چکیده:
در سیستمهای فیلتراسیون صنعتی، انتخاب نوع مدیا (media) از اهمیت بالایی برخوردار است؛ چرا که عملکرد، عمر مفید، مقاومت شیمیایی و راندمان کلی سیستم را تعیین میکند. یکی از پرکاربردترین مدیاها در فیلترهای صنعتی، پلیاستر یا تریلن(Terylene) است که بهدلیل ویژگیهای مکانیکی و شیمیایی مناسب، در طیف گستردهای از کاربردهای فیلتراسیون هوا و مایعات مورد استفاده قرار گرفتهاند و به دلیل ساختار یکنواخت و سطح بالای فیلتراسیون، مورد توجه صنایع مختلف قرار دارند.
توسعه الیاف پلیاستر به اواخر دهه ۱۹۳۰ بازمیگردد. نخستین تلاشها توسط W.H. Carothers در شرکت دوپونت (DuPont) آغاز شد و سپس گروهی از دانشمندان بریتانیایی شامل J.R. Whinfield، J.T. Dickson، W.K. Birtwhistle و C.G. Ritchie تحقیقات را ادامه دادند. در سال ۱۹۴۱، محققان بریتانیایی موفق به تولید نخستین الیاف پلیاستر با نام تریلن (Terylene) شدند. در سال ۱۹۴۶، شرکت دوپونت تمامی حقوق قانونی مربوط به این فناوری را خریداری کرد و در سال ۱۹۵۳، تولید تجاری الیاف پلیاستر با نام داکرون (Dacron) را آغاز نمود. چند سال بعد، در سال ۱۹۵۸، شرکت Eastman Chemical Products نیز نوع دیگری از الیاف پلیاستر را با نام کُدل (Kodel) به بازار عرضه کرد.
از آن زمان به بعد، تقاضا برای الیاف پلیاستر بهطور مداوم و پیوسته رشد کرده است. در گزارشی آمده که در سال ۲۰۰۵، تقاضای جهانی برای الیاف پلیاستر حتی از پنبه نیز پیشی گرفت. همچنین بر اساس اطلاعات منتشرشده توسطFiber Organon )یک شرکت مشاوره مستقر در آمریکا)، تولید جهانی الیاف پلیاستر در سال ۲۰۱۰ به بیش از ۳.۳۷ میلیون تن رسید که این مقدار حدود ۷۴ درصد از کل تولید الیاف مصنوعی را شامل میشد.
پلیاستر یک پلیمر حاصل از واکنشهای تراکمی (Condensation Polymer) است که بیش از ۸۵٪ ساختار آن از گروههای استر تشکیل شده که به دو حلقه آروماتیک متصل هستند. برای تولید پلیاستر، چند مسیر شیمیایی مختلف وجود دارد، اما رایجترین روش، واکنش ترفتالیک اسید (Terephthalic Acid) با اتیلن گلایکول (Ethylene Glycol) است. محصول نهایی این واکنش، پلیاتیلن ترفتالات (PET) میباشد.
PET یک پلیمر نسبتاً سخت با قطبیت متوسط است. این پلیمر دارای نقطه ذوب نسبتاً بالایی در حدود ۲۶۰ درجه سانتیگراد میباشد که باعث میشود در کاربردهایی که مقاومت حرارتی مهم است، گزینهای مناسب باشد.
از نظر ساختاری، PET دارای تعداد بسیار کمی پیوند هیدروژنی است که آنها نیز فقط در انتهای زنجیرههای پلیمری قرار دارند و در واحدهای تکرارشونده هیچ پیوند هیدروژنی وجود ندارد. این ویژگی موجب شده تا پلیمر PET دارای مقاومت خوبی در برابر رطوبت بوده و جذب رطوبت بسیار کمی داشته باشد. پایین بودن جذب رطوبت باعث میشود که بار الکتریسیته ساکن بهراحتی روی سطح این پلیمر جمع شود که در برخی کاربردها میتواند مزیت یا چالش محسوب شود.
ویژگیهای منحصربهفرد الیاف پلیاتیلن ترفتالات (PET) بههمراه بهبود مداوم در تولید اقتصادی آن، موجب شده تا این الیاف به یکی از پرکاربردترین گزینهها در تولید مدیاهای فیلتر بیبافت (nonwoven) تبدیل شوند. مدیاهای پلیاستر اغلب به روش اسپانباند تولید میشوند اما در موارد محدودی به روش لایهگذاری مرطوب (wet laid) نیز قابلیت تولید دارند.
متداولترین موارد مورد استفاده در صنعت فیلتراسیون، شامل ساختارهایی از الیاف اسپانباند پلیاستر، ترکیباتی از پلیاستر/سلولز و ریون/پلیاستر، وبهای الیاف دو جزئی از پلیاستر/پلیاتیلن، لایههای بیبافت اسپان لیس (hydroentangled) از پلیاستر، و لایههای بیبافت لایه گذاری مرطوب متشکل از ترکیب سلولز و پلیاستر هستند.
ترکیب سلولز/پلیاستر یکی از پرکاربردترین مدیاهای فیلتراسیون برای هوای ورودی ماشینآلات محسوب میشود. شرکت AAF مجموعهای گسترده از مدیاها را برای کاربردهای مختلف در ماشینآلات دوّار ارائه میدهد. این مدیاها شامل ترکیباتی از سلولز و پلیاستر با تکنولوژیهای ساخت شامل چگالی تدریجی، ملتبلون با تراکم بالا و بیبافتهای حاصل از فیلامنتهای پیوسته هستند.
الیاف پلیاستر بهعنوان یک ماده پرکاربرد در تولید فیلترهای رولی برای تصفیه روغن هستند. پلیاستر از این مزیت برخوردار است که تمایل به جذب روغن ندارد، در حالی که مدیاهایی که از الیاف پلیپروپیلن و نایلون ساخته شدهاند، معمولاً روغن را جذب کرده و در نتیجه سریعتر دچار انسداد (blinding) و نیاز به تعویض میشوند.
