Erosionsschutzmatte mit Fasermatrix auf Cellulosebasis und Verfahren zur Herstellung von Erosionsschutzmatten mit Fasermatrix auf Cellulosebasis

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales Gebilde bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus überwiegend natürlichen Fasern, die auf und innerhalb des dreidimensionalen Gebildes verteilt vorliegt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gebildes bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern, die auf und innerhalb des dreidimensionalen Gebildes verteilt vorliegt

Unter "Filament" soll im Rahmen dieser Erfindung die im übrigen gebräuchliche Bezeichnung für "praktisch endloses fadenförmiges Gebilde aus endlichen Fasern oder aus ein oder mehreren praktisch endlosen Elementarfäden" verstanden werden. Bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung ein Monofilament, d.h. ein fadenförmiges Gebilde aus einem Elementarfaden, für die Matte aus synthetischen Filamenten verwendet.

Solche dreidimensionalen Gebilde aus synthetischen Filamenten und natürlichen Fasern werden häufig als Erosionsschutzmatten oder Bepflanzungshilfen eingesetzt.

Die unveröffentlichte europäischen Anmeldung mit der Anmeldenummer 04006317.4 offenbart eine Erosionskontrollmatte bzw. eine Rasenverstärkungsmatte bestehend aus einer Fasermatrix und einer Matte zur Unterstützung dieser Fasermatrix, die aus Filamenten besteht, die an ihren Kreuzungsstellen verbunden bzw. verschmolzen sind. Die Fasermatrix kann aus natürlichen oder synthetischen Fasern gebildet werden und ist mit der Matte verklebt. Die hier offenbarte Matte stellt ein geeignetes Mittel zur Erosionskontrolle oder als Bepflanzungshilfe dar.

JP 2000106751 -A offenbart eine „mattenartige" Struktur, die Samen und Düngemittel enthält und als Baumpflanzhilfe, zur Dächerbegrünung oder zur Böschungsbefestigung eingesetzt werden kann. Diese Struktur besteht aus einem Netz aus synthetischen Fasern, auf das ein Kleber aufgetragen wird. Auf dieses Netz aus synthetischen Fasern folgt eine mattenartige Lage kardierter Baumwollfasern, die durch den aufgetragenen Kleber mit dem Netz aus synthetischen Fasern verbunden wird. Auf diese Schicht werden Samen und Düngemittel aufgesprüht.

Über diese Schicht aus Samen und Düngemittel wird dann eine Lage aus Baumwollfasern oder Pulpe gesprüht. Zur Verbesserung der Keimfähigkeit können noch verschwelte Baumwollfasern zugegeben werden. Nachteil dieser Konstruktion ist der hohe technische Aufwand, dadurch, dass die Matte durch kardierte Baumwolle gebildet wird, die aufgeklebt werden muss.

Aufgrund der Tatsache, dass lediglich ein Netz und keine Matte aus synthetischen Filamenten verwendet wird, ist die Rückstellfähigkeit der in JP 2000106751 -A offenbarten Struktur nach mechanischer Belastung jedoch gering.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und damit eine zugleich wirksame und kostengünstige Alternative zum Stand der Technik anbieten zu können. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein dreidimensionales Gebilde bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern, die auf und innerhalb des dreidimensionalen Gebildes verteilt vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhalt zwischen den ungeordneten Fasern der Matrix untereinander sowie der Zusammenhalt zwischen den ungeordneten Fasern der Matrix und den Fasern aus synthetischen Filamenten der Matte durch Vermischen der Fasern gegeben ist.

Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass, aufgrund der polaren Struktur sowohl der Fasermatrix als auch der Matte aus synthetischen Filamenten, bei der Verbindung von Fasermatrix und Matte nicht nur das Vermischen von Fasermatrix mit den synthetischen Filamenten der Matte, sondern auch Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen und van der Waals Kräfte eine Rolle spielen.

