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Abstract

Industrielle Staubfilteranlagen weisen häufig das Problem auf sehr schnell zu Verstopfen und aufgrund von Tiefenpenetration der Partikel in den textilen Filter nur schwer rückgereinigt werden zu können. Dies führt in der Anwendung zu einem hohen Druckverlust, einem hohen Energieverbrauch und geringen Standzeiten. Nanofasern bieten aufgrund der geringen Faserdurchmesser eine hohe spezifische Oberfläche und bei gleichem Materialverbrauch damit kleinere Porengrößen in Vliesstrukturen. Außerdem wird der Filtermechanismus von Tiefenfiltration zu Oberflächenfiltration verschoben wodurch die Rückreinigung vereinfacht wird. Daher werden in dieser Arbeit herkömmliche Filtervliesstoffe im Elektrospinning-Verfahren mit Nanofasern beschichtet. Polyamid 6 und Polyvinylidenfluorid werden zu Fasern mit Durchmessern zwischen 0,62 ± 0,13 µm und 1,00 ± 0,16 µm hergestellt. Außerdem kann eine Verringerung der mittleren Porengröße und Luftdurchlässigkeit der beschichteten Substrate und damit eine Eignung für den Einsatz in industriellen Filteranlagen gezeigt werden.

1. Einleitung

Luftfiltersysteme werden in allen Industriezweigen eingesetzt, um die Qualität der zugeführten Luft zu kontrollieren oder die Verschmutzung der Umwelt durch Abluft zu verhindern. So nutzen beispielsweise Unternehmen des produzierenden und verarbeitenden Gewerbes, wie Gießereien, der Keramikverarbeitung oder der Reifenherstellung, Luftfilter, um die Luft zu entstauben, aber auch Branchen wie die Lebensmittelindustrie, in denen eine besonders hohe Produktqualität und -reinheit (gemäß der Wirksamkeitsklassifizierung nach ISO 16890) gefordert ist. Grobe Stäube und Verunreinigungen in der Luft und kleinste Partikel wie Feinstaub oder auch Mikroorganismen und Mikroben werden aus der Ab- oder Zuluft herausgefiltert. [SKD+10; KSN12]

In Verbrennungs- und Industrieanlagen entfernen Entstaubungsanlagen Partikel mit einer Korngröße zwischen 0,1 und 1000 µm aus der Abluft der Prozesse, bevor diese in die Umwelt abgegeben wird. In diesen Anlagen werden Filter in Schlauchform mit einer Mikrofasermembran aus reiner Zellulose oder einem Mischpapier aus Zellulose und Polyester verwendet. Mit Hilfe von Druckluft werden die Partikel in den Filter gepresst und aus der Luft gefiltert. (Siehe Abbildung 1) [SKD+10; KSN12]

 

Abbildung 1:         a) Schlauchfilter auf Stützkorb für Entstaubungsanlagen; b) Schematischer Querschnitt durch einen Schlauchfilter während der Filtration (links) und der Abreinigung (rechts); c) Schlauchfilter eingebaut in eine schematische Entstaubungsanlage. Das Abgas wird angesaugt, durch den Filterschlauch gefiltert und die gefilterten Partikel werden nach der Abreinigung über den Schacht am Boden entsorgt. [Tss22; Wik22]

Bei Filtern dieser Art erfolgt die Filtration über die gesamte Tiefe des Vlieses, und die Partikel werden innerhalb des Vlieses zurückgehalten (siehe Abbildung 2 links). Diese Wirkungsweise wird als Tiefenpenetration bezeichnet und weist bei Staubabscheider-anwendungen einige Defizite auf: [SKD+10; KSN12; AGZ+18; GH04]

• Niedriger Anfangswirkungsgrad: Neue, saubere Filter haben niedrige Wirkungsgrade und erreichen den Zielwirkungsgrad erst, wenn der Filter bereits weitgehend verstopft ist.
• Hoher Druckabfall und Energieverbrauch: Da die Filter mit zunehmender Tiefe verstopfen, wird mehr Energie benötigt, um die zu reinigende Luft durch den Filter zu bewegen. Dies führt zu einem hohen Energieverbrauch über die Lebensdauer.
• Keine vollständige Reinigung: Die in der Tiefe der Membran eingeschlossenen Partikel können auch durch Druckluftabreinigung nicht vollständig entfernt werden. Die Filter bleiben nach der Abreinigung weitgehend verstopft (über die Erhöhung des Zielwirkungsgrades hinaus, vgl. Punkt 1).
• Kurze Standzeit: Aufgrund der unzureichenden Abreinigung solcher Filter müssen sie bei zu hohem Druckverlust frühzeitig ausgetauscht werden.

