Utilisation de la spectrométrie infrarouge pour une quantification rapide du taux d’humidité dans des fibres végétales

International audienceIn the field of composite materials, natural fibres appear to be a viable replacement for glass fibres. However, in humid conditions, strong hydrophilic behavior of such materials can lead to high level of moisture absorption. This feature can result in a structural modification of the fibres and a modification of their own mechanical properties as well as those of the composites they are fitted in. Then, understanding moisture sorption mechanisms in these materials is an important issue for their efficient use. In this work, water absorption on three natural fibres (flax, hemp and sisal) studied qualitatively and quantitatively using non-invasive approach, i.e. Fourier transformed infrared spectroscopy. Fibres with different moisture content were prepared using climatic chambers, allowing strictly controlled hygrothermal ageing. The equilibrium water content were assessed by gravimetric measurement and determined for each relative humidity conditions (Relative humidity ranging from 30 % until 97 %). The principal chemical functions of fibres involved in the water absorption phenomenon were thereby identified and the water content of tested fibres was determined using a Partial Least Square Regression approach. The typical sorption isotherm curves described by Park model were clearly fitted, confirming the validity of our predictive model. Finally, this model has been applied for monitoring the water diffusion.Les fibres végétales sont une alternative possible aux fibres de verre utilisées classiquement comme renforts dans certains matériaux composites. En plus d’avantages environnementaux, leur faible densité leur confère des propriétés mécaniques spécifiques élevées. Cependant, leur comportement hydrophile marqué entraîne une forte absorption d’eau lors d’une utilisation en environnement humide, ce qui peut modifier leurs propriétés mécaniques. La compréhension de ces mécanismes d’absorption d’humidité est donc indispensable à leur maîtrise. Dans ce travail, l’absorption d’eau a été étudiée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier sur des fibres de lin, chanvre et sisal. Ces fibres ont été soumises à des conditions hygrométriques contrôlées. Les spectres infrarouges des échantillons ont été enregistrés en mode réflexion totale atténuée. Les informations spectrales ont permis de mettre en évidence les fonctions chimiques impliquées dans les mécanismes d’absorption de l’humidité et de quantifier le taux d’humidité retenu par les fibres. Pour cela, des modèles de régression partielle des moindres carrés ont été développés en exploitant des données expérimentales issues de mesures gravimétriques. Ces modèles se sont révélés de bons outils pour la caractérisation des cinétiques de diffusion de l’eau dans ces différentes fibres

Systematic mechanical assessment of consolidants for canvas reinforcement under controlled environment

In conservation, adhesives are commonly used for the consolidation of canvases, yet their impact upon the canvas longevity has raised some concerns amongst conservators. As such, this study presents a testing protocol developed to assess the performance of commonly-used adhesives (natural animal glue and synthetic Beva® 371) and a newly developed nanocellulose consolidant, nanofibrillated nanocellulose (CNF). This includes their effect on the visual appearance, consolidation, and response of the mechanical properties of the treated canvases to programmed changes in relative humidity (RH). Scanning electron microscopy (SEM) images of animal glue- and Beva® 371-treated canvases revealed the presence of adhesive and consolidant on and in-between cotton fibres. The consolidants form bridges linking and connecting the cotton fibres and holding them together, whereas the CNF treatment, formed a visible continuous and dense surface coating. None of the treatments induced any discernible colour change. Controlled environment mechanical testing was performed in two ways: by applying a linearly increasing static force at fixed RH (Young’s modulus) and by applying a dynamic force together with a programmed RH cycling between 20 and 80% (RH dependent viscoelastic properties). CNF gave a higher value of Young’s modulus than either of the two commonly-used materials. Measurements at different values of RH (20 and 80%) demonstrated for all the treated canvases that at the lower value (RH 20%) Young’s modulus values were higher than at the higher value (RH 80%). Besides, the dynamic mode showed that the rate of response in all cases was rapid and reversible and that the nanofibrillated cellulose treated sample showed the highest variation in storage (or elastic) modulus measured at the end of RH plateaux (20 and 80% RH). Thus CNF appears to be a promising material given its higher mechanical performance. The protocol developed in this study has enabled us to examine and compare candidate materials for the consolidation of canvases systematically, using testing parameters that remained relevant to the field of canvas conservation

