Untersuchung und Analyse der Auswirkung von Faservermischung auf die Festigkeit von Vliesstoffen, hergestellt mit Doppelwalzen-Kardiermaschinen

Stärkere Stoffe aus Alltagsfasern

Von Feuchttüchern und medizinischen Kitteln bis hin zu Reinigungstüchern: Viele Alltagsprodukte beruhen auf Vliesstoffen, die aus verfilzten Fasern bestehen statt aus traditionellem Gewebe. Diese Studie stellt eine scheinbar einfache Frage: Wie beeinflusst die Art, wie Fasern innerhalb einer Maschine vermischt werden, die Festigkeit des fertigen Stoffes? Indem die Autoren in industrielle Kardiermaschinen — die Arbeitspferde, die Fasern kämmen und mischen — blicken, zeigen sie, dass die Gestaltung des Faserdurchlaufs durch die Maschine die Festigkeit verbessern kann, ohne die Materialmenge zu verändern.

Wie moderne Faserkämme unsere Materialien formen

Vliesstoffe wie Spunlace bauen auf einem präzisen Vorverarbeitungsschritt namens Kardierung auf. Dabei werden lose Fasern auf schnell rotierende Zylinder mit feinen Metallzähnen aufgegeben, die Klumpen auskämmen und eine dünne, luftige Lage — ein Vlies — bilden. Bei Viskose–Polyester-Mischungen, die häufig in Hygiene- und Techniktextilien verwendet werden, beeinflusst die Qualität dieses Schritts — wie gleichmäßig Fasern geöffnet, orientiert und gemischt werden — maßgeblich die Festigkeit des Stoffes. Kardiermaschinen sind jedoch komplexe Baugruppen aus Trommeln und kleinen Rollen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, sodass vorherzusagen, wie ihr Aufbau die Faservermischung beeinflusst, alles andere als trivial ist.

Zwei Maschinen, drei Betriebsarten

Die Forschenden konzentrierten sich auf eine industrielle Produktionslinie für einen leichten (40 Gramm pro Quadratmeter) Vliesstoff aus einer 80 % Polyester- und 20 % Viskose-Mischung. Sie verglichen zwei moderne Doppelwalzen-Kardiermaschinen mit unterschiedlicher innerer Anordnung. Eine verwendete eine einzelne Zwischenwalze, um Fasern zwischen ihren beiden Hauptzylindern zu übertragen; die andere nutzte ein aufwändigeres System aus vier Transferwalzen, das höhere Durchsätze erlaubte. Das Team führte drei Produktionstests durch: zuerst nur mit dem einfacheren Kardierer bei Volllast, dann nur mit dem fortschrittlicheren Kardierer bei Volllast und schließlich mit beiden Kardierern zusammen bei halber Last jeweils. In allen Fällen blieben die Gesamtproduktionsgeschwindigkeit und das Stoffgewicht konstant.

Das verborgene Faserdurchlaufen messen

Um das Maschinenverhalten mit der Stoffperformance zu verknüpfen, kombinierten die Autoren Messungen aus der Praxis mit einem mathematischen Modell der Faserbewegung innerhalb der Kardierer. Das Modell behandelt die Faserübertragung zwischen Walzen als einen probabilistischen Prozess: An jedem Kontaktpunkt zwischen Oberflächen hat eine Faser eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, aufgenommen und weitertransportiert zu werden. Aus Maschinengeometrie, Walzengeschwindigkeiten und der „Zähnigkeit“ ihrer Beläge berechnet das Modell zwei Schlüsselindikatoren: wie lange Fasern im Durchschnitt in der Kardiereinheit verbleiben und welche Strecke sie zurücklegen, während sie um Trommeln und Arbeiter–Abstreifer-Rollen zirkulieren. Diese Werte wurden getrennt für die beiden Maschinen und für jede Testkonfiguration berechnet.

Parallel dazu stellte das Team Tausende Meter Stoff her und schnitt Prüfstreifen über die volle 3,2 Meter breite Bahn. Mit standardisierten Zugversuchen maßen sie die Festigkeit sowohl entlang der Produktionsrichtung (MD, Machine Direction) als auch quer dazu (CD, Cross Direction). Statistische Analysen bestätigten, dass die drei Konfigurationen signifikant unterschiedliche Festigkeitsniveaus erzeugten. Die höchsten MD- und CD-Werte — und das ausgewogenste Verhältnis zwischen ihnen — traten auf, wenn beide Kardierer gemeinsam bei halber Last liefen, obwohl die Gesamtausbeute gleich blieb.

Längere Faserwege, stärkere Vliese

Das Modell erklärte, warum die Doppel-Kardier-Konfiguration am besten abschnitt. In dieser Anordnung entsprach die durchschnittliche Verweildauer jeder Faser in den Kardierern anderen Tests, aber die insgesamt innerhalb einer Maschine zurückgelegte Strecke war deutlich länger — über 26 Meter Umlauf gegenüber etwa 17 Metern im einfacheren Aufbau. Dieser verlängerte Weg führt dazu, dass Fasern mehr Kamm- und Mischvorgänge erleben, was zu einer gleichmäßigeren Durchmischung und besseren Orientierung führt. Die Studie fand einen klaren empirischen Zusammenhang: Stoffe waren am stärksten, wenn die berechnete Faserweg-Länge innerhalb der Kardierer am größten war. Mit anderen Worten: Entscheidend ist nicht nur, wie lange Fasern in der Maschine verweilen, sondern wie intensiv sie umgelenkt und durchmischt werden.

Sauberere, günstigere und robustere Produkte entwerfen

Aus Nutzersicht lautet die Botschaft: Eine intelligentere Maschinengestaltung kann Wegwerfprodukte robuster und potenziell nachhaltiger machen, ohne zusätzliche Faser einzusetzen. Der Betrieb zweier Kardierer im Tandem und das Feinabstimmen der Faserführung zwischen ihren Trommeln erlaubt es Herstellern, den internen Mischweg zu verlängern, während Produktionsgeschwindigkeit und Stoffgewicht unverändert bleiben. Das eröffnet die Möglichkeit, weniger Rohmaterial für dieselbe Festigkeit zu verwenden, was Kosten senkt, Energieverbrauch reduziert und die Menge an synthetischen Fasern im Abfallstrom verringert. Die Autoren schließen, dass die durchschnittliche Faserumlaufstrecke innerhalb der Kardiersektion ein einfacher, aber wirkungsvoller Indikator für Stofffestigkeit ist — und ein praktisches Ziel für Ingenieure, die leistungsfähigere Vliesstoffe entwickeln wollen.

Zitation: Niedziela, M., Sąsiadek, M., Woźniak, W. et al. Investigation and analysis of the impact of fibre mixing on the strength of nonwoven fabrics produced using double-drum carding machines. Sci Rep 16, 11708 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47728-8

Schlüsselwörter: Vliesstoffe, Faservermischung, Kardiermaschinen, Spunlace-Produktion, Textilmechanik