Brevet FR2698285A1 — publié le 19940527

La présente invention concerne un milieu triboélectrique de filtration et plus particulièrement les milieux triboélectriques de filtration d'air en fibres mélangées. La triboélectricité est le transfert d'une charge électrique, par contact ou par friction, entre des pièces de matériaux différents à base de polymère. Les matériaux peuvent être rangés approximativement sur une échelle de triboélectricité concernant leur tendance à céder ou recevoir des électrons c'est à dire à devenir chargée de manière positive ou de manière négative. De telles échelles varient quelque peu selon le chercheur et le procédé, mais sont de manière générale acceptées La combinaison de matériaux dissemblables, habituellement en fibres, pour créer un renforcement de la triboélectricité de milieux de filtration d'air est connue de la technique antérieure. Lors du contact de polymères ayant des tendances différentes à céder ou recevoir des électrons, des charges électriques localisées s'accumulent. Ces champs électriques locaux aident à capturer des particules en suspension dans l'air et permettent d'utiliser un mélange de matériaux dissemblables en tant que filtre à air. Un tel filtre, décrit dans le brevet britannique 384 052 comporte des fibres de laine et des particules de résine. Une combinaison de fibres propres de polyoléfine et de fibres propres de polymère constitués d'hydrocarbures substitués par un ou plusieurs halogènes ou -CN, est décrite dans le brevet des Etats Unis n0 4 798 850 au nom de Brown. Dans un article intitulé "Création de charges triboélectriques dans des mélanges de fibres textiles et leur utilisation en tant que filtre à air" paru dans Journal of Electrostatics, volume 21 (1988), pages 81 à 98, d'autres polymères fibreux ont été mélangés et essayés pour leur action triboélectrique L'article établit que plusieurs fils de différents types ont été testés, le meilleur étant une combinaison de polypropylène avec des fibres modacryliques et correspond aussi à celui cité en exemple dans le brevet des Etats Unis n0 4 798 850. Des mélanges fibreux de polytétrafluoroéthylène ordinaire (PTFE) et de fibres de verre sont disponibles dans le commerce et sont connus pour avoir des propriétés triboélectriques. Les fibres de PTFE ordinaires sont couramment obtenues en mélangeant une dispersion de particules de PTFE dans de l'eau avec un liant cellulosique, en forçant la dispersion à travers une filière, et en chauffant la fibre résultante jusqu'à ce que les particules de PTFE deviennent frittées les unes avec les autres et que la cellulose soit écartée par brûlage de manière importante. Il a été maintenant découvert qu'une forme spéciale de polytêtrafluoroéthylène, c'est à dire le polytétrafluoroéthylène expansé poreux, lorsqu'il est mélangé sous forme de fibres avec des fibres de polyamide entralne une filtration de 11 air, c'est à dire un milieu de rétention de particules ayant une bonne efficacité de filtration et une bonne propreté. Le polytétrafluoroéthylène poreux (ePTFE) expansé est une forme de PTFE qui a été décrite comme "un matériau nouveau remarquable" et un matériau qui "diffère des autres formes traitées de Teflo . La résine de Téflon est du PTFE ordinaire. Le PTFE poreux expansé est réalisé par étirement de PTFE ordinaire à certains taux et certaines températures comme décrit dans le document US-P-3 953 566 au nom de Gore. Le ePTFE résultant est constitué d'une structure microporeuse de noeuds reliés par des fibrilles. Pour obtenir des fibres de ePTFE, une feuille de ePTFE peut être fendue sous forme de fibres larges. Des fibres de PTFE poreux expansé peuvent être obtenues auprès de W. L.Gore & Associates, Inc. Les fibres de polyamide utilisées ici peuvent être obtenues dans le commerce. Des fibres polyamide représentatives comportent le Ny10ÇR66, le Nylon612 et analogues. On préfère le Nylo66. Pour préparer les mélanges selon la présente invention, des fibres de ePTFE et des fibres de polyamide sont mélangées dans une machine de cardage ordinaire. Les fibres ont habituellement une longueur d'environ 5 à 7,6cm du fait que la plupart des machines de cardage utilisent cette longueur de fibres. Le rapport des deux fibres peut être tout rapport qui produise une triboélectricité