Chapitre IV : Caractérisation de médias filtrants à électrets par
V.4 Influence de la taille des fibres et de la structure de la voile
V.4.1 Potentiel initial
Les figures V.22 et V.23, attribuées respectivement au média non tissé M2 et au film M3, présentent des tendances du potentiel initial et celui mesuré après 15 minutes de déclin en fonction du potentiel de charge. Les tendances, obtenues pour la voile qui comporte des fibres fines M2, sont semblables et légèrement supérieures à celles obtenues sur les échantillons de la voile M1 dans les mêmes conditions de charge et de déclin.
La figure V.24 montre bien que le potentiel initial pour des faibles potentiels de charge est le même pour les trois matériaux et lorsque ce potentiel de charge devient relativement élevé, le potentiel initial mesuré ne suit pas ce potentiel de charge uniquement pour les deux voiles. Ceci montre clairement l’influence de la structure non tissée fibreuse sur l’état de charge des filtres à électret. Bien que l’humidité relative soit faible, ce qui réduit sensiblement la conduction surfacique, le potentiel initial des échantillons fibreux non tissé est limité.
Figure V.22 : Potentiel de surface initial et à t = 15 min, en fonction du potentiel de la grille, la voile M2.
Figure V.24 : Influence de la structure du matériau sur potentiel de surface initial en polarité négative.
Figure V.23 : Potentiel de surface initial et à t = 15 min, en fonction du potentiel de la grille en polarité négative. Film M3
V.4.2 Dynamique du déclin de potentiel
Les diagrammes t (dV/dt) en fonction de log (t) obtenus pour les différentes courbes de DPS pour la voile M2 sont représentés sur la figure V.26 et ceux du film M3 sont présentés sur la figure V.27.
Figure V.26 : Diagrammes des DPS du média M2 en fonction du potentiel de charge, obtenus pour une faible valeur d’humidité relative.
Figure V.25 : Influence de la structure du matériau sur potentiel de surface à t =15 minen polarité négative.
La dynamique du déclin potentiel de surface, associée à la voile M2 ne présente pas une différence notable à ceux obtenus avec la voile M1 (figure V.16). Le pic est observé pour des temps compris aussi entre 102s et 102.5s, dont l’amplitude avoisine 35 et tend à se saturer à des potentiels de charge plus élevés. Par contre la dynamique du déclin, associée au film M2, ne présente aucun pic pour les potentiels de charge utilisés. Nous retrouvons facilement la réponse de base de ce film, malgré le niveau d’activation important de la décharge couronne. Ceci peut être attribué à l’épaisseur du film, proche de l’épaisseur des voiles. La pente de la réponse de base augmente avec le potentiel de charge.
Conclusion :
Les mesures de déclin de potentiel de surface (DPS), effectués dans ce chapitre pour la polarité négative, et leurs représentationsݐܸ݀Ȁ݀ݐ sont présentés et discutés en
fonction de divers facteurs d’activation :
1. La vitesse du déclin, dans un premier temps relativement court (quelques
secondes), est plus rapide pour les échantillons préchauffés à des températures plus élevées. au-delà d’une certaine période (plusieurs minutes) pendant laquelle les échantillons se refroidissent et le déclin est plus rapide pour des matériaux préchauffés à des températures moindres. Ainsi l’état de charge des échantillons est devenu stable et le potentiel de surface engendré est bien supérieur pour les Figure V.27 : Diagrammes des DPS du film M3 en fonction du potentiel de charge, obtenus
2. L’intensité de la décharge couronne est un facteur d’activation important, elle provoque une chute du potentiel de surface assez notable pour des intensités importantes. Egalement les espèces neutres excitées jouent un rôle injecteur.
3. Bien que les niveaux d’activation de la décharge couronne et du potentiel de charge soient assez élevés, l’humidité affecte sensiblement à la foi le potentiel initial et la dynamique du déclin.
4. La quantité de fibres plus fines utilisées dans notre étude améliore légèrement l’état de charge du média. Egalement nous avons mis en évidence, pour des valeurs modérées des facteurs d’activation, la dépendance forte du potentiel initial et de la dynamique du déclin avec la structure non tissée fibreuse du matériau.
