عملکرد یک مدیای فیلتراسیون وابسته به مجموعهای از پارامترهای فنی است که هر یک بهصورت مستقیم یا غیرمستقیم بر راندمان جداسازی ذرات، افت فشار، مقاومت مکانیکی و پایداری طول عمر فیلتر تأثیر میگذارند. در این گزارش، نقش پارامترهای کلیدی شامل گرماژ، ضخامت، رطوبت و مواد فرار، تخلخل و صلبیت، نفوذپذیری هوا، قطر الیاف، ساختار منافذ، چگالی خطی، ویژگیهای مکانیکی و رفتارهای مرتبط با آبدوستی/آبگریزی بررسی میشود. همچنین ارتباط بین ساختار ریزالیاف و پدیدههای فیزیکی حاکم بر جریان سیال در محیطهای متخلخل با استفاده از مدلسازیهایی همچون قانون دارسی، معادله Kozeny–Carman و مدل مونتکارلو تحلیل شده است. اثرات ترکیب مواد، نوع پلیمر، فرآوری و عملیات تکمیلی بر خواص کاربردی مدیا، از جمله کارایی فیلتراسیون، ظرفیت نگهداری آلودگی، پایداری ابعادی و رفتار اشتعالپذیری نیز به تفصیل مورد ارزیابی قرار گرفته است. یافتهها نشان میدهد که دستیابی به یک مدیای بهینه نیازمند ایجاد توازن دقیق میان پارامترهای ساختاری و عملکردی است تا ضمن تضمین راندمان و افت فشار مطلوب، الزامات مکانیکی، زیستمحیطی و ایمنی نیز تأمین شود.
مدیا باید ترکیب مناسبی از ویژگیهای فیزیکی مانند ضخامت، استحکام، انعطافپذیری و مقاومت در برابر پارگی داشته باشد تا بتوان آن را به شکل نهایی فیلتر فرآوری کرد. ویژگیهای مدیا نهتنها شامل خواص مهندسی کلاسیک مانند استحکام و صلبیت میشوند، بلکه خواص مرتبط با عملکرد فیلتراسیون مانند نفوذپذیری و اندازه حفرهها را نیز دربر میگیرند.
گرماژ مدیای فیلتر بسته به نوع و ساختار مدیا میتواند دامنهی بسیار وسیعی داشته باشد. برای مثال، در فیلترهای نمدی، گرماژ معمولاً حدود ۹۰۰ گرم بر متر مربع است، در حالی که در لایههای بسیار سبکتر این مقدار میتواند به ۰.۱ گرم بر متر مربع کاهش یابد. در فیلترهای کامپوزیتی با کارایی بالا که شامل لایههای الکتروریسیشده هستند، گرماژ میتواند حتی در محدوده نانو قرار گیرد؛ برخی پژوهشها این محدوده را بین ۰.۰۱ تا ۰.۱ گرم بر متر مربع گزارش کردهاند.
در مدیاهای اسپانباند، گرماژ در بازه ۵ تا ۸۰۰ گرم بر متر مربع قرار دارد و مقدار رایج آن بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ گرم بر متر مربع است. مدیاهای ملتبلون دارای گرماژی بین ۸ تا ۳۵۰ گرم بر متر مربع هستند و مقدار معمول آنها بین ۲۰ تا ۲۰۰ گرم بر متر مربع میباشد.
لایهچینی (لایهگذاری چند وب) امکان تولید وبهای ضخیمتر و گرماژهای بالاتر را فراهم میکند. به عنوان نمونه، نمدهایی که با لایهگذاری وبهای کارد شده تولید میشوند، معمولاً دارای گرماژ قابل توجهی هستند.
ورقهای فیلتر که برای فیلتراسیون عمقی طراحی میشوند، در گرماژهایی بسیار بالاتر از سایر مدیاهای کاغذی تولید میگردند. در مقابل، مدیاهای فیلتری که برای کاربردهای یکبار مصرف طراحی شدهاند — مانند کاغذهای صافی آزمایشگاهی، فیلتر قهوه و فیلتراسیون زیستی و پزشکی — معمولاً در پایینترین محدوده گرماژ تولید میشوند.
به طور معمول، مدیاهای اسپانلیس دارای گرماژ بین ۲۵ تا ۲۵۰ گرم بر متر مربع هستند و از الیافی با نمره خطی ۱.۵ تا ۳.۳ دنیر تشکیل شدهاند.
دستیابی به گرماژ هدف در تمامی روشهای تولید، نیازمند کنترل دقیق میزان الیاف در واحد حجم و قطر الیاف است.
