纳米纤维涂层技术

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2018-04-11环球过滤分离技术网

最近几年，由于人们熟悉到纳米纤维可以明显进步各种滤材的过滤性能，纳米纤维的研发取得了巨大的进步。纳米纤维（直径小于1微米的超细纤维）技术已经问世了很多年。目前最常用的纳米纤维生产工艺是静电纺丝。

本文先容了静电纺丝工艺相对于纳米涂层技术的缺点，还进一步讨论了纳米涂层在进步深度过滤性能和脉冲清灰能力方面的上风。

传统的纳米纤维技术

静电纺丝是最常用的纳米纤维生产工艺。该工艺要用到注射器、喷嘴、毛细管或活动发射器。这些设备提供的聚合物液体在高压静电场作用下被吸引到一个收集区内。当聚合物溶液从发射器拉出时，经过静电区加速，最后通过溶剂挥发形成纤维。固然静电纺丝工艺在生产纳米纤维时效率不低，但存在着缺点。

最初，对于产业化生产来说，静电纺丝的生产效率非常低，增加了纳米纤维的生产本钱。静电纺丝还会生产出大量的二维平面结构纤维，缺乏深度或者说是没有Z方向性。这种结构适用于表面过滤，但不适用于深度过滤。静电纺丝纳米纤维通常比较脆弱，轻易断裂或从基材表面脱落。因此需要一种改进的纳米纤维，克服目前的静电纺丝纳米纤维所存在的缺点。

新型纳米纤维技术

相对于传统的电纺工艺，一种新开发的无溶剂纳米纤维涂层技术具有更大的灵活性、可控性和耐久性。

这种新的纳米涂层通常由直径为0.3-0.5微米的纤维制成，但有时纤维尺寸最高可达1微米。纤维的直径分布和涂层厚度可以根据应用需求的不同而灵活改变。这种纳米纤维技术可以明显改善滤材的过滤性能。

新的纳米纤维层厚度在15-30微米之间，可以直接涂覆在过滤基材上。这种纳米纤维涂层可以涂覆在各种无纺布基材上，例如玻纤、木浆纸或合成纤维，而电纺纤维需要依靠树脂来粘结。纳米纤维技术可以在基材上制备单层或双层纳米涂层，第二层可以采用相同或不同的聚合物制成。

过滤基材的成分由滤材的特定应用决定，可以通过使用不同结构的基材，达到所需的结构性能，例如硬度、强度、打褶性和耐高温性。

如前所述，支撑基材或底层材料可以根据目标应用场合而改变。对于中型空滤、燃气轮机、汽车空气过滤和脉冲清灰应用，大多选用木浆纸或合成纤维-木浆纸混合基材。在HVAC、液体过滤、汽车座舱空气过滤和HEPA过滤中，支撑基材可以选用木浆纸、玻纤、合成纤维、纺粘和熔喷无纺布。

不同的纳米纤维层可以根据应用的需求涂布于滤材的不同位置上。例如，在汽轮机或重型空滤应用中，纳米纤维层可以放置在过滤基材的迎风面，以进步表面过滤性能。纳米纤维层也可以放置在过滤基材的出风面，以进步深度过滤性能，捕捉介质内部的微粒。

纳米纤维涂层滤材的应用

纳米纤维可以进步滤材的过滤性能。这种性能的改进可以在汽车进气过滤、计算机硬盘驱动器的透风口过滤和高效过滤应用中体现出来。对于汽车座舱空气过滤器，微粒的往除关系着乘客的舒适性和健康。纳米纤维在活动式和固定式发动机以及产业过滤应用中可以改进过滤性能。

对于发动机、燃气轮机和燃烧炉，往除空气流中的颗粒是非常重要的，由于这些颗粒会导致内部部件的重大损坏。另外，在其他场合，如气体生产或汽车尾气和产业废气中可能含有破坏性的颗粒物质，往除这些颗粒可以保护下游的设备，将废弃物对环境的污染降至最低。

