Filtermedien: Vorteile der Nanofaser-Beschichtungstechnologie

Dieser Artikel von John Wertz und Immo Schneiders von Hollingsworth & Vose befasst sich mit den Vorteilen einer neuen und fortschrittlichen Nanofaser-Beschichtungstechnologie für Filtermedien im Vergleich zum Elektrospinnverfahren und stellt eine Nanofasertechnologie der nächsten Generation vor, die speziell zur Verbesserung von Filtermedien entwickelt wurde.

Die Forschung und Entwicklung von Nanofasern hat in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen, da das Bewusstsein für ihre Fähigkeit, die Leistung verschiedener Formen von Filtermedien zu verbessern, gestiegen ist. Die Nanofasertechnologie, also die Herstellung sehr kleiner Fasern, typischerweise mit einem Durchmesser von weniger als 1 Mikrometer, ist seit vielen Jahren bekannt und wird praktiziert. Das derzeit am häufigsten verwendete Verfahren zur Herstellung von Nanofasern ist das Elektrospinnverfahren.

In diesem Artikel werden die Nachteile des Elektrospinnverfahrens im Vergleich zu einem neuen Verfahren, der Nanofaserbeschichtung, hervorgehoben. Darüber hinaus werden die Vorteile der Verwendung einer Nanofaserbeschichtung in Filtrationsanwendungen zur Verbesserung der Tiefenfiltration und der Impulsreinigungsfähigkeit erörtert.

Traditionelle Nanofaser-Technologie

Zu den bekanntesten Methoden zur Herstellung von Nanofasern gehört das Elektrospinnverfahren. Bei diesem Verfahren kommt eine Injektionsnadel, eine Düse, eine Kapillare oder ein beweglicher Emitter zum Einsatz. Diese Werkzeuge liefern flüssige Lösungen des Polymers, die dann durch ein elektrostatisches Hochspannungsfeld in eine Sammelzone gezogen werden. Während das gelöste Polymer und die Lösungsmittel aus dem Emitter gezogen und durch die elektrostatische Zone beschleunigt werden, werden durch einen Prozess der Lösungsmittelverdampfung Fasern gebildet.

Elektrospinnen ist zwar effektiv für die Herstellung von Nanofasern, hat aber auch Nachteile. Elektrospinnen ist zunächst ein sehr langsamer Prozess zur Herstellung von Nanofasern im kommerziellen Maßstab, was die Herstellungskosten erhöht. Elektrospinnen erzeugt auch eine weitgehend zweidimensionale Struktur, der es an Tiefe oder Z-Richtung mangelt. Während diese Konfiguration für Oberflächenbelastungen wünschenswert ist, ist sie für Tiefenbelastungsanwendungen nur begrenzt geeignet. Elektrogesponnene Nanofasern sind in der Regel recht schwach und können leicht beschädigt werden oder sich vom Substrat lösen. Es besteht weiterhin ein Bedarf an verbesserten Nanofasern, die die Mängel aktueller elektrogesponnener Nanofasern überwinden.

Die Entwicklung von Nanofasern hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, da sie die Leistung von Filtermedien verbessern können und die Grundlage für eine effiziente Luftfiltration für Gebäude und andere Zwecke bilden.

Neue Nanofaser-Technologie

Eine neu entwickelte, lösungsmittelfreie Nanofaser-Beschichtungstechnologie kann im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren des Elektrospinnens eine größere Flexibilität, Kontrolle und Haltbarkeit bieten. Diese neue Nanofaserbeschichtung besteht aus Fasern mit einer typischen Größe von 0,3 bis 0,5 Mikrometern, kann aber auf bis zu 1 Mikrometer vergrößert werden. Die Verteilung des Faserdurchmessers und die Schichtdicke können je nach Anwendungsanforderungen problemlos variiert werden. Durch den Einsatz dieser Nanofasertechnologie kann eine Vielzahl von Filtermedien verbessert werden.

