Predicting the Relaxation Modulus for the Study of the Delayed Behaviour of Kenaf Fibres in Stress Relaxation

• Autorzy: Saïdjo , Ntenga Richard , Mfoumou Etienne , Beda Tibi , Beakou Alexis

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.7783

Warianty tytułu

PL

Przewidywanie modułu relaksacji w badaniu opóźnionego zachowania włókien kenaf w relaksacji naprężenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Plant fibres (PFs) are preferred reinforcements of bio-composites. Knowledge of their lifespan requires a study of their viscoelastic behaviour. In this paper, a stress relaxation analysis of kenaf fibres was performed at a constant rate of deformation at room temperature. A method for extracting the relaxation modulus in the deferred zone was proposed. This method was compared, using simulation, with the Zapas-Phillips method and experimental data via three predictive models: the stretched exponential function or KWW, the inverse power law of Nutting and the prony series. The results indicate that the relaxation modulus obtained by the method proposed is in good agreement with the experimental modulus. In addition, the estimated error is of the same order of magnitude as in the case of the Zapas-Phillips method. The parameters estimated from the KWW function (β = 0.4) and prony series model showed an important contribution in the study of the delayed response of kenaf fibres. These results can have a significant impact on the use of kenaf fibres in midterm and long-term loading applications.

PL

Włókna roślinne są często stosowane jako wzmocnienia biokompozytów. Znajomość ich trwałości wymaga zbadania ich zachowania lepkosprężystego. W pracy przeprowadzono analizę relaksacji naprężeń włókien kenaf przy stałej szybkości odkształcania w temperaturze pokojowej. Zaproponowano metodę wyodrębniania modułu relaksacji w strefie odroczonej. Metodę tę porównano za pomocą symulacji z metodą Zapas’a-Phillips’a i danymi eksperymentalnymi za pomocą trzech modeli predykcyjnych: rozciągniętej funkcji wykładniczej lub KWW, odwrotnego prawa potęgowego Nutting’a i szeregach Prony’ego. Wyniki wskazały, że moduł relaksacji uzyskany proponowaną metodą jest w dobrej zgodności z modułem eksperymentalnym. Ponadto szacowany błąd jest tego samego rzędu wielkości, co w przypadku metody Zapas’a-Phillips’a. Parametry oszacowane na podstawie funkcji KWW (β = 0.4) i modelu szeregów Prony’ego wykazały istotny wkład w badanie opóźnionej odpowiedzi włókien kenaf. Wyniki te mogą mieć znaczący wpływ na wykorzystanie włókien kenaf w średnioterminowych i długoterminowych zastosowaniach obciążeniowych.

Słowa kluczowe

EN

kenaf fibre; plant fibres; relaxation test; relaxation modulus; predictive model; delayed behavior

PL

kenaf; włókno roślinne; test relaksacji; moduł relaksacji; model predykcyjny; zachowanie opóźnione

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Fibres & Textiles in Eastern Europe
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 29, no. 3 (147)
• Strony: 19--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Saïdjo

• University of Ngaoundere, University Institute of Technology, Laboratory of Simulations and Testings, Ngaoundere, Cameroon

• https://orcid.org/0000-0001-5680-7450

autor

Ntenga Richard

• University of Ngaoundere, University Institute of Technology, Laboratory of Simulations and Testings, Ngaoundere, Cameroon

• https://orcid.org/0000-0002-6802-2551

autor

Mfoumou Etienne

• Nova Scotia Community College, Applied Research & Innovation, Dartmouth, NS, B2Y 0A5, Canada

autor

Beda Tibi

• University of Ngaoundere, Faculty of Sciences, Materials and Photonics, Laboratory of Mechanics, Cameroon

