Що таке матеріал фільтрувального матеріалу HEPA?

Виробничі процеси фільтрувальних матеріалів HEPA

ВиконанняHEPA-фільтрзалежить не лише від складу матеріалу, але й від виробничих процесів, що використовуються для формування волокнистої структури. Ось ключові процеси, що використовуються:

1. Розплавлення (полімерні носії)

Розплавлення (мелтбловінг) – це основний метод виробництва полімерних HEPA-фільтрів. У цьому процесі полімерні гранули (наприклад, поліпропілену) плавляться та екструдуються через крихітні сопла. Потім гаряче повітря з високою швидкістю продувається над потоками розплавленого полімеру, розтягуючи їх у надтонкі волокна (зазвичай діаметром 1–5 мікрометрів), які осідають на рухому конвеєрі. Коли волокна охолоджуються, вони випадковим чином з'єднуються, утворюючи неткане полотно з пористою тривимірною структурою. Розмір пор і щільність волокон можна регулювати, контролюючи швидкість повітряного потоку, температуру полімеру та швидкість екструзії, що дозволяє виробникам адаптувати носій до конкретних вимог до ефективності та потоку повітря. Розплавлений носій є економічно ефективним та масштабованим, що робить його найпоширенішим вибором для масового виробництва HEPA-фільтрів.

2. Електроформування (нановолокнистий носій)

Електроформування – це більш просунутий процес, який використовується для створення надтонких полімерних волокон (нановолокон діаметром від 10 до 100 нанометрів). У цій техніці полімерний розчин завантажується в шприц з маленькою голкою, який підключений до джерела живлення високої напруги. Коли подається напруга, між голкою та заземленим колектором створюється електричне поле. Полімерний розчин витягується з голки у вигляді тонкого струменя, який розтягується та висихає на повітрі, утворюючи нановолокна, що накопичуються на колекторі у вигляді тонкого пористого килимка. Нановолокнистий HEPA-фільтр забезпечує виняткову ефективність фільтрації, оскільки крихітні волокна створюють густу мережу пор, які можуть затримувати навіть надтонкі частинки. Крім того, малий діаметр волокна зменшує опір повітря, що призводить до меншого перепаду тиску та вищої енергоефективності. Однак електроформування є більш трудомістким та дорогим, ніж видування з розплаву, тому воно в основному використовується у високопродуктивних застосуваннях, таких як медичні пристрої та аерокосмічні фільтри.

3. Процес мокрого укладання (скловолокнистий матеріал)

Скловолокнисті HEPA-фільтри зазвичай виготовляються за допомогою процесу мокрого укладання, подібного до виробництва паперу. Спочатку скловолокно нарізають на короткі шматки (1–5 міліметрів) і змішують з водою та хімічними добавками (наприклад, зв'язуючими речовинами та диспергаторами) для утворення суспензії. Потім суспензію перекачують на рухоме сито (дротяну сітку), де вода стікає, залишаючи мат із хаотично орієнтованих скловолокна. Мат сушать і нагрівають для активації сполучної речовини, яка зв'язує волокна разом, утворюючи жорстку, пористу структуру. Процес мокрого укладання дозволяє точно контролювати розподіл і товщину волокон, забезпечуючи стабільну ефективність фільтрації по всьому матеріалу. Однак цей процес є більш енергоємним, ніж розплавлення, що сприяє вищій вартості скловолокнистих HEPA-фільтрів.

Ключові показники ефективності фільтрувального матеріалу HEPA

Для оцінки ефективності фільтрувальних матеріалів HEPA використовується кілька ключових показників ефективності (KPI):

1. Ефективність фільтрації

Ефективність фільтрації є найважливішим показником ефективності (KPI), що вимірює відсоток частинок, що затримуються фільтрувальним середовищем. Згідно з міжнародними стандартами, справжні HEPA-фільтри повинні досягати мінімальної ефективності 99,97% для частинок розміром 0,3 мкм (часто їх називають «найбільш проникаючим розміром частинок» або MPPS). HEPA-фільтри вищого класу (наприклад, HEPA H13, H14 згідно з EN 1822) можуть досягати ефективності 99,95% або вище для частинок розміром до 0,1 мкм. Ефективність перевіряється за допомогою таких методів, як тест з діоктилфталатом (DOP) або тест з полістирольним латексом (PSL), які вимірюють концентрацію частинок до та після проходження через фільтрувальне середовище.

