Contributions à la caractérisation des filtres à électret par la mesure du déclin de potentiel de surface

Pour l’obtention du Grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

Ecole Doctorale : Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique

Secteur de Recherche : Sciences pour l’ingénieur Spécialité : Génie électrique

Présentée par :

Belaid TABTI

CONTRIBUTIONS A LA CARACTERISATION

DES FILTRES A ELECTRET PAR

LA MESURE DU DECLIN DE POTENTIEL DE SURFACE

Directeur de Thèse : Lucien DASCALESCU ************************

Soutenue le 14 décembre 2011 devant la Commission d’Examen

************************

JURY

M. Philippe MOLINIE, Professeur Assistant, SUPELEC Paris Rapporteur M. Mohamed NEMAMCHA, Professeur, Université de Guelma Rapporteur

M. Eric MOREAU, Professeur, Université de Poitiers Examinateur

M. Petru NOTINGHER, Professeur, Université de Bucares Examinateur M. Horia-Nicolai TEODORESCU, Professeur, Université de Iassy Examinateur M. Noureddine ZOUZOU, Maître de conférences, Université de Poiters Examinateur M. Lucien DASCALESCU, Professeur, Université de Poiters Directeur de thèse



5HPHUFLHPHQWV



&H GRFXPHQW HVW ODERXWLVVHPHQW GH SOXVLHXUV DQQpHV GH WUDYDLO TXL P·RQW SURIRQGpPHQW PDUTXp HW IRUPp j OD UHFKHUFKH VFLHQWLILTXH -H QH SHX[ pYLGHPPHQW SDV RXEOLHU PRQ pSRXVH HW PD IDPLOOH TXL P·RQW VRXWHQX HW RQW G€ VXSSRUWHU PHV ORQJXHVDEVHQFHVGXUDQWPHVGpSODFHPHQWVHQWUH%HMDLDHW$QJRXOrPH$WUDYHUVFH SDUFRXUV M·DL GpFRXYHUW XQ SD\V XQH YLOOH PDLV SOXV TXH WRXW GHV JHQV GRQW M·DL DSSUpFLH OD YDOHXU HW OD SDUWLFXODULWp (Q UpVXPp FH GRFXPHQW HVW XQ UHSqUH GH PD MHXQHVVHTXLHQWUHWLHQGUDFHVVRXYHQLUV



0Dprofonde gratitude V·DGUHVVH DX 3URIHVVHXU /XFLHQ '$6&$/(6&8 TXL P·D DFFXHLOOL DX VHLQ GH VRQ pTXLSH G·eOHFWURVWDWLTXH $SSOLTXpH DX /DERUDWRLUH G·eWXGH $pURG\QDPLTXHGHO·XQLYHUVLWpGH3RLWLHUV-HOHUHPHUFLHSRXUWRXWFHTX·LODDSSRUWpj FHWWH WKqVH DXVVL ELHQ SRXU VRQ HQFDGUHPHQW VFLHQWLILTXH TXH SRXU VHV HQFRXUDJHPHQWV



-H VRXKDLWH H[SULPHU LFL PD UHFRQQDLVVDQFH HQYHUV OHV PHPEUHV GH MXU\ TXL P·RQW IDLW O·KRQQHXU G·DFFHSWHU DYHF LQWpUrW G·H[DPLQHU FHWWH PRGHVWH WKqVH HW G·DSSRUWHUXQHFRQWULEXWLRQSUpFLHXVH



-HUHPHUFLH0RQVLHXU0DUF*$87,(5UHVSRQVDEOHGHO·DWHOLHUGXGpSDUWHPHQW 4/,2 GH O·,87 G·$QJRXOrPH SRXU VD SDUWLFLSDWLRQ 0HV UHPHUFLHPHQWV V·DGUHVVHQW pJDOHPHQWDXSHUVRQQHOGHO·,87SRXUOHXUVGLVSRQLELOLWpV



-HUHPHUFLHpJDOHPHQWWRXVPHVFROOqJXHVHWDPLVSRXUOHXUVVRXWLHQW 

(QILQ OHV PRWV OHV SOXV IRUWV pWDQW OHV SOXV VLPSOHV M·DGUHVVH LFL WRXWH PRQ DIIHFWLRQ j PHV SDUHQWV PD FKqUH pSRXVH HW PRQ DGRUDEOH HQIDQW PD V±XU PHV IUqUHVHWOHXUVpSRXVHVHWPHVDGRUDEOHVQLqFHV

Les forces électrostatiques augmentent notablement l’efficacité de collecte des particules plus fines dans les filtres à électret. En dépit de nombreuses études réalisées jusqu'a présent, la caractérisation de l'état de charge des medias filtrants à électret et la stabilité de ces charges reste à approfondir. L'étude que nous avons effectuée est focalisée sur la formation d'électrets fibreux non tissés, afin d'améliorer les performances des filtres industriels. Son objectif est double : (1) évaluer la réponse de cette classe de matériaux diélectriques à un dépôt de charges générées par décharge couronne ; (2) appréhender les mécanismes complexes responsables d'affaiblissement de son état de charge. L'étude du processus de génération des charges électriques ainsi que le contrôle du dépôt de celles ci à la surface des diélectriques fibreux sont facilités par la réalisation d'un système d'électrode couronne de type « triode ». La caractérisation de l'état de charge et la stabilité de l'électret est essentiellement basée sur la mesure du potentiel de surface, réalisée à l’aide d’une sonde à condensateur vibrant de Kelvin. Le suivi du déclin de potentiel de surface dans le temps est piloté par ordinateur, l’acquisition des données étant effectuée à l'aide d’un instrument virtuel (LabView). Les données expérimentales sont ensuite traitées et analysées à l'aide des routines développées dans l’environnement Matlab. Les essais ont été réalisés sur des échantillons en Polypropylène non-tissés, caractérisés par des différentes tailles et orientations des fibres. Ces caractéristiques intrinsèques des matériaux affectent sensiblement le niveau initial et la dynamique du potentiel de surface. La caractérisation du media filtrant à électret est réalisée pour plusieurs situations et conditions de formation d'électret fibreux non tissés, à savoir, le niveau et la polarité du potentiel de la grille par lequel le dépôt des charges est contrôlé, la température à laquelle l’échantillon est chauffé avant qu'il reçoit des charges générées par la décharge couronne et l’humidité relative à laquelle le dépôt des charges et le déclin du potentiel se déroulent. Nous avons constaté que le niveau initial de charge des médias fibreux est limité par des décharges électriques, dues à des intensifications locales du champ électrique. Les courbes de déclin de potentiel se distinguent de celles obtenues pour des surfaces continues telles que les films et les plaques polymères, malgré certaines similitudes, comme le phénomène de « cross-over ». À température suffisamment élevée, le piégeage des charges en profondeur est plus stable, par contre l’humidité accroît déclin de potentiel de surface et 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 à électrets.

MOTS-CLÉS : diélectrique, media fibreux non tissé, fibre en polypropylène, électret, charge par décharge couronne, configuration triode, déclin de potentiel de surface, sonde de Kelvin.

CONTRIBUTIONS TO THE CHARACTERIZATION OF ELECTRETS FILTERS BY SURFACE POTENTIAL DECAY MEASUREMENTS

Electrostatic forces increase the collection efficiency of fine particles in electrets filters; The objective of the present, carried with industrial, was double: (1) evaluate the response of this class of dielectric materials to a deposit of charges generated by corona discharge in a “triode”-type electrode system; (2) understand the mechanisms of charge decay, by measuring the electric potential at the surface of the samples, using a vibrating capacitor probe connected at the electrostatic voltmeter. The acquisition and processing of data were performed using a virtual instrument (LabView) and routines developed in Matlab environment. The tests were performed on samples of polypropylene non-woven fabrics made of fibers of different sizes and orientations. These intrinsic characteristics of the materials affect the initial level and the dynamics of the surface potential. The behaviour of the filter media is also influenced by the following factors: level and polarity of the potential of the grid electrode that controls the charge deposition; the temperature at which the sample is preheated; the relative humidity of ambient air. The initial level of charge of the fibrous media is limited by partial discharges, due to local intensification of the electric field. At high temperatures, the trapping of charges is more stable, while the humidity increases the conduction of charge to the electrode connected to ground. Successive deposits of electrical charges significantly reduce the potential decay and increase the stability of the charge state of the filters.

