Polymerfasern

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Polymerfasern (poly (griech.) = viele, meros (griech.) = Teilchen) sind organische Fasern, deren Faserstoff makrotektonisch aus Molekülen besteht, die durch Hauptvalenzbindungen miteinander zu Makromolekülen verkettet (= Polymeren) sind. Die Durchmesser der Fasern variieren dabei zwischen 1 µm und 100 µm.

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.

Je nach Ursprung des Materials wird unterschieden in:

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

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 1 dtex dem Wert von 1 g/10 km 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, die 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.

Die verbreitetsten Syntheseprozesse für Polymerfasern sind:

• Elektrospinnen
• Nassspinnen
• Schmelzspinnen
• Matrixspinnen

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.

Einsatz in der Filtration

Filtration bezeichnet allgemein ein mechanisches Trennverfahren zur Separation von Feststoffen aus einem Fluid. Das Fluid, das die Feststoffpartikel enthält, durchströmt dabei ein Filtermaterial. Letzteres hält in Abhängigkeit von seiner Trennschärfe die Feststoffpartikel zurück. Je nach Trennaufgabe beruht die Wirkung des Filters auf unterschiedlichen Abscheidemechanismen.

Die Verwendung von Polymeren und insbesondere von Polyester hat sich aufgrund der besonderen Eignung zur Filtration von Flüssigkeiten und wässrigen Suspensionen in jüngster Zeit bewährt. Polymerfasern, die zur Filtration eingesetzt werden, sind keine Filamente (Fasern mit unbegrenzter Länge), sondern definierte endliche Fasern mit einer typischen Länge im Bereich von 10 mm bis 200 mm. Außerdem kommt u. a. die vorteilhafte dynamische Fixierung der Fasern zur Anwendung. Ferner werden 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.

Da die Abstände der einzelnen Fasern zueinander deutlich größer sind als Faser- und Partikeldurchmesser, sind Faserfilter ein offenes Material mit hoher Porosität. Dadurch können sie zur Tiefenfiltration eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren entsteht im Gegensatz zur Oberflächenfiltration im Idealfall kein Filterkuchen.

Entsorgung

Bei der Entsorgung der gebrauchten Produkte aus Polymerfasern ist den Anforderungen des Gesetzgebers zu folgen. Das kann je nach abzutrennendem Stoff die Rückführung in einen Recyclingprozess, aber auch die Entsorgung als gefährlicher Abfall bedeuten.

Literatur

• 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.
• 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.