میزان رطوبت یا مواد فرار در توده الیاف بخشی از وزن پایه را تشکیل میدهد. این عوامل بر ویژگیهای فیلتر تأثیرگذارند. مقدار رطوبت موجود در توده الیاف به رطوبت تعادلی مواد خام آن و دما و رطوبتی که در معرض آن قرار گرفته، مرتبط است. رطوبت تعادلی به محتوای رطوبتی گفته میشود که در تعادل با دما و رطوبت نسبی محیطی است که توده در آن قرار گرفته است. جدول ۱ شامل مقادیر رطوبت تعادلی چند نوع الیاف مورد استفاده در مواد بیبافت و نساجی است. شرایط تعادل، ۲۱ درجه سانتیگراد و ۶۵٪ رطوبت نسبی (RH) در نظر گرفته شده است. مدیاهایی که شامل الیاف سلولزی هستند، هنگام آمادهسازی یک اثر هیسترزیس خواهند داشت. محتوای رطوبت تعادلی برای نمونهای که از حالت لایه گذاری مرطوب آمادهسازی شده متفاوت از همان نمونه است که از حالت لایه گذاری تر آمادهسازی شده باشد.
مواد فرار به مجموع ترکیبات فرار موجود در وب الیاف اشاره دارد که شامل رطوبت و ترکیبات آلی فرار میشود. این نباید با اصطلاح VOC (محتوای ترکیبات آلی فرار) اشتباه گرفته شود، که در واقع تنها به ترکیبات آلی فرار موجود در توده الیاف اشاره دارد و یک مفهوم زیستمحیطی است. در تودههای الیافی که با رزین پیوند شدهاند، معمولاً هم رطوبت و هم ترکیبات آلی فرار مانند فرمالدهید وجود دارند که در نتیجهی فرآیند پخت آزاد میشوند. هنگام گزارشگیری از گرماژ یا وزن پایه، مهم است که مشخص شود آیا این اعداد بر اساس حالت “همانطور که هست” (شامل رطوبت و/یا ترکیبات فرار) گزارش شدهاند یا بر اساس حالت خشک مطلق.
برای وبهای الیافی که با رزین فرآوری شدهاند، محتوای مواد فرار یک ویژگی مشخص و اندازهگیریشده به حساب میآید. این ویژگی بر خواص دیگری از جمله سختی و پایداری ابعادی تأثیر میگذارد. در مورد الیاف ترموست، محتوای مواد فرار گاهی بهعنوان معیاری برای اندازهگیری و کنترل میزان پخت نیز استفاده میشود. مواد فرار مانند VOC و فرمالدهید به شدت توسط سازمانهای نظارتی دولتی کنترل و تنظیم میشوند.
یکی از نگرانیهای مهم زیستمحیطی و ایمنی در محیط کار، انتشار فرمالدهید از مواد فیلتر است. این موضوع معمولاً به دلیل وجود یک نوع رزین یا اتصالدهنده فرمالدهیدی در ترکیب رزین استفادهشده در فیلتر است. در حالی که استاندارد یا آزمون مشخصی برای تعیین میزان فرمالدهید در مدیاهای فیلتر گزارش نشده است، باید فرض کرد که استانداردها و آزمونهایی که برای پارچهها یا منسوجات اعمال میشوند، برای مدیاهای فیلتر نیز معتبر هستند.
استانداردهای آزمایشی زیر را برای سنجش فرمالدهید در مواد و دیسپرسهای پلیمری شناسایی شده است:
ضخامت به فاصله عمودی بین دو سطح وب الیاف اشاره دارد.
وبهای نانوالیاف الکتروریسی ششده دارای ضخامتی بسیار کم (در حدود ۱۵ تا ۳۰ میکرومتر یا کمتر) هستند و بنابراین، خواص مکانیکی محدودی دارند. شایان ذکر است که این فرایند قادر است وبهایی با قطر الیاف تا حد ۱ میکرومتر و ضخامتی در بازه ۵۰۰ میکرومتر تا ۱ میکرومتر تولید کند.
برای مدیاهای اسپانباند، ضخامت وب در بازه ۰.۱ تا ۴.۰ میلیمتر قرار دارد و مقدار متداول آن بین ۰.۲ تا ۱.۵ میلیمتر است.
مدیای های لافت (High loft) یک مدیای الیافی با چگالی پایین است که با نسبت بالای ضخامت به وزن در واحد سطح شناخته میشود. این نوع ساختار معمولاً با نام مدیای های لافت یا بتینگ (Batting) نیز شناخته میشود. بهطور کلی، مدیای بیبافت هایلافت به عنوان مدیایی تعریف میشوند که کمتر از ۱۰٪ صلبیت (Solidity) داشته و ضخامتی حداقل برابر با ۳ میلیمتر (۰.۱۲ اینچ) ارائه میدهند.
طبق رابطه زیر که از قانون دارسی استخراج شده است، افت فشار با ضخامت مدیا نسبت مستقیم دارد و با افزایش ضخامت افت فشار هم افزایش مییابد:
که در آن µ ویسکوزیته سیال، h ضخامت مدیا و U سرعت سیال در سطح فیلتر (Face Velocity) است. اما یک مزیت دیگر آن این است که طبق رابطه زیر موجب کاهش سرعت عبور سیال از مدیا میشود و به عملکرد بهتر مکانیزمهای فیلتراسیون کمک میکند.
