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Faserbasierte Lösungen für die Produkte von Morgen

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PTS-Forschungsbericht 12/18Steuerung spezifischer Anforderungen von Papier-Nassvliesen für die Luftfiltra-tion mittels Wasserstrahlverfestigung(Papier-Nassvliese für Luftfiltration)

R. Heidenreich, Dr. T. Schulze, F. Gebauer:

Ansprechpartner

Franziska Gebauer

Telefon: 03529-551 697 / 696

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R. Heidenreich, Dr. T. Schulze, F. Gebauer:

Steuerung spezifischer Anforderungen von Papier-Nassvliesen für die Luftfiltration mittels Wasser-strahlverfestigung (Papier-Nassvliese für Luftfiltration) PTS-Forschungsbericht 12/18

Papiertechnische Stiftung (PTS) Pirnaer Straße 37 D – 01809 Heidenau

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Franziska Gebauer Tel. (03529) 551-697 [email protected];

Ralf Heidenreich Tel. (0351) 4081-720 [email protected]

Dr. Thomas Schulze Tel. (03672) 379 241 [email protected]

Papiertechnische Stiftung PTS, Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37 01809 Heidenau

Institut für Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH Bertolt-Brecht-Allee 20 01309 Dresden

Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. Breitscheidstr. 97 D-07407 Rudolstadt

Das Forschungsvorhaben IGF 18981BR der kooperierenden AiF-Forschungsvereinigungen Papiertechnische Stiftung (PTS) und ILK und TITK 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. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe-reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt-durchführung.

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1(35)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 12/18

STEUERUNG SPEZIFISCHER ANFORDERUNGEN VON PAPIER-NASSVLIESEN FÜR DIE LUFTFILTRATION MITTELS WASSER-STRAHLVERFESTIGUNG

R. Heidenreich, Dr. T. Schulze, F. Gebauer Inhalt

1 Zusammenfassung 2

2 Abstract 3

3 Einleitung 4

4 Versuchsdurchführung 7

5 Entwicklung von funktionalisierten Fibriden und Fasern und deren Risikoabschätzung für die Papierherstellung (vgl. Arbeitspaket 3) 8

5.1 Papierkompatible Fibride 8

5.2 Modifizierte cellulosische Fasern 8

6 Erzeugung von Papier-Nassvliesen im Labormaßstab (vgl. Arbeitspaket 4) 11

6.1 Bereitstellung und Charakterisierung von funktionalen Fibriden und ausgewählten Faserstoffen 11

6.2 Erzeugung und Charakterisierung von Papier-Nassvliesen 12

7 Veränderung von Papier-Nassvlieseigenschaften durch Wasserstrahlbehandlung (vgl. Arbeitspaket 5) 15

8 Filterkonfektionierung & Prüfung (vgl. Arbeitspaket 6) 17

9 Upscaling der Herstellung von funktionalisierten Fibriden (vgl. Arbeitspaket 7) 19

10 Erzeugung von wasserstrahlverfestigten Papier-Nassvliesen im Technikumsmaßstab und deren Charakterisierung (vgl. Arbeitspaket 8) 20

11 Erzeugung von Demonstratoren & Luftfilterprüfung (vgl. Arbeitspaket 9) 27

12 Prüfung der Standzeiteigenschaften (vgl. Arbeitspaket 10) 29

13 Schlussfolgerungen 31

14 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 32

Literatur 34


R. Heidenreich, Dr. T. Schulze, F. Gebauer: Papier-Nassvliese für Luftfiltration 2(35)


1 Zusammenfassung

Thema Steuerung spezifischer Anforderungen von Papier-Nassvliesen für die Luftfiltrati-on mittels Wasserstrahlverfestigung

Ziel des Projektes

Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Porosität von Papieren durch Umorientierung der Fasern mittels einer Wasserstrahlverfestigung in der Papier-maschine zu steuern. Diese sollen zu neuartigen und funktionalisierten Papierfil-termedien konfektioniert werden, mittels derer Luftfilter nach dem Tiefenfiltrati-onsprinzip aus nachwachsenden Rohstoffen mit vergleichbaren Gebrauchseigenschaften und Leistungsdaten wie kunststoff- bzw. glasfaserba-sierte Filtermedien erzeugt werden können. Diese neuartigen Luftfiltermedien sollen einen vergleichsweise geringen Druckverlust bei hoher Schichtdicke und Filterwirkung sowie großer Staubspeicherfähigkeit aufweisen.

Wesentliche Ergebnisse und Schlussfolgerungen des Projektes

Die Ergebnisse des Projektes zeigten, dass es möglich ist über eine gesteuerte Rohstoffauswahl, Trocknungsauswahl und definierte Wasserstrahlbehandlung Filtrationsmaterialien zu erzeugen, die mit herkömmlich verwendeten Kunststoff- und Glasfaserfiltern vergleichbar sind. Der Abfall des Druckverlustes konnte infolge der Wasserstrahlbehandlung gesenkt werden. Die Fraktionsabscheide-grade der Papier- Nassvliese lagen in einem sehr zufriedenstellenden Bereich.

Die Mikrobielle Beständigkeit der Papier-Nassvlies-Filter war durch den Einsatz funktionalisierter Kupfer- und Silber- Fibride sehr gut.

Es ist somit für die, überwiegend im kmU-Bereich befindlichen, Spezialpapier- und Filterhersteller einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber Wettbewerbern zu generieren, wenn die neu entwickelten Papier-Nassvliese erzeugt und eingesetzt werden.

Mit der Nutzung der Wasserstrahltechnologie im Bereich der Siebpartie einer Papiermaschine wird eine neue Technologie eingesetzt, die in diesem Bereich noch nicht zu finden ist. Lediglich im Hygienepapierbereich werden die Verfahren Nassvlieslegung und Wasserstrahlbehandlung industriell genutzt.

Nach den ersten Rückmeldungen seitens der Projektbegleiter ist davon auszu-gehen, dass sowohl Papierhersteller, als auch Filterhersteller und Anwender großes Interesse an Produkten aus dem entwickelten Material haben. Eine Umsetzung in die Praxis ist in der Folgezeit zum Projekt zu erwarten.

Diskussionen mit interessierten Firmen und Forschungseinrichtungen zeigten, dass noch weitere Themengebiete aufbauend auf diesem Projekt bearbeitet werden können. Weiterführende Forschungsarbeiten an diesem Gebiet, vor allem hinsichtlich Verbesserung der Eigenschaften für feinste Filtrationszwecke, sind denkbar.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.




2 Abstract

Theme Controlling specific properties of paper wet laids for air filtration by means of hydro-entanglement.

Project aims The project aim is to control the porosity of paper by reorienting its fibres through hydro-entanglement in the paper machine. The wet-laid nonwovens will be converted to novel and functionalized paper filter media that can be used to make deep filtration air filters from renewable raw materials and with perfor-mance characteristics and performance data comparable to synthetic- / glass-fibre-based filter media. The novel air filter media should offer high filtration efficiency and dust holding capacity as well as comparatively low pressure losses at high layer thickness.

Essential results and conclusions of the project

The results of the project showed that it is possible to produce filtration materials comparable to conventionally used synthetic and glass fiber filters through controlled raw material selection, drying selection and defined hydro-entanglement. The drop in the pressure loss could be lowered due to the hydro-entanglement. The fractional efficiencies of the paper wet laids were in a very satisfactory range.

The microbial resistance of paper wet-laid filters was very good due to the use of functionalized copper and silver fibrids.

It is thus possible for the specialty paper and filter manufacturers, which are predominantly in the small and medium-sized enterprise range, to generate an economic advantage over their competitors when the newly developed paper wet-laids are produced and used.

With the use of the hydro-entanglement in the wire section of the paper machine a new method is apply which is not found in this area. Only during the production of hygienic papers the combination of hydro-entanglement is industrial used.

After the first feedbacks of the project advisors it could be expected, that paper producers as well as filter manufactures and users have a main interest in products of this developed material. A practical implementation is expected in the following time of the project.

Discussions with interested companies and research institutions showed that even more topics can be worked out based on this project. Continuative research work on this topic, especially increasing of properties for finest filtration functions, is possible.

The aim of the project was achieved.




3 Einleitung

Ausgangs-situation

Für Filtermaterialien in der Luftfiltration werden zunehmend Vliesstoffe aus Synthese- und Glasfasern statt Papier eingesetzt. Von der Industrie wird jedoch zunehmend der Bedarf an Filtern aus nachwachsenden Rohstoffen geäußert.

Luftfiltration ist ein dem Prinzip nach „grüner“ Markt. Allerdings werden derzeit verfügbare Filtermaterialien vor allem nach der Funktionalität bewertet. Der Trend geht zu geringen Baugrößen und höheren Abscheideleistungen bei geringerem spezifischen Energieverbrauch. Daher sind Filtermaterien und –fasern mittlerweile überwiegen aus Polymeren, da sich die Eigenschaften über di Polymerchemie am gezieltesten einstellen lassen. Allerdings ist die Erdöl- Industrie nicht „Grün“. Gebäude werden zunehmen baubiologisch und nach ökologischen Kriterien beurteilt. Auch für Filter aus nachwachsenden Rohstoffen ist hier eine Marktnische, die es zu besetzen gilt. Der Filtermarkt ist hart um-kämpft. Nur mit degressiver Preisgestaltung sind hier keine dauerhaften Erfolge zu erzielen; es kommt für kmU vielmehr darauf an, ein besonderes Produkt zu platzieren. Die Grundlagen im Sinne eines „Grünen Filters“ zu entwickeln war Ziel dieses Forschungsprojektes.