Macro and nano dimensional plant fiber reinforcements for Cementitious Composites

uncorrected proofNowadays, the use of plant fibers in the civil construction industry is growing rapidly due to their low cost, light weight and good specific mechanical properties, lower health hazard, and environmental benefits. Nanodimensional fibers derived from plants such as nanocellulose are also getting considerable attention due to their excellent mechanical properties. This chapter discusses these different types of plant fibers and their derivatives which have huge application potential in the civil construction sector. The influence of plant fibers on microstructure as well as on physical–mechanical properties of cementitious composites are discussed in detail. The challenges regarding plant fiber processing and dispersion, the fiber/matrix interface, and the durability of plant fiber-cement composites are also addressed. The application of nanocellulose in polymer composites has been included in this chapter just to provide the readers sufficient background information and techniques to inspire engineered cement-based composites. Finally, the chapter concludes with the current application of plant fibers in civil construction and the future trends(undefined)info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Adaptive Force Controller Design and Implementation for Robot Manipulator with Uncertainty and Friction

本論文針對多軸機械手臂，考量未知環境下進行自適應力量控制設計。機械手臂的動態模型是會依照外在因素或系統參數的不確定性造成一具高度非線性的系統，因此，我們透過模糊類神經網路去建立機械手臂的動態模型估測器，期有效的克服上述問題。另外我們利用梯度坡降法估測環境材料之剛性係數，藉由剛性係數的更新去改變理想追蹤軌跡，進而達到力量控制。實際應用上，機械手臂存在著摩擦力的影響，因此我們進行機械手臂關節摩擦力鑑別，使模擬能夠與現實產生的影響相符合。在運動控制方面，軌跡規劃是必須的其可避免機械手臂產生不正常的運動與扭矩，我們提出一套基於S型函數之軌跡規劃，其有效的改善原先工業技術研究院(Industrial Technology Research Institute, ITRI)所設計的軌跡規劃的缺點，透過幾個模擬與實驗可以保證其軌跡規劃的連續性與可行性。控制器是設計於機械手臂關節空間中，因此我們透過基於賈可賓矩陣的關係建立逆向運動學，使設計在卡式座標下的軌跡能夠轉換成關節命令。模糊類神經網路估測器之更新式與控制器的穩定性透過李亞普諾夫(Lyapunov)定理獲得。最後將所提出的自適應力量控制器與軌跡規劃於工研院所研發多軸手臂(型號:AR605)進行模擬與實驗，驗證其所提出的控制策略性能。This thesis focuses on the design of adaptive force control for the n-link robot manipulator under unknown environment. The dynamic model of the robot manipulator is a highly non-linear system depending on some external factors or the uncertainty of the system parameters. Therefore, we establish the fuzzy neural network based estimators to overcome the above problems. In addition, we utilize the gradient method to estimate the stiffness coefficient of environmental materials. We change the desired trajectory through the updated stiffness coefficient of environment, as well as to achieve force control. We also identify the joint friction force, such that our simulations can be consistent with impact of reality. In the aspect of motion control, the path planning is necessary to avoid the abnormal motion and torque of the robot manipulator. We propose the path planning based on sigmoid function, which can effectively improve the shortcomings of the path planning proposed by Industrial Technology Research Institute (ITRI). Through several simulations and experiments, the continuity and feasibility of the path planning can be demonstrated. The proposed adaption controller is designed in the joint space of robot manipulator, the Jacobian matrix based inverse kinematics is used for the desired trajectory in Cartesian space. The update laws of the fuzzy neural networks and the stability of the controller are obtained by Lyapunov theorem. Finally, the proposed adaptive force controller and the path planning are applied on the industrial robot manipulator (model: AR605) developed by the ITRI, the efficient of the proposed control strategy can be verified by experimental results.Abstract in Chinese-----i Abstract in English-----ii Contents-----iii List of Figures-----vi List of Tables-----x Chapter One Introduction-----1 Chapter Two Introduction of Equipment-----5 2.1 Overview-----5 2.2 Robot Manipulator System of ITRI-----5 2.3 Robot Manipulator Control System Architecture-----7 2.4 Six-Axis Force/Torque Sensor-----8 2.5 Fixtures-----10 Chapter Three Adaptive Force Control Scheme of Robot Manipulator under Unknown Environment Stiffness-----12 3.1 Overview-----12 3.2 Introduction of Robot Manipulator Dynamics Model----- 13 3.3 Numerical Solution of Inverse Kinematics-----14 3.3.1 Jacobian Matrix-----14 3.3.2 Compensation of Numerical Solution via Newton Method-----15 3.4 Fuzzy Neural Network Systems-----18 3.5 Fuzzy Neural Networks based Adaptive Position and Force Control-----19 3.5.1 Adaptive Tracking Controller Design using FNNs----- 20 3.5.2 Adaptive Force Control Scheme-----23 3.6 Identification of Friction of Mechanical Robot Joint-----27 3.6.1 Classical Friction Model-----27 3.6.2 Derivation of Friction Identification Form----- 28 3.6.3 Static Friction Identification using PSO Algorithm -----29 3.6.4 Experimental Date Capture and Analysis-----32 3.7 Path Planning-----33 3.7.1 Sigmoid Function-----33 3.7.2 Sigmoid-based Path Planning Algorithm-----34 A. Sigmoid-based Position Planning Algorithm-----35 B. Sigmoid-based Velocity Planning Algorithm-----36 Chapter Four Simulation and Experimental Results on ITRI Robot Manipulator-----38 4.1 Overview-----38 4.2 The Results of Friction Identification-----39 4.3 The Effectiveness of Path Planning Algorithm-----47 Discussion A: The proposed path planning method-----47 Discussion B: Effectiveness of Newton compensation for inverse kinematic-----49 Discussion C: Effect of the path planning for inverse kinematic-----51 4.4 Simulation Results-----55 Example 4.1: Discussion on Selection of Stiffness Coefficient Initial Conditions-----56 Example 4.2: Discussion of Selection the Learning Parameter λ -----60 Example 4.3: Chris Trajectory for One Dimension Force Control-----64 Example 4.4: A Rectangular Trajectory for Similar to Force Control on the Phone Shell-----67 Example 4.5: Robustness Discussion-----72 4.5 Experimental Results and Applications-----75 Experimental Result 4.1: A Straight Line Trajectory in Free Space-----75 Discussion A: Path planning-----76 Discussion B: Comparison results of the proposed controller and PD-type controller-----79 Experimental Result 4.2: Force Control on Linear Trajectory-----82 Experimental Result 4.3: Force Control on A Rectangular Trajectory-----86 Discussion A: The results of the tracking control-----87 Discussion B: The results of the force control-----92 4.6 Conclusion-----98 Chapter Five Conclusions and Future Researches-----99 5.1 Conclusion-----99 5.2 Future Researches-----100 References-----10