که در آن v۰ سرعت عبورسیال از مدیا است که به صورت دبی حجمی بر واحد سطح مدیا (m۳/m۲⋅s) بیان میشود، و Δp افت فشار (پاسکال) در ضخامت لایه (L) با واحد متر است.
برای تنظیم ضخامت مدیا یک راهکار استفاده از کلندرینگ است که مدیا از میان مجموعهای از غلتکهای فشار بالا عبور میکند. غلتکها دارای فاصله قابل تنظیم هستند تا ضخامت یکنواختی در لایه ایجاد شود.
به زبان ساده، صلبیت (solidity) به بخشی از مدیا اشاره دارد که چیزی هست، در حالی که تخلخل به بخشی از مدیا اشاره دارد که هیچ چیزی نیست. Solidity (χ) (که اغلب به عنوان packing density شناخته میشود) حجم ماده جامد در یک واحد حجم از مدیا است. همچنین میتوان آن را به عنوان کسری از حجم مواد جامد در مدیا بیان کرد. در یک ماده بیبافت، مواد جامد شامل الیاف، رزین، افزودنیها و هر مؤلفه دیگری است که به حجم جامد ساختار کمک میکند.
تخلخل (ε=(۱−χ))، کسری از حجم خالی سهبعدی مدیا است. تخلخل نباید با نفوذپذیری هوا اشتباه گرفته شود. نفوذپذیری همانطور که در ادامه توضیح داده میشود، نرخ جریان سیال از طریق مدیا در یک افت فشار مشخص است.
هر دو solidity (χ) و تخلخل (ε) ویژگیهای مهمی از مدیای فیلتر هستند. این ویژگیها میتوانند بهطور «ظاهری» از وزن پایه و ضخامت مدیا و چگالی مواد آن به صورت زیر محاسبه شوند:
χ و ε به ترتیب solidity و تخلخل وب به واحد سانتیمتر مکعب بر سانتیمتر مکعب (cm³/cm³) هستند.
ρm چگالی وزنی میانگین الیاف، رزینها و سایر افزودنیهایی است که وب را تشکیل میدهند و به واحد گرم بر سانتیمتر مکعب (g/cm³) بیان میشود.
solidity از چگالی وب، تقسیم بر چگالی الیاف و مواد آن محاسبه میشود. برای یک مدیای فیلتر، مهم است که تفاوت بین solidity و چگالی و همچنین بین تخلخل و bulk را در نظر بگیریم. این اصطلاحات گاهی اوقات با هم اشتباه گرفته میشوند. موارد زیر تفاوتها را نشان میدهد:
در دنیای مدیای فیلتر، واژگان اهمیت بالایی دارند. بسیاری از واژهها به کار میروند که برای افراد مختلف معانی متفاوتی دارند و گاهی در زمینه نادرست استفاده میشوند. به عنوان مثال، بسیاری از افراد از واژه تخلخل (Porosity) استفاده میکنند در حالی که منظورشان نفوذپذیری (Permeability) است. این دو واژه به هم مرتبطاند، اما خواص متفاوتی از مدیای فیلتر را توصیف میکنند. نفوذپذیری یکی از ویژگیهای مدیای متخلخل است که با ثابت نفوذپذیری، k، طبق قانون دارسی مرتبط است.
نوان قانون دارسی (Darcy’s Law) شناخته میشود و یکی از معادلات بنیادی جریان سیال در یک مدیای متخلخل است. در مورد یک مدیای متخلخل تخت که جریان سیال عمود بر سطح مدیا باشد، قانون دارسی به شکل ساده زیر کاهش مییابد:
که در آن dp/dz (Pa/m) گرادیان فشار تفاضلی در طول ضخامت مدیا یا جهت z است
قانون دارسی میتواند به مدیاهای بیبافت نیز اعمال شود. آزمایش نفوذپذیری هوا که پایهای برای توصیف مدیای فیلتر بیبافت است، مبتنی بر قانون دارسی انجام میشود. در این آزمایش، دبی جریان هوا از یک سطح مشخص از مدیا تحت افت فشار معین اندازهگیری میشود. دبی جریان هوای اندازهگیریشده به عنوان نفوذپذیری هوای مدیا شناخته میشود.
ثابت نفوذپذیری که در قانون دارسی تعریف شده است، اغلب به عنوان نفوذپذیری شناخته میشود. با این حال، این مقدار کاملاً با ویژگی نفوذپذیری هوا (که معمولاً به آن نفوذپذیری فریزر – Frazier Permeability گفته میشود) در مدیاهای فیلتر بیبافت متفاوت است.
