Polymerfasern

Polymerfasern (poly (griech.) = viele, meros (griech.) = Teilchen) (Synonym: Kunststofffasern) werden durch Polymerisation, -addition bzw. -kondensation gewonnen und stellen grundsätzlich kettenförmig angeordnete Makromoleküle dar.

Grundlagen

Polymere können nach der Anzahl der Grundstoffe (Monomere), aus denen sie erzeugt werden, eingeteilt werden. Wichtig ist jedoch, dass mindestens eine monomere Substanz die Kette aufbaut. Außer Glas- und Metallfasern bestehen die meisten Fasern und vor allem Polymerfasern, mikroskopisch betrachtet, aus einem Verbund kleinster Faserbündel.

Differenziert wird dabei in:

• pflanzliche Fasern und natürliche Polymere,
• tierische Fasern aus Eiweißmolekülen sowie
• synthetische Polymere aus synthetischen Ausgangsstoffen (z. B. Erdöl). Polymerfasern können aus nahezu jedem thermoplastischen Kunststoff gewonnen werden (z. B. PP, PI oder PAN).

Die Durchmesser der Fasern variieren dabei zwischen 1 und 100 µm.

Für Faserverbundwerkstoffe werden bis auf Aramid- und Polyethylenfasern keine Polymerfasern eingesetzt. Polymerfasern dienen hauptsächlich als Grundwerkstoff für den Membranaufbau, da dort die hervorragende Biegsam- und Dehnbarkeit der Werkstoffe entscheidend ist.

Massebestimmung und Kennzahlen

Die Bestimmung der längenbezogenen Masse der Polymerfasern erfolgt - wie bei anderen Fasertypen auch- in dtex, wobei 1dtex dem Wert von 1g/10km entspricht.

Heute zur Anwendung kommende Polymerfasern weisen vorzugsweise eine verarbeitete sehr geringe Dichte von 0,01 kg/l bis 0,1 kg/l auf. Polyester selber hat hingegen eine Dichte von 1,24 kg/l.

Eine weitere, speziell mikrophysikalisch charakterisierende Kennzahl ist der Polymerisationsgrad.

Herstellung

Ausgangspunkt zur Herstellung von Polymerfasern sind Kunststoffflocken oder -granulate, etwa aus PET, welche durch Trocknung, anschließende Schmelzextrusion und weitere nachgelagerte Prozessschritte zu dünnen Fasern weiterverarbeitet werden. Das extrudierte Polymer wird gefiltert, bevor es die Spinnerei passiert, wo es zu einem Faden gesponnen wird. Im weiteren Fertigungsprozess werden die Spinnfäden gezogen, getrocknet, in Stapelfasern geschnitten und zu Ballen weiterverarbeitet.

Mittels eines Ballenöffners werden aus den gepressten Ballen Faserklumpen gelöst. Das Ablösen der Fasern geschieht dabei mechanisch. Zur Herstellung von beispielsweise Polymerfaserfiltern ist die Mischung größerer Fasermengen notwendig. Nur so können Unterschiede hinsichtlich Sauberkeit, Farbe, Feinheit, Festigkeit sowie Konzentration ausgeglichen werden. Durch weitere nachgelagerte Arbeitsschritte wird dann die endgültige Einsatzfähigkeit erreicht.

Neu hinzugekommen ist die mechanische Behandlung des Polymerfasermaterials, damit eine dynamische Fixierung der Fasern erzielt werden kann.

Einsatz in der Filtration

Filtration bezeichnet allgemein ein mechanisches Trennverfahren zur Separation von Feststoffen aus einem Fluid. Das Fluid, welches die Feststoffpartikel enthält, strömt dabei über ein Filtermaterial. Letzteres hält in Abhängigkeit seiner Trennschärfe die Feststoffpartikel zurück. Die treibende Kraft der Filtration stellt die Druckdifferenz dar.

