3D-PAKtex: Funktionsvliesstoffe mit integrierter Gassensorik für die Schutzbekleidung von Einsatzkräften

Im alltäglichen Leben von Einsatzkräften steht der Schutz und die Rettung hilfsbedürftiger Menschen im Vordergrund, für den sich die Einsatzkräfte häufig selbst in Gefahr begeben müssen. Beispielsweise bei Hausbränden, wenn etwa Ma­tratzen, Vorhänge, Holzbalken, Kunststoff oder andere Gegenstände brennen und schadhafte, molekulare Verbindungen aus Kohlen- und Wasserstoffatomen entstehen können. Dazu zählen auch polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die als gesundheitsschädlich, insbesondere auch als potenzielle Krebserreger gelten. Zum Schutz vor den Risiken dieser Verbindungen wurde am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft die Basis für die Entwicklung neuartiger Anti-PAK-
­Schutzanzüge gelegt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte das Vorhaben im Rahmen des Programms »Forschung für die zivile Sicherheit« bis Dezember 2023 mit 1,24 Millionen Euro. Der Titel des Projektes lautete: „3D-Funktionsvliesstoffe mit integrierter Gassensorik für die Schutzbekleidung von Einsatzkräften“ oder kurz „3D-PAKtex“.

PAK gelangen über die Haut in den Körper und lagern sich dort im Fettgewebe ab. Weil die menschlichen Abwehrsysteme die ringförmigen Kohlenstoffverbindungen nicht kennen, baut der Körper diese Schadstoffe nicht ab – sie akkumulieren und konzentrieren sich. Dadurch steigt über die Jahre hinweg die Karzinom-Gefahr. Bei korrekt angelegter Schutzkleidung ist dieses Risiko laut Untersuchungen der »Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung« (DGUV) zwar begrenzt. Wenn Feuerwehrkräfte jedoch über Jahrzehnte im Einsatz sind, können bereits kleine Unachtsamkeiten zu problematischen Belastungen führen.

»Bei einem einzelnen Einsatz mögen es womöglich nur wenige Mikrogramm PAK sein, die durch Öffnungen im Schutzanzug auf die Haut gelangen«, erklärt Felix Spranger, Gruppenleiter Gas- und Partikelfiltration am Fraunhofer IWS. »Das Gefährliche an den PAK besteht darin, dass sie sich bei Feuerwehrleuten über ein ganzes Berufsleben hinweg immer weiter im Körper anreichern können. Studien aus Deutschland und den USA belegen verstärkt auftretende Krebserkrankungen in dieser Berufsgruppe. Daher war es so wichtig, Lösungen zu finden, die neue technologische Ansätze wie intelligente Textilien einbeziehen.« Dafür hat sich das Fraunhofer IWS im Jahr 2020 mit vier weiteren Partnern zum Projekt „3D-PAKtex“ zusammengetan. Um Feuerwehrleute künftig vor den schädlichen PAK in Rauchgasen und Rußwirbeln in brennenden Häusern zu schützen, verfolgten die Verbundpartner ein zweigleisiges Konzept: Einerseits stand die Entwicklung von vliesbasierten neuen Filtern im Fokus, andererseits ein Sensorkonzept, um deren Funktionsfähigkeit zu überwachen.

Die Hauptaufgabe des Fraunhofer-Instituts bestand in der Evaluation effizienter Adsorbentien zur Entfernung der PAK, um ein Durchdringen der Kleidung zu verhindern. Dabei kam die Expertise der Gruppe „Gas- und Partikelfiltration“ zum Tragen, die sich auf die Analytik, Bewertung und Minderung gas- und partikelförmiger Emissionen spezialisiert hat. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern stehen in ihren Laboren in Dresden umfangreiche Möglichkeiten zur Gasanalyse, Partikelcharakterisierung und Messstände zur Untersuchung verschiedener Ab- und Schadgase zur Verfügung. Wie auch in diesem Projekt zählt die Bewertung von Adsorbermaterialien für verschiedenste Anwendungen, von Industrieabgasen bis hin zu Luftfiltern für Innenräume, zu ihrer Kernkompetenz.

Im Falle des Projekts „3D-PAKtex“ sollen die geeigneten Adsorptionsmittel an Fasern fixiert werden, und so in das geplante Inlay für Feuerwehrjacken integriert zu werden. Ein wichtiges Kriterium bei der Beladung der Vliese mit den Adsorbentien ist die Beibehaltung der PAK-Aufnahmefähigkeit, die deswegen parallel zur Entwicklung des Funktionsvlieses monitoriert werden sollte. Gleichzeitig wurde die Konkurrenzadsorption von Feuchtigkeit bewertet, um eine körpernahe Anwendung zu simulieren bzw. die äußere Belastung bei hoher Luftfeuchte am Einsatzort zu berücksichtigen. Die Nachstellung eines solchen Sicherheitsszenarios im Labormaßstab bot zudem die Möglichkeit, das Ansprechverhalten der eigens von einem Industriepartner entwickelten Sensoren schnell zu untersuchen, und so eine Anpassung an die reale Belastung zu gewährleisten. Zudem sollten die Labortests eine Bewertung der maximalen Belastungsfähigkeit der ausgerüsteten Textilien mit PAK in Bezug auf Konzentrations-Zeitverläufe ermöglichen.