KEY-WORD: dielectric, nonwoven fibrous media, polypropylene fibers, electrets, corona charging, triode arrangement, surface potential decay, Kelvin probe.

Introduction ... 1

Chapitre I : Médias filtrants à électret I.1. Matériaux isolants fibreux ... 5

I.1.1. Techniques de fabrication des médias non tissés ... 6

I.1.2. Médias filtrants non tissés ... 9

I.1.3. Études sur l’état de charge des isolants fibreux non tissés. ... 13

I.2. Les électrets ... 17

I.2.1.Méthodes de formation d’électrets ... 17

I.2.1.1.Charge par effet triboélectrique. ... 19

I.2.1.2. Charge par rouleau électrostatique ... 19

I.2.1.3. Charge par décharge couronne. ... 20

I.2.2. Processus de charge dans une configuration triode... 23

Conclusion ... 26

Chapitre II : État de charge d’un matériau diélectrique II.1 Caractérisation d’un électret ... 28

II.1.1 Équations de base. ... 30

II.1.2 Charge d’espace et champ électrique... 31

II.2 Méthodes d’évaluation de l’état de charge d’un électret. ... 34

II.2.1 Techniques de mesure de la distribution spatiale de la charge d’espace. ... 35

II.2.2 Méthode électroacoustique pulsée. ... 36

II.2.3 Méthodes de stimulation thermique. ... 37

II.3 Méthodes électrostatiques de caractérisation des électrets. ... 38

II.3.1 Méthode de compensation. ... 39

II.3.2 Méthode à sonde capacitive. ... 40

II.3.3 Sonde à induction ... 41

II.3.4 Moulin à champ. ... 44

II.3.5 Sonde à condensateur vibrant. ... 45

III.1 Contexte industriel. ... 50

III.1.1 Problématique. ... 50

III.1.2 Matériaux testés ... 53

III.2 Démarche expérimentale. ... 55

III.2.1 Poste de charge ... 57

III.2.2 Poste de mesure de déclin de potentiel de surface. ... 60

III.2.3 Poste de mesure du champ électrique. ... 63

III.2.4 Poste de mesure de la charge électrique. ... 63

III.3 Mécanismes physiques responsables du déclin de potentiel de surface ... 66

III.3.1 La polarisation et le déclin de potentiel ... 68

III.3.2 Mécanismes d’injection de charges et le déclin du potentiel ... 72

III.3.3 La conduction électrique et le déclin de potentiel ... 74

Conclusion ... 79

Chapitre IV : Caractérisation de médias filtrants à électrets par mesures de déclin de potentiel de surface IV.1 Caractérisation de la voile chargé en polarité positive ... 81

IV.1.1 Dépôt de charges non contrôlé ... 81

IV.1.2 Dépôt de charges contrôlé ... 87

IV.2 Caractérisation de la voile chargé en polarité négative ... 94

IV.3 Dynamique du déclin de potentiel ... 97

IV.4 Analyse des mesures du déclin de potentiel de surface ... 99

IV.4.1 Présentation de la méthodologie d’analyse des courbes de DPS ... 99

IV.4.2 La réponse de base ... 100

IV.4.3 Apparition d’un pic large en polarité positive ... 101

IV.4.4 Réponse du média chargé en polarité négative ... 103

V.1 Effet de la température ... 106

V.2 Influence de la décharge couronne sur le déclin de potentiel négatif ... 109

V.2.1 Rôle des espèces neutres excitées ... 110

V.2.2 Lien entre la dynamique du déclin et le potentiel de charge ... 111

V.3 Effet de l’humidité ... 112

V.3.1 Déclin de potentiel de surface à faible humidité ... 114

V.3.2 Dynamique du déclin à faible humidité ... 116

V.4 Influence de la taille des fibres et de la structure de la voile ... 118

V.4.1 Potentiel initial ... 121

V.4.2 Dynamique du déclin de potentiel ... 123

Conclusion ... 124

Conclusion générale : ... 126

La pollution de l’air issue de l’activité humaine peut se manifester par la présence de particules dans une atmosphère extérieure ou intérieure. L’évaluation des concentrations de ces particules et la maîtrise des conditions dans lesquelles elles sont émises revêt un grand intérêt compte tenu de leurs actions nocives sur la santé humaine et sur l’environnement [1]. Les technologies d’épuration des particules diffèrent suivant que l’air à traiter est rejeté dans l’atmosphère ou qu’il est confiné dans un lieu clos. Dans les espaces intérieurs ventilés ou climatisés, la filtration sur médias fibreux non-tissés est couramment utilisée. Les forces électrostatiques de collecte des particules, présentes dans les filtres à électret, augmentent notablement l’efficacité de la filtration des particules plus fines, de taille submicronique [2-3]. L’inconvénient est que l’efficacité de ce mécanisme électrostatique de capture décroît rapidement avec le colmatage des fibres [1].

La recherche et le développement des systèmes de filtration d’air utilisant des médias fibreux non-tissés à électret, pour habitacle d’automobile, est à l’origine de notre étude. En effet, l’amélioration de l’efficacité des filtres d’air est une préoccupation majeure de l’industrie automobile, soucieuse d’assurer toutes les prémisses d’un transport durable. La solution classique de filtration est basée sur l’utilisation de fibres de polypropylène pour la production d’un media filtrant non-tissé, saupoudré de charbon actif pour éliminer des odeurs puis chargé par décharge couronne. Bien que de nombreuses études soient effectuées pour augmenter le rendement des filtres et minimiser leur perte de charge, la caractérisation de l’état de charge des médias filtrant à électret et la stabilité de ces charges électriques, desquelles le mécanisme électrostatique de capture en dépend, reste à approfondir. En effet, la charge acquise par les médias fibreux soumis à une décharge couronne se dissipe très vite et son non-uniformité réduit la surface utile du filtre.

Ainsi, notre étude est focalisée sur la formation et la caractérisation d’électrets fibreux non tissés. Son objectif est double :

(1) évaluer la réponse d’un diélectrique ayant une structure fibreuse non tissé à un dépôt de charges électriques, générées par décharge couronne ;

(2) appréhender les mécanismes complexes responsables d’affaiblissement de son état de charge, tout en identifiant les facteurs qui affectent la stabilité de ces électrets, en vue de l’optimisation des techniques de fabrication industrielle.

Pour cela, nous avons adopté une démarche expérimentale. Dans un premier temps, l’étude du processus de génération des charges électriques par décharge couronne, en présence du média fibreux, nous a imposé la réalisation d’un système d’électrodes de type « triode ». L’évaluation du comportement du matériau diélectrique à la charge d’espace par la mesure de sa résistivité est insuffisante. En pratique, le diélectrique est non-linéaire et sa surface n’est pas toujours homogène. La migration des charges peut être affectée par la distribution initiale du potentiel. À vrais dire, les mécanismes de dissipation de la charge d’espace sont nombreux et complexes [4-5]. Étant donné que la situation qui nous intéresse correspond au cas d’un diélectrique ayant une surface en contact avec une électrode reliée à la masse et une autre surface libre affectée par un dépôt de charge électrique, la caractérisation du média filtrant par la mesure de déclin de potentiel est appropriée. L’intérêt de ce type de mesure est sa simplicité et sa facilité de mise en œuvre.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse était orienté vers la mise en œuvre de la technique de mesure de déclin de potentiel de surface appliquée aux matériaux isolants fibreux, en particulier pour l’utiliser à la caractérisation de l’état de charge des médias filtrants.

Le premier chapitre est consacré à la présentation de l’état des connaissances sur les électrets obtenus à partir des matériaux isolants fibreux, en particulier les médias non-tissés utilisés à la filtration d’air. Une synthèse sur les études de charge de ces matériaux est également faite.

