Ziel der Entwicklung

Logo: Vliesbildungsanlage im Technikum des STFI
Vliesbildungsanlage im Technikum des STFI

Das Ergebnis des Projektes sollte in Form der Entwicklung von vliesstoffbasierten Materialien mit hoher Schallabsorptionsfähigkeit vorliegen. Die Materialien sollten sich im Zuge laufender Forschungsarbeit in Lärmschutzmaßnahmen mit hoher akustischer Wirksamkeit einsetzen lassen und so die Schallbelastung senken. Als mögliche konkrete Anwendungen bieten sich Schallschutzwände, -vorhänge oder Innenraumsysteme an, die sich an Wänden und der Zimmerdecke integrieren lassen. Die Systeme sollen im für Büroumgebungen relevanten Frequenzbereich des menschlichen Gehörs Absorptionsgrade > 0,8 erreichen und damit die Anforderungen der Absorberklassen A und B erfüllen. Welcher Frequenzbereich dabei betrachtet werden kann, hängt von der zur Verfügung stehenden Messtechnik ab. Angestrebt wurde ein Intervall zwischen 150 Hz und 5.000 Hz. In diesem Frequenzbereich soll möglichst über eine dekadisch logarithmische Messstufe (z. B. 400 – 4000 Hz) der Schallabsorptionsgrad von mindestens 0,8 erreicht werden. Es wird demnach größerer Wert auf eine konstant hohe Absorberleistung über einen breiten Frequenzbereich als auf hohe Peaks bei der Schallabsorption gelegt. Obwohl der Mensch tiefere und höhere Töne jenseits dieses Spektrums wahrnehmen kann, wird vor allem der Frequenzbereich zwischen 150 Hz und 4.000 Hz als besonders unangenehm empfunden und muss daher vorrangig gedämpft werden. Für die Einordnung und Gegenüberstellung relevanter Vliesstoffsysteme wurden prinzipielle Abhängigkeiten der Luftdurchlässigkeit und des Schallabsorptionsgrades von der Faserart, Faseroberfläche und Vliesstruktur untersucht. Dabei sollten Polyester- und Viskosefasern mit unterschiedlich profilierten Faserquerschnitten eingesetzt werden. Das zukünftige Recycling der Erzeugnisse sollte in die Überlegungen einbezogen werden. Vliesstoffe aus Fasermischungen (PES und CV) sind deswegen zwar in die Forschungsarbeit einzubeziehen, allerdings sind Varianten, die vollständig aus Polyester- oder Viskosefasern bestehen, bei gleicher Performance vorzuziehen.

