Ziel der Entwicklung

Die Zielstellung des Projektes bestand in der Erarbeitung technischer und technologischer Grundlagen zur Entwicklung von hydrodynamisch verfestigten, multifunktionalen Verbundvliesstoffen mit neuartigen Querschnittsaufbauten für technische Anwendungen.
Bei dem Projekt wurde der Einfluss des spezifischen Energieeintrages bei der Wasserstrahlverfestigung in Verbindung mit der Geometrie von neuen 3D-Strukturschablonen, Siebbandunterlagen und verschiedenen Düsenstreifenkonfigurationen untersucht. Es wurden Multifunktionale Verbundvliesstoffe aus bisher ungebräuchlichen Vliesstoffkombinationen für neue technische Anwendungen mit hoher Vliesstoffqualität kosteneffizient produziert und mit erhöhter Produktivität mittels optimierten Wasserstrahlverfestigungsprozess entwickelt. Aus traditionellen Vliesstoffschichten und neuen High-Tech-Materialien wurden innovative hydrodynamisch verbundene Sandwichstrukturen geschaffen. Neben unterschiedlichen Faserstoffarten, Vliesstofftechniken und Vliesstoffarten, bildete die Funktionalisierung durch mechanische Kombination mit Fein-/Feinstfaservliesstoffen den Schwerpunkt.
Angestrebt wurden folgende wissenschaftlich-technischen Zielparameter:
- Funktionalisierte Vliesstoffe durch abgestimmte Schichtauswahl ohne chemische Textilhilfsmittel,
- Bewertung des Einflusses unterschiedlicher Faserstoffmischungen sowie der Bedingungen im Kardierprozess und bei der mechanisch-thermischen Verfestigung (Verwirbelung, Vermaschung) auf den Warenausfall, insbesondere Volumen, Vliesstoffoberfläche und Steifigkeit,
- Hochvoluminöse Vlies-/Vlieswirkstoffe zum Einsatz als Komponente im Vliesstoffverbund,
- Energieoptimierter hydrodynamischer Verfestigungsprozess – minimaler spezifischer Energieeintrag für maximale Produktqualität,
- Hydrodynamischer Verfestigungsprozesses angepasst an die Erfordernisse zur schädigungsfreien/-armen Integration mechanisch empfindlicher Fein-/Feinstfaservliesstoffe, einschließlich der Einschätzung der Eignung neuer Maschinenelemente zur Kombination von Faservliesstoffen mit Fein-/Feinstfaservliesstoffen (Düsenstreifenkonfigurationen, Transportbänder, MPS-Schablonen und 3D-Strukturschablonen),
- Beurteilung der funktionalisierten neuen Vliesstoffverbunde auf Basis von umfangreichen Labortests und Ableitung von Anwendungsempfehlungen.