Dans le deuxième chapitre nous aborderons les techniques expérimentales qui caractérisent l’aptitude des diélectriques à stocker ou à évacuer la charge électrique. Nous fournissons les éléments de base pour la mise en œuvre des techniques de mesures électrostatiques sans contact, utilisées pour caractériser ces matériaux.

Le contexte et la mise en œuvre de techniques de caractérisation des filtres à électret sont précisés dans le troisième chapitre. En premier lieu, un dispositif de formation d’électret par décharge couronne a été mis au point afin de contrôler le dépôt initial des charges électriques générées dans une configuration d’électrodes de type « triode ». Le banc de mesure que nous avons réalisé à l’Institut Universitaire de Technologie d’Angoulême permet le monitoring et l’enregistrement du déclin de potentiel de surface à l’aide d’une sonde à condensateur vibrant (sonde de Kelvin), pour plusieurs situations et en faisant varier certains paramètres expérimentaux. Nous faisons aussi un inventaire des

Au quatrième chapitre, les mesures de déclin de potentiel de surface (DPS), effectuées sur des échantillons fibreux, sont présentées et discutées en fonction des conditions de charge par décharge couronne en polarité positive et négative. L’analyse des données expérimentale à l’aide des transformations mathématiques appropriées nous a permis de mettre en évidence la réponse de base de ce type de matériaux, ainsi que le phénomène d’injection de charges à l’interface média fibreux/électrode de masse en polarité positive. La dynamique du déclin est dissymétrique et non linéaire et elle dépendant du champ électrique. Les interfaces affectent sensiblement cette dynamique et elles sont responsables des différences entre les deux polarités. Dans le cas des dépôts de charges réalisés à des valeurs élevées de la tension de décharge couronne, nous avons pu constater l’apparition de décharges électriques locales, ayant comme effet un déclin de potentiel accéléré et la limitation de la charge stockée dans le diélectrique.

Le dernier chapitre est consacré à l’évaluation de l’impact des paramètres de formation d’électret, en polarité négative, utilisé dans les filtres à air. La température à laquelle la charge est effectuée affecte la dynamique du déclin. Le potentiel de charge contrôlé par le dispositif triode de charge et l’intensité de la décharge couronne sont des facteurs d’activation important dont la dynamique du potentiel en dépend, et les espèces neutres excitées de la décharge provoquent la chute du potentiel de surface. L’humidité, malgré le niveau important d’activation par le potentiel de charge ou par la décharge couronne, affecte à la fois le potentiel initial et la dynamique du déclin. Egalement nous avons pu mètre en évidence l’influence de la taille des fibres et la structure non tissée fibreuse sur l’état de charge du média et la dynamique de son déclin.

Médias filtrants à électrets

L’électricité statique est souvent perçue comme une nuisance. Elle est à l’origine d’explosions de silos de céréales et de tanks pétroliers, du vieillissement de matériaux diélectriques, du disfonctionnement de circuits électroniques et de multiples désagréments pour chacun d’entre nous dans la vie quotidienne [5-6]. Pourtant elle nous est aussi largement utile par ses applications telles que la peinture électrostatique, le dépoussiérage des effluents gazeux, la séparation de matériaux granulaires, ou les transducteurs à électrets. L’objet de notre travail est une telle application de l’électricité statique : les médias filtrants à électrets, dont la charge d’espace doit être importante et assez stable pour qu’ils soient performants et leur durée de vie soit améliorée [7-9].

Ce chapitre est consacré à la présentation de l’état des connaissances sur les électrets obtenus à partir des matériaux isolants fibreux. En premier lieu, nous aborderons brièvement les techniques et les étapes de fabrication des médias fibreux non tissés utilisés dans l'industrie pour des applications aussi diverses que l'isolation de câbles électriques et la fabrication de produits ménagers. Ensuite, nous accorderons une attention particulière à l’utilisation de ces médias dans des filtres à air, tout en explicitant les mécanismes mécaniques et électriques de collecte des particules qui coexistent lorsque ces médias fibreux non tissés ont subi un dépôt de charges électriques. Nous évoquerons également les méthodes de formation des électrets, en accordant une place de choix aux dispositifs de charge basés sur l’effet couronne car leur mise en œuvre est moins couteuse et permet une meilleure maîtrise du dépôt de charges électriques.

I.1 Matériaux isolants Les matériaux fibr technologiques. Un média fibres enchevêtrées de faço fabrication. La cohésion d’ fibres de types chimiques fabrication des médias no artificielles). Le schéma de utilisées pour la formation d

Fibres naturelles

Fibres chimiques

Figure I.1 : Classificat

fibreux

reux font aujourd’hui l’objet de nombreu non tissé se présente sous la forme d'une on pseudo-aléatoire et dont la cohésion provie ’un voile plus ou moins épais est assurée pa s, physiques, voire mécaniques. Les fibres on-tissés sont soit naturelles, soit chimique

e la figure I.1 illustre la classification des d des fibres [10-13].

Animales -Poils (laine, m

- Sécrétions (so

Végétales

- Graines (couto - Tiges (lin, cha - Feuilles (Sisal - Sève (Caoutch Minérales - Verre - Carbone Syntéthiques produits pétroliers transformés - Polyamide - Polyester - Acrylique/mo - Chlorofibre - Polyéthylène - Polypropylène Artificielles principalement de la cellulose transformée - Viscose - Epoxy - Rayonne …

ion des différentes matières utilisées pour la fabri

ux développements nappe ou voile de ent du processus de ar des liaisons inter

s utilisées dans la es (synthétiques ou différentes matières mohair,…) ie,…) on) anvre, …) l, ...) houc naturel) odacrylique e ...

Les matériaux isolants fibreux non tissés sont souvent constitués de fibres de polymères. Des adjuvants confèrent aux produits certaines caractéristiques spécifiques ou facilitent la production. Les fibres de verre sont caractérisées par une haute résistance mécanique, tandis que les fibres de céramique et de carbone sont utilisées pour des applications spéciales à très haute température [12].

Le titrage d’une fibre indique sa grosseur, il établit le rapport qui existe entre le poids et la longueur de cette fibre. L’unité internationale la plus utilisée est le tex, qui désigne le poids de la fibre en milligrammes par un mètre de longueur (10-6kg/m).

Les médias non tissés possèdent un énorme potentiel d’application dans l’industrie automobile et aéronautique. Ils sont aussi utilisés pour diverses applications d'isolation et de protection dans l’industrie électrique (séparateurs de batterie, enrobage des câbles) ainsi que dans le domaine médical [12, 14]. Dans cette thèse, nous intéresserons à l’utilisation des médias filtrants fibreux non tissés, à base de fibres de polymères, en tant que matériaux de filtration de l'air et des liquides.

I.1.1 Techniques de fabrication des médias non tissés

Les technologies pour la production de textiles sont parmi les plus anciennes développées et utilisées par l'humanité, pour répondre aux besoins fondamentaux tels que la protection contre le froid et la chaleur. Actuellement la fabrication des médias non tissés est devenue une industrie à part entière, elle répond à un marché réel et émergeant. Plusieurs études assez récentes ont été focalisées sur les processus de formation et de transformation de fibres [15]. Des progrès significatifs ont été accomplis dans le domaine de la fabrication des nano-fibres tout au long de ces dernières années. L’électro-filage (Electrospun) est un procédé électrostatique par lequel des nano-fibres de polymères, ayant

un diamètre inférieur à 100 nm et de kilomètres de longueur, peuvent être réalisées [14, 16-20].

Les méthodes industrielles de fabrication des médias non-tissés permettent d’obtenir des produits finis en s’affranchissant d’une grande partie de la chaîne de production traditionnelle. En effet, on part directement de la fibre pour obtenir le produit fini. Ainsi, la fabrication d'un média non-tissé comprend trois étapes principales, à savoir la formation du voile, la consolidation de ce voile, et sa finition.