Die Verwendung von Polymeren und insbesondere von Polyester hat sich aufgrund der besonderen Eignung zur Filtration von Flüssigkeiten bzw. wässrigen Suspensionen in jüngster Zeit bewährt. Beim Einsatz von Polymerfasern in der Filtration handelt es sich nicht um Filamente (Fasern mit unbegrenzter Länge), sondern um definierte endliche Fasern mit einer typischen Länge von einigen Zentimetern im Bereich von 10 bis 200 mm. Außerdem kommt u.a. die vorteilhafte dynamische Fixierung der Fasern zur Anwendung. Ferner werden die sehr gute Festigkeit, Reibschlussbindung sowie Formschlussbindung der Fasern ausgenutzt. Die fasereigene Haftung wird durch eine mechanische Behandlung verstärkt, wodurch die Materialfestigkeit gezielt erhöht werden kann. Im Fokus steht dabei eine kohäsive anstatt einer adhäsiven Bindung.

Durch die vorteilhafte geringe Dichte entsteht ein offenes Material mit hoher Porosität, wodurch sich Schmutzpartikel über den gesamten Filter optimal verteilen können. Die Wirkung entspricht in diesem Zusammenhang einem „dreidimensionalen Filter“. Im Vergleich zu anderen Filtermedien werden durch die Anwendung von Polymerfaserfiltern eine nachteilige Filterkuchenbildung und damit ein Zusetzen des Filters vermieden. In diesem Zusammenhang wird von einer nahezu „drucklosen Filtration“ gesprochen.

Entsorgung

Nach Verwendung können aus Polymerfasern bestehende Produkte einerseits über den herkömmlichen Hausmüll entsorgt werden. Andererseits existiert ein Recyclingprozess, um die Fasern einer neuen Verwendung zuführen zu können.

Relevante Vorschriften und Normen

Gemäß der DIN-Norm 19624 dürfen Werkstoffe, Filterhilfsmittel und Zusatzhilfsstoffe beim Einsatz als Filtermedium keine Geruchs- oder Geschmacksstoffe (z.B. Phenole) sowie keine Fremdstoffe an das Wasser abgeben. Die Wasserqualität in deutschen öffentlichen Schwimmbädern wird in der Norm DIN 19643 beschrieben. Diese empfiehlt einen freien Chlorwert auf minimal 0,3 ppm (3 mg/l) im Beckenwasser und einen maximalen gebundenem Chlorwert (Mono-, Di- und Tri Chloramine) von maximal 0,2 ppm (2 mg/l). Auch andere unerwünschte Chlornebenprodukte wie z.B. THM werden auf 0,02 ppm eingeschränkt. Zum Schutz der Gewässer müssen nach dem Wasserhaushaltsgesetz (§19g) Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen so gebaut und betrieben werden, dass keine Verunreinigungen oder nachteilige Veränderungen der Gewässer entstehen.

Dazu müssen die in den Anlagen verwendeten Stoffe auf ihre wassergefährdende Wirkung untersucht und explizit eingestuft werden. Fasern aus beispielsweise recycelten PET-Flaschen sind der Gruppe „nicht wassergefährdende Stoffe“ zuzuordnen.

Literatur

• Dieter C. Buurman: Lexikon der Textilen Raumausstatter. Bonn 1992, ISBN 3-87150-380-0.
• Jan Knippers, Jan Cremers, Markus Gabler, Lienhard Julian: Atlas Kunststoffe + Membranen. München u.a. 2010, ISBN 978-3-920034-41-6.
• Horst Gasper, Dietmar Oechsle, Elmar Pongratz: Handbuch der industriellen Fest/Flüssig-Filtration. 2. Auflage. Weinheim 2000, ISBN 3-527-29796-0.
• Peter Grombach, Klaus Haberer, Gerhard Merkl, Ernst U. Trüeb: Handbuch der Wasserversorgungstechnik. 3. völlig überarb. Auflage. München u.a. 2000, ISBN 3-8356-6394-1.
• Hans-Jürgen Berger: Bädertechnik – Die Aufbereitung von Schwimmbeckenwasser nach der neuen DIN 19643. München u.a. 2001, ISBN 3-8311-1547-8.
• Li, Shen, Ernst Worrell, Martin K. Patel: Comparing life cycle energy and GHG emissions of bio-based PET, recycled PET, PLA, and man-made cellulosics. In: Biofuels, Bioproducts and Biorefining. Vol. 6, Nr. 6, 2012, S. 625–639.
• Andreas Richter: Filtermaterial zum Reinigen eines Fluids. Patentschrift DE 10 2012 006 997 A1, 2012.