这种新型的耐久性纳米涂层也可用于自洁式或脉冲清灰过滤器。在滤材迎风面形成的灰饼可以利用反脉冲气流除往，从而使滤材再生。

当脉冲回冲使滤材表面受到强力冲击时，振动波从过滤器内部穿过基材到达纳米纤维层后，与基材粘结不强的纳米纤维可能会因此剥离。新型纳米纤维滤材与基材有很好的粘合性，且纳米纤维涂层本身具有持久的结构稳定性、更高的过滤效率和较低的压降，使其在脉冲清灰应用中具有较长的使用寿命和较高的效率。
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图1. 纳米涂层顶视图
使用纳米纤维涂层还可以形成更小孔径的精细表面结构（如图1所示），图2所示是作为对比的木浆纸表面。图3中的静电纺丝纳米纤维涂层也非常细，但涂层很薄且纤维强度差。
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图2. 传统木浆纸的顶视图
纳米纤维涂层的分层结构和厚度如图4所示，纳米纤维涂层的厚度决定了该材料不仅可以用于表面过滤，而且还可用于深度过滤，这一点是电纺技术不能实现的。纳米纤维涂层的厚度还保证了滤材具有较高的结构稳定性，即优异的耐久性。
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图3. 静电纺丝纳米涂层的顶视图
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图4. NANOWEB纳米涂层侧视图
深度过滤

在重型空滤、除尘器和洁净设备中，纳米纤维层被用在滤材的迎风面。而在诸如汽车进气、座舱空滤、燃油和润滑油的过滤中，纳米纤维层被置于滤材的出风面，以捕集微粒并将其限制在空气过滤介质中，大大进步过滤效率，同时获得更高的效率和容尘量。

测试结果表明，纳米纤维涂覆的材料比标准木浆纸具有更好的可清洁性。自洁式过滤器有两个主要功能：确保微粒不会渗透或穿过滤材和非常高的过滤效率。

对于燃气轮机，高效滤材可以防止涡轮叶片受到灰尘颗粒的破坏。对于灰尘浓度较高的产业过滤或处于多风沙环境下的燃气轮机，高效深度过滤器并非最佳解决方案，由于过滤器中的空气通道会被灰尘切断。表面过滤可以将截获的灰尘聚集在过滤器的表面，并形成一个均匀的灰饼，使压降缓慢上升。

滤材迎风面的纳米纤维层可以防止灰尘进进滤材内部，从过滤一开始，几乎所有的微粒都被截留在滤材的表面，形成一个粘在一起的结构均匀的灰饼，从而得到稳定的流阻。

理想情况下，灰饼应该整块往除，这样就不会有微粒进进滤材内部。否则，灰饼在清洗过程中会被撕破，残余的微粒进进到滤材内部不能有效往除，将导致压降升高。

图5显示了涂覆了纳米纤维滤材后，过滤器的自洁能力明显进步。该图片显示的是从单侧涂覆了纳米纤维的滤材上脱离下来的灰饼。
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图5. 进进滤材内部的灰尘很难清除
左侧纳米纤维涂层上的灰饼和几个粘在一起的碎片被有效清除，而右侧无涂层滤材上的灰饼已被撕破，由于很多微粒深进了滤材的上层，并粘在了滤材的表面。

在表面过滤中，新的纳米纤维滤材具有较高的过滤效率和自洁能力，从而降低了能耗，延长了使用寿命。

下一代纳米纤维滤材

Hollingsworth & Vose公司是特种纸和无纺布的领先供给商，拥有先进的研发和生产设备，其开发的先进纳米纤维技术NANOWEB®为微孔结构，具有优异的过程控制能力和耐久性。纤维的直径分布和涂层厚度可以根据应用需求来设定，从而带来更高性能。

NANOWEB®技术的优越性可以体现在空气和液体过滤应用中。NANOWEB®纳米纤维涂层可以大大改善滤材的性能，进步过滤效率。这一改进可以在进气过滤、除尘器、燃气轮机、机动车驾驶舱、HVAC和高效过滤中体现出来。不同的纳米纤维层可以根据不同的应用置于滤材的不同部位。

NANOWEB?涂层可以放在过滤基材的上游进步表面过滤性能，或放在基材下游以进步深度过滤性能，使滤材捕捉到更多微粒。纳米纤维层与基材良好的结协力使得NANOWEB?滤材成为脉冲清灰过滤滤材的理想选择。

由于过滤效率进步，NANOWEB滤材在燃油和润滑油过滤应用中更加持久耐用。它也满足了各种液体过滤场合（生命科学、食品饮料和产业过滤）对于先进的微滤，以及反渗透膜和超滤膜的预过滤技术的需求。与传统产品相比，在同等微米过滤等级下，H & V公司的NANOWEB?滤材的孔隙率均匀高出40%。

来源:Hollingsworth & Vose公司 John  作者: