Optical scattering measurement devices are used to measure light reflection and light scattering from materials, to obtain data of the surface and bulk properties of materials. The measurement data are often used in research and development projects where material requirements are important, also for quality control in manufacturing processes, in different optical simulations and can be used for photorealistic rendering. In this master thesis project conducted at AFRY, a multifunctional team will develop an optical scattering measurement device that aims to collect data more accurately than current devices on the market. This thesis will focus on the mechanical design of the device which consists of the stability and movement of the components, the environment of the measurements and material selection with a focus on performance and sustainability. The optical model that will act as a basis for the development will be a gonioreflectometer consisting of a material sample, sample holder, light source, detector and an environment in which the measurements are conducted. Some of the physical, cognitive and emotional needs of the intended user are efficient use, low risk of misuse, reliable and high precision. A thorough requirement specification was made as a framework for the concept generation. The selected concept provides the movement of the optical components with an angular step enabling the desired optical scattering measurement. The selected stepper motor and gear ratio provides the flexibility of the movement, making it easy for the user to change angular steps of the optical components, enabling both fine and rough measurements. A separating screen was chosen for both concepts in order to avoid light contamination between measurements and the material sample holder resembles a frame that allows for mounting the material sample outside of the device. The mechanical system has a high stability and the material black anodized aluminum further contributes to the sturdiness of the construction. A physical prototype was created to validate the movement, since the movement of the detector and light source will be similar, only the detector movement was prototyped. The prototype showed that the movement of the detector worked in the desired way, hence the construction of the movement is approved. The scope was delimited in consensus with the project members and supervisors due to the time frame, hence there is future work on the device that should be accounted for. In conclusion, the purpose of the project was fulfilled after delimiting the goals and a conceptual solution was created that fulfilled the requirements of the project. / Optiska mätinstrument används för att mäta ljusreflektion och ljusspridning från material, för att erhålla data om materialets yt- och bulkegenskaper. Mätdata används ofta i forsknings- och utvecklingsprojekt där materialkrav är viktiga, även för kvalitetskontroll i tillverkningsprocesser, i olika optiska simuleringar och kan användas för fotorealistisk rendering. I detta examensarbete, genomfört på AFRY, kommer ett multifunktionellt team att utveckla en optisk spridningsmätningsenhet som syftar till att samla in data mer noggrant. Denna avhandling kommer att fokusera på den mekaniska designen av enheten som består av stabiliteten och rörelsen av komponenterna, mätmiljön och materialval med fokus på prestanda och hållbarhet. Den optiska modellen som kommer att ligga till grund för utvecklingen kommer att vara en gonioreflektometer bestående av ett materialprov, provhållare, ljuskälla, detektor och en miljö där mätningarna genomförs. Några av de fysiska, kognitiva och emotionella behoven hos den avsedda användaren är effektiv användning, låg risk för felanvändning, pålitlighet och hög precision. En noggrann kravspecifikation gjordes som en ram för konceptgenereringen. Det valda konceptet möjliggör rörelse av de optiska komponenterna med ett vinkelsteg som tillåter den önskade optiska spridningsmätningen. Den valda stegmotorn och utväxlingen ger flexibilitet i rörelsen, detta bidrar till att det är enkelt för användaren att ändra vinkelstegen för de optiska komponenterna, vilket tillåter både fina och grova mätningar. En avskiljningsskärm valdes för att undvika ljuskontaminering mellan mätningarna och materialprovhållaren liknar en ram där materialprovet monteras utanför enheten. Det mekaniska systemet har en hög stabilitet och materialet svart anodiserad aluminium bidrar till konstruktionens robusthet. En fysisk prototyp skapades för att validera rörelsen, eftersom rörelsen av detektorn och ljuskällan kommer att vara liknande, återskapades endast detektorns rörelse. Prototypen visade att detektorns rörelse fungerade på önskat sätt, därmed godkänns konstruktionen av rörelsen. Projektets mål avgränsades i samförstånd med projektmedlemmarna och handledarna på grund av tidsramen, därmed finns det framtida arbete för mätinstrumentet som bör beaktas. Sammanfattningsvis uppfylldes projektets syfte efter att målen avgränsats och en konceptuell lösning skapades som uppfyllde projektets krav.

