Тенденции развития ассортимента фильтровальных нетканых материалов

Рост объемов потребления фильтровальных нетканых материалов обусловлен глобальными мировыми тенденциями. Важным аспектом нашей повседневной жизни является потребность в чистой воде и чистом воздухе. Многочисленные современные директивы и инициативы нацелены на обеспечение надлежащего качества воздуха внутри помещений и за их пределами, а также на пробуждение нового самосознания у потребителей. С этой точки зрения фильтрация приобретает все более важное значение для обеспечения чистоты воды и воздуха.

Развитие в секторе «сухой» фильтрации обусловлено главным образом возрастающими требованиями к здравоохранению, охране окружающей среды и безопасности. Росту спроса на фильтровальные материалы (табл. 1) способствует увеличение объемов реализации одноразовых средств для защиты органов дыхания, а также расширение ассортимента продукции для медицины, производства продуктов питания и очистки промышленных сточных вод. Важной и быстро развивающейся сферой применения нетканых материалов является очистка всевозможных жидкостей. Повышается спрос на текстильные материалы, способные эффективно задерживать вирусы, бактерии и частицы тяжелых металлов при одновременном обеспечении высокой производительности фильтрующих установок и минимизации гидравлического сопротивления. В этой области большие успехи могут быть достигнуты благодаря использованию нановолокнистых нетканых материалов.

Текстильные фильтры в настоящее время применяются для очистки крови, обеспыливания горячих газов, очистки топлива и воды. Их можно найти в установках для очистки отработанного воздуха, в сооружениях, связанных с подземными разработками, транспортным и гидротехническим строительством, в сигаретах и масках, в машинах и устройствах для химической и фармацевтической промышленности, в оборудовании для производства продуктов питания.

Оглядываясь назад, можно констатировать, что многообразие специальных фильтровальных материалов обусловлено с одной стороны быстрым развитием промышленности нетканых материалов, а с другой стороны – совершенствованием систем для защиты окружающей среды от загрязняющих воздушное пространство выбросов посторонних вредных веществ.

Широкое распространение получили технологии обеспыливания воздуха с помощью выработанных из синтетических волокон иглопробивных нетканых материалов, которые благодаря своей трехмерной структуре имеют увеличенную по сравнению с тканями фильтрующую поверхность, характеризуются более высокой эффективностью очистки, высокой воздухопроницаемостью и пылеемкостью, а также низким гидравлическим сопротивлением и продолжительными сроками службы.

В настоящее время фильтровальные нетканые материалы вырабатываются с применением всех существующих технологий формирования и скрепления волокнистых холстов, с использованием традиционных и специальных видов волокон, а также различных способов отделки и дополнительной обработки, позволяющих значительно расширить возможности их практического применения.

Если взять за основу традиционную классификацию ассортимента нетканых материалов, то можно утверждать, что фильтровальные материалы представлены в самых различных группах, включая продукцию для транспортного строительства, геотекстиль, агротекстиль, изделия медицинского, защитного и промышленного назначения.

Основные тенденции в области развития производства фильтровальных нетканых материалов:

• постоянное увеличение на рынке доли нетканых фильтровальных материалов, вырабатываемых из синтетических волокон;
• возрастающее значение эффективного использования энергии и повышения срока службы фильтрующих систем, необходимое для обеспечения высоких технико-экономических показателей в процессе их эксплуатации;
• изготовление компактных размещаемых в стесненных условиях фильтров (прежде всего, для автомобилестроения) с применением гофрируемых микропористых нетканых материалов, вырабатываемых из штапельных или бесконечных волокон, а также на основе микро(нано)волокнистых холстов, формируемых мокрым способом, характеризующихся высокой пылеемкостью и низким гидравлическим сопротивлением;
• улучшение функциональных свойств текстильных фильтровальных материалов, в частности, повышение эффективности очистки, уменьшение перепада давления и увеличение фильтрующей поверхности;
• разработка многослойных нетканых материалоы, способных эффективно задерживать мельчайшие частицы посторонних примесей за счет введения в их структуру нановолокнистых слоев с поверхностной плотностью ниже 5 г/м², а также выработанных по технологии мелтблаун нетканых материалов с равномерно распределенными по всему их объему нано- и микроволокнами;
• разработка фильтров с целенаправленно регулируемыми размерами пор путем комбинирования традиционных нетканых материалов (например, иглопробивных или вязально-прошивных) с легкими тонковолокнистыми неткаными материалами, изготавливаемыми по технологии мелтблаун, или со скрепленными гидроструйным способом слоями расщепляемых волокон;
• разработка фильтровальных материалов, в которых высокая эффективность улавливания мелкодисперсных примесей достигается за счет использования электростатического эффекта, обеспечиваемого в результате специальной поверхностной обработки текстильных материалов;
• расширение использования нановолокнистых нетканых материалов с высокой эффективностью очистки для фильтрации жидкостей, в частности для улавливания бактерий, вирусов и частиц тяжелых металлов.

