Viskose verstehen: Das chemische Verfahren im Detail
Viskose kann sich weich und selbstverständlich anfühlen.
Der Weg zur Faser ist jedoch technisch anspruchsvoll.
Sie gehört zu den regenerierten Zellulosefasern. Ihr Ausgangsmaterial ist Zellulose, häufig aus Holz. Im Viskoseverfahren wird diese Zellulose vorübergehend chemisch verändert, in Lösung gebracht und anschließend wieder als feste Zellulosefaser gebildet.
Der entscheidende Unterschied:
Die Zelluloseketten werden dabei nicht vollständig in ihre Bausteine zerlegt und neu zusammengesetzt. Verändert werden zunächst bestimmte chemische Gruppen an den Ketten. Diese Veränderung wird beim Spinnen wieder rückgängig gemacht.
Was genau dabei passiert, erklären wir Schritt für Schritt.
1. Ausgangspunkt: Zellulose als Polymer
Zellulose ist ein natürliches Polymer. Das bedeutet, dass ihre Moleküle aus vielen miteinander verbundenen Bausteinen bestehen — in diesem Fall aus Glucoseeinheiten.
Die langen Ketten lagern sich zu geordneten und weniger geordneten Bereichen zusammen. Wasserstoffbrücken innerhalb und zwischen den Ketten tragen dazu bei, dass Zellulose in Wasser nicht einfach löslich ist.
Für die Faserherstellung braucht es deshalb mehr als zerkleinertes Holz. Zunächst wird ein hochreiner Zellstoff hergestellt, auch Chemiezellstoff genannt.
Als Ausgangsmaterial kommen unterschiedliche Pflanzen infrage, beispielsweise:
— Buche
— Fichte oder Kiefer
— Eukalyptus
— Bambus
Welche Rohstoffe tatsächlich verwendet werden, hängt vom Hersteller und seiner Beschaffung ab.
Bei der Zellstoffherstellung werden große Teile des Lignins und der Hemizellulosen entfernt. Lignin ist ein Bestandteil, der Pflanzengewebe Festigkeit gibt. Hemizellulosen sind weitere pflanzliche Polymere neben der Zellulose.
Es folgen Reinigung und je nach Verfahren Bleichschritte. Der aufbereitete Zellstoff kann beispielsweise in getrockneten Platten an die Faserproduktion geliefert werden.
2. Prinzip der Viskose: chemische Veränderung und Regeneration
Das Viskoseverfahren nutzt eine vorübergehende chemische Veränderung, um Zellulose verarbeitbar zu machen:
1. Zellulose wird mit Natronlauge behandelt.
2. Durch die Reaktion mit Schwefelkohlenstoff entsteht Zellulosexanthat.
3. Diese Zwischenform wird in verdünnter Natronlauge gelöst.
4. Im Spinnbad werden die Xanthatgruppen wieder abgespalten. Zellulose bildet sich als feste Faser zurück.
Man spricht dabei von einer Derivatisierung und anschließenden Regeneration. Derivatisierung bedeutet hier: Bestimmte Gruppen an der Zellulose werden chemisch verändert, ohne das gesamte Kettenmolekül neu aufzubauen.
Die vorübergehende Veränderung ist der Umweg, der das Lösen und Formen der Faser ermöglicht.
3. Prozessschritte im Detail
3.1 Alkalisieren — Behandlung mit Natronlauge
Der Zellstoff wird mit Natronlauge behandelt. Ihre chemische Formel lautet NaOH.
Die Lauge lässt die Zellulose aufquellen und verändert ihre innere Ordnung. Es entsteht die sogenannte Alkalizellulose.
Anschließend wird überschüssige Flüssigkeit abgepresst. So lässt sich das Verhältnis von Zellulose, Lauge und Wasser für die folgenden Schritte einstellen.