Vorteile und Lösungen

Der innovative Lösungsweg basierte in enger Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern einerseits mit den Arbeitsstellen der Wasserstrahlverfestigungsanlage (Düsenbalken, Siebband-, Struktur-, Perforierungs-Unterlage) auf der Ebene der verfahrenstechnischen Erarbeitung und Umsetzung zur Entwicklung von multifunktionalen Verbundvliesstoffen für technische Anwendungen durch technologische Untersuchungen. Andererseits basierte die Zusammenarbeit auf der Analyse neuer Verfahrensparameter hinsichtlich der Verfestigungsintensität und des Energieverbrauchs bei der Herstellung von Spunlace-Vliesstoffen/Verbunden sowie der Nähwirkmaschinen, insbesondere bezüglich der Erzeugung möglichst dicker Vlieswirkstoffe.
In die Untersuchungen flossen unterschiedliche Materialzusammensetzungen, Vliesstoffverbund-Konstruktionen, Flächenmassebereiche, unterschiedliche Anlagengeschwindigkeiten und die Einsparpotentiale an Energie und Prozesswasser ein.
Im Forschungsprojekt wurden Grundlagenuntersuchungen zum Einsatz energetisch optimaler Düsenstreifen und deren Einfluss/Applikation auf die Ausbildung von Verbunden und auf die Energieeffizienzsteigerung des Spunlace-Prozesses durchgeführt. Die Untersuchungen beziehen sich auf Düsenstreifen mit dem Düsendurchmesser 0,10 Millimeter bis 0,12 Millimeter. Ziel ist die Reduzierung des spezifischen Energieeintrages beziehungsweise des Prozesswassers in den Spunlace-Vliesstoff, bei gleicher Vliesstoff-Qualität.
Um den Einfluss der physikalischen Rückprallkräfte energiereicher Wasserstrahlen beim Spunlace-Prozess zu untersuchen, wurden im Forschungsprojekt Versuche mit verschiedenen 3D-Strukturierungs-/Perforierungsschablonen und verschiedenen Siebbändern (PET- oder Edelstahlgewebe) durchgeführt.
Die Rückprallkräfte der energiereichen Wasserstrahlen haben einen technologisch hohen Einfluss auf den spezifischen Energieeintrag, die Oberflächenqualität und die MD/CD-Festigkeits- sowie Dehnungsverhältnisse des Spunlace-Vliesstoffes.
Als Bewertungskriterium diente die Charakterisierung der Vliesstoffoberflächen im Endprodukt, neben der Bewertung der textilphysikalischen Eigenschaften. Dazu war es notwendig, die digitale Mikroskopie, das REM (Rasterelektronenmikroskop) und die textilphysikalischen Laborprüfungen einzusetzen. Bei der Berechnung des Energiebedarfs des Spunlace-Prozesses, wurde der Volumenstrom des Prozesswassers je Düsenbalken und der spezifische Energieaufwand der Wasserstrahlen zur Verfestigung von einem Kilogramm trockener Fasern untersucht. Wobei die Flächenmasse des Vliesstoffs, die Breite des Wasserbalkens beziehungsweise Düsenstreifens und die Produktionsgeschwindigkeit des Vlieses oder der Anlage in die Berechnung des gewichtsbezogenen Energieeintrages in den Vliesstoff eingehen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das STFI e.V. ist im eigenen Technikum in der Lage, auf der Grundlage der im Labormaßstab erarbeiteten Ergebnisse, anforderungsgerechte Kundenversuche zur Herstellung und Entwicklung von innovativen und kosteneffizienten Verbundvliesstoffen für interessierte Unternehmen durchzuführen. Das betrifft auch die Prüfung von verschiedenen Produkteigenschaften. Daraus resultiert ein geschätzter Umsatz von zirka hunderttausend Euro pro Jahr. Außerdem können Demonstrationsversuche und Schulungen erfolgen.
Weitere Effekte sind in den einzelnen Anwendungsbereichen zu erwarten.
Verbundvliesstoffe zur Filtration: Der Filtrationsmarkt steht derzeit vor großen Herausforderungen. Hersteller von Filtermedien, Filterelementen, Unternehmen der Prozess- und Umwelttechnik, müssen ihre technischen Entwicklungen an die steigenden Marktanforderungen, neue Normen und gesetzmäßige Vorschriften angleichen. Es werden passgenaue Lösungen für unterschiedlichste Anwendungsfelder gefordert, die die jeweiligen spezifischen Anforderungen in Bezug auf Qualität, Nachhaltigkeit, Energieeffizienz, Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit erfüllen.
Die Erfüllung dieser aktuellen Themenstellungen erfordert mehr und mehr komplexe Produkte und Technologien. Die Filterelemente werden kleiner und kompakter. So wird der Bedarf an faltbaren Verbundvliesstoffen, auch versehen mit Zusatzstoffen wie Adsorbentien, stabil steigen.
In Deutschland sind in zirka 25.000 Immobilien rund 400.000 raumlufttechnische Anlagen installiert. Der Bedarf an jährlich in Deutschland auszutauschenden Filtern in RLT-Zentralgeräten wird mit rund einer Millionen Stück angesetzt. Gerade auch der Markt für Wohnraumlüftungen wächst aufgrund der strengeren gesetzlichen Energieeinsparziele in den letzten Jahren deutlich. Generell kann von einem wachsenden Markt an RLT-Anwendungen über die nächste Dekade hinweg ausgegangen werden, worauf die Annahme eines gleichzeitig wachsenden Marktes für vliesstoffbasierte Filter beruht. Darüber hinaus ist ein zweiter Trend zu identifizieren, der von den aktuellen Aktivitäten im Bereich der Regulierungen und Normung ausgeht. Ergebnis ist ein ebenfalls wachsender Markt bei den plissierten Filtermedien für RLT Anwendungen. Der Einsatz von Taschenfiltern ist gleichzeitig rückläufig. Aktuelle Situation: Marktanteil von Taschenfiltern 75 Prozent versus 25 Prozent plissierte Filtermedien. Zukünftig zu erwarten: 50 Prozent versus 50 Prozent Marktanteile.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes ermöglichen es, sich dieser Herausforderung zu stellen und sich „right in time and ready to market“ durch ein neues innovatives Produktportfolio von Fein- und Feinstfiltern schnell auf die geänderten Marktanforderungen anzupassen. Ziel ist es dabei, neue Filtergenerationen prinzipiell auf vorhandenen Produktionsanlagen herzustellen. Ein ähnlicher Trend wie in der Luftfiltration, ist auch im Flüssigbereich zu verzeichnen. Auch hier werden mehr und mehr Vliesstoffverbunde mit dünnen, feinporigen Schichten benötigt. Die Entwicklung der Filtermedien geht hier einher mit veränderten Prozessen und neuen Materialien, welche in der metallverarbeiteten Industrie zunehmend Anwendung finden. In diesem Zusammenhang sind modifizierte Kühlprozesse wie auch veränderte Partikelformen und Kühlflüssigkeitszusammensetzungen zunehmend zu finden. Auch in Bezug auf neue Flüssigkeitstrennprozesse, beispeilsweise im Kraftstoffbereich oder Ölfiltrationsbereich, werden neue Filtermedienstrukturen mit verändertem Eigenschaftsprofil notwendig.
Die Filtermedienentwicklung im Projekt konzentrierte sich auf neue wasserstrahlverfestigte Verbundvliesstoffe für folgende Anwendungen: Kompaktfiltermedien für RLT-Anlagen, Flüssigkeitsfilter fürndie metallverarbeitende Industrie, Flüssigkeitsfilter für Fahrzeuge.
Abgeleitet aus den potenziellen Anwendungen wird ein jährlich steigendes generierbares Marktvolumen geschätzt.