer in der Umwelt zuweilen auch in Kleidungsstücken wiederfinden.

Ein Problem sind die beim Herstellungsprozess entstehenden Stoffe, die teilweise ungesund und umweltschädlich sind: Schwefelwasserstoff (H₂S) und Schwefelkohlenstoff (CS₂) sind Nervengifte und in gewissen Mengen tödlich, Schwefelkohlenstoff ist darüber hinaus außerordentlich leicht entflammbar.

Hersteller

Das Xanthogenat-Verfahren zur Viskoseherstellung stammt von Edward John Bevan und Charles Frederick Cross (1892), die dies auch industriell umsetzten. Für die Umsetzung der Patente in Deutschland, Frankreich, USA entstand das Viscose Spinning Syndicate, in Großbritannien übernahm Courtaulds die Verwertung.

Seit 1908/09 produzierte Hugo Küttner in Pirna bei Dresden Kunstseide, zuerst nach dem Chardonnet-Verfahren und ab 1910 nach dem Viskose-Patent. 1911 gesellte sich dazu die 1899 von Max Fremery und Johann Urban gegründete Vereinigte Glanzstoff-Fabriken AG mit Sitz in Elberfeld (heute zu Wuppertal), die schon im Jahr davor die „Fürst Guido Donnersmarckschen Kunstseiden- und Acetatwerke“ in Sydowsaue bei Stettin und anschließend deren Viskose-Patente übernommen hatte, um sie weiter zu vervollkommnen.

Der weltgrößte Viskose-Produzent ist heute die indische Grasim Industries Ltd., derweil die größten Viskose-Produktionsstraßen heute von der indonesischen South Pacific Viscose in Purwakarta (Indonesien) mit einer Tagesleistung von rund 150 Tonnen sowie von der österreichischen Lenzing AG mit fast 170 Tonnen täglich betrieben werden. Letztere kann dabei außerdem für sich beanspruchen, der weltgrößte Hersteller zellulosischer Fasern überhaupt, also von Viskose-, Modal- und Tencel- bzw. Lyocellfasern zusammengenommen, zu sein.

Weitere wichtige europäische Unternehmen auf dem Viskose-Sektor sind z. B. die deutsche Kelheim Fibres GmbH als weltgrößter Viskose-Spezialfaser-Hersteller, die ebenfalls deutsche Cordenka GmbH mit Sitz im Industrie Center Obernburg als weltgrößter Hersteller hochfester Viskose-Fasern zur Produktion u. a. von Karkassen und Reifencord sowie die deutsche Enka GmbH in Wuppertal als größter europäischer Hersteller textiler Viskose-Filament-Garne . Ein weiterer großer Hersteller von Filament-Viskose ist die Firma Glanzstoff Industries mit Sitz in St. Pölten, Österreich und dem Produktionsstandort Lovosice in der Tschechischen Republik.

Ein Zusammenschluss der Hersteller („Tamponmonopol“) wird vom Bundeskartellamt kritisch bewertet.

Literatur zur Geschichte der Viskose

• Lars Bluma: „L'ersatz ist kein Ersatz“ – Das Schaffen von Vertrauen durch Technikvermittlung am Beispiel der deutschen Zellwolle. In: Lars Bluma, Karl Pichol, Wolfhard Weber (Hrsg.): Technikvermittlung und Technikpopularisierung. Historische und didaktische Perspektiven. Waxmann, Münster 2004, ISBN 3-8309-1361-3, S. 121–142.
• Lars Bluma: Stoffgeschichte: Zellwolle, Mode und Modernität 1920-1945. In: Elisabeth Hackspiel-Mikosch, Birgitt Borkopp-Restle (Hrsg.): Intelligente Verbindungen. Band 1: Wechselwirkungen zwischen Technik, Textildesign und Mode. (online auf: intelligente-verbindungen.de), abgerufen am 29. Dezember 2011.
• Hans Dominik: Vistra, das weiße Gold Deutschlands. Die Geschichte einer weltbewegenden Erfindung. Koehler & Amelang, Leipzig 1936, DNB 572897405.
• Kurt Götze: Kunstseide und Zellwolle nach dem Viskose-Verfahren. Springer, Berlin 1940, DNB 573503486.
• Jonas Scherner: Zwischen Staat und Markt. Die deutsche halbsynthetische Chemiefaserindustrie in den 1930er Jahren. In: Vierteljahrschrift für Sozial- und Wirtschaftsgeschichte. 89, Nr. 4, 2002, S. 427–448.
• Kurt Ramsthaler: Der Chemiewerker in der Zellwolle- und Kunstseidefabrik (Viskoseverfahren): Ein Hilfsbuch für Chemiewerker, Vormänner und Schichtmeister. Band 2: Von der Spinnlösung zum Fertigprodukt. Konradin-Verlag, Berlin 1941, DNB 453910629.

Weblinks

Wiktionary: Viskose – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Didaktik der Chemie an der FU Berlin: Viskoseverfahren