Magazine März 2019

Der Kunde im Mittelpunkt der textilen Welt

Neue Entwicklungsansätze der Vernadelungstechnologie

Heute finden vernadelte Vliesstoffe in unterschiedlichsten technischen Anwendungen ihre Verwendung, zum Beispiel als Vliesstoff an sich, als geosynthetische Tondichtungsbahn oder kombiniert mit einem Geogitter als Verbundstoff. Megatrends wie die Urbanisierung sowie die ökonomische Situation sind treibende Faktoren für das stetige Wachstum von Geovliesstoffen.

So wurden laut dem Report „worldwide outlook for the nonwovens industry“ im Jahr 2014 682.000 Tonnen Geovliesstoffe produziert. Für das Jahr 2020 liegen die Prognosen bei 943.000 Tonnen. Dies entspricht einem globalen Wachstum von insgesamt 38 % über sechs Jahre hinweg. [inda/edana, worldwide outlook for the nonwovens industry 2014 – 2020, Seite 166]

Entwicklungsansätze und Versuchsdurchführung

Groz-Beckert nutzt die, durch die Zusammenarbeit mit Kunden und Partnern, erzeugten Synergieeffekte unter anderem zum internen, eigenen Aufbau von Prozesswissen, sowie zur Verbesserung der Beratung und Optimierung von Produkten.

In diesem Rahmen werden auch unterschiedliche Grundsatzuntersuchungen durchgeführt: Ziel einer Versuchsreihe war es beispielsweise, den Einfluss der Nadelteilgeometrie auf die textilphysikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Faserorientierung und der Vernadelungsparameter von Vliesstoffen genauer zu analysieren. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die Anwendung der Geovliesstoffe gelegt.

Da Geotextilien zuweilen mehreren Ansprüchen gleichzeitig ‒ unter anderem gehören trennen, filtrieren und drainen zu ihren Aufgaben ‒ genügen müssen, erreicht die mechanische Beanspruchung im Regelfall die Grenzen der Belastbarkeit.

Was einem Geotextil letztendlich zugemutet werden kann, regeln die sogenannten Geotextil-Robustheitsklassen. Für Vliesstoffe gelten die folgenden Prüfungen:

  1. Bestimmung der Maße pro Flächeneinheit gemäß DIN EN ISO 9864
  2. Messung des Stempeldurchdrückwiderstands anhand von Versuchen gemäß DIN EN ISO 12236

Die Messwerte ermöglichen die Einordnung des Geotextils in eine Robustheitsklasse.

Je nach Art des Geotextils wird zwischen fünf verschiedenen Robustheitsklassen – von GRK1 bis GRK5 – unterschieden.

Vliesstoffe der Geotextil-Robustheitsklasse 5 müssen ein Flächengewicht von mindestens 300 g/m² und eine Stempeldurchdrückkraft von mindestens 3,5 kN aufweisen.

Um die produktionsbedingten Produktabweichungen zu berücksichtigen, beziehen sich die Anforderungen grundsätzlich auf das 5%-Mindestquantil.

Die richtige Nadel für die Anforderung des Endprodukts

In Teilbereichen des Geotextilspektrums arbeiten Groz-Beckert Kunden mit Tri STAR®- und Cross STAR®-Filznadeln, da die Oberfläche eine sekundäre Rolle spielt, dafür aber hohe Reißfestigkeiten im Produkt gefordert werden. Beide Nadeltypen zeichnen sich durch ihre hohe Effizienz aus.

Tri STAR®-Nadeln bieten konkave Seitenflanken und Cross STAR®-Nadeln eine zusätzliche, vierte Kante. Beide Arbeitsteilquerschnitte wurden innerhalb der Versuchsreihe einem Standard-Dreikant-Arbeitsteil gegenübergestellt.