Étape 1 : Formation du voile

L’industrie des matériaux fibreux utilise principalement quatre procédés de base pour la formation du voile et la fabrication des produits non tissés [10-12, 14, 21-22].

Tableau I.1 : Méthodes de formation de voiles pour un non-tissé

Méthode Nature des fibres Principe de formation de voiles

Voi e sè ch e Fibres naturelles ou synthétiques (PP, Viscose, PET, PA).

1) Le procédé mécanique, appelé le cardage (Drylaid carded), consiste à réaliser une nappe par dépose des fibres sur un tapis de formation puis cardée pour former un voile. Suivant la conception de la carde, les fibres sont parallèles ou distribuées au hasard.

2) Le procédé aérodynamique (Airlaid) consiste à véhiculer et à disperser des fibres dans un flux d’air. Les fibres passent à travers des systèmes de distribution pour former un voile sur une toile transporteuse. Les fibres sont plus courtes.

Voi e f ondue Spunla id p roc ess Résine polymère. Le polypropylène (PP) est le plus utilisé.

1) Le procédé peut être assimilé à une filature directe et génère des médias non tissés de plus grande résistance mais souvent moins homogènes. Ce procédé peut être obtenu par extrusion (Spinbonding technology), où le polymère fondu est extrudé par des filières. Les filaments obtenus sont trempés à l'aide d'air froid, étirés et déposés sur un tapis transporteur pour former un voile.

2) L'extrusion soufflage (Meltblown) est une autre technique pour obtenir de voiles par voie fondue. Les fils, à la sortie de filière, sont étirés par soufflage d'air chaud, avant d'être trempés à l'air froid. Cette technique permet d'obtenir des fils plus fins que ceux obtenus par l’extrusion.

Voi e hu m id e (We tl aid

) Large gamme de fibres : − Cellulosiques − Synthétiques − Régénérées

− Minérales

Les fibres utilisées sont dispersées, triturées, puis diluées avec une très grande quantité d’eau pour former une pâte contenant 0,1 à 0,25 g/l de matière sèche. Cette pâte est envoyée sur la toile d’égouttage permettant la formation du matelas fibreux ou voile, puis égouttage de l’eau sur des caisses aspirantes. Ce procédé conduit à des non tissés plus homogènes et plus fermés. Il permet surtout la réalisation de produits nécessitant un très bon contrôle de l’orientation des fibres. Procéd é F la sh Spi nni ng Polymères

Le polymère est dissout par un solvant approprié, la solution obtenue est pulvérisée dans un récipient maintenu sous vide, ce qui provoque l’évaporation quasi instantanée du solvant (on réalise un flash) et génère un nuage de fibres longues et très fines qui sont ensuite récupérées et consolidées pour former un voile.

Étape 2 : Consolidation Trois principes de b (Tableau I.2). Tableau I.2 : M Consolidation Liage chimique (hydro-liage) Un lia pulvérisat liants son Liage thermique Des l d’exploite ou des fi nappe. La radiante, Liage mécanique La co dernier es très haute Étape 3 : Finition Il s'agit d'améliorer le plus souvent chimiques ( Ainsi, et selon les types d hydrophobes, conducteurs, quelques exemples de maté

base permettent de lier les fibres entre elles

Méthode de consolidation de voiles pour un no Principe

ant polymère liquide est appliqué au voile (endu tion,…). La polymérisation du liant est obtenu nt généralement à base vinylique ou acrylique.

liants solides (poudres ou mousses) sont utilis er les propriétés thermoplastiques des fibres cons bres à bas point de fusion rajoutées lors de la a consolidation se fait par chauffage obtenu par

conduction ou ultrasons.

ohésion du voile est assurée par l'enchevêtrem st obtenu soit par un aiguilletage mécanique, soi e pression (Spunlace).

les propriétés du produit, ou de le décorer, à (enduction notamment) ou mécaniques (bros de fibres employés, on peut obtenir des prod

antistatiques, désinfectants, ignifugés,…La ériaux fibreux non tissés [12].

[10-12, 14, 21-22]

on-tissé.

uction, imprégnation, ue par séchage. Les sés. Il est possible stitutives de la nappe

constitution de cette r convection, chaleur ment des fibres. Ce it par des jets d'eau à

à l'aide de procédés sage, polissage,…). duits absorbants ou figure I.2, regroupe

I.1.2 Médias filtrants non tissés

Un média filtrant est un matériau qui, sous les conditions de fonctionnement du filtre, est perméable à un ou plusieurs composants du mélange, de la solution ou de la suspension, et est imperméable aux autres composantes. Les filtres à air, à base des médias fibreux non tissés, sont largement utilisés pour la collecte de poussières et pour la protection de l'environnement. La collecte des particules submicroniques est d'une grande importance, car elles sont nocives pour la santé et nuisibles pour les applications de pointe développées dans les domaines médical et biomédical ainsi que dans les industries pharmaceutique, agroalimentaire, ou électronique [21].

Les matériaux fibreux utilisés dans les filtres à air assurent une haute efficacité de la collecte des particules de poussière, à une faible perte de charge (chute de pression) [21,23]. Les filtres à base des fibres polymères sont couramment utilisés pour la collecte des particules submicroniques dans les gaz pollués. Ils comportent des charges électrostatiques piégées dans les fibres du média filtrant. Ces charges renforcent d’avantage l'efficacité du filtre et permettent la collecte des particules plus fines que celle collectées par les filtres mécaniques [24-27]. Les filtres à électrets ont moins de perte de charge et les produits utilisant ces médias peuvent être plus légers et plus compacts que ceux qui utilisent des éléments de filtration mécanique [28].

La capacité d’un filtre à pouvoir capturer des particules est généralement exprimée en termes d’efficacité de filtration Ef ou de perméance Pf. L’efficacité et la perméance de filtration, pour un filtre d’épaisseur donnée, sont exprimés par les relations suivantes :

e s e f

c

c

c

E

₌

−

E

P

=1

−

où ce et cs sont les concentrations en particules pour une taille donnée respectivement à l’amont et à l’aval du média filtrant.

Dans l’industrie, l’efficacité du filtre est souvent mesurée en considérant le rapport de filtration ȕf qui est défini comme étant le rapport de la concentration pour un diamètre de particules dp à l’amont du filtre sur la concentration en particules de même taille à l’aval de celui-ci [21, 29]:

( )

( )

Le rapport de filtration est directement lié à l’efficacité fractionnelle du filtre par la relation : f f E

β

La perte de charge est un paramètre important permettant d’évaluer la qualité du filtre. En effet, la durée de vie du filtre dépend directement de l’évolution de la perte de charge occasionnée par celui-ci. Dans la pratique, une perte de charge maximale admissible est généralement fixée. La perte de charge se définie comme la différence de pression statique entre l’amont et l’aval du filtre, notées respectivement Peet Ps.

s e

f

P

P

P

=

−

Δ

Actuellement, plusieurs organisations ouvrent pour la promulgation de normes et la rédaction de certificats. Des normes spécifiques à l’utilisation des médias fibreux non tissés définissent la qualité du filtre Qf par la relation suivante [21, 29]:

f f f f e P Q ⋅ Δ ¸ ¸ ¹ · ¨ ¨ © § − =

β

β

représente la perméance partielle du filtre des particules de 1 μm de diamètre.

Les filtres à électrets ont fait l’objet de nombreuses investigations, révélant les paramètres qui affectent leur efficacité et leur qualité. En effet, les mécanismes de transport et de capture des particules à travers un électret fibreux ainsi que la durée de vie de ces médias dépendent d’une part de la structure et la nature du milieu fibreux [22, 26, 30-32]. Ce milieu est caractérisé par une épaisseur et par une topographie, définie par la distribution et l’orientation des fibres, ainsi que par la taille de ces fibres et par la surface d’adhésion. Les conditions de fonctionnement du filtre, tel que l’humidité de l’air, la vitesse de passage de l’air et les propriétés des particules, affectent également la qualité de la filtration [29, 33-36]. Bien que les filtres à électrets aient une meilleure qualité de filtration par rapport aux filtres conventionnels, néanmoins, le procédé de fabrication de ces milieux fibreux ainsi que leur charge électrique affectent leurs performances [37-40].

