Wie funktioniert eine Membran?

Wie funktioniert eigentlich eine Membran?

2. Oktober 2017

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„Insane in the membrane, Insane in the brain!“

Ob sich die Rapper Sen Dog und B-Real der Gruppe Cypress Hill ihrem 1993er Hit „Insane in the Brain“ auf Membrantechnologien in Outdoorklamotten beziehen ist fraglich. Mit einem haben die beiden aber zweifellos recht, das Thema Membrane kann den geneigten Outdoorenthusiasten durchaus verrückt machen.

Zahllose futuristisch anmutende Namen geistern durch die Produktbeschreibungen der gängigen Hersteller, unzählige Technologien buhlen um die Gunst schwitzender Freiluftfans. Klar, wir, die sich mit dem Sporteln in der freien Natur beschäftigen, wissen ungefähr was eine Membran ist. Die hält die Klamotte von außen dicht und lässt den Schweiß trotzdem raus. Was aber verbirgt sich hinter dem Begriff? Unsere Membranen-Kunde bringt Licht ins Dunkel, startet bei den Membranen-Basics, um dann richtig tief in die Materie vorzudringen und hilft hoffentlich auch den zwei verzweifelten Rappern weiter.

Was ist eine Membran?

Wie funktioniert die Gore-Tex-Membran

Ein Handschuh bestehend aus der Gore-Membran.

Okay, für viele von euch dürfte dieser Abschnitt eine olle Kamelle sein, aber es schadet nie, nochmal auf Grundlegendes einzugehen: Was ist eine Membran überhaupt? Im einfachsten Wortsinne ist eine Membran eine dünne Trennschicht. So weit, so simpel aber längst nicht alles. Diese Trennschicht beeinflusst den Stofftransport durch selbige, was bedeutet, dass entweder nichts oder nur das was soll durchkommt.

In jeder Zelle eines jeden Lebewesens gibt es welche, Lautsprecher und Mikros kommen nicht ohne aus und auch unsere Funktionskleidung profitiert von den Membranen. Immer mit einem ähnlichen Prinzip, aber auch immer mit einem anderen Nutzen. Während die Zellmembran das Zellinnere schützt und für den Flüssigkeitshaushalt essentiell ist, sorgt die Textilmembran in unserer Kleidung für Nässeschutz, Atmungsaktivität und eine natürliche Temperaturregulierung des Körpers. Eine Membran ermöglicht also zum einen die Passage von Stoffen, Flüssigkeiten oder Gasen, zum anderen hindert sie andere am Eindringen. Aber wie funktioniert das?

Welche Membranarten gibt es und wie funktionieren sie?

In unseren wetterfesten Outdoorklamotten kommen in der Regel zwei unterschiedliche Membranarten zum Einsatz. Zum einen die mikroporöse und zum anderen die geschlossenzellige Membran. In ihrer Wirkungsweise ähneln sie sich – beide halten Nässe draußen und verhindern, dass innen saunaartige Verhältnisse herrschen – jedoch sind sie in ihrem Aufbau und ihrem Wirkungsprinzip grundverschieden.

Die mikroporöse Membran besteht meist aus dem kompliziert klingenden Polytetrafluorethylen (kurz PTFE), was den allermeisten unter dem Namen Teflon bekannt sein dürfte. Was in der Pfanne dafür sorgt, dass das Spiegelei nicht anpappt, kommt in veränderter Form auch in unserer Kleidung vor.

Inwiefern verändert? PTFE ist ein aus Fluor und Kohlenstoff bestehendes Polymer. Für alle, die die Begrifflichkeiten aus dem Chemieunterricht aufgefrischt haben möchten, anbei die Übersetzung: ein Polymer beschreibt einen aus sich wiederholenden gleichen Einheiten aufgebauten Stoff. Das trifft auf unser Polytetrafluorethylen ebenfalls zu.

Wie funktioniert die Gore-Tex-Membran

Die Grafik zeigt die mikroporöse Struktur. Die roten Tropfen symbolisieren Schweiß, der relativ ungehindert austreten kann.

Unter dem Elektronenmikroskop betrachtet besteht das PTFE nämlich aus fast parallel laufenden, über Molekülketten miteinander verwobenen Knäulen. Diese Struktureinheit wird in einem speziellen Verfahren in einer bestimmten Anordnung formiert und bei einer bestimmten Temperatur auseinander gezogen. Dabei entsteht aus dem Antirutschmaterial in der Bratpfanne eben jene feste, aber mit feinen mikroporösen Öffnungen versehene Membran, wie wir sie aus unseren Klamotten kennen.

