Cellulosefasern: Wieder im Rampenlicht

Das wiedererwachte Interesse an Fasern, die aus natürlichen (nicht petrochemischen) Zellulosequellen gewonnen werden, hat dazu geführt, dass die Nachfrage nach solchen Fasern auf derzeit 6 Millionen Tonnen pro Jahr gestiegen ist, was nach den Daten von Tecnon OrbiChem zu Angebot und Nachfrage eine ungefähre Verdoppelung der Nachfrage seit dem Jahr 2000 darstellt.

Der Begriff “Cellulosefasern“ oder “cellulosische Fasern“ umfasst eine Vielzahl von Untertypen von Fasern, die manchmal besser als Rayon oder unter ihren Markennamen oder Untertypen wie Viscose, Lyocell, Modal usw. bekannt sind. Das Hauptmerkmal all dieser Fasern ist, dass sie aus natürlichem Zellstoff hergestellt werden (oder in einigen Fällen heutzutage aus einem Anteil an recyceltem Zellstoff – worauf wir weiter unten noch eingehen werden) und daher nicht als synthetisch gelten. Allerdings werden Cellulosefasern in der Industrie häufig auch als „man-made cellulosic fibers“ (MMCF) bezeichnet, da ihre Herstellung eine Verarbeitung mit Petrochemikalien erfordert, um Cellulosezellstoff in eine Form zu bringen, die es ermöglicht, Fasern zu spinnen oder für andere (weniger wichtige) Verwendungszwecke wie Folien zu verarbeiten.

Nicht natürliche Fasern werden oft als „synthetisch“ klassifiziert, wenn sie aus Erdöl gewonnen werden, als „künstlich“, wenn sie aus der Verarbeitung natürlicher Materialien gewonnen werden, wobei beide zusammen als „Chemiefasern“ bezeichnet werden.

Warum besteht ein erneutes Interesse an Cellulosefasern? Tecnon OrbiChem geht davon aus, dass die Hauptantriebskraft von der Verwendung von Mischungen aus Viskosestapelfasern mit Baumwolle oder synthetischen Stapelfasern ausgeht, um dem Gewebe Weichheit und Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit zu verleihen. Viskose hat eine um 50 % höhere Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit als Baumwolle, was bedeutet, dass ein weiterer wichtiger Absatzmarkt in Hygienetüchern liegt. Spielt die Nachhaltigkeit einer aus Holz gewonnenen Faser eine Rolle bei der Förderung von Viskose und Lyocell? Rückmeldungen von Modemarkeninhabern, die verschiedene Arten von Synthetik- und Naturfasern in ihrer Kleidung verwenden, deuten darauf hin, dass die Verbraucher bei ihrer Kaufentscheidung die Faserart oft nicht wirklich berücksichtigen – viele Verbraucher kennen den Unterschied zwischen Synthetik- und Naturfasern nicht -, so dass die Nachfrage nicht immer von der Verbraucherebene der Wertschöpfungskette ausgeht, obwohl in den Medien negative Informationen über Kunststoffe und die Abscheidung von Mikroplastik aus Textilien kursieren. Es gibt jedoch eine gewisse Anziehungskraft des Marktes auf die Endkunden, von denen einige die Idee von Fasern aus der Natur mögen. Einige Hersteller von z. B. Unterwäsche oder Socken werben damit, dass sie Viskose auf Bambusbasis verwenden.

Andererseits können Zellulosefasern Eigenschaften bieten, die denen von Baumwolle näher kommen als die von synthetischen Fasern, und die Markeninhaber selbst sind sich der ökologischen Ziele und der Notwendigkeit bewusst, die Abhängigkeit von petrochemischen Rohstoffen zu verringern, die zu einer steigenden CO2-Konzentration in der Atmosphäre führen. Zellulosefasern aus natürlichen Rohstoffen scheinen daher ein attraktiver Weg zu sein, um den Bedarf an alternativen, umweltfreundlichen Lösungen zu petrochemischen Fasern für die weltweit wachsende Nachfrage nach Fasern zu decken.

Viskosefasern sind sehr weich und bequem und werden zunehmend in Artikeln verwendet, die direkt auf der Haut getragen werden (Unterwäsche) oder in Oberbekleidung, bei der es auf Weichheit ankommt (Strickjacken, Trikots). Allerdings fast immer in Mischungen mit härteren Fasern, da Viskose eine geringe Abriebfestigkeit aufweist (Socken aus 100 % Viskose würden nach ein paar Mal Tragen in Stücke fallen). Ein zunehmender Einsatz ist in Tüchern, wo Weichheit mit Wasseraufnahme und Abbaubarkeit kombiniert wird.

Tecnon OrbiChem hat die steigende weltweite Nachfrage nach Fasern seit 1980 beobachtet und die nachstehende Grafik zeigt die Entwicklung. Die Nachfrage nach Fasern ist sehr stark an das Wachstum des weltweiten BIP gekoppelt, was den beobachteten Trend bestimmt. Es wird prognostiziert, dass die Gesamtnachfrage bis 2030 ~147 Millionen Tonnen erreichen wird (wie im Diagramm dargestellt).