Anforderung an papierbasierte Filter

In der Entstaubungstechnik sind papierbasierte Filtermedien insbesondere für die Anwendung in Oberflächenfiltern bekannt. Früher wurden auch Gewebe aus Baumwolle in der Entstaubungstechnik eingesetzt. Allerdings wurden diese Materialien auf Grund der Qualitätsanforderungen vom Markt mehr und mehr verdrängt [1]. Daher haben diese Materialien durchaus große Vorteile (u.a. geringer Energiebedarf bei der Herstellung sowie die Dämpfungs- und Isolati-onseigenschaften) und könnten wieder verstärkt zum Einsatz kommen, wenn es gelänge, den geringeren Druckverlust, die mikrobielle Beständigkeit, die geringe Feuchtigkeitsaufnahme und die hohe thermische Beständigkeit (Brandschutz) zu erreichen. In Rahmen dieses Projekts wurde darauf verzichtet, die thermische Beständigkeit von cellulosebasierten Filtern zu verbessern, da es hierfür eine breite Palette an Hilfsmitteln im Markt gibt. Die Möglichkeiten, weitere Filterei-genschaften zu optimieren, sind nachstehend dargestellt




Druckverlust Der Druckverlust (Druckdifferenz zwischen beiden Oberflächen der Luftfilter-schicht, die bei der Durchströmung eines Gases entgegengesetzt wird ) ist durch die Anströmgeschwindigkeit, die Partikeleinlagerung, die Konfektionierung des Filters (z. B. Anzahl der Taschen bei Taschenluftfiltern) und die Filtereigenschaf-ten beeinflusst. Es existieren zwei Theorien für die Ermittlung des Druckverlustes unbestaubter Faserschichten (Kanalmodell und Widerstandsmodell).

In diesem Zusammenhang wichtige Parameter des Filtermediums sind Faser-durchmesser, Faseranzahl, Schichtdicke und Porosität. Letztere besitzt den größten Einfluss. Da in der Papierherstellung Fasern kollabieren und das Fa-sergefüge verpresst wird, ist die Porosität von Papierfiltern im Gegensatz zu Filtern aus wenig flexiblen Glas- oder Kunstfasern eher gering und der resultie-rende Druckverlust hoher.

Untersuchungen an wasserstrahlbehandelten Vliese zeigten, dass die Faser-orientierung in Bezug auf den Vektor der Strömungsgeschwindigkeit ein wichtiger Einflussfaktor auf die Größe des Druckverlustes ist. Bei einer Strömung parallel zu den orientierten Fasern wurden kleinere Druckverluste erreicht als bei einer Strömung senkrecht zur Faserorientierung [2,].

Wasserstrahl-behandlung

Bei der Wasserstrahlverfestigung werden Fasern oder mittels Wasserstrahlen, die unter hohem Druck stehen und aus einer feinen Düse austreten, miteinander verwirbelt und verschlungen. Infolge dieser Prozesse entsteht ein verfestigtes Faservlies [3].

Im Sächsischen Textilforschungsinstitut in Chemnitz (STFI) wurde im Rahmen verschiedener Forschungsarbeiten grundlegendes Know-how, in Bezug auf die Verbindung unterschiedlicher textiler Flächengebilde (z. B. Vliesstoffe als Filter-materialien für die Staubfiltration [4,5,6]) mittels Spunlace-Technologie erarbeitet. In 2014 beschrieb die Fa. Voith die Erzeugung von für die Gasfiltration geeigne-ten Vliesen mittels der Wasserstrahlverfestigung. Filtermedien bis 1.000 g/m2 wurden mit der AquaJet-Anlage aus verschiedenen Kunststoff- bzw. Glasfasern hergestellt. Der Vorteil dieser wasserstrahlverfestigten Produkte gegenüber der Verfestigung mit mechanischer Vernadelung war ein geringer Druckverlust bei gleicher Filterfeinheit [7].

Bei der Herstellung nassgelegter Faservliese findet die Wasserstrahlbehandlung nur punktuellen Einsatz. Eine Anwendung dieser Technologie im Nassbereich einer Papiermaschine führt zu einer Blattstruktur mit veränderten Eigenschaften in Hinblick auf Festigkeiten, Haptik und Gefügeeigenschaften. Die Effekte treten im Vergleich zu trockengelegten Vliesen bereits bei niedrigen Drücken ein. Untersuchungen an der PTS haben ergeben, dass bei Anwendung der Spun-lace-Technologie im Nassbereich einer Papiermaschine (Ende Siebpartie) mit geringen Arbeitsdruck von 10-50 bar bereits eine drastische Erhöhung der Luftdurchlässigkeit erzeugbar ist. Dies bietet den wesentlichen Ansatzpunkt in dem Vorhaben die Porosität, das Staubspeichervermögen und den Druckverlust zu steuern. Ebenfalls ist davon auszugehen, dass die Fasern infolge der Ener-gieeinwirkung der Wasserstrahlen einer Umorientierung unterzogen werden, sodass die Gefügestruktur verändert wird.




Mikrobielle Beständigkeit

Hygienische Maßnahmen zur Einschränkung von Infektionen sind von enormer Bedeutung für das menschliche Zusammenleben. Bakterien, Schimmelpilze, Hefen und Viren, wie z. B. Salmonella, E. coli- und manche Candida-Stämme können zu schweren Erkrankungen führen [8]. In diesem Sinne ist es insbeson-dere wichtig, dass die Luftfiltrationsanlage nicht zusätzlich durch aufwachsende Keime zu einer Infektionsquelle wird. Die angestrebten Papiereigenschaften für Luftfilterpapiere sollen dazu beitragen, Verbreitungspfade von Mikroorganismen und Infektionen oder Allergien zu unterbrechen und die hygienischen Bedingun-gen für Klimaanlagen nachhaltig zu verbessern.

Regeneratfasern auf Cellulosebasis können durch den Zusatz biologisch wirk-samer Substanzen (z.B. Silber- oder Kupferionen) permanent antibakteriell ausgerüstet werden. Die Ausrüstung ist waschbeständig und behält ihre Wirk-samkeit über den gesamten Lebenszyklus des Produktes, welchem die Faser zugesetzt wird (z.B. Diabetikerstrümpfe) bei.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt von PTS und TITK [9] wurden die neuen Papiersortimente mit antimikrobiellen und fungiziden Eigenschaften entwickelt. Dazu sollten entsprechende funktionale Fibridfasern aus Regene-ratcellulose definiert erzeugt und anteilig in die Papierstruktur (Papiermasse) eingebunden werden. Es wurde gezeigt, dass Papiere durch eine anteilige Beimischung speziell funktionalisierter Regeneratfasern antimikrobiell ausgerüs-tet werden konnten. Die erzeugten Cellulosefibride waren morphologisch und papiertechnologisch Papierfasern ähnlich und wurden vollständig im Papierblatt retendiert.

Die verwendeten funktionalen Additive (Silber- sowie Kupfersalze und Zinkoxid) waren auch bei niedrigen Dosiermengen sehr gut gegen Bakterien wirksam. Bezüglich Pilzresistenz war beim Einsatz von Silberionen und ca. 5x höher dosiertem Kupfer eine signifikant fungizide Papierfunktionalisierung erkennbar

Forschungs-bedarf

Für die angestrebte Entwicklung von naturfaserbasierten mehrlagigen Filtersys-temen besteht nun folgender Forschungsbedarf:

Untersuchung des Einflusses der Fasereigenschaften (Faserart, -länge, -steifigkeit, - fibrillierung) auf die papiereigenschaftsbezogene Wirkung der Wasserstrahlverfestigung zur Steuerung des Druckverlust in Luftfilteranwendun-gen,

Untersuchung der Wirkung von verschiedenen Zusatzmitteln (Polyelektrolyt- und Metallhaltige Fibride) und Faserstoffen unterschiedlicher Eigenschaften (Binde-vermögen, Steifigkeit, Faserlänge, spezifische Oberfläche, Art der Modifizierung) auf die Abscheiderate / spezifische Wirkung von hergestellten Filtern,

Identifizierung der benötigten Konfektionierung der hergestellten Papieren für die Erreichung der maximalen Abscheiderate / der spezifischen Wirkung




4 Versuchsdurchführung

Zusammenarbeit der Forschungs-stellen

Die Projektbearbeitung erfolgte an den folgenden Forschungsstellen:

Papiertechnische Stiftung – (PTS, Heidenau),

Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH (ILK)

Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. (TITK),

Die Bearbeitung der einzelnen Arbeitspakete erfolgte in enger Zusammenarbeit der Projektpartner nach den jeweiligen Kompetenzen und technischen Möglich-keiten.

Die Entwicklung, Charakterisierung und Herstellung der mikrobiell ausgestatteten Fibride erfolgte am TITK. Des Weiteren wurden hier die erzeugten papier-Nassvliese auf die mikrobielle Beständigkeit untersucht.

An der PTS fand die Entwicklung der Papier-Nassvlies-Rezepturen statt. Dazu wurden verschiedenen Faserstoffe ausgewählt, charakterisiert und in verschie-denen Abmischungen eingesetzt. Weiterhin wurde die Trocknung der Papier-Nassvliese variiert, um das größtmögliche Volumen der Papier-Nassvliese zu generieren. Die papierphysikalische Prüfung der erzeugten Nassvliese erfolgte ebenfalls an der PTS.

Am ILK wurden die Nassvliese auf die wichtigsten Filtrationseigenschaften, wie Porengröße und –volumen, Druckverlust und Fraktionsabscheidegrad, geprüft. Dazu wurden die Nassvliese zu Filtern konfektioniert und untersucht. Am Ende des Projektes wurden Demonstratoren erzeugt, an denen die Standzeiteigen-schaften überprüft wurden.

