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DATENBLATT NANOPRODUKTE

19. April 2013

Einsatz von Nanomaterialien in Textilien

1 Beschreibung der Anwendung

1.1 Produkte und Zweck des Einsatzes von Nanomaterialien 1

Die Textilindustrie ist eine der weltweit wichtigsten Konsumgüterbranchen. Sie stellt vor allem

in kleinen und mittleren Unternehmen Textilien für unterschiedliche Bereiche her, wie

Bekleidung, Haustextilien (z.B. Bett- und Tischwäsche, Küchen- und Putztücher), Heimtextilien (z.B. Gardinen, Möbelstoffe, textile Bodenbeläge) und technische Textilien (z. B.

Arbeitsschutzkleidung, Fahrzeugsitzbezüge, Planen, Reifengewebe, Filtermaterialien).

In Deutschland sind ungefähr 60 Institute und Unternehmen in der nanotechnischen Verarbeitung von Textilien tätig (BMBF 2011). Durch Integration neuer funktionaler Eigenschaften in textile Materialien will die deutsche Textilindustrie Zusatznutzen erzeugen, der über den konventionellen Grundnutzen teilweise weit hinausgehen kann und damit einen Wettbewerbsvorteil sichern soll (Paschen et al., 2003). Dabei handelt es sich beispielsweise um Verbesserungen bei Schmutz- und Wasserabweisung, Atmungsaktivität, UV-Schutz oder Verschleißfestigkeit von Textilien. Hier versprechen nanotechnische Herstellungs- und Veredelungsverfahren ökonomischen und ökologischen Nutzen (Gesamtverband textil+mode 2011). Auf dem Markt wird bereits jetzt eine rasch anwachsende Zahl von Textilien mit schmutz-, wasserabweisenden, antimikrobiellen Eigenschaften sowie UV-Schutz angeboten, die laut Produktbeschreibung unter Einsatz von Nanomaterialien hergestellt sind 2 (BMBF 2011).

1.2 In Textilien enthaltene Nanomaterialien

Die bisher und in naher Zukunft am häufigsten in Textilien eingesetzten Nanomaterialien sind:

Silber, Siliziumdioxid, Titandioxid, Zinkoxid, Aluminium(hydr)oxide, Schichtsilikate (v.a.

Montmorillonit), Kohlenstoffnanoröhren, Carbon Black. In zweiter Priorität stehen Kupfer, Gold, Eisen(hydr)oxide, Polypyrrol und Polyanilin (Som et al., 2010). Tabelle 1 gibt eine Übersicht möglicher Eigenschaften, die durch die Anwendung verschiedener Nanomaterialien erreicht werden.

Nanomaterialien bestehen aus abgrenzbaren strukturellen Bestandteilen in einer Größenordnung von 1-100

-9 Nanometern (1nm = 10 m) in mindestens einer Dimension (siehe auch die Empfehlung der Kommission vom 18.10.2011 zur Definition von Nanomaterialien (2011/696/EU)). Nanopartikel sind eine Teilmenge der Nanomaterialien und weisen in allen drei Dimensionen o.g. Größenordnung auf. In der Umwelt kommen sowohl natürliche als auch anthropogene Nanomaterialien vor. In der Nanotechnik werden technisch erzeugte Nanomaterialien genutzt.

Beispielsweise betreffen rund 15 Prozent der Einträge der internationalen Datenbank für nanomaterialhaltige Konsumprodukte des Woodrow Wilson Centers Anwendungen in Kleidungsstücken (www.wilsoncenter.org/) In der Datenbank des BUND sind

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* Chitosan, Siliziumdioxid, Titandioxid und Zinkoxid werden in den angegebenen Literaturquellen für antimikrobielle Eigenschaften in Textilien genannt. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Stoffe aber entweder nicht im EU-Biozid-Altwirkstoffverfahren notifiziert oder im Anhang I der Biozid-Richtlinie gelistet sind. Daher dürfen sie weder in dieser Funktion eingesetzt noch als in Textilien antimikrobiell wirkend ausgelobt werden.