Diese im Rahmen des Vorhabens ausgewählten Adsorbentien können nicht nur in das Futter für Feuerwehrjacken eingearbeitet werden, sondern auch in anderen Kleidungsstücken, wie beispielsweise Hosen oder einteilige Anzüge genutzt werden. Die Nutzung der Vliese ist somit ebenfalls für Bekleidungsstücke anderer Berufsgruppen interessant, wie Einsatzkräfte des Katastrophenschutzes, des THW, oder allgemein Arbeitern, die mit Verbrennungsprodukten arbeiten. Weiterhin können diese Adsorbentien in Filtersystemen (als Schüttung oder als Vlieskomponente) genutzt werden, um lokal auftretende PAK-Emissionen zu mindern.

Das Hauptaugenmerk bei der Materialauswahl lag dabei auf Aktivkohlen. Diese zeichnen sich durch ihre großen inneren Oberflächen von bis zu über 1000 Quadratmeter pro Gramm Material sowie ihre gute Verfügbarkeit und die Affinität für organische Moleküle aus, zu denen auch die betrachteten Schadstoffe zählen. Für die Auswahl in Laborumgebung wurde zunächst ein PAK-Vertreter, nämlich das Molekül Naphthalen zur Bewertung der Kapazität und des Rückhalts ausgewählt. Naphthalen ist das kleinste und damit mobilste Molekül der Stoffgruppe. Damit können Adsorbentien, die es zurückhalten, auch alle anderen, größeren Verbindungen mindestens in gleichem Maße binden. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Teststände erlaubten es den Forschenden, Naphthalen in definierter Konzentration in einen Gasstrom einzubringen, die reale Einsatzbedingungen simulieren sollte. Zudem sollte die durch Löschwasser und Schweiß entstehende Feuchte berücksichtigt werden. Dazu wurde eine zusätzliche Verdampfereinheit installiert, die entsprechende Luftfeuchten bereitstellte. Dieser Schritt ist besonders wichtig, da es bei vielen Materialien zu einer bevorzugten Aufnahme von Wasser gegenüber anderen Molekülen kommt. Dadurch wird die Oberfläche beispielsweise für Schadgase „blockiert“ und sie werden in feuchten Bedingungen deutlich weniger gut zurückgehalten, selbst wenn das Material in trockener Umgebung eine gute Aufnahme des Schadstoffs zeigt. Das Gasgemisch wurde über die verschiedenen Aktivkohlen geleitet und danach die Naphthalen-Konzentration mittels der sogenannten Infrarot-Spektroskopie verfolgt. Dadurch konnte gemessen werden, wie lange das Gas von den einzelnen Proben zurückgehalten wurde und die Aufnahmekapazität konnte berechnet werden.

Es wurden zunächst passende poröse Aktivkohlen identifiziert, die PAK, auch in der sogenannten „Konkurrenzadsorption“ mit Wasser, besonders gut binden. Im nächsten Schritt wurden diese Adsorbentien mit speziellen Bindern in für Brandeinsätze optimierte Vliesstoffe fixiert.

Da diese Vliese nicht nur oberflächlich, sondern durchgehend mit der Aktivkohle durchwirkt sind, werden sie „3D-Funktionsvliesstoffe“ genannt. Dies hat bei einem Durchströmen einen deutlich effektiveren Rückhalt zur Folge.

Die neuen Zusatzvliese wurden in Demonstrationsanzüge inte­griert: An Ärmelöffnungen, Bünden und anderen Stellen ergänzte der Hersteller kleine Verschlusstaschen, die per Druckknopf die neuen Zusatzfilter an jenen Punkten aufnehmen können, an denen die Rauchgase im ungünstigsten Falle trotz aller Isolierungen dennoch in den Schutzanzug gelangen könnten. Tritt dieser Fall ein und Rauchgas strömt vorbei, bindet das Vlies die Giftstoffe und sie gelangen nicht auf die Haut.

