Projekt 22518/01

Steigerung der Abriebfestigkeit von mechanisch stark beanspruchten Textilien durch Ionenstrahlbehandlung

Projektträger

MONOFIL-TECHNIK Gesellschaft für Synthese Monofile mbH
Reutherstr. 30
53773 Hennef
Telefon: 02242/9276-12

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Papiersiebe aus Polyestermonofilen unterliegen einem hohen Verschleiß. Um den Verschleiß zu reduzieren, wurde in einem Machbarkeitsprojekt DBU (Az 14562) nachgewiesen, dass durch Ionen- und elektronenstrahlgestützte Implantation von Edelgasionen in Polyestermonofile deren Abriebfestigkeit gegenüber dem Polyesterrohmaterial, um bis zu 112% gesteigert werden konnte. Das in der Machbarkeitsstudie an-gewandte Batch-Verfahren soll im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts durch eine kontinuierliche Ionenstrahlbehandlung der Polymerfilamente ersetzt werden. Durch die dadurch erhöhte Haltbarkeit von Papiermaschinenfilzen könnte alleine im Trockenbereich von Papiermaschinen eine Einsparung von rund 1.800 Tonnen Polyester pro Jahr erreicht werden, die damit zusammenhängenden ökologischen Aspekte nicht mit eingerechnet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn die beim IVT vorhandene Ionenimplantationsanlage wird ein Auf- und Abwickelsystem mit einer Kühlplatte eingebaut. Die Wickelgeschwindigkeiten der Filamente sollen zwischen 0,12 mm/min und 12 cm/min variiert werden. Die Implantationsquelle wird mit einer Schlitzgitterkombination ausgerüstet, die eine homogene Bestrahlung gewährleistet. Die Gesamtbreite der Substrate, die behandelt werden können, sollen 5 cm betragen. Dies ist durch die Größe der Extraktionsgitter der Implantationsquelle bedingt. Die Übertragung vom Batch- in den kontinuierlichen Betrieb ist der entscheidende Schritt zu einer ökonomischen Ionenstrahlbehandlung von Textilien. Das dem Lösungskonzept zugrunde liegende Arbeitsprogramm beinhaltet neben der Optimierung der Abriebfestigkeit von Polymerfilamenten durch Implantation von Edelgasionen und Edelgasionenmischungen auch die Implantation von Fluorionen und das Ion-Beam-Mixing, um TiN auf der Filamentoberfläche zu verankern. Beim Ionen-Beam-Mixing genügen bereits kleine Ionendosen, um die Atome des Beschichtungsmaterials in das Polymer zu treiben. Die deutlich geringere Dosis macht das Ionenstrahlmischen wirtschaftlich interessanter als die reine Implantation. Mit Beschichtungsraten von 4 µm/min lassen sich Durchlaufgeschwindigkeiten von ca. 1 m/min erreichen. Die Abriebfestigkeit behandelter Polymerfilamente soll mittels eines Abriebtesters durchgeführt werden. Filamente mit den besten Abriebeigenschaften werden mit der Röntgendiffraktrometrie und DSC, die beide Auskunft über etwaige Änderungen im der Kristallitgröße geben, weiter untersucht. Ergänzt werden sollen die Untersuchungen durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen vor und nach Ätzen der Filamentbereiche.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurden wieder Untersuchungen zu den grundsätzlichen Möglichkeiten von Standzeitverlängerungen von Polyestermonofilen durch Ionenimplantation mit Schadstoffvermeidung und der Folge von Rohstoff- und Energieeinsparung durchgeführt. Dazu wurden am IVT kontinuierlich durch die Implantationsanlage laufende Polyester-Monofile zunächst mit Xe, Ar, Kr, He, N2, Hexafluorpropen-Ionen implantiert, um zu sehen, ob sich dadurch eine Erhöhung der Abriebfestigkeit von Polyestern ergab, wie sie aus dem vorangegangenen Projekt DBU Az 14562 zu erwarten war.
Außerdem wurde der am DWI für dieses Projekt erworbene Abriebtester in Betrieb genommen und erste Studien zum Erreichen einer wie bisher bekannten Abriebzeit von 10 min bis 15 min unternommen. Die Abriebwalze wurde mit einer Keramikschicht versehen, die zunächst solche Abriebzeiten ermöglichte. Allerdings ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht endgültig geklärt, ob die Art der Schicht noch einmal geändert werden muss. Variationen der Korngröße und des Keramikschichtfinish bieten sich an.
Die Messungen der Standzeiten einzelner Monofile bei dem Monofilscheuertest am DWI zeigten in bestimmten Gebieten der Proben DBU 1,3,5,8,10,12,14,15,16: beim Vergleich der Mittelwerte der Proben mit dem Mittelwert des Rohmaterials von 11,52 Minuten aus 5 durchgeführten Messungen für den Bereich DBU 1-16 lediglich bei einer Probe eine Standzeitverlängerung von 4 %, bei den anderen Proben eine Standzeitverkürzung von 8% - 20 %. Bei einem ersten Versuch mit Hexafluorpropen ergab sich sogar eine Standzeitverkürzung von 57 %. Einzelne Monofile zeigten gegenüber dem Mittelwert des Rohmaterials Standzeitverlängerungen von 1% - 24 %.
Beim Vergleich der Standzeiten der einzelnen Monofile des Rohmaterials für den Bereich DBU 1 - 16 ergaben sich im Vergleich zum angesetzten Mittelwert von 11,52 Minuten starke Schwankungen zwischen + 41 % und - 29 %. Da sich aus diesen ersten vorliegenden Abrissdaten keine Systematik entwickeln ließ, wurden die nächsten Experimente ab DBU 14 bis DBU 43 mit Ion - Beam-Mixing mit Titannitrid TiN durchgeführt, um festzustellen, ob die zu TiN gehörende höhere mechanische Stabilität sich auf die Filamente übertragen ließ.
Die interessantesten Ergebnisse ergaben sich bei einer zweiten Messung aus dem Bereich der Probe DBU 26 mit einer Erhöhung des Mittelwertes der Standzeiten der Monofile gegenüber dem Mittelwert der Standzeiten des Rohmaterials um 45% und einer Erhöhung der Standzeiten einzelner Monofile gegen-über den entsprechenden Rohmaterialmonofilen um bis zu 124 %.
Damit könnte sich ein erster hochinteressanter Aspekt ergeben haben. Allerdings ist die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse noch nicht gewährleistet.
Durch Messungen mittels Röntgendiffraktometer und mittels Röntgenphotoelektronenspektroskop wurde TiN in den implantierten Monofilen nachgewiesen. Allerdings ist über die Eindringtiefe noch zu wenig bekannt. Die Implantationsergebnisse sind noch nicht so gut, dass ein Einsatz implantierter Monofile in Papiersieben realisiert werden konnte.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es war das Ziel des Projektes, erste Aussagen über den Einsatz von Monofilen mit erhöhter Standzeit im Papiersieb zu erhalten. Da dieses Ziel noch nicht erreicht wurde, ist noch keine Veröffentlichung vorbereitet.