autor

Beakou Alexis

• Institut Pascal, UMR CNRS/UBP/SIGMA 6602, Clermont-Ferrand, France

Bibliografia

• 1. Burgoyne CJ, Alwis KGNC. Visco-Elasticity of Aramid Fibres. J. Mater. Sci. 2008; 43: 7091-7101.
• 2. Célestin Kibelolo Modelisation d’essais de relaxation, de fluage et de torsion par la théorie de Hart, Université des Sciences et Techniques de Lille Flandres Artois, 1990.
• 3. Baley C. Analysis of the Flax Fibres Tensile Behaviour and Analysis of the Tensile Stiffness Increase. Compos. – Part A Appl. Sci. Manuf. 2002; 33: 939-948.
• 4. Charlet K, Eve S, Jernot JP, Gomina M, Breard J. Tensile Deformation of a Flax Fiber. Procedia Eng. 2009; 1: 233-236.
• 5. Placet V, Bouali A, Garcin C, Cote JM, P.P. Suivi par DRX des réarrangements microstructuraux induits par sollicitations mécaniques dans les fibres végétales tirées du chanvre. In Proceedings of the 20ème Congrès Français de Mécanique, 2011; pp. 1-6.
• 6. Ochi S. Mechanical Properties of Kenaf Fibers and Kenaf/PLA Composites. Mech. Mater. 2008; 40: 446-452.
• 7. Sia CV, Nakai Y, Shiozawa D, Ohtani H. Statistical Analysis of the Tensile Strength of Treated Oil Palm Fiber by Utilisation of Weibull Distribution Model. Open J. Compos. Mater. 2014; 4: 72-77.
• 8. Flory A, Mckenna GB. Finite Step Rate Corrections in Stress Relaxation Experiments: A Comparison of Two Methods. Mech. Time-Dependent Mater. 2004; 8, 17-37.
• 9. Findley WN, Lai JS, Onaran K, Christensen RM. Creep and Relaxation of Nonlinear Viscoelastic Materials with an Introduction to Linear Viscoelasticity. 2010; Vol. 44; ISBN 0486660168.
• 10. MASI P. Characterization of History-Dependent Stress-Relaxation Behaviour of Cheeses. J. Texture Stud. 1988; 19, 373-388.
• 11. Emri I, Tschoegl NW. Determination of Mechanical Spectra from Experimental Responses. Int. J. Solids Struct. 1995; 32, 817-826.
• 12. Picard D. Modélisation et caractérisation du fluage/relaxation de matériaux à base de carbone présents dans les revêtements cathodiques des cuves d’électrolyse de l’aluminium, Université Laval Quebec, 2007.
• 13. Pacheco JEL, Bavastri CA, Pereira JT. Viscoelastic Relaxation Modulus Characterization Using Prony Series. Lat. Am. J. Solids Struct. 2015; 12, 420–445.
• 14. Gamby D, Blugeon L. On the Characterization by Schapery’s Model of Non-Linear Viscoelastic Materials. Polym. Test. 1987; 7: 137-147.
• 15. Czibula C, Ganser C, Seidlhofer T, Teichert C, Hirn U. Transverse Viscoelastic Properties of Pulp Fibers Investigated with an Atomic Force Microscopy Method. J. Mater. Sci. 2019; 54: 11448-11461.
• 16. Varghese S, Kuriakose B, Thomas S. Stress Relaxation in Short Sisal-Fiber-Reinforced Natural Rubber Composites. J. Appl. Polym. Sci. 1994; 53: 1051-1060.
• 17. Bhagawan SS, Tripathy DK, De SK. Stress Relaxation in Short Jute Fiber-Reinforced Nitrile Rubber Composites. J. Appl. Polym. Sci. 1987; 33: 1623-1639.
• 18. Kelchner RE, Aklonis JJ. Measurement of the Stress-Relaxation Modulus in the Primary Transition Regio. J. Polym. Sci. PART A-2 1971; 9: 609-614.
• 19. Sorvari J, Malinen M. Determination of the Relaxation Modulus of a Linearly Viscoelastic Material. Mech. Time-Dependent Mater. 2006; 10: 125-133.
• 20. Shahani AR, Shooshtar H, Karbasian A, Karimi MM. Evaluation of Different Methods of Relaxation Modulus Extraction for Linear Viscoelastic Materials from Ramp-Constant Strain Experiments. Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci. 2018; 0: 1-15.
• 21. Knauss WG, Zhao J. Improved Relaxation Time Coverage in Ramp-Strain Histories. Mech. Time-Dependent Mater. 2007; 11, 199-216.
• 22. Cisse O. Characterization of the Hygro-Mechanical Behavior of Elementary Bast Fibers from Hemp, University of Franche-Comté, 2014.
• 23. Bourmaud A, Keryvin V, Charleux L. Approche du comportement viscoélastique d’une fibre de lin par analyse du recouvrement d’empreintes de nanoindentation. Investigation of the Viscoelastic Behavior of a Flax Fiber by Analysing the Nanoindentation Imprint Recovery. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00597508 2011, 1-8.
• 24. Sasaki N. Viscoelastic Properties of Biological Materials. Ann. N. Y. Acad. Sci. 2012; 99-122.
• 25. Husain SA, Anderssen RS. Modelling the Relaxation Modulus of Linear Viscoelasticity Using Kohlrausch Functions. J. Nonnewton. Fluid Mech. 2005; 125, 159-170.
• 26. Chen T. Determining Viscoelastic Strain Data a Prony Material Series for a From Time Varying Starin Data, 2000.
• 27. Goh SM, Charalambides MN, Williams JG. Determination of the Constitutive Constants of Non-Linear Viscoelastic Materials. Mech. Time-Dependent Mater. 2004; 8: 255-268.
• 28. Xu Q, Engquist B. A Mathematical Model for Fitting and Predicting Relaxation Modulus and Simulating Viscoelastic Responses. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 2018; 474.
• 29. Maria HJ, Lyczko N, Nzihou A, Joseph K, Mathew C, Thomas S. Stress Relaxation Behavior of Organically Modified Montmorillonite Filled Natural Rubber/Nitrile Rubber Nanocomposites. Appl. Clay Sci. 2014; 87, 120-128.
• 30. Sorvari J, Malinen M. On the Direct Estimation of Creep And Relaxation Functions. Mech. Time-Dependent Mater. 2007; 11: 143-157.
• 31. Liu Y. Calculation of Discrete Relaxation Modulus and Creep Compliance. Rheol Acta, Springer 1998; 364: 357-364.
• 32. Williams ML. Structural Analysis of Viscoelastic Materials. AIAA J. 32: 3-4.
• 33. Vaidyanathan TK, Vaidyanathan J. Validity of Predictive Models of Stress Relaxation in Selected Dental Polymers. Dent. Mater. 2015; 31: 799-806.
• 34. Anderssen RS, Husain SA, Loy RJ. The Kohlrausch Function: Properties and Applications. ANZIAM J. 2016; 45, 800.
• 35. Sasaki N, Nakayama Y, Yoshikawa M, Enyo A. Stress Relaxation Function of Bone and Bone Collagen. J. Biomech. 1993; 26: 1369-1376.
• 36. Thor L. Viscoelastic Behavior of Polyisobutylene under Constant Rates of Elongation. J. Polym. Sci. 1956; 20: 89-100.
• 37. Ntenga R, Saïdjo S, Beda T, Béakou A. Estimation of the Effects of the Cross-Head Speed and Temperature on the Mechanical Strength of Kenaf Bast Fibers Using Weibull and Monte-Carlo Statistics. Fibers 2019; 7, 10: 89.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).