1.3 Herstellung Die gewünschte Funktion der Textilien kann durch das Einbringen von synthetischen

Nanomaterialien oder durch Nanostrukturierung erreicht werden:

Bei der Verwendung von Nanomaterialien beim Herstellungs- und Veredelungsprozess werden diese in das Faservolumen eingebracht oder als Beschichtung auf das Textil aufgebracht (siehe Abbildung 1)(Som et al., 2009).

2 Umweltbundesamt I Wörlitzer Platz 1 I 06844 Dessau-Roßlau I www.umweltbundesamt.de Abbildung 1: Möglichkeiten der Einbettung von Nanomaterialien in Textilien (nach Bickel und Som 2011)

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Bei Textilien, die aus Nanostrukturen bestehen, handelt es sich beispielsweise um Fasern mit einem Durchmesser im nanoskaligen Bereich oder um Fasern und Beschichtungen mit Nanoporen (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Nanostrukturierte Materialien (nach Bickel und Som 2011)

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1.4 Stabilität der Nanomaterialien in den Textilien Damit Produktqualität und Funktionalität der Textilien erhalten bleiben, sollen die Nanomaterialien stabil eingebettet sein. Damit wird auch die Freisetzung von Nanomaterialien mit potenziellen Risiken für die Umwelt und Gesundheit vermieden.

Die Freisetzung der Nanomaterialien aus den Textilien hängt von folgenden Parametern ab (Bickel und Som 2011):

Ort der Einbindung in das Textil (z.B. im Mantel oder im Kern der Faser, in der Beschichtung) Art und Stärke der Bindung zwischen Nanomaterialien und den Textilfasern (z.B.

kovalente Bindung) Textileigenschaften, wie Abriebfestigkeit und Flexibilität der Beschichtung.

Zurzeit kann keine allgemeingültige quantitative Aussage zur Freisetzung von Nanomaterialien aus Textilien getroffen werden. Bestehende Daten wurden vor allem aus Modellierungen erhalten und sind Einzelfallbetrachtungen.





In der Gebrauchsphase verlieren konventionelle Textilien zwischen 5 und 20 % ihres Gewichts beispielsweise durch Waschen, Sonneneinstrahlung oder mechanischen Abrieb. Es ist deshalb davon auszugehen, dass bei Textilien, in die Nanomaterialien integriert oder aufgebracht werden, diese frei oder gebunden in die Umwelt gelangen. Studien zum Verhalten von Nanomaterialien in Textilien zeigen, dass beim Waschen Nanomaterialien (hier Nanosilber und Nanotitandioxid) – in Abhängigkeit von der Einbindungsform – aus Textilien freigesetzt werden. Die Freisetzung beim Waschen variiert zwischen annähernd Null und fast 100 % (Geranio et al. 2009; Benn and Westerhoff 2008; Windler et al. 2012; Tonning et al, 2012).

Umweltbundesamt I Wörlitzer Platz 1 I 06844 Dessau-Roßlau I www.umweltbundesamt.de 2 Umwelt- und Gesundheitsaspekte Aufgrund der Vielfalt von nanomaterialhaltigen Textilien sowohl hinsichtlich der Herstellungsverfahren, der verwendeten synthetischen Nanomaterialien als auch des Verwendungszweckes kann derzeit keine allgemeine Aussage zu möglichen Risiken für Umwelt und Gesundheit getroffen werden. Einige der verwendeten Nanomaterialien bergen zwar das Potenzial für eine toxische oder ökotoxische Wirkung, damit es hierzu kommt, muss jedoch eine wirkungsrelevante Aufnahme der Nanomaterialien in den Organismus erfolgen.

Im Rahmen der „Working Party on Manufactured Nanomaterials“ unterzieht die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) seit 2009 in einem internationalen Testprogramm („OECD Sponsorship Programm“) 13 ausgewählte, marktrelevante Nanomaterialien systematischen Untersuchungen zur Toxikologie, Umwelttoxikologie und zum Umweltverhalten. Ziel dieser internationalen Anstrengung ist neben der Erhebung von Daten zu Verhalten und Wirkung von Nanomaterialien auch die Entwicklung adäquater Testmethoden für Nanomaterialien. Deutschland ist hier aktiv beteiligt und unterstützt dieses Programm mit Projektergebnissen aus dem Umweltforschungsplan, koordiniert durch das Umweltbundesamt (UBA), sowie weiteren nationalen Forschungsprojekten.

