Médias filtrants : avantages de la technologie de revêtement en nanofibres

Cet article, rédigé par John Wertz et Immo Schneiders de Hollingsworth & Vose, examine les avantages d'une nouvelle technologie avancée de revêtement de nanofibres pour les supports de filtration par rapport au processus d'électrofilature, et présente une technologie de nanofibres de nouvelle génération spécialement conçue pour améliorer les supports de filtration.

La recherche et le développement des nanofibres ont pris de l'importance ces dernières années en raison de la prise de conscience accrue de leur capacité à améliorer les performances de diverses formes de médias filtrants. La technologie des nanofibres, c'est-à-dire la fabrication de très petites fibres ayant typiquement un diamètre inférieur à 1 micron, est connue et pratiquée depuis de nombreuses années. Actuellement, le procédé le plus couramment utilisé pour fabriquer des nanofibres est le procédé d'électrofilage.

Cet article met en évidence les inconvénients du procédé d'électrofilage par rapport à un nouveau procédé, l'enduction de nanofibres. Les avantages de l'utilisation d'un revêtement de nanofibres dans les applications de filtration pour améliorer la filtration en profondeur et la capacité de nettoyage par impulsions sont discutés plus en détail.

Technologie traditionnelle des nanofibres

Parmi les méthodes les plus importantes de production de nanofibres figure la méthode d'électrofilage. Ce processus implique l'utilisation d'une aiguille hypodermique, d'une buse, d'un capillaire ou d'un émetteur mobile. Ces outils fournissent des solutions liquides du polymère qui sont ensuite attirées vers une zone de collecte par un champ électrostatique à haute tension. Lorsque le polymère dissous et les solvants sont extraits de l'émetteur et accélérés à travers la zone électrostatique, des fibres se forment par un processus d'évaporation du solvant.

Bien que l'électrofilage soit efficace pour produire des nanofibres, il présente des inconvénients. Au départ, l'électrofilage est un procédé très lent de production de nanofibres à l'échelle commerciale, ce qui augmente les coûts de fabrication. L'électrofilature produit également une structure largement bidimensionnelle qui manque de profondeur ou de direction z. Bien que cette configuration soit souhaitable pour le chargement en surface, elle a une capacité limitée pour les applications de chargement en profondeur. Les nanofibres électrofilées ont tendance à être assez faibles et peuvent être facilement endommagées ou délogées du substrat. Il reste un besoin de nanofibres améliorées qui surmontent les déficiences des nanofibres électrofilées actuelles.

Le développement des nanofibres est devenu plus important ces dernières années, en raison de leur capacité à améliorer les performances des médias filtrants, la base d'une filtration efficace de l'air pour les bâtiments et d'autres utilisations.

Nouvelle technologie de nanofibres

Une nouvelle technologie de revêtement de nanofibres sans solvant peut offrir une plus grande flexibilité, un contrôle et une durabilité par rapport au processus traditionnel d'électrofilage. Ce nouveau revêtement de nanofibres est formé de fibres dont la taille varie généralement de 0,3 à 0,5 micron mais peut être augmentée jusqu'à 1 micron. La distribution du diamètre des fibres et l'épaisseur de la couche peuvent facilement être modifiées en fonction des exigences de l'application. Une large gamme de médias de filtration peut être améliorée grâce à l'utilisation de cette technologie de nanofibres.

Cette nouvelle couche de nanofibres a une épaisseur de l'ordre de 15 à 30 microns et est appliquée directement sur le substrat de macro filtration. Le revêtement de nanofibres peut être appliqué à n'importe quel matériau de base non tissé, tel que le verre, la cellulose ou les fibres synthétiques, tandis que l'électrofilage dépend de résines critiques pour l'adhérence. Une seconde couche de nanofibres d'un polymère similaire ou différent peut également être appliquée en tant que revêtement. La configuration particulière du substrat dépendra de l'application spécifique du milieu filtrant et peut être modifiée pour obtenir les propriétés structurelles souhaitées, y compris la rigidité, la résistance, la pliabilité et la résistance à la température.

Comme indiqué, la configuration du support ou de la couche de base peut varier en fonction de l'utilisation envisagée. Pour les applications de nettoyage d'air, de turbine à gaz, d'air d'automobile et d'impulsions à usage intensif, le support est de préférence un papier couché par voie humide, tel que de la cellulose ou un mélange synthétique/cellulose. Sur d'autres marchés tels que le CVC, les liquides, les filtres à air d'habitacle et la filtration HEPA, les supports peuvent inclure de la cellulose par voie humide, du verre, des non-tissés synthétiques, cardés, filés et soufflés par fusion.

