Aplikovaná reologie pro charakterizaci polymerních nanovlákenných filtrů

Wannes SAMBAER

Doctoral thesis

Applied Rheology for Characterization of Polymeric Nanofiber Based Filters

Abstract:

In the first part of this work, the current stage of knowledge in areas of nanofiber nonwoven production, applications, characterization with specific attention to air filtration modeling, creation of 3D filter models, importance of Brownian diffusion and aerodynamic slip has been reviewed based on the open research literature. In the second part of this work, polymeric nanofiber based filters created by electrospinning process utilizing wire based rotation electrode have been investigated by using newly developed experimental and theoretical methods in order to understand the complicated link between filter morphology and mechanical properties. It has been found that the supporting textile type, utilized during electrospinning process, has a strong effect on the polyurethane nanofiber filter porosity and their mechanical characteristics even if the fiber diameter distributions of the manufactured filters were similar. A novel 3D filtration model for polymer nanofiber based filter (utilizing particle-fiber/particle-particle interactions, transition/free molecular flow regime, Brownian diffusion and realistic scanning electron microscope image based 3D structure model) has been proposed and successfully tested. It has been found that the particle-fiber friction coefficient has much higher effect on filtration efficiency of polymer nanofiber based filters than air velocity, viscosity, temperature, pressure and its decrease leads to higher pressure drop, lower filtration efficiency, lower quality factor and lower quality factor sensitivity to the increased collected particle mass.

Abstract:

První část této práce shrnuje současný stav poznání v oblasti přípravy, charakterizace a aplikovatelnosti nanovlákenných netkaných textilií se specifickým důrazem na modelování procesu filtrace vzduchu, tvorbu 3D filtračních modelů, významnost Brownova difuzního pohybu a aerodynamického skluzu. Druhá část této práce se zabývá výzkumem polymerních nanovlákenných filtrů (vyrobených elektrostatickým zvlákňováním pomocí drátové rotační elektrody) s využitím nově vyvinutých experimentálních a teoretických metod s cílem porozumět komplikovanému vztahu mezi morfologickými a mechanickými charakteristikami. Bylo zjištěno, že typ použité podpůrné textilie při elektrostatickém zvlákňování ovlivňuje jak porozitu vyrobených polyurethanových nanovlákenných filtrů tak jejich mechanické vlastnosti, a to i přesto, že distribuce průměrů vláken se prakticky nezměnila. Byl vyvinut a úspěšně otestován nový 3D filtrační model pro polymerní nanovlákenné filtry beroucí v úvahu interakce typu částice-vlákno/částice-částice, molekulární charakter toku, Brownův difuzní pohyb včetně realistické 3D struktury filtru vytvořené ze snímku skenovací elektronové mikroskopie. Bylo zjištěno, že koeficient tření mezi filtrovanými částicemi a povrchem polymerních vláken má mnohem větší vliv na filtrační účinnost polymerních nanovlákenných filtrů než rychlost proudění vzduchu, viskozita, teplota a tlak, přičemž jeho pokles má za následek zvýšení tlakové ztráty, nižší filtrační účinnost, nižší faktor filtrační kvality a nižší citlivost faktoru filtrační kvality na množství zachycených částic.

Keywords

Polymerní nanovláknové filtry, elektrostatické zvlákňování, 3D modelování procesu filtrace, modelování aerodynamického skluzu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 2. 2012

Accessible from:: 15. 2. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 22. 3. 2012
• Supervisor: prof. Ing. Martin Zatloukal, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds