Medios de filtración: ventajas de la tecnología de recubrimiento de nanofibras

Este artículo, de John Wertz e Immo Schneiders de Hollingsworth & Vose, analiza las ventajas de una nueva y avanzada tecnología de recubrimiento de nanofibras para medios de filtración en comparación con el proceso de electrohilado, y presenta una tecnología de nanofibras de próxima generación diseñada específicamente para mejorar los medios de filtración.

La investigación y el desarrollo de nanofibras ha cobrado una importancia significativa en los últimos años debido a la mayor conciencia de su capacidad para mejorar el rendimiento de diversas formas de medios filtrantes. La tecnología de nanofibras, es decir, la fabricación de fibras muy pequeñas que normalmente tienen un diámetro de menos de 1 micra, se conoce y se practica desde hace muchos años. Actualmente, el proceso más utilizado para la fabricación de nanofibras es el proceso de electrohilado.

Este artículo destaca los inconvenientes del proceso de electrohilado en comparación con un nuevo proceso, el recubrimiento de nanofibras. Además, se analizan las ventajas de usar un revestimiento de nanofibras en aplicaciones de filtración para mejorar la filtración profunda y la capacidad de limpieza por pulsos.

Tecnología tradicional de nanofibras

Entre los métodos más destacados para producir nanofibras se encuentra el método de electrohilado. Este proceso implica el uso de una aguja hipodérmica, una boquilla, un capilar o un emisor móvil. Estas herramientas proporcionan soluciones líquidas del polímero que luego son atraídas a una zona de recolección por un campo electrostático de alto voltaje. A medida que el polímero disuelto y los solventes se extraen del emisor y se aceleran a través de la zona electrostática, se forman fibras a través de un proceso de evaporación de solventes.

Si bien el electrohilado es efectivo para producir nanofibras, tiene inconvenientes. Al principio, el electrohilado es un proceso muy lento para producir nanofibras a escala comercial, lo que aumenta los costos de fabricación. El electrohilado también produce una estructura en gran parte bidimensional que carece de profundidad o direccionalidad z. Si bien esta configuración es deseable para carga superficial, tiene una capacidad limitada para aplicaciones de carga profunda. Las nanofibras electrohiladas tienden a ser bastante débiles y pueden dañarse o desprenderse fácilmente del sustrato. Sigue existiendo la necesidad de nanofibras mejoradas que superen las deficiencias de las actuales nanofibras electrohiladas.

El desarrollo de las nanofibras se ha vuelto más prominente en los últimos años, debido a su capacidad para mejorar el rendimiento de los medios filtrantes, la base de la filtración de aire eficiente para edificios y otros usos.

Nueva tecnología de nanofibras

Una tecnología de revestimiento de nanofibras sin disolventes recientemente desarrollada puede ofrecer una mayor flexibilidad, control y durabilidad en comparación con el proceso tradicional de electrohilado. Este nuevo revestimiento de nanofibras se forma a partir de fibras que normalmente tienen un tamaño de 0,3 a 0,5 micras, pero que se pueden aumentar hasta 1 micra. La distribución del diámetro de la fibra y el grosor de la capa se pueden variar fácilmente según los requisitos de la aplicación. Se puede mejorar una amplia gama de medios de filtración mediante el uso de esta tecnología de nanofibras.

Esta nueva capa de nanofibras tiene un espesor en el rango de 15 a 30 micras y se aplica directamente sobre el sustrato de macrofiltración. El revestimiento de nanofibra se puede aplicar a cualquier material base no tejido, como fibra de vidrio, celulosa o sintética, mientras que el electrohilado depende de resinas críticas para la adhesión. También se puede aplicar como recubrimiento una segunda capa de nanofibras de un polímero similar o diferente. La configuración particular del sustrato dependerá de la aplicación específica del medio filtrante y se puede variar para lograr las propiedades estructurales deseadas, que incluyen rigidez, resistencia, plegabilidad y resistencia a la temperatura.

Como se ha indicado, la configuración del soporte o capa base puede variar en función del uso previsto. Para aplicaciones de limpieza de aire pesado, turbinas de gas, aire automotriz y limpieza por pulsos, el soporte es preferiblemente un papel tendido en húmedo, tal como celulosa o una mezcla de celulosa/sintético. En otros mercados, como HVAC, líquidos, filtros de aire de cabina y filtración HEPA, los soportes pueden incluir celulosa húmeda, vidrio, sintético, cardado, spunbonds y telas no tejidas fundidas por soplado.