Arbeitsplan Das Forschungsvorhaben wurde in 11 Arbeitspakete unterteilt, wobei in eine Laborphase und eine Technikumsphase unterschieden werden kann. In der folgenden Abbildung ist der Weg der Projektbearbeitung schematisch dargestellt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Lösungsweges




5 Entwicklung von funktionalisierten Fibriden und Fasern und deren Risikoabschätzung für die Papierherstellung (vgl. Arbeitspaket 3)

5.1 Papierkompatible Fibride

Vorgehen Die verwendete Technologievariante ergibt papierkompatible Fibride mit sehr hohem Verzweigungsgrad. Bei Bedarf kann die Morphologie durch Veränderun-gen der Prozessparameter (z.B. Konzentration Koagulationsagenz, Scherung) gesteuert werden. Bei der Papierherstellung hat sich gezeigt, dass weniger feine Strukturen mit geringerem Verzweigungsgrad den Anforderungen eher entspre-chen. Andernfalls ist mit verstärktem Siebdurchgang und Anreicherung in den Umlaufflotten zu rechnen

Risikoab-schätzung

Der Einsatz von Fibriden in einer Papierfabrik muss kritisch betrachtet werden. Es galt zu untersuchen, in welchem Ausmaß die Fibridverbindungen stabil sind und nicht durch den Kontakt in wässriger Suspension gelöst werden und ins Abwasser der Papierfabrik gelangen. Die Untersuchungen hierzu wurden im Zuge der kleintechnischen Untersuchungen durchgeführt, da für die Bestim-mungsmethode (Leuchtbakterientest) eine größere Menge Probenmaterial benötigt wird. Diese Menge ist mit der Laborblattbildung nicht stabil und ver-gleichbar zu erhalten. Während der Papierherstellung auf der Versuchspapier-maschine wurde das Siebwasser aufgefangen und einer anschließenden ökoto-xikologischen Prüfung mittels Leuchtbakterientest unterzogen. Bei dem Test wird die toxische Wirkung aus dem untersuchten Wasser gegenüber Organismen, in dem Falle Leuchtbakterien, beurteilt.

SW-Probe 3F 4F 5F 6F 8F 11 11F

70 NBSK Canad./

25 Sisal/

5 Cu-Fibr.

70 NBSK Canad./

25 Linters/

5 Cu-Fibr.

50 NBSK Canad./

20 Viskose

(5mm) /

25 Basalt/

5 Cu-Fibr.

50 NBSK Canad./

20 Viskose (10

mm) /

25 Basalt/

5 Cu-Fibr.

50 NBSK Canad./

20 Sisal/

25Viskose

(10mm)/

5 Cu-Fibr.

50 NBSK Europa/

50 Kraftpapier

50 NBSK Europa

/

45 Kraftpapier/

5 Cu-Fibrid

Leuchtbakterie

n-HemmtestGL 1 1 2 1 1 1 3

Bewertung Ergebnis 1 & 2 : unbedenklich, keine Wirkung auf die Bakterien

Ergebnis 3: eine gewisse geringe Wirkung ist vorhanden, aber meistens ist diese tolerierbar, abhängig von Art des Gewässers, in

welches eingeleitet werden würde.

Für einen großen Fluss tolerierbar, für einen klaren Gebirgsbach könnte es problematisch sein

5.2 Modifizierte cellulosische Fasern

Materialen Zur Reduktion der Luftfeuchtigkeitsaufnahme der Nassvliesfilter wurden Mög-lichkeiten der chemischen Modifizierung untersucht. Für die Modifizierung wurde der europäische Langfaserzellstoff LF 1 ausgewählt, der ebenfalls in den nach-folgenden AP’s eingesetzt wurde. Zur Modifizierung standen Nassfestharze, Maleinsäureanhydrid und Essigsäureanhydrid zur Auswahl. Die Nassfestharze werden üblicherweise bei der Papierherstellung eingesetzt, um die Papierfestig-keit bei eindringendem Wasser zu erhalten.




Risiko-abschätzung

Bei Diskussionen mit den Mitgliedern des PbA wurde die Verwendung von Maleein- und Essigsäureanhydrid als sehr kritisch bewertet und eingeschätzt. Es wurde beschlossen diese Chemikalien für die weitere Bearbeitung nicht mitein-zubeziehen, da der Einsatz dieser Chemikalien im industriellen Maßstab in einer Papierfabrik zu risikobehaftet wäre und ein großes Maß an Arbeitssicherheits-vorkehrungen erfordert, um eine Gefährdung des Personals auszuschließen. Das Ziel in der Industrie ist die Minimierung des Gefährdungspotentials einge-setzter Hilfsmittel, so dass der Einsatz dieser Chemikalien fraglich wäre.

Aus diesem Grund wurde für die Modifizierung die abwechselnde Beschichtung mit Nassfestmittel (NFM) und Carboxymethylcellulose (CMC) gewählt. NFM werden üblicherweise bei der Papierherstellung eingesetzt, um die Papierfestig-keit bei eindringendem Wasser zu erhalten, z.B. Kaffeefilter.

Methodik Die Modifizierung der Faserstoffe erfolgte in Anlehnung an vorangegangene Untersuchungen im Forschungsprojekt IK-MF 100047 Viskoelastische Bin-dungsschichten. Der LF1 wurde zuerst im Technikumspulper bei 4 % SD für 10 min bei 1050 rpm zerfasert. Danach wurde die Suspension über Absetzkäs-ten vorentwässert, um nachfolgend in einer Zentrifuge den Trockengehalt auf ca. 30 % zu erhöhen. Der Faserstoff wurde anschließend zerkrümelt, damit er in einer behandlungsfähigen Form vorlag. In einem Hochkonsistenzmischer (HC-Mischer) wurde der Faserstoff anschließend mit den ausgewählten Chemikalien modifiziert.

Abbildung 2: li.,mi.: HC-Mischer, Fa. Beba; re.: Krümelstoff

Die erste Behandlungsschicht erfolgte mit einem handelsüblichen Nassfestmittel (NFM), welches für den Masseeinsatz bei der Papierherstellung eingesetzt wird. Die Chemikalien wurden dem Faserstoff gleichmäßig zugegeben und anschlie-ßend für 15 min eingemischt. Die Reihenfolge und Zugabemengen der Chemika-lien ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.




Methodik Tabelle 1: Behandlungsparameter chemische Modifizierung LF-Zellstoff

Modifizierung von LF 1 gegen Luftfeuchtigkeitsaufnahme

Einmischaggregat Drehzahl Beschich-tungsmittel

Dosier-menge

(mg/g)

HC-Mischer Stufe 1 1. NFM 10

HC-Mischer Stufe 1 2. CMC 5

HC-Mischer Stufe 1 3. NFM 10

Einmischen je Schicht 15 min

Nach der Behandlung wurde der Faserstoff im Technikumspulper für 10 min bei 990 rpm zerfasert, damit er weiter verarbeitet werden konnte.

Der modifizierte Faserstoff wurde für die weitere Herstellung von Papier-Nassvliesen genutzt. Um den positiven Einfluss auf die Reduktion der Luftfeuch-tigkeitsaufnahme zu erhalten, wurden sowohl Papiere aus 100 % modifiziertem LF2, als auch eine Abmischung mit 5 % funktionalem Kupferfibrid erzeugt.

Ergebnisse Zur Bestimmung des Verhaltens der Papiere gegenüber Luftfeuchtigkeitsände-rungen wurde ein dynamisches Feuchtegravimeter verwendet. Die zu untersu-chenden Papiere werden unter isothermen Bedingungen verschiedenen relati-ven Luftfeuchtigkeiten ausgesetzt und die prozentuale Massenänderung ermittelt. Die Temperatur bei den Bestimmungen war 24,9 °C und die Luftfeuch-tigkeit wurde von 0 % bis 90 % variiert.

Beim Einsatz des modifizierten Langfaserzellstoffes ist der Einfluss auf die Luftfeuchtigkeitsaufnahme nur marginal erkennbar. Bei Luftfeuchtigkeiten von bis zu 67,5 % adsorbiert der modifizierte Faserstoff weniger Feuchte, als der unbe-handelte.

Abbildung 3: Masseänderung mod. LF bei isothermer Luftfeuchtigkeitsände-rung

Das absolute Niveau der prozentualen Masseänderung liegt unter den erwarte-ten Ergebnissen, was jedoch durch eine hohe mikrobielle Aktivität der eingesetz-ten Fibride kompensiert werden kann. Die hohe mikrobiologische Beständigkeit der Papiere mit Cu-Fibridanteil, hemmt das mikrobielle Wachstum im Filter, wenn dieser dauerhaft ungünstigen klimatischen Verhältnissen ausgesetzt ist.




6 Erzeugung von Papier-Nassvliesen im Labormaßstab (vgl. Arbeitspaket 4)

6.1 Bereitstellung und Charakterisierung von funktionalen Fibriden und ausgewählten Faserstoffen

Vorgehen Mengen von 100 g an metallfunktionalisierten Fibride wurden im Labormaßstab hergestellt und bemustert. Die Beladung mit Kuper- und Silberionen erfolgte in hoher Flottenkonzentration (25 % Feststoff in Wasser) in einem Laborkneter. Dieses Material wurde hinsichtlich der Beständigkeit der Metallanbindung untersucht, indem es Bedingungen unterworfen wurde, welche im Papierherstel-lungsprozess vorzufinden sind (Verweilzeit in wässrigen Flotten, Temperatur)

Labormaßstab Fibridgewinnung

Abbildung 4: Laboranlage zur Abbildung 5: „never dried“ Fibriderzeugung Cellulose-Fibride

Ergebnisse Die permanente Einbindung von Polyethyleniminen in Fibriden wurde erreicht. Kupferionen besitzen eine feste Anbindung, so dass keine Auswaschverluste bei wässriger Aufarbeitung festgestellt wurden. Additivierte Fibride sind ohne Pilzbe-fall lagerfähig.

Charakterisi-erung

Die erzeugten Fibride besaßen zu herkömmlich eingesetzten Faserstoffen vergleichbare Eigenschaften. Eine Übersicht zeigt die nachfolgende Tabelle.

