Cette thèse rapporte l'étude d'un procédé original de filage continu par coagulation de nanotubes de carbone afin d'obtenir une fibre composite aux propriétés balistiques remarquables. Elle s'intéresse à la caractérisation des fonctions chimiques de surface, de la morphologie et des dimensions des nanotubes aux différentes étapes du procédé. Y sont détaillées une étude quantitative des effets et cinétiques de scission des nanotubes par les ultrasons. Elle présente de plus des travaux relatifs au développement d'une ligne continue de filage des nanotubes de carbone en voie solvant. Des méthodes originales de caractérisation mécanique in-situ de fibre gel sont proposées, permettant notamment un meilleur contrôle des paramètres physicochimiques liés au procédé. Nous espérons que les résultats obtenus participeront à une meilleure compréhension des effets des traitements utilisés pour l'obtention de dispersion homogène de nanotubes de carbone et à un développement des procédés continus de filage textile. / This thesis deals with an original continuous spinning process of carbon nanotubes by coagulation. It focuses on characterization of surface chemical functions, morphology and dimensions of carbon nanotubes at each stage of the process. We present a quantitative study about the effects and kinetics of nanotubes scission induced by ultrasound. We present also the development of a continuous wet-spinning line. We propose methods for in-situ mechanical characterization of gel fibers, which enable a better control of physico-chemical parameters of the process. We hope that these results will participate to a better global comprehension of the effects of treatments used to obtain homogeneous carbon nanotubes suspension and to the development of continuous spinning process of high performance textile fibers.

Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff aus einer Feinbetonmatrix und einer textilen Bewehrung, die aus sogenannten Rovings besteht. Nach Reißen der spröden Matrix sind diese Rovings in der Lage, die Risse in der Matrix zu überbrücken. In diesem Beitrag wird ein analytisches Modell vorgestellt, welches den Einfluss der Rovings auf das Rissverhalten erfassen kann. Die Wirkung der Fasern wird durch rissüberbrückende Spannungen approximiert. Dabei kommt unter Annahme linear elastischen Materialverhaltens das bruchmechanische Konzept der Methode der Gewichtsfunktionen zum Einsatz. Als ein spezielles Anwendungsgebiet des vorgestellten bruchmechanischen Konzeptes werden Risse im Bereich von Übergreifungen der textilen Bewehrung untersucht. Hier kann es, abhängig von der vorhandenen Übergreifungslänge, zum Auszug der Rovings kommen. Um diesen Versagensmechanismus zu verhindern, ist eine Mindestübergreifungslänge erforderlich.

Die Textiltechnik ermöglicht den Einsatz von rezyklierten Kohlenstofffasern in thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen mit hohen Festigkeitsanforderungen. Das Erreichen vergleichbarer mechanischer Eigenschaften entsprechender endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoffe wird durch die Nutzung von Stapelfaser-Hybridgarntextilien realisiert. Die Anwendung von thermoplastischen Hybridgarntextilien für die Herstellung von mehr als 100.000 Bauteilen pro Jahr erfordert jedoch eine kurze Taktzeit zur Imprägnierung und Konsolidierung des textilen Halbzeugs. Diese ist in dem derzeitigen Stand der Technik nicht gegeben, sodass hier Forschungsbedarf besteht. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Methode zur Reduktion der Taktzeit zur Imprägnierung und Konsolidierung komplexer Bauteilgeometrien auf Basis leitfähiger Hybridgarntextilien von derzeitig mehreren Minuten auf unter eine Minute, mit Potenzial zur weiteren Minimierung. Dies erfolgt mittels In-situ-Erwärmung im formgebenden Werkzeug unter Nutzung der Widerstandsverluste bei Stromfluss durch die leitfähigen Verstärkungsfasern. Neben der Charakterisierung und Simulation der Erwärmung im Mehrlagengewebe wird eine Parameteranalyse an generischen Probekörpern durchgeführt, um die Machbarkeit zu demonstrieren. Genauso findet eine erfolgreiche Skalierung der Technologie durch Übertragung der Ergebnisse auf eine komplexe Bauteilgeometrie anhand einer innovativen Werkzeugtechnologie statt. Am Ende der Arbeit erfolgt eine wirtschaftliche Betrachtung der kompletten Prozesskette von der einzelnen Faser, über den Hybridroving und das Mehrlagengewebe, bis zum fertigen Bauteil. Die Arbeit zeigt eine Technologie zur wirtschaftlichen Fertigung von Bauteilen aus rezyklierten Kohlenstofffasern in unter einer Minute Taktzeit. Des Weiteren bieten sich Vorteile durch die geringen Materialkosten des Hybridrovings, den hohen Grad der Automatisierung und die energetisch effiziente intrinsische Erwärmung des Halbzeugs.

