Wie Maskenfiltervlies hergestellt wird

Jun 19, 2023

Coronaviren sind wie andere Viren winzig – viel zu klein, um sich in den meisten Textilien zu verfangen. Um zu verhindern, dass sie einen Maskenfilter durchdringen, müssen Ingenieure verschiedene physikalische Tricks anwenden.

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Immer wenn in Corona-Zeiten mehrere Menschen zusammenkommen, tragen sie Masken. In medizinischen Mund-Nasen-Schutzmasken und anderen hochwertigen Schutzmasken ist immer ein spezielles Filtervlies eingearbeitet. Dieses Vlies wird im sogenannten Meltblown-Verfahren hergestellt.

Das Familienunternehmen Reifenhäuser mit seiner Tochtergesellschaft Reicofil in Troisdorf nahe der ehemaligen Bundeshauptstadt Bonn gehört zu den Weltmarktführern für Maschinen zur Herstellung solcher Spezialvliesstoffe.

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Detlef Frey ist Leiter Forschung und Entwicklung bei Reicofil. Er öffnet uns die Tür zum Technikum, wo er und seine Kollegen an der Herstellung sogenannter Vliestextilien forschen, also Stoffen aus synthetischen Fasern, die nicht erst gesponnen und gewebt werden müssen.

Pilotanlage im Krisenmodus

„Wir haben hier 2.000 Quadratmeter und drei Produktionsstätten. Alles, was wir hier gebaut haben, entspricht den Werken, die draußen beim Kunden produzieren“, sagt Frey.

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„Eigentlich haben wir hier die Anlagen eingerichtet, um Kunden bei der Entwicklung von Produkten unterstützen zu können. Unsere Kunden können alles, was wir hier mit den Herstellungsprozessen machen, bereits vor Ort nutzen. Aufgrund der Coronavirus-Pandemie haben wir uns jedoch entschieden, dass wir das jetzt nutzen werden.“ Laboreinrichtungen zur Herstellung von Maskenfiltermaterial.

Und dieses Material soll in der Lage sein, alle Arten von Schadstoffen aus der Atemluft zu entfernen – nicht nur Viren und Bakterien, sondern auch Schleifmittel oder andere Stäube, winzige Aerosoltröpfchen oder Asbestfasern. Damit dies funktioniert, muss das Vlies eine äußerst feine Struktur aufweisen.

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Bei der Herstellung wird der Kunststoff Polypropylen (PP) zunächst geschmolzen, bis er etwa die Konsistenz von flüssigem Honig hat. Dann fließt es durch winzige Düsen und bildet darunter einen hauchdünnen Faden. Aber so dünn wie später ist es noch lange nicht. Um diesen endgültigen Grad an Schlankheit zu erreichen, wird der geschmolzene Faden geblasen, was daher oft als Meltblown-Verfahren bezeichnet wird.

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Nanometerdünne Fäden, aber extrem langlebig

„Unser Polypropylen hat einen Schmelzpunkt von 160 Grad Celsius. Die Luft hat eine Temperatur von etwa 250 Grad. Dort treffen die heiße Luft und die heiße Schmelze unter extremer Beschleunigung aufeinander“, sagt Frey.

Die Luft trifft mit etwa 300 Metern pro Sekunde auf die Kunststofffäden. In einer normalen Atmosphäre entspricht das fast der Schallgeschwindigkeit. Da der Luftstrom jedoch von zwei Seiten auf die Kunststofffäden trifft und es in einem sehr kleinen Bereich zu chaotischen Wirbelzuständen kommt, vervielfacht sich die auf die endlosen flüssigen Kunststofffäden wirkende Relativgeschwindigkeit.

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Kurzzeitig werden sie auf fast 40.000 Kilometer pro Stunde (24.855 Meilen pro Stunde) beschleunigt – schneller als die Umlaufgeschwindigkeit der Internationalen Raumstation (ISS). Dadurch werden die Fäden – auch Filamente genannt – unglaublich dünn.

„Gleichzeitig müssen wir verhindern, dass die Filamente abbrechen“, sagt Ingenieur Frey. „Es ist faszinierend, wenn man bedenkt, dass dieser Kunststoff diesen Bedingungen standhält und wir in der Lage sind, ein solches Produkt in gleichbleibender Qualität herzustellen.“

Qualitätskontrolle im Labor und an den Maschinen

Das sei nicht einfach, ergänzt Alexander Klein, der als Entwicklungsingenieur im Technikum arbeitet. „Man muss die Einstellungen so anpassen, dass man ein homogenes Vlies ohne Störungen, mit durchgehenden Filamenten und ohne Filamentbrüche erhält, um am Ende ein homogenes Produkt mit der Feinheit der Fasern zu haben“, sagt er.

