Modelling of the hygro-thermomechanical behaviour of intricated networks of natural fibers. Prediction of the dimensional stability of papers and boards

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

Cyril Marulier (1, 2)

1 LGP2 - Laboratoire Génie des procédés papetiers
2 3SR - Laboratoire sols, solides, structures - risques [Grenoble]

The objective of this work is to study the coupling between the hygroelastic properties ofpapers and their microstructure. The use of images of models acquired by X-ray microtomographypapers allowed the characterization in an unprecedentedmanner of the evolutionofmicrostructural properties of thesematerials according to their production conditions andduring tests where they were placed in atmosphere at controlled relative humidity. These resultsprovide a new contribution to the knowledge of the statistical nature of the descriptorsof fibre properties (size and orientation) and their contacts (surface, bonding degree ratio), ofthe 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 elasticproperties. Based on this information, various models, more or less sophisticated, were developedin the framework of the theory of homogenisation of discrete periodic structures todescribe the mechanical properties of paper. This approach sheds new light on the role offibre-to-fibre bonds on themechanical behaviour of thesematerials.

L’objectif de ce travail est d’étudier les couplages entre les propriétés hygroélastiques des papierset leur microstructure. L’exploitation d’images de papiers modèles acquises par microtomographieà rayons X a permis de caractériser de manière inédite l’évolution des propriétésmicrostructurales de ces matériaux en fonction de leurs conditions d’élaboration ainsique 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 desdescripteurs 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 (nombrede contacts entre fibre) et pour la taille des volumes élémentaires représentatifs des propriétésmicrostructurales et élastiques de ces milieux. Sur la base de ces informations, différentsmodèles, plus oumoins raffinés, ont été élaborés dans le cadre de la théorie de l’homogénéisationdes structures périodiques discrètes, pour décrire les propriétésmécaniques des papiers.Cette approche apporte un éclairage nouveau sur le rôle des liaisons entre fibres sur leur comportement mécanique.

Mots clés: Paper; Cellulosic fires; Forming; Pressing and drying operations; Fibrous networks; X-ray microtomography; Microstructure descriptors; Distribution of fibres and bonds properties; Elastic properties; Hygroexpansion; Microstructural and micromechanical REV’s; Homogenisation of periodic discrete structures

Mots clés: Papier; Fibres cellulosiques; Opérations de formation; Pressage et séchage; Réseaux fibreux; Microtomographie à rayons X,; Descripteurs microstructuraux; Distribution des propriétésmorphologiques des fibres et des liaisons; Propriétés élastiques; Hygroexpansion; VER microstructural etmicromécanique; Homogénéisation des structures périodiques discrètes

Domaines: Génie des procédés; Matériaux

Cyril Marulier. Etudes multi-échelles des couplages entre les propriétés hygroélastiques des papiers et leur microstructure. Génie des procédés. Université de Grenoble, 2013. Français. ⟨NNT : 2013GRENI090⟩. ⟨tel-01204796⟩