[ES] La tesis doctoral explora la aplicación potencial de fibras de lana de oveja, un subproducto sostenible de la industria láctea, como refuerzo en materiales poliméricos biodegradables, con un enfoque en los compuestos de ácido poliláctico (PLA). El objetivo principal es desarrollar y optimizar sistemas de polímeros reforzados con fibras (FRP) mediante el análisis de los efectos de las modificaciones en la superficie de las fibras y la variación en la composición de los compuestos en las propiedades mecánicas y térmicas. El estudio se divide en enfoques experimentales y computacionales, involucrando cuatro estudios experimentales principales y dos proyectos suplementarios de modelado basado en aprendizaje automático. Los estudios experimentales se centraron en la preparación y caracterización de mezclas de PLA y aceite de linaza maleinizado reforzadas con fibras de lana de oveja. Se aplicaron sistemáticamente tratamientos de superficie utilizando agentes acoplantes de silano y alcoxido para mejorar las interacciones entre las fibras y el polímero. En particular, el tratamiento con isopropóxido de titanio (IV) (triethanolamina) mejoró significativamente la resistencia a la tracción, mientras que el tratamiento con trimetoxi (2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil)silano mostró la mayor resistencia al impacto entre los agentes probados. El análisis térmico reveló que estas modificaciones de superficie aumentaron las temperaturas de cristalización en frío y redujeron el grado general de cristalinidad, aunque los tratamientos con alcoxido afectaron desfavorablemente la estabilidad térmica al disminuir la temperatura de pérdida de masa del 5%. Investigaciones experimentales adicionales exploraron los efectos de mayores concentraciones de fibras de lana y mayores niveles de agentes de tratamiento superficial. Un contenido elevado de fibras generalmente resultó en una disminución de las propiedades de tracción debido a una unión insuficiente entre el polímero y las fibras; sin embargo, los tratamientos con silano compensaron parcialmente estos efectos negativos al mejorar el módulo de Young y la elongación a la rotura. Además, se empleó un pretratamiento con plasma en las fibras de lana para eliminar lípidos superficiales, lo que mejoró la elongación a la rotura, a pesar de una ligera reducción en la resistencia a la tracción. Los estudios de envejecimiento físico a largo plazo demostraron cambios significativos en la estructura cristalina y las transiciones térmicas de los compuestos de PLA, afectando su rendimiento mecánico y destacando la importancia de la estabilidad de los materiales en aplicaciones de biopolímeros. Siguiendo los esfuerzos experimentales, los estudios computacionales emplearon algoritmos de aprendizaje automático para predecir propiedades de los materiales basándose en los resultados de caracterización. Estos modelos predijeron eficazmente la resistencia a la tracción, la degradación térmica y otras propiedades de los materiales en diversas formulaciones, permitiendo así una exploración eficiente de un rango más amplio de composiciones con un costo experimental reducido. Los resultados de esta tesis confirman la viabilidad de utilizar fibras de lana de oveja como refuerzos efectivos y ecológicos para polímeros biodegradables basados en PLA. Las propiedades mecánicas y térmicas mejoradas a través de las modificaciones de la superficie de las fibras, combinadas con los modelos de aprendizaje automático, contribuyen al desarrollo de FRP sostenibles adecuados para aplicaciones diversas en los sectores automotriz, aeroespacial, agrícola y de productos de consumo. Esta investigación propone un enfoque para la utilización de materiales derivados de fuentes biológicas y promueve el uso de subproductos de la industria láctea, ofreciendo importantes beneficios ambientales e industriales. Además, el uso de modelado computacional proporciona un enfoque novedoso para la optimización de formulaciones de materiales. / [CA] La tesi doctoral explora l'aplicació potencial de fibres de llana d'ovella, un subproduct sostenible de la indústria làctia, com a reforç en materials polimèrics biodegradables, amb un enfocament específic en els compostos d'àcid polilàctic (PLA). L'objectiu principal és desenvolupar i optimitzar sistemes de polímers reforçats amb fibres (FRP) mitjançant l'anàlisi dels efectes de les modificacions en la superfície de les fibres i la variació en la composició dels compostos sobre les propietats mecàniques i tèrmiques. L'estudi es divideix en enfocaments experimentals i computacionals, amb quatre estudis experimentals principals i dos projectes suplementaris de modelatge basat en aprenentatge automàtic. Els estudis experimentals es van centrar en la preparació i caracterització de mescles de PLA i oli de lli maleïnitzat reforçades amb fibres de llana d'ovella. Es van aplicar sistemàticament tractaments de superfície utilitzant agents d'acoblament de silà i alcoxid per millorar les interaccions entre les fibres i el polímer. En particular, el tractament amb isopropòxid de titani (IV) (trietanolamina) va millorar significativament la resistència a la tracció, mentre que el tractament amb trimetoxisilà (2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil) va mostrar la major resistència a l'impacte entre els agents provats. L'anàlisi tèrmica va revelar que aquestes modificacions de superfície van augmentar les temperatures de cristal·lització en fred i van reduir el grau general de cristallinitat, encara que els tractaments amb alcoxid van afectar desfavorablement l'estabilitat tèrmica en reduir la temperatura de pèrdua de massa del 5%. Investigacions experimentals addicionals van explorar