مدیای رایج برای فیلترهای کوالسر میکروالیاف شیشه است. الیاف پلیاستر نیز اغلب به این مدیا اضافه میشوند تا نقش مهمی در افزایش انعطافپذیری و مقاومت مکانیکی مدیا ایفا کنند.
در فیلترهای هوای نیز مدیای پلیاستر با راندمان یک میکرون، عمر مفید فیلتر ULPA را بهطور چشمگیری افزایش میدهد.
یکی از الیاف مشابه با PET، پلیبوتیلن ترفتالات (PBT) است که بهعنوان «الیاف خواهرPET» شناخته میشود.PBT نسبت به PET دارای نقطه ذوب (melting point) و دمای انتقال شیشهای (tg) پایینتری است. این پلیمر قابلیت استفاده در هر دو فرایند اسپانباند (spunbond) و ملتبلون (melt-blown) را دارد. در واقع، یکی از کاربردهای ویژه آن، تولید مدیای ملتبلون برای فیلتراسیون خون است. ساختار شیمیایی هر دو پلیمر در شکل ۱ نشان داده شده است. ویژگیهای الیاف پلیاستر نوع PET ونیز PBT به ترتیب در جدولهای ۱ و ۲ ارائه شدهاند.
الیاف پلیاستر در بازار جهانی با نامهای تجاری مختلفی شناخته میشوند. هر یک از این برندها ممکن است تفاوتهایی در نوع تولید، ساختار مولکولی، خواص فیزیکی یا فرایندهای تکمیلی داشته باشند که آنها را برای کاربردهای خاصی در فیلترها متمایز میکند. در جدول ۳ این برندها معرفی شدهاند.
در فرایند Air laid، الیاف داخل جریان هوا پخش میشوند، سپس این الیاف روی یک جمعکننده قرار میگیرند تا لایهای نازک و یکنواخت ساخته شود. اگرچه ساختارهای Air-laid بهطور سنتی مبتنی بر الیاف سلولزی کرکی هستند، اما امروزه با توجه به نیاز به افزایش دوام مکانیکی، بهبود مقاومت به رطوبت و ارتقاء خواص فیلتراسیون، استفاده از الیاف مصنوعی مانند پلیاستر در این ساختارها در حال گسترش است.
پلیاستر استیپل کوتاه (staple) به عنوان یکی از افزودنیهای کلیدی در فرایند Air-laid وارد ناحیه شکلدهی میشود تا ضمن ایجاد پیوند مکانیکی بهتر میان الیاف، ساختار وب را در برابر پارگی، کشش و افت عملکرد در محیطهای مرطوب تقویت کند.
همچنین در صورت وجود مقدار قابل توجهی از الیاف پلیاستر بلند در وب تولیدی، امکان اعمال سوزنزنی یا اسپان لیس برای افزایش انسجام، ضخامت و مقاومت وجود دارد که این امر میتواند ساختار Air-laid را به گزینهای مناسب برای برخی کاربردهای فیلتراسیون، به ویژه در محیطهای خشک یا نیمهمرطوب تبدیل کند.
بنابراین، ترکیب الیاف پلیاستر با سایر اجزا در ساختار Air-laid میتواند راهکاری نوین برای توسعه مدیاهای کامپوزیتی سبکوزن، مستحکم و چندکاره در صنایع مختلف باشد.
مدیاهای اسپانباند از یک فیلامنت حاصل از ترموپلیمر مذاب که از یک نازل ریز اکسترود شده شروع میشوند. همانطور که فیلامنت از نازل خارج میشود، به سرعت در جریان هوا خشک میشود و سپس روی یک تسمه متحرک زیر نازل اکستروژن قرار میگیرد. فیلامنتها به صورت تصادفی روی تسمه میافتند و یک لایه بیبافت پیوسته که در آن الیاف به صورت تصادفی قرار گرفتهاند را تشکیل میدهند. این لایه بیبافت در دمایی فشرده میشود تا فیلامنتها در نقاط تماسشان با یکدیگر ذوب شده و یک لایه منسجم تشکیل شود، ، فرایندی که به آن اسپانباند گفته میشود.
در مقابل، وبهای ملتبلون مستقیما از یک پلیمر مذاب تشکیل میشوند. این فرایند شبیه اسپانباند است، زیرا مذاب ترموپلیمرها از طریق یک نازل اکسترود میشود تا فیلامنتها را تشکیل دهد. با این تفاوت که هوای گرم با سرعت بالا در نزدیکی نوک نازل در جهت تولید فیلامنتها تزریق میشود تا با ایجاد کشش آنها را به الیاف ظریفتر تبدیل کند. فیلامنتهای ظریف شده حالا با استفاده از هوای سرد، جامد شده و روی صفحه جمع کننده جمعآوری میشوند.
پلیاستر بهعنوان یکی از اصلیترین پلیمرهای مورد استفاده در فناوری اسپانباند و ملتبلون، به دلیل خواص مطلوب، جایگاه بسیار مهمی در تولید مدیای فیلتراسیون به این روشها دارد.
شرکت Polymer Group, Inc. (PGI) مستقر در ایالات متحده آمریکا، یکی از تولیدکنندگان اصلی اسپانباند پلیاستری برای کاربردهای فیلتراسیون است. این شرکت مدیای فیلتر را با نام تجاری Reemay تولید میکند. Reemay هم با الیاف صاف و هم با الیاف چینخورده (crimped) تولید میشود و دارای مقاطع عرضی گرد یا سهلوبی (Trilobal) است. استفاد از الیاف چینخورده منجر به افزایش ضخامت بدون افزایش گرماژ میشود.
