فیلترهای بی بافت (بخش سوم)

فیلترهای بی بافت

بخش سوم- معرفی انواع لایه های فیلتر بی بافت

دکتر میررضا طاهری اطاقسرا

عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران)

با توجه به مطالب مطرح شده در خصوص لایه‌های فیلتر بی‌بافت، می‌توان بیان داشت که انواع لایه‌های فیلتر غیر بی‌بافت عبارت است از:

1. لایه فیلتر حاصل از پارچه‌های تاری-پودی
2. شبکه‌ها (فلزی، پلاستیکی و سایر)
3. فلزات تفجوش یا همجوش سده (Sintered)، به استثنای زمانی که منبع، یک لایه از الیاف فلزی باشد.
4. لایه‌های فیلتر شنی
5. لایه‌های فیلتر غشایی
6. فیلترهای کیکی
7. لایه‌های سرامیکی
8. فیلترهای بستر شاره (Fluidized bed)

لایه‌های فیلتر غشایی به عنوان بی‌بافت‌ها به حساب نمی‌آیند؛ با این حال، این فیلترها معمولاً به وسیله یک نگهدارنده از نوع بی‌بافت نگهداشته می‌شوند و یا قبل از آنها یک لایه فیلتر از نوع بی‌بافت قرار می‌گیرد. علاوه بر این، لایه‌های بی‌بافت گاهی اوقات به عنوان ساختمان‌های نگهدارنده فیلترهای شنی (Bed Filter) مورداستفاده قرار می‌گیرند.

دسته‌بندی بی‌بافت‌ها براساس عملیات

بهترین روش دسته‌بندی بی‌بافت‌ها، دسته‌بندی آنها براساس روش عملیات تولید آنها می­با‌شد، زیرا هر عملیاتی با توجه به مواد اولیه متفاوت و یا اشکال مختلف از یک مواد اولیه معین، یک دسته منحصر به فرد از بی‌بافت‌ها را تولید می‌کند. دو دسته عمده از عملیات برای تشکیل یک بی‌بافت وجود دارد که عبارتند از: روش لایه‌سازی خشک و روش لایه‌سازی تر. بارزترین تفاوت بین این دو روش این است که در روش لایه‌سازی خشک، لایه تارعنکبوتی در محیط هوا تشکیل می‌شود، ولی در روش لایه‌سازی تر، لایه تارعنکبوتی در محیط آبی ایجاد می‌گردد.

چهار روش عمده لایه‌سازی به روش خشک عبارتند از:

1. لایه‌سازی هوایی (Air Laid)
2. لایه‌سازی خشک (کاردینگ)
3. اسپان باند (Spunbond)
4. ذوب دمشی (Melt Blown)
5. الکتروریسی

عملیات لایه‌سازی به روش تر شبیه به عملیات ساخت کاغذ است و ماشین‌های مورداستفاده برای تولید این نوع لایه‌های تارعنکبوتی‌، مخصوصاً برای کاغذهای فیلتری، به ماشین‌های کاغذسازی (Paper Machines) معروف هستند. کاغذهای فیلتری با تخلخل زیاد و تار عنکبوتی‌های تشکیل شده از الیاف بلند، نیاز به ماشین‌های کاغذسازی با طراحی ویژه دارند. این نوع ماشین‌ها، معمولاً به ماشین‌های لایه‌سازی تر نامیده می‌شوند.

عملیات لایه‌سازی خشک (Dry Formed Processes)

لایه‌سازی هوایی (Air Laid)

لایه‌های تولید شده به روش لایه‌سازی هوایی، اکثراً از پرزها و کرک‌های خمیر سلولزی تشکیل می‌شوند که معمولاً برای مصارفی مثل پرز پوشک بچه و نوارهای بهداشتی شخصی مورداستفاده قرار می‌گیرند. این فرآیند بدین صورت است که خمیرهای پرزی سلولز تحت ضربات چکش، به صورت الیاف جدا از هم درمی‌آیند، سپس این پرزها به وسیله جریان هوا بر روی یک تسمه متحرک یا یک توری سیمی ریخته می‌شوند تا به شکل یک لایه پارچه‌ای درآیند، الیاف مصنوعی با طول کوتاه نظیر الیاف کوتاه پلی‌استر، پلی‌پروپیلن، نایلون، ویسکوز ریون و ….  و یا اغلب موادی همچون پلیمرهای فوق جاذب‌الرطوبه یا SAP (Super Absorbent Polymers)، از قبیل کربوکسی متیل سلولز (CMC) می‌توانند در قسمت تشکیل لایه به پرزهای سلولزی اضافه شوند. در این شرایط،  ساختمان‌های کامپوزیتی نیز می‌تواند تولید شود. ماشین‌های تشکیل لایه هوایی اغلب مجهز به دستگاه چسب زننده به صورت آنلاین و برای اعمال چسب لاتکس هستند. اگر لایه تولیدی حاوی مقدار قابل ملاحظه‌ای از الیاف بلند مصنوعی باشد، از جت هوا برای درهم‌رَوی و اتصال الیاف استفاده می‌شود که محصول تولیدی اسپان­لیس (Spun Lace) نامیده می‌شود.