در واقع، نفوذپذیری هوا همان v۰ در قانون دارسی است. نفوذپذیری هوا به طور مستقیم با ثابت نفوذپذیری دارسی مرتبط و متناسب است، زیرا سایر متغیرهای موجود در آزمایش ثابت هستند. هر دو، یعنی نفوذپذیری هوا و ثابت نفوذپذیری دارسی، به طور مستقیم با ویژگیهای مدیا یا ساختار متخلخل مرتبط میباشند.
در قانون دارسی از معادلهKozeny-Carman تعریف میشود.
برای نفوذپذیری بهینه، ترکیب الیاف به گونهای انتخاب میشود که ویژگیهای فیلتراسیونی مانند تخخل، مساحت سطح بر واحد حجم ماده جامد و نفوذپذیری را تأمین کند. الیاف ریز و با قطر کم، چگالی بالا، نفوذپذیری کم و کارایی فیلتراسیون بالا ایجاد میکنند، در حالی که الیاف ضخیمتر، مدیای با حجم بیشتر و نفوذپذیری بالا تولید میکنند، اما به هزینه کاهش کارایی فیلتراسیون تمام میشود. جهتگیری الیاف، میتوانند شدت و نحوه درهمتنیدگی از جمله عواملی هستند که میتوانند نفوذپذیری مدیا را تحت تأثیر قرار دهند.
تنظیم نفوذپذیری با افزایش یا کاهش گرماژ و/یا چگالی نیز امکانپذیر است، به شرطی که این درجات آزادی در طراحی مجاز باشند.
فرآوری بیشتر، مدیای فشردهتری با نفوذپذیری هوا کمتر ایجاد میکند، در حالی که فرآوری کمتر، مدیای بازتری با نفوذپذیری هوا بالاتر به وجود میآورد. یکی از این فرآوریها، موجدار کردن (Corrugating)سطح مدیا است که تراکم ورق در ضخامت و کشیده شدن آن در جهت عرضی است. تراکم ورق از طریق موجدارکردن باعث کاهش نفوذپذیری میشود، اما این کاهش تا حدودی با افزایش مساحت سطح جبران میگردد.
نفوذپذیری هوا در طراحی فیلتر اهمیت دارد، زیرا نوع، ظرفیت و اندازه پمپ، دمنده یا فن مورد استفاده برای عبور سیال از مدیا را تعیین میکند. در مدیاهای واقعی، تغییرات موضعی در تخلخل و نفوذپذیری به طور شایع مشاهده میشود. نفوذپذیری مدیا برای الیاف با قطر ۱۰۰ نانومتر تقریباً دو برابر افزایش مییابد، در صورتی که شرط جریان لغزشی (Slip Flow) لحاظ شود، در مقایسه با حالتی که شرط عدم لغزش (No-Slip) اعمال شده باشد.
چندین پژوهشگر تلاش کردهاند تا ساختار یک فیلتر الیافی را مدلسازی کنند تا بتوانند بینشی نسبت به خواص مدیای فیلتر بهدست آورند. یکی از رویکردهای رایج برای این کار، استفاده از تکنیکهای مونتکارلو جهت شبیهسازی ساختار تصادفی الیاف در یک مدیای بیبافت است.
یکی از ارائههای کلاسیک در این زمینه، مدل خطی است. در این مدل، یک مدیای فیلتر را با تعدادی خط مستقیم با طول یکسان l شبیهسازی میکنند که هر خط نشاندهنده یک لیف است. تمامی خطوط بر جهت جریان سیال عمود بوده و به صورت چندلایه در صفحه مدیای فیلتر قرار داده میشوند. ضخامت هر لایه برابر با دو برابر قطر متوسط لیف (۲d) بود.
برای تعیین جهتگیری هر لیف، از روش عدد تصادفی استفاده شد تا جهتها واقعاً تصادفی باشند. شکل ۲ آرایهای نمونه را نشان میدهد که دارای چگالی خطی ۲۵ خط در هر واحد سطح است. در شکل، یک مربع داخلی و یک مربع خارجی دیده میشود. مربع داخلی که طول ضلع آن l است (برابر با طول لیف)، ناحیهای را نشان میدهد که مورد بررسی قرار میگیرد. مربع خارجی با طول ضلع ۲l نشاندهنده فضایی است که برای نمایش الیاف بیرونزده از محدوده مربع داخلی در نظر گرفته شده است.
تقاطع تصادفی خطوط در شکل ۲ مجموعهای از چندضلعیهای نامنظم ایجاد میکند که هر یک شبیهساز یک منفذ (pore) در مدیای فیلتر است. تعداد منافذ در هر واحد سطح فیلتر یک پارامتر مهم محسوب میشودPiekaar و Clarenburg این مقدار را به صورت زیر بیان کردند:
در این رابطه:
بر اساس احتمالات، تعداد کل برخوردها (Interceptions) به ازای واحد سطح برابر است با:
در این رابطه:
با تحلیل سه نوع تقاطع خطی و همچنین احتمال وقوع هر یک، Piekaar و Clarenburg رابطه زیر را برای np (تعداد چندضلعیها بهازای واحد سطح) استخراج کردند.