Vorteile und Lösungen

Die Schallenergie wird in den Poren des Materials durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Dadurch wird der vom Material reflektierte Schall verringert. Gleichzeitig kommt es innerhalb der Poren zu ungerichteten Reflektionen, die in Abhängigkeit von der Porenstruktur mehr oder weniger stark ausgeprägt sein können.
Im Sinne der Projektidee wurde davon ausgegangen, dass unregelmäßige oder ungleichmäßige Faserquerschnitte gegenüber glatten und gleichmäßigen Querschnitten die Reflektionsbedingungen schon innerhalb der Pore deutlich in Richtung mehrfacher Brechung der Wellen verändern. Die technisch/technologischen Möglichkeiten zur Konstruktion der aus diesen Fasern hergestellten Vliesstoffe und Vliesstoffverbunde selbst ergänzen und multiplizieren diese Möglichkeiten. Insbesondere wurden dazu Kardier- und Wirrvliesverfahren angewendet. Vliese können im Technikum des STFI auf vielfältige Möglichkeiten (zum Beispiel Vernadeln und Abstandsvernadeln, Nähwirken mit zwei- und dreidimensionaler Faserausrichtung, Wasserstrahlverwirbelung zur Verfestigung oder zur Verbundausbildung, Thermofusion) verfestigt werden. Hauptsächlich sollten thermisch und mechanisch verfestigte Vliesstoffe in Wirr- und Kreuzlage für die Erreichung des Projektziels entwickelt werden.
Die in die Untersuchungen einzubeziehenden, mit neuartigen Querschnitten hinsichtlich einer akustischen Wirksamkeit modifizierten Man-Made Fasern, sind zellulosischen und synthetischen Ursprungs. Die Fasern wurden in enger Zusammenarbeit mit kooperierenden Faserherstellern aus der Industrie diskutiert und beschafft.
Während der Projektbearbeitung sollten flexibel innovative Fasern in die Entwicklung einbezogen werden können, was aufgrund der industrienahen Ausrichtung des Forschungsinstituts und der breiten Palette verfügbarer Anlagentechnik problemlos umsetzbar war. Von den strukturierten Fasern wurde eine effiziente Wirksamkeit und direkte Einflussnahme hinsichtlich der akustisch relevanten Eigenschaften erwartet. Prädestinierte Vliesbildungs- und Verfestigungsverfahren, wie das Kardieren mit anschließender Vernadelung und die aerodynamische Wirrvliesbildung mit thermischer Verfestigung, wurden im Projekt auf die Belange neuartiger Faserstoffe modifiziert und mit Verfahren zur Ausbildung dreidimensionaler Faseranordnungen ergänzt. Es war damit zu rechnen, dass die spezialisierten Faserstoffe bei ihrer Verarbeitung mittels der vorgenannten Verfahren besondere technologische Aufmerksamkeit und Maßnahmen erfordern.
Die Faseranordnung war ein wesentliches Instrument bei deren Verarbeitung zu einer akustisch wirksamen Struktur, in welcher wiederum der Faserquerschnitt und die Fasergeometrie zur Ausbildung von Poren mit spezieller Geometrie und Volumina beitragen. Absorptionsgrad und Luftdurchlässigkeit beziehungsweise Strömungswiderstand stehen in unmittelbarem Zusammenhang. Diese Abhängigkeit wurde sowohl zur direkten Bewertung von Versuchsmustern als auch zur simulativen Berechnung der Strömungswiederstände genutzt. Im Zusammenwirken aller Faktoren sollten die entwickelten Vliesstoffe über einen möglichst großen Frequenzbereich die Absorptionsklassen A oder B erreichen und damit ein deutlich besseres Masse-Leistungs-Verhältnis als bereits am Markt befindliche Vergleichsprodukte auf Vliesstoffbasis besitzen.
Die textilphysikalische Grundsatzbewertung der Versuchsvarianten erfolgte anhand der Parameter Flächenmasse, Dicke, Reißkraft und –dehnung. Die Bestimmung der Luftdurchlässigkeit ist von besonderem Interesse hinsichtlich der Vorhersage der akustischen Wirksamkeit. Für validierende Schallabsorptionsmessungen im kleinen (Impedanzrohr) und im größeren Maßstab (Hallraum) sowie die vertiefende fachspezifische Begleitung wurde mit der Gesellschaft für Akustikforschung Dresden mbH zusammengearbeitet.