yes / Novel natural fibre composites of nylon-6 reinforced with coconut shell (CS) particles and empty fruit bunch (EFB) fibres have been investigated. Fillers were alkali treated before melt compounding with nylon-6. Mechanical, thermal and rheological properties of composites were measured. Tensile modulus was found to improve with both fillers up to 16% for nylon-6/CS composite and 10% for nylon-6/EFB composite, whereas a moderate increase in tensile strength was observed only with CS composites. Differences in the strengthening mechanisms were explained by the morphology of the two fillers, empty fruit bunch fibres having a weaker cellular internal structure. Observation of composite morphology using SEM showed that both fillers were highly compatible with nylon-6 due to its hydrophilic nature. Both fillers were found to cause a slight drop in crystallinity of the nylon matrix and to lower melt viscosity at typical injection moulding strain rates. Moisture absorption increased with addition of both fillers.

Cette thèse rapporte l'étude d'un procédé original de filage continu par coagulation de nanotubes de carbone afin d'obtenir une fibre composite aux propriétés balistiques remarquables. Elle s'intéresse à la caractérisation des fonctions chimiques de surface, de la morphologie et des dimensions des nanotubes aux différentes étapes du procédé. Y sont détaillées une étude quantitative des effets et cinétiques de scission des nanotubes par les ultrasons. Elle présente de plus des travaux relatifs au développement d'une ligne continue de filage des nanotubes de carbone en voie solvant. Des méthodes originales de caractérisation mécanique in-situ de fibre gel sont proposées, permettant notamment un meilleur contrôle des paramètres physicochimiques liés au procédé. Nous espérons que les résultats obtenus participeront à une meilleure compréhension des effets des traitements utilisés pour l'obtention de dispersion homogène de nanotubes de carbone et à un développement des procédés continus de filage textile.

The goal of this research is to investigate the combined effects of glass fibre reinforcement and molecular orientation in polypropylene-short glass fibre composites. Specimens have been fabricated using the injection moulding process and drawn using a small die drawing rig. The effects of die drawing on the fibre composites are complex, with the drawing process orienting both the polymer molecules and the glass fibres. This may be accompanied by the creation of voids in the polymer matrix and their destruction in the compressive stress field thus restoring the interfacial contact area between fibre and matrix. Unfilled and short glass fibre filled polypropylene specimens, with fibre content 7% wt, 13%wt, 27%wt, and 55%wt, were injection moulded prior to the die drawing process. An experimental program of die drawing within an oven at elevated temperature was conducted for polypropylene filled to various levels and at different strain rates. The specimens drew to draw ratios in the range γ=1.41 to γ=5.6. Mechanical characterization of the test materials has been conducted by examining the tensile stress strain and fracture behaviour under uniaxial conditions. The influence of glass fibre content and drawing conditions (draw ratio) on the fracture toughness and crack propagation was investigated using the double edge notched fracture test. The notch lengths ranged from 1.5 to 2.5 mm for 10 mm wide specimens. The critical stress intensity factor increased as the fibre content increased up to a limiting filler level. The fracture toughness of both unfilled and fibre filled polypropylene were found to be highly dependent on draw ratio. The results were analysed to find out the optimal draw ratio and fibre content that yielded the maximum modulus, strength and fracture toughness. Data showed that, at a given draw ratio, modulus, strength and fracture toughness increased with increasing fibre content to a maximum and then decreased. The optimum material was obtained at a draw ratio of 2.5 and filler loading 13wt%.