شرکت Freudenberg Nonwovens مستقر در آلمان نیز اسپانباندهایی از پلیاستر بازیافتی بهویژه بطریهای بازیافتی، تولید میکند. این محصولات تحت برندLutradur عرضه میشوند. از جمله کاربردهای این محصولات میتوان به استفاده در تجهیزات فیلتراسیون تخصصی اشاره کرد. شرکت SCS Global Services بهعنوان یکی از مراجع معتبر در حوزه گواهینامههای زیستمحیطی، محتوای بازیافتی بالای محصولات Lutradur را تأیید کرده است.
تقریباً تمام مدیاهای فیلتری که به عنوان «مدیای کاغذی» شناخته میشوند، با استفاده از فرایند لایهگذاری مرطوب (wet laid) تولید میگردند. این فرایند در اصل مشابه فرایند ساخت کاغذ در ماشینهای کاغذسازی است.
در این روش عمدتاً از الیاف کوتاه با طول کمتر از ۶ میلیمتر استفاده میشود، اما محصولات تجاری نیز با الیافی به طول ۳۵ تا ۵۰ میلیمتر تولید شدهاند. ماشینهای لایهگذاری مرطوب توانایی تولید وبهایی تا ۵ متر عرض با سرعتی بیش از ۳۰۰ متر در دقیقه را دارند.
در کنار خمیر چوب و الیاف طبیعی، این فرایند قادر است الیاف متنوعی مانند پلیاستر، نایلون، ریون، الیاف شیشهای، کولار (Kevlar)، نومکس (Nomex)، گرافیت و سایر موادی را که الیاف آنها بتواند بهطور معقولی در آب پخش شود، پردازش کند. میزان پراکندگی مناسب الیاف در آب، بستگی به طول الیاف و ویژگیهای فیزیکی آنها دارد.
در میان محصولات حاصل از این فرایند، مدیاهای فیلتری رزینباند (resin bonded) بیشترین حجم را دارند که معمولاً بهصورت چیندار (pleated) در المنتهای فیلتری کارتریجی مورد استفاده قرار میگیرند.
از جمله کاربردهای مهم پلیاستر در این فرایند، میتوان به ترکیب آن با الیاف سلولزی برای افزایش استحکام کششی، مقاومت در برابر رطوبت و بهبود مقاومت در برابر پارگی در مدیاهای فیلتری اشاره کرد.
در فرایند سوزن زنی، ابندا الیاف ریسیده شده و سپس وارد مرحل کاردینگ و پس از آن لایه گذاری و سپس سوزن زنی میشوند. . یک لایه ضخیم متشکل از چندین وب الیافی کارد شده تشکیل میشود و سپس با اعمال ضربه توسط آرایهای از سوزنهای خاص که با سرعت تا ۲۰۰ ضربه در دقیقه با صورت عمودی حرکت میکنند به یک ساختار متراکمتر و منسجمترتبدیل میشوند. تعداد ۱۰۰ یا بیشتر نفوذ سوزن در هر سانتیمتر مربع، موجب میشود تا الیاف در جهت ضخامت لایه بیبافت در هم تنیده شوند.
پارچههای نمدی سوزنی (needle punched felts) که از انواع مختلفی از مواد الیافی تولید میشوند، بسته به کاربرد، دامنهی وسیعی از ویژگیها و خواص را ارائه میدهند. بزرگترین کاربردهای نمدهای فیلتری سوزنی در سیستمهای جمعآوری گرد و غبار و دود از نوع Baghouse میباشد.
در گذشته الیاف سنتی مورد استفاده در این نوع منسوجات، پشم بوده است؛ اما در حال حاضر بخش عمدهای از این تولیدات به پنبه-پلیاستر یا پلیاستر ۱۰۰٪ اختصاص یافته است.
منسوجات هیدروجت یا اسپانلیس (Hydroentangled/Spunlace webs) که در آنها به جای سوزن، از مجموعهای از جتهای آب با فشار بالا برای تثبیت الیاف در محل استفاده میشود، تکنیکی که به نام درهم تنیدگی هیدرولیکی شناخته میشود، بهطور فزایندهای در کاربردهای فیلتراسیون مایعات مورد استفاده قرار میگیرند. این فناوری که نخستین بار توسط شرکت DuPont توسعه داده شد، در فیلتراسیون مایعاتی مانند روغنها، سیالات خنککننده و سایر مصارف مشابه نقش مؤثری ایفا میکند.
مدیاهای اسپانلیس پلیاستر مورد استفاده در فرایند فیلتراسیون در دو نوع اصلی تولید میشوند: یکی لایه بیبافت ۱۰۰٪ پلیاستری و دیگری ترکیبی از پلیاستر و خمیر چوب. این ساختارهای متفاوت به تولیدکنندگان اجازه میدهند تا بسته به نوع سیال و نیاز به خواص جذب یا استحکام مکانیکی، گزینه مناسبتری را انتخاب کنند.
شرکت Ahlstrom یکی از تولیدکنندگان برتر مدیای فیلتر، پارچه سوزنزنی شده ۱۰۰٪ پلیاستر که با رزین آکریلیک ترموست تقویت شده را تولید میکند تا مقاومت بسیار خوبی در برابر شرایط سخت داشته باشد.
در فیلترهای کیسهای و کارتریجی با سیستم پالس جت، مدیاهای فیلتر باید عملکرد فیلتراسیون سطحی و قابلیت رهایی از کیک فیلتر را بهخوبی فراهم کنند تا در هنگام عملیات پالس جت، کیک فیلتر به راحتی از سطح جدا شود. برای بهبود این ویژگیها، چندین نوع عملیات تکمیلی روی مدیا اعمال میشود، از جمله:
از جمله کاربردهای متداول این نوع مدیاها میتوان به فیلترهای کیسهای در صنایع سیمان، فولاد، چوب، داروسازی، و صنایع شیمیایی اشاره کرد، جایی که تخلیه آسان کیک فیلتر، کاهش افت فشار و افزایش عمر فیلتر اهمیت بالایی دارد.