Filter, die auf Oberflächenfiltration basieren, können diese Defizite beheben. Die Partikel werden aufgrund kleinerer Poren bereits an der Oberfläche des Filters abgeschieden, und es bildet sich kein Filterkuchen in der Tiefe des Materials (siehe Abbildung 2 rechts). Solche Materialien haben bereits zu Beginn einen hohen Filterwirkungsgrad und zeigen im Laufe der Zeit kaum einen Anstieg des Druckabfalls. Da sich die Partikel nur an der Oberfläche ablagern, lassen sich diese Filter zudem leicht und fast vollständig mit Druckluft abreinigen. Dies führt zu einer verlängerten Filterstandzeit bei erhöhter Filtereffizienz und geringerem Energieverbrauch. Filter, die auf dem Phänomen der Oberflächenfiltration basieren, haben deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Filtern, die über die Tiefenwirkung funktionieren. Daher werden in dieser Arbeit Nanofasern aus den Materialien Polyamid 6 (PA 6) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) mittels Elektrospinning hergestellt und auf ein herkömmliches Filtervlies aufgetragen und der Effekt auf Luftdurchlässigkeit und Porengröße untersucht, um dann in nachfolgenden Schritten die Filtereffizienz und den Filtermodus auswerten zu können. [AGZ+18; ZHW+17; SKD+10]

 

Abbildung 2:         Vergleich der Tiefenbelastung eines Mikrofaserfilters und der Oberflächenfiltration eines Nanofaserfilters [GH04]

2. Materialien und Methoden

Für das Elektrospinning werden die ausgewählten Polymere mit Lösungsmitteln in Lösung gebracht und diese dann anschließend in Nanofaservliese versponnen und als Beschichtung direkt auf Filtervliesen als Substrat abgelegt. Anschließend werden die Proben mittels Rasterelektronenmikroskop (REM), Porometer und einer Luftdruchlässigkeitsprüfung untersucht.

1. 1. Materialien

Für die Herstellung von Nanofasern werden PA 6 von Sigma Aldrich Corporation (St. Louis, USA) und PVDF von Solvay AG (Brüssel, Belgien) als Polymere verwendet. Bei den Substraten werden ein Polypropylen-Vliesstoff (PP) mit 50 g/m² von der P. Glatzeder GmbH (Detmold, Deutschland) und ein Polyester-Vliesstoff (PES) von LEO's Nachfolger GmbH (Unterensingen, Deutschland) verwendet. Als Lösungsmittel für PA 6 wird Ameisensäure und für PVDF Dimethylacetamid (DMAc) und Aceton (alle drei Lösungsmittel von Carl Roth GmbH + Co. KG, Karlsruhe, Deutschland) genutzt.

1. 2. Elektrospinning und Spinnvorbereitung

Die Polymere werden 12 Stunden lang in einem Vakuumofen bei 40°C getrocknet. Für PA 6 wird eine Polymerkonzentration von 24 Gew.-% und für PVDF eine Polymerkonzentration von 13 Gew.-% mit einer Mischung aus DMAc/Aceton von 1:1 verwendet. Die Lösungen werden mittels Magnetrührer homogenisiert. Die Nanofasern werden mit einer Elektrospinnanlage vom Typ Fluidnatek LE-500 (Bioinicia, Sevilla, Spanien) hergestellt und mit einem rotierenden Trommelkollektor auf die Substrate aufgetragen (siehe Abbildung 3). 

Die Spinnparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Spinnzeit wird an die Polymer-konzentration und die Flussrate der Polymerlösung angepasst, um die gleiche Polymermasse für PA 6 und PVDF auf den Substraten zu erreichen.

 

Abbildung 3:         Elektrospinnanlage Fluidnatek LE-500 mit einem rotierenden Trommelkollektor zur Beschichtung von Substraten. [Sch23]

Tabelle 1:             Elektrospinnparameter für PA 6 und PVDF zur Beschichtung von Filtersubstraten aus PES und PP

1. 3. Untersuchungsmethoden

Die Morphologie der Nanofasern wie Faserdurchmesser oder Gleichmäßigkeit wird mit einem Rasterelektronenmikroskop bewertet. Dazu wird ein REM des Typs FlexSEM 1000II und das TM3030 Plus Tischmikroskop (beide K. K. Hitachi Seisakuscho, Chiyoda, Japan) verwendet. Die Datenauswertung erfolgt mit der Software Leica Application Suite 3.8 (Leica Microsystems GmbH, Wetzlar, Deutschland). Für die Faserdurchmesser werden mindestens drei Messungen auf drei verschiedenen Bildern pro Probe durchgeführt (n = 10 Messpunkte pro Vliesstoff).