Um mindestens der Robustheitsklasse 5 zu entsprechen, wurde ein Vliesstoff mit einem Flächengewicht von 320 g/m² hergestellt. Die Vliesbildung erfolgte mit 90 mm langen Polypropylen-Stapelfasern mit einer Feinheit von 4,4 dtex. Der Verzug in der Vliesstrecke VST 19 lag bei 40 %.

Die Vorvernadelung erfolgte auf einer DI-LOOM OD-II 20 mit GEBECON®-Nadeln. Die Einstichdichte wurde auf 75 S/cm² und die -tiefe auf 10 mm eingestellt.

Die Hauptvernadelung auf einer DI-LOOM OUG-II SB 15 erfolgte mit allen drei Arbeitsteilquerschnitten, immer mit einer Einstichdichte von 250 S/cm², im Tandembetrieb. Die Einstichtiefe wurde auf 8 mm eingestellt.

Ergebnisse

Die Untersuchung der Dichte ergab, dass die Vernadelung mit Tri STAR®- und Cross STAR®-Nadeln, verglichen mit einem Standard-Dreikant-Arbeitsteil, einen um über 10 % dichteren Vliesstoff bei ähnlichem Flächengewicht ergibt. Dies ist auf die höhere Vernadelungseffizienz durch verbesserte Faserumschlingung im Kerbenbereich (Tri STAR®) – bzw. durch die Verteilung der Kerben auf vier Kanten (Cross STAR®) – zurückzuführen. Außerdem werden Tri STAR®- und Cross STAR®-Nadeln hauptsächlich mit einem C-Kerbenabstand angeboten. Die eingesetzte Standardnadel hat einen R-Kerbenabstand und somit bei gleichen Vernadelungsparametern eine geringere Vernadelungsleistung.

Weitere Untersuchungen zeigen, dass das Reißfestigkeitsverhalten durch den Einsatz von Tri STAR®- und Cross STAR®-Nadeln ebenfalls positiv beeinflusst wird. Das MD / CD-Verhältnis wird gleichmäßiger und die Zugfestigkeit in Querrichtung, gemäß DIN EN ISO 9073-3, steigt bei der Tri STAR®-Nadel um 8 % – bei der Cross STAR®-Nadel sogar um 12 %. Analog hierzu sinkt die Dehnung.

Eine Prüfung nach DIN EN ISO 10319 war, aufgrund der fehlenden breiten Klemmbacken, nicht durchführbar. Ersatzweise wurde eine Anlehnung an die Norm 9073-3 vorgenommen.

Bei der Messung des Stempeldurchdrückwiderstands gemäß DIN EN ISO 12236 ergab die Gegenüberstellung aller drei Arbeitsteilquerschnitte durchweg positive Ergebnisse. Alle Nadeltypen erzielten die Robustheitsklasse 5, wobei die Cross STAR®-Filznadel das beste Ergebnis erreichte. In der nebenstehenden Tabelle sind die Ergebnisse grafisch dargestellt. Die Schwankungen der Flächengewichte wurden hier bereits ausgenommen, sodass die Resultate in den direkten Vergleich gestellt werden können.

Eine weitere Versuchsreihe, in der die Einstichtiefe der Hauptvernadelung auf 12 mm erhöht wurde, zeigte, dass der Stempeldurchdrückwiderstand drastisch abnimmt. Im Vergleich zu den Versuchen mit 8 mm sinkt der Gesamtdurchschnitt, bei einer Einstichtiefe von 12 mm um 11 % im Mittel. Somit kann mit der erhöhten Einstichtiefe die GRK 5 nicht mehr erreicht werden. Auch bei der Prüfung der Höchstzugkraft ist ein Kraftabfall zwischen 8 und 12 mm Einstichtiefe zu erkennen.