Les mécanismes mécaniques et électriques de collecte des particules pour un filtre à électret coexistent. Leur importance respective varie en fonction de la taille et de la masse volumique de ces particules, de la vitesse de passage de l’air, des caractéristiques du media filtrant, notamment de la densité de charge électrique [21, 26, 41]. En plus du tamisage, qui est un mécanisme de filtration de l'air où les particules d'un diamètre supérieur à la distance libre entre deux fibres ne peuvent pas passer, nous illustrerons à travers la figure I.3 cinq mécanismes physiques.

La capture par effet d’inertie intervient lorsque la masse d’une particule est assez élevé pour quelle ne suit pas sa ligne de courant qui est déviée à l’approche d’une fibre ou d’une autre particule. Ainsi la particule entre en collision avec la fibre ou l’autre particule et reste collée au filtre. Ce mécanisme dépend de la masse des particules et la vitesse de passage à travers le milieu fibreux. La capture de particule par mécanisme d’interception intervient dans le cas où la distance, qui sépare la ligne de courant d’une particule et la fibre, est inférieure ou égale au rayon de la particule. La particule sera alors interceptée par la fibre et s'y fixera. L’effet de diffusion entraîne les petites particules dans tous les sens et elles ne suivent pas précisément le courant d'air à cause du mouvement Brownien [21, 26, 41]. Ainsi ces particules se fixent sur les fibres si elles entrent en contact avec celles-ci. Ce mouvement irrégulier augmente la probabilité de l'entrée en contact des particules avec les fibres des filtres. Ce mécanisme de capture est significatif pour des particules submicroniques. La figure I.4 montre la forte dépendance de l'efficacité des filtres, dont la MPPS se situe dans la gamme de 0,1 à 0,3 ȝm, à la taille des particules [26]. La MPPS (Most Penetrating Particule Size) est la dimension particulaire la plus difficile à arrêter.

Inertie & Interception Interception & Diffusion Diffusion Effi cac ité f rac tionne lle de ca ptu re

Diamètre des particules (_μm)

Figure I.4 : Efficacité fractionnelle et les mécanismes de capture des particules en fonction de leurs tailles. (0.1” MPPS ” 0.3) [26]

Les forces de Coulomb et les forces diélectrophorétique sont à l’origine des mécanismes électrostatiques de collecte des particules fines dans un filtre à électret. Lorsqu’une particule a une charge électrique de polarité opposée à celle du filtre, elle est attirée et fixée aux médias fibreux par la force d’attraction de Coulomb. La collecte des particules non chargées s’effectue par la force diélectrophorétique due à la polarisation induite lorsque les particules se trouvent dans le champ électrique généré par la charge du filtre. Cette force croît avec la taille de la particule. L’efficacité des filtres à électrets augmente d’avantage lorsque les particules sont chargées au préalable et par utilisation des nano-fibres [21, 26, 37, 42-43]. La figure I.5 illustre des observations d’agglomérats de particules chargées au préalable et non chargées sur une fibre d’un filtre à électret [44].

I.1.3 Études sur l’état de charge des isolants fibreux non tissés

Plusieurs études, menés par les industriels et les laboratoires de recherches, sont focalisés sur la caractérisation de l’efficacité des filtres non tissés en fonction du procédé de fabrication des médias fibreux et leur électrisation, la nature des fibres et la structure du média. Egalement l’étude est menée en rapport avec le milieu dans lequel ces dispositifs opèrent [15, 45]. Ces travaux ont contribué à l’amélioration du rendement et de la durée de vie des filtres à électrets. Cependant, il y a peu d’études qui caractérisent l’état de charge de ces médias filtrants, malgré le développement des outils de diagnostique des processus de charge et de décharge des diélectriques [7].

Face avant Face arrière

(a) Particules non chargées

Face avant Face arrière

(b) Particules chargées au préalable

Dans cette section, nous rapporterons l’essentiel des travaux et observations rencontrés dans la littérature. La configuration d’électrodes de la figure I.6, appelée triode, est la plus utilisée pour la charge des médias fibreux non tissés par décharge couronne.

Une décharge couronne survient au niveau de la pointe mise à un potentiel assez élevé (dizaine de kilovolts). Ainsi des charges électriques se forment dans l’espace inter électrodes (pointe-plan) et elles sont attirées vers l’électrode de masse pour se déposer sur l’échantillon. Le potentiel de la grille permet le contrôle de ce dépôt. Nous présenterons les différentes techniques de dépôt de charges électriques dans la deuxième partie de ce chapitre.

Le système triode est utilisé par Tetsuji Oda et Jun Ochiai pour leur étude de la charge des médias filtrants non tissés [28]. Les echantillons utilisés ont une épaisseur de 140 μm et sont obtenus à base de fibres en polypropylène de diamètre 1,6 μm. Les auteurs ont effectué des dépôts en polarité négative qui durent 30 min et ils ont observé que le profil du potentiel de surface est uniforme pour un potentiel de grille inférieur à 1 kV. Ce profil devient non uniforme pour les valeurs du potentiel de grille assez élevées. Ils ont également constaté que le potentiel de surface des échantillons est limité à 600 V, ceci est attribué à des décharges locales dans le média vu sa porosité importante, définie par un faible facteur d’occupation qui caractérise la teneur du média fibreux. Le courant observé à travers l’échantillon décroît dans le temps, durant sa charge. Cependant, lorsque le potentiel de grille dépasse 150 V, le courant est instable et présente des pics tel que les bruits, ce qui indique l’existence de décharge locale dans l’échantillon. La décharge luminescente n’a pas encore été observée.

HT (kV) HT Électrode couronne Grille Électrode Échantillon

Les travaux expérimentaux de R. Kacprzyk et W. MiĞta, réalisés à l’Université Wrocław de Pologne, révèlent l’intérêt pratique de la mesure de la valeur maximale du potentiel de surface d’un média fibreux non tissé [46-47]. La loi de Paschen pourrait être utilisée pour déterminer la valeur maximale du potentiel de surface, mais celle-ci est souvent plus grande que les résultats des mesures. Ce fait a été attribué à la décharge inverse (back corona) qui ce produit au niveau des échantillons. Les mesures indirects du potentiel de surface des échantillons fibreux non tissés en polypropylène (PP), chargés par décharge couronne à l’aide d’un système de triode, étaient réalisées à l’aide d’un champ-mètre (FM981-METRA). Les auteurs ont constaté que le potentiel de surface augmente linéairement avec le potentiel de la grille pour des valeurs relativement faibles, la différence entre le potentiel de la grille et de la surface mesuré étant de l’ordre de 100 à 200 Volt. Puis une saturation du potentiel de surface apparait et elle est accompagnée par une augmentation soudaine du courant de charge à travers le média. Ceci, est justifié par l’apparition des ionisations locales de l’air contenu dans la structure fibreuse des échantillons. L’observation visuelle de ces décharges inverses n’a pas été possible qu’en absence de la grille et dans l’obscurité. La figure I.7 montre ces décharges inverses pour les deux polarités de la tension appliquée à l’électrode pointe. Les décharges inverses ne sont observées que dans le cas de matériaux à haute résistivité volumique.

Les observations rapportées par E. Motyl et B. Łowkis révèlent la dépendance de l’état de charge des filtres à électrets de leurs conditions de formation ainsi que l’influence de l’humidité relative d'air sur l'affaiblissement de la charge et la durée de vie de ces électrets filtres en polypropylène, dont la conductivité électrique est très basse [34]. Deux groupes d’échantillons sont utilisés. Ils se différencient par leurs épaisseurs. Les

Figure I.7 : Décharges inverses au niveau du média fibreux en PP, dans une configuration pointe-plan [46-47].