الیاف استیپل (staple) (نوع کوتاهشده الیاف)، معمولاً بهتنهایی یا در ترکیب با سایر الیاف مانند پنبه، از طریق فرایند کاردینگ برای تشکیل ساختارهای سوزنزنی شده (needle-punched webs) در کاربردهای فیلتراسیون هوا استفاده میشوند. در مدیای پیوند حرارتی (thermally bonded) با ساختار های با ضخامت بالا (high loft) که در سیستمهای تهویه مطبوع (HVAC) به کار میرود، PET بهعنوان الیاف اصلی مورد استفاده قرار میگیرد. PET همچنین بهسرعت در حال تبدیل شدن به یکی از الیاف کلیدی برای فیلترهای هوای کابین خودروها است. الیاف کوتاه PET نیز در فرایندهای لایهگذاری مرطوب (wet laid) برای تولید فیلترهای آغشتهشده به رزین بهکار میرود. در این موارد، الیاف PET با طولهای ۶ تا ۱۲ میلیمتر به دوغاب سلولزی اضافه میشوند تا ویژگیهایی همچون: ساختار بازتر وب (web)، مقاومت کششی و پارگی بالاتر، مقاومت بیشتر در برابر خمش (flex resistance) را فراهم آورند.
در توسعههای اخیر، مخلوط الیاف PET و نایلون توانستهاند خواص برتر هر دو ماده را بهصورت همافزا (Synergistic) در ساختار مدیاهای فیلتر ایجاد کنند. همچنین ساختارهای اسپانباند باPET ، کاربردهای گستردهای در فیلتراسیون هوا و مایعات پیدا کردهاند.
ترکیب الیاف ریون با الیاف پلیاستر به فیلتر مدیا حجم و پفدار بودن (bulk) میدهد و خاصیت جذب رطوبت آن به کاهش خشکی و الکتریسیته ساکن موجود در مدیای ۱۰۰٪ پلیاستری کمک میکند. بهعنوان نمونه، شرکت National Nonwovens یک مدیای فیلتر کولانت (خنککننده) به نام FIL003 را معرفی کرده که به روش شیمیایی باند شده و ترکیبی از ۱۰٪ ریون و ۹۰٪ پلیاستر است.
مدیای پلیاستر ترکیبی از عملکرد فنی خوب، مقاومت شیمیایی متعادل، دوام بالا و قیمت مناسب را ارائه میدهد. البته شرط استفاده مؤثر از آن، شناسایی صحیح شرایط فرایندی و شیمیایی محیط است تا از بروز تخریب یا کاهش راندمان جلوگیری شود. این مدیا بهعنوان یک گزینه عمومی و با کارایی بالا در اغلب فرایندهای صنعتی شناخته میشود.
مزایای استفاده از پلیاستر در کاربردهای فیلتراسیون عبارتند از:
اما محدودیتهای استفاده از مدیای پلیاستر شامل موارد زیر میشود:
در جدول ۴، مشخصات فنی و شیمیایی مدیاهای پلیاستر آورده شده است. این ویژگیها نقش تعیینکنندهای در انتخاب نوع مدیا برای کاربردهای خاص دارند. در ادامه نیز انواع کاربردهای این مدیاها ذکر شدهاند.
پارچههای مونوفیلامنت پلیاستر از فیلامنتهای اکسترود شدهای با قطرهایی در بازهی ۳۰ میکرون تا ۳ میلیمتر بافته میشوند. این نوع پارچهها به دلیل ویژگیهای ممتازشان بهعنوان مدیای فیلتراسیون در طیف وسیعی از صنایع و کاربردها اهمیت زیادی پیدا کردهاند.
به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، تحمل خستگی ناشی از ارتعاشات، یکنواختی ساختاری و هزینه تولید پایین، این پارچهها جایگزین بسیاری از مدیاهای قدیمیتر شدهاند. صنایعی نظیر فرآوری مواد شیمیایی و غذایی، سیستمهای هیدرولیک صنعتی، تجهیزات پزشکی، خودرو و لوازم خانگی از کاربران اصلی پارچههای مونوفیلامنت پلیاستر هستند. این پارچهها در بازهی اندازه منافذ از ۵ تا ۵۰۰۰ میکرون در دسترس هستند.
یکی از مزیتهای مهم الیاف پلیاستر مونوفیلامنت، انعطافپذیری بالا و خاصیت حافظهپذیری آنهاست. این الیاف را میتوان بارها خم کرد بدون آنکه دچار سختشدگی یا خستگی مکانیکی شوند. برخلاف مشهای فلزی، این پارچهها هنگام تا شدن یا ضربه دیدن، آسیبپذیری کمتری دارند و وزن آنها نیز کمتر است.
در برخی کاربردهای خاص، نیاز است که مدیای فیلتر از جنس مونوفیلامنتهای پلیاستر باشد اما سطح آن دارای پوشش فلزی باشد تا قابلیت تخلیه بار الکتریسیته ساکن داشته باشد.
امروزه ترکیب الیاف مونوفیلامنت و مولتیفیلامنت نیز رواج یافته که خواص مفیدی را ایجاد میکند. بهعنوان مثال، در فیلترهای دیسکی از این ترکیب استفاده میشود تا هنگام عملیات برگشت هوا (blowback)، با خاصیت کشسانی پارچه، جدایش کیک فیلتر تسهیل شود.
همچنین، فیلترپرسهای خودکار جدید و فیلترهای نواری (Belt press) با ابعاد بزرگ، نیازمند مدیاهایی با خواص فیزیکی بسیار بالا هستند که این نیاز با استفاده از پارچههای مونوفیلامنت پلیاستر سنگین و متراکم برآورده شده است.
یکی از نوآوریهای جالب در این زمینه، تولید الیاف هسته – پوسته (core-sheath) است؛ در این ساختار، هستهی داخلی از پلیاستر مقاوم و قوی ساخته میشود و با یک غلاف از جنس فلوئوروپلیمر پوشش داده میشود که خاصیت دفع آلودگی (آبگریزی و چسبندگی کم) دارد.