Standard-Dreikant 8 mm Einstichtiefe (links) und 12 mm Einstichtiefe (rechts)

Je höher die Einstichtiefe, umso mehr Kerben dringen in die Fasermatte ein und ergreifen die Fasern. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass bei 12 mm Einstichtiefe bereits eine Schädigung der Fasern eintritt. Daraufhin angestellte Laboruntersuchungen haben diese Vermutung bestätigt. Die Abbildung im linken Bild stellt ein Einstichloch bei 8 mm Einstichtiefe dar. Das rechte Bild zeigt ein Einstichloch mit deutlich mehr geschädigten Fasern bei einer Einstichtiefe von 12 mm.

Zusammenfassung und Ausblick

Diese Versuchsreihe zeigt den Einfluss der Arbeitsteilgeometrie von Filznadeln auf die textilphysikalischen Eigenschaften von Geovliesstoffen. Alle innerhalb des Versuchs mit einer Einstichtiefe von 8 mm hergestellten Vliesstoffe haben die Robustheitsklasse 5 erreicht (> 300 g/m² Flächengewicht und > 3,5 kN Stempeldurchdrückwiderstand).

Versuche mit um 50 % gesteigerter Einstichtiefe (12 mm) zeigen einen starken Kraftverlust, sodass hier nur eine niedrigere Robustheitsklasse erzielt werden konnte.

Werden die drei unterschiedlichen Arbeitsteilgeometrien direkt gegenübergestellt, lässt sich allgemein sagen, dass die Tri STAR®- und Cross STAR®-Filznadeln im Vergleich zum Standard-Dreikant-Arbeitsteil:

  1. bei derselben Maschineneinstellung eine höhere Dichte im Produkt erzielen
  2. bessere Reißfestigkeitsverhältnisse und eine höhere Isotropie bewirken
  3. einen höheren Stempeldurchdrückwiderstand aufweisen

Abgeleitet aus diesen Ergebnissen zeigt sich, dass aufgrund der Verwendung von Tri STAR®- und Cross STAR®-Filznadeln weniger Rohmaterial bei gleichen mechanischen Eigenschaften benötigt wird. Somit hat der Einsatz der richtigen Filznadeln ebenso signifikanten Einfluss auf die Materialkosten und dadurch direkt auf die Herstellkosten.

Das Technologie- und Entwicklungszentrum (TEZ) von Groz-Beckert bietet dazu die optimalen Voraussetzungen. Mit den Kompetenzzentren Maschentechnik, Webereitechnik und Vliesstofftechnik vereint es alle gängigen Flächenbildungsverfahren unter einem Dach.

Letzteres beheimatet auch die neue Stapelfaservernadelungslinie, welche Groz-Beckert selbst die Möglichkeit bietet, das eigene Prozesswissen auszubauen und somit seine Produkte stets zu optimieren oder Innovationen für die Nonwovens-Industrie zu entwickeln.

Des Weiteren steht die Anlage Kunden und Partnern für Versuche und gemeinsame Projekte, sowohl im Bereich der Nadel- als auch der Textilentwicklung, in verschiedenen Varianten zur Verfügung. Auch die Optimierung von Kundenprodukten und -prozessen liegt im Fokus.

Außerdem bietet die neue Linie Kunden die Möglichkeit, Kleinserien zu produzieren. Mit dem Gesamtangebot hilft Groz-Beckert, Ressourcenengpässe und Produktionsstillstände auf den eigenen Linien zu vermeiden.

Sie möchten sich intensiver mit der Vernadelung von Fasern und Vliesstoffen befassen oder benötigen Rat bei der Optimierung der Produktion von Nonwovens oder der Erweiterung Ihres Produktportfolios? Die Groz-Beckert Experten der Bereiche Felting und TEZ helfen Ihnen gerne weiter und ermitteln gemeinsam mit Ihnen die ideale Auslegung Ihrer Fertigung.

Groz-Beckert Filznadeln legen in der neuen Stapelfaservernadelungslinie – bei maximaler Bestückung, einer Einstichtiefe von 6 mm und einer Hubzahl von 1.500 Hüben in der Minute – in sechs Stunden gemeinsam eine Strecke zurück, die dem Erdumfang entspricht.