Tabelle 2: Grundeigenschaften ausgewählter Faserstoffe

Versuchsreihe F1 A_MP 1 A_MP2 C C_MP1 C_MP2

SR Wert [SR] 43 51 15 24 34

WRV [g/g] 1,69 1,17 1,33 0,82 1,36 1,50

Durchmesser [µm] 21,8 16,5 17,0 18,0 17,8 17,8

Wandstärke [µm] 6,3 4,3 4,3 6,3 6,1 6,0

Curl [%] 24,4 15,6 14,6 28,5 18,4 17,3

CSA [µm²] 365 176 187 205 197 197

Volumenindex [10^6µm³] 0,32 0,15 0,16 0,26 0,18 0,17

Fibrillierungs-Index 8,92 6,97 7,40 1,79 3,21 3,28

Knick-Index (n) 2348 1485 1317 2167 1296 1222

Faserlänge (längengewichtet) [mm] 1,23 1,10 1,11 1,68 1,34 1,27

Feinstoff (längengewichtet) c [%] 1,7 12,9 12,5 0,5 3,3 3,6

Faserlängenverteilung in den Klassen [%]

0,00 - 0,20 mm 1,7 12,9 12,5 0,5 3,3 3,6

0,20 - 0,50 mm 15,6 33,2 32,6 2,4 11,4 13,3

0,50 - 1,20 mm 38,97 21,18 21,59 27,10 32,79 34,56

1,20 - 2,00 mm 28,05 14,37 15,26 41,69 34,18 32,85

2,00 - 3,20 mm 13,2 10,8 11,1 23,3 15,7 13,8

3,20 - 7,60 mm 2,4 7,6 6,9 5,0 2,7 1,9

mittlere Faserlängen

Faserlängenfraktionen (längengewichtet)




6.2 Erzeugung und Charakterisierung von Papier-Nassvliesen

Vorgehen Im Labormaßstab wurden Papier-Nassvliese in verschiedenen Faserstoffmi-schungen mit anteiliger Zugabe funktionalisierter Fibride mit einem Flächenge-wicht von 80 g/m² erzeugt.

Es wurden Faserstoffe Flachs, Hanf, Sisal und Linters, aber auch ein Standard-Langfaserzellstoff in die Untersuchungen mit einbezogen.

Die Faserstoffe wurden überwiegend im unbehandelten Zustand eingesetzt. Da davon auszugehen war, dass die Faserstoffe aufgrund der Fasermorphologie und Faserlänge zu Verspinnungen neigen werden, wurden ausgewählte Faser-stoffarten einer Labor-Mahlung mittels Valley-Beater unterzogen.

Um den Druckverlust im späteren Filter so gering wie möglich zu halten und in Folge dessen die Filtrationsleistung zu erhalten, wurden in diesem Arbeitspaket ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten der Trocknung untersucht.

Die Standard Laborblattbildungstrocknung arbeitet unter Vakuum und gibt so dem Papier nicht die Möglichkeit zu schrumpfen. Das Gefüge dieser Papiere ist vergleichsweise dicht.

Als zweite Variante stand ein Trockenzylinder einer Papiermaschine zur Verfü-gung, der die Kontakttrocknung an einer solchen simulieren sollte. Die Papiere werden hierbei teilweise am Schrumpfen gehindert.

Die Möglichkeit eines Laborschwebetrockners wurde mit der dritten Trocknungs-variante getestet. Hierbei handelt es sich um die Möglichkeit eine Durchström-trocknung durchzuführen. Die Papiere können bei dieser Methode frei schrump-fen und das Volumen bleibt erhalten. Eine Abbildung der drei untersuchten Methoden sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Laborblattbildungs- trockner

Zylinder-Kontakttrocknung

Laborschwebetrockner




Versuchsplan Die Untersuchungen zu diesem Arbeitspaket erfolgten nach dem Versuchsplan in Tabelle 3.

Tabelle 3: Versuchsplan AP 4.2

80 g/m² A_3 A_F1_3 A_MP1 A_MP1_F1 A_MP 2 A_MP2_F1 B_3 B_F1_3

A A_F1 A_MP1 A_MP1_F1 A_MP 2 A_MP2_F1 B B_F1

ungemahlen 100 95

MP 1_15 min 100 95

MP 2_30 min 100 95

Hanf ungemahlen 100 95

Cu-Fibride % 5 5 5 5

Trocknung SWT SWT SWT SWT SWT SWT SWT SWT

80 g/m² C C_3 C_F1 C_F1_2 C_F1_3 C_MP1 C_MP1_F1 C_MP 2 C_MP2_F1

ungemahlen 100 100 95 95 95

MP 2_60 min 100 95

Linters ungemahlen

Nadelholz ZS ungemahlen

Cu-Fibride % 5 5 5 5 5

Trocknung LBB SWT LBB TZ SWT SWT SWT SWT SWT

80 g/m² D_3 D_F1_3 D_F1_10 E_3 E_F1_3

Linters ungemahlen 100 95 90 LBB Laborblattbildner

Nadelholz ZS ungemahlen 100 95 TZ Trockenzylinder (PM)

Cu-Fibride % 5 10 5 SWT Laborschwebetrockner

Trocknung SWT SWT SWT SWT SWT Trockentemp: 105°C , 10 min

Flachs

Sisal

Ergebnisse Die maßgebliche Papiereigenschaft, die es galt zu beeinflussen, war die Luft-durchlässigkeit.

Abbildung 6: Einfluss von Trocknungsart (li.) und Faserstoffart (re.) auf Luft-durchlässigkeit

Es war zu erkennen, dass die gewählte Trocknungsart und die richtige Faser-stoffauswahl maßgeblichen Einfluss auf die Luftdurchlässigkeit besitzen.

Wie vermutet wird die höchste Luftdurchlässigkeit mit dem Laborschwebetrock-ner erreicht. Da das Papier hier ungehindert trocknen kann und in seinem Verhalten nicht behindert wird, ist das freie Porenvolumen hoch und erzeugt eine gute Luftdurchlässigkeit, was in der vorangegangenen Abbildung gut zu erken-nen ist. Der Einsatz von Linters und Sisal wirkt sich ebenfalls positiv auf die Luftdurchlässigkeit aus. Flachs und Hanf hingegen liegen deutlich unter den erreichten Werten von Sisal und Linters, was durch die Porenstruktur erklärbar ist. Mit Flachs und Hanf entstanden im Vergleich zu Sisal viele, kleine Poren.

Durch den Einsatz von Sisal war ein Gefüge vorhanden, welches im Vergleich weniger, aber größere Poren besaß (Vgl. Abbildung 13).




Ergebnisse Die funktionalisierten Fibride wirkten negativ auf die Luftdurchlässigkeit. Mit der fibrillären Struktur werden diese sehr gut in das Papiergefüge eingebunden, jedoch steigt damit auch die Papierdichte an.

Die Zugfestigkeit der Papiere konnte infolge Fibrideinsatz gesteigert werden. Der Grund liegt hierbei ebenfalls in der fibrillierten Struktur der Fibride. Dadurch, dass diese ebenfalls aus einem Zellstoff hergestellt wurden, ist die Kompatibilität zu den eingesetzten Papierfasern gegeben und die Faserstoffbindungen konnten gesteigert werden (Vgl. Abbildung 7).

Abbildung 7: Einfluss Fibrideinsatz auf Papiereigenschaften

Die erreichten Metallgehalte im Papier nach Fibrideinsatz lagen im Bereich der angestrebten. Dies ließ auf eine gute Einbindung mit geringer Neigung zum Auswaschen des Kupfers im Fibrid schließen (Abbildung 8).

Abbildung 8: Metallgehalt im Papier

Der Einsatz gemahlener Faserstoffe verbesserte die Verarbeitbarkeit im Labor-maßstab nur geringfügig. Die langen Fasern neigten weiterhin zu Verspinnun-gen. Diese Tatsache sollte bei den weiteren Versuchen mit beachtet werden, um die Gleichmäßigkeit der Filtrationsmaterialien zu gewährleisten. Auf die Festig-keitseigenschaften hatte die Mahlung wie erwartet positiven Einfluss, da die mögliche Bindungsfläche zwischen den Fasern erhöht wurde.

Fazit Mit der richtigen Auswahl an Faserstoffen und Trocknungsart konnte die Luft-durchlässigkeit positiv beeinflusst werden. Der Einsatz funktionalisierter Kupfer-Fibride ermöglicht die Einbindung von Kupfer ins Papier, so dass von einer reduzierten mikrobiellen Aktivität im Papier ausgegangen werden kann.




7 Veränderung von Papier-Nassvlieseigenschaften durch Wasserstrahlbehandlung (vgl. Arbeitspaket 5)

Vorgehen Die Ergebnisse des vorangegangenen Arbeitspaktes waren Grundlage für die weiteren Untersuchungen hinsichtlich der Wasserstrahlbehandlung der Nass-vliese. Als Faserstoffe wurden Flachs, Hanf und Sisal ausgewählt. Die Auswahl von Flachs und Hanf wurde getroffen, um zu untersuchen, wie stark das vergleichs-weise geringe Niveau der Luftdurchlässigkeit gesteigert und auch die Porenver-teilung gesteuert werden kann. Die Auswahl von Sisal wurde getroffen, um zu beurteilen, inwieweit weitere Steigerungen der Luftdurchlässigkeit möglich sind und wie sich diese auf die Filtrationseigenschaften auswirken. Die Möglichkeiten bei der Wasserstrahlbehandlung sind sehr vielseitig. Es zählen sowohl die Düsenanzahl je Längeneinheit, der Düsendurchmesser und die Ein- oder Mehrreihige Anordnung der Düsen auf dem Düsenstreifen eine wichtige Rolle hinsichtlich der eingetragenen spezifischen Energie und infolge dessen des Behandlungsergebnisses.

Abbildung 9: Schematische Darstellung einreihiger (li.) und zweireihiger (re.) Düsenstreifen

An der FS 1standen zu Projektbeginn eine begrenzte Auswahl an Düsenstreifen zur Auswahl. Aus diesem Grund wurden die Wasserstrahlversuche am Sächsi-schen Textil Forschungsinstitut Chemnitz (STFI) durchgeführt. Am STFI ist eine große Auswahl an verschieden Düsenstreifen vorhanden, mit denen es möglich war die Wasserstrahlbehandlung an den Nassvliesen zu beurteilen. Die Proben wurden bei der FS 1 analog zu den Laborblättern im AP 4 hergestellt du im initial feuchten Zustand am STFI wasserstrahlbehandelt. Anschließend wurden die Nassvliese bei der FS 1 im Laborschwebetrockner getrocknet und analysiert.

