The rapid growth of plastic waste from food packaging around the world demands renewable substitutes, such as natural fibers and biocomposites. Wood fibers are natural fibers extracted from trees and are commonly used in packaging. In order for renewable alternatives to compete against plastics and other non-renewable materials, a better understanding of the mechanical properties of single fibers at the micro-scale are necessary. A great deal of previous research into the mechanical properties of single wood fibers has focused on their tensile behavior, however, little work has been published about their compressive behavior. It is difficult to measure the compressive strength of single fibers directly due to fiber buckling. The purpose of this study is to investigate how post-buckling of single wood pulp fibers affects the mechanical properties of fibers in tension. Two alternative hypotheses were tested through experiments in The Odqvist Laboratory for Experimental Mechanics at KTH. The major part of the thesis process has been invested in developing components called grippers, and testing methods for the Single Fiber Testing System, in order to be able to perform the experiments. The existing grippers were tested and alternative grippers were developed, as well as an alternative testing method without grippers, called the Paper frame method (PFM). PFM was used in the final experimental work to test the hypotheses. The main finding from this study is that there is not enough evidence to suggest that the tensile strength or tensile stiffness of single wood fibers are significantly reduced by post-buckling damage. This finding is mostly relevant in the research and development of fibrous material with larger distances between individual fibers, such as low-density fiber network materials. The main findings from the single fiber testing methods development were that the existing grippers cannot prevent fiber slippage. Furthermore, the alternative gripper 22A with its arc design generates higher grip force than previous grippers but lacks surface friction in the contact region in order to prevent fiber slippage. PFM has an experimental success rate of over 80 % for trained users and easy usage for the operator. The testing equipment Single Fiber Testing System displays several systematic errors occurring in the post-processing process of tests with cyclic loads. / Den snabba tillväxten av plastavfall från livsmedelsförpackningar runt om i världen kräver förnybara alternativ, såsom förpackningar gjorda av naturfibrer och biokompositer. Träfibrer är naturliga fibrer som utvinns från trä och används ofta i förpackningar. För att dessa förnybara alternativ ska kunna konkurrera mot plast och andra icke-förnybara material krävs en bättre förståelse av de mekaniska egenskaperna hos enskilda fibrer på mikronivå. Det finns en omfattande forskning om de mekaniska egenskaperna i drag hos enskilda träfibrer. Däremot existerar det lite publicerad forskning om träfibrers kompressionsegenskaper. Kompressionsegenskaperna är svåra att mäta direkt på grund av fiberknäckning. Syftet med denna studie är att undersöka hur skadan som uppstår efter knäckning av enskilda träfibrer påverkar de mekaniska egenskaperna hos fibrer i drag. Två alternativa hypoteser testades genom experiment i Odqvistlaboratoriet för experimentell mekanik vid KTH. Huvuddelen av examensarbetet har investerats i att utveckla grepparmar och testmetoder för testmaskinen Single Fiber Testing System, för att kunna utföra experiment. De befintliga grepparmarna testades och nya grepparmar utvecklades, och även en alternativ testmetod utan grepparmar som kallas Paper frame method (PFM) utvecklades. PFM användes i det sista experimentella arbetet för att pröva hypoteserna. Huvudslutsatsen från denna studie är att det inte finns tillräckligt med bevis för att stödja hypotesen att enskilda träfibrers draghållfasthet eller dragstyvhet reduceras av skada som uppstår efter knäckning. Detta resultat är mest relevant för forskning och utveckling av fibernätverks material med större avstånd mellan fibrerna, såsom fibermaterial med låg densitet. Huvudslutsatserna från utvecklingen av testmetoder var att de befintliga grepparmarna inte kunde förhindra fiberglidning. Den alternativa grepparmen 22A med sin bågkonstruktion genererade högre greppkraft än tidigare grepparmar men saknar rätt beläggning i kontaktområdet för att förhindra glidning av fiber. PFM har en hög test framgångsgrad med över 80 % för erfarna användare och den är enkel att arbeta med. Testmaskinen Single Fiber Testing System visar flera systematiska fel som blir märkbar under dataanalys av tester med cykliska belastningar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-321243 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Andreolli, Raphael |
| Publisher | KTH, Hållfasthetslära |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2021:299 |
Page generated in 0.002 seconds