Die Fasermatrix folgt in ihrer Form der Oberflächenkontur der dreidimensionalen Form der Matte aus synthetischen Filamenten, indem sie den überwiegenden Teil der Oberflächen zwischen den synthetischen Fasern, die die Kontur bilden bedeckt. Dabei enthält die Fasermatrix noch Öffnungen. Diese Öffnungen sind zufällig über die Oberfläche des dreidimensionalen Gebildes bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern verteilt und haben eine Größe von 1 mm2 bis 150 mm2 bevorzugt 10 mm2 bis 100 mm2 . Der Anteil der Öffnungen an der gesamten Oberfläche beträgt etwa 5% bis 50 % bevorzugterweise 10% bis 30%.

Die vorliegende Erfindung weist besonders im Hinblick auf die unveröffentlichte europäische Anmeldung mit der Anmeldenummer 04006317.4 eine optimierte Funktion der Erosionsschutzmatte hinsichtlich des Wasserablaufes auf und ist zudem mit relativ geringem technischen Aufwand zu realisieren. Die Fasermatrix zeichnet sich, aufgrund der für diesen Einsatzzweck relativ geringen Faserdicke von 0,5μm - 50μm, durch eine große spezifische Oberfläche aus.

Der Einsatz eines solchen dreidimensionalen Gebildes als Erosionsschutzmatte mit einer sich der Kontur der Matte aus synthetischen Fasern anpassenden Fasermatrix aus natürlichen Fasern bewirkt einen unmittelbaren Erosionsschutz, auch wenn sich noch keine schützende Vegetation gebildet hat, da die Fasermatrix verhindert, dass Bodenpartikel weggeschwemmt werden. Eine offene Struktur, bei ausschließlicher Verwendung einer Matte aus synthetischen Fasern, würde im Falle starker Regenfälle nicht verhindern können, dass Boden weggeschwemmt wird und böte deshalb nur eine geringe Schutzwirkung. Zudem würde der Boden in einer offenen Struktur schneller austrocknen. Die Fasermatrix, so ausgebildet, dass sie der Kontur der Matte folgt, ist zum einen in der Lage, Regenwasser zu speichern, d.h. zurückzuhalten und so ein vegetationsfördemdes Mikroklima zu schaffen, und zum anderen sorgen die Öffnungen in der Fasermatrix für eine gute Befeuchtung des unter dem dreidimensionalen Gebilde liegenden Bodens, wobei ein Wegschwemmen größtenteils verhindert wird.

Eine geschlossene Fasermatrix als Lage auf der Matte aus synthetischen Filamenten oder eine Fasermatrix, die die Form der Matte aus synthetischen Fasern ausfüllt und die zumindest aus fluiddynamischer Sicht eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, führt dazu, dass mehr Regenwasser über die Oberfläche der Matrix abfließt als beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine bessere Befeuchtung des unter der Matrix liegenden Bodens erreicht, da die Matrix keine ebene Fläche bildet, sondern den Konturen der Matte aus synthetischen Filamenten folgt und Öffnungen aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Fasermatrix ist gewährleistet, dass zum einen mehr Feuchtigkeit den unter der Erosionsschutzmatte gelegenen Boden erreicht und dass Regenwasser zum anderen nicht direkt auf den Boden trifft und die obere Bodenschicht weggeschwemmt wird.

Ein Langzeiterosionsschutz wird durch die Matte aus synthetischen Filamenten erzielt, da diese nicht verrottet. Zudem hat die Matte aus synthetischen Filamenten noch den Vorteil, dass sie, aufgrund ihrer elastischen Struktur und dadurch bedingten Rückstellfähigkeit, nach mechanischer Belastung im wesentlichen in ihre Ausgangsform zurückfindet und so für eine zusätzliche Armierung im Wurzelbereich der Vegetation sorgt. Die Matte aus synthetischen Filamenten kann aus Polyester, wie z.B. Polyethylenterephtalat, aus Polyolefinen, wie z.B. Polypropylen oder Polyethylen hergestellt werden, bevorzugt sind aufgrund ihrer Rückstellfähigkeit allerdings Polyamide, besonders bevorzugt wird die Matte aus synthetischen Filamenten aus Polyamid 6 hergestellt.

Die Fasermatrix aus natürlichen Fasern besteht im wesentlichen aus pflanzlicher Cellulose. Hier können Baumwollfasern oder bevorzugt Pulpe aus der Papierverarbeitung Verwendung finden. Für den Zusammenhalt der Fasermatrix sind Faserdicken im Bereich von 0,5 μm - 50 μm und die dadurch bedingte große spezifische Oberfläche von großer Bedeutung. Natürlich ist es auch möglich, nicht nur neue Materialien zu verwenden, sondern auch Recyclingmaterial. Hier sind aus dem Windelrecycling gewonnene Cellulosefasem zu nennen.

In einer besonderen Ausführungsform enthält die Fasermatrix neben Cellulose auch Holzfasern, Holzspäne oder zu Schnitzeln gehacktes Holz, die bevorzugt eine Länge von 1 bis 6 mm aufweisen. Dadurch wird ein noch besseres Festhalten von an ungeschützten Stellen weggeschwemmten Bodenpartikeln und eine Befeuchtung des unter der Matte liegenden Bodens erreicht. Gleichzeitig wird vermieden, dass durch zu hohe Abflussgeschwindigkeiten der Boden unter der Matte weggeschwemmt wird. Die Matte aus synthetischen Filamenten kann die Struktur eines Vlieses aufweisen, wobei sowohl Trockenvliese als auch Nassvliese möglich sind. Unter Vlies sind sowohl zweidimensionale als auch dreidimensionale Formen zu verstehen. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Matte aus synthetischen Filamenten einer der bekannten dreidimensionalen Enkamat® Strukturen, die aus einer Vielzahl von synthetischen Polymeren schmelzgesponnenen, sich stellenweise gegenseitig überkreuzenden and an den Kreuzungsstellen miteinander verschweißten Fäden bestehen.

Das dreidimensionale Gebilde bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern weist eine Stärke von 2 mm bis 40 mm auf, bevorzugt eine Stärke von 10 mm bis 20 mm. Für den Einsatz als Erosionsschutzmatte liegt die Stärke bei 2 mm bis 40 mm, in einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Stärke der Erosionsschutzmatte 10 mm bis 20 mm.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gebildes bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern, die auf und innerhalb des dreidimensionalen Gebildes verteilt vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die in Suspension vorliegenden natürlichen Fasern auf die Matte aus synthetischen Filamenten aufgetragen werden und dass die dann auf und innerhalb des dreidimensionalen Gebildes vorliegende Fasermatrix getrocknet wird. Für dieses Verfahren wird kein Kleber oder Binder benötigt, der die Fasermatrix zusammenhält oder die Fasermatrix mit der Matte aus synthetischen Filamenten verbindet. Das dreidimensionale Gebilde bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern hält dadurch zusammen, dass die Fasern der Fasermatrix aus natürlichen Fasern im wesentlichen ungeordnet vorliegen und ineinander greifen und dadurch sowohl die Fasermatrix aus natürlichen Fasern als auch die Fasermatrix aus natürlichen Fasern und die Matte aus synthetischen Filamenten zusammenhalten. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass, aufgrund der polaren Struktur sowohl der Fasermatrix als auch der Matte aus Filamenten, bei der Verbindung von Fasermatrix und Matte nicht nur das Vermischen von Fasermatrix mit den synthetischen Filamenten der Matte, sondern auch Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen und van der Waals Kräfte eine Rolle spielen.

Die Konzentration an Fasern in der aufzutragenden Fasersuspension liegt bei 0,5% bis 5%, vorzugsweise bei 1 % bis 2,5%. Die Fasermatrix aus natürlichen Fasern hat einen Gewichtsanteil an dem dreidimensionalen Gebilde bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern von 40% - 90%, vorzugsweise 50% - 70%.

Das Flächengewicht des dreidimensionalen Gebildes bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern beträgt 100 g/m2 - 600 g/m2, bevorzugt 200 g/m2 - 400 g/m2, besonders bevorzugt 300 g/m2 - 400 g/m2.

