Technologia fałd i medium filtracyjne – współgranie obydwu określa wydajność filtra. W jakim stopniu jedno zależy od drugiego
i co dzieje się w filtracji. Rozmawiamy na ten temat z dr. inż. Michaelem Durstem – szefem działu rozwoju elementów filtracji w MANN+HUMMEL.

- Panie dr. Durst, słowo filtracja najczęściej kojarzy się z sitem, na którym osadzają się zanieczyszczenia. Dlaczego jednak jest to błędne skojarzenie?
W MANN+HUMMEL mamy najczęściej do czynienia z tzw. filtracją wgłębną, np. przy filtrach oleju, powietrza, czy paliwach do samochodów. Nie mamy tu efektu sita, jak w przypadku sitka do herbaty, w którym większe cząstki pozostają na sicie, a drobne wnikają w pory medium filtracyjnego. Przy filtracji wgłębnej mechanizm separacji jest inny. Chodzi o to, że cząsteczka napotyka włókno, na którym pod wpływem działania sił – dla fanów techniki – Van der Waalsa osadza się na dużej powierzchni. Dla małych partykuł media filtracyjne są grube i na swojej drodze przepływu przez medium filtracyjne, zależnie od przekroju włókien mają ok. 15-25 razy większą szansę być zatrzymanymi i odseparowanymi. Dlatego relatywnie “grubymi” filtrami można filtrować bardzo dokładnie, np. cząsteczki sadzy, które z przekrojem
30-100 nm są ok. tysiąc razy mniejsze niż przekrój ludzkiego włosa. Cząsteczki te z porami o wielkości 10 µm, które dla nas są tak duże jak drzwi stodoły, osadzają się na włóknach, które są 10-100 razy grubsze niż same cząsteczki. Te nie są przesiewane. Można to bardzo dobrze zobaczyć na zdjęciu spod mikroskopu elektronowego (REM), gdzie na włóknie (tym razem jest to prawdziwy ludzki włos) zaczepione są 3 pyłki. Włos jest tutaj quasi ludzkim filtrem, który filtruje podczas spaceru w lesie, bądź korytarzem.

dr inż. Michael Durst.

- Jak można dokładniej filtrować powietrze, czy też olej?
Jeżeli chce się lepiej filtrować, tzn. osiągnąć wyższy stopień separacji, trzeba mieć na określonej powierzchni więcej włókien. Oznacza to, że włókna muszą być cieńsze, nieporowate, a zatem należy zmienić pojemność medium filtracyjnego. Cieńsze włókna lepiej filtrują, ponieważ wzrasta prawdopodobieństwo, że przepływająca cząsteczka lub pyłek natrafią kiedyś na włókno i zawieszą się na nim, ponieważ zadziała wspomniana już siła Van der Waalsa. Nie można jednak tego kontynuować bez końca. Jeżeli np. włókna celulozowe, których przekroju nie można dowolnie zmniejszać będą ściślejsze, wzrośnie utrata ciśnienia. Medium staje się ściślejsze, a tym samym mniej porowate – przepuszczalne. Oznacza to, że prąd powietrza, oleju lub paliwa przepływa szybciej przez medium – ta sama ilość musi przecisnąć się w tym samym czasie przez mniejszy otwór; muszą być zatem szybsze, a przy tym spada wydajność filtracji. Aby spełnić coraz wyższe wymogi sięgamy coraz częściej po materiały syntetyczne z cieńszymi włóknami, jak np. Multigrade, czy Micrograde N, które w zakresie dokładności filtracji, pojemności zanieczyszczeń i czasu użytkowania są ponadnormatywnie wydajne.

- Ale przekrój włókien nie jest sam w sobie decydujący o łącznej wydajności elementu filtracyjnego?
Obok przekroju włókien, szczególną rolę odgrywa budowa medium filtracyjnego. Brud trzeba nie tylko odseparować, ale także zmagazynować i utrzymać w strukturze medium. Aby właściwie odseparować cząsteczki, które są nierówne pod względem wielkości oraz niejednorodne, rozwinęliśmy w ostatnich latach wielowarstwowe media filtracyjne, które lepiej spełniają te zadania, aniżeli w przypadku homogenicznych, jednorodnie uformowanych mediach filtracyjnych. Jest to bardzo skomplikowana zależność między przekrojem włókien, porowatości i wydajności separacji, jak również utratą ciśnienia. Dlatego najpierw przeprowadzamy symulacje komputerowe, by zminimalizować nakłady pracy w laboratorium. Dlatego też możemy szybciej i taniej rozwijać nowe media filtracyjne.

