Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bionisch inspirierte flüssigkeitsgefüllte Hohlfasern mit stoßdämpfenden Eigenschaften (FibreFlow)

Flexible Dämpfungsmaterialien wie Gele, Abstandstextilien oder Schäume kommen in unterschiedlichen Varianten und in vielfältigen Anwendungsfeldern zum Einsatz. Diese umfassen Polsterprotektoren in der Kranken- und Altenpflege, Sporttextilien, Funktionstextilien im Bereich Arbeitsschutzbekleidung sowie orthopädische Orthesen. Die Hauptanforderung an in Polsterelementen eingesetzte stoßdämpfende Materialien ist ein Energieabsorptionsvermögen, welches ausreichend hoch ist, um auf das Material ausgeübte Kräfte zu verringern, sodass Verletzungen verhindert werden. Dafür ist eine bestimmte Dicke des jeweiligen Materials notwendig. Mit zunehmender Materialdicke sinkt jedoch der Tragekomfort aufgrund des größeren Volumens und Gewichts des Protektors. Weitere für den Tragekomfort wichtige Eigenschaften sind die Luftdurchlässigkeit und das Feuchtigkeitsregulationsvermögen des Textils. Eine reversible Drapierbarkeit sowie eine einfache Integration in Funktionskleidung, bei der keine aufwendigen zusätzliche Fügetechniken notwendig sind, spielen ebenfalls bei Materialien für Dämpfungselemente eine wichtige Rolle. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird daher eine Faser als Basis für stoßdämpfende Textilien entwickelt, bei der ein für Textilien neuartiges Dämpfungsprinzip verwendet wird, sodass alle genannten Eigenschaften erreicht werden. Das Ziel ist dabei die Entwicklung von flüssigkeitsgefüllten Hohlfasern. Das Funktionsprinzip der Dämpfung und damit der Energieabsorption findet durch die Reibung zwischen Flüssigkeit und Faserinnenoberfläche statt. Als bionisches Vorbild dient dabei die Schale der Pampelmuse, welche aus einer offenporigen schaumartigen Zellstruktur besteht, die aus hohlen miteinander verbundenen flüssigkeitsgefüllten Stegen gebildet wird. Dieses Dämpfungsprinzip wird in einem bionischen Übertragungsprozess auf flüssigkeitsgefüllte Hohlfasern angewendet. Die Ergebnisse ermöglichen KMU`S (Faser- / Textilhersteller) das Produktportfolio zu erweitern.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konnte ein Prozess im Schmelzspinnverfahren entwickelt werden, mit dem flüssigkeitsgefüllte Hohlfasern erfolgreich hergestellt werden können. Das Mantelpolymer wird hierbei über einen Extruder gefördert, während die Flüssigkeit für den Kern über ein Flüssigkeitsdosiersystem zur Spinndüse transportiert wird. Es konnte erfolgreich ein geeignetes Spinndüsenpaket konstruiert und in Betrieb genommen werden. Als Extrusionstemperaturen wurden Temperaturen zwischen 130 °C und 200 °C umgesetzt für Polyethylen und Polypropylen als Mantelpolymere. Als Kernkomponente konnte erfolgreich raffiniertes Sojaöl in die Fasern integriert werden. Die Polymerdurchsätze wurden von 0,9 kg/h bis 1,88 kg/h variiert, was Faseraußendurchmessern von 60 bzw. 120 μm entspricht. Insgesamt stellten sich für alle Durchmesservariationen 20 μm als geeignete Wandstärke heraus. Es konnten Verstreckungsgrade bis zu 1:3 erreicht werden. Bei der Analyse der Fasereigenschaften wurden maximale Faserfestigkeiten bis zu 11,5 cN/tex (PP, 1:3 verstreckt) gemessen, was zwar nicht den angestrebten 20 cN/tex entspricht; hierbei muss jedoch beachtet werden, dass die Kraft hier auf die Feinheit und damit auf das Gewicht pro Länge bezogen wird. Das Öl im Kern erhöht zwar das Gewicht der Fasern, nimmt jedoch keine Kräfte auf. Bei der Analyse der Dämpfungseigenschaften zeigten die ölgefüllten Hohlfasern im Vergleich zu ungefüllten Hohl- und Vollfasern eine leicht höhere Dämpfungswirkung. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde damit teilweise erreicht, da die Ergebnisse bezüglich der Dämpfungseigenschaften der entwickelten flüssigkeitsgefüllten Hohlfasern nur leicht besserer Dämpfungseigenschaften zeigen. Die Tendenzen zeigen jedoch das Potential dieses Ansatzes auf. Es wird vorgeschlagen, die Geometrie der gefüllten Hohlfaser hinsichtlich des Mantel-Kern-Verhältnisses noch weiter zu variieren und andere elastischer Mantelpolymere zu verwenden.