ろ過材：ナノファイバーコーティング技術の利点 | 河北スパンレース生地有限公司

Hollingsworth & Vose の John Wertz と Immo Schneiders によるこの記事では、エレクトロスピニングプロセスと比較した濾材用の新しく高度なナノファイバーコーティング技術の利点を考察し、濾材を強化するために特別に設計された次世代のナノファイバーテクノロジーを紹介します。

ナノファイバーの研究開発は、さまざまな形態の濾材の性能を向上させるナノファイバーの能力に対する意識の高まりにより、近年大幅に注目を集めています。ナノファイバー技術、すなわち典型的には直径が１ミクロン未満の非常に小さなファイバーの製造は、長年にわたって知られ、実践されてきた。現在、ナノファイバーの製造に最も一般的に使用されているプロセスはエレクトロスピニングプロセスです。

この記事では、新しいプロセスであるナノファイバーコーティングと比較したエレクトロスピニングプロセスの欠点を強調します。さらに、深層ろ過とパルス洗浄能力を向上させるためにろ過用途にナノファイバーコーティングを使用する利点についても説明します。

伝統的なナノファイバー技術

ナノファイバーを製造する最も有名な方法の 1 つはエレクトロスピニング法です。このプロセスには、皮下注射針、ノズル、毛細管、または可動エミッターの使用が含まれます。これらのツールはポリマーの液体溶液を提供し、その後、高電圧静電場によって収集ゾーンに引き付けられます。溶解したポリマーと溶媒がエミッターから引き出され、静電ゾーンを通って加速されると、溶媒蒸発のプロセスを通じて繊維が形成されます。

エレクトロスピニングはナノファイバーの製造に効果的ですが、欠点もあります。まず、エレクトロスピニングは商業規模でナノファイバーを製造するには非常に時間がかかり、製造コストが増加します。エレクトロスピニングでは、深さまたは z 方向性のないほぼ 2 次元の構造も生成されます。この構成は表面荷重には望ましいですが、深さ荷重の用途では能力が限られています。エレクトロスピニングされたナノファイバーはかなり弱い傾向があり、簡単に損傷したり、基板から剥がれたりする可能性があります。現在の電界紡糸ナノファイバーの欠点を克服する、強化されたナノファイバーの必要性が依然として存在する。

ナノファイバーの開発は、建物やその他の用途における効率的な空気濾過の基礎であるフィルター媒体の性能を向上させる能力があるため、近年ますます注目を集めています。

新しいナノファイバー技術

新しく開発された無溶剤ナノファイバーコーティング技術は、従来のエレクトロスピニングプロセスと比較して、優れた柔軟性、制御性、耐久性を実現します。この新しいナノファイバーコーティングは、通常、サイズが 0.3 ～ 0.5 ミクロンの範囲のファイバーから形成されますが、最大 1 ミクロンまで拡大することができます。繊維の直径分布と層の厚さは、用途の要件に応じて簡単に変更できます。このナノファイバー技術を使用することで、幅広い濾過媒体を改善できます。

この新しいナノファイバー層の厚さは 15 ～ 30 ミクロンの範囲で、マクロ濾過基材に直接適用されます。ナノファイバーコーティングは、ガラス、セルロース、合成繊維などのあらゆる不織布基材に適用できますが、エレクトロスピニングは接着に重要な樹脂に依存します。類似または異なるポリマーの第二のナノファイバー層もコーティングとして適用することができる。基材の特定の構成は、フィルター媒体の特定の用途に依存し、剛性、強度、プリーツ加工性、および耐熱性を含む所望の構造特性を達成するために変更することができる。

示されているように、支持体またはベース層の構成は、意図された用途に応じて変化し得る。耐久性の高い空気、ガスタービン、自動車用空気、およびパルス洗浄用途の場合、支持体はセルロースまたは合成／セルロースブレンドなどの湿式紙であることが好ましい。 HVAC、液体、キャビンエアフィルター、HEPA 濾過などの他の市場では、支持体には湿式セルロース、ガラス、合成、カード、スパンボンド、メルトブローン不織布などが含まれます。