3.2 Zerkleinern und Vorreifen — die Kettenlänge einstellen
Die Alkalizellulose wird mechanisch zu einer lockeren, krümeligen Masse zerkleinert. Das erleichtert den gleichmäßigen Kontakt mit den Reaktionspartnern.
Während der Vorreife werden die Zelluloseketten unter kontrollierten Bedingungen durch oxidative Prozesse verkürzt. Temperatur, Zeit und Sauerstoffkontakt beeinflussen diesen Schritt.
Das Ziel ist eine geeignete mittlere Kettenlänge. Zu lange Ketten würden die spätere Spinnlösung schwerer verarbeitbar machen. Zu stark verkürzte Ketten könnten die Eigenschaften der Faser beeinträchtigen.
Hier wird also noch keine fertige Spinnlösung hergestellt. Es werden die Voraussetzungen dafür geschaffen.
3.3 Xanthogenieren — die lösliche Zwischenform erzeugen
Nun reagiert die Alkalizellulose mit Schwefelkohlenstoff, chemisch CS₂.
Dabei werden an einem Teil der Hydroxygruppen der Zellulose Xanthatgruppen gebildet. Es entsteht Natrium-Zellulosexanthat, häufig verkürzt als Zellulosexanthat bezeichnet.
Hydroxygruppen sind chemische Gruppen aus Sauerstoff und Wasserstoff. Ihre vorübergehende Veränderung ermöglicht es, die Zellulose anschließend in verdünnter Natronlauge zu lösen.
Nicht jede Gruppe an jeder Kette wird verändert. Auch die Verteilung der Xanthatgruppen beeinflusst das weitere Verhalten.
Zusätzlich entstehen schwefelhaltige Nebenprodukte. Der Prozess ist deshalb nicht nur hinsichtlich der gewünschten Reaktion zu steuern. Auch Nebenreaktionen und Emissionen müssen berücksichtigt werden.
3.4 Lösen — die Viskose entsteht
Das Zellulosexanthat wird in verdünnter Natronlauge gelöst.
Es entsteht eine zähflüssige Spinnlösung. Diese Lösung wird als Viskose bezeichnet — derselbe Begriff wird später auch für die daraus hergestellte Faser verwendet.
Für die Verarbeitung sind unter anderem wichtig:
— Konzentration der Zellulose
— Laugengehalt
— Viskosität, also das Fließverhalten
— gleichmäßige Verteilung der gelösten Bestandteile
3.5 Nachreifen — das Verhalten der Spinnlösung einstellen
Während der Nachreife verändern sich Menge und Verteilung der Xanthatgruppen. Ein Teil wird abgespalten. Zugleich können weitere Reaktionen stattfinden.
Dadurch verändert sich, wie die Lösung später im Spinnbad gerinnt und zu Zellulose regeneriert wird.
Die Nachreife ist deshalb mehr als eine Wartezeit. Sie hilft, die Spinnlösung auf den vorgesehenen Prozess abzustimmen.
3.6 Filtration und Entgasung — Störungen vermeiden
Vor dem Spinnen werden ungelöste Partikel und Luftblasen aus der Lösung entfernt.
— Filtration hält störende Partikel zurück.
— Entgasung entfernt eingeschlossene Luft.
Beides ist wichtig, damit die feinen Öffnungen der Spinndüsen gleichmäßig durchströmt werden und möglichst störungsfreie Faserstränge entstehen.
3.7 Nassspinnen — aus der Lösung wird eine Faser
Die Viskose wird durch feine Öffnungen einer Spinndüse in ein saures Spinnbad gepresst.
Ein klassisches Bad enthält Schwefelsäure und Natriumsulfat. Häufig wird zusätzlich Zinksulfat eingesetzt. Die genaue Zusammensetzung hängt von der gewünschten Faser und dem Verfahren ab.
Im Bad laufen mehrere Vorgänge zusammen:
— Die Lauge wird neutralisiert.
— Die austretenden Lösungsstrahlen gerinnen.
— Die Xanthatgruppen werden abgespalten.
