Technikumsmaßstab und deren Charakterisierung (vgl. Arbeitspaket 8)
12 Prüfung der Standzeiteigenschaften (vgl. Arbeitspaket 10)
Durchgeführte Arbeiten
Für die Bestimmung der Standzeiteigenschaften wurde zunächst eine Versuchs-einrichtung eingerichtet und die Messmethodik verifiziert. Die Vorzugsmuster, welche in AP 6 selektiert wurden und in AP 9, sind auch in AP 10 weiter unter-sucht worden.
Die Untersuchungen bezogen sich dabei vor allem auf einen Vergleich des Differenzdruckverhaltens und der Abscheidecharakteristik. Der Teststand für die Standzeituntersuchungen wurde evaluiert. Die Messungen wurden daran bis zum Ende des Vorhabens weitergeführt. Von Interesse waren dabei vor allem die Unterschiede, welche sich durch die Wasserstrahl- Behandlung der Materia-lien ergaben. Da es viele MateriaMateria-lien zu untersuchen gab, nahmen die Untersu-chungen einen erheblichen Zeitraum ein. Ziel war es, eine Material- Kombination für eine Praxisumsetzung zu favorisieren.
Dies wurde auch erreicht, allerdings gibt es noch weitere Parameter, welche für eine Praxis- Umsetzung relevant sind, z.B. Abriebfestigkeit und Brennbarkeit. Ein wichtiger filtertechnischer Parameter ist die Filterflächenbelastung. Daher
wurden hier noch vertiefende Messungen mit speziellen Materialvarianten durchgeführt.
Ergebnisse Als Resultat der durchgeführten Messungen und Untersuchungen liegen zahlrei-che Daten zu Druckverlusten und zur Abszahlrei-cheidecharakteristik der Materialien vor. Interessant sind dabei exemplarisch des die Minderung des Druckverlustes auf 30 % des Ausgangswertes durch die Wasserstrahlbehandlung (vgl. Abbil-dung 32). Das ermöglicht bei gleichem Druckverlust eine deutlich höhere Fil-terflächenbelastung.
Abbildung 32: Druckverlust als Funktion der Filterflächenbelastung
Hinsichtlich des Abscheidegrades kann ein sehr breites Spektrum abgedeckt werden (Abbildung 33). Für praktische Anwendungen sind aber Materialien mit einem Abscheidegrad unter 50 % bei PM2.5 uninteressant.
Ergebnisse Zahlreiche Materialvarianten liegen allerdings über dieser Grenze, so dass diese weiter zu betrachten sind. Interessant sind vor allem die Varianten NV 11
(Abbildung 34). Hier werden sehr hohe Abscheidegrade erreicht.
Abbildung 33: Fraktionsabscheide-grad der Materialien im Vergleich
Abbildung 34: Fraktionsabscheide-grad für NV 11 im Vergleich
Abbildung 35: Exemplarisches Druckverlustverhalten für NV 1
Abbildung 36: Exemplarische Abscheideverhalten für NV 1
Fazit Aus den durchgeführten Messungen und Untersuchungen können nun die Eigenschaften der Materialien und die möglichen Einsatzgebiete besser einge-schätzt werden.
Als besonders günstig von den Materialeigenschaften wurden die Faserstoff- Kombinationen:
• NV1_1 (100% LF1, Kontakttrocknung ohne Wasser-strahl)
• NV1_2 (100% LF1, Kontakttrocknung mit Wasserstrahl)
• NV11_2_2 (50% LF2 + 50% Kraftpapier, Kontakttrock-nung mit Wasserstrahl)
• NV11_F_1 (50% LF2 + 45% Kraftpapier, Kontakttrock-nung ohne Wasserstrahl)
selektiert. Hier sollte mit der Praxis- Umsetzung weitergemacht werden.
13 Schlussfolgerungen
Schluss-folgerungen
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes haben gezeigt, dass es möglich ist mit einer definierten Wasserstrahlbehandlung und gezielter Faserstoffauswahl Papier-Nassvliese für Zwecke der Luftfiltration zu erzeugen.
Der Abfall des Druckverlustes konnte infolge der Wasserstrahlbehandlung gesenkt werden. So war es möglich Filtrationseigenschaften zu generieren, dass vergleichbare Ergebnisse von standardmäßig eingesetzten Kunststoff- oder Glasfaserfiltern erreicht werden konnten.
Es ist somit für die, überwiegend im kmU-Bereich befindlichen, Spezialpapier- und Filterhersteller einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber Wettbewerbern zu generieren, wenn die neu Entwickelten Papier-Nassvliese erzeugt und eingesetzt werden.
Mit der Nutzung der Wasserstrahltechnologie im Bereich der Siebpartie einer Papiermaschine wird eine neue Technologie eingesetzt, die in diesem Bereich noch nicht zu finden ist. Lediglich im Hygienepapierbereich werden die Verfahren Nassvlieslegung und Wasserstrahlbehandlung industriell genutzt.