els efectes de majors concentracions de fibres de llana i de nivells més alts d'agents de tractament superficial. Un alt contingut de fibres generalment va resultar en una disminució de les propietats de tracció a causa d'una unió insuficient entre el polímer i les fibres; tanmateix, els tractaments amb silà van compensar parcialment aquests efectes negatius en millorar el mòdul de Young i l'elongació en la ruptura. A més, es va utilitzar un pretractament amb plasma en les fibres de llana per eliminar els lípids superficials, fet que va millorar l'elongació en la ruptura, malgrat una lleugera reducció en la resistència a la tracció. Els estudis d'envelliment físic a llarg termini van demostrar canvis significatius en l'estructura cristal·lina i les transicions tèrmiques dels compostos de PLA, afectant el seu rendiment mecànic i ressaltant la importància de l'estabilitat dels materials en aplicacions de biopolímers. Seguint els esforços experimentals, els estudis computacionals van emprar algorismes d'aprenentatge automàtic per predir propietats dels materials basant-se en els resultats de caracterització. Aquests models van predir eficaçment la resistència a la tracció, la degradació tèrmica i altres propietats dels materials en diverses formulacions, permetent així una exploració eficient d'un rang més ampli de composicions amb un cost experimental reduït. Els resultats d'aquesta tesi confirmen la viabilitat d'utilitzar fibres de llana d'ovella com a reforços efectius i ecològics per a polímers biodegradables basats en PLA. Les propietats mecàniques i tèrmiques millorades mitjançant les modificacions de la superfície de les fibres, combinades amb els models d'aprenentatge automàtic, contribueixen al desenvolupament de FRP sostenibles adequats per a aplicacions diverses en els sectors de l'automoció, l'aeroespacial, l'agrícola i els productes de consum. Aquesta investigació proposa un enfocament per a la utilització de materials derivats de fonts biològiques i promou l'ús de subproductes de la indústria làctia, oferint importants beneficis ambientals i industrials. A més, l'ús de modelatge computacional proporciona un enfocament novedós per a l'optimització de formulacions de materials. / [EN] The doctoral thesis explores the potential application of sheep wool fibers, a sustainable by-product from the dairy industry, as reinforcement in biodegradable polymeric materials, specifically focusing on polylactic acid (PLA) composites. The primary objective is to develop and optimize fiber-reinforced polymer (FRP) systems by examining the effects of fiber surface modifications and varying composite compositions on mechanical and thermal properties. The study is divided into experimental and computational approaches, involving four main experimental studies and two supplementary machine learning modeling projects. Experimental studies focused on the preparation and characterization of PLA/maleinized linseed oil blends reinforced with sheep wool fibers. Surface treatments using silane and alkoxide coupling agents were systematically applied to enhance fiber-polymer interactions. Notably, treatment with titanium (IV) (triethanolaminate)isopropoxide significantly improved tensile strength, while trimethoxy (2-(7-oxabicyclo[4.1.0]hept-3-yl)ethyl)silane treatment yielded the highest impact strength among the tested agents. Thermal analysis revealed that these surface modifications increased cold crystallization temperatures and reduced the overall degree of crystallinity, although alkoxide treatments unfavorably affected thermal stability by lowering the temperature of 5% mass loss. Further experimental work explored the effects of increased wool fiber concentrations and higher levels of surface treatment agents. High fiber content generally resulted in reduced tensile properties due to insufficient polymer-fiber bonding; however, silane treatments partially compensated for these negative effects by enhancing Young's modulus and elongation at break. Additionally, plasma pretreatment of wool fibers was employed to remove surface lipids, which improved elongation at break despite a slight reduction in tensile strength. Long-term physical aging studies demonstrated significant changes in the crystalline structure and thermal transitions of PLA composites, impacting their mechanical performance and highlighting the importance of material stability in biopolymer applications. Following the experimental efforts, computational studies utilized machine learning algorithms to predict material properties based on the characterization results. These models effectively forecast tensile strength, thermal degradation, and other material properties across various formulations, thereby enabling the efficient exploration of a broader range of material compositions with reduced experimental cost. The results of this thesis confirm the possibility of using sheep wool fibers as effective, eco-friendly reinforcements for PLA-based biodegradable polymers. The enhanced mechanical and thermal properties achieved through fiber surface modifications, combined with the machine learning models, contribute to the development of sustainable FRPs suitable for diverse applications in automotive, aerospace, agricultural, and consumer product sectors. This research shows an approach for the utilization of bio-derived materials and promotes the usage of dairy industry by-products, offering significant environmental and industrial benefits. Furthermore, the use of computational modeling provides a novel approach for optimizing material formulations. / Pawlak, FJ. (2025). Use of wool reinforcements for biodegradable materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214791