Diese neue Nanofaserschicht hat eine Dicke im Bereich von 15 bis 30 Mikrometern und wird direkt auf das Makrofiltrationssubstrat aufgetragen. Die Nanofaserbeschichtung kann auf jedes Vliesstoff-Basismaterial wie Glas, Zellulose oder synthetische Fasern aufgetragen werden, während das Elektrospinnen für die Haftung auf kritische Harze angewiesen ist. Als Beschichtung kann auch eine zweite Nanofaserschicht aus einem ähnlichen oder einem anderen Polymer aufgebracht werden. Die besondere Konfiguration des Substrats hängt von der spezifischen Anwendung des Filtermediums ab und kann variiert werden, um die gewünschten strukturellen Eigenschaften zu erreichen, einschließlich Steifigkeit, Festigkeit, Faltbarkeit und Temperaturbeständigkeit.

Wie bereits erwähnt, kann die Konfiguration der Träger- oder Basisschicht je nach Verwendungszweck variieren. Für Hochleistungsluft-, Gasturbinen-, Automobil-Luft- und Impulsreinigungsanwendungen ist der Träger vorzugsweise ein nassgelegtes Papier, beispielsweise Zellulose oder eine Synthese-/Zellulosemischung. In anderen Märkten wie HVAC, Flüssigkeiten, Innenraumluftfiltern und HEPA-Filtration können die Träger nassgelegte Zellulose, Glas, synthetische, kardierte, Spinnvliese und schmelzgeblasene Vliesstoffe umfassen.

Je nach Anwendung können verschiedene Nanofaserschichten an unterschiedlichen Stellen im Filtermedium positioniert werden. Beispielsweise kann die Nanofaserschicht stromaufwärts vor dem Makrofiltrationssubstrat positioniert werden, um die Oberflächenfiltrationsleistung in einer Gasturbine oder Hochleistungsluftanwendung zu verbessern. Die Nanofaserschicht kann stromabwärts des Makrofiltrationssubstrats positioniert werden, um die Tiefenfiltration zu verbessern und Partikel im Medienkörper einzufangen.

Anwendungen für nanofaserbeschichtete Medien

Nanofasern können die Leistung von Filtermedien bei der Entfernung von Partikeln aus Luftströmen verbessern. Diese Verbesserung zeigt sich in den Lufteinlassströmen von Fahrzeugen, der Belüftung von Computerlaufwerken und der hocheffizienten Filterung. Bei Innenraumluftfiltern verbessert die Entfernung des Feinstaubs den Komfort und die Gesundheit der Passagiere. Nanofasern bieten eine verbesserte Filtrationsleistung sowohl in mobilen als auch stationären Motoren und industriellen Filtrationsanwendungen.

Bei Motoren, Gasturbinen und Verbrennungsöfen ist es wichtig, Partikelmaterial aus dem Luftstrom zu entfernen, das erhebliche Schäden an den internen Komponenten verursachen kann. In anderen Fällen können Produktionsgase oder Abgase aus Verbrennungsmotoren und Industrieprozessen schädliches Partikelmaterial enthalten. Die Entfernung dieser Partikel ist wünschenswert, um nachgeschaltete Geräte zu schützen und die Schadstoffabgabe an die Umwelt zu minimieren.

Diese neue, langlebige Nanofaserbeschichtung kann auch in selbstreinigenden oder pulsreinigenden Filteranwendungen eingesetzt werden. Der Staubkuchen, der sich auf der stromaufwärtigen Seite des Filtermediums bildet, kann entfernt werden, indem Luft durch das Medium zurückgeströmt wird, um es aufzufrischen. Da während des Rückimpulses eine große Kraft auf die Oberfläche ausgeübt wird, können Nanofasern mit schlechter Haftung oder aus empfindlichen Nanofasern an Substraten delaminieren, wenn sich die Stoßwelle vom Inneren eines Filters durch das Substrat zur Nanofaser bewegt. Die neue Nanofasertechnologie bietet eine hervorragende Haftung auf dem Substrat und ermöglicht eine längere Lebensdauer und verbesserte Effizienz bei Impulsreinigungsanwendungen aufgrund der größeren Partikelsammlung und des Gesamtenergieaufwands während des Reinigungsprozesses.

