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          Last update : February 5, 2014
Multiscale study of the coupling between hygroelastic properties of papers and their microstructure

Étude multi-échelles des couplages entre les propriétés hygroélastiques des papiers et leur microstructure


Cyril Marulier

Grenoble INP-Pagora


PhD thesis defended on October 17, 2013
Thèse soutenue le 17 Octobre 2013

LGP2

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Abstract

   


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The objective of this work is to study the coupling between the hygroelastic properties of papers and their microstructure. The use of images of model paper acquired by X-ray microtomography allowed the characterization in an unprecedented manner of the evolution of microstructural properties of these materials according to their production conditions and during tests where they were placed in atmosphere at controlled relative humidity.

These results provide a new contribution to the knowledge of the statistical nature of the descriptors of fibre properties (size and orientation) and their contacts (surface, bonding degree ratio), of the architecture of fibrous networks that papers constitute (number of fibre-to-fibre bonds) as well as of the size of the representative elementary volumes of microstructural and elastic properties. Based on this information, various models, more or less sophisticated, were developed in the framework of the theory of homogenisation of discrete periodic structures to describe the mechanical properties of paper.

This approach sheds new light on the role of fibre-to-fibre bonds on the mechanical behaviour of these materials.

Résumé

L'objectif est d'étudier les couplages entre les propriétés hygroélastiques des papiers et leur microstructure. L'exploitation d'images de papiers modèles acquises par microtomographie à rayons X a permis de caractériser de manière inédite l'évolution des propriétés microstructurales de ces matériaux en fonction de leurs conditions d'élaboration ainsi que lors d'essais où ils ont été placés sous atmosphère à humidité relative contrôlée.

Ces résultats constituent un apport nouveau pour la connaissance de la nature statistique des descripteurs des propriétés des fibres (dimensions et orientation) et de leurs contacts (surface, degré de liaison), de l'architecture des réseaux fibreux que forment les papiers (nombre de contacts entre fibres) et pour la taille des volumes élémentaires représentatifs des propriétés microstructurales et élastiques de ces milieux. Sur la base de ces informations, différents modèles, plus ou moins raffinés, ont été élaborés dans le cadre de la théorie de l'homogénéisation des structures périodiques discrètes, pour décrire les propriétés mécaniques des papiers.

Cette approche apporte un éclairage nouveau sur le rôle des liaisons entre fibres sur le comportement hygromécanique de ces matériaux.

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