Development of a coaxial composite fiber

par Muhammad Ali Afzal

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Jean-Yves Dréan.

Soutenue le 17-11-2016

à Mulhouse en cotutelle avec National Textile University (Pakistan) , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....) , en partenariat avec Laboratoire de physique et mécanique textiles (Mulhouse) (laboratoire) et de Laboratoire de Physique et Mécanique Textile / LPMT (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Développement de filaments composites coaxiaux


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    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.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 01-12-2019

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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2016 par Université de Haute Alsace [diffusion/distribution] à Mulhouse

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Informations

  • Sous le titre : Development of a coaxial composite fiber
  • Détails : 1 vol. (216 p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
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