2. Падіння тиску

Падіння тиску стосується опору потоку повітря, спричиненого фільтруючим матеріалом. Менше падіння тиску є бажаним, оскільки воно зменшує споживання енергії (для систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря або очищувачів повітря) та покращує повітропроникність (для респіраторів). Падіння тиску фільтруючого матеріалу HEPA залежить від щільності його волокон, товщини та розміру пор: щільніші матеріали з меншими порами зазвичай мають вищу ефективність, але також і вищий перепад тиску. Виробники балансують ці фактори, щоб створити матеріал, який пропонує як високу ефективність, так і низький перепад тиску, наприклад, використовуючи електростатично заряджені волокна для підвищення ефективності без збільшення щільності волокон.

3. Пилоємність (DHC)

Пилоємність – це максимальна кількість твердих частинок, яку фільтр може утримувати, перш ніж падіння тиску перевищить задану межу (зазвичай 250–500 Па) або його ефективність паде нижче необхідного рівня. Вищий показник питної води (DHC) означає, що фільтр має довший термін служби, що зменшує витрати на заміну та частоту технічного обслуговування. Скловолокнистий фільтр зазвичай має вищий показник DHC, ніж полімерний фільтр, завдяки своїй жорсткішій структурі та більшому об'єму пор, що робить його придатним для середовищ з високим вмістом пилу, таких як промислові об'єкти.

4. Хімічна та температурна стійкість

Для спеціалізованого застосування важливими ключовими показниками ефективності є хімічна та температурна стійкість. Скловолокнистий матеріал може витримувати температури до 250°C та стійкий до більшості кислот і лугів, що робить його ідеальним для використання на сміттєспалювальних заводах або хімічних переробних підприємствах. Полімерний матеріал на основі PTFE має високу хімічну стійкість і може працювати за температур до 200°C, тоді як поліпропіленовий матеріал менш термостійкий (максимальна робоча температура ~80°C), але забезпечує хорошу стійкість до масел та органічних розчинників.

Застосування фільтрувального матеріалу HEPA

Фільтр-матеріал HEPA використовується в широкому спектрі застосувань у різних галузях промисловості, що зумовлено потребою в чистому повітрі та середовищі без твердих частинок:

1. Охорона здоров'я та медицина

У лікарнях, клініках та на фармацевтичних виробничих підприємствах фільтрувальні матеріали HEPA є критично важливими для запобігання поширенню повітряно-крапельних патогенів (наприклад, бактерій, вірусів та спор цвілі). Вони використовуються в операційних, відділеннях інтенсивної терапії (ВІТ), чистих приміщеннях для виробництва ліків та медичних пристроях, таких як апарати штучної вентиляції легень та респіратори. Тут перевага надається фільтрам HEPA на основі скловолокна та PTFE завдяки їхній високій ефективності, хімічній стійкості та здатності витримувати процеси стерилізації (наприклад, автоклавування).

2. Опалювально-вентиляційні системи та якість повітря в будівлях

Системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря (ОВК) у комерційних будівлях, центрах обробки даних та житлових будинках використовують фільтрувальні матеріали HEPA для покращення якості повітря в приміщенні (ЯПВ). Полімерні фільтрувальні матеріали HEPA зазвичай використовуються в побутових очищувачах повітря та фільтрах ОВК завдяки низькій вартості та енергоефективності, тоді як фільтрувальні матеріали зі скловолокна використовуються у великомасштабних комерційних системах ОВК для середовищ з високим вмістом пилу.

3. Промисловість та виробництво

У промислових умовах, таких як виробництво напівпровідників, виробництво електроніки та складання автомобілів, фільтрувальні матеріали HEPA використовуються для підтримки чистоти приміщень з надзвичайно низькою кількістю частинок (виміряною в частинках на кубічний фут). Ці застосування вимагають високоякісних фільтрувальних матеріалів HEPA (наприклад, H14) для запобігання забрудненню чутливих компонентів. Тут перевага надається фільтрам зі скловолокна та композитним матеріалам завдяки їхній високій ефективності та довговічності.