Se pueden colocar varias capas de nanofibras en diferentes lugares del medio filtrante según la aplicación. Por ejemplo, la capa de nanofibras se puede colocar aguas arriba, antes del sustrato de macrofiltración para mejorar el rendimiento de la filtración superficial en una turbina de gas o una aplicación de aire de servicio pesado. La capa de nanofibras se puede colocar aguas abajo del sustrato de macrofiltración para mejorar la filtración profunda y capturar partículas dentro del cuerpo del medio.

Aplicaciones para medios recubiertos con nanofibras

Las nanofibras pueden mejorar el rendimiento de la capacidad de los medios filtrantes para eliminar partículas de las corrientes de aire. Esta mejora se puede ver en las corrientes de entrada de aire de los vehículos, la ventilación de la unidad de disco de la computadora y la filtración de alta eficiencia. En el caso de los filtros de aire de cabina, la eliminación de partículas mejora el confort y la salud de los pasajeros. Las nanofibras ofrecen un rendimiento de filtración mejorado tanto en motores móviles y estacionarios como en aplicaciones de filtración industrial.

Con respecto a motores, turbinas de gas y hornos de combustión, es importante eliminar el material particulado del suministro de corriente de aire que puede causar daños sustanciales a los componentes internos. En otros casos, los gases de producción o los gases de escape del motor de combustión y los procesos industriales pueden contener material particulado dañino. La eliminación de estas partículas es deseable para proteger el equipo aguas abajo y minimizar la descarga de contaminación al medio ambiente.

Este nuevo y duradero revestimiento de nanofibras también se puede utilizar en aplicaciones de filtro de limpieza por pulsos o de autolimpieza. La torta de polvo que se forma en el lado de aguas arriba del medio filtrante se puede eliminar haciendo retroceder el aire a través del medio para rejuvenecerlo. Dado que se ejerce una gran fuerza sobre la superficie durante el pulso inverso, la nanofibra con poca adherencia o compuesta de nanofibras delicadas a los sustratos puede deslaminarse a medida que la onda de choque se mueve desde el interior de un filtro a través del sustrato hasta la nanofibra. La nueva tecnología de nanofibras proporciona un excelente adhesivo al sustrato, lo que permite una vida más larga y una mayor eficiencia en las aplicaciones de limpieza por pulsos debido a la mayor recolección de partículas y la energía total gastada durante el proceso de limpieza.

Se forma una estructura de superficie mucho más fina con un tamaño de poro reducido con la adición de un recubrimiento de nanofibras, que se muestra en la Figura 1, en comparación con una superficie de celulosa típica que se muestra en la Figura 2. Un recubrimiento de nanofibras electrohilado, que se muestra en la Figura 3, también es muy fino , pero tan finas que las fibras ofrecen poca resistencia y tienen poca profundidad. La estructura en capas y la profundidad del recubrimiento de nanofibras se muestran en la Figura 4, la profundidad del recubrimiento de nanofibras ilustra que un recubrimiento de nanofibras sirve no solo como un filtro de superficie, sino que también tiene un aspecto de filtración profunda del que carece un recubrimiento electrohilado. La pluralidad de las capas de nanofibras también proporciona una durabilidad superior.

Filtración profunda

En contraste con el aire de trabajo pesado, el colector de polvo y los medios limpiables, donde la nanofibra se aplica aguas arriba, existe un beneficio al aplicar capas de nanofibras aguas abajo en aplicaciones tales como aplicaciones de admisión de aire automotriz, aire de cabina, combustible y lubricación donde es importante para las partículas. ser capturado y confinado dentro del medio filtrante de aire. La eficiencia de captura de partículas se puede mejorar en gran medida agregando un sustrato recubierto con una capa de nanofibras aguas abajo mientras se aumenta la capacidad de retención de partículas. La combinación de una lámina base más abierta con una capa de nanofibras más pesada da como resultado un compuesto no solo con una mayor eficiencia con la misma restricción (o permeabilidad al aire), sino también con una capacidad de retención de polvo significativamente mejorada.

Las mediciones del material recubierto con nanofibras demuestran claramente un comportamiento de limpieza mucho mejor del material en comparación con el material de celulosa estándar. Los medios filtrantes para aplicaciones que se pueden limpiar tienen dos funciones principales: Garantizar que ninguna partícula penetre o pase a través del medio y tener una eficiencia muy alta. Para aplicaciones de turbinas de gas, el material de alta eficiencia protege los álabes sensibles de la turbina de las partículas de polvo. En las aplicaciones de limpieza industrial, el aire limpio no debe tener contaminantes a medida que circula por el edificio. Basado en una alta concentración de polvo en entornos de limpieza industrial o en turbinas de gas ubicadas en entornos desérticos, un filtro de profundidad de alta eficiencia no es la mejor solución: los conductos de aire en el filtro se bloquearán debido a que el polvo cortará el flujo de aire. La filtración superficial es deseable para recolectar el polvo en la superficie del filtro porque crea un aumento lineal homogéneo en la caída de presión.