Versuchsplan Tabelle 4: Versuchsplan Wasserstrahlbehandlung AP 5

Versuch A A_11 A_12 B B_11 B_12 C C_11 C_12

Faserstoff Flachs Flachs Flachs Hanf Hanf Hanf Sisal Sisal Sisal

Düsenbalken 2 unbehandelt unbehandelt unbehandelt

Düsenstreifen einreihig einreihig einreihig einreihig einreihig einreihig

Düsendurchmesser mm 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

Düsenanzahl hpi 60 60 60 60 60 60

Druck bar 60 100 60 100 60 100

Geschwindigkeit 8 8 8 8 8 8

spez. Energieeintrag kWh/kg 0,056 0,121 0,056 0,121 0,056 0,121




Ergebnisse Während der Versuche zeigte sich, dass aus einer Behandlung der Nassvliese mit einem sehr feinen Düsenstreifen die besten Ergebnisse resultierten. Dabei war ausschlaggebend, ob und wie stark die Papiere durch die Wasserstrahlen markiert wurden und ob sie sich nach der Behandlung vom Sieb ablösen lassen. Es war sehr deutlich zu erkennen, dass Behandlungen mit zweireihigen Düsen-streifen, sowohl mit 50 µm, als auch mit 80 µm Durchmesser nicht für die Be-handlung geeignet waren. Bei den 50 µm Düsen waren die durch die Düsen erzeugten Markierungen durch zu viel Wasser zu stark, so dass eine Prüfung der Papiere unmöglich war. Papiere, die mit dem zweireihigen Düsenbalken mit 80 µm Durchmesser behandelt wurden, waren fest mit Sieb verbunden und konnten nicht mehr abgelöst werden, weshalb dazu keine Muster vorliegen.

Bezüglich dieser Beobachtungen und Randbedingungen wurden die ausgewähl-ten Papiere mit einem einreihigen-Streifen mit 50 µm Düsendurchmesser behandelt und analysiert. Der Versuchsplan ist in der vorhergehenden Tabelle 4 dargestellt.

Die wasserstrahlbehandelten Nassvliese wurden hinsichtlich der papierphysikali-schen Eigenschaften untersucht.

Es ist zu sehen, dass die Wasserstrahlbehandlung, wie erhofft, einen positiven Einfluss auf die Luftdurchlässigkeit besitzt (Abbildung 10). Es war zu erwarten, dass diese Effekte auch bei den Filtrationseigenschaften zu beobachten sind. Die Porengrößenverteilung wurde infolge Wasserstrahlbehandlung ebenfalls beeinflusst. Hervorzuheben ist die Entwicklung bei den Papieren aus Sisal. Die Porengrößenverteilung ist sehr eng, ohne eine breite Verteilung. Nach der Wasserstrahlbehandlung waren die Poren im Durchmesser vergleichbar und das absolute Porenvolumen verringert.

Abbildung 10: Einfluss Wasserstrahlbehandlung auf Luftdurchlässigkeit und Porengrößenverteilung




Ergebnisse Bei der Spaltfestigkeit trat ebenfalls eine deutliche Steigerung infolge Wasser-strahlbehandlung auf (Abbildung 11). Die Mahlbehandlung im Holländer besaß einen geringeren Einfluss auf die Gefügefestigkeit, im Vergleich zur Wasser-strahlbehandlung. Die Sisalproben zeigten die größten Zuwächse infolge Was-serstrahlbehandlung. Bei diesen Papieren war die Wirkung der Wasserstrahlen am besten zu beobachten, da die längeren Sisalfasern besser für eine Ver-schlingung mittels Wasserstrahlen geeignet sind. Infolge dessen konnte die Gefügefestigkeit in z-Richtung deutlich gesteigert werden.

Abbildung 11:Einfluss Wasserstrahlbehandlung auf Spaltfestigkeit

Fazit Die gezielte Faserstoffauswahl in Kombination mit einer Wasserstrahlbehand-lung lassen eine gezielte Einstellung von Festigkeits- und Luftdurchlässigkeitsni-veau zu.

8 Filterkonfektionierung & Prüfung (vgl. Arbeitspaket 6)

Vorgehen Für die Prüfung der Laborblätter waren zunächst die Prüfvorrichtungen zu ertüchtigen. Spezialadapter waren zu fertigen, die Messmethoden zu entwickeln. Zur Bestimmung der Porengrößenverteilungen wurde ein Messsystem ange-schafft und in Betrieb genommen. Zur Untersuchung der Laborblätter im Prüf-stand waren diese zunächst als Filterronden zu konfektionieren. Dies ist gelun-gen; allerdings sind die Abweichungen in den Einzelproben relativ hoch. Daher wurde im PBA festgelegt, bei weiteren Untersuchungen als Ausgangsmaterial keine Laborblätter, sondern Rollenware zu verwenden. Die Proben wurden dann im Hinblick auf Porengröße, aerodynamisches Verhalten und Abscheidegrad untersucht.




Ergebnisse Die Messungen wurden umfassend ausgewertet. Im Ergebnis liegen Abhängig-keiten von Abscheidegraden, Porengrößen und Druckverlusten für die unter-schiedlichen Materialien vor Je nach Ausgangsfasern können sehr unterschiedli-che Porengrößenverteilungen erzielt werden (Abbildung 12); diese korrespondieren auch mit den Druckverlusten und Abscheidegraden. Alle erzielten Ergebnisse sind umfassend in Fachbericht ILK-B-33-17-2086 dokumen-tiert. Es zeigt sich, dass die Materialien mit Sisal ein spezielles Verhalten aufwei-sen; so werden offenbar die Fasern durch die Wasserstrahlbehandlung aufge-splittet, was sich an der Verringerung der Porengröße im Vergleich zum Ausgangsmaterial zeigt (vgl. Abbildung 13). Auch wurde ermittelt, dass sich zu hohe Drücke bei der Wasserstrahlverfestigung ungünstig auf die Abscheideei-genschaften auswirken (vgl. Abbildung 14).

Abbildung 12: Porengrößenverteilung der Ausgangsmaterialien im Vergleich

Abbildung 13: Einfluss Wasser-strahlbehandlung auf die Porengröße für Sisal- Papiere

Abbildung 14:Einfluss Wasserstrahlbehandlung auf den Abscheidegrad

Fazit Es wurden umfangreiche Untersuchungen zu den filtrationstechnischen Eigen-schaften der Materialien durchgeführt. Aus den Ergebnissen konnten Aussagen und Hinweise zur weiteren Ausgestaltung der Versuchsreihen abgeleitet werden. Auch zeigte sich, dass die Parameter Porengröße und Fraktionsabscheidegrad sehr aussagenkräftige Ergebnisse zum Vergleich der Materialien liefern.




9 Upscaling der Herstellung von funktionalisierten Fibriden (vgl. Arbeitspaket 7)

Vorgehen Das Upscaling der Fibridherstellung erfolgte auf einer kleintechnischen Anlage. Bei einem Durchsatz von ca. 500-600 g Suspension pro Minute kann pro Stunde eine Menge von ca. 250 g Cellulosefibride (Trockenbasis) erzeugt werden. In Analogie zum Laborverfahren lässt sich die Morphologie der Fibride durch die Wahl der Fahrparameter steuern. Erhalten wurden feine, stark verzweigte Fibride mit homogen eingelagerten aminischen Polymeren. Die Beladung mit Metallionen erfolgte nachträglich bei ebenfalls hoher Flottenbeladung in einem Planetenmischer.

Abbildung 15: kleintechnische Anlage zur Fibriderzeugung

Abbildung 16: metallbeladene Fibride, li. Silber, re. Kupfer

Ergebnisse Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass es gelingt, durch Optimierung der Anlagenparameter eine gewünschte Fibridmorphologie in konstanter Qualität herzustellen. Durch Variation der Stoffströme und eine zeitnahe Rückführung in den Kreislauf können die umlaufenden Medien energiesparend eingesetzt werden. In Anlehnung an die Basistechnologie der Faserherstellung wurde durch Anwendung des Rückwaschvorganges eine sehr gute Lösungsmittelrückgewin-nungsrate erzielt. Zugleich konnte nachgewiesen werden, dass der Einsatz bereits benutzter Metallsalzlösungen zur Metallbeladung von Fibriden nach Auffrischung zu reproduzierbaren Ergebnissen im Beladungsprozess führt.




10 Erzeugung von wasserstrahlverfestigten Papier-Nassvliesen im Technikumsmaßstab und deren Charakterisierung (vgl. Arbeitspaket 8)

Versuchsplanung Auf Grundlage der Ergebnisse der vorangegangen Arbeitspakete war davon auszugehen, dass Rohstoffauswahl, deren Mischungsverhältnisse und eine gezielte Wasserstrahlbehandlung positive Effekte auf Filtrationseigenschaften haben.

Für eine breite Information hinsichtlich des Einflusses verschiedener Faserstoffe auf das Filtrationsergebnis wurde eine Vielzahl an Faserstoffen getestet.

Die Grundlage für die Versuche bildeten zwei Langfaserzellstoffe, LF 1 - kanadi-scher Langfaser und LF 2 - Europäischer Langfaserzellstoff.

Der kanadische LF hat aufgrund des langsameren Wachstums im Vergleich zum europäischen LF schlankere und längere Fasern. Aufgrund dessen wurde auch dieser Zellstoff für die kleintechnischen Untersuchungen ausgewählt, da davon auszugehen ist, dass die Effekte der Wasserstrahlbehandlung infolge der schlankeren Faserstruktur ausgeprägter sichtbar werden.

Sisal und Linters wurden als Faserstoffe für gute Filtrationseigenschaften aus-gewählt. Diese Fasern wurden nur zu 30 % eingesetzt.