Zahlreiche nationale und internationale Projekte befassen sich derzeit mit Fragestellungen zur Sicherheit nano-funktionalisierter Textilien. Als Beispiele seien hier das Projekt „TechnoTox“, das seit 2010 vom Land Baden-Württemberg gefördert wird, sowie das vom BMBF geförderte Verbundprojekt UMSICHT 3 genannt. In letzterem, an dem auch das UBA beteiligt ist, wird unter anderem der Silbergehalt im Abrieb realer Textilprodukte bestimmt. Parallel dazu wird das Verhalten und die Ökotoxizität von Nanosilber in verschiedenen Szenarien untersucht.

2.1 Umweltverträglichkeit der Produkte Wesentliche Aspekte für die Umweltverträglichkeit von Nanomaterialien in Textilien sind der Rohstoffaufwand und die Freisetzung von Nanomaterialien in die Umwelt über den gesamten Lebenszyklus.

Lebenszyklusanalysen zu nanomaterialhaltigen Textilien gibt es bisher nur vereinzelt. Aussagen zum Energieverbrauch und Rohstoffaufwand werden in den veröffentlichten Studien kaum transparent oder gar nicht genannt. So untersuchte eine Studie (Walser et al. 2011) das Treibhausgaspotenzial mit Hilfe des Schlüsselindikators „CO2-Fußabdruck“, die Freisetzung sowie die Toxizität verschiedener biozider Inhaltsstoffe (Nanosilber, Triclosan) in Textilien am Beispiel von T-Shirts. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Zugabe von bioziden Stoffen, sei es Triclosan oder Nanosilber, sich die Ökotoxizität der T-Shirts beim Auswaschen erhöht. Zur Beurteilung empfehlen die Autoren zum Vergleich auch weitere Wirkungskategorien, wie den CO2-Fußabdruck zu analysieren. Während sich dieser in der Produktionsphase erwartungsgemäß bei T-Shirts mit Nanosilber erhöht, kann sich der CO2-Fußabdruck im Vergleich zu biozidfreien T-Shirts in der Nutzungsphase – abhängig vom umweltbewussten Verhalten der UMSICHT = Abschätzung der Umweltgefährdung durch Silber-Nanomaterialien: vom Chemischen Partikel bis zum Technischen Produkt 4 Umweltbundesamt I Wörlitzer Platz 1 I 06844 Dessau-Roßlau I www.umweltbundesamt.de Verbraucher – deutlich verringern (von 402 kt CO2/Jahr auf bis zu 47 kt CO2/Jahr 4). Die Studie zeigt, dass die Gebrauchsphase des Textils einen wichtigen Beitrag zur Einsparung des Energieverbrauchs leisten kann, wenn die Verbraucher hinsichtlich ihres Waschverhaltens dem Umstand Rechnung tragen würden, dass Textilien mit bioziden Wirkstoffen weniger Waschgänge bedürfen und so Energie und Waschchemikalien eingespart werden könnten. In einem weiteren Beispiel (BMU 2011) wird festgestellt, dass durch einen durch Nanomaterialien bewirkten UV-Schutz eine längere Haltbarkeit der Textilien (wie Sonnenschutzmarkisen) und damit ein längerer Lebenszyklus des Produktes erreicht werden kann.

Auch selbstreinigende Oberflächen können zu einer Einsparung von Waschgängen inklusive Waschmitteln führen. Eine verbesserte Färbbarkeit von Textilien ermöglicht eine Verringerung der Zahl der Färbe- und Waschgänge und kann so in der Textilveredlung zu einer Einsparung von Rohstoffen und zu einer Verminderung von Abwasser führen. Es ist zu beachten, dass solche von Herstellern und Händlern als „Vorteile“ für die Umwelt und Gesundheit bezeichneten Beispiele bisher nicht mit konkreten Daten belegt wurden.