 

Abbildung 4:         a) TOPAS Pore Size Meter PSM 165 zur Messung der Porengrößenverteilung; b) FX 3300 LabAir zur Messung der Luftdurchlässigkeit von textilen Strukturen.

Als Parameter für die Bewertung der Filtrationseffizienz werden die Porengrößenverteilung und die Luftdurchlässigkeit untersucht. Die Porengrößenverteilung ermöglicht die Bewertung von Filtrationsmechanismen wie Sieb- und Abfangeffekten sowie die Veränderung durch die Nanofaserbeschichtung. Der Luftstrom über einen steigenden Druck wird im trockenen und nassen Zustand gemessen und daraus die Porengrößenverteilung berechnet. Für diese Messungen wird ein TOPAS Pore Size Meter PSM 165 der Topas GmbH (Dresden, Deutschland) verwendet. Die Luftdurchlässigkeit ist ein Maß, das den Druckabfall über eine Membran annähert. Die nicht beschichteten Proben werden als Referenz verwendet, um die Einflüsse der Nanofaserbeschichtung zu evaluieren. Ein FX 3300 LabAir von TEXTEST Instruments AG (Schwerzenbach, Schweiz) wird für die Luftdurchlässigkeitstests verwendet. Die beiden Versuchsaufbauten sind in Abbildung 4 dargestellt.

3. Resultate

Das Elektrospinnen ergibt für PA 6 auf PES-Substraten einen Faserdurchmesser von 0,76 ± 0,24 µm und für PA 6 auf PP-Substraten 0,62 ± 0,13 µm. Für PVDF auf PES-Substraten beträgt der gemessene Faserdurchmesser 1,00 ± 0,16 µm und auf PP-Substraten 0,91 ±0,19 µm. Die Faserdurchmesser sind bei PA 6 etwas kleiner als bei PVDF, der Einfluss des Substrats auf die Faserdurchmesser ist dagegen nicht signifikant.

Abbildung 5:         Faserdurchmesser der Fasern aus dem Elektrospinning

Die Luftdurchlässigkeit und die mittlere Porengröße wurden anschließend mit den Substratmaterialien als Referenz getestet. Beide Materialien zeigen eine deutliche Abnahme der Luftdurchlässigkeit bei konstantem Druck, wobei die PA6-Fasern eine stärkere Abnahme aufweisen als PVDF. Dieser Trend lässt sich auch an der Porengröße der Schichten ablesen. PVDF verringert die Porengröße bei PP nur geringfügig oder sogar nicht signifikant, während PA6 die Porengröße deutlich verringert. Dies zeigt, dass bereits dünne Faserschichten einen Einfluss auf die Luftdurchlässigkeit und die Porengröße haben.

Abbildung 6:         Luftdurchlässigkeit der einzelnen Substrate und der mit Nanofasern beschichteten Substrate im Vergleich

Die Luftdurchlässigkeit und die mittlere Durchflussporengröße werden für einlagige Substrate und Substrate mit Nanofaserbeschichtungen gemessen. Die Ergebnisse für die Luftdurchlässigkeit sind in Abbildung 10.11 dargestellt. Die Luftdurchlässigkeit für PES-Substrate ist mit 4262,5 ± 414,17 mm*s-1 höher als für PP mit 2411,25 ± 155,97 mm*s-1. Die PA 6-Beschichtung senkt die Luftdurchlässigkeit deutlich auf 129,4 ± 32,55 mm*s-1 bzw. 152,13 ± 37,32 mm*s-1. Bei PES verringert die PVDF-Beschichtung die Luftdurchlässigkeit deutlich auf 2385,0 ± 145,99 mm*s-1 und bei PP auf 1775,0 ± 70,1 mm*s-1.

