Ziel der Entwicklung

Ziel des Projektes sollte die Entwicklung von vliesstoffbasierten Materialien mit hoher Schallabsorptionsfähigkeit sein. Die Materialien sollten sich im Zuge von laufender Forschungsarbeit in Lärmschutzmaßnahmen mit hoher akustischer Wirksamkeit einsetzen lassen und so die Schallbelastung senken. Als mögliche konkrete Anwendungen bieten sich Schallschutzwände, -vorhänge oder Innenraumsysteme an, die sich an Wänden und der Zimmerdecke integrieren lassen. Die Systeme sollen im für Büroumgebungen relevanten Frequenzbereich des menschlichen Gehörs Absorptionsgrade von mehr als 0,8 erreichen. Welcher Frequenzbereich dabei betrachtet werden kann hängt von der zur Verfügung stehenden Messtechnik ab. Angestrebt wurde ein Frequenzbereich zwischen 150 Hertz und 5.000 Hertz. Es wird hier mehr Wert auf eine konstant hohe Absorberleistung über einen breiten Frequenzbereich als auf hohe Peaks bei der Schallabsorption gelegt. Obwohl der Mensch tiefere und höhere Töne jenseits dieses Spektrums wahrnehmen kann, wird vor allem der Frequenzbereich zwischen 150 Hertz und 4.000 Hertz als besonders unangenehm empfunden und muss daher vorrangig gedämpft werden. Für die Einordnung und Gegenüberstellung relevanter Vliesstoffsysteme wurden prinzipielle Abhängigkeiten der Luftdurchlässigkeit und des Schallabsorptionsgrades von der Faserart, Faseroberfläche und Vliesstruktur untersucht. Dabei sollten Polyester- und Viskosefasern mit unterschiedlich profilierten Faserquerschnitten eingesetzt werden. Das zukünftige Recycling der Erzeugnisse sollte in die Überlegungen einbezogen werden. Vliesstoffe aus Fasermischungen sind deswegen zwar in die Forschungsarbeit einzubeziehen, allerdings werden Varianten bei gleicher Performance, die vollständig aus Polyester- oder Viskosefasern bestehen, vorgezogen.

Vorteile und Lösungen

Die Schallenergie wird in den Poren des Materials durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Dadurch wird der vom Material reflektierte Schall verringert. Gleichzeitig kommt es innerhalb der Poren zu ungerichteten Reflektionen, die in Abhängigkeit von der Porenstruktur mehr oder weniger stark ausgeprägt sein können. Im Sinne der Projektidee wurde davon ausgegangen, dass unregelmäßige oder ungleichmäßige Faserquerschnitte gegenüber glatten und gleichmäßigen Querschnitten die Reflektionsbedingungen schon innerhalb der Pore deutlich in Richtung mehrfacher Brechung der Wellen verändern. Die technischen Möglichkeiten zur Konstruktion der aus diesen Fasern hergestellten Vliesstoffe und Vliesstoffverbunde selbst ergänzen und multiplizieren diese Möglichkeiten. Insbesondere wurden dazu Kardier- und Wirrvliesverfahren angewendet. Für das Erreichen des Projektziels sollten hauptsächlich thermisch und mechanisch verfestigte Vliesstoffe in Wirr- und Kreuzlage entwickelt werden. Die in die Untersuchungen einzubeziehenden, mit neuartigen Querschnitten hinsichtlich einer akustischen Wirksamkeit modifizierten Man-Made Fasern sind zellulosischen und synthetischen Ursprungs. Während der Projektbearbeitung sollten flexibel innovative Fasern in die Entwicklung einbezogen werden können. Von den strukturierten Fasern wurde eine effiziente Wirksamkeit und direkte Einflussnahme hinsichtlich der akustisch relevanten Eigenschaften erwartet. Prädestinierte Vliesbildungs- und Verfestigungsverfahren, wie das Kardieren mit anschließender Vernadelung und die aerodynamische Wirrvliesbildung mit thermischer Verfestigung, wurden im Projekt auf die Belange neuartiger Faserstoffe modifiziert und mit Verfahren zur Ausbildung dreidimensionaler Faseranordnungen ergänzt. Die Faseranordnung war ein wesentliches Instrument bei deren Verarbeitung zu einer akustisch wirksamen Struktur. Absorptionsgrad und Luftdurchlässigkeit stehen in unmittelbarem Zusammenhang. Diese Abhängigkeit wurde sowohl zur direkten Bewertung von Versuchsmustern als auch zur simulativen Berechnung der Strömungswiederstände genutzt. Im Zusammenwirken aller Faktoren sollten die entwickelten Vliesstoffe durch einen möglichst großen Frequenzbereich die Absorptionsklassen A oder B erreichen und damit ein deutlich besseres Masse-Leistungs-Verhältnisbesitzen als die bereits am Markt befindlichen Vergleichsprodukte. Die textilphysikalische Grundsatzbewertung der Versuchsvarianten erfolgte anhand der Parameter Flächenmasse, Dicke, Reißkraft und –dehnung. Die Bestimmung der Luftdurchlässigkeit ist von besonderem Interesse hinsichtlich der Vorhersage der akustischen Wirksamkeit. Das Ergebnis besteht in einer Vliesstoffkonstruktion mit verbesserten akustischen Eigenschaften durch strukturierte Fasern. Im Vergleich zu herkömmlichen Absorbern mit den gleichen Abmessungen und ähnlichen Flächenmasse lässt sich eine bessere Performance in Form eines sehr breiten gedämpften Frequenzbandes erreichen. Dies ermöglicht eine potenzielle Gewichtsreduktion zum Erreichen der akustischen Eigenschaften vergleichbarer Materialien. Das Ergebnis besteht in einer Vliesstoffkonstruktion mit verbesserten akustischen Eigenschaften durch strukturierte Fasern. Im Vergleich zu herkömmlichen Absorbern mit den gleichen Abmessungen und ähnlichen Flächenmasse lässt sich eine bessere Performance in Form eines sehr breiten gedämpften Frequenzbandes erreichen. Dies ermöglicht eine potenzielle Gewichtsreduktion zum Erreichen der akustischen Eigenschaften vergleichbarer Materialien.