Genannt wird das ganze ePTFE, wobei das „e“ für das englische Wort expanded – ausgedehnt steht. Das Verfahren ist dabei so flexibel und das Ausgangsmaterial so individuell verarbeitbar, dass der Funktionalitätsgrad der Membran nach Bedarf festgelegt werden kann.

Aber Moment, die Membran ist mikroporös, also von lauter winzigen Löchern übersät. Wie soll das bitte trocken halten? Polytetrafluorethylen ist in seiner Grundform stark hydrophob, also wassermeidend oder wasserabstoßend.

Das bleibt auch in seiner gestreckten, mikroporösen Form so. Die Oberflächenspannung von PTFE ist extrem gering – geringer noch als die von Wasser. Kommt das kühle Nass in Kontakt mit der Membranoberfläche, rafft sich das Element förmlich zusammen. Es erfolgt eine Tropfenbildung und die Nässe perlt von der Oberfläche ab.

Gleichzeitig sind die Poren in der Membran so winzig, dass die Wassertropfen nicht durchpassen, obwohl die feinen Öffnungen einen Großteil der Membranoberfläche ausfüllen. Die Tropfen sind schlicht zu groß. Der Schweiß, der in Form von Wasserdampf von der Innenseite anklopft, ist in seinem gasförmigen Aggregatszustand (nicht zu verwechseln mit Wassergas einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid) allerdings so schlank, dass es problemlos passieren kann.  

Zum Schutz der ePTFE-Membran wird sie meist durch eine hauchdünne Polyurethanbeschichtung vor Hautfetten, Schweiß und anderen Verschmutzungen, die die Trennschicht angreifen könnten, geschützt und fertig ist die Laube.

Bei der porenlosen Membran wird es etwas komplizierter. Die geschlossenzellige oder porenlose Membran kommt – wie der Name es vermuten lässt – ohne Poren aus. Beinahe zumindest. Aber der Reihe nach.

Aufbau einer Dermizax Membrantechnologie

Die Dermizax-Membrantechnologie. Ein „geschlossenes“ System.

Eine solche Membran besteht aus einem hydrophoben Polyester- und einem hydrophilen Polyetheranteil. Soll heißen: sie ist aus einem wasserabweisenden und einem wasseranziehenden Bestandteil. Die Wasser- und Winddichtheit der Membran ergibt sich aus eben jenen wassermeidenden Bestandteilen und der porenlosen Beschaffenheit.

Doch ganz geschlossen ist die Oberfläche nicht. Die unterschiedlichen Stofftypen, aus denen sich die Membran zusammensetzt, bilden ein dichtes Geflecht aus unregelmäßig angeordneten Molekülketten. Innerhalb dieses Wirrwars entstehen winzig kleine Öffnungen, die noch um einiges kleiner als die Poren der mikroporösen Membran sind.

Eine perfekte Fluchtmöglichkeit, die der triefende Schweiß in Form von Wasserdampf zu nutzen weiß. Die Feuchtigkeit lagert sich von innen an den hydrophilen Bestandteilen der Membran an und wird durch einen Diffusionsprozess per Kapillarkraft durch die hydrophoben Ketten nach außen getrieben.

Was bedeuten die Lagen bei Membranen?

Eine lose Membran kann man noch nicht anziehen. Erstens hält das nicht warm und zweitens würde es ziemlich merkwürdig aussehen. Also muss die wasserdichte und funktionelle Wundertrennschicht in einem Laminat verarbeitet werden. Diese Laminate kommen in unserer Kleidung – je nach Einsatzzweck und Leistungsanforderung – als zwei, zweieinhalb, oder dreilagige Ausführung zum Einsatz.

Atmungsaktiv aber wasserdicht. Die 3-Lagen-Membran von Gore-Tex Pro

Der Aufbau einer dreilagigen Membran am Beispiel von Gore-Tex Pro Shell

Was haben diese „Lagen“ zu bedeuten? Ganz einfach! Damit die Membran nicht lose unter der Jacke oder der Hose herumbollert, wird sie durch Hitzeeinfluss dauerhaft auf einen Oberstoff laminiert. Das wären schon mal zwei Lagen. Und der Rest? Das 3-lagige Laminat bekommt neben Oberstoff und Membran ein zusätzliches Innenfutter spendiert. Die 2,5-Lagen Variante kommt ohne richtiges Innenfutter aus. Stattdessen ist eine dünne Schutzschicht unter der Membran verarbeitet.

Und was können die? Die Zweilagen-Laminate sind die in freier Wildbahn am häufigsten verbreiteten Vertreter der Membranenzunft. Das Innenfutter ist hier losgelöst vom Oberstoff mit der laminierten Membran. Zweilagige Hardshells sind in der Regel relativ preisgünstig zu haben. Wenn ihr auf leichten bis anspruchsvollen Wandertouren unterwegs seid und nicht unbedingt extremer Dauerregen auf dem Programm steht, sind diese Gesellen eine gute Wahl.