Die Ergebnisse der Messung der mittleren Durchflussporengröße sind in Abbildung 10.12 dargestellt. Bei PES sinkt die mittlere Durchflussporengröße deutlich von 82,03 ± 12,08 µm auf 23,24 ± 12,84 µm bei einer PA 6-Beschichtung bzw. 57,97 ± 8,21 µm bei einer PVDF-Beschichtung. Bei PP ist die mittlere Durchflussporengröße als Einzelschicht mit 61,18 ± 3,36 µm kleiner als bei PES. Nanofaserbeschichtungen haben keinen signifikanten Einfluss auf die mittlere Fließporengröße von PP-Substraten.

Abbildung 7:         Mittlere Durchflussporengröße der einzelnen Substrate und der mit Nanofasern beschichteten Substrate im Vergleich

 

Literaturliste

[AGZ+18]        Akampumuza, Obed; Gao, Hanchao; Zhang, Hongnan; Wu, Dequn; Qin, Xiao‐Hong

                        Raising Nanofiber Output: The Progress, Mechanisms, Challenges, and Reasons for the Pursuit

                        Macromolecular Materials and Engineering. Bd. 303 (2018) H. 1, S. AA1.5

 [GH04]           Gail, Lothar; Hortig, Hans-Peter

                        Luftfiltration.

In Gail, Lothar; Hortig, Hans-Peter:

Reinraumtechnik. 2. überarbeitete und erweiterte Auflage. - Berlin, Heidelberg, s.l.: Springer Berlin Heidelberg, 2004

[KSN]              Klein, Gunnar‐Marcel; Schrooten, Theo; Neuhaus, Tim

                        Reduction of Energy Demand for Industrial Dedusting Plants

                        Chemie Ingenieur Technik. Bd. 84 (2012) H. 7, S. 1121–1129

[Sch23]           Schneiders, Thomas

                        Evaluation and Method Development to Improve the Adhesion of Electrospun Fibres on Metals for Use in Medical Applications.

1. Auflage. - Düren: Shaker, 2023

[SKD+10]        Schrooten, Theo; Kögel, A.; Daniel, T.; Klein, Gunnar‐Marcel

                        Industrial dedusting with bag filters

                        Global Guide of the Filtration and Separation Industry (2010) D 11665 F, S. 156–160

[Tss22]            ts-systemfilter gmbh: SchlauchfilterAhorn-Berolzheim, 2022, https://www.ts-systemfilter.de/produkte/filterelemente/schlauchfilter.html

[Wik22]           Wikipedia (Hrsg.): SchlauchfilterSan Francisco, 2022, https://de.wikipedia.org/wiki/Schlauchfilter

[ZHW+17]       Zhu, Miaomiao; Han, Jingquan; Wang, Fang; Shao, Wei; Xiong, Ranhua; Zhang, Qilu; Pan, Hui; Yang, Yong; Samal, Sangram Keshari; Zhang, Feng; Huang, Chaobo

                        Electrospun Nanofibers Membranes for Effective Air Filtration

                        Macromolecular Materials and Engineering. Bd. 302 (2017) H. 1, S. 1600353

 

 

 

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

Carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) werden aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit sowie der geringen Dichte zunehmend in Leichtbauanwendungen eingesetzt, insbesondere in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Transport, Windenergie, Sport oder Bau. Der globale CFK Bedarf wird sich Prognosen zufolge bis 2024 auf 197.000 t/a erhöhen und damit im Vergleich zu 2011 fast verdreifachen. Das zeigt den dringenden Bedarf an Lösungen zur Wiederverwertung der hochwertigen CF (rCF) im Sinne der Circular Economy. Das ist nicht nur aufgrund strenger rechtlicher Bestimmungen, sondern auch aus ökologischen sowie ökonomischen Gründen eine Notwendigkeit. Zahlreiche Forschungsinstitute und Unternehmen entwickelten in den letzten Jahren Lösungen zur Wiederverwendung von rCF in den Bereichen Vliesstoffe, Spritzgießen oder als Hybridgarne. Diese Arbeiten umfassen allerdings mehrheitlich den Einsatz von rCF in Kombination mit thermoplastischen Fasern für thermoplastische Composites. Für den Bereich rCF basierter duroplastischer CFK wurden bisher vorwiegend rCF-Vliesstoffe aus 100% rCF entwickelt. Da die Fasern in den Vliesstoffen prinzipbedingt nur eine begrenzte Länge und eine geringe Orientierung aufweisen und zusätzlich prozessbedingt hohen Faserschädigung auftreten, sind damit bisher nur max. 30% der Verbundkennwerte von CFK-Bauteilen aus Carbonfilamentgarnen erreichbar.