Angesichts des Ziels, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, scheint es zunächst ein naheliegender Schritt zu sein, einen Teil des in der Grafik dargestellten Bedarfs an Polyesterfasern durch Zellulosefasern zu ersetzen, wenn auch von einem relativ kleinen Ausgangspunkt aus, wenn Zellulosefasern nur 6 Millionen Tonnen des Gesamtbedarfs ausmachen.

Allerdings sind Cellulosefasern nicht so „grün“, wie die einfache Aussage, dass sie aus natürlichen Quellen stammen, vermuten lässt. Die Cellulosefaserindustrie selbst gibt unumwunden zu, dass mehr getan werden könnte und sollte, um die chemischen Prozesse zur Herstellung von Cellulosefasern umweltfreundlicher zu gestalten. Die beiden wichtigsten Verfahren, die weltweit eingesetzt werden, sind das Viskoseverfahren, mit dem fast 90 % der weltweiten Viskosefilamente und -stapelfasern hergestellt werden, und das Lyocellverfahren, das weitere 10 % ausmacht. Beim Viskoseverfahren wird hochgiftiger Schwefelkohlenstoff (CS2) als Lösungsmittel verwendet, der zwar im Prozess zurückgewonnen wird, aber eine Herausforderung bei der Handhabung dieses Stoffes darstellt und Abfälle wie Schwefel in die Luft und Schwefelsäure in die Atmosphäre abgibt. In den letzten Jahren wurden die Standards verbessert, da die neuesten Technologien in größerem Umfang eingesetzt wurden.

Das Lyocell-Verfahren verwendet N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMNO) als Lösungsmittel und gilt wegen der geringeren Abfallmengen als umweltfreundlicher. Das Bestreben, den Einsatz von hochgiftigem CS2 zu verringern, hat zur Entwicklung des Cellulosecarbamatverfahrens geführt, das derzeit als die praktikabelste Option zum Ersatz oder zur Nachrüstung der bestehenden Viskosetechnologie angesehen wird.

China ist derzeit der bei weitem führende Viskosefaserhersteller der Welt. Im Jahr 2019 betrug die Produktion von Viskosestapelfasern in China nach Angaben der China Chemical and Fiber Economic Information (CCFEI) 3.672 kt. Tecnon OrbiChem schätzt, dass die Weltproduktion im Jahr 2019 bei 4.528 kt lag, was bedeutet, dass 81 % der Weltproduktion auf China entfielen.

Diese Probleme haben zur Weiterentwicklung von Lösungen für die „Ökologisierung“ der Zellulosefaserindustrie geführt, wobei die am häufigsten diskutierte Entwicklung die Möglichkeit des Recyclings ist. Eine Reihe von Unternehmen und Organisationen, die auf der Konferenz anwesend waren, berichteten über Fortschritte bei der Wiederverwertung von Zellulosefasern aus Bekleidungsfabriken oder aus der Wiederverwertung von Altpapier zu Zellstoff. Das allgemeine Prinzip besteht darin, Zellulosefasern aus Baumwoll- oder Viskoseabfällen, Kleidungsstücken oder sogar gemischten Textilien, die Zellulosefasern enthalten, zu extrahieren und daraus Zellstoff zu erzeugen, der mit neuen, aus Holz gewonnenen Rohstoffen gemischt werden kann. Einer Quelle zufolge könnten jährlich 20 Millionen Tonnen Baumwollabfälle und 10 Millionen Tonnen Viskoseabfälle zur Verfügung stehen, obwohl diese Zahlen angesichts des Produktionsvolumens von Baumwolle, das ~25 Millionen Tonnen pro Jahr nicht übersteigt, hoch erscheinen.

Zu den Unternehmen, die solche Projekte durchführen, gehören der Faserhersteller Lenzing mit seiner Marke REFIBRA™, die Lyocellfasern auf der Grundlage der Wiederverwendung von Baumwollabfällen herstellt und sich das Ziel gesetzt hat, die CO2-Emissionen bis 2030 um 50 % zu senken, Infinited Fiber (Finnland), das ebenfalls ein CS2-frei Verfahren anwendet und Verbindungen zu großen Modemarken unterhält, und Re:newcell in Schweden, das ebenfalls mit seinem Zellstoffprodukt Circulose® arbeitet, das durch die Rückgewinnung von Baumwolle aus Altkleidern hergestellt wird. In Schweden arbeitet Södra an auflösbarem Zellstoff aus recycelten Textilien, befindet sich aber noch in der Entwicklungsphase. Langfristiges Ziel ist die Wiederverwendung aller Arten von Textilprodukten.