In weiteren Versuchspunkten wurde der Einsatz einer Synthesefaser mit interes-santem Y-Querschnitt getestet. Mit diesem Querschnitt kann die Faser eine hohe spezifische Oberfläche, Volumen und Kapillarität erzeugen. Diese Eigenschaften sind für Filtrationsanwendungen interessant. Aus diesem Grund wurde diese Faser mit zwei Faserlängen in die Untersuchungen mit einbezogen.

Um einen eventuellen Verlust an Steifigkeit im Gefüge auszugleichen und eine gewisse Wärmebeständigkeit zu generieren, wurde bei diesen Versuchen ein Anteil an Basaltfasern beigemischt.

Für die Implementierung des Nachhaltigkeitsaspektes wurde eine Faserstoffmi-schung mit Altpapier genutzt. Dazu wurde ein Kraftpapier verwendet. Eine niedrigere Qualität, z. B. Deinkingware, wäre für diese Untersuchungen unge-eignet gewesen, da eine ausreichende Faserlänge im Papier vorhanden sein muss, damit die Wasserstrahlverfestigung Effekte aufweisen kann. Weiterhin ist bei anderen Altpapierqualitäten darauf zu achten, dass es Sorten verwendet werden, die Füllstoff-frei sind, da sonst eine Entwässerung mit dem Schrägsieb als problematisch anzusehen ist. Aus diesem Grund wurde ein Papier gewählt, welches zu 100 % aus ungebleichtem Langfaserzellstoff besteht.

Die zugegebene Fibridmenge betrug 5 %.

In einem Versuch wurde die Kombination aus Kupfer- und Silber-Fibrid getestet, damit eine Beständigkeit gegenüber Bakterien (mit Kupfer) und gegenüber Pilzen (mit Silber) erzielt werden kann.




Versuchsplanung In der nachfolgenden Tabelle ist der Versuchsplan der kleintechnischen Unter-suchungen dargestellt.

Tabelle 5: Versuchsplan AP 8, kleintechnische Untersuchungen

LF 1 LF 2 Sisal LintersSynthese-

faser

Synthese-

faserBasalt mod. LF

Kraft-

papierCu Ag

canad. europ. 5 mm 10 mm 6 mm Fibrid Fibrid

% % % % % % % % % % %

NV 1 100

NV 2 100

NV 2_F 95 5

NV 2_2_F 90 5 5

NV 3 70 30

NV 3_F 70 25 5

NV 4 70 30

NV 4_F 70 25 5

NV 5 50 25 25

NV 5_F 50 20 25 5

NV 6 50 25 25

NV 6_F 50 20 25 5

NV 7 70 30

NV 7_F 70 25 5

NV 8 50 25 25

NV 8_F 50 20 25 5

NV 9 50 25 25

NV 9_ F 50 20 25 5

NV 10 100

NV 10_F 95 5

NV 11 50 50

NV 11_F 50 45 5

Versuch

Versuchsdurch-führung – Papier-maschine

Die Blattbildung der Nassvliese erfolgte mit der Versuchspapiermaschine der FS1 mit Schrägiebstoffauflauf. Die Bauart des Stoffauflaufs ermöglicht es ein einlagiges oder zweilagiges Produkt herzustellen. Während der Versuche war zu beobachten, dass die einlagige Blattbildung im offenen Stoffauflaufsystem nicht stabil war und es vermehrt zu Blattbildungsproblemen kam. In deren Folge war das Papiergefüge sehr inhomogen und es traten vermehrt Abrisse auf. Aus diesem Grund und der Tatsache, dass die einlagigen Nassvliese nicht mit ausreichend Volumen für die Filtrationszwecke ausgestattet sein würden, wurde beschlossen die Untersuchungen an zweilagigen Nassvliesen durchzuführen. Am Ende der Siebpartie erfolgte die Behandlung der Nassvliese mit Wasser-strahl.

Wasserstrahlbehandlung am Ende der Siebpartie

Wasserstrahlbehandeltes Nassvlies

Abbildung 17: Wasserstrahlbehandlung




Versuchsdurchführung – Papier-maschine

Bei der Trocknung wurde zwischen Kontakttrocknung (KT) und Durchström-trocknung (TAD) variiert. Für die Durchströmtrocknung wurden die Vliese in der VPM nach dem 1. TZ feucht aufgewickelt und zum Durchströmtrockner über-führt, wo sie definiert mit heißer Luft durchströmt und getrocknet wurden. Die Parameter waren: 200 °C, 0,3 m/min, breiter Lüftungsschlitz.

Aufrollung der feuchten Bahn nach TZ1

Abrollung der feuchten Bahn am Durchström-trockner

Getrocknete Bahn

Abbildung 18: Ablauf Durchströmtrocknung

Infolge dieser Variationen entstanden bei den einzelnen Versuchen die folgen-den Unterbezeichnungen:

Versuchnr. / 1 Kontakttrocknung ohne Wasserstrahl

Versuchnr. / 2 Kontakttrocknung mit Wasserstrahl, 50 µm, 0,058 kWh/kg

Versuchnr. / 3 Durchströmtrocknung mit Wasserstrahl, 50 µm, 0,058 kWh/kg

Versuchnr. / 4 Durchströmtrocknung ohne Wasserstrahl

Wasserstrahl-versuche

Zur Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Wasserstrahlbehandlungen an der Papiermaschine wurde während des Versuches 6 die Spunlace-Behandlung variiert. Der passende Versuchsplan ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Tabelle 6: Versuchsplan Wasserstrahlbehandlung

Versuch LF 1Synthese-

faserBasalt Cu Trocknung

10 mm 6 mm FibridDüsen-

durchm.

Streifen-

designDruck

spez.

Energie-

eintrag

% % % % µm bar kWh/kg KT / TAD

NV 6_F_2 50 20 25 5 50 einreihig 37 0,058 KT

NV 6_F_3 50 20 25 5 50 einreihig 37 0,058 TAD

NV 6_F_5 50 20 25 5 50 einreihig 25 0,032 KT

NV 6_F_6 50 20 25 5 50 einreihig 48 0,087 KT

NV 6_F_7 50 20 25 5 50 einreihig 60 0,120 KT

NV 6_F_8 50 20 25 5 50 einreihig 80 0,185 KT

NV 6_F_9 50 20 25 5 100 einreihig 19 0,059 KT

NV 6_F_10 50 20 25 5 100 einreihig 25 0,086 KT

Wasserstrahl




Ergebnisse Die Analyse der Nassvliese zeigte sehr gute Ergebnisse. Es wurde ersichtlich, dass mit einer gezielten Auswahl der Faserstoffe, Wasserstrahlbehandlung und Trocknungsverfahren die Eigenschaften der Papier-Nassvliese gezielt gesteuert werden konnten. Diese Entwicklung war sowohl bei den Papiereigenschaften, als auch bei nachfolgenden Filtrationsprüfungen durch die FS 2 zu beobachten.

Bei den Papieren konnten durch die Wasserstrahlbehandlung das spezifische Volumen, die Spaltfestigkeit und die Luftdurchlässigkeit gesteigert werden (siehe Abbildung 19 - Abbildung 21). Es ist davon auszugehen, dass diese vermehrt in z-Richtung ausgerichtet wurden und somit die Verbesserung der Eigenschaften erzielt wurde. Beim Einsatz der Durchströmtrocknung war zu beobachten, dass die Spaltfestigkeit reduziert wurde. Durch das höhere Volumen infolge Durch-strömtrocknung ist die Gefügefestigkeit im Vergleich zu kontaktgetrockneten Proben reduziert, da die Fasern zueinander einen größeren Abstand besitzen. Der Festigkeitsabfall kann durch die Wasserstrahlbehandlung kompensiert werden. In den folgenden Abbildungen ist beispielhaft die Entwicklung der Spaltfestigkeit und des spezifischen Volumens des Papier-Nassvlieses aus 100 % kanadischem Langfaserzellstoff dargestellt.

Abbildung 19: Spaltfestigkeit 100 % NBSK Canada

Abbildung 21: spez. Volumen 100 % NBSK Canada

Bei den Untersuchungen zur Variation der Wasserstrahlbedingungen (Versuche 6_F 2 – 6_F 10) ist die Steuerung der Porengröße und –Verteilung sehr gut zu erkennen. Je nach Auswahl der Düsenstreifengeometrie (50 µm oder 100 µm Durchmesser), der eingebrachten Energie und der Trocknungsart ist eine Verschiebung der Verteilungsbreite möglich.




Mit der Durchströmtrocknung besitzt das Vlies mehr Poren mit größerem Durchmesser, im Vergleich zur Kontakttrocknung, da das Gefüge weniger zusammengedrückt wird.

Abbildung 20: Veränderung der Porengrößenverteilung (Hg-Porosimetrie) infolge Wasserstrahlbehandlung

Die Steuerung der Luftdurchlässigkeit ist über verschiedene Parameter möglich. Das Grundniveau der Luftdurchlässigkeit wird über die Faserstoffzusammensatzung festgelgt. Die anschließende Wasserstrahlbehandlung und / oder Durchströmtrocknung kann die LD um bis zu mehreren 100 % getsteigert werden. Es wurde sehr deutlich, dass die Steigerungen bei Papieren, die zu Beginn eine geringere Luftdurchlässigkeut haben deutlich höher ausfallen, als bei Vliesen, die eine vergleichsweise hohe Luftduchlässigkeit besitzen.

Abbildung 21: Veränderung Luftdurchlässigkeit, Zugfestigkeit




In Bezug auf die Filtrationseigenschaften war ein sehr guter Einfluss der ver-schiedenen Parameter zu erkennen. Je nach Faserstoffzusammensetzung und Behandlung des Vlieses wurde innerhalb dieses Projektes ein breites Spektrum an Filtermaterialien erzeugt. In der folgenden Abbildung ist dazu beispielhaft der mögliche Bereich des Druckverlustes dargestellt, der innerhalb der Versuche mit Faserstoffzusammensetzung, Wasserstrahlbehandlung und Trocknungsvariation entstanden ist.