Nach den ersten Rückmeldungen seitens der Projektbegleiter ist davon auszu-gehen, dass sowohl Papierhersteller, als auf Filterhersteller und Anwender großes Interesse an Produkten aus dem entwickelten Material haben. Eine Umsetzung in die Praxis ist in der Folgezeit zum Projekt zu erwarten.
Diskussionen mit interessierten Firmen und Forschungseinrichtungen zeigten, dass noch weitere Themengebiete aufbauend auf diesem Projekt bearbeitet werden können. Weiterführende Forschungsarbeiten an diesem Gebiet, vor allem hinsichtlich Verbesserung der Eigenschaften für feinste Filtrationszwecke, sind denkbar.
14 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Spezialpapier-hersteller
Die Herstellung von Papier-Nassvliesen für Luftfiltration zur Produktion von neuartigen Papierfiltern ist nur für kleine und mittlere Unternehmen (kmU) im Bereich der Spezialpapierhersteller interessant. Diese produzieren bereits in Nischenmärkten mit hoher Anforderung an Produktqualität und Flexibilität und können im internationalen Wettbewerb nur durch kurze Innovationszyklen bestehen. Die Entwicklungsarbeiten betreffen den Bereich der Papiererzeugung sowie der Weiterverarbeitung im Filterbereich und bilden somit einen großen Teil der Wertschöpfungskette ab. Das Projekt trägt dazu bei, Filter aus Papier-Nassvliesen auf dem Markt attraktiver zu machen. Durch Bereitstellung von Empfehlungen für eine qualitätsgerechte und kostengünstige Produkterzeugung trägt das Vorhaben zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten KMU bei. Nur diese Betriebe können flexibel genug relativ geringe Mengen an Spezi-alpapier herstellen. Da das zu entwickelnde Papier-Nassvlies bisher jedoch nicht existiert, besteht hier gerade für kleine und mittelständische Unternehmen eine besondere Chance, eine neue Produktlinie aufzubauen und einen neuen Kun-denkreis zu erreichen.
Filterhersteller Die entwickelten Papier-Nassvliese für Luftfiltration unterscheiden sich in Ihren Verarbeitungseigenschaften nur leicht nicht von bis dato eingesetzten Materia-lien. Für den Filterhersteller fallen aus diesem Grund keine weiteren Investitions-kosten an, um die neue Filterklasse an den Markt zu bringen. Dieser Punkt ist vor allem für die Wettbewerbsfähigkeit von kleineren Filterherstellern aus dem KMU-Bereich sinnvoll, da diese kurzfristig durch Vergrößerung des Angebot-sportfolios gestärkt wird. Als Ergebnis wird die führende Rolle der deutschen Wirtschaft im Bereich der Vliestechnologie und Vliesstoffherstellung weiter gestärkt, wodurch die Wirtschaftskraft insbesondere der KMU nachhaltig gefes-tigt wird. Der resultierende wirtschaftliche Nutzen für KMU hängt in erster Linie von der Akzeptanz von Filterelementen aus Papier-Nassvliesen beim Anwender ab. Die KMUs, die sich mit der Filterkonfektionierung und dem Filteranlagebau beschäftigen (ca. 500 KMUs in Deutschland), werden in der Lage sein, Ihre Produktionspalette mit den entwickelten biobasierten Luftfiltermaterialien zu erweitern.
Nutzen der Projekt-ergebnisse
Der Nutzen der Forschungsergebnisse resultiert insbesondere aus:
• dem kostengünstigen Herstellverfahren
• der Nutzung günstigerer Faserrohstoffe im Vergleich zu Glas-/ Kunststofffa-sern
• der Anwendungsspezifischen Steuerung der Filtereigenschaften
Zudem kann ein entscheidender Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet werden.
Durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe und sogar von hochwertigem (überwiegend Kraftzellstoff), füllstofffreiem Altpapier tragen die entwickelten Materialien zu einer Verbesserungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Ökologie bei.
Dies ist vor dem Hintergrund der CO2- und Klimaproblematik sowie den an die Erdölpreis-Entwicklung gebundenen Preisen für Kunststofffasern von großer Bedeutung für Industrieunternehmen, insbesondere KMU.
Die Forschungsstelle 3 (TITK) erarbeitet sich, zuzüglich zu erwartender Umsatz-steigerungen, weitere spezielle Kompetenzen auf dem Gebiet cellulosischer Spezialprodukte. Im Rahmen der Projektbearbeitung werden Grundlagen für eine erfolgreiche Überführung von Forschungsergebnissen in vermarktungsfähi-ge Produkte vermarktungsfähi-gelegt. Damit ist es möglich sehr flexibel auf Kundenwünsche zu reagieren und Produkte noch schneller an Markterfordernisse anzupassen.
