Ziel der Entwicklung
Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand darin, eine Mund-Nasen-Bedeckung nach Anforderungen der DIN EN 149 auf Basis von Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) mit einem funktionellen Indikator zur Feuchtigkeitsüberwachung zu entwickeln. Dabei sollte der Indikator bei kritischer Feuchtigkeitsansammlung in der Maske eine optisch erkennbare Farbreaktion hervorrufen, welche dem Träger Rückschluss auf den Maskenzustand gibt. Die Anwendung ist bei OP- sowie FFP-Masken, aber auch bei anderen Filterwerkstoffen zu sehen.
Beweggrund zu diesem Forschungsansatz war die sinkende Elektretaufladung in Meltblown-Vliesstoffen mit steigender Feuchtigkeitsansammlung. Dies hat einen direkten Einfluss auf die Filterwirkung des Vliesstoffes, wodurch eine signifikant geringere Filtereffizienz von Klein- und Kleinstpartikeln erzeugt wird. Der Lösungsansatz trägt somit zum Schutz des Maskenträgers bei, ermöglicht aber gleichzeitig auch eine effektivere Produktnutzung verschiedenster Filtervliesstoffe.
Der Schwerpunkt dieses Forschungsprojektes lag dabei in den folgenden Bereichen:
1) Entwicklung des Feuchtigkeitsindikators
2) Integration des Indikators im Meltblown-Vliesstoff
3) Funktion des Demonstrators mit Indikator
Für die Entwicklung eines geeigneten Indikators musste mit der Entwicklung des Indikatorwerkstoffes begonnen werden. Hierbei musste, angepasst an die kritischen Feuchtigkeitswerte, welche in einer Mund-Nasen-Bedeckung auftreten, ein Werkstoff erarbeitet werden, welcher einen optisch sichtbaren Farbumschlag erzeugt. Der Werkstoff musste dabei den Anforderungen entsprechend des Einsatzgebietes wie Bio- und Hautverträglichkeit erfüllen. Die Modifizierung geeigneter Indikatoren erfolgte auf chemischer Basis, welche auch im nachgelagerten Schritt der Integration im Meltblown-Vliesstoff nicht beeinträchtigt werden darf. Hinsichtlich der Applikation des Indikatorwerkstoffes auf einer Faser oder einem Vliesstoff ist es in Hinblick auf spätere mechanische Beanspruchung notwendig, eine werkstoffschlüssige Haftung zu erzeugen.
Die Integration des Indikators auf dem Vliesstoff erfolgte inline im Meltblown-Prozess. Dabei war auf die reproduzierbare Positionierung in X- und Y-Richtung für die spätere Konfektionierung und Funktionalität des Indikators ebenso wie auf eine ausgezeichnete Vliesstoffanbindung geachtet worden.
Die abschließenden Demonstratorversuche ermöglichten eine anwendungsnahe Bewertung der Indikator- und Maskenfunktion sowie der ggf. bestehenden Wechselwirkungen zwischen den Einzelkomponenten bei einsatznahen Bedingungen.
Vorteile und Lösungen
Unser Lösungsansatz sah vor, einen Masken-Demonstrator, bestehend aus Extrusionsvliesstoffen auf Basis von Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PET) mit Indikatoren für die Zustandsüberwachung von Filtern zu entwickeln und dessen Funktionsfähigkeit nachzuweisen. Um eine zuverlässige und realitätsnahe Aussage über den Zustand von Filtereinheiten treffen zu können, sollte der Parameter Feuchtigkeit ermittelt werden. Dies ermöglichte effektive Rückschlüsse auf den Zustand der Elektretaufladung sowie die Vliesstoffkonstruktion (Filamente, Porengröße) und die Nutzungsdauer der Filter, was letztlich Aussagen über die Wirksamkeit des Filters zulässt.
Somit sollte mit unserem Lösungsansatz eine optimale Ausnutzung der Filterwerkstoffe gewährleistet werden. Dadurch konnte erstmalig ein ressourcensparender Umgang mit Filterwerkstoffen, realisiert durch den gezielten Wechsel der Filtereinheiten bei Bedarf und nicht wie bisher in starren Intervallen, erreicht werden. Da somit wirklich nur die Elemente ausgetauscht werden, welche ihre Filterwirkung verloren haben, wird die anfallende Menge an verbrauchten Filterelementen signifikant gesenkt. Das daraus folgende Abfallaufkommen derartiger Elemente konnte mit unserem Lösungsansatz deutlich verringert werden. Dies erzeugt einen sinkenden Energiebedarf bei der Verwertung, ein geringeres Transportaufkommen sowie ein wirtschaftlicheres Arbeiten beim Anwender. Somit wird nachhaltig ein ökologischerer Umgang mit Filterwerkstoffen ermöglicht, welcher ressourcensparend den Einsatz dieser Werkstoffe garantiert und die dadurch entstehenden Umweltbelastungen deutlich senkt.
Im Bereich der Demonstratoranwendung Mund-Nasen-Bedeckung sollte durch optische Signalisierung einer unwirksamen Elektretaufladung vom Meltblown-Vliesstoff der medizinische Schutz von Gesichtsmasken deutlich erhöht werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Laut dem EDANA Report 2020 wurden im Jahre 2019 weltweit 14,5 Mrd. t Vliesstoffe produziert, wovon 2,7 Mrd. t in Europa hergestellt wurden. Deutschland besitzt dabei mit 24 % (657,8 Mio.t) der Vliesstoffproduktion den größten Marktanteil in Europa, gefolgt von der Türkei mit 16 % (310,5 Mio.t). Das Marktvolumen hatte sich im Vergleich zu 2009 um 54,1 % gesteigert. Für 2020 [2] wird der Gesamtumsatz des Vliesstoffmarktes in Europa auf 9,56 Mrd. € geschätzt. Entsprechend der Vliesstoffanwendungen der Endverbraucher wurden in Europa 2019 28,7 % der Vliesstoffe für Hygieneartikel, 12,3 % für Kosmetiktücher und 9,8 % für den Bausektor verwendet. Weitere wichtige Anwendungen sind z. B. Filtervliesstoffe für Gas-, Luft- und Flüssigkeitsfiltration sowie der Medizin- und Chirurgiebereich für OP- und FFP-Masken. In Bereichen der Luft- und Gasfiltration wurden im Jahre 2020 in Europa 75.403 t bzw. 1072 Mio.m² Vliesstoffe erzeugt.
Der Markt für Schutzmasken ist von den Wettbewerbern hart umkämpft. Vom Rohstofflieferanten bis zum Maskenhersteller beschäftigen sich weltweit mehr als 369 Unternehmen bzw. Organisationen mit Mund-Nasen-Masken und FFP-Masken. Hauptkonkurrenten in diesem Bereich sind Produkte aus dem asiatischen Raum.
Um eine stärkere Marktpräsenz der deutschen Unternehmen im internationalen Vergleich zu erreichen, war eine Weiterentwicklung der Filter- und Maskenprodukte unerlässlich. Besonders gegenüber preiswerten Vliesstoffprodukten aus dem Wirtschaftsraum Asien gilt es, sich zu behaupten. Unter der Maßgabe der Wirtschaftlichkeit sollten sensorisierte Vliesstoffe einen technologischen Mehrwert der angebotenen Vliesstoffprodukte von deutschen Unternehmen darstellen und damit eine deutliche Steigerung der Marktanteile im nationalen und internationalen Handel ermöglichen. Entsprechend der Agenda der Vermarktungsstrategie aus dem Antrag wurde eine stufenweise Erweiterung der Marktanteile deutscher Unternehmen erzielt.