Différentes couches de nanofibres peuvent être positionnées à différents endroits dans le média filtrant en fonction de l'application. Par exemple, la couche de nanofibres peut être positionnée en amont, avant le substrat de macrofiltration pour améliorer les performances de filtration de surface dans une turbine à gaz ou une application d'air à usage intensif. La couche de nanofibres peut être positionnée en aval du substrat de macrofiltration pour améliorer la filtration en profondeur afin de capturer les particules à l'intérieur du corps du média.

Applications des supports revêtus de nanofibres

Les nanofibres peuvent améliorer les performances de la capacité des médias filtrants à éliminer les particules des flux d'air. Cette amélioration peut être observée dans les flux d'admission d'air des véhicules, la ventilation des disques durs d'ordinateur et la filtration à haute efficacité. Dans le cas des filtres à air d'habitacle, l'élimination des particules fines améliore le confort et la santé des passagers. Les nanofibres offrent des performances de filtration améliorées dans les moteurs mobiles et stationnaires et les applications de filtration industrielle.

En ce qui concerne les moteurs, les turbines à gaz et les fours à combustion, il est important d'éliminer les matières particulaires de l'alimentation en air qui peuvent causer des dommages importants aux composants internes. Dans d'autres cas, les gaz de production ou les gaz d'échappement du moteur à combustion et des processus industriels peuvent contenir des particules nocives. L'élimination de ces particules est souhaitable pour protéger les équipements en aval et minimiser les rejets de pollution dans l'environnement.

Ce nouveau revêtement en nanofibres durable peut également être utilisé dans les applications de filtres autonettoyants ou à nettoyage par impulsions. Le gâteau de poussière formé sur le côté amont du média filtrant peut être éliminé en refoulant de l'air à travers le média pour le rajeunir. Comme une grande force est exercée sur la surface pendant l'impulsion arrière, la nanofibre avec une faible adhérence ou composée de nanofibres délicates aux substrats peut se délaminer lorsque l'onde de choc se déplace de l'intérieur d'un filtre à travers le substrat jusqu'à la nanofibre. La nouvelle technologie de nanofibres fournit un excellent adhésif au substrat, permettant une durée de vie plus longue et une efficacité améliorée dans les applications de nettoyage par impulsions en raison de la plus grande collecte de particules et de l'énergie globale dépensée pendant le processus de nettoyage.

Une structure de surface beaucoup plus fine avec une taille de pores réduite est formée avec l'ajout d'un revêtement de nanofibres, illustré à la figure 1, par rapport à une surface de cellulose typique illustrée à la figure 2. Un revêtement de nanofibres électrofilées, illustré à la figure 3, est également très fine , mais si fines que les fibres offrent peu de résistance et ont peu de profondeur. La structure en couches et la profondeur du revêtement de nanofibres sont illustrées à la figure 4, la profondeur du revêtement de nanofibres illustre qu'un revêtement de nanofibres sert non seulement de filtre de surface, mais a également un aspect de filtration en profondeur qui manque à un revêtement électrofilé. La pluralité des couches de nanofibres offre également une durabilité supérieure.

Filtration en profondeur

Contrairement à l'air à usage intensif, au dépoussiéreur et aux supports nettoyables, où la nanofibre est appliquée en amont, il y a un avantage à appliquer des couches de nanofibres en aval dans des applications telles que l'admission d'air automobile, l'air de cabine, le carburant et les applications de lubrification où il est important pour les particules être capturé et confiné dans le média du filtre à air. L'efficacité de capture des particules peut être grandement améliorée en ajoutant un substrat revêtu d'une couche de nanofibres en aval tout en augmentant la capacité de rétention des particules. La combinaison d'une feuille de base plus ouverte avec une couche de nanofibres plus lourde donne un composite avec non seulement une plus grande efficacité à la même restriction (ou perméabilité à l'air), mais également avec une capacité de rétention de la poussière considérablement améliorée.

Les mesures du matériau revêtu de nanofibres démontrent clairement un bien meilleur comportement de nettoyabilité du matériau par rapport au matériau cellulosique standard. Les médias filtrants pour les applications nettoyables ont deux fonctions principales : s'assurer qu'aucune particule ne pénètre ou ne passe à travers le média et avoir une efficacité très élevée. Pour les applications de turbine à gaz, un matériau à haut rendement protège les aubes sensibles de la turbine des particules de poussière. Dans les applications de nettoyage industriel, l'air pur ne doit contenir aucun contaminant lorsqu'il circule dans le bâtiment. Sur la base d'une forte concentration de poussière dans les environnements de nettoyage industriel ou dans les turbines à gaz situées dans des environnements désertiques, un filtre en profondeur à haute efficacité n'est pas la meilleure solution - les passages d'air dans le filtre seront bloqués en raison de la poussière coupant le flux d'air. La filtration surfacique est recherchée pour capter les poussières à la surface du filtre car elle crée une montée homogène et linéaire de la perte de charge.