Sandwichplatten sind effiziente Leichtbauelemente. Sie werden im Fahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt, im Werkzeugmaschinenbau und überall dort, wo es auf geringe bewegte Massen ankommt, eingesetzt. Sandwichplatten sind oft Halbzeuge. Sandwichbauteile haben oft einen aufwendigen Herstellungsprozess, der eine Wärmebehandlung, die höhere Genauigkeiten ausschließt, beinhaltet. Aus diesen Gründen ist es oft sinnvoll, Inserts erst im Nachhinein in die fertige Sandwichplatte bzw. in das fertige Sandwichbauteil einzusetzen. Diese Inserts haben unterschiedliche Aufgaben. Sie dienen z.B. der Aufnahme von Schrauben, Bolzen und Lagern. Die vorgestellte Verbindung entspricht durch ihre spezielle Geometrie den hohen Anforderungen für Verbindungselemente in den genannten Gebieten hinsichtlich Genauigkeit und Stabilität. Es wird der Konstruktionsprozess eines Inserts für Sandwichplatten aus CFK- Verbundmaterial beschrieben. Ausgehend von einer patentierten Lösung der Autoren findet eine schrittweise Produktverbesserung bis hin zu einem einsatzfähigen Prototypen statt. Durch die Insertverbindung können für den Maschinenbau erforderliche Genauigkeiten nun mit CFK- Halbzeugen umgesetzt werden. Die Anwendung dieses Leichtbaupotentials führt zur Energieeinsparung und zum Transfer von CFK- Anwendungen in den Maschinenbau.

Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff aus einer Feinbetonmatrix und einer textilen Bewehrung, die aus sogenannten Rovings besteht. Nach Reißen der spröden Matrix sind diese Rovings in der Lage, die Risse in der Matrix zu überbrücken. In diesem Beitrag wird ein analytisches Modell vorgestellt, welches den Einfluss der Rovings auf das Rissverhalten erfassen kann. Die Wirkung der Fasern wird durch rissüberbrückende Spannungen approximiert. Dabei kommt unter Annahme linear elastischen Materialverhaltens das bruchmechanische Konzept der Methode der Gewichtsfunktionen zum Einsatz. Als ein spezielles Anwendungsgebiet des vorgestellten bruchmechanischen Konzeptes werden Risse im Bereich von Übergreifungen der textilen Bewehrung untersucht. Hier kann es, abhängig von der vorhandenen Übergreifungslänge, zum Auszug der Rovings kommen. Um diesen Versagensmechanismus zu verhindern, ist eine Mindestübergreifungslänge erforderlich.