شکل ۱ نمودار  ترسیمی از ترتیب ماشین‌آلات در روش لایه‌سازی هوایی را در آزمایشگاه‌های تست MTS واقع در کالامازو میشیگان (Kalamazoo Michigan) نشان می‌دهد. ماشین‌آلات این خط،  از نوع ماشین تشکیل لایه Dan-Webb ساخت شرکت Dan-Webb واقع در آرهوس دانمارک (Aarhus Denmark) می‌باشد.

شکل ۱-  چیدمان ماشین‌آلات خط پایلوت لایه‌سازی هوایی MTS

لایه‌های تولید شده به روش هوایی دارای ساختمانی حجیم و پفکی هستند و به نظر می‌رسد که مناسب برای لایه‌های فیلتر باشند.

تارعنکبوتی‌های تولیدی به روش لایه‌سازی خشک و نمدها

تشکیل لایه به روش خشک عملیاتی است که برای تشکیل بسیاری از تارعنکبوتی‌های کاردشده و مواد نمدی مورد استفاده در فیلتراسیون کاربرد دارد. هم تارعنکبوتی‌های کاردشده و هم نمدها بر روی تجهیزاتی مشابه تولید می‌شوند. تارعنکبوتی‌های بسیار پفکی و با چگالی بسیار کم (High Loft) مورداستفاده در سیستم‌های HVAC یا Heating, Ventilation and Air Conditioning) معمولاً به صورت ترموباند هستند. در بعضی موارد این نوع از تارعنکبوتی‌ها دارای اتصال شیمیایی  هستند. نمدهایی که از طریق لایه‌گذاری تارعنکبوتی‌های کاردشده ایجاد شده‌اند، معمولاً از نظر وزنی بسیار سنگین‌تر هستند. نمدهای سوزن‌زنی شده یک منبع پرمصرف برای بازار فیلتراسیون می‌باشند. پارچه‌های تاری-پودی و نمدهای سوزن‌زنی‌شده،  بزرگترین منبع لایه فیلتر برای کاربردهای فیلتر کیسه‌ای است. از حدود ۲ دهه پیش برخی از کاربردهای نمدهای سوزن‌زنی‌شده جایگزین نوع اسپان­لیس (لایه‌های استحکام بخشی شده با جت آب) شده است. همچنین، از حدود ۲ دهه پیش استفاده از فیلترهای کارتریجی (Cartridge) به جای فیلترهای نمدی و پارچه‌های تاری-پودی در فیلترهای کیسه‌ای آغاز شده است.

تارعنکبوتی‌های تولید شده به روش خشک از نظر طبیعت مواد اولیه مصرفی و روشی که آنها تحت فرآیند لایه‌سازی قرار می‌گیرند، متفاوت از تارعنکبوتی‌های تولیدشده به روش هوایی هستند. تارعنکبوتی‌های تولیدشده به روش هوایی در ابتدا ترکیبی از الیاف و پرزهای سلولزی چوب و در صورت امکان و نیاز، حاوی مقداری (تا ۲۰%) از الیاف کوتاه است. پوشک‌های بچه و نوارهای جاذب برای مصارف بهداشتی از محصولات بسیار مهم هستند که در آنها از تارعنکبوتی‌های تولیدشده به روش هوایی استفاده می‌شود. از سوی دیگر، الیاف با طول بلندتر، منبع اصلی تولید تارعنکبوتی‌های تولیدشده به روش خشک هستند. در اغلب اوقات، در این لایه‌ها از الیاف مجعد استفاده می‌شود. در فرآیندهای لایه‌سازی هوایی از ضربه‌های چکشی و عملیات آئرودینامیکی برای جداسازی، تک‌تک‌سازی (Individuating) و دیسپرس کردن الیاف و تشکیل آنها برای تارعنکبوتی بهره گرفته می‌شود. در فرآیندهای لایه‌سازی به روش خشک نیز از عملیات آئرودینامیک برای تشکیل تارعنکبوتی استفاده می‌شود، اما عملیات قابل ملاحظه مکانیکی نیز برای تک‌تک‌سازی، دیسپرس کردن و آرایش‌یافتگی الیاف مورداستفاده قرار می‌گیرد تا آنها به شکل تارعنکبوتی درآیند.