Vers une méthodologie d'identification des paramètres de diffusion d'eau dans les polymères et composites.

National audienceDurant leur vie en service, les composites à matrice polymère peuvent être exposés à des environnements humides. Ces matériaux absorbent alors de l’eau par leur matrice polymère, qui est hydrophile. Les performances et la durabilité des structures composites dépendent des champs de teneur en eau. Leur prédiction par des outils numériques impose donc de caractériser précisément les paramètres de la loi de comportement diffusif de ces matériaux. Toutefois, dans le contexte où l’on travaille sur des échantillons relativement épais, les données expérimentales sont parfois incomplètes : le régime permanent asymptotique n’est pas toujours atteint, d’autant que la diffusion de l’humidité est un phénomène relativement lent.L’objectif de ce travail consiste justement à étudier la pertinence des paramètres de diffusion identifiés sur des cinétiques de diffusion dont le palier de saturation n’est pas précisément défini. Deux types de cinétiques de diffusion ont été considérés durant cette étude : des cinétiques Fickiennes et des cinétiques non-Fickiennes, dont l’allure est typique du modèle « Dual-Fick ». Des expériences numériques, basées sur la génération de données bruitées correspondant à des valeurs de référence des paramètres de diffusion, ont été réalisées. Les paramètres de diffusion correspondant à ces cinétiques ont ensuite été identifiés sur ces séries de données, tronquées à partir d’un temps critique. Les paramètres de diffusion identifiés peuvent s’écarter assez fortement des valeurs de référence attendues lorsque le seuil de troncature est antérieur à l’établissement du régime permanent. Si les courbes de la teneur en eau globale interpolées sont quasiment indépendantes du seuil de troncature, les profils de teneur en eau dans l’épaisseur qui résultent des paramètres identifiés présentent une forte variabilité

Biocomposites élaborés par thermocompression sous vide pour applications marines

International audienceThe fabrication of big sized (>3m), highly performant, biobased and recyclable composite parts is difficult with the current industrial processes. In this study, several parameters for the vacuum thermocompression of stacks of UD flax plies and MAPP films are compared. Mechanical tests, gravimetric analysis and SEM observations of the composites formed showed that if the polymer is heated enough and the impregnation is homogeneous, the shorter are the processing time and temperature, the less important are the thermical degradation within the flax fiber, and the more preserved are their mechanical characteristics. Although the porosity rate obtained is higher than what is reachable with other processes, the composite formed with the optimized parameters shows mechanical characteristics that are comparable to the data available in the literature for composites reinforced with flax fibers. Cyclic tests allow the decomposition of the formed composite mechanical behavior.Les procédés industriels actuels permettent difficilement la mise en œuvre de pièces composites de grandes tailles (>3m), à hautes performances mécaniques, biobasées et recyclables. Dans cette étude, différents paramètres de mise en œuvre par thermocompression sous vide, d’empilements unidirectionnels (UD) de fibres de lin et de films de Polypropylene modifié à l’anhydride maléique (MAPP), ont été comparés et discutés. Les essais mécaniques, le suivi gravimétrique, et l’observation au MEB des échantillons formés, ont montré que dans la mesure où le polymère est assez chauffé pour que l’imprégnation soit homogène, un temps et une température de cuisson plus faibles diminuent les dégradations thermiques des fibres de lin et préservent leurs caractéristiques mécaniques. Le composite formé par la cuisson optimisée présente des caractéristiques mécaniques comparables aux résultats de la littérature pour les composites renforcés de fibres longues de lin, et ce malgré un taux de porosité relativement élevé comparé à ce que l’on obtient via d’autres procédés. Des essais cycliques incrémentaux ont permis de décomposer le comportement mécanique des stratifiés formés