Las estructuras superficiales, donde casi todas las partículas serán capturadas en la superficie desde el principio, conducirán a una torta de polvo mucho mejor y más homogénea si las partículas filtradas forman una torta de polvo coherente. Una red de nanofibras altamente eficiente en el lado ascendente del medio filtrante evita que el polvo penetre en el medio, lo que da como resultado una restricción permanente del flujo de aire.

Idealmente, la torta de polvo debe eliminarse en su totalidad, lo que indica que no han penetrado partículas en el medio. Las partículas que han penetrado en los medios no se pueden eliminar de manera efectiva. Como consecuencia, la torta de polvo se romperá durante el paso de limpieza y las partículas restantes penetrarán en el medio y darán como resultado un aumento en la caída de presión.

La figura 5 demuestra la limpieza mejorada de los medios de filtración cuando se recubren con nanofibras. La imagen muestra la liberación de la torta de polvo del medio filtrante que tiene un lado recubierto con esta nueva tecnología de nanofibras. La torta de polvo del lado izquierdo recubierto con nanofibras se elimina de forma más eficaz con varios fragmentos coherentes de la torta de polvo. En el caso del lado no revestido de la derecha, la torta de polvo se rompe porque muchas partículas han penetrado en las capas superiores y se adhieren a la superficie del medio.

En las aplicaciones de filtración de superficies, la nueva tecnología de nanofibras proporciona las altas eficiencias requeridas, así como un mejor comportamiento de limpieza, lo que se traduce en un menor consumo de energía y una mayor vida útil.

Medios avanzados de nanofibras sintéticas de próxima generación

Hollingsworth & Vose Company (H&V) es uno de los principales productores de papel de ingeniería y no tejidos del mundo. Con su I+D avanzada y sus instalaciones de fabricación piloto, H&V ha desarrollado una tecnología avanzada de nanofibras para generar valor en los productos de los clientes. La nueva tecnología NANOWEB® de H&V proporciona una estructura microporosa con un control de procesos y una durabilidad sin igual. Con esta tecnología patentada, la distribución del diámetro de la fibra y el grosor de la capa se pueden marcar para ofrecer un mayor rendimiento en una amplia gama de aplicaciones.

Los beneficios de la tecnología NANOWEB® se pueden ver tanto en la filtración de aire como de líquidos. El revestimiento NANOWEB® puede mejorar en gran medida el rendimiento de la capacidad de los medios filtrantes para eliminar partículas de las corrientes de aire. Esta mejora se puede ver en las corrientes de entrada de aire a colectores de polvo, turbinas de gas, cabinas de vehículos motorizados, HVAC y filtración de alta eficiencia. Se pueden colocar varias capas de nanofibras en diferentes lugares del medio filtrante según la aplicación. Se puede colocar un recubrimiento NANOWEB® aguas arriba antes del sustrato de macrofiltración para mejorar el rendimiento de la filtración superficial o aguas abajo del sustrato de macrofiltración para mejorar la filtración profunda a fin de capturar partículas dentro del cuerpo del medio. La fuerte adhesión de la capa de nanofibras hace que los medios de filtración NANOWEB® sean ideales para aplicaciones de limpieza por pulsos.

La tecnología NANOWEB® también se puede diseñar específicamente para cumplir con los estrictos requisitos de filtración de muchas aplicaciones de líquidos. Con una eficiencia mejorada, la composición sintética de NANOWEB® ofrece una opción de nanofibra más duradera para la filtración de combustible y lubricante. También aborda la creciente necesidad de microfiltración avanzada, así como de prefiltración por membrana de ósmosis inversa y ultrafiltración en una variedad de aplicaciones de servicio de líquidos, incluidas las ciencias de la vida, alimentos y bebidas y filtración de líquidos de proceso. Los medios de filtración NANOWEB® de H&V ofrecen un promedio de 40 % más de porosidad para una calificación de micras determinada en comparación con las ofertas de productos estándar. Con la tecnología NANOWEB®, H&V ofrece flexibilidad en el diseño de medios filtrantes y tiene la experiencia para proporcionar materiales de calidad a escala mundial.

Contacto:, Emily Moore, Gerente de Producto Global, Hollingsworth & Vose Correo electrónico: [email protected], www.hovo.com