Zielgruppe und Zielmarkt

Im Jahr 2014 betrug der Umsatz für Umweltschutzgüter anteilig 65,4 Mrd. Euro deutschlandweit, im Jahr 2018 waren es 6,2 Mrd. Euro. Im Vergleich zum Jahr 2006 wurde der Umsatzanteil damit fast vervierfacht. Der Bereich Lärmbekämpfung macht einen Anteil von wiederum 5 Prozent an dieser Summe aus, was 3,3 Mrd. Euro im Jahr 2014 entspricht. Textile Produkte in der Kategorie Lärmbekämpfung konnten 2014 einen Umsatz von zirka 48,6 Mio. Euro generieren. Im Freistaat Sachsen wurden 2016 im Bereich der Lärmbekämpfung 259 Mio. Euro umgesetzt. [6, 17, 18]
Die Betrachtung dieser Kennziffern ermöglicht eine Abschätzung der vorhandenen Potenziale, auf die das Vorhaben abzielt. Die Produktion von Umweltschutzgütern in den genannten Bereichen ist genauso erfolgsversprechend wie die Steigerung der Nutzung textiler Komponenten und die Erschließung neuer Anwendungsbereiche. Aufgrund der gesellschaftlichen und gesundheitlichen Relevanz der Thematik wird die Umsetzung von und die Nachfrage nach entsprechenden Lösungen ansteigen.
Der anfänglich erreichbare Anteil am oben genannten Marktvolumen durch textile Komponenten für den Lärmschutz wurde zu Projektbeginn mit 10 Prozent abgeschätzt. Eine Steigerung dieses Segments um wiederum 10 Prozent wurde vorausgesetzt, um einen Umsatz auf dem deutschen Markt von ca. 9,7 Mio. Euro pro Jahr zu erwarten. Durch Faser- und Vliesstoffhersteller, welche die gewonnenen Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben zur Herstellung der entwickelten Vliesstoffstrukturen aus strukturierten Faserstoffen nutzen, kann diese Erwartung erfüllt werden. Auch vom europäischen Bereich sind starke Impulse für weitere Umsatzerlöse durch Akustikvliesstoffe vorstellbar. Die zu erwartenden Umsatzsteigerungen bewirken auch eine Sicherung oder einen Anstieg der in der Branche vorhandenen Beschäftigungsverhältnisse bei Faser- und Vliesstoffherstellern sowie Konfektionären und dem Vertrieb.
Das Ergebnis besteht in einer Vliesstoffkonstruktion mit verbesserten akustischen Eigenschaften durch strukturierte Fasern. Im Vergleich zu herkömmlichen Absorbern mit den gleichen Abmessungen und ähnlichen Flächenmasse lässt sich eine bessere Performance in Form eines sehr breiten gedämpften Frequenzbandes erreichen. Dies ermöglicht eine potenzielle Gewichtsreduktion zum Erreichen der akustischen Eigenschaften vergleichbarer Materialien.
Ein volkswirtschaftlicher und ökologischer Vorteil besteht zudem in der vermehrten Nutzung von cellulosebasierten Faserstoffen zur Reduzierung des Erdölverbrauchs für die Herstellung von bisher genutzten Chemiefasern. Die unzähligen Strukturierungsmöglichkeiten bei Viskosefasern machen diese Substitution möglich. Die Entwicklung von Mustervarianten, die unter anderem vollständig aus Viskose bestehen, erleichtert zudem das Recycling durch eine hundertprozentige Bioabbaubarkeit des Produktes. Nicht zuletzt ist die Entwicklung damit ein Schritt in die gesellschaftlich nachgefragte Nische aus Nachhaltigkeit, Performance und Kostenstruktur. Vollständig biobasierte und bioabbaubare Erzeugnisse bewirken ein immenses Verkaufsargument für die Faser- und Vliesstoffhersteller.
Durch das breite Netzwerk und die industrienahe Aufstellung des STFI wird ein direkter und erfolgreicher Ergebnistransfer ermöglicht.
Neben der Ergebnisdarstellung auf der STFI Homepage werden die Projektergebnisse umfangreich auf Informationsflyern zusammengefasst, die wiederum bei Messeauftritten und Netzwerkveranstaltungen des Instituts für Interessenten zur Verfügung gestellt werden. Im Rahmen der EDANA Nonwoven Innovation Academy 2019 in Denkendorf wurde das Forschungsvorhaben in englischer Sprache dem interessierten Fachpublikum präsentiert. Weitere Transferkanäle sind unter anderem Journale (TT, Chemical Fibers, Bürofachzeitschriften, Ausstatter Innenräume), die Vliesstoffschulung im STFI, an den Technischen Universitäten Chemnitz und Dresden, im Rahmen der Hofer Vliesstofftage, zu Messeauftritten und Foren (Techtextil, AK Technische Textilien, INDEX, Filtech, mtex, Fachtex-Verbände, NIA, INDEX).

S. L. Sachsen, „Umweltschutzgüter und -leistungen im Freistaat Sachsen,“ 2016.
S. Bundesamt, „Fachserie 19, Reihen 3.2 und 3.3 – 2014“
https://www.schallsauger.de/akustik-abc/absorberklasse/. [Zugriff am 30. 07. 2018]