Textilien mit einem 2,5-Lagen Laminat sind schön leicht und lassen sich prima auf ein geringes Packmaß schrumpfen. Der Nachteil ist hier ganz klar in ihrer Belastbarkeit zu suchen. Da anstatt Innenfutter nur eine dünne Schicht zum Einsatz kommt, sind 2,5-lagige Jacken nicht unbedingt rucksacktauglich. Die Schutzschicht kann sich unter dauernder Belastung durchrubbeln, was mit der Zeit der Membran schadet. Seid ihr allerdings auf Touren mit leichtem Last unterwegs oder habt die Regenjacke als Notfallhelfer im Gepäck, sind sie eine gute Alternative.

Die dreilagigen Vertreter sind ebenfalls schön leicht, aber vor allem mächtig robust, jedoch meist auch teurer in der Anschaffung. Geht es für euch auf richtig anspruchsvolle Touren mit viel Gepäck, folglich schwerem Rucksack und zu erwartendem miesen Wetter, sind die dreilagigen Kraftpakete der richtige Ansprechpartner.

Temperaturgradient und Osmose

Ob offen oder geschlossen, damit der Feuchtigkeitstransport so funktioniert, wie wir uns das vorstellen, spielt ein Faktor eine entscheidende Rolle: der sogenannte Temperaturgradient. Dafür muss etwas ausgeholt werden.

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Beispielhafte Darstellung: Wie funktioniert das mit dem Temperaturgradienten?

Damit die Wassermoleküle von innen nach außen durch die Membran wandern, lässt ein alter Bekannter aus dem Biologieunterricht seinen Einfluss spielen, der osmotische Druck. Wie wir uns alle noch aus unserer Schulbankdrückzeit erinnern können, beschreibt die Osmose den gerichteten Fluss von Teilchen durch eine semipermeable Membran. Zumindest mir hat sich dieser Satz komischerweise eingebrannt, was mir mein damaliger Biologielehrer allerdings aus unerfindlichen Gründen nicht abnehmen wollte, quittierte er doch meine stolze und durchaus seltene Antwort im Unterricht seinerzeit mit einem spöttischen „Aus dem Buch ablesen kann ja jeder!“.

Aber zurück zum Thema. Semipermeabel bedeutet selektiv durchlässig. Im Falle unserer Textilmembran meint die Osmose also einen einseitig gerichteten Feuchtigkeitsfluss durch eine Trennschicht, die nur die winzigen Wassermoleküle durchlässt und nichts anderes. Die Kraft, mit der dies geschieht nennt sich naheliegenderweise der osmotische Druck oder auch Diffusionsdruck.

Die Voraussetzung, dass dieser Druck entsteht, ist ein ausreichendes Temperaturgefälle zwischen Temperatur innerhalb der Jacke und der Außentemperatur, namentlich der Temperaturgradient. Je größer das Gefälle zwischen der Temperatur innerhalb der Jacke (oder der Hose) und dem Klima draußen ist, desto besser funktioniert der Durchmarsch der Feuchtigkeit. Durch den Temperaturunterschied – innen warm, außen kühl – entsteht ein Druckgefälle, dass den Wasserdampf förmlich nach außen zieht.

Der Vorteil daran: wird viel geschwitzt wird es innen richtig warm und der Schweißtransport funktioniert besser. Der Nachteil liegt ebenso auf der Hand. Ist es draußen tropisch warm, wird die Membran zur Schwitzfalle.

Und die Umweltbedenken?

Bei all ihren Vorzügen schwingt bei dem Gedanken an Membran-Bekleidung das ungute Gefühl an, sie wären schädlich für die Umwelt. Ist da was dran?

Bei der Herstellung von PTFE kann ein umwelt- und gesundheitsschädliches Nebenprodukt entstehen, die sogenannte Perfluoroctansäure. Dieser Stoff baut sich extrem langsam ab. Zudem hat er die unangenehme Eigenschaft sich in Organismen anzureichern, gilt als krebserregend und ist nach der EU-Chemiekalienverordnung als besonders besorgniserregend eingestuft.

Klingt unkommod, aber die meisten Markenhersteller haben mittlerweile Herstellungsverfahren entwickelt, bei denen jener schädliche Stoff nicht entsteht. Wollt ihr wirklich sicher sein, checkt beim Kauf, ob bei dem entsprechenden Produkt der Hinweis „PFOA-frei“ oder „PFC-frei“ vermerkt ist. Einige Hersteller bauen zudem auf Membrane aus anderen unbedenklichen Kunststoffen.

