Bekleidung aus organisch/anorganischen Kompositfasern zur Minderung von Röntgenexpositionen

B. Mahltig, K. Günther, A. Askani, T. Berger, F. Bohnet, N. Brinkert, C. Giebing, F. Heimlich, Y. Kyosev, A. Rieschel, T. Weide, J. Wiedemann, J. Zhang

Hochschule Niederrhein, Mönchengladbach

 

M. Krieg

TITK, Rudolstadt

 

T. Leisegang,

Saxray GmbH, Dresden

Einleitung

Strahlenschutz durch Bekleidung bedeutet sehr allgemein, dass der textile Werkstoff, aus dem die Kleidung hergestellt ist, Strahlung absorbiert oder reflektiert. Für den Träger der Bekleidung ergibt sich damit eine Verminderung der Strahlenexposition. Wie kann nun einem textilen Werkstoff die Fähigkeit verliehen werden Röntgenstrahlung zurück zu halten? Abhängig von der Art der Strahlung haben übliche Textilien aus Baumwolle, Polyester, Polyamide oder Viskose nur ein geringes intrinsisches Absorptionsvermögen für Röntgenstrahlung. Die zusätzliche Verwendung von Strahlungsabsorbern ist somit eine Notwendigkeit, will man eine Bekleidung mit Strahlenschutzwirkung realisieren. Zur Abschirmung von Röntgenstrahlung lassen sich Absorber aus schweren chemischen Elementen verwenden. Beispiele typischer Röntgenabsorber sind Bariumsulfat, Bariumtitanat und Bismutoxid aber natürlich auch Blei und seine Verbindungen. In vorangegangenen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass sich diese anorganischen Absorber als mikroskopische  Partikel in cellulosische Fasern mit hohen Gewichtsanteilen einbringen lassen [1, 2]. Solche sogenannten organisch/anorganischen Kompositfasern sind mittels Lyocell-Prozess (als Stapelfaser) realisierbar und können durch Rotorspinnen zu Garn verarbeitet werden. Für textile Vorabmuster konnte eine Verminderung der Röntgentransmission nachgewiesen werden [1]. Hier soll ausgehend von diesen ersten Untersuchungen die Verarbeitung der Kompositfasergarne zu Bekleidungsmustern und schließlich deren Charakterisierung mittels Röntgentomographie vorgestellt werden.

Materialien

Es wurden Kompositfasern bestehend aus Cellulose und anorganischen Absorbern eingesetzt. Diese Stapelfasern enthalten als Absorber Bariumsulfatpartikel (zu 19 Gew.-%) oder Bismutoxidpartikel (zu 30 Gew.-%). Die Herstellung erfolgte mittels Lyocellprozess. Die Zugabe von Graphitpulver in geringen Mengen als intrinsisches Gleitmittel erfolgte, um die nachträgliche  Faserverarbeitung  zu ermöglichen. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel einer solchen Kompositfaser mit Bariumsulfat als Absorbermaterial. Hierbei ist die elektronenmikroskopische Aufnahme mit den Ergebnissen der EDX-Spektroskopie überlagert und farblich hervorgehoben. Die gleichmäßig feinverteilten Bariumsulfatpartikel sind mit diesen Methoden deutlich nachweisbar. Diese Kompositfasern können mittels Rotorspinnen zu Garnen (sogenannten Kompositfasergarnen) weiter verarbeitet werden. Die Garnfeinheit ist mit 100 tex eingestellt. Diese Verarbeitung zu Garnen ist möglich, obwohl der anorganische Anteil in den Fasern im Bereich von 20 bis 30 Gew.-% liegt. Der verbliebene Anteil an cellulosischer Matrix ist somit ausreichend, um eine „spinnbare“ Stabilität der Faser zu gewährleisten.