Бурное развитие производства фильтровальных материалов нашло свое отражение в многочисленных специализированных конференциях и других массовых мероприятиях. В частности, состоявшийся в начале марта 2012 г. в Саксонском текстильном исследовательском институте (г. Кемнитц, Германия) 11-й симпозиум «Текстильные фильтры» [2] собрал 145 участников из 5 стран мира. Представленные на симпозиум 28 докладов были посвящены инновационным фильтровальным материалам (фото 1), вопросам повышения их качества и эффективности применения, а также улучшения функциональных свойств. Примечательной особенностью симпозиума стало активное участие промышленных предприятий в выступлениях с докладами и в специализированной выставке, в оживленных дискуссиях и решении организационных вопросов. Об этом наглядно свидетельствует приведенное ниже краткое изложение основных выступлений.

Широкие потенциальные возможности для развития в секторе нетканых материалов на основе формируемых фильерным способом холстов

Как и для других видов технического текстиля в секторе фильтровальных нетканых материалов прогнозируется увеличение рыночной доли продукции, вырабатываемой по фильерной технологии. В качестве их основных преимуществ по сравнению с неткаными материалами из штапельных волокон можно назвать возможности:

• экономичного изготовления нетканых материалов из филаментов, не имеющих авиважных препаратов на своей поверхности;
• варьирования диаметра филаментов в пределах от 10 до 30 мкм;
• использования комбинаций различных полимеров;
• введения функциональных добавок в процессе формования филаментов;
• придания специальных свойств по отношению к влаге и другим веществам: гидрофильности, гидрофобности, маслоотталкивания, электростатических;
• целенаправленного изменения поверхностной структуры нетканых материалов: от гладкой до открытой пористой;
• изготовления трехмерных многокомпонентных материалов.

В рамках симпозиума были в частности продемонстрированы изготовленные фильерным способом плиссированные фильтровальные материалы, предназначенные для очистки воздуха во внутреннем пространстве автомобиля. Применение бикомпонентных филаментов с полиэфирным сердечником и плавящейся при низкой температуре оболочкой обеспечивает возможность образования четко выраженных складок при гофрировании материала, уменьшения перепада давления и прочного соединения с другими слоями фильтра.

Новые достижения в области производства нетканых материалов по технологии мелтблаун. Технология мелтблаун позволяет производить нетканые материалы, состоящие из волокон очень малого диаметра, находящегося в микро- или даже нанометровом диапазоне. Кроме того, использование этой технологии допускает возможность комбинирования различных видов полимерных материалов и введения в структуру формуемых волокон (или нанесения на поверхность волокон) специальных добавок. Важными преимуществами фильтровальных материалов, изготовленных по технологии мелтблаун, являются:

• высокая эффективность очистки по частицам малых размеров;
• более высокая эффективности очистки при более низкой (по сравнению с материалами, изготовленными другими способами) поверхностной плотности;
• высокая производительность фильтров при низком перепаде давления.

С целью замены фильтров из стеклянных микроволокон проводятся разработки в области создания усовершенствованного оборудования, которое позволило бы при достаточно высоких техническо-экономических показателях производить способом мелтблаун нетканые материалы, состоящие из термопластичных волокон с диаметром меньше 500 нм.

Доклад представителя компании Irema-Filter GmbH (г. Постбауэр-Павельсбах) был посвящен технологии изготовления безусадочных нетканых материалов с использованием приципа мелтблаун. В качестве исходного сырья используется полиэфир с термостойкостью до 200 ^оС. Диаметр формуемых волокон варьируется в пределах 1–10 мкм. В настоящее время проводится долговременное тестирование новых нетканых материалов на предмет пригодности их для фильтрации газообразных и жидких сред, в частности, подаваемого в двигатель воздуха, масел и газов. В ближайшем будущем прогнозируется начало широкого практического применения таких фильтровальных материалов.

Компанией Irema-Filter GmbH разработана также так называемая «интеграционная нановолокнистая технология», которая позволяет вводить наноразмерные волокна в структуру текстильных материалов, изготовленных из обычных волокон, и равномерно распределять в ней. В полученном материале создается трехмерное расположение нановолокон (фото 2). Это позволяет при минимальном расходе нановолокон обеспечить эффективное отделение мелкодисперсной пыли из очищаемого газа и увеличить срок службы фильтровального материала.

