Die Cellulosefaserschicht ist eine der vielen verschiedenen Schichten, welche in modernen Hygieneprodukten benutzt werden, um zielgerichtet Flüssigkeit zu verteilen und schnell wegzutransportieren. Zum Beispiel in Windeln.

Cellulosefasermaterialien

Flüssigkeitstransport in Hygieneprodukten

Ziel dieses gemeinsam mit der Firma Procter &Gamble durchgeführten Projektes war es, die effektiven Transporteigenschaften einer Cellulosefaserschicht mit Hilfe von numerischen Simulationen zu bestimmen. Diese Faserschicht ist eine der vielen verschiedenen Schichten, welche in modernen Hygieneprodukten benutzt werden, um zielgerichtet Flüssigkeit zu verteilen und schnell wegzutransportieren. Um die Funktionalität von Hygieneprodukten auch mit Hilfe von Simulationen weiter zu verbessern, ist es notwendig, Permeabilitäten und Kapillardruck-Sättigungskurven der einzelnen Materialien und Schichten genau zu kennen und zukünftig durch ein virtuelles Materialdesign diese situationsangepasst voraus entwickeln zu können.

Strukturmodelle mittels GeoDict

Zur Erfassung der Struktur der Fasern wurden dreidimensionale computertomographische Aufnahmen der Schicht angefertigt (siehe Abb. 1). Diese 3D-Bilder wurden dann segmentiert und somit dreidimensionale geometrische Strukturmodelle der Schicht gewonnen. Mit Hilfe der am ITWM entwickelten Software GeoDict konnten dann direkt auf diesen Bildern richtungs- und sättigungsabhängige Permeabilität und Kapillardruckkurven berechnet werden. Die Hauptschwierigkeit stellt dabei die Größe der Tomographiebilder dar. Ein einziges 3D-Bild kann dabei bis zu 4000³ Voxel enthalten, d.h. bis zu 60 GB groß sein!

Cellulosefaser
© Foto ITWM

Cellulosefaser

Cellulosefaser
© Foto ITWM

Cellulosefaser

Virtuelle Cellulosefasermedien

Modell der Cellulose Faserschicht
© Foto ITWM

Mit GeoDict erstelltes Modell der Cellulose-Faserschicht mit einer inhomogenen Verteilung der Fasern.

Die Bestimmung der Materialparameter auf Basis einer Tomographieaufnahme ist allerdings nur der erste Schritt, da er nur erlaubt, bereits vorhandene Materialien zu untersuchen. Um die Auswirkungen möglicher Materialvariationen auf die Funktion der Produkte studieren zu können, benötigt man virtuell erzeugte 3D Strukturmodelle. GeoDict erlaubt das Erstellen solcher Strukturmodelle (siehe Abb. 2). In diesem Projekt wurde nun untersucht, inwieweit sich die - wie in der Abb.1 ersichtlich - ungleichmäßige Verteilung der Fasern auf die Materialparameter auswirkt, indem Modelle mit einer gleichmäßigen Faserverteilung mit Modellen mit Faseragglomeraten verglichen wurden.
 

Projektpartner:

Procter&Gamble