Teknik Tekstil Uygulamalarında Kullanılan Nonwoven Filtreler. Nonwoven Filters Used in Technical Textile Applications

Transkript

1 Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 4, No: 2, 2010 (78-84) Electronic Journal of Textile Technologies Vol: 4, No: 2, 2010 (78-84) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR e-issn: Derleme (Review) Teknik Tekstil Uygulamalarında Kullanılan Nonwoven Filtreler H. Kübra KAYNAK ve *Züleyha DEĞĐRMENCĐ Gaziantep Üniversitesi Tekstil Mühendisliği Bölümü, Şehitkamil - Gaziantep *degirmenci@gantep.edu.tr Özet Filtrasyon bir maddenin bir diğerinden ayrılması olarak tanımlanabilir. Tekstil filtreleri genellikle katı-gaz ve sıvı-katı ayrımında kullanılır. Tekstil materyalleri arasında özellikle dokuma ve nonwoven kumaşlar, karmaşık yapıları ve uygun kalınlıkları sebebiyle filtrasyonda kullanılmaya uygundurlar. Nonwoven filtreler, teknik tekstillerin sağlık, taşımacılık, koruma, paketleme, ve ev teknik tekstilleri alanlarında kullanılmaktadırlar. Dünya genelindeki nonwoven filtrasyon pazarı yaklaşık olarak 2 milyar dır. Gelişmekte olan ülkeler için, güvenilir içme suyu üretimi ve daha iyi bir iç hava kalitesi başlıca amaçlardır. Aynı zamanda, Asya ülkelerinde kimyasal ve ilaç endüstrilerine yapılan yatırımların artması, güçlenen çevre yasaları filtrasyon materyallerinin öneminin ve üretim miktarının dünya genelinde artmasına sebep olmuştur. Bu çalışmada filtrasyon gereksinimleri için kullanılan nonwoven kumaş tipleri, hammaddeleri, en son gelişmeler, teknik tekstil uygulamalarındaki nonwoven kumaş filtrelerinin kullanım alanları ve nonwoven filtre pazarı incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Nonwoven filtreler, filtrasyon, nanofiltrasyon. Nonwoven Filters Used in Technical Textile Applications Abstract Filtration can be defined as the separation of one material from another. Textile filters are usually used for solid-gas and liquid-gas separation. Among textile materials, especially woven and nonwoven fabrics are suitable for filtration applications, because of their complex structures and appropriate thickness. Nonwoven filters are used in medtech, mobiltech, protech, packtech and hometech application areas of technical textiles. The market for nonwoven fabrics for filtration media on a worldwide basis is approximately $2 billion. For developing countries; producing safe drinking water and having a better indoor air quality are main objectives. At the same time; increasing investments in chemical and pharmaceutical industries in Asian countries, strengthening environmental legislation cause the importance and production rates of filtration materials to increase worldwide. In this study; types of nonwoven fabrics used for different filtration requirements, raw materials, the recent developments, uses of nonwoven filters in technical textile applications and marketplace are investigated. Keywords : Nonwoven filters, filtration, nanofiltration Bu makaleye atıf yapmak için Kaynak, H.K., Değirmenci, Z., Teknik Tekstil Uygulamalarında Kullanılan Nonwoven Filtreler Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, 4(2) How to cite this article Kaynak, H.K.., Değirmenci, Z., Nonwoven Filters Used in Technical Textile Applications Electronic Journal of Textile Technologies, 2010, 4(2) 78-84