Die Haupteintragsquellen der Nanomaterialien aus Textilien in die Umwelt sind die Textilveredelungsprozesse in der Herstellungsphase, Waschprozesse in der Gebrauchsphase und die Entsorgung. Bei erstgenannten Prozessen können die Nanomaterialien mit den industriellen und kommunalen Abwässern in Kläranlagen gelangen. Inwieweit sie über den Klärschlamm aus dem Wasserkreislauf entfernt werden und inwieweit sie das Wachstum der für die Nitrifikationsleistung zuständigen Mikroorganismen beeinflussen, ist bislang nur für einige Nanomaterialien untersucht. Allgemeingültige und abschließende Aussagen sind hierzu derzeit nicht möglich. Eine Studie zeigt, dass Silberionen, die aus Silberpartikeln freigesetzt werden, in der Umwelt unter bestimmten Bedingungen neue nanoskalige Silberpartikel bilden können (Glover et al. 2011). Die bisher vorliegenden Untersuchungsergebnisse lassen darauf schließen, dass i.d.R. über 90 % der analysierten Nanomaterialien, wie TiO2, ZnO, Silber oder CeO2, über den Klärschlamm abgetrennt werden (Limbach et al. 2008; Simkó und Fries 2012;

Burkhardt et al., 2010, Nickel et al. 2012). Es wurden bisher keine gravierenden Beeinträchtigungen der Nitrifikationsleistung der Mikroorganismen im Belebtschlamm in Kläranlagen beobachtet. Allerdings müssen weiterführend auch Pflanzen und Bodenorganismen mit in die Betrachtung einbezogen werden, da 30 % des Klärschlamms in Deutschland landwirtschaftlich genutzt werden (Destatis 2012). Noch unveröffentlichte Studien, die im Auftrag des UBA durchgeführt wurden, zeigen Effekte auf im Boden lebende Organismen durch nanoskaliges TiO2 und Silber. Andere Studien stellten toxische Wirkungen auf Kürbis durch nanoskaliges Kupfer und Silber fest (Musante and White 2012). Die gefundenen toxischen Effekte von nanoskaligem Silber werden dabei hauptsächlich durch die freigesetzten toxischer Silberionen hervorgerufen. Wobei die Freisetzung der Silberionen von der Stabilität des nanoskaligem Silbers beeinflusst wird. Diese wiederum wird beispielsweise bestimmt durch die Form und des Coating der Partikel, aber auch durch das umgebende Umweltmedium (Tejamaya et al. 2012, Gondikas et al. 2012, Kennedy et al. 2012). Neben der veränderten toxischen Wirkung von Nanomaterialien können auch Aufnahme- und Akkumulationsprozesse verändert sein, wenn Stoffe im nanoskaligem Bereich vorliegen (Khan Die Zahlen beziehen sich auf die Schweiz (8,1 Millionen Einwohner), mit der Annahme, dass jede Person fünf TShirts hat.

Umweltbundesamt I Wörlitzer Platz 1 I 06844 Dessau-Roßlau I www.umweltbundesamt.de et al. 2012). Da immer mehr Nanomaterialien in die Umwelt freigesetzt werden, sind weitere Untersuchungen zum Verhalten im Boden, zur Aufnahme und Anreicherung von Nanomaterialien in Pflanzen und Bodenorganismen notwendig.

Als Eintragspfad von Nanomaterialien aus Textilien ist auch die Verwertung in Verbrennungsanlagen zu betrachten. Eine Studie, die das Verhalten von CeO2-Nanopartikeln in einer Müllverbrennungsanlage untersuchte, stellte im Ergebnis fest, dass die Nanopartikel bei einer technisch gut ausgestatteten Müllverbrennungsanlage (Filter usw.) nicht in die Atmosphäre entweichen, sich jedoch an Überresten anlagern und sich so in den Deponien oder ggf. bei Rückgewinnung in den Rohmaterialien wieder finden (Walser et al. 2012).

2.2. Gesundheitliche Auswirkungen Soweit eine Freisetzung von Nanomaterialien aus Textilien erfolgt, sind die wesentlichen Aufnahmepfade bei Nutzung und Herstellung die Aufnahme über die Haut (dermal) oder über die Atemwege (inhalativ).



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