Conclusion générale
Le travail présenté a été consacré à la caractérisation d’un diélectrique fibreux non tissée par la mesure sans contact du déclin de potentiel de surface. L’orientation de cette étude sur les médias filtrants à électrets a été justifiée par le fait que l’association des mécanismes mécaniques et électrostatiques de collecte de particules améliore d’une façon significative l’efficacité et la qualité du processus de filtration de l’air réalisé avec ces matériaux. La conclusion générale des travaux que nous avons réalisés sur ce sujet est la suivante :
Les mesures de potentiel de surface sont un outil efficace pour à la fois évaluer la réponse des matériaux diélectriques fibreux à un dépôt de charge par décharge couronne et pour appréhender les mécanismes du déclin de cette charge. Bien que la réponse du matériau fibreux non tissé présente une certaine similitude avec celle du film diélectrique, il existe des différences notables liées, à la fois, à la limitation de la charge déposée et à la dynamique du déclin de potentiel de surface. La dynamique, des déclins de potentiel de surface obtenus, est souvent dissymétrique et non linéaire et elle dépendant du champ électrique. L’injection est souvent impliquée où les interfaces affectent sensiblement cette dynamique et elles sont responsables des différences entre les deux polarités. En polarité négative, l’intensité de la décharge couronne est un facteur d’activation important, elle provoque une chute du potentiel de surface assez notable pour des intensités importantes. Egalement les espèces neutres excitées jouent un rôle injecteur.
Les principales contributions originales sont les suivantes :
1. Approfondissement des connaissances sur la génération d’ions par décharge couronne en présence d’une barrière diélectrique fibreuse non tissée.
2. Mise au point d’un système d’électrodes couronne de type « triode » pour le contrôle du dépôt des charges électriques sur des médias filtrants.
3. Réalisation d’un banc de caractérisation d’électret par mesure sans contact du potentiel de surface. Le banc de mesure réalisé permet le monitoring et l’enregistrement de déclin de potentiel de surface à l’aide d’une sonde à condensateur vibrant (sonde de Kelvin), pour plusieurs situations et en faisant varier des paramètres expérimentaux.
4. Pilotage du banc de caractérisation d’électret par ordinateur. L’acquisition et le traitement des données ont été effectués à l’aide d’un instrument virtuel (LabView) et des routines développées dans l’environnement Matlab.
5. Réalisation des essais sur des échantillons en Polypropylène non-tissés, composés de fibres de tailles et orientations différentes. Ces caractéristiques intrinsèques des matériaux affectent le niveau initial et la dynamique du potentiel de surface. L’ajout de fibres fines peut améliorer l’état de charge des médias filtrants.
6. Mise en évidence de la forte dépendance du potentiel initial et de la dynamique du déclin avec la structure non tissée fibreuse du matériau. Le nom tissé affecte la décharge et le niveau initial de charge est limité par des décharges partielles, dues à des intensifications locales du champ électrique.
7. Identification des facteurs principaux qui affectent l’état de charge des média non tissés et l’évaluation de leur influence sur la durée de vie des électrets, afin d’améliorer le procédé de formation d’électret utilisé dans les filtres d’air. Ainsi, nous avons montré que le comportement du média filtrant est influencé par le niveau et la polarité du potentiel de la grille contrôlant le dépôt des charges, par la polarité et l’intensité de la décharge couronne, par la température à laquelle l’échantillon est chargé par décharge couronne, ainsi que par l’humidité relative de l’air ambiant.
8. Proposer des pistes de réflexion sur les modalités d’amélioration des techniques actuelles de charge des médias filtrants. À température élevée, le piégeage des charges est plus stable, tandis que l’humidité accroît la conduction de la charge vers l’électrode liée à la terre. Également, des dépôts successifs des charges électriques réduisent sensiblement le déclin de potentiel et augmentent la stabilité de l’état de charge des filtres.
Ce travail a mis en évidence aussi plusieurs perspectives de recherches prometteuses pour le progrès de la méthodologie de caractérisation des propriétés électrostatiques des diélectriques fibreux. Suite à l'expérience gagnée pendant l'achèvement de cette étude, le travail futur devrait se concentrer sur les questions suivantes :
1. Modélisation physique de phénomènes de déclin de charge dans diélectriques fibreux. En profitant d'avancements récents dans la modélisation de film de polymères quasi- homogènes, un modèle physique spécifique pourrait être établi pour des diélectriques fibreux non-tissés. Le modèle devrait prendre en compte les interactions des ions avec le matériau, l'injection de charge, la conduction de volume et superficielle, aussi que l'effet de la structure non-homogène de ces diélectriques, avec le but de contrôler rigoureusement l'état de charge de telles médias pendant la fabrication.
2. Modélisation numérique des processus d’accumulation et de dissipation de charge dans les médias fibreux, selon une démarche ayant trois étapes principales :
construction d’un modèle géométrique pour les divers types de matériaux fibreux non-tissés ;
décrire avec précision les caractéristiques physiques et électriques de chaque matériau ;
utiliser des modèles physiques appropriés pour simuler la dynamique de la charge à la surface et à l’intérieur des fibres.
3. Mise au point de solutions techniques efficace pour l’amélioration de l’état de charge des médias filtrants, en continuant et en développant les collaborations industrielles.
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