Pinguinfasern als Vorbild für neuartige Filtermedien zur Filterung von Aerosolen und Mikroplastik

In diesem Verbundprojekt wollen wir eine von der Pinguinfeder inspirierte Doppelnetzwerkstruktur mit Poren von 0,3 µm herstellen. Die Vorhersage der Partikeldiffusion in den Filtern beruht auf der detaillierten Beschreibung der Porenraumstruktur, die mittels Röntgen-Computertomographie (CT) mit einer Auflösung von einigen zehn Nanometern (Nano-CT) erstellt werden soll. Die hochauflösenden volumetrischen Bilder des Porenraums ermöglichen eine detaillierte quantitative Analyse der Fasermaterialien durch Abschätzung von (1) Dicke und (2) Porosität des Mediums, (3) Faserdurchmesserverteilung und Oberfläche, (4) Porengrößenverteilung und (5) Tortuosität des Porengangs. Die Porosität, definiert als die Ausdehnung des Hohlraums, beeinflusst den Flüssigkeitsstrom. Die Tortuosität beschreibt die durchschnittliche Ausdehnung der gewundenen Flüssigkeitspfade innerhalb der Poren. Ein Vergleich mit Tortuositäts- und Porositätswerten, die mit Hilfe von volumetrischen Nano-CT-Bildern ermittelt werden und die Poren bis zu einer Größe von 150 nm erkennen, wird das Verständnis für die Auswirkungen der Mikrostruktur auf die intrinsische Permeabilität verbessern. Die Flüssigkeitsströmung und die Durchlässigkeit der Fasern für Flüssigkeiten werden anhand der 3D-Daten der untersuchten Materialien simuliert. Der anfängliche Druckabfall, die Filtereffizienz, die Lebensdauer und die Strömungsgeschwindigkeit sind hierbei Größen, die berechnet werden sollen. Die erzielten Ergebnisse dienen als Richtschnur für die Änderung der synthetischen Pfade, die zur Herstellung eines Filtrationsmediums mit optimaler Struktur und maximaler Filtereffizienz bei niedrigem Druckabfall führen.