مدیای الکتروریسیشده به دلیل ساختار الیافی بسیار ریز خود، عملکرد فیلتراسیون بسیار بالایی دارد. این ساختار دارای ویژگیهایی چون سطح ویژه بالا، قطر بسیار کم الیاف، ضخامت کم لایه و وزن سطحی پایین است. از آنجا که قطر این الیاف از کوچکترین الیاف تولیدشده با روش ملتبلون نیز کمتر است (تا حدود ۰.۲۵ میکرون یا ۲۵۰ نانومتر)، کارایی آن در جذب ذرات بسیار ریز، بینظیر است. ضخامت این وبها نیز بسیار کم است، بهطوری که حتی چهار لایه الیاف با قطر ۲۵۰ نانومتر، در مجموع فقط حدود ۱ میکرون ضخامت خواهند داشت.
با این حال، وبهای نانولیاف بهتنهایی دارای استحکام مکانیکی محدودی هستند، به همین دلیل معمولاً با بسترهای دیگر ترکیب میشوند. در این زمینه، الیاف پلیاستر به طور گستردهای به عنوان بستر یا لایه تقویتی در ترکیب با نانولیاف استفاده میشوند. استفاده از پلیاستر موجب افزایش استحکام کششی، مقاومت در برابر پارگی و ثبات ابعادی وب نهایی میشود، که این امر به ویژه در فیلترها و محصولات پوششی که در شرایط عملیاتی سخت قرار دارند، بسیار اهمیت دارد. همچنین، سازگاری خوب پلیاستر با روشهای مختلف اتصال و فرایندهای تولید، آن را به گزینهای ایدهآل برای بهبود خواص مکانیکی وبهای نانویی تبدیل کرده است.
شرکت Donalson محصولی به نام Ultra-Web تولید میکند که وب نانولیافی را با یک زیرلایه پلیاستر یا سلولز ترکیب میکند. میکروفوتوگرافی شکل ۲ نمونهای از این زیرلایه Ultra-Web است که برای کاربردهای مختلف فیلتراسیون بسیار مناسب و متنوع است.
علاوه بر استفاده از پلیاستر بهعنوان بستر تقویتی برای نانولیافها، در بسیاری از کاربردهای پیشرفته، خود الیاف پلیاستر نیز بهصورت مستقیم بر روی سطح مدیای پایه به روش الکتروریسی (electrospinning) اعمال میشوند. در این حالت، پلیاستر به شکل نانوالیاف فوقالعاده نازک با قطرهایی در مقیاس نانومتر، روی مدیای پشتیبان لایهنشانی میشود. این ساختار چندلایه باعث ایجاد یک سطح فعال فیلتراسیون با سطح ویژه بسیار بالا و مسیر عبور پیچیده (tortuous path) برای ذرات میگردد، که بهطور قابل توجهی بازده جذب ذرات معلق بسیار ریز (submicron particles) را افزایش میدهد، بدون اینکه افت فشار (pressure drop) زیادی به سیستم تحمیل کند.
همچنین، از آنجا که پلیاستر پایداری حرارتی، شیمیایی و مکانیکی مناسبی دارد، الیاف نانویی حاصل از آن در شرایط عملیاتی دشوار مانند رطوبت بالا، دمای متوسط، و تماس با مواد خورنده ملایم عملکرد پایداری دارند. این ویژگیها باعث شدهاند که نانوالیاف پلیاستر در فیلترهای هوای کابین خودرو، تجهیزات پزشکی حساس، سیستمهای تهویه صنعتی، و حتی ماسکهای فیلتراسیون حرفهای مورد استفاده گسترده قرار گیرند. افزون بر آن، سازگاری نانوالیاف پلیاستر با عملیات پردازشی نظیر آبدوستی، آبدوستی انتخابی، یا بارگیری الکترواستاتیکی، زمینه را برای توسعه فیلترهای عملکرد بالا با ویژگیهای چندگانه فراهم کرده است.
در همین راستا، شرکتAAF یکی از شرکتهای پیشرو در حوزه فیلتراسیون صنعتی، محصولی با نام تجاری DuraShield® BN عرضه میکند که در آن، نانوالیاف پلیاستر بهصورت مستقیم روی یک مدیای ترکیبی از پلیاستر و سلولز (polyester/cellulose blend) لایهنشانی میشود.
افزودن لایه نازک نانوالیاف پلیاستر باعث میشود کلاس فیلتراسیون این مدیا از F8 به F9 ارتقا یابد. این ارتقا در گرید، بهمعنای افزایش چشمگیر در توان جذب ذرات بسیار ریز و بهبود بازده فیلتر در تصفیه هوای صنعتی است.
طبق ادعای شرکت AAF، این مدیا که بهطور خاص برای حفاظت از توربینهای گازی در شرایط دارای بار گرد و غبار بالا طراحی شده است، موجب کاهش افت عملکرد موتور و حفظ بازده آن میشود و قابلیت عالی در رهاسازی گردوغبار هنگام پالسزدن (pulse cleaning) دارد که باعث کاهش افت فشار، مصرف هوای فشرده کمتر و صرفهجویی در انرژی میشود. نتیجهی آن، عملکرد فیلتراسیونی ارتقاء یافته و عمر مفید بالاتر نسبت به فیلترهای متداول است.