Die Suspension aus natürlichen Fasern ist üblicherweise eine wässrige Suspension, andere Suspensionsmittel außer Wasser und Suspensionsmittel, die nur teilweise Wasser enthalten, sind ebenfalls möglich. Die Auftragung der Suspension aus natürlichen Fasern auf die Matte aus synthetischen Filamenten erfolgt vorzugsweise durch Gießen, Sprühen oder Spritzen.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die Auftragung der Suspension aus natürlichen Fasern auf die Matte aus synthetischen Filamenten durch einen Schöpfprozeß erfolgt, d.h. durch Eintauchen der Matte aus synthetischen Filamenten in die Suspension aus natürlichen Fasern. Die Matte aus synthetischen Filamenten wird dazu in ein Bad oder eine Wanne mit Fasersuspension eingetaucht, nach dem Eintauchen kann die Matte einer leichten Longitudinal- und/oder Transversalbewegung unterzogen werden. Anschließend wird die Matte aus synthetischen Filamenten so aus dem Bad bzw. aus der Wanne wieder entnommen, dass ein feuchtes Fasergemisch auf der Matte aus synthetischen Filamenten verbleibt. Dafür kann z.B. auch eine in der Papierverarbeitung bekannte Rundsieb Papiermaschine verwendet werden.

Für die Auftragung der Fasermatrix können auch aus der Verfahrenstechnik bekannte Feststoffabscheider wie Bandfilter oder Trommeldrehfilter eingesetzt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Auftragung der Suspension aus natürlichen Fasern in Form eines Schaumes.

Die Auftragung der Suspension aus natürlichen Fasern auf die Matte aus synthetischen Filamenten kann auch durch Beflockung erfolgen, d.h. durch elektrostatische Aufladung erfolgen. Dabei ist sowohl ein Trockenverfahren als auch ein Nassverfahren einsetzbar.

Die Verarbeitbarkeit der Fasersuspension besonders im Hinblick auf die Auftragung kann durch Zugabe von Verdickungsmitteln verbessert werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also auch möglich, durch den Einsatz von Verdickungsmittel, eine relativ viskose Lösung auf die Matte aus synthetischen Filamenten aufzubringen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Auftragung der Fasersuspension vor Ort. Hier werden zunächst die Matten aus synthetischen Filamenten auf die zu bedeckenden Flächen ausgelegt und die Fasersuspension wird dann auf die Matten gegossen, gesprüht oder gespritzt. Da die Fasermatrix aus natürlichen Fasern nach der Auftragung eine hohe Feuchtigkeit aufweist, bietet sich anschließend eine Auftragung von Saatgut und Düngemittel an. Hier wird die nötige Feuchtigkeit bereitgestellt, um eine Keimung einzuleiten.

Auch ist die Auftragung von Saatgut und Düngemittel bei der Produktion des dreidimensionalen Gebildes bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern als Erosionsschutzmatte möglich. Nach Auftragung und Trocknung der Matrix aus natürlichen Fasern kann durch Zugabe von Saatgut und Düngemittel eine integrierte Erosionsschutzmatte bestehend aus einer Matte aus synthetischen Filamenten und einer Matrix aus natürlichen Fasern sowie Saatgut und Düngemittel hergestellt werden.

Für die Trocknung des dreidimensionalen Gebildes nach Auftragung der Suspension aus natürlichen Fasern auf die Matte aus synthetischen Filamenten stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Eine Möglichkeit stellt die Trocknung durch Heißluft dar.

Vorzugsweise erfolgt die Trocknung des dreidimensionalen Gebildes nach Auftragung der Suspension aus natürlichen Fasern auf die Matte aus synthetischen Filamenten durch Mikrowellentrocknung.

Eine weitere Alternative zur Trocknung des dreidimensionalen Gebildes nach Auftragung der Suspension aus natürlichen Fasern auf die Matte aus synthetischen Filamenten stellt die Trocknung durch Infrarotstrahlung dar.

Natürlich kann die Trocknung des dreidimensionalen Gebildes nach Auftragung der Suspension aus natürlichen Fasern auf die Matte aus synthetischen Filamenten auch durch Einwirkung von Sonnenstrahlung erfolgen. Eine solche Trocknung ist dann sinnvoll, wenn die Fasermatrix aus natürlichen Fasern vor Ort, d.h. unmittelbar dort, wo die Matte aus synthetischen Filamenten Verwendung findet, aufgetragen wird.