Unterschiedliche Membransysteme

Abschließend noch ein kleiner Blick auf die unterschiedlichen Membransysteme, die sich auf dem hart umkämpften Outdoor-Markt tummeln.

Gore-Tex

Beginnen wir mit den mikroporösen Membrantechnologien. Den Anfang macht schlicht DER Platzhirsch in Sachen Bekanntheit und für den Laien fast ein Synonym für Wasserdichtheit: die Gore-Tex-MembranDas Unternehmen Gore setzt in der Regel auf dreilagige und zweilagige Laminate, bietet spezielle Technologien für unterschiedliche Einsatzgebiete wie Gore Windstopper, Gore Active, Gore Pro oder Gore Thermium und ist nebenbei noch der Erfinder der ePTFE Membran an sich. Mit ihren ca. 1,4 Milliarden Poren pro Quadratzentimeter ist die Membran extrem wasserdampfdurchlässig bei gleichzeitig gnadenloser Wind- und Wasserdichtheit.

Die eVent-Membran

eVent ist eine atmungsaktive, wasser- und winddichte Membran

Das eVent-Logo

Ein weiterer, unbekannterer Kandidat aus der mikroporösen Zunft ist die eVent-Membran. Die eVent-Membran ist ebenfalls aus gestrecktem Polytetrafluorethylen gefertigt. Im Gegensatz zu den meisten Konkurrenzprodukten ist die Membran hier aber nicht durch eine dünne PU-Schicht vor Verschmutzung geschützt. Stattdessen kommt eine Schutzschicht aus Polyester, die jede einzelne Faser umhüllt, zum Einsatz. So kann der Wasserdampf direkt hindurch diffundieren ohne sich vorher an einer zusätzlichen PU-Schicht kondensieren zu müssen, was der Atmungsaktivität durchaus zu Gute kommt.  

Sympatex

Die bekannteste geschlossene Membrantechnologie ist Sympatex. Diesen atmungsaktive Nässestopper gibt’s in allen Laminatvarianten, sogar bis hin zur vierlagigen Version mit einer zusätzlichen Textilschicht zwischen Membran und Futterstoff. Die Membran ist absolut wasser- und winddicht, ist dehnbar und läuft bei gesteigerter körperlicher Aktivität zur Höchstform auf. Sympatex gilt als besonders umweltfreundlich, da das Polyetherester, aus dem die Membran besteht voll recycelbar und gesundheitlich unbedenklich ist. Gleichzeitig sind die Sympatex Systeme pflegeleicht, da sie porenlos sind. Die Membran wird also nicht durch etwaige Waschmittel oder Weichspülerrückstände beeinträchtigt.

Dermizax

Dermizax ist wie Sympatex porenlos, allerdings aus Polyurethan gefertigt. In ihrer Funktionsweise und auch in ihrem Aufbau ähnelt sie aber ihrem bekannteren Membran-Verwandten. Obwohl die Dermizax-Membran extrem weich und dehnbar ist, kann sie mit einer ähnlichen Leistungsfähigkeit punkten.

NeoShell

Die innovative NeoShell Technologie von Polartec

Die NeoShell Technologie von Polartec

Softshell trifft Hardshell – mit der NeoShell verbindet Polartec die Vorteile beider Welten. Es wird zu den mikroporösen Membranystemen gezählt. Es punktet durch eine deutlich höhere Atmungsaktivität und natürlich ihre Dehnbarkeit, die NeoShell von seinem soften Elternteil erhalten hat. Es ist dreilagig aufgebaut und punktet auch durch seine robuste Außenseite. Mit einer 10.000 mm Wassersäule bietet sie einen ausreichenden Schutz vor allen Widrigkeiten des Outdoor-Alltags.

Weitere herstellereigene Membran-Systeme

Powertex aus dem Hause Salewa ist auch als geschlossene Membran einzuordnen und besteht ebenfalls aus Polyurethan. Das Besondere an diesem Produkt ist, dass durch eine effizientere Feuchtigkeitsverteilung auf der Innenseite die Kondensierung verringert wird, was für einen direkteren Feuchtigkeitstransport sorgt. Ein weitere geschlossene PU-Membran ist Drytech der Firma Mammut. Auch hier gibt’s wieder eine guten Stretch für vollen Bewegungsspielraum bei ähnlicher Leistung wie bei ihren Membrangeschwistern.

Puh! Es gibt also jede Menge zum Thema Membran zu sagen. Ich hoffe ihr habt es bis hier hin ausgehalten und konntet euch einen Einblick in die Welt der Klimatrennschichten verschaffen, obwohl das gesamte Feld im Prinzip nur angerissen wurde. Wer weiß, vielleicht hilft’s ja auch den Jung von Cypress Hill weiter!

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