Aktuell sind die im Bereich hochbelastbarer CFK verwendeten Matrixsysteme überwiegend duroplastisch. Derartige Bauteile weisen eine hohe Formstabilität und hohe Steifigkeiten sowie Festigkeiten auf und eignen sich aufgrund niedrigviskoser Matrixsysteme zur Umsetzung komplexer Bauteilgeometrien. Jedoch werden aufgrund der bisher für diese Bauteile nur ungenügend in rCF abbildbaren, notwendigen Eigenschaften vorrangig Primärcarbonfilamentgarne eingesetzt. Neben einer geringen Nachhaltigkeit verursacht das auch um mind. 200 % höhere Kosten. Die Herstellung primäres Carbonfilamentgarnes erfordert einen hohen Energiebedarf von ca. 230 MJ/kg mit einem CO2-Emissionsäquivalent von 20 kg CO2/kg CF. Hier ist eine deutliche Verbesserung der CO2-Bilanz notwendig, um einen wesentlichen Beitrag zu den anvisierten Klimaschutzzielen der BRD bzw. der EU leisten zu können. Aus diesem Grund ist der Fokus der Projektarbeit die Entwicklung neuartiger, nachhaltiger rCF-Heavy Tows aus recycelten Carbonfasern (rCF) und dazugehöriger Fertigungstechnologien zur Umsetzung kostengünstiger duroplastischer Composites mit hohem Leistungsvermögen.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21612 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel.

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

Im 21. Jh. wächst die hohe Bereitschaft der Gesellschaft, ökologische, ressourcen- und umweltschonend hergestellte Produkte zu verwenden, stets weiter. Hierbei hat die Textil- und Faserbranche die Chance, durch biobasierte Produkte auf Grundlage von nachwachsenden Rohstoffen, wie Chitin bzw. Chitosan, Entwicklungen voranzutreiben, um dem gesellschaftlichen, nationalen sowie internationalen Bedarf an biobasierten Produkten gerecht zu werden.

Das Biopolymer Chitin und sein Derivat Chitosan sind bereits vielseitig genutzte Rohstoffe in der (Bio-)Medizin und Pharmazie, die jedoch kaum als reines textiles Produkt verfügbar sind. Chitin ist mit 1,5·105 t/a das zweithäufigste natürlich vorkommende Biopolymer nach Cellulose [1]. Die halbkristalline Struktur und das stabile Netzwerk aus molekularen Bindungen limitieren jedoch die Löslichkeit von Chitin stark, weshalb vornehmlich das Chitinderivat Chitosan in der Forschung und Materialentwicklung untersucht wird. Die Materialklasse des Chitosans weist hervorragende biologische und antibakterielle Eigenschaften sowie Zellbesiedelbarkeit und Biodegradabilität auf [2, 3]. In den letzten Jahren wurden zwar beträchtliche Forschungsanstrengungen unternommen, um effiziente Chitosanprodukte zu entwickeln, dennoch ist die Verfügbarkeit reiner, langzeitstabiler Chitosanmultifilamentgarne aktuell stark eingeschränkt [4]. Ebenso wird ein robuster, adaptierbarer Prozess zur Erzeugung dieser leistungsstarken Garne dringend benötigt, da heutige Chitosanfilamentgarne hinsichtlich mechanischer Eigenschaften stark limitiert sind. Aufgrund der natürlichen Herkunft und der damit verbundenen Variabilität von Rohmaterialeigenschaften, wie bspw. Deacetylierungsgrad (DA), Molekulargewicht (MW), etc., bestehen nach wie vor große Herausforderungen, Chitosanmultifilamentgarne mittels der bisher entwickelten säure- und alkalidominierten Herstellungsprozesse zu erzeugen.

Das Ziel des IGF Projektes 21168 BR „Chion“ bestand deshalb darin, Multifilamentgarne aus 100 % Chitosan mit hohem Leistungs- und Funktionsvermögen auf Basis eines robusten Lösungsmittelnassspinnverfahrens mit ionischen Lösungsmitteln in reproduzierbarer Qualität und mit einstellbaren Eigenschaften zu erzeugen.