2 1. GĐRĐŞ Filtrasyon bir maddenin bir diğerinden ayrılması olarak tanımlanabilir. Filtrasyonun asıl amacı filtre edilen malzemenin saflığını arttırmaktır. Tekstil filtre malzemeleri genelde katı-gaz ve katı-sıvı ayrımında kullanılır. Ayırma işlemine bağlı olarak, filtrasyon genelde partikül filtrasyonu, mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters osmoz olarak adlandırılır[1]. Filtrasyonda, nonwoven kumaşlar genellikle mekanik, yaş ya da hava yoluyla oluşturulan, enine kesiti boyunca birbirine bağlanmış açık alanlara sahip ve bir yanından diğer yanına akan sıvı veya gaz akışkanlarının ihtiva ettiği parçacıkların belli bir yüzdesini giderme kabiliyetine sahip olan düzensiz elyaf tabakası olarak tanımlanabilir[2]. Nonwoven filtreler, yüzyıllardan beri farklı yöntemlerle yüzeye dönüştürülen selüloz ve yün keçeleri kapsayan birçok formda var olmuşlardır. Sentetik nonwoven filtrelerin kullanımı ise 1950 ve 1960 larda tek kullanımlık bebek bezlerinin icadı ile başlamıştır[2]. 2. NONWOVEN FĐLTRELER Tekstil materyalleri arasında özellikle dokuma ve nonwoven kumaşlar, karmaşık yapıları ve uygun kalınlıkları sebebiyle filtrasyonda kullanılmaya uygundurlar. Nonwoven kumaş filtrelerin dokuma kumaş filtrelere göre avantajları şunlardır: Yüksek geçirgenlik Yüksek filtrasyon verimliliği Düşük bükülme eğilimi Dokuma kumaşlarda görülen iplik kaymasının olmaması Đyi sızdırmazlık [1] Nonwoven kumaşlar; membranlara, metal malzemeden dokunmuş kumaşlara ve monofilament dokuma kumaşlara nazaran daha kalın kesite ve hacimliliğe sahiptirler. Bu yüzden nonwoven kumaşlar yüksek miktarda parçacık yüklemesi, uzun ömür veya bir sıvı veya gaz akışının genel temizliği istendiği zaman tercih edilirler. Nonwoven kumaşlar diğer kumaş tiplerinin çoğuna nazaran daha ucuzdurlar[2] Farklı Filtrasyon Đhtiyaçları için Kullanılan Nonwoven Kumaş Tipleri Wet-laid (yaş serim) sentetikler daha ince bir yüzey ve daha tutarlı gözenek boyutunun önemli olduğu alanlarda tercih edilmektedir. Oldukça mukavim olan spunbonded kumaşlar ortalama bir toz tutma kapasitesine sahipken wet-laid ve melt blown kumaşlara göre tutarlı gözenek boyutu dağılımı konusunda eksiktirler. Spunbonded kumaşlar; soğutma, membran drenaj tabakaları ve meltblown kumaş kartuşlarda kullanılırlar. Needlefelt kumaşlar filtre torbalarında olduğu gibi mukavemet ve dayanımın gerekli olduğu uygulamalarda kullanılır. Air laid ve air bonding kumaşlar; büyük parçacıkların tutulduğu ön filtreleri de kapsayan hava filtrasyonundaki yüksek toz tutma yeteneği, hacimlilik ve yüksek yaylanma özellikleri sebebiyle yaygın olarak tercih edilirler. Bu kumaşlar tipik olarak yüksek boşluklu hacme sahiptirler. Meltblown nonwoven kumaşlar sıvı ve gaz filtrasyon uygulamalarının birçoğuna hızlı bir şekilde yayılarak yükselmeye devam etmektedirler[2]. Melt blown nonwoven kumaşlar oldukça düşük maliyetlidirler ve ön filtreleme ve yüksek performansın ve hassas filtrasyonun gerektiği son filtrelerde kullanılmaktadırlar. Resinbonded nonwoven kumaşlar hava filtrelemede popülerdir ve pointbonded kumaşlar erime ve yumuşama noktası benzer olmayan kumaşları birleştirmeye yarayan diğer tüm bonded kumaşlara alternatif sağlarlar[2]. 79