Durch die Zugabe einer Nanofaserbeschichtung (siehe Abbildung 1) entsteht im Vergleich zu einer typischen Zelluloseoberfläche (siehe Abbildung 2) eine viel feinere Oberflächenstruktur mit verringerter Porengröße. Eine elektrogesponnene Nanofaserbeschichtung (siehe Abbildung 3) ist ebenfalls sehr fein , aber so fein, dass die Fasern wenig Festigkeit bieten und wenig Tiefe haben. Die Schichtstruktur und Tiefe der Nanofaserbeschichtung ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Tiefe der Nanofaserbeschichtung zeigt, dass eine Nanofaserbeschichtung nicht nur als Oberflächenfilter dient, sondern auch einen Tiefenfiltrationsaspekt aufweist, der einer elektrogesponnenen Beschichtung fehlt. Die Vielzahl der Nanofaserschichten sorgt außerdem für eine hervorragende Haltbarkeit.

Tiefenfiltration

Im Gegensatz zu Hochleistungsluft-, Staubabscheider- und reinigbaren Medien, bei denen die Nanofaser stromaufwärts aufgetragen wird, bietet die stromabwärtige Anwendung von Nanofaserschichten einen Vorteil bei Anwendungen wie Luftansaugung, Kabinenluft, Kraftstoff- und Schmieranwendungen, bei denen es für Partikel wichtig ist werden im Luftfiltermedium erfasst und eingeschlossen. Die Effizienz der Partikelerfassung kann erheblich verbessert werden, indem stromabwärts ein mit einer Nanofaserschicht beschichtetes Substrat hinzugefügt und gleichzeitig die Partikelhaltekapazität erhöht wird. Die Kombination einer offeneren Basisfolie mit einer schwereren Nanofaserschicht führt zu einem Verbundwerkstoff mit nicht nur größerer Effizienz bei gleicher Einschränkung (bzw. Luftdurchlässigkeit), sondern auch mit deutlich verbesserter Staubaufnahmekapazität.

Messungen an mit Nanofasern beschichtetem Material zeigen deutlich ein deutlich besseres Reinigungsverhalten des Materials im Vergleich zu Standard-Zellulosematerial. Filtermedien für reinigbare Anwendungen haben zwei Hauptfunktionen: Sie sollen sicherstellen, dass keine Partikel in die Medien eindringen oder diese passieren, und sie sollen eine sehr hohe Effizienz haben. Bei Gasturbinenanwendungen schützt hocheffizientes Material die empfindlichen Schaufeln der Turbine vor Staubpartikeln. Bei industriellen Reinigungsanwendungen sollte die saubere Luft bei der Zirkulation durch das Gebäude keine Schadstoffe enthalten. Aufgrund der hohen Staubkonzentration in industriellen Reinigungsumgebungen oder in Gasturbinen in Wüstenumgebungen ist ein hocheffizienter Tiefenfilter nicht die beste Lösung – die Luftkanäle im Filter werden blockiert, weil der Staub den Luftstrom unterbricht. Um den Staub auf der Oberfläche des Filters zu sammeln, ist eine Oberflächenfiltration erwünscht, da sie einen homogenen, linearen Anstieg des Druckabfalls erzeugt.

Oberflächenstrukturen, bei denen fast alle Partikel von Anfang an auf der Oberfläche eingefangen werden, führen zu einem viel besseren und homogeneren Staubkuchen, wenn die gefilterten Partikel einen zusammenhängenden Staubkuchen bilden. Ein hocheffizientes Nanofasernetzwerk auf der Anströmseite des Filtermediums verhindert, dass Staub in das Medium eindringt, was zu einer dauerhaften Einschränkung des Luftstroms führt.

Idealerweise sollte der Staubkuchen als Ganzes entfernt werden, was anzeigt, dass keine Partikel in das Medium eingedrungen sind. In das Medium eingedrungene Partikel können nicht effektiv entfernt werden. Infolgedessen wird der Staubkuchen während des Reinigungsschritts auseinandergerissen und die verbleibenden Partikel dringen in das Medium ein und führen zu einem Anstieg des Druckabfalls.