غشاهای ساختهشده از پلیاستر بهعنوان نوعی غشای پلیمری سنتزی، در دستهی غشاهای متخلخل و نیمهتراوا قرار میگیرند که بهطور گسترده در جداسازی ذرات میکرومتری و زیرمیکرومتری از فاز مایع یا گاز کاربرد دارند. پلیاستر بهواسطهی مقاومت شیمیایی مناسب، پایداری مکانیکی و حرارتی و قابلیت شکلپذیری بالا، گزینهای مقرونبهصرفه و مؤثر در بسیاری از فرایندهای فیلتراسیون صنعتی بهشمار میرود. این غشاها اغلب بهصورت غشای نامتقارن (asymmetric) طراحی میشوند؛ یعنی دارای یک لایهی نازک سطحی با منافذ بسیار ریز برای جداسازی دقیق، و یک لایهی پشتیبان متراکم با نفوذپذیری بالا برای تحمل فشار و عبور سیال. غشاهای پلیاستری همچنین قابلیت استفاده در فیلتراسیون جریان عرضی (cross-flow filtration) را دارند که این ویژگی موجب کاهش رسوب سطحی (fouling)، افزایش طول عمر غشا و حفظ راندمان جداسازی در بلندمدت میشود. در مواردی که کنترل بار الکتریکی سطحی یا کاهش تمایل به آلودگی اهمیت دارد، سطح این غشاها میتواند با پوششهای شیمیایی مانند فلوئوروپلیمرها اصلاح شود. بهطور کلی، غشاهای پلیاستری بهدلیل عملکرد پایدار، تنوع ساختاری و هزینهی مناسب، در صنایعی نظیر تصفیه آب، داروسازی، پتروشیمی و فرآوری مواد غذایی بهصورت گسترده مورد استفاده قرار میگیرند.
در محیطهایی که گازها و بخارات حاوی ترکیبات آمونیاکی منتشر میشوند، استفاده از مدیاهای فیلتراسیون سنتزی مانند الیاف پلیاستر بیبافت که با جاذبهایی نظیر کربن فعال (activated carbon) یا زئولیت (zeolite) آغشته شدهاند، بهعنوان یک راهکار مؤثر برای کنترل بو و گاز بهشمار میآید. این ترکیبات به دلیل ساختار میکرومتخلخل و ظرفیت بالای جذب سطحی، قادرند مولکولهای سبک و فرار مانند آمونیاک (NH₃) را بهطور مؤثر جذب و حذف نمایند.
مدیاهای پلیاستر آغشته به جاذب، از لحاظ مکانیکی مستحکم، انعطافپذیر، مقاوم در برابر رطوبت و مواد شیمیایی بوده و برای استفاده در سیستمهای تهویه مطبوع، فیلترهای هوا یا حتی سیستمهای فیلتراسیون محلی (point-of-use) کاملاً مناسب هستند. این نوع فیلترها بهویژه در فضاهایی مانند مهدکودکها، مراکز نگهداری کودکان، بیمارستانها، خانههای سالمندان، مراکز نگهداری حیوانات و سرویسهای بهداشتی عمومی کاربرد گستردهای یافتهاند، زیرا در این محیطها کنترل بوی نامطبوع و حفظ کیفیت هوای داخلی از اهمیت بالایی برخوردار است.
در طراحی این مدیاها، نوع جاذب و میزان اشباع آن با ماده فعال بهگونهای انتخاب میشود که ضمن حفظ راندمان جذب، افت فشار عبوری از فیلتر در محدوده قابلقبول باقی بماند. همچنین، امکان ترکیب این مدیا با لایههای پشتیبان برای تقویت ساختاری و افزایش عمر مفید فیلتر نیز وجود دارد.
هم کربن فعال و هم آلومینای فعالشده را میتوان با مواد شیمیایی خاصی ترکیب کرد تا خاصیت جذب شیمیایی (Chemsorption) در آنها ایجاد شود. از جمله این مواد میتوان به یونهای فلزی نظیر نقره، مس و پالادیم اشاره کرد. همچنین در فیلترهای تجاری مورد استفاده در سیستمهای تصفیه هوای محیط، از مدیاهای حاوی کربن فعال یا آلومینای فعالشدهای استفاده میشود که با موادی نظیر پرمنگنات پتاسیم، ید، اسید فسفریک و هیدروکسید پتاسیم آغشته شدهاند. انتخاب نوع ماده آغشتهکننده بستگی به نوع آلاینده هدف دارد. به عنوان مثال، آغشتهسازی جاذب (اعم از کربن فعال یا آلومینای فعال) با پرمنگنات پتاسیم باعث بهبود قابلتوجه در توانایی حذف ترکیبات بدبوی گوگردی مانند دیاکسید گوگرد، سولفید هیدروژن و مرکاپتانها میشود. ید نیز ممکن است برای حذف بخار جیوه استفاده شود.
تکنولوژیهای فیلتر متعددی وجود دارد که در آنها انواع مختلف مکانیزمهای جذب در یک مدیای واحد ترکیب شدهاند. این شامل فیلترهایی است که ترکیبی از کربن فعال و آلومینای فعالشده را، با یا بدون ترکیبات جذب شیمیایی، در بر دارند. برای مثال، شرکت Permatron واقع در آمریکا، فیلترهایی با نام تجاری CHARBXPL عرضه میکند که شامل کربن فعال و آلومینای فعالشده هستند که به یک بستر بیبافت پلیاستری اتصال یافتهاند. این شرکت همچنین گزینههایی با ۵٪ پرمنگنات پتاسیم برای حذف بوها، بخارات و گازها ارائه میدهد.
فعالیت ضد میکروبی در یک مدیای فیلتراسیون، معمولاً یکی یا هر دو هدف اساسی زیر را دنبال میکند:
تحقیقات نشان داده است که حتی در فیلترهایی با راندمان بالا مانند فیلترهای HEPA که برای جذب میکروارگانیسمها طراحی شدهاند، امکان رشد این موجودات درون فیلتر وجود دارد و در برخی موارد، آنها میتوانند از طریق ساختار فیلتر به سمت پاییندست نفوذ کنند. در مدیاهای آلی مانند مدیای سلولزی، مواد مغذی برای رشد میکروبی فراهم است. همچنین کربن فعال که وظیفه جذب ترکیبات آلی را دارد، ممکن است بستری مساعد برای رشد میکروارگانیسمها فراهم آورد. در محیطهای آبی یا دارای رطوبت بالا، فعالیتهای زیستی میتواند منجر به تخریب جدی مدیا شده و به منبعی برای آلودگی جریان خروجی تبدیل شود.