3 2.2. Nonwoven Filtreler için Hammaddeler Needlepunched filtre kumaşları iyi bir boyutsal stabilite, mükemmel parçacık tutumu ve tıkanmama özelliklerine sahiptirler. Genelde, polyester, homopolimer akrilik, naylon, polipropilen, Nomex, Ryton, P84 ve PTFE liflerinden yapılırlar. Dupont firması, bir Teflon -cam elyafı karışımını Tefaire adı verilen nonwoven filtre kumaşı olarak geliştirmiştir. Toz, Teflon lifinin üzerinde toplanır ve cam lifi öbeği daha temiz görünür. Üreticiye göre, Teflon lifleri filtre torbası ömrünü arttırırken diğer taraftan az miktardaki ince cam lifleri mevcut toplam lif yüzeyini arttırır ve toz toplama verimliliğinin artmasına neden olan gözeneklilik düşüşüne sebep olur. Polipropilen sahip olduğu yüksek kimyasal dayanım sebebiyle yaygın olarak dokunmuş ve nonwoven yapılarda sıvı filtrasyonunda filtrasyon özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla kullanılır. Rayon ve polyester needlefelt kumaşlar tek kullanımlık filtre elemanı olarak kullanılan mikron düzeyinde toz torbalarında kullanılmaktadır. Naylon ve polipropilen kumaşlar da bu amaçla kullanılırlar[1] Nonwoven Filtrelerdeki Son Gelişmeler Filtrasyon materyallerindeki son gelişmeler şöyle sınıflandırılabilir: Elyaf inceliği (mikro ve nano lifler) Kaplama ve lamine filtreleme sistemleri Fonksiyonelleştirilmiş filtreleme sistemleri Elektrostatik yükleme Đletken filtre malzemeleri Aktif filtreleme sistemleri (katalizörler, aktif karbon)[3] Bu bakış açılarının içerisinde şüphesiz nanospinning nonwoven filtrasyon açısından çok büyük önem taşımaktadır. Nanolifler; sağlık, filtrasyon, bebek bezi, ıslak mendil, kompozit, yalıtım, enerji depolama gibi katma değeri yüksek birçok uygulamada kullanılan yeni bir tip materyal sınıfıdır[4]. Son günlerde, teknik tekstil uygulamalarında kullanılan filtrelerin nanospin yöntemi kullanılarak, daha hassas hale getirilmesi ve daha yüksek filtreleme performansı sağlanması mümkündür. Şekil 1. Elektrostatik eğirme için çalışma prensibi Elektro spinning micron düzeyinin altındaki çaplarda çok ince lif üretmek için kullanılan dikkat çekici bir teknolojidir. Bu işlemde, güçlü ve homojen olmayan bir elektrik alanı, polimer solüsyonunun polimer 80

4 jetinden çıkarılarak solventin buharlaştırılması ile polimer solüsyonun katılaşmasını ve düzenlenmesini sağlamak suretiyle polimer solüsyonu üzerine etki eder. Bu liflerden oluşmuş düzensiz yüzeyler mikron ve mikron altı partiküllerin yanı sıra bakteri ve virüsler için kullanılan oldukça verimli filtre olma özelliğine sahiptirler[5]. (a) (b) Şekil 2. (a)đnsan saçı ve nanoliflerden oluşmuş yüzeyinin karşılaştırılması (b)polen sporunun nanoliflerden oluşmuş yüzey üzerindeki görünümü Nanoliflerden üretilmiş nonwovenlar, konvensiyonel nonwovenlara nazaran yüzey alanlarının ağırlıklarına oranlarının oldukça yüksek olması sebebiyle özel nicelikler sergilerler. Düşük yoğunluk, kütlelerine oranla yüksek yüzey alanları, yüksek gözenek hacmi ve sıkı gözenek büyüklükleri nanoliflerden üretilmiş nonwoven kumaşları filtrasyon uygulamalarının birçoğu için uygun hale getirmektedir. Elektrospun nanolifler, meltblown nanolifler ve spunbonded nanolifler arasındaki en temel kıyaslama elyaf ebatlarıdır. Elyaf ebatları arasındaki farklılık, elyaf yüzey alanı, ağırlık, kalınlık, geçirgenlik ve mukavemet gibi temel yüzey özelliklerinde çok büyük farklılıklara sebep olur. Durgun ve kendinden temizlemeli filtrasyon uygulamalarının her ikisinde nanoliflerden üretilmiş filtreler birçok konvensiyonel filtreleme malzemesinden daha