علوم و فناوری نساجی و پوشاک

علوم و فناوری نساجی و پوشاک

تحلیل تجربی و عددی نفوذپذیری هوای فیلترهای نانولیفی بر پایه بازسازی سه‌بعدی ساختار و پردازش تصاویر SEM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده مهندسی نساجی
10.22034/jtst.2026.583329.1548
چکیده
در این پژوهش، نفوذپذیری هوای وب‌های نانولیفی پلی‌اکریلونیتریل تولیدشده به روش الکتروریسی، با رویکردی تجربی و عددی بررسی شد. اثر چهار پارامتر فرایندی شامل غلظت محلول، ولتاژ اعمالی، نرخ تغذیه و سرعت جمع‌کننده با استفاده از آرایه تاگوچی L۹ مطالعه گردید. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان دادند که وب‌های تولیدشده دارای ساختاری پیوسته، متخلخل و بدون بید هستند. نتایج تجربی نشان داد که تغییر شرایط الکتروریسی باعث تغییر هم‌زمان ویژگی‌های ساختاری وب شد؛ به‌طوری‌که قطر میانگین الیاف در محدوده ۱۹۴ تا ۵۶۳ نانومتر، ضخامت وب در محدوده 50/3 تا 67/23 میکرومتر و تخلخل در محدوده ۷۱ تا ۹۷ درصد قرار گرفت. نفوذپذیری هوای نمونه‌ها نیز از 09/4 تا 17/89 میلی‌لیتر بر سانتی‌متر مربع بر ثانیه تغییر کرد. بیشترین نفوذپذیری مربوط به نمونه ۴ با ضخامت 50/3 میکرومتر و قطر الیاف ۲۹۳ نانومتر بود، درحالی‌که کمترین نفوذپذیری در نمونه ۷ با قطر الیاف ۵۶۳ نانومتر، ضخامت 00/16 میکرومتر و تخلخل ۸۱ درصد مشاهده شد. این نتایج نشان داد که نفوذپذیری وب نانولیفی را نمی‌توان تنها با یک متغیر منفرد مانند قطر یا تخلخل تفسیر کرد، بلکه برهم‌کنش قطر الیاف، ضخامت، تخلخل و پیوستگی مسیرهای جریان تعیین‌کننده است. برای پیش‌بینی عددی نفوذپذیری، ساختار سه‌بعدی وب بر پایه پارامترهای استخراج‌شده از تصاویر SEM در محیط MATLAB بازسازی شد و پس از مش‌بندی در نرم‌افزار Avizo، جریان هوا در راستای ضخامت وب شبیه‌سازی گردید مقایسه نتایج عددی با داده‌های تجربی برای نمونه‌های ۳، ۶ و ۷ نشان داد که مقادیر نفوذپذیری پیش‌بینی‌شده توسط مدل عددی به‌ترتیب برابر با 36/22، 96/9 و 93/3 میلی‌لیتر بر سانتی‌متر مربع بر ثانیه بود، درحالی‌که مقادیر متناظر تجربی به‌ترتیب 71/30، 65/11 و 09/4 میلی‌لیتر بر سانتی‌متر مربع بر ثانیه اندازه‌گیری شد. خطای نسبی متناظر به‌ترتیب 2/27، 5/14 و 9/3 درصد بود. کاهش خطا با افزایش قطر الیاف نشان داد که اثر لغزش در قطرهای پایین‌تر نقش مهم‌تری دارد و با افزایش قطر، جریان به رژیم پیوسته نزدیک‌تر می‌شود. همچنین مقایسه با مدل‌های تحلیلی و تجربی نشان داد که هیچ مدل واحدی در تمام محدوده‌های قطر و تخلخل عملکرد یکسانی ندارد و انتخاب مدل مناسب باید بر اساس قطر الیاف، تخلخل و رژیم جریان انجام شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental and Numerical Analysis of Air Permeability in Nanofibrous Filters Based on Three-Dimensional Structural Reconstruction and SEM Image Processing

نویسندگان English

parham Soltani
Fatemeh Bahrami
Dariush Semnani
Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran
چکیده English

In this study, the air permeability of electrospun polyacrylonitrile nanofibrous webs was investigated using an experimental and numerical approach. The effects of four processing parameters, including solution concentration, applied voltage, feed rate, and collector speed, were studied using a Taguchi L9 orthogonal array. Scanning electron microscopy images showed that the produced webs had a continuous, porous, and bead-free structure. The experimental results indicated that changing the electrospinning conditions simultaneously affected the structural characteristics of the webs; the mean fiber diameter ranged from 194 to 563 nm, the web thickness from 3.50 to 23.67 µm, and the porosity from 71 to 97%. The air permeability of the samples varied from 4.09 to 89.17 mL cm⁻² s⁻¹. The highest permeability was obtained for sample 4, with a web thickness of 3.50 µm and a fiber diameter of 293 nm, whereas the lowest permeability was observed for sample 7, with a fiber diameter of 563 nm, a thickness of 16.00 µm, and a porosity of 81%. These results showed that the permeability of nanofibrous webs cannot be interpreted using a single variable such as fiber diameter or porosity alone; rather, it is governed by the combined effects of fiber diameter, web thickness, porosity, and the connectivity of flow paths. To numerically predict permeability, the three-dimensional web structure was reconstructed in MATLAB based on parameters extracted from SEM images. After meshing in Avizo software, airflow was simulated through the web thickness direction. Comparison between the numerical and experimental results for samples 3, 6, and 7 showed that the permeability values predicted by the numerical model were 22.36, 9.96, and 3.93 mL cm⁻² s⁻¹, respectively, while the corresponding experimental values were 30.71, 11.65, and 4.09 mL cm⁻² s⁻¹. The relative errors for these three samples were 27.2, 14.5, and 3.9%, respectively. The reduction in error with increasing fiber diameter indicated that slip effects are more significant at smaller fiber diameters, while the flow approaches the continuum regime as fiber diameter increases. Furthermore, comparison with analytical and empirical models showed that no single model performs uniformly over all ranges of fiber diameter and porosity; therefore, the appropriate permeability model should be selected based on fiber diameter, porosity, and flow regime.

کلیدواژه‌ها English

nanofibrous filter
air permeability
three-dimensional reconstruction
porosity
slip flow
numerical modeling

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 31 تیر 1405

  • تاریخ دریافت 05 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 16 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 31 تیر 1405