Abbildung1: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Cellulose-Kompositfasern mit  eingebundenen Bariumsulfatpartikeln. In der Mitte ist die Elementverteilung auf der Faseroberfläche farblich kodiert gezeigt (ermittelt durch EDX-Spektroskopie)

Textile Flächen und Bekleidung

Die Kompositfasergarne lassen sich zu textilen Flächen, wie beispielsweise in Gewebeform oder als Gestrick, weiterverarbeiten. Bei den speziell konstruierten Geweben erfolgte der Einsatz eines Kompositfasergarns (BaSO4-Anteil) im Schuss (18 Schuss/cm), während als Kette ein Polyesterfilament eingesetzt wird. Die Gestricke werden aus zwei Kompositgarn-Typen (BaSO4-Typ und Bi2O3-Typ) in Kombination hergestellt. Die so hergestellten textilen Flächen sind vernähbar und können mit Elementen wie Reißverschlüssen oder Knöpfen versehen werden. Besticken ist ebenso möglich. Als Bekleidungsstücke wurden Muster mit zunehmender Komplexität gefertigt, wobei diese von einer Kopfbedeckung und Handschuhe bis hin zu Hemd, Strickjacke und Latzhose reichen. Beispielhaft ist die erstellte Jacke in den Abbildungen 2 und 3 im Detail dargestellt. Diese Jacke stellt die Kombination der gefertigten Gestricke und Gewebe dar. Die Gestricke bedecken den Bauch- und Rückenbereich, während die Gewebe doppellagig den Rest der Jacke abbilden. Die Doppellagen sind so angeordnet, dass die Schussgarne der aufeinander folgenden Gewebelagen zueinander im rechten Winkel stehen. Bei der Konstruktion wurde insbesondere auf einen ausgeprägten Kragen geachtet, um auch für den Halsbereich eine Verminderung möglicher Röntgenexpositionen zu erzielen. Abgesehen von einem etwas höheren Flächengewicht ist die Jacke wie eine übliche Strickjacke tragbar. Der Tragekomfort entspricht dabei dem von herkömmlichen Textilien ohne Röntgenschutzfunktion.

Abbildung 2: Schemazeichnung – Jacke aus Kompositgarne

Abbildung 3: Jacke aus Kompositfasergarn: Gestrick im Bauch- und Rückenbereich; ansonsten doppellagiges Gewebe. (Die Autoren danken Herrn M. Cont für die Unterstützung bei der Erstellung der Photographien.)

Wechselwirkung mit Röntgenstrahlung

Verschiedene Gewebeproben wurden bereits zuvor auf ihre Fähigkeit hin untersucht, die Durchlässigkeit der Röntgenintensität bei Bestrahlung zu verringern [1]. Dazu kamen verschiedene Messaufbauten zum Einsatz – ein Reflexionsaufbau, der der Exposition mit sekundärer Streustrahlung nahe kommt und ein Transmissionsaufbau, der der Exposition mit einem direkten Primärstrahl entspricht. Eine abschirmende Wirkung konnte insbesondere für Sekundärstrahlung und Röntgenstrahlung mit niedrigerer Photonenenergie festgestellt werden. Direkte Primärstrahlung hoher Photonenenergie kann hingegen nur in Werten von einigen Prozent – für die untersuchten Gewebeproben mit begrenzter Dicke - in ihrer Intensität gemindert werden. Somit ergeben sich Anwendungsfelder erstellter Bekleidungsstücke mit entsprechenden textilen Flächen überall dort wo die Exposition gegenüber Sekundärstrahlung zu mindern ist und gleichzeitig eine hohe Mobilität des Trägers erforderlich ist. Neben vergleichsweise einfachen Transmissionsexperimenten wurde zur Charakterisierung der Röntgendurchlässigkeit eines erstellten Bekleidungsmusters auch die Röntgentomographie eingesetzt. Ergebnisse dieser Untersuchungen an einem Handschuh aus Gestrick sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt. Abbildung 4 zeigt hier die Absorption von Röntgenstrahlung anhand eines Schnittbildes des Handschuhs in der Situation – allseitige Bestrahlung. Man sieht hier in der Aufsicht den Daumen und den Hauptkörper des Handschuhs aus Kompositfasergarn mit ihrer hohen Absorptionsfähigkeit für Röntgenstrahlung. Analog dazu ist die Röntgendurchlässsigkeit anhand der Transmission gezeigt. Zu erkennen ist, dass das Gestrick des Handschuhs die Röntgenintensität bei allseitiger Bestrahlung im Handschuhinnenraum deutlich vermindern kann. Abbildung 5 zeigt eine Darstellung des Handschuhs, wobei  hier die Röntgendurchlässigkeit (Transmission) in Abhängigkeit verschiedener Einstrahlwinkel gezeigt ist. Beim seitlichen Einfall der Röntgenstrahlen zeigen sich ähnlich niedrige Transmissionswerte wie in Abbildung 4. Wird die eingesetzte Röntgenstrahlung jedoch direkt auf die Naht des Handschuhs an den Fingerspitzen eingestrahlt, so zeigt sich hinter der Naht eine höhere  Transmission und somit eine geringere Schutzwirkung. Eine Optimierung der textilen Konstruktion sollte somit insbesondere an dieser Stelle erfolgen, beispielsweise durch eine zusätzliche Gewebelage.

