Mechanické vlastnosti vláken získaných z rostliny Ensete Ventricosum

Ing. Čestmír Mizera

Doctoral thesis

Mechanical behaviour of threds made from plant Ensete Ventricosum

Abstract:

Ochrana životního prostředí a poptávka spotřebitelů po nových konstrukčních materiálech vytváří tlak na hledání nových materiálů na bázi přírodních obnovitelných zdrojů. Jeden ze způsobů využití přírodních materiálů je použití přírodních vláken. Velmi zajímavou rostlinou pro produkci přírodních vláken je falešný banánovník (Ensete ventricosum). Cílem této disertační práce je popis mechanických vlastností vláken rostliny falešného banánovníku (Ensete ventricosum) a sestavení matematických modelů popisujících mechanické chování těchto vláken. Byla stanovena délka, jemnost, hustota a příčný řez vláken. S využitím elektronového mikroskopu byly stanoveny snímky řezu a struktury povrchu vláken. Dále byly vytvořeny vzorky vláken s upínací délkou 25 mm a provedeny tahové zkoušky. Bylo zjištěno napětí vláken při přetržení (390,33 SD21,96) MPa při ekvivalentním průměru vláken (205 SD10) (micro)m, relativní deformace (0,021 SD2.10-5), modul pružnosti (23470 SD3328) MPa a deformační objemová energie (3,39 SD0,22) J/m3. Naměřené hodnoty tahového napětí byly proloženy pomocí Marquardt Levenbergova algoritmu a byl sestaven obecný model mechanického chování vláken v tahu. Efekt délky vláken, teploty a vlhkosti na tahové vlastnosti byl také zkoumán. Pomocí exponenciální rovnice byl sestaven obecný matematický model popisující vliv délky vláken na tahové vlastnosti. Z hlediska viskoelastického chování vláken byl zkoumán vliv rychlosti deformace, relaxace a kríp. Byly stanoveny viskoelastické modely pro relaxaci a kríp vláken s využitím obecných Maxwellových a Kelvinových modelů. Dále byly stanoveny hygroskopické vlastnosti a sušicí křivky pro různé teploty sušení vláken. Naměřené hodnoty sušicích křivek byly transformovány do obecného matematického modelu sušení. Všechny navržené matematické modely byly ověřeny pomocí analýzy rozptylu (ANOVA).

Abstract:

Environmental protection and consumer demand for new construction materials are putting pressure on finding new materials based on renewable natural resources. One way of use of natural materials is the use of natural fibres. One very interesting plant for the production of natural fibres is the false banana (Ensete ventricosum). The aim of this thesis was to describe the mechanical behaviour of the fibres of false banana plant (Ensete ventricosum) and determine mathematical models of these behaviours. Length, fineness, density and cross-sectional area of the fibres were determined. Using scanning electron microscope (SEM) images, the morphology and structure of the fibre surface were determined. Further samples were prepared with fibre clamping length of 25 mm and tensile tests were carried out. Tensile stress at rupture (390,33 SD21,96) MPa at diameter of the fibres (205 SD10) (micro)m, strain at rupture (0,021 SD2.10-5), modulus of elasticity (23470 SD3328) MPa and deformation volume energy (3,39 SD0,22) Jm-3 were determined. The measured values of tension were fitted using the Levenberg -Marquardt algorithm and the general models of mechanical behaviour of the fibres were determined. Effects of fibre length, temperature and moisture content on mechanical behaviour of fibres were also determined. The general mathematical model expressing the effect of fibre length on tensile properties was determined as an exponential form. In terms the viscoelastic behaviour of the fibres, the influence of strain rate, creep and relaxation was studied. Viscoelastic models describing the relaxation and creep of these fibres were developed based on the general Maxwell and Kelvin models. Hygroscopic properties and drying curves of fibres for different drying air temperatures were also determined. The measured values of the drying curves were transformed into a mathematical model of the drying process. All determined mathematical models were verified by analysis of variance (ANOVA).

Keywords

přírodní materiál, falešný banánovník, tahové vlastnosti, konstrukční prvky

Keywords

natural material, false banana, tensile properties, design elements

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 5. 2017

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. David Herák, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Engineering

Doctoral programme / field:
Agricultural Engineering / Engineering of Agricultural Technological Systems