Entwicklung eines Meltblow-Verfahrens zur Herstellung thermoplastischer Feinstfaser-Vliesstoffe

Abstract

Das Meltblow-Verfahren wird seit vielen Jahren zur Erzeugung von Mikrofaservliesstoffen im Bereich von 1,0 Mikrom. - 20 Mikrom. eingesetzt. Aus verfahrenstechnischen Gründen sind damit jedoch Faserdurchmesser unterhalb 1,0 Mikrom. bislang nur sehr begrenzt herstellbar. Dies schränkt die Effizienz und Einsatzmöglichkeiten der Meltblow-Vliesstoffmedien beispielsweise in Filtrationsanwendungen erheblich ein. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines über den Stand der Technik hinausgehenden Meltblow-Verfahrens zur ökonomisch sinnvollen Herstellung von Feinstfasern im Durchmesserbereich zwischen 0,1 Mikrom. und 1,0 Mikrom. mit dem thermoplastischen Werkstoff Polypropylen. Dazu erfolgt erstmalig in dieser Arbeit eine umfassende Untersuchung von Modifikationen des Meltblow-Verfahrens, die zur Herstellung von Feinstfasern eingesetzt werden können. Die Experimente und Studien wurden dabei durch aktuelle Erkenntnisse der numerischen Strömungssimulation unterstützt. Die rheologische Charakterisierung ist notwendig, um die niederviskosen Polymer-Typen hinsichtlich prozessinhärenter Viskosität und Spinnstabilität zu bewerten und bildet damit die Grundlage für ein tieferes Verständnis des Materialverhaltens unter hoher Dehnung. Online-Rheometer-Messungen wurden durchgeführt, um die Viskositätsabnahme durch thermische Degradation und unter Zugabe reaktiver Additive zu kontrollieren. Die Ergebnisse unterstreichen die hohe Bedeutung einer geringen Polymer-Viskosität auf die Ausbildung von Feinstfasern, zeigen jedoch auch Grenzen des Verfahrens auf. Optimierte Prozessparameter und Parameterkombinationen, die zur Bildung von Feinstfasern führen, wurden durch die Nutzung statistischer Versuchsplanung an einem Einkapillardüsen-System erreicht. Erstmalig konnte hier auch eine systematische Untersuchung der Kapillar- und Luftschneidengeometrie erfolgen. Nähere Betrachtungen der Faserbildung unter Zuhilfenahme von Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen und Simulationen führten schließlich zum Aufbau eines optimierten Verfahrens mit temperierter Sekundärluft an einer 500 mm breiten Technikum-Anlage. Die Temperierung der Sekundärluft ermöglicht die Herstellung von Feinstfasern bei hoher Produktivität und bildet somit die Grundlage für das hier entwickelte, optimierte Verfahren. Erste Filtertests zeigen das hohe Potenzial dieser Feinstfaser-Vliesstoffe in der Feinstaubabscheidung.

Since many years the meltblow process is used for the production of nonwovens in a typical micro fiber range between 1.0 micron - 20 micron. Because of technology limitations fiber diameters below 1.0 micron have not been produced in an efficient way so far. This constrains the application area and the material efficiency, for example in filtration industry. Consequently the aim of this work is the development of a meltblow process that goes beyond state of the art; a process that allows the economic production of ultrafine fibers in a range between 0.1 micron and 1.0 micron with the thermoplastic material polypropylene. For the first time an extensive research on modifications of the meltblow process in terms of ultrafine fiber production will be shown in this thesis. The present experiments and studies were supported by CFD simulations. Rheological characterization of the low viscous polymers is necessary for the evaluation of the viscosity and spinning stability during the process. This leads to a deeper understanding of the material behavior under high tension. Online rheometry was used to control viscosity during thermal degradation and adding of reactive additives. The results underlined the importance of a low viscosity for the formation of ultrafine fibers but also identified limitations of the process. Optimized process parameters and parameter combinations for the formation of ultrafine fibers were achieved on a single-capillary nozzlesystem using a ‘design of experiment’ approach. For the first time, a systematical study of meltblow nozzle geometries was accomplished therein.Examination of the fiber drag procedure using high-speed videos and simulations led to the construction of an optimized process including temperature control of the secondary process-air on a 500 mm wide meltblow line. Controlled temperature of the secondary air allows the production of finest fibers with high productivity and therefore builds the basis for an optimized process developed in this work. First tests are showing high potential of these ultrafine fiber webs for fine dust filtration.