Deshalb ist es wichtig, den Produktionsprozess zu kontrollieren. „Dazu nutzen wir Inspektionssysteme, die eventuelle Mängel am Produkt optisch erkennen“, sagt Klein. „Darüber hinaus entnehmen wir regelmäßig Materialproben, die wir im Labor auf Luftdurchlässigkeit und Abscheidegrad am Filter testen, damit wir die Vorgaben der jeweiligen Klassifizierung erfüllen.“

Darüber hinaus messen Sensoren automatisch die Luftdurchlässigkeit des fertigen Filtermaterials. „Durch Tests können wir erkennen, ob sich etwas ändert, das darauf hindeutet, dass etwas im Prozess nicht so funktioniert, wie es sollte“, sagt Ingenieur Klein.

Und das kann leicht passieren, denn die Fäden sind bei der Durchmischung durch die heiße Luft noch fast flüssig und ziemlich klebrig.

„Diese chaotischen Bewegungen helfen uns, ein wirres Netz zu bilden, das ein Netz bildet, und weil das Polymer noch nicht vollständig abgekühlt ist, klebt es sogar auf dem Siebband zusammen. Dieses Netz hat eine physikalische Porengröße von etwa 10 Mikrometern – vielleicht einem.“ etwas kleiner", erklärt Forschungsleiter Frey.

Die Filamente, aus denen das Netz besteht, sind nur einen halben Mikrometer dick. Mit einem einzigen 7-Gramm-Faden dieses Durchmessers könnte man beispielsweise die ganze Erde umspannen. Ein solcher Faden wiederum würde je nach Qualität der Maske für etwa zwei bis vier Gesichtsmasken reichen.

Viren sind noch viel, viel kleiner

Obwohl es bereits sehr fein ist, würde dieses Vliesnetz bei weitem nicht ausreichen, um Viren aus der Luft abzuschirmen, einfach weil sie so winzig sind. Die Öffnungen im Filtermaterial sind mit 0,12 Mikrometern etwa hundertmal so groß wie das Virus.

Deshalb nutzen die Ingenieure physikalische Tricks, etwa indem sie die Tendenz kleiner Partikel ausnutzen, sich an Oberflächen anzulagern.

„Eine davon ist die Diffusion, die durch die Brownsche Molekularbewegung in Kombination mit Trägheit verursacht wird. Das Teilchen heftet sich auf seinem Weg an die Oberfläche. Es trifft auf ein Filament und bleibt aufgrund von Reibung oder intermolekularen Kräften daran hängen“, erklärt Frey. „Kräfte zwischen Molekülen sind wichtig, wenn wir in Bezug auf Viren denken.“

Aber das würde immer noch nicht ausreichen, um Viren aus der Luft zu filtern. Dabei kommt den Ingenieuren zugute, dass Viren meist eine fettige Oberfläche haben. „Polypropylen ist lipophil, also fettanziehend“, sagt er. „Jedes Medium, das an seiner Oberfläche fettig ist, heftet sich sehr leicht an diese Substanzen.“

Elektrostatische Anziehung

Aber auch das würde vieles dem Zufall überlassen. Deshalb unterstützen Frey und seine Kollegen den Filterprozess weiter: „Wir müssen eine zusätzliche Kraft einführen, die die Viren trennt und anzieht. Das sind elektrostatische Kräfte, die wir derzeit ausgiebig nutzen.“

Diese Kräfte werden wie folgt genutzt: Bei der Produktion läuft das fertige Vlies über eine geerdete Walze. Auf der anderen Seite befinden sich zahlreiche Hochspannungselektroden. „Eine relativ einfache, aber sehr effektive Technologie“, sagt Ingenieur Frey. „Dreißig Kilovolt werden angelegt und ein kleiner Strom fließt durch die ionisierte Luft.“

Danach fühlt sich das Vlies an wie ein elektrostatisch aufgeladener Wischmopp, wie man ihn heutzutage zum Staubwischen in vielen Drogerien kaufen kann. Das Filtermaterial funktioniert genauso.

„Also lade ich das Produkt elektrostatisch auf, habe eine bestimmte Polarität und kann damit Kräfte – und hier kommt die Grenze – auf Partikel ausüben, die irgendwie leitend sind. Aber solange Wasser vorhanden ist, sind sie leitend.“ Sagt Frey.

Dies gilt beispielsweise für Aerosoltröpfchen, die jemand aushustet. Solange die Viren bereits an diesen Tröpfchen haften oder darin schwimmen, fängt der Filter sie auf, auch wenn sie winzig sind.

Das bedeutet aber, dass frei in der Luft schwebende Viren theoretisch immer noch durch den Filter gelangen könnten, wenn keine der anderen physikalisch wirksamen Kräfte sie zurückhalten. In der Praxis dürfte dies jedoch die Ausnahme sein. Und solch geringe Virusmengen spielen bei Infektionen keine so große Rolle.