Abbildung 5 zeigt die verbesserte Reinigungsfähigkeit von Filtermedien, wenn sie mit Nanofasern beschichtet sind. Das Bild zeigt die Staubkuchenfreisetzung von Filtermedien, die einseitig mit dieser neuen Nanofasertechnologie beschichtet sind. Der Staubkuchen auf der mit Nanofasern beschichteten linken Seite wird durch mehrere zusammenhängende Fragmente des Staubkuchens effektiver entfernt. Bei der nicht beschichteten Seite rechts wird der Staubkuchen auseinandergerissen, da viele Partikel in die oberen Schichten eingedrungen sind und an der Oberfläche des Mediums haften bleiben.

Bei Oberflächenfiltrationsanwendungen sorgt die neue Nanofasertechnologie für die erforderlichen hohen Wirkungsgrade sowie ein verbessertes Reinigungsverhalten, was zu einem geringeren Energieverbrauch und höheren Standzeiten führt.

Fortschrittliche synthetische Nanofasermedien der nächsten Generation

Hollingsworth & Vose Company (H&V) ist einer der weltweit führenden Hersteller von technischen Papieren und Vliesstoffen. Mit seinen fortschrittlichen F&E- und Pilotfertigungsanlagen hat H&V eine fortschrittliche Nanofasertechnologie entwickelt, um den Wert der Kundenprodukte zu steigern. Die neue NANOWEB®-Technologie von H&V bietet eine mikroporöse Struktur mit beispielloser Prozesskontrolle und Haltbarkeit. Mit dieser proprietären Technologie können die Verteilung des Faserdurchmessers und die Schichtdicke gezielt eingestellt werden, um in einem breiten Anwendungsspektrum eine höhere Leistung zu erzielen.

Die Vorteile der NANOWEB®-Technologie zeigen sich sowohl bei der Luft- als auch bei der Flüssigkeitsfiltration. Die NANOWEB®-Beschichtung kann die Leistung der Filtermedien bei der Entfernung von Partikeln aus Luftströmen erheblich verbessern. Diese Verbesserung zeigt sich in den Lufteinlassströmen zu Staubabscheidern, Gasturbinen, Kabinen von Kraftfahrzeugen, HVAC und hocheffizienter Filterung. Je nach Anwendung können verschiedene Nanofaserschichten an unterschiedlichen Stellen im Filtermedium positioniert werden. Eine NANOWEB®-Beschichtung kann stromaufwärts vor dem Makrofiltrationssubstrat positioniert werden, um die Oberflächenfiltrationsleistung zu verbessern, oder stromabwärts des Makrofiltrationssubstrats, um die Tiefenfiltration zu verbessern und Partikel im Medienkörper einzufangen. Die starke Haftung der Nanofaserschicht macht NANOWEB®-Filtermedien ideal für Impulsreinigungsanwendungen.

Die NANOWEB®-Technologie kann auch speziell entwickelt werden, um die strengen Filtrationsanforderungen vieler Flüssigkeitsanwendungen zu erfüllen. Mit verbesserter Effizienz bietet die synthetische Zusammensetzung von NANOWEB® eine langlebigere Nanofaser-Option für die Kraftstoff- und Schmierstofffiltration. Es wird auch dem wachsenden Bedarf an fortschrittlicher Mikrofiltration sowie RO- und UF-Membranvorfiltration in einer Vielzahl von Flüssigkeitsanwendungen gerecht, darunter Biowissenschaften, Lebensmittel und Getränke sowie Prozessflüssigkeitsfiltration. Die NANOWEB®-Filtrationsmedien von H&V bieten im Vergleich zu Standardproduktangeboten eine durchschnittlich 40 % höhere Porosität für eine bestimmte Mikron-Bewertung. Mit der NANOWEB®-Technologie bietet H&V Flexibilität bei der Gestaltung von Filtermedien und verfügt über die Erfahrung, hochwertige Materialien auf globaler Ebene bereitzustellen.

Kontakt:, Emily Moore, Global Product Manager, Hollingsworth & Vose E-Mail: [email protected], www.hovo.com