مقدار P به صورت زیر تعیین میشود:
اندازه منافذ، ساختار منافذ و تخلخل ویژگیهای مرتبطی هستند که به تعریف مدیای فیلتر کمک میکنند. تخلخل به حجم فضای خالی درون یک مدیای فیلتر و ظرفیت آن برای نگهداری آلودگی مربوط میشود. اندازه منافذ و ساختار منافذ به اندازه ذراتی که میتوانند در آنها گیر بیفتند مربوط است. تقریباً همه اندازهگیریهای اندازه منافذ فرض میکنند که منافذ بهصورت کپسولهای استوانهای درون مدیا هستند و اندازه منافذ را بر حسب قطر آن کپسولها بیان میکنند. دو اندازهگیری اصلی اندازه منافذ در یک مدیای فیلتر به شرح زیر است:
اندازه منافذ جریان میانه، قطر منافذی است که در آن جریان از طریق یک مدیای مرطوب ۵۰٪ جریان از طریق مدیای خشک را در همان افت فشار نشان میدهد. این اندازه، اندازه میانگین منافذ نیست زیرا جریان از طریق منافذ با قطر بزرگ میتواند بهطور نامتناسبی بیشتر از جریان از طریق منافذ با قطر کوچک باشد.
فشاری که در آن نرخ جریان از طریق نمونه مرطوب دقیقاً نیمی از جریان از طریق نمونه خشک است، فشاری است که در آن اندازه منافذ جریان میانه تعیین میشود. شکل ۳ روش گرافیکی برای تعیین اندازه منافذ جریان میانه را نشان میدهد.
فشاری که در آن برای اولین بار جریان تشخیص داده میشود برای تعیین نقطه حباب استفاده میشود. نقطهای که در آن منحنی مرطوب منحنی نیمه خشک را قطع میکند، فشاری است که اندازه حفره جریان متوسط را نشان میدهد. کوچکترین اندازه حفره از فشاری که در آن منحنی مدیای مرطوب با منحنی مدیای خشک همگرا میشود تعیین میشود.
نظریههای مختلفی نشان میدهد که قطر لیف همراه با تخلخل (یا صلبیت)، از مهمترین عوامل تأثیرگذار بر ویژگیهای فیلتراسیون یک مدیا هستند. در این مدلها تخلخل براساس قطر لیف و فضای خالی اطراف آن فرض میشود.
Peart و Ludwig گزارش کردند که تعداد الیاف و تعداد منافذ موجود در یک مدیا را میتوان به شکل زیر به قطر لیف مرتبط کرد:
در این رابطه:
با توجه به تخلخل (Porosity)، قطر الیاف رابطه عکس با مقاومت جریان مدیا دارد؛ به این معنی که هرچه قطر الیاف کوچکتر باشد، مقاومت جریان بیشتر است. همچنین، چگالی وبهای بیبافت با کاهش قطر الیاف تمایل به افزایش دارد.
از سوی دیگر، کاهش قطر الیاف مهمترین روش برای افزایش راندمان فیلتراسیون در مدیاهای فیلتر بیبافت است. برای مثال، فیلتراسیون هوای با راندمان بالا برای نانوذرات با استفاده از نانوالیاف انجام میشود که معمولاً کمتر از ۰.۵ میکرومتر (۵۰۰ نانومتر) قطر دارند.
هرچند قطر الیاف برای خواص فیلتراسیون اهمیت زیادی دارد، اندازهگیری آن دشوار است، بهویژه اگر مقطع عرضی الیاف گرد نباشد، موضوع پیچیدهتر میشود زیرا بسیاری از الیاف طبیعی و برخی الیاف مصنوعی گرد نیستند. برای مثال، اکثر الیاف خمیر چوب به شکل نوار (ribbon) هستند. در چنین مواردی، قطر الیاف غالباً با استفاده از میکروگراف یا تحلیل تصویر اندازهگیری میشود و ممکن است قطر الیاف به صورت شبهقطر (pseudo-diameter) با اندازهگیری عرض نوار تعیین شود.
مشکل دیگر در الیاف طبیعی این است که قطر الیاف در طول آن و از یک الیاف به الیاف دیگر متفاوت است. در بهترین حالت، یک میانگین آماری برای بیان قطر الیاف طبیعی لازم است. برای مدیریت این موضوع، سیستمهای مبتنی بر وزن مانند چگالی خطی (Linear Density) طراحی شدهاند تا بتوان قطر الیاف را از طریق آنها مرتبط کرد.