用途に応じて、さまざまなナノファイバー層をフィルター媒体の異なる位置に配置できます。例えば、ナノファイバー層をマクロ濾過基材の前の上流に配置して、ガスタービンまたは高耐久空気用途における表面濾過性能を高めることができる。ナノファイバー層をマクロ濾過基材の下流に配置して、媒体本体内の粒子を捕捉するために深層濾過を改善することができる。

ナノファイバーコーティングされたメディアの用途

ナノファイバーは、空気流から微粒子を除去するフィルター媒体の能力の性能を向上させることができます。この改善は、車両の吸気流、コンピュータのディスクドライブの換気、および高効率の濾過に見られます。キャビンエアフィルターの場合、粒子状物質を除去することで乗客の快適性と健康が向上します。ナノファイバーは、移動式エンジンと定置式エンジンの両方と産業用濾過用途で強化された濾過性能を提供します。

エンジン、ガスタービン、燃焼炉に関しては、内部コンポーネントに重大な損傷を与える可能性のある粒子状物質を空気流供給源から除去することが重要です。他の例では、燃焼エンジンや工業プロセスからの生産ガスやオフガスに有害な粒子状物質が含まれる場合があります。これらの微粒子の除去は、下流の機器を保護し、環境への汚染物質の排出を最小限に抑えるために望ましいです。

この新しい耐久性のあるナノファイバーコーティングは、セルフクリーニングまたはパルスクリーニングフィルター用途にも使用できます。フィルター媒体の上流側に形成されたダストケーキは、フィルター媒体に空気をバックパルスすることで除去し、フィルター媒体を再生することができます。バックパルス中に表面に大きな力がかかるため、衝撃波がフィルターの内部から基板を通ってナノファイバーに移動する際に、基板への接着力が弱いナノファイバーや繊細なナノファイバーで構成されるナノファイバーが剥離する可能性があります。新しいナノファイバー技術は基材への優れた接着力を提供し、洗浄プロセス中に消費される粒子の収集量と全体のエネルギーが増加するため、パルス洗浄用途での寿命が長くなり、効率が向上します。

図 2 に示す典型的なセルロース表面と比較して、図 1 に示すナノファイバーコーティングを追加すると、細孔サイズが減少した非常に微細な表面構造が形成されます。図 3 に示す電界紡糸ナノファイバーコーティングも非常に微細です。しかし、繊維が細すぎるため、強度が低く、深さもほとんどありません。ナノファイバーコーティングの層構造と深さを図4に示します。ナノファイバーコーティングの深さは、ナノファイバーコーティングが表面フィルターとして機能するだけでなく、エレクトロスピニングコーティングにはない深層濾過の側面も備えていることを示しています。複数のナノファイバー層により耐久性にも優れています。

深層ろ過

ナノファイバーが上流に適用される高耐久空気、集塵機、および洗浄可能な媒体とは対照的に、微粒子が重要である自動車の吸気口、車室内の空気、燃料および潤滑用途などの用途では、ナノファイバー層を下流に適用することに利点があります。エアフィルター媒体内に捕捉され、閉じ込められます。粒子捕捉効率は、ナノファイバー層でコーティングされた基板を下流に追加することで、粒子保持容量を増加させながら大幅に改善できます。より開いたベースシートとより重いナノファイバー層を組み合わせることで、同じ制限（または空気透過性）で効率が向上するだけでなく、ダスト保持能力も大幅に向上した複合材料が得られます。

ナノファイバーでコーティングされた材料の測定では、標準的なセルロース材料と比較して、その材料の洗浄性挙動がはるかに優れていることが明らかに示されています。洗浄可能な用途のフィルター媒体には 2 つの主な機能があります。1 つは粒子が媒体に浸透または通過しないことを保証すること、もう 1 つは非常に高い効率を実現することです。ガスタービン用途では、高効率の材料がタービンの繊細なブレードを粉塵から保護します。産業用清掃用途では、建物内を循環する清浄な空気に汚染物質が含まれていない必要があります。工業用洗浄環境や砂漠環境に設置されたガスタービンでは粉塵濃度が高いため、高効率デプスフィルターは最適な解決策ではありません。粉塵によって空気の流れが遮断されるため、フィルター内の空気通路が塞がれてしまいます。表面濾過は圧力降下が均一で直線的に上昇するため、フィルター表面の粉塵を収集するのに望ましいです。