Erzielte Ergebnisse

Durch die Nutzung von ionischen Flüssigkeiten (ionic liquids, IL) werden erstmalig kostengünstigere Chitosane mit geringeren Mw bzw. niedrigen DA < 90 % dem Lösungsmittelnassspinnprozess zugänglich gemacht. Ein hoher Anteil an Acetamidgruppen bei Chitosan mit geringem DA führt zu einer Steigerung der intermolekularen Wechselwirkungen, wodurch ein erhöhtes Leistungsvermögen bis zu 28 cN/tex, sowie eine gute textiltechnische Verarbeitung der mittels IL hergestellter Chitosanmultifilamentgarne resultieren. Die komplexe Erforschung der Chitosan-IL-Systeme mit verschiedenen Chitosanqualitäten, MW sowie DA 60 – 90 % mit imidazolhaltigen IL erfolgte zunächst unter vereinfachten Randbedingungen für Monofilamente. Aus den Ergebnissen wurden wichtige Prozessparameter und aussichtsreiche Chitosan-IL-Kombinationen abgeleitet und der entwickelte Prozess auf den Multifilamentmaßstab übertragen. Eine strukturmechanische Einstellung der Eigenschaften der Chitosanmultifilamente war ein grundlegender Gegenstand der Forschungsarbeiten. Jeder Entwicklungsschritt wurde dabei von systematischen Material- und Prozesscharakterisierungen sowie Analysen begleitet. Systematische Untersuchungen erfolgten zur Löslichkeit von Chitosan in IL, Viskositätsstudien, Fasermorphologie sowie -geometrie, chemischen und physikalischen Materialeigenschaften, Kristallinität- und Degradationsverhalten sowie zum Einfluss einer zielgerichteten Verstreckung während des Spinnprozesses auf strukturmechanische Einstellung der textil-physikalischen Eigenschaften. Durch die Integration säure- und temperaturempfindlicher Modellwirkstoffe in die Spinnlösung wurde die Funktionalisierbarkeit der erzeugten Chitosanfilamentgarne nachgewiesen sowie die Bioaktivität und deren Beständigkeit im Koagulationsbad und am Garn erforscht. Im Ergebnis der gezielten Abstimmung der molekularen Eigenschaften des Chitosans und der erarbeiteten Spinnprozessparameter steht somit ein robuster, übertragbarer Lösungsmittelnassspinnprozess zur Erspinnung der Chitosanmultifilamentgarne im Technikumsmaßstab zur Verfügung. Zum Abschluss wurde die textile Verarbeitbarkeit der erzeugten Chitosanmultifilamentgarne in Strick-, Web- und Flechtprozessen untersucht und nachgewiesen.

Untersuchung des Lösungsvermögens von Chitosan in IL sowie Spinnlösungherstellung

Der erste Schritt der Forschungsarbeiten umfasste die Untersuchung und Bewertung des Lösungsvermögens ionischer Flüssigkeiten (IL) für Chitosan. Mittels systematischer Versuchsdurchführung wurden 19 kommerziell verfügbaren Materialien unterschiedlicher Qualitäten (z.B. medizinisches Chitosan, industrielles Chitosan, etc.), Provenienzen (z.B. Shrimps, Krabben, pilzbasiertes Chitosan), DA (60 – 90 %) sowie MW charakterisiert und deren Löslichkeit in aussichtsreichen imidazolhaltigen IL grundlegend analysiert und ausgewertet. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass besonders kurzkettige IL in Kombination mit Acetat-Anionen ein hervorragendes Lösungsvermögen für alle untersuchten Chitosane aufweisen (vgl. Abbildung 1), woraus eine Ableitung aussichtsreicher Chitosan-IL-Kombinationen für weitere Prozessentwicklungsschritte folgte.

Die Herstellung der Chitosan-IL-Spinnlösungen erfolgte mittels thermischer Unterstützung in Feststoffkonzentrationen bis zu 8 Gew.-% und wurde von rheologischen Untersuchungen in Abhängigkeit von den Parametern Temperatur und Scherrate begleitet und bewertet. Zur Untersuchung der Stabilität, Prozessierbarkeit sowie Spinnbarkeit der hergestellten homogenen Chitosan-IL-Lösungen wurden diese im Labormaßstab zu Monofilamenten verarbeitet. Umfangreiche Analysen umfassten dabei besonders Untersuchungen der Fadenbildung in Abhängigkeit von verwendeten Rohmaterialien sowie Prozessparametern, wie Feststoffgehalt, Temperatur und Verweilzeit im Koagulationsmedium, sowie des Diffusionsverhaltens und der resultierenden Fasereigenschaften. Die erarbeiteten Grundlagen bildeten dabei eine Basis für die Prozessentwicklung der Multifilamentgarnerspinnung aus IL. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass sich alle untersuchten Chitosan-IL-Kombinationen zu reinen Chitosanfasern verarbeiten lassen, und dienen somit als Nachweis, dass IL ein geeignetes und aussichtsreiches Lösungsmittel zur Herstellung von Chitosanmultifilamentgarnen darstellen.

