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Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Robust design and manufacturing of unidirectional hybrid flax-paper eco-composites

Ameri Ehsan. (2016). Robust design and manufacturing of unidirectional hybrid flax-paper eco-composites. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Canada is the world's largest producer of flax. However, most of the flax fibers are used either for food production or to weave into clothing and blankets. So, by developing rein-forcements of flax fibers to be used in polymeric composites, there is an opportunity to not only produce value-added products, but also be more environmentally friendly. Flax fibers are characterized by a higher specific stiffness (stiffness divided by density) than glass fibers and therefore can be considered as a potential replacement of glass fiber in composite parts. In order to develop flax fiber composites that can be used in load-bearing structures unidi-rectional reinforcement of flax fibers must be developed. This thesis aims at developing a new unidirectional flax/paper reinforcement with inter-esting properties in terms of permeability, tensile mechanical properties and bonding strength between paper and flax fibers in the dry reinforcement. To study and model the important reinforcement parameters on the concerned properties, the classical robust parameter design approach is considered. Moreover, high quality fabrication and characterization methods are developed to yield consistent results. Feasibility of mass scale production of the hybrid uni-directional flax/paper reinforcement on the pilot paper machine of Innofibre is also studied. To study the reinforcement on a laboratory scale two material parameters, including sur-face density of the paper sheet and the surface density of the flax layer, as well as two fabri-cation parameters, including forming pressure and drying temperature, are considered. Ef-fects of these parameters are studied on three properties of the material, comprising the co-hesion between the two reinforcement layers (flax and paper), reinforcement permeability and mechanical properties of the final eco-composite. For the modeling aspect, the design of experiment followed by statistical modeling are used. In addition, effects of different rein-forcement architectures as well as the fiber volume fraction are studied through comparative studies. Effect of temperature on improving the flax- paper cohesion and decreasing its standard deviation in the dry reinforcement was identified. Mean and standard deviation of the per-meability along the yarns’ direction (K1) is mainly influenced by surface density of the flax layer. So, this parameter must be adjusted to its maximum value to reduce the standard deviation. It has been shown that the temperature has a statistically significant effect on the rein-forcement surface density as well as strength of the eco-composite. Although temperature effect on mean values of surface density and strength could be marginal from an engineering point of view, it is concluded that it should be adequately controlled during manufacturing process of the reinforcement to minimize variance of mechanical properties results. Through comparative studies, it was shown that the paper layer reduces the standard deviation of the K1 permeability and tensile properties of eco-composite. These results show that the flax/pa-per reinforcement has a robust architecture compared to sole layer of unidirectional flax. Specific stiffness of the final eco-composite is found to be higher than that of a UD glass fiber composite, at the same fiber volume fraction. This very important finding paves the way for industrial applications of the studied reinforcement. This material could be potentially used in the automotive industry, aerospace, sports as well as the building sector. The flax yarns are fed into the pilot paper machine of Innofibre and then at the exit of the machine, the paper sheet reinforced by unidirectional flax yarns was rolled up successfully. This result, proves that the mass scale fabrication of reinforcement is feasible and therefore paves the way for attracting industrial interest and also reducing its production costs.

Les travaux de cette thèse visent à développer et caractériser un renfort unidirectionnel (UD) lin/papier contenant une couche UD de fils de lin alignés dont la cohésion est assurée par une couche de papier de fibres courtes de Kraft (fibres de bois). Les performances de ce nouveau renfort comprennent sa perméabilité à l'écoulement de résine liquide, le comporte-ment en traction du composite qui en résulte une fois imprégné, ainsi que sa résistance au cisaillement (cohésion à sec entre les fibres de lin et de papier). La résistance au cisaillement du renfort est un indice de qualité assurant que les fils restent autant que possible intacts (alignés) lors de la manipulation du renfort et autant que possible pendant l'injection de la résine. La perméabilité et la performance à la traction du composite (particulièrement sa rigidité spécifique) constituent pour leur part les bases permettant d'évaluer si des pièces composites fabriquées à partir de ce renfort peuvent concurrencer les composites à fibres de verre. Les paramètres étudiés du renfort comprennent la densité surfacique (ou grammage) des couches de lin et de papier, la pression de formation de renfort, ainsi que sa température de séchage. De plus les effets des différents taux de fibres et des différentes configurations (architectures) du renfort sont aussi étudiés. La possibilité de produire le renfort hybride UD lin/papier à grande échelle (machine d'Innofibre du Cégep de Trois-Rivières) est finalement évaluée. Selon la définition théorique de la conception robuste, un produit ou un procédé est ro-buste s’il est peu sensible aux effets des sources de variabilité rencontrées dans son cycle de vie, même si les sources elles-mêmes n’ont pas été éliminées. Considérant que les propriétés des fibres naturelles ont une variabilité inhérente, un objectif important de cette thèse consiste à étudier l'influence des différents paramètres sur la variation des propriétés pour ainsi appliquer une méthode de conception paramétrique robuste du nouveau renfort. À plus long terme le projet consiste à fabriquer des pièces composites de géométries et dimensions arbitraires en utilisant le renfort hybride UD lin/papier. Ce projet, lancé au laboratoire de mécanique et éco-matériaux (LMEM) en 2010, se compose de quatre phases : choix des constituants, conception de renforts, étude du comportement de composites plans, et finalement moulage et conception de pièces composites plus complexes. Toutes ces phases ne peuvent bien sûr être adressées dans un seul projet de thèse. Pour cette raison, dans cette thèse seule les phases de conception (paramétrique robuste) du renfort et d’analyse de son comportement sur des échantillons planaires sont adressées.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Mai 2016
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:215
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie industriel
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Lebrun, Gilbert
Laperrière, Luc
Mots-clés:flax yarn, kraft fiber, natural fiber composites (NFC), permeability, statistical method, unidirectional reinforcement
Déposé le:26 janv. 2017 08:41
Dernière modification:07 févr. 2017 02:06
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