Effet de l'absorption d'humidité sur le comportement multi-échelles de bio-composites à fibres de lin

International audienceBio-composites still face some obstacles which are slowing down their development in new industries, due to the hydrophilic behavior of natural fibers. The aim of the present study is to investigate the multi-scale moisture diffusion phenomena in a unidirectional bio-composite material reinforced with flax fibers. The effects of fiber fraction, coupling agent and relative humidity on diffusion kinetics have been studied also. The investigatedcomposites consist of a polypropylene matrix with various flax fiber contents, to which maleic anhydride was added as a coupling agent. Samples were submitted to wet aging at two different relative humidity conditions (75% and 95%) and at a temperature of 23⁰C. Results have shown significant increase of moisture absorption with the increase of fiber content and relative humidity. However, after adding the coupling agent, composites have shown adecrease in moisture absorption due to the better adhesion at the fiber/matrix interface. It is noteworthy that once the fibers are incorporated in the matrix, the overall macroscopic property of the composite does not satisfy the classical lawsof mixtures, even for the maximum moisture absorption capacity.En raison du comportement hydrophile des fibres naturelles, les bio-composites à base de fibres végétales et de matrice polymérique rencontrent encore des obstacles qui freinent leur développement à grande échelle.L'objectif de cette étude est donc d'évaluer les phénomènes d'absorption de l'humidité à plusieurs échelles au sein d'un matériau bio-composite unidirectionnel renforcé de fibres de lin. Les effets du taux de fibres, de l'agent couplant et de l'humidité relative sur la cinétique de diffusion sont également étudiés. Les matériaux sont constitués d'une matrice polypropylène (avec ou sans agent couplant: anhydride maléique) avec différents taux de fibres. Les échantillons ont été soumis à un vieillissement humide à deux humidités relatives(75% et 95%)et à une température de 23°C. Les résultats montrent une augmentation significative de l'absorption d'humidité avec l'augmentation du taux de fibres et de l'humidité relative. Cependant, avec l’ajout d'agent couplant, les composites présentent une diminution de leur hydrophilie,attribuée à une meilleure adhérence à l'interface fibre/matrice. Il est intéressant de noter qu’une fois les fibres incorporées dans la matrice, les propriétés macroscopiques globales du composite ne satisfont pas la loi des mélanges classique, particulièrement ence qui concerne la capacité maximale d’absorption d’humidité

Poly(lactic acid)/pulp fiber composites : The effect of fiber surface modification and hydrothermal aging on viscoelastic and strength properties

Poly(lactic acid) (PLA)/kraft pulp fiber (30 wt%) composites were prepared with and without a coupling agent (epoxidized linseed oil, ELO, 1.5 wt%) by injection molding. The non-annealed composite samples, along with lean PLA, were exposed to two hydro-thermal conditions: cyclic 50% RH/90% RH at 23 and 50°C, both up to 42 days. The aging effects were observed by size exclusion chromatography, differential scanning calorimetry, dynamic and tensile mechanical analysis, and fracture surface imaging. ELO temporarily accelerated the material's internal transition from viscous to an increasingly elastic response during the aging at 50°C. ELO also slowed down the tensile strength reduction of the composites at 50°C. These observations were explained with the hydrophobic ELO molecules' coupling and plasticizing effects at fiber/matrix interfaces. No effects were observed at 23°C.CODEN: JAPNA; Funding details: Teknologian Tutkimuskeskus VTT; Funding text 1: The authors would like to thank Mr. Upi Anttila (VTT) and Mr. Eino Sivonen (VTT) for the preparation of the composite samples, and a number people at RISE Bioeconomy; Dr. Kristoffer Segerholm, Dr. Prashanth Srinivasa, Mr. Henrik Pettersson, Mr. Jens Haraldsson, Ms. Anna Östberg, Ms. Erika Back, for their help executing the experimental work in Stockholm in the spring 2019. The authors gratefully acknowledge the funding from VTT and RISE.</p