Ansatz zur Beschreibung von unregelmäßig gefügten Kunststofffilamenten aus Thermoplasten in Wirrmattenstrukturen unter mechanischer Belastung zur Substitution von Schaumstoffen in Polstern und Matratzen

Die vorliegende Arbeit stellt ein Modell zur Festigkeitsbeschreibung von Wirrmatten vor, zeigt deren Potential zur Substitution von Schaumstoffen und die damit verbundenen Vorteile bezüglich Liegekomfort und Umweltfreundlichkeit im direkten Vergleich zu Schaumstoffprodukten. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine Produktionsanlage zur Extrusion von Wirrmatten konzipiert, gefertigt und in den Laboren der Kunststofftechnik Paderborn betrieben. An den extrudierten Wirrmattenprobekörpern und Schaumstoffreferenzen wurde die Rohdichte [kg/m³] sowie die Stauchhärte [kPa] bestimmt. Zusätzlich wurde in dynamischen Druckprüfungen eine 10- jährige Nutzungsdauer als Matratze simuliert. Der Vergleich der Leistungsdaten zwischen Wirrmatten- und Schaumstoffproben unterstreicht das hohe Potential der Wirrmattenstrukturen als Schaumstoffsubstitute. Unter den Aspekten der guten Druckverteilung, der guten Belüftungseigenschaften, Hygiene sowie der möglichen Recyclingfähigkeit der thermoplastischen Polymere sind die Vorteile von Wirrmattenstrukturen im Polster- und Matratzenbereich zur Substitution von Schaumstoffen ersichtlich. Anhand der Untersuchungsergebnisse wurde der Modellansatz des Spiralfeder-Masse-Äquivalents entwickelt, welcher die mathematische Beschreibung der Wirrmatteneigenschaften, der Stauchhärte und der Rohdichte ermöglicht. Durch die Berücksichtigung weiterer Randbedingungen kann der Modellansatz genutzt werden, um eine Auslegung von Wirrmattenextrusionsanlagen zu vollziehen. Untersuchungsergebnisse zum Ablageverhalten der Einzelfilamente, der Knotenpunktfestigkeit und der Festigkeit des Gesamtmattenverbundes geben erstmalig einen umfänglichen Überblick zur Beeinflussbarkeit der Matteneigenschaften in Abhängigkeit der variierten Prozessgrößen.