- Obok fałd filtra, MANN+HUMMEL przykłada dużą wagę do wytłoczeń na medium filtracyjnym. Dlaczego jest to tak ważne?
Od wielu lat wiadomym jest, że uformowane w kształcie gwiazdy elementy bez wytłoczeń nie są możliwe i ten krok w produkcji jest bardzo ważny. Brak lub źle wykonane wytłoczenie powoduje niebezpieczeństwo, że przy wyższych różnicach ciśnień fałdy zblokują się, a utrata ciśnienia będzie dalej rosła. Dużym problemem są tanie filtry w supermarketach, które są źle zahartowane lub zawierają tanią żywicę, która niedostatecznie stabilizuje fałdy. Filtry te przy wyższych ciśnieniach lub w przypadku filtrów powietrza – dodatkowo wilgoci, nie wykazują wystarczającej stabilności. Zassanie dużej ilości wody prowadzi do poważnych problemów. Mocno zdeformowane fałdy określane są w żargonie jako S-szlak na papierze filtracyjnym. Utrata ciśnienia rośnie drastycznie, silnik musi mocniej zasysać i wzrasta zużycie paliwa.

Zasada filtracji wgłębnej: cząsteczki napotykają włókna, przyczepiają się na powierzchni (siła Van der Waalsa) mimo, że otwór przez który mogą się przedostać jest stosunkowo duży. Tutaj pyłki na ludzkim włosie.

- Przedstawił pan wcześniej nowoczesną wersję filtra nawojowego lub kompaktowego. Co odróżnia ten filtr od innego pofałdowanego filtra?
Możemy dzisiaj inteligentnie wykorzystywać technikę nawijania i konstruować filtry o wielowarstwowej strukturze kanałów, tzw. kompaktowe elementy filtracji powietrza. Uzyskujemy w takich filtrach maksimum powierzchni filtracyjnej ponieważ odpada tu element stabilizatora środkowego. W małych, naprzemiennie zamkniętych i otwartych kanałach przepływ jest optymalny, a ich struktura mechanicznie podlega dużym obciążeniom. Fałdy kompaktowego filtra powietrza również powstają szybko w technice rotacyjnej i nie potrzebne są w ich wypadku wytłoczenia. Jesteśmy przekonani, że ta zasada budowy, w przyszłości, zwłaszcza w zakresie filtracji powietrza zasysanego przez silnik znajdzie swoje stałe miejsce, a także produkcja tych elementów będzie szybko rosła. Jest to kolejny element w naszym portfolio, który będziemy stosować, ponieważ potrzebujemy różnych koncepcji filtrów, aby do każdego zastosowania dopasować właściwe rozwiązanie.

Filtracja powierzchniowa: gęsta sieć nanowłókien zatrzymuje cząsteczki – tutaj szklane kulki. Powstaje efekt sita.

- Wracając jednak do mojego pytania, nie występuje jednak w zakresie automotive tzw. filtracja sitowa?
Tak, rzeczywiście jednak w omawianych kompaktowych filtrach powietrza stosujemy w przypadku największych wozów ciężarowych tzw. nanowłókna o przekroju między 100 a ok. 700 nm, które tym samym są cieńsze aniżeli wszystkie inne znane włókna z tworzywa lub szkła. Chodzi tutaj o włókna ciągłe, które są niewidzialne gołym ludzkim okiem, a które nanoszone są na warstwę papieru jako nośnik. To filtracja powierzchniowa, w której cząsteczki nie wnikają w głąb medium filtracyjnego ponieważ drogę zamykają im nanowłókna – i już jesteśmy blisko zasady sita. Ponieważ pory siatki z nanowłókien są tak cienkie, że dochodzi do wyżej opisanego mechanizmu separacji na pojedyńczych włóknach, ale także do efektu sita. Drugie zdjęcie z mikroskopu elektronowego dokładnie to pokazuje. Nanowłókna zatrzymują cząsteczki – tutaj małe szklane kulki – na powierzchni. Grube włókna celulozowe – widoczne jako grube belki – są jedynie nośnikami. Tym samym otwierają się całkiem nowe perspektywy dla filtracji i wydajności mediów filtracyjnych, jak i produkowanych z nich elementów filtracji. Ale o tym przy innej okazji.

- Dziękujemy za rozmowę.