In den Niederlanden hat KNN Cellulose ein Produkt mit dem Markennamen Recell® entwickelt, bei dem Zellulosefasern aus Kläranlagen zurückgewonnen werden. KNN Cellulose hat bisher die Verwendung dieses Materials in Verbundwerkstoffen erforscht, obwohl die Verwendung in Fasern ebenfalls gefördert wird.

Ein Hindernis ist die Verfügbarkeit von Post-Consumer-Textilien/Abfalltextilien. Während Kunststoffe inzwischen in großem Umfang über kommunale Sammlungen gesammelt und recycelt werden, gilt dies nicht für Textilien. Eine bessere Verfügbarkeit solcher Recyclingmaterialien zu niedrigen Kosten wäre sicherlich hilfreich, und es gibt EU-Initiativen zur Umsetzung von Recyclingprogrammen. Es werden Lieferanten und Partner gesucht, die gebrauchte Textilien zur Verfügung stellen.

Während die meisten Recycler Erfolg mit weiß gefärbten Baumwollabfällen hatten, ist die Handhabung von Post-Consumer-Fasern, die gemischte Fasern und Farbstoffe enthalten, wesentlich schwieriger.

Die Produktionskosten bzw. die Kosten des Recyclingkreislaufs für den Zellulosefaserprozess bleiben ein Problem. Keiner der Hersteller hat angegeben, dass die Produktionskosten in die Nähe der Verarbeitung von Zellstoff aus Frischholz kommen, obwohl zu erwarten ist, dass die stärkere Anziehungskraft der Verbraucher über die Markeninhaber für „grünere“ Produkte, die bessere Verfügbarkeit von Recyclingmaterial und die Größenvorteile, die sich aus der zunehmenden Größe der Anlagen für Recyclingprodukte ergeben, dazu beitragen werden, dass sich die Produktionskosten denen von Frischfasern annähern werden.

Das Innovationsunternehmen der Metsä Group, Metsä Spring Ltd., und die japanische Itochu Corporation haben ein Joint Venture gegründet und eine Testanlage für eine neue Technologie zur Umwandlung von Papierzellstoff in Textilfasern errichtet.

Zu den weiteren Entwicklungen gehört die Beimischung von Hanffasern zur Herstellung von „Lyohemp“. Dies wird vom TITK in Deutschland erforscht. Zellulosequellen aus grünen Eiweißpflanzen (Gras) werden von der Universität Aarhus in Dänemark untersucht. Weitere Initiativen, die zu einer weniger CO2-intensiven Wirtschaft beitragen, sind die Färbetechniken für Dopingmittel (erforscht von Aditya Birla).

Rayonfasern werden zum Beispiel für die Verstärkung von Autoinnenverkleidungen als Alternative zu erdölbasierten Fasern untersucht.

Der Begriff „Nanocellulose“ wird im weitesten Sinne für Cellulose-Nanokristalle (CNC) verwendet, die durch die saure Hydrolyse von Cellulosefasern entstehen. In den USA ist Cotton Incorporated eine gemeinnützige Organisation, die von Baumwollerzeugern finanziert wird und sich zum Ziel gesetzt hat, die Wertschöpfungskette der Baumwolle zu verbessern. Sie untersucht Möglichkeiten zur Verwendung von CNC aus recyceltem Baumwollabfall in Verbundwerkstoffen. Ziel ist es, Materialien mit verbesserten Eigenschaften herzustellen. Forschungsinstitute wie das Research Institutes of Sweden (RISE) untersuchen Fasern mit Nanocellulose.

Es ist unvorstellbar, dass Cellulosefasern in absehbarer Zeit synthetische Fasern auch nur annähernd ersetzen können, da die Nachfrage nach Polyester, Polyamid usw. mit dem Wachstum der Weltbevölkerung und dem Anstieg des weltweiten BIP weiter steigen wird. Wie bei nachhaltigen Chemikalien und Polymeren im Allgemeinen sind Cellulosefasern ein Instrument, das uns zur Verfügung steht, um die Ziele zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes und der globalen Erwärmung zu erreichen. Es muss jedoch mehr getan werden, um das Textilrecycling zu unterstützen und die Bereitschaft von Markeninhabern und Verbrauchern zu fördern, höhere Preise für recyceltes Material zu zahlen, anstatt mehr Waldressourcen zu nutzen. Was die synthetischen Fasern und insgesamt betrifft, so ist ohne eine Verringerung der Nachfrage ein viel stärkeres Engagement für das Recycling erforderlich, wenn wir uns den Nachhaltigkeitszielen nähern wollen.

Allerdings wachsen Cellulosefasern (mit einem prognostizierten CAGR von 2,8 % bis 2025) schneller als einige ausgereifte Fasern wie Acryl oder Polyamid, zumindest derzeit, aufgrund ihrer Weichheit und Wasseraufnahme – baumwollähnliche Eigenschaften.

Gillian Tweddle ist Business Manager – Individual Project Studies bei Tecnon OrbiChem Ltd.