Price و همکاران [۱] نشان دادهاند که استفاده از مواد نگهدارنده ضد میکروبی میتواند رشد قارچها را به شکل مؤثری مهار کند. در مطالعات آنها، ماده مورد استفاده ترکیب آنتیمیکروبیال فسفاته آمین با نام تجاری Intersept بوده است.
در حال حاضر، بسیاری از تولیدکنندگان مدیای فیلتراسیون و فیلترها، از عوامل ضد میکروبی در محصولات خود بهره میبرند. به عنوان مثال، برخی از فیلترهای هوای خانگی با مواد ضدعفونیکننده عمل میشوند تا از رشد زیستی جلوگیری شود.
در فیلتراسیون مایعات، فیلترهای مورد استفاده در استخرهای شنانیز گزینههای مناسبی برای بهرهگیری از مدیای ضد میکروبی هستند. شرکت PPG در ایالات متحده، دو خط تولید فیلتر اسپانباند پلیاستر به نامهای Reemay Advantages و Reemay Freedoms را ارائه میدهد که با عامل ضد میکروبی Microban عمل شدهاند.
پلیاستر بهعنوان یک پلیمر ترموپلاستیک غیررسانا، بستر مناسبی برای اعمال بار الکترواستاتیکی در فرایندهایی نظیر شارژ کرونا محسوب میشود. این شارژ باعث افزایش قابلیت جذب ذرات معلق به دلیل ایجاد نیروهای الکترواستاتیکی در سطح فیلتر میشود. استفاده از پلیاستر شارژ شده در ساختارهایی نظیر ماسکهای پزشکی، فیلترهای هوای صنعتی و فیلترهای سیستمهای تهویه، منجر به افزایش چشمگیر راندمان جذب ذرات ریز، بدون افزایش مقاومت جریان هوا میگردد. از طرفی، دوام شارژ بالا، پلیاستر را به یکی از انتخابهای ایدهآل برای تولید فیلترهای با عملکرد بالا در محیطهای سخت تبدیل کرده است.
الیاف پلیاستر با ویژگیهای دیالکتریک پایدار و رفتار قابلپیشبینی در تماس با دیگر مواد، یکی از گزینههای مناسب در طراحی مدیای تریبوالکتریک به شمار میروند. با توجه به موقعیت پلیاستر در سری تریبوالکتریک (جدول ۵)، این ماده میتواند در ترکیب با الیاف دارای رفتار الکتریکی متفاوت (مانند شیشه، پلیپروپیلن یا (PTFE اختلاف بار مؤثری ایجاد کند که به تشکیل بارهای سطحی با پایداری نسبی میانجامد.
این خاصیت، پلیاستر را برای استفاده در مدیاهایی که به دنبال ارتقاء عملکرد فیلتراسیون از طریق اثر تریبوالکتریک هستند، بسیار ارزشمند میسازد. همچنین سازگاری بالای پلیاستر با فرایندهای مختلف تولید بیبافت (نظیر سوزنزنی، اسپانباند و کاغذسازی) امکان تولید مدیاهای چندلایه با ساختارهای بهینه را فراهم میکند.
با ترکیب پلیاستر با الیافی دارای تفاوت قابلتوجه در واحدهای تریبوالکتریک (TU) مطابق با جدول ۵، میتوان ساختارهایی با عملکرد فیلتراسیون ارتقاءیافته، مقاومت کم در برابر افت فشار و بازده بالای جذب ذرات ریز طراحی کرد. این ویژگیها، پلیاستر را به گزینهای اقتصادی، در دسترس و کارآمد برای توسعه نسل جدیدی از فیلترهای الکترواستاتیکی و تریبوالکتریک تبدیل کرده است.
شرکت Freudenberg مدیاهای فیلتراسیونی با نام Separets را تولید میکند که برای جاروبرقیها و تصفیهکنندههای هوای محیطی طراحی شدهاند. در جاروبرقیها، این مدیا بهعنوان فیلتر محافظ موتور و همچنین فیلتر خروجی هوا عمل میکند. این مدیا از نوع الکترواستاتیکی بوده و از ترکیبی از الیاف پلیاستر، پلیپروپیلن و پلیآکریلونیتریل ساخته شده است.
در بسیاری از ساختارهای کامپوزیتی پیشرفته با عملکرد جذب گازها و بخارات، از لایههای پلیاستری به عنوان پوشش خارجی (outer layers) استفاده میشود. این لایهها ضمن محافظت فیزیکی از لایهی داخلی حاوی ذرات کربن فعال، استحکام مکانیکی کل ساختار را افزایش میدهند.
نمونهای از این نوع طراحی در مدیای جذبکننده PLEKX ساخت شرکت Graver Technologies مشاهده میشود، که در آن دو لایهی بیبافت پلیاستر، لایهی میانی حاوی ذرات کربن فعال را احاطه کردهاند. پلیاستر به دلیل قابلیت عبور مناسب هوا، مادهای ایدهآل برای این نوع کاربردها محسوب میشود. استفاده از پلیاستر در این ساختارها نهتنها دوام مکانیکی را تضمین میکند، بلکه در عملکرد فیلتراسیون گازی نیز نقش هدایت سیال به سمت بستر کربن فعال را ایفا مینماید. شکل ۳ تصویری از این مدیا را نشان میدهد.
شرکت Ahlstrom، بر پایهی فناوری مدیای کامپوزیتی محصول Trinitex® Hydraulic با ترکیبی هوشمندانه از الیاف پلیاستر در لایههای بیرونی و میکروالیاف شیشهای در لایه میانی، عملکردی ممتاز در فیلتراسیون سیالات هیدرولیک ارائه میدهد. این ترکیب منحصربهفرد موجب دستیابی به کارایی بالای فیلتراسیون، افت فشار پایین، و ظرفیت نگهداری گرد و غبار بهبودیافته میشود. پلیاستر با خاصیت انعطافپذیری بالا و قابلیت سازگاری با فرایندهای صنعتی، نقش کلیدی در حذف نیاز به لمینیت اضافی دارد. این ویژگی موجب کاهش هزینههای تولید و افزایش یکپارچگی ساختار نهایی شده است.
