Gewebemodelle und Simulation von Permeabilitäts- und Barriereeigenschaften in Abhängigkeit der Herstellungsparameter
Final Report Abstract
Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand darin, eine Korrelation zwischen den Konstruktion-, und Webprozessparametern und der Porenmorphologie von Barriere- und Filtertextilien aufzustellen. Die Porenmorphologie textiler Strukturen bestimmt zahlreiche funktionale Produkteigenschaften. Dazu gehören die Barriere- (Wasserdichtigkeit, Partikelretention) und Komforteigenschaften (Permeabilität für Luft und Wasserdampf). Der Einfluss der Web- und Konstruktionsparameter der hochdichten Gewebe auf die Porenmorphologie und die daraus resultierenden Produkteigenschaften wurden anhand von physikalischen und optischen Methoden analysiert. Hierzu wurden ausgewählte Geometrieeigenschaften der Modellgewebe vermessen und die Permeabilitätseigenschaften anhand systematischer Messungen der Wasserdampfdurchgangswiderstand und Luftdurchlässigkeit der Modellgewebe ermittelt. Außerdem wurde die Porengrößenverteilung der Modellgewebe mittels der Durchströmungsporometrie bestimmt und die Zusammenhänge ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Permeabilität der Gewebestrukturen durch eine geeignete Auswahl der Garn- und Gewebekonstruktion in einem sehr weiten Bereich eingestellt werden kann. Besonders bewirkt die Variation des Fachschlusszeitpunktes eine klare Verschiebung der Porengrößenverteilung zu kleineren Porendurchmessern bei gleich bleibender Luftdurchlässigkeit. Zur Beschreibung des Durchströmungswiderstandes der Gewebe wurden zusätzlich zu zwei etablierten Modellen zwei modifizierte Modelle erarbeitet. Diese Modelle berücksichtigen die Meso- und Mikrostrukturporen und verwenden die gemessene Porengrößenverteilung beziehungsweise den bekannten Porositätsverlauf über den Gewebedicken. Für die virtuelle Abbildung der Geometrie der Multifilamentgewebe mit ihrer Porenstruktur wurden erstmalig auch Änderungen der Garnquerschnitte über den Rapport berücksichtigt. Bei der Generierung virtueller Gewebe wurde zum einen eine Software entwickelt, die in der Lage ist, aus einer Reihe von realitätsnahen Eingabeparametern Gewebe im Neuzustand softwaretechnisch im Rechner zu modellieren. Hierbei werden deterministische und stochastische Methoden der Geometrieerzeugung kombiniert. Zum anderen erfolgt die Rekonstruktion/Generierung von 3D-Gewebegeometrien aus einer Sequenz von 2D-Schnittbildern. Für die Simulation der Permeabilitäts- und Retentionseigenschaften der virtuellen Gewebegeometrien wurden entsprechende Werkzeuge für mikro-, meso- und makroskopische Betrachtung von Gewebeausschnitten bis zu einem Rapport entwickelt. Die simulativ bestimmten Permeabilitätseigenschaftender virtuellen Gewebe wurden mit den experimentell ermittelten Werten verglichen. Auf der Grundlage der virtuellen Gewebegeometrien wurde ein alternatives Simulationsmodell für Durchströmungs- (CFD-) und Partikelretentions- (DEM-) Simulationen entwickelt. Die stückweise Beschreibung der Garnkontur sowie die simulative Bestimmung und mathematische Modellierung der anisotropen Permeabilität wurden erfolgreich durchgeführt. Die entwickelten Methoden und Werkzeuge zur Simulation der Permeationsvorgänge an hochdichten Geweben sind prinzipiell auch auf andere textile Strukturen, z. B. Verstärkungsstrukturen, medizinische Scaffolds übertragbar. Dies ermöglicht zum einen eine tiefere Durchdringung der Permeationsvorgänge von Fluiden und Partikeln durch textile Strukturen. Zum anderen kann dadurch die Entwicklung anforderungsgerechter textiler Strukturen für die Anwendungsfelder Kunststofftechnik und Medizintechnik unterstützt werden.