Reduzierung von Rohstoffkosten – Kostenersparnis für kmU
Werden zur Betrachtung die aktuellen Rohstoffkosten mit einbezogen wird die Kosteneinsparung sehr deutlich. Die aktuellen Preise für Kunststofffasern (Poly-ester, Lyocell, Polyethylen, oder Polypropylen) liegen je nach Qualität bei 2-5 EUR/kg (2000 – 5000 EUR/t). Dem entgegen steht ein Zellstoffpreis von derzeit 1200 EUR/t [11]. Es wird ersichtlich, dass allein durch die Verwendung alternativer Rohstoffe ein Einsparpotential von mindestens 1000 EUR/t im Rohstoffeinkauf vorhanden ist. Der Einsparung bei den Zellstoffkosten stehen die Kosten für die Fibride entgegen. Eine genaue Abschätzung ist hier jedoch noch nicht möglich, da diese noch nicht im industriellen Maßstab verfügbar sind.
Deutschland besitzt am europäischen Filtermarkt einen Anteil von 19 % [12]. Es macht deutlich, dass bei einem Gesamtumsatz von 950 Mio EUR (Gesamt in Europa 2016) das Interesse an Kostenersparnissen bei den ca. 500 kmUs in Deutschland im Bereich Filteranlagenbau und Filterkonfektionierung ein Antrieb zur Verwendung der neuartigen Filtermaterialien sein kann.
Effizienz-steigerung kleinerer Papier- und
Filterhersteller
Es ist bekannt, dass Spezialpapiere meist in kleinen Mengen, aber mit einem sehr hohen Grad an speziellen technologischen Eigenschaften ausgestattet sind.
Durch ihre Flexibilität und auch der Möglichkeit verhältnismäßig kleine Produkti-onsmengen realisieren zu können, ist es den Spezialpapierherstellern möglich auf die Bedürfnisse des Filterherstellers beim Umgang mit dem neuartigen Filtermaterial eingehen zu können. Diese speziellen Papier-Nassvliese können dem Spezialpapierhersteller somit die Türen zu neuen, auch weltweiten, Märkten öffnen und neue Kunden zu generieren. Das Projekt liefert somit einen deutli-chen Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit für kleine und mittlere Unternehmen aus der Papier- und der Filterhersteller-Branche, da es diesen, meist mit geringen eigenen Forschungs- und Entwicklungskapazitäten, schwer möglich ist die komplexen Zusammenhänge der neuartigen Kombination aus Nassvlieslegung, Wasserstrahlbehandlung und Filterentwicklung mit der eigenen Infrastruktur zu erörtern.
Literatur
[1] WILHELM, A., FUCHS, H., AND KITTELMANN, W., Vliesstoffe: Rohstoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung. John Wiley & Sons, 2009.
2 SCHMALZ,E.Hochvoluminöse Vlieswirkstoffe zur Abscheidung grober und feiner Bestandteile aus gasförmigen Medien. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz, 2003
[3] SCHILDE W., HOFMANN, M. Spinnvlies / Wasserstrahl – Möglichkeiten einer innovativen Verfahrenskombination. 29. Hofer Vliesstofftage, 05.11.2014
[4] SCHMALZ,E.Hochvoluminöse Vlieswirkstoffe zur Abscheidung grober und feiner Bestandteile aus gasförmigen Medien. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz, 2003
[5] SCHMALZ,E.Untersuchungen zur Anpassung von Polvlies-Nähwirkstrukturen an den Einsatz in der Luftfiltration. Schlußbericht BMWI-Nr.: 298/99, Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V.
Chemnitz, 05/2001
[6] BLECHSCHMIDT, D. Hydrodynamisch verfestigte Verbundstoffe mit Filamentvliesstoffen und Dichtegradienten im Querschnitt. Schlußbericht BMWI-Nr.: IW 041200, Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. Chemnitz, 08/2006
[7] Einhundert AquaJets. Allgemeiner Vliesstoff-Report. 5, 2014.
[8] MÜLLER, T., ET.AL. (M)VOC and composting facilities part 2: (M)VOC dispersal in the environment. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. (2004);11(3):152-7
[9] Abschlussbericht Forschungsvorhaben PTS-TITK IGF 17331 BR Aufbau antimikrobieller Papiereigenschaften durch Integration funktionaler, cellulosischer Fibride in die Papierstruktur [10] URL:
https://www.fischer-luftfilter.de/ratgeber/abscheidegrad-und-fraktionsabscheidegrad-von-filtern-in-der-luftfiltration/ Abgerufen, 22.11.2018 [11] Die Preisseite, Aktuelle Papier-Rundschau (apr), Ausgabe 09/2018
[12] URL:https://www.ki-portal.de/21600/luftfilter-markt-bleibt-weiter-stabil/, Abgerufen am 20.11.2018
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