entre les fibres. Du fait que le cardage est habituellement plus facile à mettre en oeuvre lorsque la majorité des fibres est en polyamide, il est préféré qu'une partie prépondérante du mélange soit en polyamide. Les fibres deviennent chargées électriquement pendant le cardage. Par "chargées électriquement on signifie que la triboélectricité est apparue et qu'une charge électrique a été transférée.Les fibres mélangées retiennent la charge électrique et c'est cette charge qui effectue la capture de petites particules pendant les opérations de filtration. Le PTFE et la polyamide sont de préférence exempts de tout solvant ou lubrifiant qui pourrait être présent. Tout solvant ou lubrifiant présent peut être enlevé par lavage dans un bain surfactant aqueux et rinçage à l'aide d'eau dé-ionisée. Par " propre", on signifie que les fibres n'ont pas de revêtement d'agent lubrifiant ou d'agent antistatique, ou que tout revêtement a été supprimé avant mélange, par exemple par lessivage à l'aide d'un détergent non ionique. De préférence aussi, les fibres de Nylo sont bouclées. Le mélange cardé peut être aiguilleté pour former un feutre, si on le désire. Exemple 1 200 grammes de fibres de PTFE expansé poreux ayant une longueur de 7,6 cm et de 3 deniers ont été mélangées avec 1000 grammes de fibres de Nylo 66 bouclées ayant une longueur de 5,08 cm et de 3 deniers (obtenues auprès de la Compagnie DuPont) dans une machine de cardage standard, et ensuite légèrement aiguilletées pour former un matelas de feutre cohérent pouvant être géré. Les fibres sont devenues chargées électriquement par le frottement et la friction qui apparaissent pendant l'opération de cardage, et restent chargées électriquement du fait de leur proximité étroite les unes par rapport aux autres. Le Nylo 66 utilisé a été nettoyé par lavage des fibres dans un bain aqueux chaud (environ 1400 C) contenant un surfactant non ionique et ensuite lavées à l'aide d'eau dé-ionisée. Les fibres de PTFE étaient déjà exemptes de solvant ou de lubrifiant. Plusieurs échantillons ont été testés comme décrit ci-dessous. Comparaison 1 Des fibres de PTFE ordinaire ayant une longueur de 7,6 cm et de 3 deniers, obtenues auprès de DuPont ont été mélangées avec des fibres de Nylo b 66 identiques à celles utilisées dans l'exemple 1 avec un même rapport en poids et le même traitement de cardage et d'aiguilletage. Plusieurs échantillons ont été préparés par ce procédé. Résultats d'essai de l'exemple 1 et des échantillons de la comparaison 1 Plusieurs échantillons ayant la forme de matelas de ePTFE/Nylo 66 préparés selon l'exemple 1 et plusieurs échantillons sous la forme de matelas de PTFE ordinaire0Nylo A66 ont été préparés selon la comparaison 1. Ces échantillons ont été testés pour leur efficacité et qualité relatives à la filtration de l'air. L'appareil d'essai était un dispositif d'essai d'efficacité de milieu filtrant construit par W.L.Gore & Associates, Inc. du type utilisant une atomisation de solution en tant que source de particules en aérosol pour un spectromètre à laser quelconque d'aérosol en tant que détecteur de particules d'aérosol. La source de particules en aérosol était un atomiseur (Model 3076 fabriqué par Thermal Systems Inc. de St. Paul, Minnesota), qui utilise une solution de NaCI dilué. Les spectromètres pour aérosol étaient deux compteurs de particules Model LAS-X fabriqués par Particle Measuring Systems Inc. de Boulder, Colorado, mesurant l'écoulement amont et ensuite l'écoulement aval du milieu filtrant testé. Le dispositif était commandé par ordinateur. Dans le Tableau 1 ci-dessous, on a enregistré la masse de l'échantillon, la vitesse de l'aérosol passant à travers l'échantillon, la résistance à l'écoulement d'air, l'efficacité de la capture de particules de chlorure de sodium de Qrl micromètre, et également l'efficacité de la capture de particules de 0,3 micromètre Du fait que tous les milieux filtrants n'avaient pas la même résistance à l'écoulement d'air, il vaut mieux habituellement comparer les milieux filtrants par l'intermédiaire de leur facteur de qualité Qfl qui est une mesure de performance acceptée tel que déterminé par le compromis entre l'efficacité de capture de particules et la perméabilité à l'air. Cette donnée apparaît dans la dernière colonne du