表面構造では、ほぼすべての粒子が最初から表面に捕捉されており、濾過された粒子が凝集したダストケーキを形成すれば、より良好でより均質なダストケーキが得られます。フィルター媒体の上流側にある高効率のナノファイバーネットワークにより、フィルター媒体への塵の侵入が防止され、空気の流れが永続的に制限されます。

理想的には、ダストケーキは全体として除去され、粒子がメディアに侵入していないことが示されるはずです。媒体に侵入した粒子は効果的に除去できません。その結果、ダストケーキは洗浄ステップ中に引き裂かれ、残った粒子が媒体に侵入し、圧力損失が増加します。

図 5 は、ナノファイバーでコーティングされた濾材の洗浄性が向上することを示しています。この画像は、片面がこの新しいナノファイバー技術でコーティングされたフィルター媒体のダストケーキの放出を示しています。ナノファイバーでコーティングされた左側のダストケーキは、ダストケーキのいくつかの凝集した断片によってより効果的に除去されます。右側の非コート面の場合、多くの粒子が上層に浸透してメディアの表面に付着しているため、ダストケーキが引き裂かれています。

表面濾過用途では、新しいナノファイバー技術により、必要な高効率が得られるだけでなく、洗浄動作も改善され、その結果、エネルギー消費量が減り、寿命が長くなります。

次世代の高度な合成ナノファイバーメディア

Hollingsworth & Vose Company (H&V) は、世界有数の加工紙および不織布メーカーの 1 つです。 H&V は、高度な研究開発およびパイロット製造施設を備え、顧客の製品の価値を高める高度なナノファイバー技術を開発しました。 H&V の新しい NANOWEB® テクノロジーは、比類のないプロセス制御と耐久性を備えた微多孔質構造を提供します。この独自のテクノロジーを使用すると、繊維の直径分布と層の厚さを調整して、幅広い用途にわたって優れたパフォーマンスを実現できます。

NANOWEB® テクノロジーの利点は、空気濾過と液体濾過の両方で見られます。 NANOWEB® コーティングは、空気流から微粒子を除去するフィルター媒体の性能を大幅に向上させることができます。この改善は、集塵機、ガスタービン、電動車両のキャビン、HVAC、および高効率濾過への空気吸入流に見られます。用途に応じて、さまざまなナノファイバー層をフィルター媒体の異なる位置に配置できます。 NANOWEB® コーティングは、表面濾過性能を向上させるためにマクロ濾過基材の前に上流に配置することも、媒体本体内の粒子を捕捉するために深層濾過を改善するためにマクロ濾過基材の下流に配置することもできます。 NANOWEB® 濾過媒体はナノファイバー層の強力な接着力により、パルス洗浄用途に最適です。

NANOWEB® テクノロジーは、多くの液体用途の厳しい濾過要件を満たすように特別に設計することもできます。効率が向上した NANOWEB® 合成組成物は、燃料および潤滑油の濾過に、より耐久性の高いナノファイバーオプションを提供します。また、ライフサイエンス、食品および飲料、プロセス液体ろ過などのさまざまな液体サービス用途における、高度な精密ろ過や RO および UF 膜プレろ過に対する高まるニーズにも対応します。 H&V の NANOWEB® 濾過媒体は、標準製品と比較して、特定のミクロン評価において平均 40% 高い多孔率を提供します。 NANOWEB® テクノロジーにより、H&V はフィルター媒体の設計に柔軟性をもたらし、世界規模で高品質の素材を提供する経験を持っています。

接触：、Emily Moore、Hollingsworth & Vose グローバルプロダクトマネージャー電子メール: [email protected]、www.hovo.com

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