échantillons sont chargés par décharge couronne, générée par une pointe portée à +10 kV, durant une minute et dans les conditions atmosphériques. Puis les échantillons sont conditionnés dans des enceintes où l’humidité relative est contrôlée. Les auteurs ont constaté que l’humidité accentue l'affaiblissement de la charge des échantillons, par contre les échantillons dont l’épaisseur est importante sont moins sensibles à l’humidité.

Dans une autre expérience, E. Motyl et B. Łowkis tentent d’obtenir une relation entre la charge équivalente et l'indice de filtration du filtre à électret [48]. Cet indice, qui caractérise l’efficacité du filtre, est obtenu pour des particules de NaCl. La caractérisation de l’état de charge des filtres est effectuée par la méthode de stimulation thermique. Les auteurs ont constaté un rétablissement partiel du potentiel de surface dans des conditions atmosphériques après avoir sauvegarder les échantillons chargés, pendant 14 jours, dans une enceinte où l’humidité relative est poussée à 100%.

En plus de l’évaluation des effets du traitement des échantillons fibreux non tissés sur l’état de charge de ces échantillons, tels que le séchage et l’utilisation des additifs,

M.Nifuku et al ont effectué une étude comparative sur la charge des filtres en

polypropylène par différentes formes d’ondes de tension électrique [49]. En effet, trois types de tension sont utilisés pour générer la décharge couronne servant à la charge du média, à savoir, la tension continue, une série d’impulsions de tension (200 impulsions par seconde) et une tension combinée d’une composante continue et d’une impulsion large. Les auteurs révèlent que la densité de charge surfacique est comprise entre 20 à 50 μC/m2 et que l’utilisation d’une tension combinée apporte d’avantage de charge au filtre à électret.

Les médias fibreux à surface spécifique élevée ont fait l’objet d’une étude réalisée par M. Ignatova et al [50]. Ces médias non tissés, à base des nano-fibres de polyéthylène téréphtalate (PET), sont utilisés comme filtres formés par électro-filage (electrospun). En plus de la caractérisation de ces médias par des mesures de potentiel de surface, les auteurs ont mené une étude comparative de la relaxation des échantillons par la méthode des courants thermo-stimulés. Certains échantillons obtenus par électro-filage ont subi un dépôt de charge supplémentaire par décharge couronne. L’étude révèle que ces médias non tissés à surface spécifique élevée ont une aptitude à stocker une importante charge d’espace. Les courants obtenus par thermo-stimulation sont clairement plus importants pour les médias non tissés que pour les films en PET, lorsqu’ils ne subissent aucun dépôt de charge. Ceci est attribué à la relaxation des médias non tissés due à la dépolarisation qui

I.2 Les électrets

Par analogie avec les aimants permanents (Magnets), le terme électret à été introduit en 1892 par Olivier Heaviside pour désigner les diélectriques à polarisation permanente. Ainsi, l’électret produit un champ électrique sans aucune source externe. Ce n’est qu’en 1919 que Mototaro Eguchi a pu donner la première confirmation expérimentale, où il réussit à fabriquer un électret par application d’un champ électrique à un échantillon de cire de Carnauba en cours de refroidissement depuis sa température de fusion. Les molécules polaires de cette cire, libres de s’orienter sous champ électrique au voisinage de la température de fusion, restaient figées avec l’orientation imposée au retour à l’état solide, bien que le champ appliqué ait été supprimé. La polarisation rémanente était comprise typiquement entre10-4et 10-5C.m-2_{, et pouvait persister plusieurs années [51-53].}

Un électret est défini comme un diélectrique qui porte une polarisation induite. Cette polarisation est quasi permanente, c'est-à-dire que le temps de déclin est plus long que la durée de son utilisation. La polarisation est due à des charges électriques réelles sur la surface ou/et dans le volume du matériau ou bien aux dipôles orientés et figés dans le volume. Les électrets sont essentiellement des matériaux désordonnés tels que les polymères et les minéraux amorphes [53].

Les électrets occupent une place de choix dans les nouvelles technologies. Les techniques de formation et caractérisation de ces matériaux se sont perfectionnées, leur utilisation est élargie aux systèmes micro-électromécaniques (MEMS) et aux applications dans le domaine biomédical. Les électrets sont utilisés soit sous forme de films minces, soit sous forme de structures fibreuses et poreuses. [7-9, 53-54].

I.2.1 Méthodes de formation d’électrets

Selon les modes de formation des électrets, ces derniers sont classés en deux familles, les électrets dipolaires et les électrets à charge d’espace. En effet, les charges électriques qui peuvent être créées et piégées dans un diélectrique pour former un électret sont de deux catégories majeures : des monocharges appelées charges réelles, et des dipôles orientés appelés charges liées.

Un électret dipolaire est généralement un thermoélectret qui résulte de l’orientation de dipôles par application d’un champ électrique à une température élevée qui correspond à la température de fusion ou de ramollissement. Puis obtention de l’état orienté figé par trempe à température ambiante [51, 53-54]. La figure I.8 illustre l’orientation des dipôles avant et après la formation du l’électret.

Il existe plusieurs méthodes de formation des électrets à charge d’espace. La polarisation provient de charges des deux signes. Ces charges peuvent être obtenues par séparation d’hétérocharges présentes et piégées dans le matériau et/ou par injection d’homocharges au niveau des électrodes lors de l’opération de polarisation. La polarisation peut également provenir d’un excès de charges apportées par d’autres processus tels que la décharge couronne, l’implantation électronique (canon d’électrons), ou la triboélectricité (contact + frottement) [13, 51, 53-56]. La figure I.9 résume les mécanismes physiques de base pouvant expliquer la présence de charges électriques dans un diélectrique situé entre deux électrodes de polarités opposées.

Par la suite, nous allons présenter certaines techniques de charge des matériaux isolants fibreux, à savoir la charge par effet triboélectrique, par transfert de charges à l’aide d’un rouleau électrostatique et par décharge couronne. Ces techniques sont les plus utilisées pour charger les diélectriques en vue de la caractérisation de leur aptitude à garder l’état d’électrisation. An od e (+ ) Ca th od e ( −−−− ) − + − + − + + − + + + − − −

Charges liées : Polarisation des dipôles Porteurs ioniques intrinsèques ou extrinsèques

Électro-dissociation d'espèces neutres Injection d'électrons à la cathode et de trous à l'anode (homocharges) Interaction avec des rayonnements ionisants ou des particules énergétiques Diélectrique

Figure I.9 : Mécanismes de génération de charges électriques.

a) Diélectrique b) Thermo-électret

I.2.1.1 Charge par effet triboélectrique

L’effet triboélectrique est en général associé à l’apparition de charges électriques après frottement entre deux matériaux ; sa définition s’étend souvent aux transferts de charges par contact. Le frottement impliquant des contacts suivis de séparations, il améliore les conditions de charge. Lorsque deux matériaux différents et électriquement neutres entrent en contact, il y a un transfert de charges qui abouti à l’obtention de deux matériaux chargés, l’un positivement et l’autre négativement. Si l’un des matériaux présente une conductivité faible, les charges ainsi générées resteront après séparation. La charge transférée augmente généralement avec la surface du contact, la pression entre les deux matériaux en contact ainsi qu’avec la vitesse du frottement ; elle diminue avec la rugosité des surfaces de contact [53, 57-59]. La charge par effet triboélectrique s’accompagne de génération de chaleur et parfois de transfert de masse. La reproductibilité de la charge est très difficile à obtenir par ce mécanisme [13].

La figure 1.10 présente un dispositif de charge par effet triboélectrique utilisé dans l’évaluation de l’aptitude d’un textile fibreux à se charger par frottement et à atteindre des potentiels de surface plus ou moins importants. Cette évaluation permet de prévenir la manifestation des courants de décharge [13].

I.2.1.2 Charge par rouleau électrostatique

Le contact entre deux matériaux est, en fait, suffisant pour produire un phénomène d’électrisation. Un diélectrique peut être aussi chargé avec un rouleau électrostatique en contact avec la surface libre de l'échantillon et dont le potentiel de charge est aussi contrôlé par la source haute tension [60-61].

