MIKROLAST-EFFEKT

• Titel des Vorhabens:

  "Mikroskopische Mechanismen der Ladungsstabilisierung in elektrisch geladenen Fein-Faser-Elektretmaterialien (MIKROLAST-EFFEKT)"

• Fördermittelgeber: Bayrische Forschungsstiftung

• Kooperationspartner: IREMA Filter GmbH

• Laufzeit: 01.10.2022 - 31.09.2025 (36 Monate)

Ausgangssituation und Zielsetzung

Die zur Bekämpfung von Viruserkrankungen wie die Covid-Pandemie eingesetzten Atemschutzmasken und Luftfilter müssen elektrisch aufgeladen werden, um eine hohe Filterwirkung zu erzielen. Die gängigen Materialien haben jedoch eine sehr geringe Ladungsstabilität. Im Projekt sollen neue und effiziente Methoden zur Ladungsstabilisierung in Filterfasern erforscht und entwickelt werden 

Vorgehensweise/Methoden

Beim Meltblown-Verfahren wird geschmolzenes Polymer über Düsen zu feinen Filter-Vliesen umgewandelt. Um die hohe Filtrationseffizienz zu erreichen, müssen die Vliese elektrisch aufgeladen werden. Durch eine geringe Ladungsstabilität in üblichen Meltblowns lässt die Filtrationseffizienz relativ schnell nach. Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung der molekularen Mechanismen der Ladungsspeicherung in Meltblownfasern. Darauf aufbauend sollen Methoden zur Erhöhung der Ladungsdichte und zur Ladungsstabilisierung entwickelt werden. Die Hauptprojektidee beinhaltet eine gezielte Steuerung der Ladungsstabilität und der Ladungsdichte in elektrostatisch aufgeladenen Polymerfasern durch eine Kombination von physikalischen und chemischen Methoden. Dabei werden Folien, einzelne Fasern und Meltblown-Vliese in Koronaentladung aufgeladen und die Entladungsprozesse werden unter Einfluss von externen Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Lösungsmitteldämpfe systematisch untersucht. Damit gewonnene Kenntnisse über den Ladungstransport werden für die Entwicklung von Ladungsstabilisierungsmethoden eingesetzt. Auf mikroskopischer Ebene bedeutet es, dass die Ladungsträger selektiv in tiefen Haftstellen gespeichert werden und die Polymermaterialien so modifiziert werden, dass zusätzlich zu den bestehenden Haftstellen neue tiefe Haftstellen entstehen. Die beiden Lösungswege werden durch thermische Behandlung, Optimierung der Ladungsprozesse, Oberflächenmodifizierung von Vliesen und Granulat und durch Zugabe von Additive mittels Compoundierung realisiert. Die entwickelten technologischen Ansätze werden für die Fertigung von seriennahen Demofiltervliesen verwendet, die unter Serienbedingungen in Meltblown-Prozessen geprüft und validiert werden.

Ergebnisse

Die im Projekt zu erwartende Ergebnisse und die wichtigsten Innovationsmerkmale können wie folgend formuliert werden:

- Wissenschaftlich fundierte und gezielte Steuerung der Materialparameter durch eine Kombination aus physikalischen und chemischen Behandlungsmethoden.

- Zum ersten Mal werden Methoden der Oberflächenbehandlung eingesetzt, um die Ladungsspeicherung in Meltblownmaterialien zu verbessern.

- Es wird nicht nur die Konzentration, sondern auch die Tiefe der Haftstellen erhöht. Dadurch wird die Stabilität und die Dichte der gespeicherten Ladungen erhöht und dementsprechend auch die Filtrationseffizienz verbessert.

- Neue und tiefere Haftstellen auf den Faseroberflächen machen die Filter resistenter gegen die Umwelteinflüsse wie Luftfeuchtigkeit oder Chemikaliendämpfe. Letztere sind besonders von Bedeutung in der Medizintechnik.

Fazit/Ausblick

Aus dem Projekt soll ein Technologiekonzept zur Herstellung von synthetischen Filtermedien mit herausragenden Eigenschaften hervorgehen. Darüber hinaus können die elektrisch aufgeladenen Vliese auch piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Anwendung dieser Materialien im Bereich der Aktorik und Sensorik. Besonders interessant sind die Anwendungen im Bereich des Energy Harvesting, für das leichte und formkonforme Vliese zum Zwecke der Energierückgewinnung eingesetzt werden können. Ein weiterer Bedarf an temperaturstabilen Elektretfiltern besteht bei der Filtration von Mikroplastik sowie bei der Abriebpartikelfilterung im Automobilbereich. Die oben genannten Anwendungen sind nur dann sinnvoll oder gar möglich, wenn eine hohe Ladungsstabilität vorhanden ist. In diesem Sinne werden die Projektergebnisse neue Verwendungsbereiche für bereits etablierte Technologien eröffnen.

Für weitere Informationen sprechen Sie uns an!

Prof. Dr. Dmitry Rychkov

• dmitry.rychkov@th-deg.de
• +49(0) 9141/874669-201

Dr. Anna Guliakova

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M.Sc. Dominik Weiß

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Stand: 26.06.2023