4. Споживчі товари

HEPA-фільтр все частіше використовується в споживчих товарах, таких як пилососи, очищувачі повітря та маски для обличчя. Полімерний плавлений фільтрувальний матеріал є основним матеріалом у респіраторах N95/KN95, які стали необхідними під час пандемії COVID-19 для захисту від вірусів, що передаються повітряно-крапельним шляхом. У пилососах HEPA-фільтр запобігає потраплянню дрібного пилу та алергенів назад у повітря, покращуючи якість повітря в приміщенні.

Майбутні тенденції в матеріалах для фільтрів HEPA

Зі зростанням попиту на чисте повітря та розвитком технологій, майбутнє матеріалів для фільтруючих матеріалів HEPA формується кількома тенденціями:

1. Технологія нановолокна

Розробка HEPA-матеріалів на основі нановолокна є ключовою тенденцією, оскільки ці надтонкі волокна пропонують вищу ефективність та менший перепад тиску, ніж традиційні матеріали. Досягнення в методах електроформування та видування з розплаву роблять нановолокнисті матеріали більш економічно ефективними у виробництві, розширюючи їх використання у споживчих та промислових цілях. Дослідники також досліджують використання біорозкладних полімерів (наприклад, полімолочної кислоти, PLA) для нановолокнистих матеріалів для вирішення екологічних проблем, пов'язаних з пластиковими відходами.

2. Електростатичне посилення

Електретні фільтрувальні матеріали, які використовують електростатичний заряд для уловлювання частинок, стають все більш досконалими. Виробники розробляють нові методи заряджання (наприклад, коронний розряд, трибоелектричне заряджання), які покращують тривалість електростатичного заряду, забезпечуючи стабільну роботу протягом усього терміну служби фільтра. Це зменшує потребу в частій заміні фільтра та знижує споживання енергії.

3. Багатофункціональні медіа

Майбутні фільтрувальні матеріали HEPA будуть розроблені для виконання кількох функцій, таких як захоплення частинок, видалення запахів та нейтралізація газів. Це досягається завдяки інтеграції активованого вугілля, фотокаталітичних матеріалів (наприклад, діоксиду титану) та антимікробних агентів у матеріал. Наприклад, антимікробні матеріали HEPA можуть пригнічувати ріст бактерій та цвілі на поверхні фільтра, зменшуючи ризик вторинного забруднення.

4. Сталі матеріали

Зі зростанням екологічної обізнаності існує прагнення до більш екологічних матеріалів для фільтруючих матеріалів HEPA. Виробники досліджують відновлювані ресурси (наприклад, полімери на рослинній основі) та матеріали, що підлягають переробці, щоб зменшити вплив одноразових фільтрів на навколишнє середовище. Крім того, докладаються зусилля для покращення придатності до переробки та біорозкладності існуючих полімерних матеріалів, вирішуючи проблему відходів фільтрів на звалищах.

Фільтруючий матеріал HEPA – це спеціалізований субстрат, призначений для захоплення дрібних частинок у повітрі з винятковою ефективністю, що відіграє вирішальну роль у захисті здоров'я людини та підтримці чистоти навколишнього середовища в різних галузях промисловості. Від традиційного скловолокна до передових полімерних нановолокон та композитних структур, склад матеріалу HEPA-фільтру адаптований до унікальних вимог різних застосувань. Виробничі процеси, такі як видування з розплаву, електроформування та мокре укладання, визначають структуру фільтрувального матеріалу, що, у свою чергу, впливає на ключові показники ефективності, такі як ефективність фільтрації, перепад тиску та пиловутримуюча здатність. З розвитком технологій такі тенденції, як технологія нановолокна, електростатичне посилення, багатофункціональний дизайн та сталий розвиток, стимулюють інновації у фільтруючих матеріалах HEPA, роблячи їх більш ефективними, економічно вигідними та екологічно чистими. Чи то в охороні здоров'я, промисловому виробництві, чи споживчих товарах, фільтрувальний матеріал HEPA продовжуватиме залишатися важливим інструментом для забезпечення чистого повітря та здоровішого майбутнього.