Multivariate optimisation and statistical process control of polymer triboelectric charging

par Yopa Eka Prawatya

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Lucian Dascalescu et de Thami Zeghloul.

Le président du jury était Thierry Paillat.

Le jury était composé de Lucian Dascalescu, Thami Zeghloul, Hamid Zaïdi, Sorin Cananau, Khouira Senouci.

Les rapporteurs étaient Alain Sylvestre, Sylvie Descartes.

  • Titre traduit

    Optimisation multi-variables et contrôle statistique des processus de charge triboélectrique des polymères


  • Résumé

    L'objectif principal de la thèse a été d'étudier le comportement triboélectrique des contacts glissants à sec entre matériaux polymères (ABS, PE, PP, PS et deux types de PVC), incluant la possibilité de contrôler et d'optimiser les résultats générés, en termes de charge électrique et d’usure. Un tribomètre linéaire a été conçu et construit, afin de permettre le réglage des principales variables de contrôle du processus de charge triboélectrique : force normale, vitesse de glissement, durée et course. Ce dispositif facilite la mesure de certaines grandeurs physiques caractérisant les conditions de frottement: les variations des forces normale et tangentielle, ainsi que le déplacement relatif entre les éprouvettes. De plus, la charge électrique générée et l’augmentation de la température à la surface du polymère ont été aussi été mesurées et mise en relation avec les propriétés tribologiques. Les expériences ont montré que le niveau et la distribution de la charge générée par le frottement sec dépendent de la force normale appliquée, du temps de frottement (le nombre de cycles), de la vitesse de glissement, des propriétés mécaniques des matériaux et de la rugosité ou de la texture des surfaces en contact. La décharge couronne peut être utilisée pour déposer une charge initiale sur les surfaces avant le glissement. La modélisation du processus de charge triboélectrique a été faite avec la méthodologie des plans d’expériences. Les résultats peuvent alors être utilisés pour prédire et optimiser la charge triboélectrique. Des cartes de contrôle peuvent assurer le monitoring du processus et la détection de variations non-maîtrisés de la charge générée par effet triboélectrique.


  • Résumé

    The main objective of the thesis was to study the triboelectric behavior of dry sliding contacts between polymeric materials (ABS, PE, PP, PS and two types of PVC), including the possibility to control and optimize the results in terms of either surface charge generated or wear. A linear tribometer with tribocharging capabilities was designed and built, to enable the study of the sliding contact between solids and to allow the adjustment of main tribocharging control variables: normal force, sliding speed, time and stroke. This device also provided measurement data to characterize the friction condition: the variations of the normal and tangential forces, as well as the relative displacement between the specimens. Furthermore, the electric charge generated and temperature raise due to rubbing on the surface of the polymer were measured, so that to investigate the relationship between the tribological properties. The experiments showed that the level and distribution of the charge generated by dry friction depends on the normal force applied, friction time (cycle), sliding speed, material mechanical properties and surface roughness or texture. Corona discharge may be used to provide initial charge on the surfaces before sliding. Modelling of tribocharging processes was done using the design of experiments methodology. The models can be used to predict and optimize the tribocharging. Control charts were used to monitor the process and detect the special causes of variation in the charge generated by triboelectric effect.


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