Study and development of nonwoven fibrous structures dedicated to fine particle air filtration.
Etude et développement de structures fibreuses nontissées dédiées à la filtration de particules fines dans l'air.
Résumé
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 study of various structural characteristics shows that the most significant parameter to filtration properties is the fiber diameter. When fiber fineness decreases, we improve filtration efficiency but to the detriment of pressure drop. 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. Our study of nonwovens based on blends with different fiber diameters shows that a good filtration efficiency in these samples was conditioned by a sufficient basis length of fine fibers, while the coarse fibers give a structuring of the fibrous media that guarantees a lower pressure drop. 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 (cylindrical fibers, fiber diameter around 10 µm etc.) 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.
Les médias fibreux nontissés sont des structures textiles très répandues dans le cadre de la filtration de l'air et plus particulièrement pour des particules fines de taille inférieure à 1 µm. Dans cette application, on recherche toujours un compromis entre l'efficacité de filtration (capture des particules) et la perte de charge (écoulement du fluide). 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 (épaisseur, masse surfacique, type de fibres, diamètre des fibres etc.) adaptés aux propriétés de filtration de l'air que nous souhaitons étudier. Sur l'ensemble des caractéristiques structurelles étudiées nous avons montré que le paramètre le plus significatif sur les propriétés de filtration est le diamètre des fibres. Lorsqu'il diminue, nous augmentons l'efficacité mais au détriment de la perte de charge. 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. Notre étude sur des échantillons à base d'un mélange de diamètres de fibres montre que l'efficacité de filtration devait être assurée dans de tels mélanges par une longueur surfacique de fibres fines suffisante, alors que la quantité de fibres de diamètre plus élevé permet une structuration du média fibreux garantissant une perte de charge faible. 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 dans le cas d'échantillons idéalisés (fibres cylindriques, diamètre de l'ordre de 10 µm etc.) que 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 avec notamment la prise en compte de nombreuses caractéristiques de la structure fibreuse afin d'obtenir des résultats plus proches des expérimentations.
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