Нановолокнистые фильтры и фильтрующие материалы

Нановолокнистые фильтры — фильтрующие материалы и элементы, в которых работает слой полимерных волокон диаметром в десятые и сотые доли микрометра. При одинаковой эффективности улавливания такой слой создаёт меньшее сопротивление потоку, чем слой из волокон микронной толщины, поэтому нановолокна применяют для тонкой очистки воздуха и газов от субмикронных частиц, в респираторах, фильтрах чистых помещений и фильтрации агрессивных сред. Волокна из фторопласта-4 и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) добавляют к этому химическую стойкость.

Заявки на нановолокнистые фильтрующие материалы принимаем на 5052082@mail.ru.

Как волокнистый фильтр задерживает частицы

Волокнистый фильтр — не сито: поры в нём крупнее улавливаемых частиц. Частицы оседают на волокнах при обтекании, и действуют сразу несколько механизмов:

• диффузия — мельчайшие частицы (меньше 0,1 мкм) хаотично движутся вместе с молекулами газа и сталкиваются с волокнами;
• зацепление — частица идёт по линии тока и касается волокна своим краем;
• инерция — крупные частицы не успевают обогнуть волокно вместе с потоком и ударяются о него;
• электростатическое притяжение — если волокна несут заряд, частицы притягиваются к ним.

Для частиц размером около 0,1–0,3 мкм диффузия уже малоэффективна, а зацепление и инерция ещё не набрали силу, поэтому проскок у них наибольший. Это размер наиболее проникающих частиц (MPPS). По нему испытывают и классифицируют высокоэффективные фильтры.

Чем нановолокна лучше обычных волокон

Чем тоньше волокно, тем эффективнее оно улавливает частицы по зацеплению и диффузии. Но в обычном фильтре тонкие волокна резко повышают перепад давления. У нановолокон есть важная особенность: их диаметр сравним с длиной свободного пробега молекул воздуха (около 66–67 нм при нормальных условиях). Газ у поверхности такого волокна «проскальзывает», и сила сопротивления падает. В итоге тонкий нановолокнистый слой даёт высокую эффективность при малом перепаде давления.

Сравнивают фильтрующие материалы по критерию качества — отношению натурального логарифма проскока к перепаду давления. Чем он выше, тем меньше энергии тратится на заданную степень очистки.

Как получают нановолокна

Электроформование

Раствор полимера подают в сильное электрическое поле: струя вытягивается, растворитель испаряется, и на заземлённый коллектор ложится слой непрерывных волокон диаметром от нескольких десятков нанометров до нескольких микрометров. В нашей стране метод применяют для фильтров с 1930-х годов: при попытке получить аэрозоль из раствора нитрата целлюлозы вместо капель образовались тончайшие волокна. Сделанные так материалы в конце 1940-х годов назвали ФП (фильтры Петрянова); за полвека из них изготовлено более 5 млрд респираторов.

Нановолокна из фторопласта-4

Фторопласт-4 не растворяется и не плавится в текучее состояние, поэтому прямое электроформование для него невозможно. Используют обходной путь: формуют дисперсию ПТФЭ вместе с растворимым полимером-носителем и затем спекают слой. Нановолокна получают и из растворимых фторполимеров, например поливинилиденфторида. О волокнах из Ф-4 — в статье «Волокна из фторопласта-4 и ткани на их основе».

Конструкции нановолокнистых фильтров

• Нановолокнистый слой на подложке. Тонкий слой наносят на нетканое полотно или бумагу, которые держат форму и защищают слой. Так делают фильтровальные полотна для гофрированных патронов и панелей.
• Многослойные материалы. Слои разной плотности чередуют: крупные частицы задерживаются в верхних слоях, тонкая очистка — в нижних. Это увеличивает грязеёмкость и срок службы.
• Заряженные (электретные) материалы. Заряд на волокнах многократно повышает улавливание при том же сопротивлении. Но со временем, особенно в маслах и парах растворителей, заряд нейтрализуется, поэтому промышленные фильтры рассчитывают по характеристикам разряженного материала.

Классы высокоэффективных фильтров по ГОСТ Р 71176-2023

С 30.12.2025 классы фильтров EPA, HEPA и ULPA устанавливает ГОСТ Р 71176-2023 (идентичен EN 1822-1:2019); прежний ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010 заменён. Эффективность определяют по частицам размера MPPS.

Класс	Интегральная эффективность, не менее	Локальная эффективность, не менее
E10	85 %	не нормируется
E11	95 %	не нормируется
E12	99,5 %	не нормируется
H13	99,95 %	99,75 %
H14	99,995 %	99,975 %
U15	99,9995 %	99,9975 %
U16	99,99995 %	99,99975 %
U17	99,999995 %	99,9999 %

Класс присваивают готовому фильтрующему элементу после испытаний, а не материалу. Нановолокнистый материал позволяет получить нужный класс при меньшем перепаде давления или меньшей площади фильтра.

Где применяют нановолокнистые фильтры

• средства защиты органов дыхания и фильтры для работы с токсичными и радиоактивными аэрозолями;
• фильтры чистых помещений, боксов и ламинарных шкафов в электронике, фармацевтике, биолабораториях;
• очистка горячих и химически агрессивных газов и туманов кислот — материалы из фторопласта;
• фильтрация агрессивных жидкостей, растворителей и топлив;
• аналитические фильтры для отбора проб аэрозолей.

Что указать в заявке

• назначение: очистка воздуха, газа или жидкости; требуемый класс или эффективность по заданному размеру частиц;
• среда, температура, влажность, наличие масел и паров растворителей;
• допустимый перепад давления и расход;
• материал волокон (фторопласт, СВМПЭ, другие полимеры) или задача, по которой его подобрать;
• форма поставки: рулонный материал, листы, готовые элементы по чертежу;
• количество.

Фильтровальные рукава и полотна для пылеулавливания описаны на странице «Фильтровальные рукава из PTFE и др.».

Вопросы и ответы

Что такое HEPA-фильтр?

Высокоэффективный фильтр класса H13 или H14 по ГОСТ Р 71176-2023: не менее 99,95 % или 99,995 % частиц наиболее проникающего размера.

Почему фильтр хуже всего задерживает частицы около 0,1–0,3 мкм, а не самые мелкие?

Мельчайшие частицы улавливаются диффузией, крупные — зацеплением и инерцией. В промежутке оба механизма слабы, поэтому там проскок максимален.

Почему электретный фильтр со временем теряет эффективность?

Заряд волокон постепенно нейтрализуется, быстрее всего — в присутствии масляных аэрозолей и паров растворителей. Механическое улавливание при этом сохраняется.

Заказать нановолокнистые фильтры

Поставляем нановолокнистые и микроволокнистые фильтрующие материалы из фторопласта-4, СВМПЭ и других полимеров, а также фильтрующие элементы по чертежу. Пришлите задачу на 5052082@mail.ru — подберём материал и сообщим сроки.