Erspinnung der Chitosanmultifilamentgarne

Im nächsten Schritt der Forschungsarbeiten fand die erfolgreiche Übertragung der im Labor erarbeiteten Grundlagen auf einen Lösungsmittelnassspinnprozess im Technikumsmaßstab statt. Die Erspinnung der Chitosanmultifilamentgarne erfolgte dabei an der Lösungsmittelnassspinnanlage (Fourné Maschinenbau GmbH) des ITM. Die Pilot-Spinnanlage ist speziell für FuE-Prozessentwicklungen ausgelegt und ermöglicht u. a. Versuche mit 2 – 60 Liter Spinnlösung.

Für die Spinnversuche wurde die Chitosan-IL-Spinnlösung zunächst filtriert und unter bestimmten temperatur- und druckbedingten Konditionen entgast. Die Multifilamenterspinnung erfolgte mittels unterschiedlicher Spinndüsengeometrien, u.a. 78 Löcher à 90 μm (90 µm/78f) bzw. 24 Löcher à 160 μm (160 µm/12f). Die präparierte, temperierte Spinnlösung wurde in ein Koagulationsbad mit deionisiertem Wasser als Medium extrudiert. Die resultierenden Multifilamentgarne weisen Garnfeinheiten von ca. 50–65 tex sowie Filamentdurchmesser von ca. 30–50 µm in Abhängigkeit von der Düsengeometrie auf. Um maßgeschneiderte Funktionalitäten, wie hohe mechanische Festigkeiten und Kristallinitäten sowie verbesserte Molekülorientierung, zu erzielen, wurde der Einfluss des Faserverzugs während des Spinnprozesses systematisch untersucht und mittels gezielter Versuchsplanung effektive Verzugsparameter ausgearbeitet. Die prozessbegleitenden systematischen Untersuchungen umfassten dabei die Charakterisierung der mechanischen und textil-physikalischen Eigenschaften der mittels IL ersponnenen Garne sowie den Vergleich der erzielten Kennwerte mit konventionell hergestellten Chitosangarnen auf Essigsäurebasis (AcOH). Der DA des Rohmaterials spielt dabei eine besonders große Rolle: Ein hoher Anteil an Acetamidgruppen bei Chitosan mit geringem DA (< 90 %) führt zu einer Steigerung der intermolekularen Wechselwirkungen, woraus verbesserte mechanische Eigenschften resultieren. Die erzielten Ergebnisse weisen eine hohe Funktionalität sowie deutlich verbesserte Festigkeiten der mittels IL ersponnenen Chitosanmultifilamentgarne im Vergleich zu den konventionellen Chitosangarnen (DA 90 %) aus AcOH auf (vgl. Abbildung 3, rechts). Mittels erarbeiteten Verzugsparametern lassen sich zudem maßgeschneiderte textil-physikalische Eigenschaften, wie Elastizität oder Festigkeiten, je nach gestellten Anforderungen einstellen.

Textiltechnische Umsetzung der Chitosanmultifilamentgarne

Im letzten Schritt der Projektbearbeitung folgte die erfolgreiche textiltechnische Verarbeitung der Chitosanmultifilamentgarne aus IL zu Strick- und Webmustern sowie Geflechten (vgl. Abbildung 4). Die technische Verarbeitung von konventionellen Chitosangarnen auf Textilmaschinen stellte aufgrund unzureichender mechanischer Festigkeit und Knotenreisskräften bisher immer eine Herausforderung dar. Eine störungsfreie Verarbeitung in Web-, Strick- oder Flechtprozessen ohne eine spezielle Garnvorbehandlung bzw. Maschinenanpassungen konnte bisher für konventionelle Chitosanmultifilamentgarne nicht umgesetzt werden. Die mittels IL hergestelltes Chitosanmultifilamentgarne bieten dagegen die notwendige mechanische Stabilität sowie Flexibilität, um in konventionellen textilen Prozessen auf industrieüblichen Textilmaschinen zu Strick-, Web- oder Flechtstrukturen verarbeitet zu werden. Durch eine zusätzliche Garnfunktionalisierung, wie bspw. Schlichteauftrag, wird die Verarbeitbarkeit des Materials sowie die Qualität des Fertigproduktes noch zusätzlich verbessert.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21168 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Darüber hinaus möchten wir den Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses für ihre Unterstützung während der Projektbearbeitung danken.