Zudem wurden die neuen Filtervliese mit eigens entwickelten Überwachungssensoren ausgestattet, die auf dem Prinzip der Fluoreszenz-Spektroskopie basieren. Diese Mini-Spektrometer senden Ultraviolettlicht (UV) einer genau definierten Wellenlänge aus. Treffen diese UV-Strahlen auf PAK, absorbieren die Ringmoleküle zunächst deren Energie und senden dann auf einer leicht veränderten Wellenlänge andere UV-Strahlen zurück. Die Sensoren messen die Intensität des zurückgesandten Lichts: Je intensiver es ist, umso höher ist die PAK-Konzentration im Vlies. Eine elektronische Kontrolleinheit in der Brusttasche der Feuerwehrkraft wertet diese Daten aus und sendet sie per Bluetooth-Funk an ein Smartphone. Damit können die Retter in Uniform oder beispielsweise die Leitstelle in Echtzeit sehen, wie sich ihre PAK-Filter füllen und wann sie ausgetauscht werden müssen.

In den beschriebenen Labortests haben die neuen Vlies-Aktivkohle-Filter die PAK-Last im Rauchgas bereits erheblich gesenkt. Dies wurde in praxisnahen Simulationen in Brandcontainern erneut getestet. Erfahrene Tester streiften die Anzug-Prototypen über, um die neue Schutzkleidung in unterschiedlichen Brand­szenarien auszuprobieren. Diese Tests fanden auf einem speziell für Brandschutzübungen unter Realbedingungen ausgelegten Testgelände statt, das auch regelmäßig für die Aus- und Weiterbildung von Feuerwehrleuten genutzt wird. Dabei wurden in abgeschirmten Containern verschiedene Brandquellen angezündet, um unterschiedliche Brandlasten zu erzeugen. Holzpaletten bis hin zu Kaltschaummatratzen und Autoreifen wurden verbrannt, um verschiedene, teilweise auch möglichst PAK-reiche Atmosphären zu schaffen.

Zudem wurde in verschiedenen Durchgängen auch Löschwasser eingesetzt, um Wasserdampf zu erzeugen und die Luftfeuchte zu erhöhen. Während der Versuche wurden auch Gasproben genommen, die die erhöhten PAK-Konzentrationen im Rauch nachweisen und bestimmen konnten.

Insgesamt waren die Brandcontainerversuche sehr erfolgreich und erlaubten die Bewertung der entwickelten Schutzkleidung und Adsorbervliese. Trotz der starken Materialbeanspruchung hielt die Ausrüstung stand, dies gilt auch für die elektronischen Verbindungen und Sensoren. Die Live-Auswertung der Messdaten konnte von Projektmitarbeitenden außerhalb der Brandzone mittels einer App in Echtzeit verfolgt werden. Innerhalb der Versuche, die sich, wie beschrieben, mit vielen einzelnen Durchläufen über einen Tag hinzogen, wurden nur geringe PAK-Mengen auf den Vliesen nachgewiesen und somit keine „Sättigung“ erreicht, bei der das Vlies gewechselt werden müsste. Damit wurden die Erwartungen bestätigt, dass bei einzelnen Einsätzen nur geringe PAK-Mengen gasförmig direkt in die Anzüge von Feuerwehrleuten gelangen. Doch diese kleine Menge konnte durch das neuartige Konzept zurückgehalten und detektiert werden. Die bereits beschriebene wiederholte Exposition über viele Einsätze hinweg kann so minimiert werden und die Vliese scheinen den ersten Ergebnissen nach auch eine ausreichende Kapazität aufzuweisen, über einen längeren Zeitraum genutzt zu werden, bis die Sensorik die komplette Beladung mit PAKs misst und sie gewechselt werden müssen.

Die hier beschriebenen Versuche sind erste Tests unter Realbedingungen mit Prototypen, eine Serienreife für die Lösung gibt es noch nicht. Nach den vielversprechenden Ergebnissen der Studie bewerten die verschiedenen Partner die weitere Entwicklung des Konzepts genau hinsichtlich des Potentials für eine langfristige Verbesserung der Schutzausrüstung für Einsatzkräfte.

Wie auch immer diese Entscheidung ausgehen wird, »3D-PAKtex« hat in jedem Fall zu einem erheblichen Expertise-Zugewinn der Verbundpartner geführt. Das Thema wird auch das Fraunhofer IWS als Forschungseinrichtung weiter beschäftigen. Felix ­Spranger: »Wir sehen noch einige Ansätze, um beispielsweise die Sensoren und die Schnittstellen der neuen Schutztechnik weiter zu verbessern. Aus Rückmeldungen wissen wir, dass die Industriepartner noch großes Potenzial in derartigen smarten Textilien sehen, auch jenseits von Feuerwehrschutzkleidung.«

Ein großer Dank aller Projektbeteiligten gilt dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, welches das Projekt gefördert und über den gesamten Zeitraum professionell unterstützt hat.