Zielgruppe und Zielmarkt

Betrachtet man den Umsatzmarkt im Bereich der Umweltschutzgüter sowie speziell textile Produkte in der Kategorie der Lärmbekämpfung so beinhalt dieser große Potenziale. Die Produktion von Umweltschutzgütern in den genannten Bereichen ist genauso erfolgsversprechend wie der Anstieg der Nutzung textiler Komponenten und die Erschließung neuer Anwendungsbereiche. Aufgrund der gesellschaftlichen und gesundheitlichen Relevanz der Thematik wird die Umsetzung und die Nachfrage entsprechenden Lösungen ansteigen. Bezüglich der textilen Komponenten für den Lärmschutz wird auf dem deutschen Markt ein Umsatz von circa 9,7 Millionen Euro pro Jahr zu erwartet. Auch vom europäischen Bereich sind starke Impulse für weitere Umsatzerlöse durch Akustikvliesstoffe vorstellbar. Die zu erwartenden Umsatzsteigerungen bewirken auch eine Sicherung der in der Branche vorhandenen Beschäftigungsverhältnisse bei Faser- und Vliesstoffherstellern sowie Konfektionären und dem Vertrieb. Ein volkswirtschaftlicher und ökologischer Vorteil besteht zudem in der vermehrten Nutzung von cellulosebasierten Faserstoffen zur Reduzierung des Erdölverbrauchs für die Herstellung von bisher genutzten Chemiefasern. Die unzähligen Strukturierungsmöglichkeiten bei Viskosefasern machen diese Substitution möglich. Die Entwicklung von Mustervarianten, die unter anderem vollständig aus Viskose bestehen, erleichtert zudem das Recycling durch eine hundertprozentige Bioabbaubarkeit des Produktes. Nicht zuletzt ist die Entwicklung damit ein Schritt in die gesellschaftlich nachgefragte Nische aus Nachhaltigkeit, Performance und Kostenstruktur. Vollständig biobasierte und bioabbaubare Erzeugnisse bewirken ein immenses Verkaufsargument für die Faser- und Vliesstoffhersteller. Durch das breite Netzwerk und die industrienahe Aufstellung des STFI wird ein direkter und erfolgreicher Ergebnistransfer ermöglicht. Neben der Ergebnisdarstellung auf der STFI Homepage werden die Projektergebnisse umfangreich auf Informationsflyern zusammengefasst, die wiederum bei Messeauftritten und Netzwerkveranstaltungen des Instituts für Interessenten zur Verfügung gestellt werden. Im Rahmen der EDANA Nonwoven Innovation Academy 2019 in Denkendorf wurde das Forschungsvorhaben in englischer Sprache dem interessierten Fachpublikum präsentiert. Weitere Transferkanäle sind unter anderem Journale (Chemical Fibers, Bürofachzeitschriften, Ausstatter Innenräume und weitere), die Vliesstoffschulung im STFI, die Technischen Universitäten Chemnitz und Dresden, die Hofer Vliesstofftage sowie die Messeauftritte und Foren (Techtextil, AK Technische Textilien, INDEX, Filtech, mtex, Fachtex-Verbände, NIA, INDEX).