مدیاهای فیلتراسیون های-لافت که در تصویر ۴ نشان داده شدهاند، از وبهای کاردشده (carded webs) تشکیل شدهاند که بهصورت خاص برای داشتن ساختاری ضخیم و حجیم طراحی میشوند. این وبها اغلب از الیاف پلیاستر تشکیل شدهاند.
فرایند شکلدهی این نوع مدیا معمولاً از طریق ترموباندینگ (thermobonding) صورت میگیرد و در موارد کمتری نیز از چسبهای شیمیایی یا رزینی (resin bonding) استفاده میشود. برای باندینگ حرارتی، معمولاً از الیاف دو جزئی (bicomponent fibers) با هسته مقاوم و پوسته با نقطه ذوب پایین بهره گرفته میشود که بهعنوان چسب گرمایی عمل میکند.
ضخامت و حجم این مدیا از طریق فرایند گرمایش در کورههای هوای گرم (through-air oven) کنترل میشود، که امکان تولید وبهایی با ضخامت بیش از ۳ میلیمتر را فراهم میسازد.
از جمله کاربردهای رایج این نوع مدیا میتوان به استفاده در سیستمهای تهویه خانگی (فیلترهای هود و کولر) و همچنین غرفههای رنگپاشی صنعتی (paint spray booths) اشاره کرد. در اغلب موارد، فیلترها به صورت وبهای برشخورده در اندازه دلخواه عرضه میشوند. این برش ممکن است توسط تولیدکننده انجام شود یا کاربر نهایی رول یا شیتهای بزرگ را خریداری کرده و با توجه به ابعاد محفظه فیلتر، برش مورد نظر را انجام دهد.
فیلترهای غرفههای رنگپاشی که به آنها “جذبکننده رنگ” (paint arrestors) هم گفته میشود، معمولاً به شکل پدهایی هستند که در اندازههای مشخص برش خورده و در دیواره یا کف کابینهای رنگپاشی نصب میشوند. در کابینهایی که هوا از کنار یا نیمهپایین وارد میشود، از پدهایی مثل ۲۰×۲۰ یا ۲۰×۲۵ اینچ استفاده میشود. اما در کابینهایی که هوا از کف وارد میشود (downdraft)، از پدهای بلندی استفاده میشود که در گودال کف قرار میگیرند. بعضی کابینها هم از فیلترهای کیسهای استفاده میکنند.
جنس این فیلترها معمولاً شامل فایبرگلاس با لایه پشتی پلیاستری یا پلیاستر سهلایه با چگالی تدریجی است که قدرت جذب بیشتری دارد. ضخامت معمول آنها حدود ۲.۵ اینچ است. این فیلترها بیشتر از پلیاستر ساخته میشوند و گاهی لایههای اضافهای برای افزایش راندمان به آنها افزوده میشود. فیلترهای کیسهای هم اغلب از پلیاستر با یک لایه مش تقویتی ساخته میشوند.
برخی شرکتها، مثل Hollingsworth & Vose، از مدیاهای پیشرفته مثل NanoWaves برای کابینهای رنگپاشی در صنایع هوافضا استفاده میکنند که شامل فیلترهای پنلی و پدهای پلیاستری دولایه میباشند.
پلیاستر یکی از متنوعترین، مقرونبهصرفهترین و پرکاربردترین مدیاهای فیلتراسیون است. این الیاف مقاومت مکانیکی بالا دارند، در برابر سایش مقاوماند، میتوانند تا دمای ۱۴۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند و همچنین در برابر اسیدهای معمول، حلالها و عوامل اکسیدکننده پایداری خوبی دارند. تنها نقطهضعف پلیاستر این است که در معرض بازهای قوی دچار هیدرولیز میشود؛ یعنی به مرور زمان ساختار الیاف تضعیف شده و پودر میشوند.
پلیاستر بهعنوان یک الیاف رایج و در دسترس، در گستره وسیعی از دنیر (قطر الیاف) تولید میشود. همین موضوع امکان طراحی انواع مدیاها را فراهم میکند؛ از محصولات با راندمان بالا برای جذب گرد و غبارهای ریز (با الیاف بسیار نازک) گرفته تا فیلترهایی با بازده کمتر اما با عبوردهی بالا (با الیاف ضخیم) برای کاربردهایی که جریان هوا اهمیت بیشتری دارد.
برای بهبود عملکرد پلیاستر، فرایندهای شیمیایی و حرارتی متنوعی در دسترس هستند. از رایجترین آنها میتوان به کلندرینگ، گلیزینگ و پرزسوزی اشاره کرد که موجب افزایش قابلیت رهاسازی کیک از سطح فیلتر و همچنین افزایش مقاومت در برابر جذب مایعات میشود؛ خصوصاً در شرایطی که ذرات چسبنده وجود دارند.
پلیاستر چندمنظورهترین الیاف در دمای پایین به شمار میرود و در صنایع مختلفی مانند نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاهی، سیمان، معدن، فلزکاری، آرد و چوب کاربرد گستردهای دارد.
[۱] Price, D. L., D. G. Ahearn, and R. B. Simmons. “Antimicrobial Preservatives In Air Filter Media Assessment Of Efficacy And Significance Of Use.” ADVANCES IN FILTRATION AND SEPARATION TECHNOLOGY ۱۱ (۱۹۹۸): ۳۸۴-۳۸۹.
[۲] Sutherland, K.S. and Chase, G., 2011. Filters and filtration handbook. Elsevier.
[۳] Hutten, Irwin M. Handbook of nonwoven filter media. Elsevier, 2007.
نویسنده: امین فروزان
ذخیره پست 