uzun ömürlü olduklarını kanıtlamışlardır. Filtrasyon mühendisleri sürekli olarak filtre performansının üç temel özelliği olan filtre verimliliği, basınç düşmesi ve filtre ömrünü dengelerler[4] Nonwoven Filtrelerin Teknik Tekstil Uygulamalarında Kullanımları Nonwoven filtrelerin birçok kullanım alanına sahiptir; Ev teknik tekstilleri (elektrikli süpürge filtreleri, hava filtreleri) Sağlık teknik tekstilleri (yüz maskeleri) Taşımacılık teknik tekstilleri (yağ, hava, polen ve benzin filtreleri) Savunma teknik tekstilleri (Sars ve H5N1 virüsüne karşı nanomaskeler ) Paketleme teknik tekstilleri (kahve filtreleri, çay poşetleri) 2.5. Nonwoven Filtrasyon Pazar Payı Tekstil filtreleri için pazar payı; %70-75 ile nonwoven kumaşlar, %20-25 ile dokuma kumaşlar ve %1-5 ile örgü kumaşlar şeklindedir[3]. Filtrasyon ve ayırma elemanları için pazar payının 2004 yılı içerisinde 20 milyar olduğu tahmin edilmektedir. Bu pazarı genişlemeye zorlayan sebepler ise; Taze ya da dönüştürülmüş su için daha iyi temizliğe olan talepler Daha iyi bir iç hava kalitesi Daha hassas seviyelerde bir ayırma için evrensel talepler 81

5 Daha iyi bir sıcak eksoz gazı filtrasyonu ihtiyacı Tüm ayırma operasyonlarında daha yüksek enerji verimliliği ihtiyacı Güçlenen evrensel yasalar 2004 ten 2009 a filtrasyon endüstrisindeki gelişme yıllık %6 lık büyüme oranıyla %34 ü geçeceği tahmin edilmektedir. Su arındırmada daha temel bir anlamda amaç, gelişmekte olan ülkeler için daha güvenli içme suyu üretmektir. Bu sektörde en hızlı gelişen coğrafik pazarlar Çin, Hindistan ve Güney Amerika dır[6]. Filtrasyon amaçlı kullanılan nonwoven kumaş pazarı dünya genelinde yaklaşık olarak 2 milyar dır. Pazar dağılımı ise ağırlıklı olarak Kuzey Amerika nın, Avrupa nın ve Asya nın önemli bölgelerinde yoğunlaşır. En geniş kullanım hacmini baghouse filtrasyonu amaçlı kullanılan en ağır ve en pahalı çeşit olan needlefelt kumaşlar oluştururken, özellikle polipropilen polimerinden yapılan spunbonded nonwoven kumaşlar araçlarda kullanılan klima filtrelerinde ve en ucuz fiyat ve en hafif ağırlığa sahip olmaları ile uçak sistemlerinde kullanılmaktadırlar[2]. Filtrasyon pazarı özellikle nonwoven kumaşlar için geniştir. Nonwovenlar için tek başına en geniş olan pazar, needlefelted nonwoven kumaşlar ile baghouse filtrasyonudur. Needlefelted nonwoven kumaşlar bu uygulama alanında, mikrogözenekli membranlar veya gözenekli kaplamalar için de temel malzeme olarak hizmet vermektedirler. Benzer needlefelted nonwoven kumaş yapıları; boya, kimyasal ve genel olarak endüstriyel uygulamalarda sıvı filtre torbalarında bulunmaktadır. Meltblown nonwoven kumaşların HVAC ve yüksek verimlilik gerektiren uygulamalarda hava filtrelemedeki popülariteleri artmaktadır. Meltblown nonwovenlar ilaç ve yarı iletken endüstrilerinde yüksek performanslı uygulamalarda ön filtrelemede veya son filtrelemede sıvı kartuşlarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Membran kartuş firmaları ilk olarak 1970 ve 1980 lerin başlarında meltblown nonwoven kumaşları kullanmaya başlamışlardır ve bu Pazar halen genişlemeye devam etmektedir. Spunbonded nonwoven kumaşlar; soğutma amaçlı filtrasyon, kartuş pleat ve membran desteği, hava ve sıvı için malzeme göçünü geciktiren tabakalar, torbalar, havuz ve spa filtreleri ve daha birçok alan ile muhtemelen en çok yönlü olan kumaşlardır. Bu