Abbildung 22: Fraktionsabscheidegrad des Materials als Funktion des Druckes bei der Wasserstrahlbehandlung (AP 8; ILK)

Abbildung 23: Druckverlust des Materials als Funktion des Druckes bei der Wasserstrahlbehandlung (AP 8; ILK)

Mit den erreichten Porengrößenverteilungen können die entwickelten Materialien für Filter mittleren Klasse verwendet werden.

Abbildung 24:Einteilung Filterklassen [10]




In Bezug auf die Fibridzugabe kann festgehalten werden, dass auch bei den kleintechnischen Untersuchungen die Kompatibilität zum Papierherstellungspro-zess gegeben war. Aufgrund der morphologischen Struktur war eine Einbindung im Papiergefüge problemlos möglich. Ein Festigkeitssteigerndes Potential, v.a. bzgl. Spaltfestigkeit, war zu beobachten. Es war eine hohe Metallbeladung möglich, die auch bei langen Verweilzeiten gut reproduzierbar war. Während die Fibride in der verdünnten Stoffsuspension vorlagen, traten keine Verluste an aktiver Substanz auf, so dass der Metallgehalt in den Papieren wie angestrebt erreicht werden konnte (Siehe Abbildung 26). Die Fibride zeigten keine Anzei-chen von Quellung, wie z.B. Superabsorber, was in weiteren Verarbeitungspro-zessen negativ angesehen werden kann. Die Nassvliese wiesen eine starke biologische Aktivität auf, so dass geringe Mengen an Fibrid-Zusätzen im Papier ausreichend sind (siehe Abbildung 25). Die gemeinsame Anwendung verschie-den beladener Fibride (Versuch NV 2_2F) ist als kritisch anzusehen. Es ist möglich, dass Ag-Verluste durch möglichen Wechsel des Cu- Oxidationszustan-des auftreten.

Abbildung 25: Antibakterielle Wirksamkeit

Abbildung 26: Ist-Soll-Vergleich Metallgehalte im Papier

Fazit Durch die Vielzahl der Versuche wurden Materialien erzeugt, die ein breit gefächertes Eigenschaftsspektrum aufweisen. Die Steuerung von Papiereigen-schaften kann sowohl über Faserstoffauswahl, Wasserstrahlbehandlung und Trocknungsart auf ein gewünschtes Eigenschaftsfenster erfolgen.




11 Erzeugung von Demonstratoren & Luftfilterprüfung (vgl. Arbeitspaket 9)

Durchgeführte Arbeiten

Ausgehend von den Ergebnissen der Untersuchungen in AP 6 wurden Vor-zugsmaterialien selektiert, welche im Simultanprüfstand mit Außenluft und Prüfaerosole nach ISO 16890 (KCl- / DEHS- Aerosol) gegenüber einem markt-üblichen Vergleichsmaterial getestet wurden. Diese im DIN A4 konfektionierten Filterproben wurden auch einer Entladungs- Prozedur nach mit Isopropanol unterzogen. Dabei zeigte sich, dass sich dabei die mechanischen Filtereigen-schaften zum Teil verändern. Ursprünglich war geplant, für den Einsatz in RLT- Anlagen die Filtermaterialien in Form von Taschenfiltern zu konfektionieren. Dies erscheint auf Grund der derzeitig erreichten mechanischen Festigkeiten nicht möglich. Daher konzentrierten sich die Arbeiten auf eine Plissierung der Materia-lien. Nach Vorversuchen wurden Muster hergestellt, wie in Abbildung 27 zu sehen. Für die Plissierung wurden unterschiedliche Höhen getestet; als günstig für Labormuster wurden 25 mm ausgewählt.

Abbildung 27: links: Fertiges Labormuster, rechts: Plissierung

Nach der Fertigstellung wurden filtertechnische Untersuchungen an den Labor-mustern durchgeführt. Dazu wurde ein Prüfstand genutzt, dessen Ausrüstung und Komponenten durch den PbA teilweise bereitgestellt wurden (Dosiersystem Fa. TOPAS, Absaugung Fa. Entstaubungsgeräte).

Abbildung 28: Labormuster im Prüfstand




Ergebnisse Die Untersuchungen bezogen sich vor Allem auf den Fraktionsabscheidgrad gegenüber dem Prüfaerosol DEHS und Prüfstaub SAE fine. Im Ergebnis zeigt sich, dass das neue Filter durchaus vergleichbare Ergebnisse zu marktüblichen Produkten, insbesondere oberhalb von 500 Nanometern liefert (vgl.Abbildung 29). Die Abscheideleistung für Partikel mit 2,5 Mikrometern (PM2.5) kann als sehr gut bezeichnet werden (vgl. Abbildung 30). Der Test erfolgte dabei mit einer Anströmgeschwindigkeit von rund 0,2 m/s. Hier hat das Filter auch noch einen moderaten Druckverlust von 200 Pa (Abbildung 31). Marktübliche Filter liegen hier aber darunter.

Abbildung 29: Fraktionsabscheide-grade des Labormusters im Nano- Bereich

Abbildung 30: Fraktionsabscheide-grade des Labormuster- Filters im Bereich PM2.5

Abbildung 31: Druckverlust als Funktion der Anströmgeschwindigkeit für das Labormuster mit Material NV 6

Fazit Es wurden erfolgversprechende Labormuster mit dem neuen Filtermaterial ungesetzt. Dabei zeichnet sich das Filterelement mit einer Plissierung durch einen sehr guten Abscheidegad im Bereich PM2.5 aus, bei moderatem Druck-verlust.




12 Prüfung der Standzeiteigenschaften (vgl. Arbeitspaket 10)

Durchgeführte Arbeiten

Für die Bestimmung der Standzeiteigenschaften wurde zunächst eine Versuchs-einrichtung eingerichtet und die Messmethodik verifiziert. Die Vorzugsmuster, welche in AP 6 selektiert wurden und in AP 9, sind auch in AP 10 weiter unter-sucht worden.

Die Untersuchungen bezogen sich dabei vor allem auf einen Vergleich des Differenzdruckverhaltens und der Abscheidecharakteristik. Der Teststand für die Standzeituntersuchungen wurde evaluiert. Die Messungen wurden daran bis zum Ende des Vorhabens weitergeführt. Von Interesse waren dabei vor allem die Unterschiede, welche sich durch die Wasserstrahl- Behandlung der Materia-lien ergaben. Da es viele Materialien zu untersuchen gab, nahmen die Untersu-chungen einen erheblichen Zeitraum ein. Ziel war es, eine Material- Kombination für eine Praxisumsetzung zu favorisieren.

Dies wurde auch erreicht, allerdings gibt es noch weitere Parameter, welche für eine Praxis- Umsetzung relevant sind, z.B. Abriebfestigkeit und Brennbarkeit. Ein wichtiger filtertechnischer Parameter ist die Filterflächenbelastung. Daher wurden hier noch vertiefende Messungen mit speziellen Materialvarianten durchgeführt.

Ergebnisse Als Resultat der durchgeführten Messungen und Untersuchungen liegen zahlrei-che Daten zu Druckverlusten und zur Abscheidecharakteristik der Materialien vor. Interessant sind dabei exemplarisch des die Minderung des Druckverlustes auf 30 % des Ausgangswertes durch die Wasserstrahlbehandlung (vgl. Abbil-dung 32). Das ermöglicht bei gleichem Druckverlust eine deutlich höhere Fil-terflächenbelastung.

Abbildung 32: Druckverlust als Funktion der Filterflächenbelastung

Hinsichtlich des Abscheidegrades kann ein sehr breites Spektrum abgedeckt werden (Abbildung 33). Für praktische Anwendungen sind aber Materialien mit einem Abscheidegrad unter 50 % bei PM2.5 uninteressant.




Ergebnisse Zahlreiche Materialvarianten liegen allerdings über dieser Grenze, so dass diese weiter zu betrachten sind. Interessant sind vor allem die Varianten NV 11 (Abbildung 34). Hier werden sehr hohe Abscheidegrade erreicht.

Abbildung 33: Fraktionsabscheide-grad der Materialien im Vergleich

Abbildung 34: Fraktionsabscheide-grad für NV 11 im Vergleich

Abbildung 35: Exemplarisches Druckverlustverhalten für NV 1

Abbildung 36: Exemplarische Abscheideverhalten für NV 1

Fazit Aus den durchgeführten Messungen und Untersuchungen können nun die Eigenschaften der Materialien und die möglichen Einsatzgebiete besser einge-schätzt werden.

Als besonders günstig von den Materialeigenschaften wurden die Faserstoff- Kombinationen:

• NV1_1 (100% LF1, Kontakttrocknung ohne Wasser-strahl)

• NV1_2 (100% LF1, Kontakttrocknung mit Wasserstrahl)

• NV11_2_2 (50% LF2 + 50% Kraftpapier, Kontakttrock-nung mit Wasserstrahl)

• NV11_F_1 (50% LF2 + 45% Kraftpapier, Kontakttrock-nung ohne Wasserstrahl)

selektiert. Hier sollte mit der Praxis- Umsetzung weitergemacht werden.




13 Schlussfolgerungen

Schluss-folgerungen

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes haben gezeigt, dass es möglich ist mit einer definierten Wasserstrahlbehandlung und gezielter Faserstoffauswahl Papier-Nassvliese für Zwecke der Luftfiltration zu erzeugen.

Der Abfall des Druckverlustes konnte infolge der Wasserstrahlbehandlung gesenkt werden. So war es möglich Filtrationseigenschaften zu generieren, dass vergleichbare Ergebnisse von standardmäßig eingesetzten Kunststoff- oder Glasfaserfiltern erreicht werden konnten.

Es ist somit für die, überwiegend im kmU-Bereich befindlichen, Spezialpapier- und Filterhersteller einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber Wettbewerbern zu generieren, wenn die neu Entwickelten Papier-Nassvliese erzeugt und eingesetzt werden.