— Zellulose bildet sich als feste Faser zurück.
Diese Rückbildung wird Regeneration genannt.
Wichtig: Die bei der Vorreife verkürzten Zelluloseketten werden dabei nicht wieder verlängert. Zurückgebildet wird die chemische Form der Zellulose — nicht die ursprüngliche Kettenlänge oder Pflanzenstruktur.
Beim Spinnen werden unter anderem Schwefelkohlenstoff und weitere schwefelhaltige Stoffe freigesetzt. Ihre Erfassung, Rückgewinnung beziehungsweise Behandlung gehört zu den wichtigen Aufgaben der Prozessführung.
3.8 Strecken — die innere Orientierung beeinflussen
Die entstehenden Faserstränge werden unter kontrollierten Bedingungen gestreckt. Dieser Schritt kann sich mit der Gerinnung und Regeneration überschneiden.
Durch das Strecken richten sich die Zelluloseketten stärker entlang der Faserachse aus. Das beeinflusst unter anderem Festigkeit und Dehnungsverhalten.
Wie stark und an welcher Stelle gestreckt wird, gehört zu den Stellgrößen, mit denen Hersteller die Fasereigenschaften einstellen.
3.9 Nachbehandlung — Rückstände entfernen und Verarbeitung vorbereiten
Nach der Faserbildung folgen weitere Schritte. Je nach Verfahren gehören dazu:
— Waschen zur Entfernung von Säure, Salzen und weiteren Prozessrückständen
— Entschwefeln zur Entfernung verbliebener schwefelhaltiger Rückstände
— gegebenenfalls Bleichen
— Avivieren
— Trocknen
Avivieren bedeutet, Verarbeitungshilfsmittel auf die Fasern aufzubringen. Sie können beispielsweise die Reibung und das Verhalten bei der späteren Garnherstellung beeinflussen.
3.10 Endform — Filamente oder Stapelfasern
Viskose kann als kontinuierliche Filamente oder als geschnittene Stapelfasern hergestellt werden.
— Filamente sind durchgehende Fäden.
— Stapelfasern haben eine festgelegte Länge und werden später zu Garn versponnen.
Bei der Stapelfaserherstellung werden die Faserbündel im weiteren Prozess geschnitten. Die genaue Reihenfolge von Schneiden, Waschen und anderen Nachbehandlungen kann sich je nach Anlage unterscheiden.
4. Chemisches Ergebnis — wieder Zellulose, aber mit anderer Struktur
Die Viskosefaser besteht nach der Regeneration wieder aus Zellulose.
Sie besitzt jedoch nicht dieselbe innere Struktur wie die ursprüngliche Pflanzenfaser:
— Die mittlere Kettenlänge wurde während der Herstellung verändert.
— Die Ketten ordnen sich bei der Faserbildung neu an.
— Regenerierte Zellulose liegt überwiegend in einer anderen Kristallform vor, der sogenannten Zellulose II.
Das lässt sich nicht sinnvoll allein als „geringere Vernetzung“ beschreiben. Es geht vor allem um Kettenlänge, Orientierung, geordnete Bereiche und die Wechselwirkungen zwischen den Ketten.
Herkömmliche Viskose verliert im nassen Zustand einen erheblichen Teil ihrer Festigkeit. Wasser beeinflusst die Wechselwirkungen und erhöht die Beweglichkeit in zugänglichen Bereichen der Faser.
Wie ausgeprägt diese Eigenschaften sind, hängt von der konkreten Faser ab. Modal und andere speziell eingestellte Viskosequalitäten unterscheiden sich hier von herkömmlicher Viskose.