Echantillon à chargé Frotteurs

Figure I.10 : Dispositif de charge par effet triboélectrique.

Le transfert de charge au contact entre le rouleau et la surface du diélectrique est très probablement de type électronique. La charge séparée résulte des différences dans la structure électronique des deux corps en contact ; elle est influencée tout d'abord par la nature des matériaux et par les traitements subis par leurs surfaces [62]. La distribution de charge de surface déposée étant homogène à l'échelle macroscopique, ces rouleaux sont utilisés pour charger les feuilles de papier dans les imprimantes laser.

I.2.1.3 Charge par décharge couronne

La charge par décharge couronne est adéquate pour la formation des électrets, qu’ils soient des films ou des matériaux fibreux. Cette méthode de charge est largement utilisée dans l’industrie où la formation d’électrets est réalisée à la chaîne. Le procédé industriel est assez performant, il permet d’asservir le potentiel de surface des électrets afin de contrôler le niveau et la qualité du dépôt des charges électriques [51, 53-54, 57, 63-64]. Ce procédé de formation est basé sur la génération de décharge couronne en appliquant une tension assez élevée (dizaines de kV) à une électrode de faible rayon de courbure (centaines de micromètres) située à une certaine distance (plusieurs centimètres) par rapport à un plan de masse. L’électrode active peut être une pointe, plusieurs pointes disposées en forme de peigne, ou un fil très fin. Le champ électrique dans l’espace inter électrodes est non uniforme, son intensité au voisinage de l’électrode active est assez élevée pour que l’air soit ionisé. Le diélectrique est posé sur le plan de masse. Sous l’action du champ électrique, il reçoit des charges de même polarité que l’électrode couronne. La figure I.12 illustre le principe de formation d’électret par décharge couronne négative.

− − − − − − Source HT

Écran Rouleau électrostatique

Figure I.11 : Principe de charge par rouleau électrostatique.

Si la décharge couronne se produit à partir d’une électrode de polarité négative, dans l’air à pression atmosphérique et à une humidité relative comprise entre 40% à 60%, des ions négatifs seront formés tels que ܥܱ_ଷି_etܱ

ଶି . Une fois ces ions atteignent la surface

libre du diélectrique, ils seront neutralisés en cédant leurs électrons et une couche d’électrons piégés est formée juste au dessous de la surface libre du diélectrique. Par contre, des ions positifs seront formés tels que ሺܪ_ʹܱሻ_ܪ൅_ǡܱܰ൅_etܱܰ

ଷା lorsque la polarité

des électrodes couronne est positive. Ces ions seront neutralisés en acceptant des électrons lorsqu’ils atteignent le diélectrique, laissant ainsi une couche de trous piégés au dessous de la surface libre du matériau [53, 65].

Le contrôle du dépôt de charges par le dispositif primaire de la figure I.12 est extrêmement difficile, voire impossible. L’insertion, entre le diélectrique et l’électrode couronne, d’une grille conductrice portée à un potentiel plus faible et de même polarité que le potentiel appliqué à l’électrode active permettra le contrôle du niveau du potentiel de surface et l’obtention d’un dépôt uniforme. Dans cette configuration d’électrode, appelée configuration triode, les charges issues de l’ionisation de l’air sont accélérées sous action du champ électrique, passent à travers la grille et viennent se déposer sur la surface libre du diélectrique. Le potentiel de surface du diélectrique croît jusqu’au niveau du potentiel de la grille. A partir de ce moment-là, le champ entre la grille et la surface du diélectrique est nul. Les ions ne traversent plus la grille. Ainsi le potentiel de surface est limité par le potentiel de la grille. Il existe plusieurs dispositifs à triode pour la formation contrôlée d’électrets [51, 53, 57, 63, 65-67]. La figure I.13 résume ces dispositifs à triode de charge par décharge couronne.

− + − − − + + − − − − − − − − − Électrode couronne (Pointe) Charges superficielles Charges piégées Electrode plane (La masse) Diélectrique

Ces ions (positifs ou négatifs selon la polarité de la pointe) peuvent se déposer sur une surface isolante placée à proximité. Il en résulte une densité superficielle de charge sur cette surface. Cette méthode de charge d’une surface est plus facile à maîtriser et la charge est plus uniforme que celle obtenue par frottement [60].

D’autres dispositifs de charge par effet couronne sont utilisés à la fois pour étudier le comportement des électrets et dans des applications industrielles, à savoir le scorotron et le corotron [65, 68-69]. La figure I.14 présente les configurations de ces deux dispositifs. Dans le dispositif à scorotron, la décharge est plus stable par la présence des armatures métalliques et les ions se diffusent d’avantage à travers la grille. Le niveau du potentiel de surface du diélectrique est limité par le potentiel de la grille et la surface de charge dépend des dimensions du cylindre. Dans le cas du dispositif à corotron, la grille est omise et le cylindre mis à la terre présente une fente, à travers laquelle les ions atteignent la surface du diélectrique. Électrode couronne Électrode plane Grille Diélectrique ܸଵ ܸଶ Électrode couronne Électrode plane Grille Diélectrique ܸଵ ܸଶ Électrode couronne Électrode plane Grille Diélectrique ܸଵ ܴଶ ܴଵ Électrode couronne Électrode plane Grille Diélectrique ܸଵ ܴଵ

a) La grille est alimentée par une source

de tension indépendante b) Association de sources de tension, Le potentiel de la grille est celui du point milieu.

c) La grille est alimentée par un

diviseur de tension d) Le potentiel de la grille est celui que résulte du passage du courant, acheminé par la grille vers la masse, à travers la résistance R1. Figure I.13 : Dispositifs à triode de charge par effet couronne.

Le contrôle du dépôt des charges ne peut être obtenu que par l’optimisation des paramètres géométriques de l’ensemble et par l’ajustement du temps d’exposition du matériau à la décharge couronne. Ce dernier facteur est essentiel dans les applications industrielles où le diélectrique est souvent en mouvement.

I.2.2 Processus de charge dans une configuration triode

En considérant les dimensions des mailles de la grille assez petites devant la distance † entre la grille et le plan de masse, l’ensemble grille-plan peut être assimilé à une configuration d’électrodes définie par deux plans parallèles. La topographie du champ électrique, définie par la distribution du champ et du potentiel électrique dans le système triode de charge, permet de connaître les caractéristiques qualitatives du procédé de charge. En effet, ce procédé dépend du processus de génération d’ions par effet couronne et de la dérive des charges sous l’action du champ électrique le long des lignes caractéristiques.

La décharge couronne désigne l’ensemble des phénomènes liés à la modification de la conductivité d’un gaz à proximité d’un conducteur de faible rayon de courbure, porté à un potentiel positif ou négatif assez élevée dont le champ électrique environnant est intense mais non disruptif. Dans le cas de la configuration triode, où une électrode duale (fil – cylindre) est utilisée pour générer la décharge couronne et la grille est reliée à la masse via une résistance électrique, la conductivité est due aux phénomènes d’ionisation intense de l’air au voisinage immédiat du fil à potentiel élevé. Ainsi, l’espace inter électrodes est répartie en trois zones telles qu’elles sont illustrées sur la figure I.15.

Électrode couronne (Pointe) Électrode plane Grille Diélectrique Cylindre métallique ܸଵ׷ ‘–‡–‹‡Ž†‡Žᇱ±Ž‡…–”‘†‡…‘—”‘‡ ܸଶ Électrode plane Diélectrique Fil Armatures métalliques

Figure I.14 : Constructions de base d’un scorotron et d’un corotron.

ܸଵ

ܸଶ: Potentiel de la grille et du cylindre métallique

b) Corotron a) Scorotron

La zone active (1) est près de l’électrode active où le champ est supérieur au champ critique du minimum d’ionisation. Elle est caractérisée par une densité de charge totale nulle, ainsi le champ électrique satisfait les équations de Laplace. L’utilisation de l’électrode duale (décrite au § III.2.1) dans des procédés électrostatiques permet l’orientation de la décharge couronne dans une zone bien définie de l’espace. Cette classe d’électrodes est caractérisée par l’injection non uniforme de charge autour de l’élément ionisant [116-117].

