BioFilter - Biogene Filtermedien auf Basis thermoplastischer Polymere und Fasern

In der Luftfiltration werden vor allem Vliesstoffe und Filze aus Synthesefasern (Polyester, Polypropylen) oder Glasfasern eingesetzt. Dabei handelt es sich um Filtermedien, die eine hohe Effizienz, lange Standzeit und ein gutes Preis-Leistungsverhältnis bieten. Trotz der guten Eigenschaften aktueller Filtermedien wird in vielen Anwendungsgebieten zunehmend der Ersatz durch biogene Fasern gefordert.

Als viel versprechende und geeignetere Alternative zu erdölbasierten Synthesefasern zur Herstellung von Filtermedien für die Luftfiltration soll im vorliegenden Forschungsvorhaben die Verwendung von Fasern aus Polymilchsäure (Polylactid, PLA) betrachtet werden.

Der aliphatische Polyester PLA weist vergleichbare mechanische Eigenschaften wie Poly(ethylenterephthalat) (PET) auf, allerdings eine geringere Schmelz- und damit Einsatztemperatur. Die Methylgruppe der Wiederholungseinheit verleiht dem Polymer eine wasserabweisende (hydrophobe) Natur und senkt die Wasseraufnahme, was im Hinblick auf den Einsatz in Filtermedien grundsätzlich vorteilhaft ist.

Dennoch weist PLA eine ausgeprägte Hydrolyseempfindlichkeit auf, die bei hohen Prozess- und Einsatztemperaturen zu einem signifikanten Abbau führt.

Abbildung: Vorversuche zum vorliegenden Forschungsantrag zeigen den deutlichen Unterschied im Abbau von reinem PLA zu PLA/PBS-Blendmaterial nach alkalischer Hydrolyse  (NaOH, 4 g/l (a) bzw. 40 g/l (b), 20 h bei RT).

 

Die Literatur beschreibt zahlreiche Ansätze, Degradationseffekte durch chemische Modifikation des Polymers, Blending oder Nachvernetzung zu beeinflussen, um so zum einen die Verarbeitbarkeit zu verbessern und zum anderen die Polymereigenschaften zu kontrollieren. Letztere umfassen unter anderem die Festigkeit, Duktilität oder den Abbau in biologischem Milieu.

Es ist aber festzustellen, dass viele der beschriebenen Ansätze in ihrer Ausrichtung den Anforderungen eines Einsatzes von PLA als Filtermaterial entgegen laufen. So werden für die Herstellung biokompatibler und abbaubarer Medizintechnikprodukte Hydrophilie und hydrolytische Degradation promoviert statt verringert. Ebenso streben Modifikationen oftmals eine Erhöhung der Bruchdehnung bei gleichzeitiger Verringerung der Bruchfestigkeit an. Beides ist für die Gewährleistung der definierten Porenstruktur eines Filtermediums mit teils hoher Flächenlast nachteilig.

Forschungsziel des Forschungsvorhabens ist, wissenschaftliche Grundlagen für die Entwicklung neuer biogener Filtermedien auf der Basis von Vliesstoffen aus Polylactid mit modifizierten Eigenschaften zu erarbeiten.

Zentraler Ansatz der Forschungsarbeiten ist das Blending des PLA mit geeigneten, ebenfalls biobasierten Polymeren (z.B. PBAT oder PBS) in der Vliesherstellung. Erst in zweiter Linie ist alternativ an die Zugabe von z.B. Peroxiden zur Erhöhung der Vernetzung gedacht. Ein zweites, wesentliches Merkmal der geplanten Untersuchungen ist die eingehende Bewertung der betrachteten Modifikationswege und der dabei erzielten Werkstoffinnovation durch anwendungsspezifische Untersuchungen der Langzeitstabilität, der Lebensdauervorhersage sowie filtrationstypischen Schädigungsphänomenen. Hierin wird eine wesentliche Ergänzung des bestehenden Wissens über Eigenschaften und Abbau des modifizierten PLA gesehen.

Angaben zum Forschungsvorhaben

Forschungsthema: „BioFilter - Biogene Filtermedien auf Basis thermoplastischer Polymere und Fasern
IGF-Forschungsvorhaben Nr. 19812 BG
Laufzeit 01.01.2018  bis 31.12.2019

Ansprechpartner:
Dr. Thomas Bahners, Tel. +49 2151 843-2016, e-Mail: bahners@dtnw.de
Gemeinschaftsprojekt mit dem Sächsischen Textilforschungsinstitut (STFI), Chemnitz