tableau 1.Le facteur de qualité est défini par = -1og10 (P) R Comme utilisé ici, P est la pénétration des particules ayant un diamètre de O,lpm, et R est la résistance à l'écoulement en mm d'H20 au niveau d'une vitesse de filtration de 3,2 m/min (10,5 ft/min). Tableau 1 Echantillon Masse Mélange Vitesse Résistance Efficacité Efficacité Facteur (g) (x0,3m/mn) (mm H2O) 0,1 m 0,3 m de qualité 1 3,5946 ePTFE/Nylon R 10,4 0,3118 94,6% 93,3% 4,07 2 3,6939 " 10,3 0,3148 95,3% 94,6% 4,23 3 3,8458 " 10,8 0,2892 95,6% 95,6% 4,72 4 3,8520 " 10,4 0,3916 95,8% 95,5% 3,51 5 3,9600 " 11,2 0,3283 95,5% 93,0% 4,10 6 3,9761 " 10,4 0,3017 95,2% 96,8% 4,38 7 4.1838 " 10,9 0,2892 95,6% 96,9% 4,70 8 4,5665 " 10,7 0,2733 96,2% 96,1% 5,21 1 2,9367 PTFE/NylonR 10,3 0,3066 77,0% 70,2% 2,06 2 3,1172 " 10,0 0,3643 77,0% 68,6% 1,75 3 3,3689 " 9,9 0,2523 77,6% 71,1% 2,58 4 3,3900 " 10,7 0,3904 79,4% 71,6% 1,76 5 3,4153 " 10,7 0,3044 80,6% 74,7% 2,34 6 3,4629 " 10,7 0,3606 77,5% 71,9% 1,79 7 5,8472 " 10,7 0,5883 83,2% 77,8% 1,32 Comme on peut le voir, à la fois l'efficacité et le facteur de qualité sont supérieurs pour le matelas de ePTFE/Nylona66 selon la présente invention. Comparaison, exemple 2 Pour de nombreuses applications, une propriété souhaitable des filtres est la propreté, en particulier la quantité de contaminants organiques pouvant être extraits présents dans le milieu filtrant. Un filtre triboélectrique représentatif réalisé dans un feutre de mélange de fibres de polypropylène et de fibres modacryliques (Technostat) a été obtenu auprès de Hepworth Minerals & Chemicals, Ltd. Le feutre avait une masse de îlOg/m2. Différentes combinaisons de fibres ePTFE et de nylon 66 ont été produites comme dans l'exemple I pour être comparées au feutre polypropylène/modacrylique. Les mélanges testés avaient 20% et 40% en poids de ePTFE par rapport au Nylon@66.Le Nylon@ avait été nettoyé par lavage dans un bain chaud de surfactant non ionique, pyrophosphate têtrasodium et eau dé-ionisée, et rincé dans de l'eau dé-ionisée. Les fibres ont été mélangées dans une machine de cardage et aiguilletées pour produire un feutre qui avait une masse d'environ 150gXm2 (5 oz/yd2). Pour tester la présence de contaminants organiques pouvant être extraits, un test standard d'extraction Soxhlet a été mis en oeuvre pendant 30 minutes en utilisant du trichlorotrifluoroéthane en tant que solvant pour comparer la propreté de la combinaison poîypropylène/modacrylique vis à vis de la combinaison ePTFE/Nylo: 66 selon la présente invention.Pour la comparaison entre ces matériaux, des échantillons de 10,937 g ont été testés (équivalent à 645,1 cm2 (100 pouces carrés) de matériau à 16949 g/m2 (5 ounces/yard carré)) et les résultats sont donnés en mg/m2 de matériau à 169,49 g/m2 (5 ounce/yard carre. Les résultats du test sont indiqués ci-dessous Milligrammes de contaminant (par mZ Matériau de matériau filtrant) Polypropylène/modacrylique 362,86 Polypropylène/modacrylique 348,59 Polypropylène/modacrylique 223,05 Fibre de ePTFE/N ylon R 66 (20% ePTFE) 19,99 Fibre de ePTFE/-Nylon 66 (30% ePTFEl 16,89 Fibre de ePTFE/Nylon r) 66 (40% ePTFE) 10,39 Les feutres de fibres ePTFE et de fibres de Nylon 66 ont montré beaucoup moins de retenue de contaminants organiques que ne le faisait la combinaison de feutre polypropylènefmodacrylique. Pour tester l'efficacité de filtration, les feutres ont été testés dans un dispositif d'essai d'efficacité de filtration également utilisé ci-dessus. Les résultats furent les suivants Matériau Rapport de ePTFE Efficacité Résistand Vitesse Facteur de sur Nylon R 66 &commat;.1m mm H2O (xO, 3m/mn) qualité Fibre EPTFE/ 20/80 96,24 0,2733 10,76 5,22 NylonR 66 40/60 97,63 0,2971 14,14 5,47 Polyropylène/ N/A 96,67 0,2988 10,19 4,94 Modacrylique N/A 97,09 0,2729 10,00 5,63 REVENDICATIONS 1. Filtre chargé électriquement caractérisé en ce qu'il comporte un mélange de fibres de polytétrafluoroéthylène expansé poreux propres et de fibres de polyamide propres. 2.Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de polyamide sont bouclées. 3. Filtre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la polyamide est du Nylon 66. 4. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un matelas cardé. 5. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un feutre.