5. Systemvergleich: Viskose und andere zellulosebasierte Fasern
| Faser | Prinzip | Veränderung der Zellulose | Wichtige Unterscheidung |
|---|---|---|---|
| Viskose | Xanthatverfahren | vorübergehende Bildung von Xanthatgruppen; anschließend Regeneration zu Zellulose | herkömmliche Viskose besitzt eine geringere Nassfestigkeit als trocken |
| Modal | modifiziertes Viskoseverfahren | ebenfalls vorübergehende Xanthatbildung und Regeneration | Prozessführung und Streckung sind auf eine höhere Nassfestigkeit und ein entsprechendes Dehnungsverhalten abgestimmt |
| Lyocell | direktes Lösen der Zellulose, industriell meist mit NMMO und Wasser | keine gezielte Bildung eines dauerhaften oder vorübergehenden Zellulosederivats für das Lösen | Zellulose wird beim Entfernen des Lösungsmittels wieder als feste Faser gebildet |
| Cupro | Lösen in einer Kupfer-Ammoniak-Lösung | Komplexbildung mit Kupfer ermöglicht das Lösen; anschließend wird die Zellulose regeneriert | kein Xanthatverfahren und keine dauerhafte Veresterung; kann sehr feine Filamente ergeben |
| Acetat | Acetylierung der Zellulose | Hydroxygruppen werden zu einem erheblichen Teil verestert; die Acetatgruppen bleiben in der fertigen Faser erhalten | die Faser besteht aus einem Zelluloseester und nicht aus regenerierter, unveränderter Zellulose |
NMMO steht für N-Methylmorpholin-N-oxid. Es dient im üblichen industriellen Lyocellverfahren als Lösungsmittel. Auch dieses Verfahren braucht eine sorgfältige Prozessführung. „Direktes Lösen“ bedeutet nicht „ohne Chemikalien“ oder „ohne mögliche Nebenreaktionen“.
6. Entscheidender Unterschied: die Prozesslogik
Viskose und Lyocell erreichen die Formbarkeit der Zellulose auf unterschiedlichen Wegen:
— Viskose: vorübergehende chemische Veränderung, Lösen und anschließende Regeneration
— Lyocell: direktes Lösen ohne gezielte Derivatisierung und anschließende Faserbildung
Bei beiden Verfahren wird die gelöste Zellulose wieder in eine feste Faserform überführt. Auch bei Lyocell wird deshalb von regenerierten Zellulosefasern gesprochen.
Die Verfahren beeinflussen die innere Struktur und die mechanischen Eigenschaften der Fasern. Für eine Umweltbewertung sind zusätzlich die konkrete Anlage, Rohstoffherkunft, Energieversorgung, Rückgewinnung und Emissionsbehandlung wichtig.
Die Lebensdauer eines Kleidungsstücks lässt sich daraus nicht unmittelbar ablesen. Garn, Stoffkonstruktion, Verarbeitung, Nutzung und Pflege gehören ebenfalls dazu.
7. Warum wir Materialien unterschiedlich bewerten
Für uns zeigt dieser Blick auf die Chemie vor allem eines:
Ein gemeinsamer Rohstoff bedeutet nicht dieselben Fasereigenschaften.
Aber auch innerhalb einer Fasergruppe gibt es Unterschiede. Der Name „Viskose“, „Modal“ oder „Lyocell“ ersetzt deshalb nicht die Prüfung einer konkreten Qualität.
Bei NNIstudio wählen wir Materialien danach aus, wie sie sich anfühlen, fallen und verarbeiten lassen. Informationen zur Herstellung beziehen wir ein, soweit sie für die jeweilige Qualität vorliegen.
Wir arbeiten je nach Entwurf auch mit Modal und Lyocell. Nicht, weil diese Fasern automatisch besser oder langlebiger sind. Sondern weil bestimmte Qualitäten die Eigenschaften mitbringen, die wir für ein Kleidungsstück suchen.
Unser Maßstab bleibt das Zusammenspiel:
Material, Schnitt und Verarbeitung müssen zusammenpassen.
Eine Frage an Dich
Verändert der Blick auf die Herstellung Deine Materialwahl — oder möchtest Du vor allem wissen, was die Unterschiede beim Tragen und Pflegen bedeuten?