Avant que la décharge se produise et l’électrode duale soit portée à un potentiel élevé, la grille a le même potentiel que celui du plan de masse. Ainsi le champ électrique est très inhomogène dans la zone (2) et pratiquement nul dans la zone (3). En présence de la décharge, des charges de même polarité que celle de l’électrode duale sont collectées par la grille et s’écoulent à travers la résistance vers la masse. La tension produite aux bornes de la résistance fixe le potentiel de la grille.

En présence d’un matériau diélectrique posé sur le plan de masse, les charges qui traversent la grille sont attirées vers la masse sous l’action du champ électrique et interceptées par ce diélectrique. Ainsi la surface libre du matériau subit un dépôt de charges sous l’action du champ électrique dû à la différence de potentiel entre la grille et le plan de masse. Le matériau continue à se charger jusqu’à ce que le potentiel de surface de celui-ci soit égal à celui de la grille. Ainsi, la zone (2) est caractérisée par une charge

Cylindre (1) (2) (3) Fil Grille Plan de masse

d’espace importante tandis que la zone (3) est caractérisée par un champ électrique et une charge d’espace pratiquement négligeables. La figure I.16 illustre l’influence de la position de la grille sur la largeur de la surface chargée qui se rétrécie lorsque la grille est très proche de l’électrode couronne.

Si la grille est très proche de la masse, telle qu’elle est présentée à la figure I.17, l’inhomogénéité du champ électrique dans la zone (3) s’accentue et il apparaît des zones non chargées. En effet, les dimensions des mailles de la grille ne sont plus négligeables par rapport à la distance †relativement petite, alors l’uniformité de dépôt n’est plus garantie. Ainsi, il faut maintenir une distance minimale entre la grille et le plan de masse afin que l’ensemble grille-plan soit semblable à une configuration plan-plan et pour éviter, lors de la charge du média fibreux non tissé, tout contact entre la grille et les fibres du matériau.

La grille est éloignée du plan Zones non chargés

† †

Figure I.17 : Effet de la position de la grille sur l’uniformité de dépôt.

La grille est rapprochée du plan Largeur de dépôt

Cas (a) Cas (b)

Largeur de dépôt

Conclusion :

1. 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 des matériaux fibreux non-tissés. Ceci justifie l’orientation de notre étude sur les médias filtrants à électrets, qui sont susceptibles de mieux mettre au profit ces mécanismes physiques.

2. La décharge couronne produite par un système d’électrodes de type triode semble être la meilleure solution pour contrôler l’état de charge initiale des médias filtrants à électrets. Elle sera utilisée pour la suite de ce travail.

État de charge d’un matériau

diélectrique

En électrostatique, la réponse des matériaux à la charge électrique est complexe et reste un sujet de recherche. La caractérisation de ces matériaux est bien loin de pouvoir se résumer à un ou deux paramètres, en l’occurrence, la permittivité et la conductivité. Les phénomènes de surface sont déterminants pour la génération ou l’injection de la charge dans l’isolant. La charge d’espace peut se manifester sous l’effet du champ, du rayonnement ou du frottement [5].

La compréhension des phénomènes liés à la génération de la charge d’espace et à son évolution ainsi qu’au comportement du diélectrique chargé permettra non seulement la prévention des risques électrostatiques, mais aussi l’amélioration des performances des électrets. C’est le cas des filtres à électrets dont nous voulons pousser les limites de charge et atténuer le déclin de celle-ci. Pour cela, dans ce chapitre, nous nous intéresserons aux mécanismes de génération de la charge d’espace et à ses effets. Nous aborderons globalement les techniques expérimentales qui caractérisent l’aptitude du diélectrique à stocker ou à évacuer la charge électrique et en particulier les techniques de mesures électrostatiques, utilisées pour caractériser l’état de charge du média et son évolution dans le temps, à savoir la mesure de la charge électrique et du potentiel de surface. Nous dresserons un inventaire des mécanismes physiques responsables du déclin de potentiel de surface et les modèles associés.

II.1 Caractérisation d’un électret

Le comportement d’un électret est intimement lié à sa charge d’espace qui dépend à la fois des mécanismes de sa génération, son accumulation et les phénomènes de dissipation de cette charge dans le diélectrique. L’accumulation significative de charges électriques se produit dans des matériaux isolants ayant une résistivité supérieure à 106Ω.cm C’est le cas des polymères dont l’habilité à stocker de la charge est très élevée [6]. L’étude de la réponse des isolants solides chargés s’effectue souvent dans deux situations types, à savoir, la mesure du courant en circuit fermé et la mesure du potentiel de surface en circuit ouvert.

La première configuration, illustrée par la figure II.1.a, est la plus facile à maîtriser, le diélectrique étant placé entre deux électrodes. Ainsi la surface de l’isolant est à un potentiel unique, imposé par le circuit et sa caractérisation s’effectue par la mesure du courant ݅ሺݐሻ [5]. Dans le cas où le matériau possède une conductivité intrinsèque, un courant de conduction ݅_௖ sera superposé au courant d’absorption. Ce dernier est composé d’un pic de charge instantané égal au courant de déplacement et d’un courant de polarisation. La conduction extrinsèque peut se manifester à des valeurs de champ et de température élevées. Elle est due à l’injection et au transport de la charge d’espace dans le diélectrique. Lorsqu’on court-circuite après un certain temps le diélectrique, le courant de conduction s’annule et un courant de résorption se manifeste avec la même dynamique que le courant d’absorption mais de signe opposé, c’est un courant de décharge [70-71]. La figure II.1.b présente la variation des courants d’absorption, de conduction et de résorption en fonction du temps dans un diélectrique solide soumis à un créneau de tension continue.

݅ሺݐሻ

V

a) circuit fermé.

Figure II.1 : Mesure de courant à potentiel fixe.

t t ݅௖ ݅ሺݐሻ ܸ Absorption Résorption Conduction 0

La deuxième configuration, illustrée par la figure II.2.a, permet de caractériser l’électret par la mesure de variation du potentiel de surface. Le matériau étant posé sur une électrode reliée à la masse, la surface supérieure est libre et elle subit un dépôt de charges électriques afin de fixer la distribution de charge initiale. Ceci peut être réalisé par décharge couronne. Une sonde asservie au potentiel de la surface libre permet la mesure de ce potentiel, ainsi, le champ à l’extérieur du diélectrique est nul et le circuit peut être considéré ouvert.

C’est cette situation que nous traiterons, et la charge de l’échantillon par décharge couronne est réalisée à l’aide d’un système triode. Dans ce cas précis, le dépôt de charges est considéré uniforme et la diffusion de celles-ci peut être négligée. En plus, si l'effet des bords est négligé pour une surface considérée assez large, alors la composante tangentielle du champ électrique est nulle et la variation du potentiel le long de la surface, exprimée par la circulation du champ le long de cette surface, est nulle aussi (figure II.2.b) [57]. C’est le fait que le champ transversal extérieur soit nul qui garantit la possibilité de mesurer le potentiel de surface, d’où l’utilisation raisonnable du concept « potentiel de surface ».

Il n’est pas possible de charger une surface plane isolante au-delà d’une valeur limite donnée par la rigidité diélectrique ܧ௖ du gaz environnant. Des décharges se

produisent lorsque la charge le long de la surface excède cette limite. Pour dépasser cette limite, on peut augmenter la rigidité diélectrique du milieu environnant (par exemple, en faisant le vide) [62].

Mesure du potentiel de surface, en circuit ouvert. Sonde V(t) Q Surface libre οܸ ൌ ܸ௕െ ܸ௔ൌ െ න ܧሬԦ ௕ ௔ ή ݈݀Ԧ ൌ Ͳ

Figure II.2 : Caractérisation d’un matériau par potentiel de surface après dépôt de charge.

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