Mit der Nutzung der Wasserstrahltechnologie im Bereich der Siebpartie einer Papiermaschine wird eine neue Technologie eingesetzt, die in diesem Bereich noch nicht zu finden ist. Lediglich im Hygienepapierbereich werden die Verfahren Nassvlieslegung und Wasserstrahlbehandlung industriell genutzt.

Nach den ersten Rückmeldungen seitens der Projektbegleiter ist davon auszu-gehen, dass sowohl Papierhersteller, als auf Filterhersteller und Anwender großes Interesse an Produkten aus dem entwickelten Material haben. Eine Umsetzung in die Praxis ist in der Folgezeit zum Projekt zu erwarten.

Diskussionen mit interessierten Firmen und Forschungseinrichtungen zeigten, dass noch weitere Themengebiete aufbauend auf diesem Projekt bearbeitet werden können. Weiterführende Forschungsarbeiten an diesem Gebiet, vor allem hinsichtlich Verbesserung der Eigenschaften für feinste Filtrationszwecke, sind denkbar.




14 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Spezialpapier-hersteller

Die Herstellung von Papier-Nassvliesen für Luftfiltration zur Produktion von neuartigen Papierfiltern ist nur für kleine und mittlere Unternehmen (kmU) im Bereich der Spezialpapierhersteller interessant. Diese produzieren bereits in Nischenmärkten mit hoher Anforderung an Produktqualität und Flexibilität und können im internationalen Wettbewerb nur durch kurze Innovationszyklen bestehen. Die Entwicklungsarbeiten betreffen den Bereich der Papiererzeugung sowie der Weiterverarbeitung im Filterbereich und bilden somit einen großen Teil der Wertschöpfungskette ab. Das Projekt trägt dazu bei, Filter aus Papier-Nassvliesen auf dem Markt attraktiver zu machen. Durch Bereitstellung von Empfehlungen für eine qualitätsgerechte und kostengünstige Produkterzeugung trägt das Vorhaben zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten KMU bei. Nur diese Betriebe können flexibel genug relativ geringe Mengen an Spezi-alpapier herstellen. Da das zu entwickelnde Papier-Nassvlies bisher jedoch nicht existiert, besteht hier gerade für kleine und mittelständische Unternehmen eine besondere Chance, eine neue Produktlinie aufzubauen und einen neuen Kun-denkreis zu erreichen.

Filterhersteller Die entwickelten Papier-Nassvliese für Luftfiltration unterscheiden sich in Ihren Verarbeitungseigenschaften nur leicht nicht von bis dato eingesetzten Materia-lien. Für den Filterhersteller fallen aus diesem Grund keine weiteren Investitions-kosten an, um die neue Filterklasse an den Markt zu bringen. Dieser Punkt ist vor allem für die Wettbewerbsfähigkeit von kleineren Filterherstellern aus dem KMU-Bereich sinnvoll, da diese kurzfristig durch Vergrößerung des Angebot-sportfolios gestärkt wird. Als Ergebnis wird die führende Rolle der deutschen Wirtschaft im Bereich der Vliestechnologie und Vliesstoffherstellung weiter gestärkt, wodurch die Wirtschaftskraft insbesondere der KMU nachhaltig gefes-tigt wird. Der resultierende wirtschaftliche Nutzen für KMU hängt in erster Linie von der Akzeptanz von Filterelementen aus Papier-Nassvliesen beim Anwender ab. Die KMUs, die sich mit der Filterkonfektionierung und dem Filteranlagebau beschäftigen (ca. 500 KMUs in Deutschland), werden in der Lage sein, Ihre Produktionspalette mit den entwickelten biobasierten Luftfiltermaterialien zu erweitern.

Nutzen der Projekt-ergebnisse

Der Nutzen der Forschungsergebnisse resultiert insbesondere aus:

• dem kostengünstigen Herstellverfahren

• der Nutzung günstigerer Faserrohstoffe im Vergleich zu Glas-/ Kunststofffa-sern

• der Anwendungsspezifischen Steuerung der Filtereigenschaften

Zudem kann ein entscheidender Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet werden. Durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe und sogar von hochwertigem (überwiegend Kraftzellstoff), füllstofffreiem Altpapier tragen die entwickelten Materialien zu einer Verbesserungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Ökologie bei.




Dies ist vor dem Hintergrund der CO2- und Klimaproblematik sowie den an die Erdölpreis-Entwicklung gebundenen Preisen für Kunststofffasern von großer Bedeutung für Industrieunternehmen, insbesondere KMU.

Die Forschungsstelle 3 (TITK) erarbeitet sich, zuzüglich zu erwartender Umsatz-steigerungen, weitere spezielle Kompetenzen auf dem Gebiet cellulosischer Spezialprodukte. Im Rahmen der Projektbearbeitung werden Grundlagen für eine erfolgreiche Überführung von Forschungsergebnissen in vermarktungsfähi-ge Produkte gelegt. Damit ist es möglich sehr flexibel auf Kundenwünsche zu reagieren und Produkte noch schneller an Markterfordernisse anzupassen.

Reduzierung von Rohstoffkosten – Kostenersparnis für kmU

Werden zur Betrachtung die aktuellen Rohstoffkosten mit einbezogen wird die Kosteneinsparung sehr deutlich. Die aktuellen Preise für Kunststofffasern (Poly-ester, Lyocell, Polyethylen, oder Polypropylen) liegen je nach Qualität bei 2-5 EUR/kg (2000 – 5000 EUR/t). Dem entgegen steht ein Zellstoffpreis von derzeit 1200 EUR/t [11]. Es wird ersichtlich, dass allein durch die Verwendung alternativer Rohstoffe ein Einsparpotential von mindestens 1000 EUR/t im Rohstoffeinkauf vorhanden ist. Der Einsparung bei den Zellstoffkosten stehen die Kosten für die Fibride entgegen. Eine genaue Abschätzung ist hier jedoch noch nicht möglich, da diese noch nicht im industriellen Maßstab verfügbar sind.

Deutschland besitzt am europäischen Filtermarkt einen Anteil von 19 % [12]. Es macht deutlich, dass bei einem Gesamtumsatz von 950 Mio EUR (Gesamt in Europa 2016) das Interesse an Kostenersparnissen bei den ca. 500 kmUs in Deutschland im Bereich Filteranlagenbau und Filterkonfektionierung ein Antrieb zur Verwendung der neuartigen Filtermaterialien sein kann.

Effizienz-steigerung kleinerer Papier- und Filterhersteller

Es ist bekannt, dass Spezialpapiere meist in kleinen Mengen, aber mit einem sehr hohen Grad an speziellen technologischen Eigenschaften ausgestattet sind. Durch ihre Flexibilität und auch der Möglichkeit verhältnismäßig kleine Produkti-onsmengen realisieren zu können, ist es den Spezialpapierherstellern möglich auf die Bedürfnisse des Filterherstellers beim Umgang mit dem neuartigen Filtermaterial eingehen zu können. Diese speziellen Papier-Nassvliese können dem Spezialpapierhersteller somit die Türen zu neuen, auch weltweiten, Märkten öffnen und neue Kunden zu generieren. Das Projekt liefert somit einen deutli-chen Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit für kleine und mittlere Unternehmen aus der Papier- und der Filterhersteller-Branche, da es diesen, meist mit geringen eigenen Forschungs- und Entwicklungskapazitäten, schwer möglich ist die komplexen Zusammenhänge der neuartigen Kombination aus Nassvlieslegung, Wasserstrahlbehandlung und Filterentwicklung mit der eigenen Infrastruktur zu erörtern.




Literatur

[1] WILHELM, A., FUCHS, H., AND KITTELMANN, W., Vliesstoffe: Rohstoffe, Herstellung, Anwendung,

Eigenschaften, Prüfung. John Wiley & Sons, 2009.

2 SCHMALZ, E. Hochvoluminöse Vlieswirkstoffe zur Abscheidung grober und feiner Bestandteile aus gasförmigen Medien. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz, 2003

[3] SCHILDE W., HOFMANN, M. Spinnvlies / Wasserstrahl – Möglichkeiten einer innovativen

Verfahrenskombination. 29. Hofer Vliesstofftage, 05.11.2014

[4] SCHMALZ, E. Hochvoluminöse Vlieswirkstoffe zur Abscheidung grober und feiner Bestandteile aus

gasförmigen Medien. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität

Chemnitz, 2003

[5] SCHMALZ, E. Untersuchungen zur Anpassung von Polvlies-Nähwirkstrukturen an den Einsatz in

der Luftfiltration. Schlußbericht BMWI-Nr.: 298/99, Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V.

Chemnitz, 05/2001

[6] BLECHSCHMIDT, D. Hydrodynamisch verfestigte Verbundstoffe mit Filamentvliesstoffen und

Dichtegradienten im Querschnitt. Schlußbericht BMWI-Nr.: IW 041200, Sächsisches

Textilforschungsinstitut e.V. Chemnitz, 08/2006

[7] Einhundert AquaJets. Allgemeiner Vliesstoff-Report. 5, 2014.

[8] MÜLLER, T., ET.AL. (M)VOC and composting facilities part 2: (M)VOC dispersal in the

environment. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. (2004);11(3):152-7

[9] Abschlussbericht Forschungsvorhaben PTS-TITK IGF 17331 BR Aufbau antimikrobieller

Papiereigenschaften durch Integration funktionaler, cellulosischer Fibride in die Papierstruktur

[10] URL:https://www.fischer-luftfilter.de/ratgeber/abscheidegrad-und-

fraktionsabscheidegrad-von-filtern-in-der-luftfiltration/ Abgerufen, 22.11.2018

[11] Die Preisseite, Aktuelle Papier-Rundschau (apr), Ausgabe 09/2018

[12] URL:https://www.ki-portal.de/21600/luftfilter-markt-bleibt-weiter-stabil/, Abgerufen am

20.11.2018


https://www.ki-portal.de/21600/luftfilter-markt-bleibt-weiter-stabil/

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