Les filaments composites cœur/peau ont été développés dans le but de proposer des capteurs et de effecteurs textiles pour des applications « smart textiles ». Le filage des filaments a été effectué avec une technique de type extrudeuse à piston. Le travail a porté sur la modification d’une machine de filage par fusion, de la caractérisation de polymères, de la caractérisation des filaments développés et de l’optimisation des techniques d’obtention des filaments. La conception du procédé ainsi que son optimisation ont été effectués avec du PET. La modification de la machine a consisté à concevoir les filières, modifier le piston et à introduire un canal d’alimentation sous forme de tube en inox pour sécuriser le passage du filament métallique d’âme dans le four. Ainsi, 10 filières différentes et trois pistons ont été conçus en se fondant sur les règles industrielles puis leurs performances ont été optimisées. Les polymères ont été caractérisés par DSC, par rhéologie et par techniques analytiques. Ces résultats ont montré la forte influence de la température en particulier une forte réduction de la cristallinité du filament composite. L’optimisation des paramètres d’extrusion a pris en compte la vitesse du piston, la vitesse de bobinage, les modifications de la machine dont le nombre de trous des filières, la position du tube dans la filière, les dimensions internes du tube, le diamètre de sortie de la filière. Il a été montré que la conception de la filière a une influence significative sur la forme des filaments obtenus ainsi que sur la concentricité de l’âme. Les propriétés physiques, morphologiques, tribologiques et mécaniques des filaments ont été mesurés. Ainsi, les filaments ont des diamètres compris entre 350 et 500 µm et peuvent être de formes elliptique, triangulaire, rectangulaire ou circulaire et les meilleures propriétés mécaniques sont obtenues avec les filaments le plus réguliers tandis que les filaments irréguliers présentent un coefficient de frottement plus important. Les résultats concernant la rigidité en flexion se sont avérés peu fiables. A partir des paramètres optimisés, un filament composite de polymère ferroélectrique (PVDF 70%-TrFE 30%) avec une âme cuivre a été filé et a montré de parfaites caractéristiques de forme et de concentricité. Ce filament composite peut maintenant être utilisé pour développer des capteurs et des effecteurs, des transmetteurs de signaux, des boucliers électromagnétiques et de l’électronique intégrable dans les vêtements. / A coaxial composite fiber has been developed for the intended application in textile based sensors, actuators and eletric signal transmissions in wearable textile products. The work focuses on melt extrusion machine modification, characterization of polymers, characterization of developed filaments and optimization techniques for obtaining required results. Melt extrusion machine has been used having piston based mechanism. The process design and optimization was done using polyester polymer. The machine modification includes design of spinnert, piston end modification and introduction of separate feeding channel for core filament in the oven. A number of 10 spinnerets designs were developed according to industrial die design rules and optimized for their performance. The piston end designs developed were 3 in number. A stainless steel tube has been introduced into the oven for a separate secure passage of core filament. The polymer characterization was done by thermal, rheological and analytical techniques. The obtained results exhibited thermal attibutes of the polymer and showed reduction in degree of crystallanity in composite filament. The optimization of extrusion parameters including piston speed, winding speed ; and modifications in machine which includes design parameters of number of holes, tube position, tube internal diameter and spinneret exit diameter were done. It was observed that design parameters have significant effect on cross-sectional shape, eccentricity of core and morphology of filament. The characterization of composite filament has been carried out by physical, morphological, mechanical, tribology and bending techniques. The composite filaments developed were in range of 350-500 µm diameter. The filaments developed have elliptical, triangular, rectangular and circular shapes. The regular filaments showed higher tenacity and breaking strength than irregular shaped filaments. The frictional coefficient values were found higher for irregular shapes. Bending stiffness results obtained were not reliable for irregular cross-sectional shapes. The optimized parameters wers used to develop composite filament using ferroelectric polymer (PVDF-TrFE) having 70 :30 ratio copolymer. The developed filament was very regular in shape with good eccentricity of core. The developed Cu/PVDF-TrFE core/sheath filament can be used for development of sensors and actuators. The Cu/Polyester core/sheath filament can be used for electrical signal transmission lines in wearable electronic textiles and for development of electromagnetic shielding effectiveness fabrics.

The goal of this research is to investigate the combined effects of glass fibre reinforcement and molecular orientation in polypropylene-short glass fibre composites. Specimens have been fabricated using the injection moulding process and drawn using a small die drawing rig. The effects of die drawing on the fibre composites are complex, with the drawing process orienting both the polymer molecules and the glass fibres. This may be accompanied by the creation of voids in the polymer matrix and their destruction in the compressive stress field thus restoring the interfacial contact area between fibre and matrix. Unfilled and short glass fibre filled polypropylene specimens, with fibre content 7% wt, 13%wt, 27%wt, and 55%wt, were injection moulded prior to the die drawing process. An experimental program of die drawing within an oven at elevated temperature was conducted for polypropylene filled to various levels and at different strain rates. The specimens drew to draw ratios in the range ¿=1.41 to ¿=5.6. Mechanical characterization of the test materials has been conducted by examining the tensile stress strain and fracture behaviour under uniaxial conditions. The influence of glass fibre content and drawing conditions (draw ratio) on the fracture toughness and crack propagation was investigated using the double edge notched fracture test. The notch lengths ranged from 1.5 to 2.5 mm for 10 mm wide specimens. The critical stress intensity factor increased as the fibre content increased up to a limiting filler level. The fracture toughness of both unfilled and fibre filled polypropylene were found to be highly dependent on draw ratio. The results were analysed to find out the optimal draw ratio and fibre content that yielded the maximum modulus, strength and fracture toughness. Data showed that, at a given draw ratio, modulus, strength and fracture toughness increased with increasing fibre content to a maximum and then decreased. The optimum material was obtained at a draw ratio of 2.5 and filler loading 13wt%.