Abbildung 4: Handschuh aus Gestrick des Kompositfasergarns / Ansicht im Schnittbild der Röntgentomographie – Schnitt des Handschuhs bei allseitiger Bestrahlung (Blick von oben in das Innere des Handschuhs) / links gezeigt: Röntgenabsorptionsfähigkeit des Materials; rechts gezeigt: Röntgendurchlässigkeit (Transmission) im Inneren des Handschuhs

Abbildung 5: Handschuh aus Gestrick des Kompositfasergarns, Ansicht im Schnittbild der Röntgentomographie (wie Abb. 4) -  Transmission eines Röntgenstrahls durch den Handschuh; dargestellt ist die Transmission bei verschiedenen Einstrahlwinkeln (durch die Pfeile kenntlich gemacht) / links gezeigt: Seitliche Einstrahlung; rechts gezeigt:  Einstrahlung bevorzugt auf eine einlagige Seit mit Naht

Ausblick

Die Verarbeitung von Kompositfasern mit hohen anorganischen Anteilen zu textilen Flächen und Bekleidungsmustern konnte erfolgreich gezeigt werden. Die Trageigenschaften solcher Schutzkleidung entsprechen im  Wesentlichen derer herkömmlicher Textilien. Eine Verminderung der Röntgendurchlässigkeit ist nachweisbar. Allerdings  ist zur konkreten Bewertung der Schutzwirkung insbesondere die Photonenenergie und die Einstrahlrichtung zu beachten. Hier  geben sich Einschränkungen und Chancen für die jeweilige Anwendung sowie mögliche Optimierungsansätze  für die textile Konstruktion. Dabei besteht  ein interessanter Optimierungsansatz in der Beschichtung des Kompositgewebes mit pigmenthaltigen Beschichtungen (siehe auch Abbildung 6). Perspektivisch scheint hier insbesondere eine Kombination von Bariummineralien und metallischen Effektpigmenten aussichtsreich.

Abbildung 6: Gewebe mit Kompositfasergarn und PU-Beschichtung mit Bariumsulfatpartikeln, elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts; rechter Bereich: Gewebe mit Kompositgarn im Schussfaden – linker Bereich: Beschichtung

Literatur

[1] B. Mahltig, et al., Technische Textilien, 2014, 57, 75-77.

[2] B. Mahltig, et al., Chem. Ing. Tech., 2014, 86, 1555-1556.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben (17783BG/1) der Forschungsvereinigung (Forschungskuratorium Textil e. V., Reinhardtstraße 12-14, 10117 Berlin) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.