چگالی خطی الیاف (Linear Density) بیانگر وزن الیاف به ازای واحد طول است. چندین واحد و اصطلاح برای چگالی خطی الیاف وجود دارد:
خواص استحکام مدیاهای فیلتر غیر بافته شامل جنبههای مختلفی است. خواص کششی: شامل استحکام کششی، میزان کشیدگی یا درصد ازدیاد طول، جذب انرژی کششی (TEA) و سختی کششی میباشند. اینها خواصی هستند که در صفحه وب (In-plane) عمل میکنند. خواص خارج از صفحه (Out-of-plane) شامل سختی خمشی، استحکام انفجاری (Burst strength)، استحکام پیوند داخلی، و فشردگی در جهت Z میباشند. در بیشتر موارد، این خواص ناهمسانگرد ( Anisotropic) هستند، به این معنی که در جهت ماشین با جهت عرضی وب متفاوت میباشند.
خواص کششی بر اساس منحنی تنش-کرنش یا بار-ازدیاد طول که در شکل ۴ نشان داده شده است، اندازهگیری میشوند. توجه داشته باشید که این منحنی دو محور افقی ممکن دارد: کرنش و ازدیاد طول. کرنش تغییر درصدی طول نمونه هنگام کشش آن است. ازدیاد طول تغییر در ابعاد طولی نمونه نسبت به طول اصلی آن است. اگر از کرنش به عنوان پارامتر محور افقی استفاده شود، منحنی تنش-کرنش است. اگر از ازدیاد طول به عنوان پارامتر محور x استفاده شود، منحنی بار-ازدیاد طول خواهد بود. خواص مختلف به شرح زیر تعریف میشوند:
جذب انرژی کششی – TEA – (Tensile Energy Absorption)TEA نمایانگر چقرمگی(toughness) یا استحکام مدیا است. این مقدار مساحت زیر منحنی بار-افزایش طول تا نقطه شکست را نشان میدهد. با توجه به شکل ۴، این مساحت خاکستری رنگ زیر منحنی بار-افزایش طول است زمانی که افزایش طول به عنوان محور افقی در نظر گرفته میشود. واحدها به صورت ژول بر متر مربع (J/m²) هستند. معادله TEA طبق استاندارد TAPPI T-494 به صورت زیر است:
که در آن:
TEA انرژی کششی جذب شده به واحد ژول بر متر مربع (J/m²) است.
A مساحت زیر منحنی بار-افزایش طول به واحد ژول (J) است.
L فاصله اولیه آزمون به میلیمتر (mm) است.
W عرض نمونه به میلیمتر (mm) است.
که در آن:
Si سختی کششی است.
Δf تفاوت بین دو سطح نیرو است.
w عرض اولیه نمونه آزمایش است.
L طول اولیه نمونه آزمایش است.
ΔL تغییر طول مربوط به Δf است.
که در آن:
BL طول شکست به متر است.
T استحکام کششی به کیلو نیوتن بر متر (kN/m) است.
R گرماژ به گرم بر متر مربع (g/m²) است.
T’ استحکام کششی به پوند بر اینچ (lbf/in) است.
R’ وزن پایه به پوند بر ۳,۰۰۰ فوت مربع است (lb/3,000 ft²) .
دافعیت آب به توانایی ماده برای مقاومت در برابر خیس شدن و نفوذ آب اشاره دارد. این ویژگی توسط آبگریزی (هیدروفوبی) ماده تعیین میشود. این ویژگی زمانی اهمیت دارد که ماده بهعنوان یک مانع رطوبتی در کاربردهای فیلتراسیون استفاده شود. دافعیت آب و مقاومت در برابر آب و/یا رطوبت دو ویژگی متفاوت هستند.
مقاومت در برابر آب به توانایی ماده برای حفظ خواص و یکپارچگی ساختاری خود پس از تماس با آب یا رطوبت اشاره دارد. مقاومت در برابر رطوبت معمولاً به توانایی ماده در مقاومت در برابر تغییرات محیطی رطوبت در جو اطلاق میشود.
مقاومت در برابر آب معیاری برای سنجش توانایی ماده در حفظ خواص خود پس از غوطهور شدن در آب یا خیس شدن با آب است. دغدغههای اصلی شامل تجزیه ماده، شکست ساختاری و تورم الیاف میباشد. مدیاهای فیلتری که برای تصفیه مایعات آبی استفاده میشوند، باید مقاومت کافی در حالت مرطوب داشته باشند تا هنگام تماس با محیط آبی تجزیه نشوند. یک نمونه خوب کاغذ چای کیسهای است که باید در محیط آب داغ دوام بیاورد و حتی هنگام فشار دادن با قاشق، مقاوم باشد.
