بررسي تأثير عوامل توليد بر ميكرو ساختار سه‌بعدي و عملكرد فيلترهاي هواي بي‌بافت سوزني با استفاده از روش تجربي و شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي نساجي

دكتري

در سال‌هاي اخير، رشد سريع صنايع و گسترش شهرنشيني به دليل توسعه اقتصادي باعث پيدايش طيف وسيعي از مشكلات زيست‌محيطي ازجمله آلودگي هوا و منابع آب شده است. حذف يا كاهش اين آلاينده‌ها مستلزم استفاده از فرآيندهاي فيلتراسيون و بهره‌گيري از انواع محيط‌هاي فيلتركننده است. منسوجات بي‌بافت با بهره‌مندي از ساختاري متخلخل و بي‌قاعده يكي از مطلوب‌ترين سازه‌هاي مورداستفاده جهت جداسازي اين آلاينده‌ها مي‌باشند. مهم‌ترين عامل مؤثر بر عملكرد فيلتراسيون اين منسوجات، عوامل ميكروساختاري منسوج شامل تخلخل، ابعاد منافذ و توزيع آرايش‌يافتگي سه‌بعدي الياف است كه همگي متأثر از عوامل توليد مي‌باشند. به‌منظور بررسي تأثير عوامل توليد بر ميكروساختار و عملكرد فيلتراسيون، مطابق طرح آزمايش مبتني بر روش سطح پاسخ با رويكرد I-Optimal، فيلترهاي اليافي در چهار درصد مختلف تركيب الياف پلي پروپيلن 5/1 و 3 دنير (0، 34، 66 و 100 درصد)، سه عمق نفوذ سوزن (9، 13 و 16 ميلي‌متر)، سه سرعت سوزن‌زني (110، 270 و 430 ضربه بر دقيقه)، سه دماي كالندر حرارتي (120، 130 و 140 درجه سانتي‌گراد) و سه فشار كالندر (2، 4 و 6 بار) توليد شدند. رفتار فيلتراسيون نمونه‌ها با استفاده از آزمون فيلتراسيون بر اساس استاندارد ISO 11057مورد ارزيابي قرار گرفت. تأثير عوامل توليد بر متغيرهاي وابسته شامل راندمان فيلتراسيون، افت فشار و فاكتور كيفيت مورد بررسي قرار گرفت. بر مبناي شاخص‌هاي ضرايب تشخيص، ضريب تغييرات و نسبت سيگنال به نويز، مدل‌هاي آماري جهت پيش‌بيني متغيرهاي وابسته پيشنهاد گرديد. شرايط بهينه به مفهوم دستيابي به بيشترين راندمان و فاكتور كيفيت و حداقل افت فشار در درصد تركيب 94% الياف 5/1 دنير، عمق نفوذ سوزن 2/15 ميلي‌متر، سرعت سوزن‌زني 325 ضربه بر دقيقه، دماي كالندر 4/120 درجه سانتي‌گراد و فشار كالندر 6 بار با شاخص مطلوبيت 955/0 تعيين گرديد. در اين شرايط مقادير راندمان، افت فشار و فاكتور كيفيت به ترتيب 95%، 61 پاسكال و 0456/0 بر پاسكال پيش‌بيني شد. درنهايت چهار فيلتر بي‌بافت در شرايط بهينه توليد شد و خصوصيات فيلتراسيون آن‌ها مورد ارزيابي قرار گرفت. مشاهده شد كه در فاصله اطمينان 95 درصد، تطابق عالي ميان نتايج مدل‌ آماري و نتايج تجربي برقرار است. به‌منظور بررسي ميكروساختار، تصاوير سه‌بعدي حقيقي نمونه‌ها با استفاده از روش غيرمخرب ميكروپرتونگاري مقطعي رايانه‌اي (µCT) به دست آمد و با استفاده از روش پردازش تصوير مورد تحليل قرار گرفت. نتايج نشان داد كه با افزايش درصد الياف ظريف، سرعت سوزن‌زني، عمق نفوذ سوزن، دماي كالندر و فشار كالندر، اندازه منافذ كاهش و راندمان و افت فشار فيلتر افزايش مي‌يابد. همچنين مشخص شد ظرافت الياف بر آرايش‌يافتگي سه‌بعدي الياف تأثيري ندارد، وليكن آرايش‌يافتگي در راستاي ضخامت فيلتر با افزايش دما و فشار كالندر كاهش و با افزايش عمق نفوذ سوزن و تراكم سوزن‌زني افزايش مي‌يابد. همچنين مشخص شد نمونه بهينه در راستاي ضخامت خود داراي گراديان تخلخل نمايي است كه اين ويژگي به افزايش راندمان فيلتراسيون، كاهش افت فشار و افزايش طول عمر فيلتر كمك مي‌كند. شبيه‌سازي عبور جريان از درون ساختارهاي حقيقي حاصل از µCT و همچنين ساختارهاي مجازي متناظر آن‌ها با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) انجام شد. نتايج حاصل با داده‌هاي تجربي و نيز مدل‌هاي تحليلي و عددي موجود مقايسه گرديد و هم‌خواني قابل‌توجهي ميان آن‌ها مشاهده شد. اين انطباق نشان داد كه مدل‌سازي مجازي مي‌تواند جايگزيني معتبر و كم‌هزينه براي مدل‌سازي حقيقي و آزمون‌هاي پرهزينه تجربي باشد. بر پايه مدل‌سازي مجازي، تأثير پارامترهاي ميكروساختاري شامل تخلخل و آرايش‌يافتگي الياف بر رفتار جريان درون فيلتر مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه نفوذپذيري با افزايش تخلخل به‌صورت غيرخطي افزايش مي‌يابد و همچنين افزايش ميزان آرايش‌يافتگي الياف در راستاي ضخامت فيلتر منجر به افزايش نفوذپذيري مي‌گردد.

236015

تكنولوژي نساجي

مهندسي نساجي

دانشگاه صنعتي اصفهان