Die vollständige Veröffentlichung steht zum Download zur Verfügung.

Introduction, problem definition and aim

Fiber-reinforced plastic composites are designed according to required stiffness and strength or impact and crash properties. Complex, overlapping load scenarios are only taken into account to a very limited extent. There are first practical approaches for realizing composite components, e.g. the B-pillar of an automobile [1]. In which composites (e.g., carbon fiber prepregs) are combined with metallic components (e.g. steel sheets) in order to achieve the necessary damage tolerance along with high weight-specific stiffness and strength. In such concepts, hybridization takes place at the macro (structural level) or meso (yarn level) level and requires extremely complex and cost-intensive manufacturing processes [2-4]. Furthermore, these components also have highly pronounced interlaminar interfaces, where complex stresses generate high shear stresses. As a result, premature structural failures occurs due to delamination [5-8]. In order to overcome these disadvantages and for use in future developments, a concept is developed and implemented in the project presented here. The approach provides the design of the combination of various fiber components by hybridization at the micro-level (within a yarn/fiber level), thus maximizing their property potentials. The use of recycled high-performance fibers also results in significant advantages over conventional composites in terms of sustainability, resource efficiency and cost-effectiveness.

The project aims to create a new three-component class of materials hybridized at the micro level for thermoplastic lightweight applications. By combining the reinforcing fibers such as carbon and aramid, it is possible to combine high stiffness and strength with high crash and impact properties by varying the reinforcing fiber proportions and fiber makeup in a way appropriate to the load case. Fig. 1a schematically shows the properties of state-of-the-art CF/AR hybrid composites (Fig. 1a bottom, highlighted by an ellipse) according to state of the art, from engineered yarns to be developed (top, area within the dashed lines) and the theoretical material potentials (top, colored lines), each depending on the fiber volume fractions. The systematic investigation of the influence of the material-specific fiber volume fractions for a scalable composites design was carried out in five stages (CF/AR or rCF/rAR: 50/0 %; 40/10 %; 25/25 %; 10/40 %; 0/50 %).

The development work focused on three main areas. The first focus was the further development of the process technology so that the composites based on engineered yarns exhibit high strength and stiffness due to low fiber damage, high uniformity and high fiber orientation. The second focus was the first-time implementation of the homogeneous blending of three fiber materials at the micro-level. The third focus was designing the engineered yarns so that outstanding, scalable stiffness, strength, crash and impact property combinations can be set explicitly for a wide range of requirements (Fig. 1a).

For the concrete realization of the desired goal, CF/AR/PA6 or rCF/rAR/PA6 hybrid yarns were developed using two material concepts (Fig. 1b) based on two yarn formation technologies (Fig. 1a) for the production of thermoplastic composites with outstanding, scalable stiffness, strength, crash and impact property combinations. The interrelationships between process parameters and material-yarn composite properties were analysed. A sound knowledge for the material-dependent design of the engineered yarns could be achieved. Furthermore, the best possible material and process parameters for specific applications was derived and a process guide was prepared for the control of the manufacturing processes for the SMEs. A detailed description of the development work can be taken from the final report.

Acknowledgement

The IGF project 21004 BR/1 of the Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. is funded through the AiF within the program for supporting the „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ from funds of the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action on the basis of a decision by the German Bundestag.

Introduction
Synthetic fibers have become increasingly important in recent years. One reason for this is that they are versatile and can fulfill different requirements and functionalities. Among other things, their functionality spectrum is influenced by the manufacturing process, for example melt spinning. One everyday application example for synthetic fibers is guitar strings.

Classical guitar strings are monofilaments made of nylon, which is the trade name of polyamide. They are usually designed to be used with guitars which have a scale length of 0.65 m. Of the six typical guitar string, the first and highest string is the high E string. It is usually tuned to a pitch of 330 Hz and has a diameter around 0.7 mm. Many acoustical properties of guitar strings can be linked to mechanical properties of the string, which are measured in this work.

The aim of this paper is to evaluate the melt spinning process of monofilaments of polyamide 6 and to compare them to commercial monofilaments. Therefore, the influence of different production parameters on the quality of monofilaments will be investigated. The considered production parameters are spinneret hole diameter, drawing temperature and draw down ratio (Ddr). Different kinds of mechanical and thermal properties, for example tensile strength, relaxation behavior, degree of crystallinity and melt temperature, are measured and compared for different filament types.