Ziel der Entwicklung
Dieses Forschungsvorhaben sah vor, einen SMMS-Demonstrator, bestehend aus biologisch nachhaltigen Werkstoffkombinationen, mit optimaler Elektretaufladung zu entwickeln und dessen Filterfunktionsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Filtermedien nachzuweisen.
Dabei sollten die herkömmlichen Filterleistungen von PP-basierten Filtermedien erreicht werden. Der Anteil von biologisch nachhaltigen Polymeren im erarbeiteten Filterdemonstrator sollte dabei mindestens 20 % höher sein als in bisher handelsüblichen Filtermedien (Raumluftfilter oder PKW-Filter) .
Um eine zuverlässige Aussage über die Wechselwirkung von Granulaten und Additiven zur Elektretaufladung zu treffen, wurden die wissenschaftlichen Zusammenhänge zwischen der Werkstoffauswahl im Vliesstoff und der damit erzeugten Elektretaufladung hergestellt. Ziel war es, das Optimum der Elektretaufladung zu definieren und dieses für unterschiedliche Werkstoffgruppen zur erarbeiten, um eine hohe Filterleistung zu erzeugen.
Mittels Modifikation der Werkstoffkombination (Polymer des Granulates wie z. B. PHA, PLA und zugehöriges Additiv) sollten die Elektretaufladung beeinflusst und ein Filterdemonstrator aus ökologisch nachhaltigen Polymeren und Additiven entwickelt werden. Die Datenbasis für die zu erarbeitenden Erkenntnisse zu diesem Thema wurde mithilfe institutseigener Laboruntersuchungen gewonnen.
Vorteile und Lösungen
Angestrebt wurde die Entwicklung eines Demonstrators mit Elektretaufladung, bestehend aus Biopolymer(en) für die Klein- und Kleinstpartikelfiltration, mindestens der alveolengängigen Staubfraktion PM2,5. Es sollte für einen aerodynamischen Durchmesser von Partikeln mit 2,5 μm eine Abscheidewirksamkeit von 50 % erreicht werden, wenn Partikel einen größenselektierenden Lufteinlass passieren. Für die Kleinstpartikelfiltration, wie z. B. von Viren, war eine Abscheidewirkung der Partikel < 120 nm zu erreichen, was mit den Anforderungen von Innenraumfiltern korreliert. Die zu entwickelnden Filtermedien bestehen aus Biopolymeren zu mindestens 50 wt-%. Dabei wurden maximal drei verschiedene Polymere im Demonstrator verwendet. Entsprechend der verwendeten Biopolymere wurde die Neueinstellung des Masterbatches nötig. So wurden Menge und Material auf den Biopolymeranteil angepasst, sodass die Elektretaufladung stabilisiert werden konnte. Die Anpassung für einen geeigneten Masterbatch erfolgte direkt im geplanten Forschungsvorhaben.
Weiterhin sollten Erkenntnisse und Zusammenhänge zwischen den Werkstoffen und den Eigenschaften der erzeugten Elektretaufladung hergestellt werden, Wechselwirkungen zwischen Grundpolymer bzw. Polymerverbindungen und der Elektretaufladung sowie zwischen der Art und Menge eingebrachter Additive zur Elektretaufladung evaluiert werden. Dies ermöglichte eine Anpassung des Masterbatches hinsichtlich Art und Menge der eingesetzten Additive, eine anwendungsgerechte Auslegung der Extrusionsvliesstoffe für Neuprodukte sowie eine Optimierung hinsichtlich Nachhaltigkeit und Effizienz von Bestandsvliesstoffen im Bereich der Filtermedien.
Zielgruppe und Zielmarkt
Laut dem EDANA Report 2021 wurden im Jahre 2021 weltweit 16,9 Mrd. t Vliesstoffe produziert, wovon 2,2 Mrd. t in Europa hergestellt wurden. Deutschland besitzt dabei mit 30 % (677,5 Mio.t) der Vliesstoffproduktion den größten Marktanteil in Europa, gefolgt von der Türkei mit 25 % (559,1 Mio.t). Das Marktvolumen hatte sich im Vergleich zu 2006 um 55 % gesteigert. Für 2021 wird der Gesamtumsatz des Vliesstoffmarktes in Europa auf 10,7 Mio. € bilanziert. Entsprechend der Vliesstoffanwendungen der Endverbraucher wurden in Europa 2021 27,7 % der Vliesstoffe für Hygieneartikel, 18,0 % für Kosmetiktücher und 7,0 % für die Filtrationselemente verwendet. Weitere wichtige Anwendungen sind z. B. Geosynthetikvliesstoffe sowie der Medizin- und Chirurgiebereich für OP- und FFP-Masken. Der Bereich der Luft- und Gasfiltration produzierte im Jahre 2021 in Europa 81 682 t Vliesstoff, was eine Steigerung zu 2020 um 9,1% darstellt.
Der Markt für Filtermedien ist von den Wettbewerbern hart umkämpft. Vom Rohstofflieferanten bis zum Hersteller beschäftigen sich mehr als 2878 Unternehmen bzw. Organisationen mit dem Thema Filter, Filtermodule, Filteranlagen oder Filtersysteme. Hauptkonkurrenten in diesem Bereich sind Produkte aus dem asiatischen Raum. In Deutschland existieren, neben vielen klein- und mittelständischen Unternehmen, auch eine Vielzahl Großunternehmen.