Etude et développement de structures fibreuses nontissées dédiées à la filtration de particules fines dans l'air

Study and development of nonwoven fibrous structures dedicated to air filtration of fine particles

• Auteur / Autrice : Julien Payen
• Direction : Anne Perwuelz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés. Mécanique. Matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols

Filtration

Non-tissés

Microfibres textiles

Résumé

Les médias fibreux nontissés sont des structures textiles très répandues dans le cadre de la filtration de l’air pour des particules fines de taille inférieure à 1 µm. Dans cette application, on recherche toujours un compromis entre l’efficacité de filtration et la perte de charge. Les caractéristiques structurelles des nontissés sont des facteurs primordiaux quant aux propriétés finales de filtration recherchées. L’approche est ici originale, car nous proposons de développer nos propres nontissés filtrants à l’aide d’outils de productions proches de l’industrie. Nous pouvons ainsi sélectionner des critères de structures (ex. Diamètre des fibres) adaptés aux propriétés de filtration de l’air que nous souhaitons étudier. L’expression de la longueur surfacique de fibres a été définie et est apparue comme un paramètre pertinent pour rendre compte des propriétés de filtration. Nous avons par ailleurs mis en évidence que la compacité augmentait fortement l’efficacité et la perte de charge. La production de nanofibres par le procédé electrospinning nous a permis d’obtenir des échantillons avec des fibres de 250 nm de diamètre. L’amélioration du compromis efficacité/perte de charge observée est due à des nombres de Knudsen de fibres plus élevés que pour des échantillons microfibres. La modélisation des propriétés de filtration montre que dans le cas d’échantillons idéalisés la théorie est plutôt conforme avec les expérimentations. Cependant nous avons montré qu’en utilisant des mélanges de fibres ou des formes de section de fibres spéciales, ces modèles présentent certaines limites. Nous avons proposé des pistes afin d’obtenir des résultats plus proches des expérimentations.

Nonwoven fibrous media are textile structures currently found in air filtration applications, especially for fine particles below 1 µm. In this field, we need a compromise between filtration efficiency (particle capture) and pressure drop (fluid flow). The nonwovens’ structural characteristics are crucial for the final filtration properties. We propose in this study an original approach by developing our own nonwoven filters with production tools close to industry. In this way, we can select structural criteria (thickness, basis weight, fiber type, fiber diameter etc. ) that are adapted to the desired air filtration properties. The expression of basis length of fibers has been defined and appears to be a relevant parameter in the description of filtration properties of our nonwoven structures. Packing density also has an influence on filtration efficiency and pressure drop: these two properties increase with packing density. The production of nanofibers with the electrospinning process gives samples with a fiber diameter of 250 nm. The improvement of the compromise between filtration efficiency and pressure drop observed is due to higher Knudsen numbers of nanofibers compared to microfiber samples. The modeling of the filtration properties shows in the case of idealized samples that theory is in agreement with experimental results. However, the use of fiber blends or fibers with special cross-section induce some limitations to these models. We propose some solutions by taking into account several structural characteristics of the fibrous media to obtain results closer to the experiments.