Fazit

Eine zuverlässige kontinuierliche Ionenimplantation zur Erhöhung der Standzeit von Monofilen ist noch nicht erreicht. An die Ursache dafür muss sich noch herangetastet werden. Mehrere Details müssen noch berücksichtigt werden:
Als noch nicht endgültig gelöst muss die Keramikbeschichtung der Abriebwalze des Scheuertestgerätes betrachtet werden. Möglicherweise ist es doch sinnvoller, die Keramikschicht nach dem Aufspritzen der Schicht abzuziehen. Dann ist die wahrscheinlich zu große Aggressivität der Spitzen genommen, allerdings reduziert sich dann die Rautiefe und die Standzeit des Monofils könnte sich enorm erhöhen. Wenn abgezogen wird, sollte versucht werden, mit gröberem Korn Plasma zu spritzen um eine Rautiefe zu erzielen, die wieder Standzeiten zwischen 10 min und 15 min beim nicht implantierten Material hervorbringt.
Weitere Implantationsuntersuchungen sollten auf den Versuch DBU 26 aufbauen. Die dort verwendeten Parameter des Ion Beam Mixing sollten nachgestellt und zunächst nur minimal variiert werden. Mit dem während der Arbeiten an diesem Projekt in Betrieb genommenen Röntgendiffraktometer sollte die Charakteristik der Beschichtung intensiv untersucht werden