Представитель Тюрингского института исследования текстильных и полимерных материалов (TITK e. V., г. Рудольштадт, Германия) выступил с докладом о нетканых материалах из не плавящихся или плавящихся с проявлением деструкции полимеров, включая меламинформальдегидные смолы и целлюлозу.

Технология Nanoval, являющаяся одним из вариантов технологии мелтблаун, позволяет изготавливать нетканые материалы на целлюлозной основе путем последовательной реализации следующих процессов:

• формование элементарных нитей со введением (при необходимости) функциональных добавок;
• расщепление элементарных нитей на тонкие волокна путем обдувания холодным воздухом;
• разъединение образующихся тонких волокон путем нагнетания через сопла водяного тумана.

Полученный таким образом целлюлозный волокнистый холст обладает следующими характеристиками:

• диаметр волокон                                   0,5–5 мкм;
• поверхностная плотность         5–250 г/м²;
• термостойкость                          100–120 ^оС.

В качестве наиболее важных функциональных свойств следует отметить: высокую адсорбцию, электропроводность и биологическую активность.

В лабораторных условиях в институте TITK e. V. вырабатываются также на основе меламиновой смолы волокнистые холсты со следующими характеристиками:

• диаметр волокон                                   1–20 мкм;
• поверхностная плотность         20–600 г/м²;
• термостойкость                          200–250 ^оС.

Основными их преимуществами являются:

• высокая огнестойкость с показателем предельного кислородного индекса выше 32 %;
• отсутствие усадки;
• хорошая химстойкость;
• хорошие тепловые и акустические свойства;
• возможность образования трехмерной структуры.

Перспективные области применения фильтровальных материалов

Компания helsatech GmbH (г. Гефрес, Германия) разрабатывает и производит адсорбционные фильтры с активированным углем для защиты человека, окружающей среды и оборудования от неблагоприятных воздействий, а также для создания комфортных условий в процессе работы (фото 3). Площадь фильтра определяет его сорбционную емкость. Активированный уголь, как правило, наносится на какую-либо несущую подложку (например, на ткань или нетканый материал) и закрепляется на ней. В табл. 2 показано влияние структуры материала на его фильтрующие свойства. Воздухопроницаемость в таблице приводится как показатель, характеризующий эффективность использования потребляемой энергии при эксплуатации фильтра.

Компания Solvay Spezialty Polymers среди прочего продемонстрировала политетрафторэтиленовые мешки. Подобные изделия, изготовленные из ткани или нетканого материала, применяются прежде всего для фильтрации агрессивных горячих жидкостей или газов. Использование политетрафторэтилена для их производства обусловлено оптимальным комплексом свойств этого вида сырья:

• рабочая температура:                            200–250 ^оС;
• высокая и универсальная химическая стойкость;
• низкое объемное расширение даже при высоких температурах;
• низкое поверхностное натяжение, предопределяющееся низкую прочность закрепления слоя отфильтровываемых посторонних примесей;
• водоотталкивающие свойства (не впитывает влагу;
• низкий коэффициент трения.

Функциональные свойства фильтрующих материалов и мембран могут быть дополнительно улучшены за счет нанесения фторполимерных покрытий.

Возможности практического применения гранулята целлюлозы в качестве сорбционного материала были продемонстрированы компанией UGN-Umwelttechnik GmbH (г. Гера, Германия). Подобные фильтрующие грануляты на основе целлюлозных волокон могут быть использованы в качестве экономичной, эффективной и воспроизводимой альтернативы активированному углю в устройствах для удаления серы из отработанного воздуха. Одновременно это позволяет решить проблему утилизации целлюлозных отходов из других отраслей промышленности. В качестве наиболее важных областей применения в докладе были представлены:

• биогазовые установки с системами очистки воздуха от аммиака, масляной кислоты и сернистых соединений;
• газопламенное дублирование с удалением цианистого водорода;
• промышленные системы очистки сточных вод.

Ожидаемый срок службы фильтров составляет 1–2 года для биогазовые установок и 2–5 лет – для систем очистки отработанного воздуха.

Производители фильтровальных материалов

Быстро растущий спрос на фильтровальные материалы, многообразие возможностей их изготовления и практического применения способствуют постоянному увеличению числа компаний, специализирующихся в этой области. К фирмам, непосредственно производящим фильтровальные материалы, логичным образом добавляются многочисленные компании и организации, занимающиеся вопросами проектирования структуры и свойств новых видов продукции, дополнительной обработкой, отделкой и переработкой фильтровальных полотен, созданием новых видов волокнистого сырья, отделочных препаратов и всевозможных наполнителей, изготовлением производственного и измерительного оборудования.