فیلترهای هوا با چینخوردگی، مانند فیلترهای هوای ورودی موتور، در صورت آلوده شدن به آب (مثلاً پس از باران) در معرض نرم شدن و فرو ریختن چینها هستند. آزمایش نسبت خواص مقاومت مرطوب و خشک یک ماده، نشاندهنده توانایی آن در حفظ خواص مقاومت است. نسبت سختی مرطوب به خشک شاخص خوبی برای ارزیابی یکپارچگی ساختاری رسانههای چینخورده محسوب میشود.
به ویژه، الیاف سلولزی هنگام تماس با آب متورم میشوند که باعث تغییر ابعاد ماده میگردد. این تغییر ابعاد میتواند به از دست رفتن یکپارچگی ساختاری در فیلتر منجر شود. استاندارد ISO 5635:1978، که برای کاغذ و مقوا طراحی شده است، این تغییر را با غوطهور کردن نمونه در آب و اندازهگیری تغییر ابعاد آن مورد سنجش قرار میدهد.
در یک مدیای فیلتر، تورم الیاف ممکن است باعث بسته شدن منافذ، افزایش مقاومت جریان و کاهش عملکرد فیلتراسیون شود. تلاشهایی برای انجام آزمایش جریان عبوری روی مدیاهای فیلتر خیس انجام شده تا افت فشار را با حالت خشک مقایسه کنند، اما نتایج این آزمایشها ناپایدار و غیرقطعی بوده است.
مقاومت در برابر رطوبت عمدتاً به توانایی یک ماده در حفظ ثبات ابعادی هنگام قرار گرفتن در معرض رطوبت بالا و تغییرات رطوبت مربوط میشود. ثبات ابعادی با توانایی ماده در حفظ ابعاد خود هنگام مواجهه با شرایط نامطلوبی مانند رطوبت، حرارت، اعمال بار و/یا گذر زمان مرتبط است.
هیگرو اکسپانسیویتی (Hygroexpansivity) تغییر ابعاد ناشی از تغییرات رطوبت است. خزشش (Creep) یا «جریان سرد» تغییر ابعاد یک ماده در طول زمان است که تحت بار ثابت قرار دارد. در یک فیلتر چینخورده، ترکیب هیگرو اکسپانسیویتی و کرِپ گاهی منجر به تغییر شکل چینها و حتی فروپاشی آنها میشود.
شکل ۵ یک المنت فیلتر چینخورده را نشان میدهد که چینهای آن به شکل «S» یا حلقوی خم شدهاند، که بدون شک نتیجه هیگرو اکسپانسیویتی یا خزش پس از ساخت المنت است.
قابلیت اشتعال مدیاهای فیلتر نتیجهی برهمکنش پیچیدهی ویژگیهای ساختاری و شیمیایی آنهاست. نوع پلیمر سازندهی الیاف، نقطه ذوب و تخریب حرارتی، نقش اصلی را در آغاز اشتعال ایفا میکند؛ بهطوریکه الیافی مانند پلیپروپیلن به سرعت مشتعل میشوند، در حالیکه آرامیدها یا الیاف شیشهای رفتار نسوز دارند.
ساختار فیزیکی مدیا نیز در این فرآیند تعیینکننده است. تخلخل بالا باعث افزایش جریان اکسیژن و تسریع گسترش شعله میشود، در حالیکه چگالی و گرماژ بیشتر میتوانند مسیر عبور هوا را محدود کرده و سرعت سوختن را کاهش دهند. قطر الیاف نیز اهمیت زیادی دارد؛ الیاف ظریفتر به دلیل سطح ویژهی بالاتر و جرم کمتر، سریعتر گرم میشوند و زودتر تجزیه حرارتی رخ میدهد، بنابراین اشتعالپذیری افزایش مییابد.
رزینها و افزودنیهای موجود در مدیا، بسته به ترکیب، میتوانند رفتار حرارتی را پایدارتر یا ناپایدارتر کنند. بهعنوان مثال، استفاده از بازدارندههای شعله با ایجاد لایه زغالی یا رهاسازی گازهای خنثی، گسترش شعله را محدود میکند.
در مجموع، اشتعال مدیای فیلتری از لحظه گرمشدن و تخریب پلیمر تا انتشار شعله درون ساختار، وابسته به تخلخل، قطر الیاف و ترکیبات شیمیایی است و طراحی مدیای مقاوم در برابر شعله نیازمند ایجاد توازن دقیق بین عملکرد فیلتراسیون و پایداری حرارتی محسوب میشود.