kumaşlar mukavemet, makul toz tutma kapasitesi, belirli durumlarda rijitlik, yanal geçirgenlik özellikleri sağlamaktadırlar. Nonwoven kumaşlar büyümeye devam etmektedir ve bazı durumlarda diğer üretim tekniklerinin pazar payını almaktadır. Bununla birlikte, filtrasyon endüstrisinin önemli eğilimleri nonwoven kumaşlar için birçok şartı gerektirmektedir. Bu önemli eğilimler; (1) çevresel bilinç, (2)daha hassas filtreleme, (3) özellikli malzeme, (4) tüm dünyada bulunabilme. Çevresel bilinç, nonvowenların; tekrar kullanılabilir, uzun ömürlü, kimyasal veya buhar tutma kapasiteli, çürüyebilme veya dönüştürülebilme sahip olması gerekliliğini öne sürer. Nonwoven kumaşlar daha hassas filtreleme ihtiyacına ayak uyduracaktır ve bazı firmaların iddia etmeye başladığı gibi birtakım uygulamalar için ortalama gözenek çapının bir mikronun altında olduğu verimlilikleri ile mikrogözenekli membranlara ile meydan bile okuyabilmektedir. Özellikli filtrasyon materyalleri nonwovenların büyümesi için anahtardır. Sonuç olarak nonwowen kumaşlar için en iyi yıllar önümüzdedir, firmalar ve filtre üreticileri özellikli ve performanslı nonwoven filtrasyon malzemeleri için fırsatları sömürmeye devam etmektedirler. Son olarak, filtrasyon; sıklıkla patentli veya uygun bir işlem çeşidinden çıkmış olan özellikli filtrasyon malzemesinin, dünya geneline nakliye edildiği bir ticarettir[2]. Bugün Türkiye nin 6 nonwoven üreticisi EDANA üyesidir yılında Türkiye nin nonwoven kumaş üretim miktarı ton olarak tahmin edilmektedir aynı yıl nonwoven kumaş ithalatı ton ve nonwoven kumaş ihracatı ise tondur. Bu Türkiye nin 2004 yılı nonwoven kumaş tüketiminin ton olduğu anlamına gelmektedir. Buna ek olarak 2003 yılında, Türkiye nin dünyanın toplam nonwoven kumaş ihracatı içerisindeki payı %0.4 tür[7]. 82

6 Tablo 1. Türkiye nin yıllara göre nonwoven kumaş ihracatı ( ) [7] Yıl Đhracat miktarı milyon milyon milyon milyon milyon Tablo 2. Türkiye nin yılara göre nonwoven kumaş ithalatı ( ) [7] Yıl Đthalat miktarı milyon milyon milyon milyon milyon 5. SONUÇ Filtrasyonun önemi ve filtre edilmiş materyallere gereksinim günlük hayatımızda ve teknik tekstil uygulamalarında gün geçtikçe artmaktadır. Bu artan önem daha fazla filtre materyalinin tüketilmesine sebep olmuştur. Bu talebe bağlı olarak da üretim miktarı artmakta ve üretim teknikleri daha iyi performans ve daha uzun ömürlü filtre materyalleri elde etmek üzere değişmektedir. Bu durumda nonwoven kumaşlar makul fiyatları, yüksek üretim miktarları ve diğer kumaş üretim tekniklerine nazaran daha kolay uygulanan yeni tekniklerle ön plana çıkmaktadır. Bu avantajları sebebiyle nonwoven filtrelerin pazar payının gelecekte artacağı düşünülmektedir. 83

7 6. KAYNAKLAR 1. Adanur S., (1995), Wellington Sears Handbook of Industrial Textiles, Technomic Publishing, USA. 2. Gregor E.C., (2007), Primer on Nonwoven Fabric Filtration Media Beke B.V., (2005), Ecotextiles Ariharasudhan S., Gopalakrishnan D., (2007), Polymeric Nanofibre Web in Filtration Bahners T., (2007), Electro-spun nanofibers a way to improved wet filtration efficiency of textile filter media 6. Rideal G., (2005), Filtration: The marketplace, Filtration+Separation, Pp: EMEK A. (2004) Teknik Tekstiller Dünya Pazarı, Türkiye nin Üretim ve Đhraç Đmkânları, Yüksek Lisans Tezi, Araştırma ve Geliştirme Başkanlığı Sanayi Dairesi, Ankara. 84