شکل ۲-  نمایی از خط لایه‌سازی به روش خشک

نمایی از یک نمونه خط لایه‌سازی خشک در شکل ۲ نشان داده شده است. هسته و قلب عملیات لایه‌سازی خشک، ماشین کارد یا ماشینی است که به گارنت (Garnett) معروف می‌باشد. هر دو این ماشین‌ها دارای چند سری غلتک هستند که سطح آنها پوشیده از سوزن‌های خاردار یا دندانه اره‌ای است. سطح خاردار غلتک‌ها با پیچیدن اوریب نوارهای خاردار بر روی آنها حاصل می‌شود؛ این نوارهای خاردار، نوارهایی هستند که دندانه‌هایی به صورت دندانه اره‌ای بر روی آنها کاشته شده و به نوارهای متالیک نیز معروف می‌باشند. دندانه‌های روی نوارهای متالیک طوری ساخته و بر روی نوارها کاشته شده‌اند که دارای ارتفاع، فاصله نسبت به مرکز و زاویه معینی باشند. هرگاه دو سطح خاردار (پوشیده از نوارهای متالیک) با سرعت‌های متفاوت از مقابل هم حرکت کنند و جهت نوک سوزن‌ها و خارهای آنها خلاف یکدیگر باشد، می‌توانند الیافی که در بین آنها قرار می‌گیرند را تحت عملیات کاردینگ قرار دهند. در نتیجه‌ی عملیات کاردینگ الیاف در بین دو سطح خاردار، عمل شانه‌سازی اتفاق می‌افتد که این عمل سبب موازی شدن (توازی) الیاف می‌شود. یکی از این سطوح کارد کننده، سطح سیلندر یا سیلندر اصلی است و سطح دیگر، یک غلتک کوچکتر، با قطر کمتر نسبت به سیلندر اصلی به نام غلتک ورکر  (Worker) می‌باشد که دارای یک  صفحه ثابت با سطحی پوشیده از سوزن است. در ماشین‌های کارد، انواع دیگری از غلتک‌ها هستند که دیگر عملیات مختلف را در فرآیند کاردینگ انجام می‌دهند. این غلتک‌ها عبارتند از:

• غلتک‌های استریپینگ که به بالاآوردن توده الیاف از سطح سیلندر کمک می‌کند.
• غلتک‌های لیکرین یا تیکرین که الیاف از منبع تغذیه (لایه الیاف) گرفته و به سیلندر اصلی تغذیه می‌کنند.
• غلتک‌های دافر که الیاف را از روی سطح سیلندر اصلی برداشت می‌کنند.
• غلتک‌های بی‌نظم‌کننده و متراکم‌کننده‌ که وظیفه آنها اعمال نظم عرضی و بی‌نظم کردن الیاف می‌باشد.

علاوه بر ماشین‌های کارد و گارنت، یک خط لایه‌سازی خشک دارای ماشین‌های عدل‌بازکُن، ماشین‌های مخلوط‌کن و ماشین‌های مخصوص تغذیه الیاف به ماشین کارد و گارنت می‌باشد. در این خطوط می‌تواند دو یا چند ماشین کارد وجود داشته باشد و هریک از ماشین‌های کارد، یک لایه جداگانه تولید می‌کند که برای تهیه لایه نهایی به لایه کارد قبلی اضافه (ملحق) می‌شود. استفاده بیش از یک ماشین شرایطی را فراهم می‌کند که از ترکیب و مخلوط چند لیف در تولید لایه استفاده شود. روش دیگر تولید لایه، استفاده از لایه‌سازی عرضی (Cross Layering) می‌باشد که عبارت است از چندلا کردن لایه تارعنکبوتی به طوری که در این روش تارعنکبوتی تولید شده توسط کارد به وسیله یک تسمه نقاله به یک لایه‌ساز یا لپر (Lapper) تغذیه می‌شود و لایه‌ساز یا لپر، لایه تارعنکبوتی را بر روی یک تسمه که حرکت آن عمود بر حرکت لایه‌ساز یا لپر می‌باشد، قرار می‌دهد. این یک روش مناسب برای تولید یک لایه ضخیم و متراکم از یک تارعنکبوتی نازک و سبک است. این فرآیند به یک دستگاهی نیاز دارد تا تارعنکبوتی یا لایه نهایی را تشکیل دهد و باید در خروجی ماشین کارد یا گارنت قرار گیرد. همچنین، ماشین‌های لایه‌ساز هوایی وجود دارند که الیاف کارد شده  را به شکل تارعنکبوتی درمی‌آورند. ماشین رندو وِبِر (Rando Webber) شرکت رندوماشین (Rando Machine  Corporation) از پرطرفدارترین ماشین‌آلات این عملیات می‌باشند. قابل ذکر است که ماشین رندو وبر برای تولید تار عنکبوتی‌های لایه‌سازی خشک  اغلب با تغذیه مستقیم از دستگاه­های بازکننده عدل مورداستفاده قرار می‌گیرد. اگرچه در این روش از ماشین کارد استفاده نمی‌شود، اما محصول تولیدی همچنان یک پارچه یا لایه با لایه‌سازی خشک به حساب می‌آید تا یک پارچه با لایه‌سازی هوایی؛ چون عمل ماشین رندو وبر یک عمل مکانیکی است تا آئرودینامیک و این به آن دلیل است که سطح سوزنی مثل سطوح غلتک‌ها، آپرون‌ها و تسمه نقاله‌ها برای توزیع الیاف برای تشکیل پارچه در حال حرکت مورداستفاده قرار می‌گیرند.

شکل۳- نمایی از ماشین آلات لایه ساز هوای رندو وبر