آزمایش فیلتراسیون روی مدیای فیلتر معمولاً برای ارزیابی و تعیین درجهای از کارایی فیلتراسیون، ظرفیت نگهداری گرد و غبار یا آلودگی و/یا افت فشار طراحی میشود. این آزمایشها ممکن است روی مدیای تخت یا فیلترها والمنتهای فیلتر استاندارد ساختهشده از مدیا انجام شوند. نتایج فیلتراسیون روی مدیای تخت الزاماً عملکرد واقعی فیلتر ساختهشده از آن مدیا را در شرایط میدانی منعکس نمیکند. همچنین، آزمایشهای استاندارد المنتهای فیلتر ممکن است به طور دقیق عملکرد واقعی آن را در محیط پیشبینی نکنند. بسیاری از متغیرها در طراحی، ساخت، و کیفیت فیلتر میتوانند عملکرد مدیای تخت را تغییر دهند. علاوه بر این، شرایط آزمونی که فیلتر تحت آن آزمایش میشود ممکن است به طور موثری نمایانگر شرایط محیطی که فیلتر در کاربرد واقعی با آن مواجه خواهد شد، نباشد. آلودگی یا ذرات آزمایشی که در یک آزمایش استفاده میشوند، ممکن است مشابه آلایندههای محیط واقعی فیلتر نباشند. عواملی مانند آبوهوا، شرایط جوی، دما، رطوبت، پیری، و تخریب شیمیایی همگی میتوانند برخلاف انتظارات عملکردی حاصل از آزمون بر عملکرد فیلتر تأثیر بگذارند. با این وجود، وجود آزمایشها و استانداردها برای مدیای فیلتر ضروری است. آزمایش و انتخاب یک مدیا برای یک کاربرد خاص بدون دادههای آزمایشی برای پشتیبانی از آن عملاً غیرممکن خواهد بود. شرکت Powder Technology Incorporated (PTI) از ایالات متحده آمریکا، گردوغبار آزمایشی برای بسیاری از روشها و رویههای آزمون ارائه میدهد.
کارایی فیلتراسیون به سادگی یک مدیا را بر اساس درصد آلایندهای که توسط مدیای فیلتر حذف میشود، ارزیابی میکنند، همانطور که در معادله زیر بیان شده است. این مقدار میتواند بر اساس وزن یا جرم، تعداد ذرات، حجم و جالب اینکه بر اساس مساحت مقطع عرضی ذرات اندازهگیری شود.
e کارایی فیلتراسیون، به درصد است.
Mu مقدار آلاینده در بالادست است.
Md مقدار آلاینده در پاییندست است.
نفوذ یا نشتی درصد آلایندهای است که از مدیا عبور کرده و به پاییندست میرسد:
در برخی موارد، نفوذ ممکن است دیدگاه مرتبطتری باشد. به یک مثال توجه کنید که در آن کارایی باید از ۹۸% به ۹۹% افزایش یابد. این تغییر ممکن است تنها ۱% افزایش در کارایی به نظر برسد و نشان دهد که تنها به اصلاحی جزئی در مدیای فیلتر نیاز است. از سوی دیگر، این بهبود باید نفوذ را از ۲% به ۱% کاهش دهد که معادل کاهش ۵۰% است. این موضوع نشاندهنده نیاز به طراحی مجدد عمده مدیا میباشد. بسیاری از محققین اذعان دارند که دیدگاه دوم واقعبینانهتر است.
ارزیابی انجامشده نشان میدهد که دستیابی به مدیای فیلتراسیون با عملکرد صنعتی قابلاعتماد، نیازمند کنترل دقیق بر ویژگیهای ساختاری و فرآیندهای تولید است. کاهش قطر الیاف و افزایش یکنواختی ساختار، کارایی فیلتراسیون را بهطور مؤثر افزایش میدهد، اما در سطح تولید صنعتی باید اثر آن بر افت فشار، پایداری مکانیکی و هزینه مواد اولیه نیز در نظر گرفته شود. پارامترهایی مانند گرماژ، نفوذپذیری هوا، تخلخل و نوع رزین باید بهگونهای تنظیم شوند که مدیا علاوه بر راندمان بالا، در طی فرآیند چینخوردگی، مونتاژ و بهرهبرداری تحت شرایط لرزش، رطوبت، دما و جریانهای متغیر دچار افت عملکرد نشود.
خواصی همچون رفتار رطوبتی و تورمی الیاف سلولزی، قابلیت اشتعال و پایداری حرارتی، حساسیت ویژهای در صنایع خودرویی، تهویه صنعتی، کمپرسورها و فیلتراسیون فرآیندی دارند؛ بنابراین انتخاب مواد اولیه باید بر اساس استانداردهای عملکردی و ایمنی خطوط تولید و محیط کار انجام گیرد. این مطالعه تأکید میکند که توسعه مدیای فیلتری صنعتی موفق تنها با ترکیب دانش مهندسی مواد، شناخت دقیق کاربرد، توان تولید و نیازهای عملکردی فرایند حاصل میشود. اتخاذ چنین رویکردی منجر به تولید مدیایی میشود که علاوه بر راندمان مطلوب، هزینهاثرگذاری، طول عمر مناسب و قابلیت اطمینان بالا را در چرخه عملیاتی تضمین میکند.
[۱] Hutten, Irwin M. Handbook of nonwoven filter media. Elsevier, 2007.
نویسنده: امین فروزان
ذخیره پست 