Les structures de surface, où presque toutes les particules seront capturées sur la surface depuis le début, conduiront à un gâteau de poussière bien meilleur et plus homogène si les particules filtrées forment un gâteau de poussière cohérent. Un réseau de nanofibres très efficace en amont du média filtrant empêche la poussière de pénétrer dans le média, ce qui entraîne une restriction permanente du débit d'air.

Idéalement, le gâteau de poussière doit être retiré dans son ensemble, indiquant qu'aucune particule n'a pénétré dans le média. Les particules qui ont pénétré dans le média ne peuvent pas être éliminées efficacement. Par conséquent, le gâteau de poussière sera déchiré pendant l'étape de nettoyage et les particules restantes pénétreront dans le média et entraîneront une augmentation de la chute de pression.

La figure 5 démontre la nettoyabilité améliorée des médias de filtration lorsqu'ils sont recouverts de nanofibres. L'image montre la libération du gâteau de poussière du média filtrant dont une face a été recouverte de cette nouvelle technologie de nanofibres. Le gâteau de poussière sur le côté gauche revêtu de nanofibres est éliminé plus efficacement avec plusieurs fragments cohérents du gâteau de poussière. Dans le cas du côté non couché à droite, le gâteau de poussière est déchiré car de nombreuses particules ont pénétré les couches supérieures et se collent à la surface du support.

Dans les applications de filtration de surface, la nouvelle technologie des nanofibres offre les rendements élevés requis ainsi qu'un comportement de nettoyage amélioré, ce qui se traduit par une consommation d'énergie réduite et des durées de vie plus longues.

Média en nanofibres synthétiques avancées de nouvelle génération

Hollingsworth & Vose Company (H&V) est l'un des principaux producteurs mondiaux de papiers techniques et de non-tissés. Grâce à ses installations avancées de R&D et de fabrication pilote, H&V a développé une technologie avancée de nanofibres pour générer de la valeur dans les produits des clients. La nouvelle technologie NANOWEB® de H&V fournit une structure microporeuse avec un contrôle de processus et une durabilité inégalés. Grâce à cette technologie exclusive, la distribution du diamètre de la fibre et l'épaisseur de la couche peuvent être ajustées pour offrir de meilleures performances dans une large gamme d'applications.

Les avantages de la technologie NANOWEB® peuvent être observés à la fois dans la filtration de l'air et des liquides. Le revêtement NANOWEB® peut grandement améliorer les performances de la capacité du média filtrant à éliminer les particules des flux d'air. Cette amélioration peut être observée dans les flux d'admission d'air vers les dépoussiéreurs, les turbines à gaz, les cabines de véhicules motorisés, le CVC et la filtration à haut rendement. Différentes couches de nanofibres peuvent être positionnées à différents endroits dans le média filtrant en fonction de l'application. Un revêtement NANOWEB® peut être positionné en amont avant le substrat de macro filtration pour améliorer les performances de filtration en surface ou en aval du substrat de macro filtration pour améliorer la filtration en profondeur afin de capturer les particules dans le corps du média. La forte adhérence de la couche de nanofibres rend le support de filtration NANOWEB® idéal pour les applications de nettoyage par impulsions.

La technologie NANOWEB® peut également être spécifiquement conçue pour répondre aux exigences de filtration strictes de nombreuses applications liquides. Avec une efficacité améliorée, la composition synthétique de NANOWEB® offre une option Nanofibre plus durable pour la filtration du carburant et du lubrifiant. Il répond également au besoin croissant de microfiltration avancée ainsi que de préfiltration à membrane RO et UF dans une variété d'applications de services liquides, y compris les sciences de la vie, l'agroalimentaire et la filtration de liquides de process. Le média filtrant NANOWEB® de H&V offre en moyenne une porosité supérieure de 40 % pour un micron donné par rapport aux offres de produits standard. Avec la technologie NANOWEB®, H&V offre une flexibilité dans la conception des médias filtrants et possède l'expérience nécessaire pour fournir des matériaux de qualité à l'échelle mondiale.

Contact:, Emily Moore, chef de produit mondial, Hollingsworth & Vose E-mail : [email protected], www.hovo.com