Optimization of cellulosic materials for Radio Frequencies and Terahertz applications.
Optimisation des matériaux cellulosiques pour des applications en radiofréquences et térahertz
Résumé
This thesis work deals with the optimization of cellulosic materials (papers, cardboard and cellulosic based materials). We seek to upgrade those materials for high frequencies applications: radiofrequency and terahertz. Actually the dielectric properties of cellulosic materials, and specifically their dielectric losses, are very high. It means that the efficiency and the yield of those applications are limited. In this work, we first study individually the properties and the dielectric parameters of the different component of cellulosic materials. Using radiofrequencies measuring techniques like the resonant cavity and terahertz measuring techniques like spectroscopy THz-TDS, we point our interest on the impact of those constituents upon the dielectric losses of papers. Thanks to the results, we then present method and techniques allowing to optimize paper reducing its losses. Eventually, we discuss of the transposition effects of those techniques on a paper industrial production line and propose transversal solutions to the exploitation of paper properties in its actual state. During this work, we show specifically the crucial effect of density on the paper losses and present studies upon crystallinity, length and orientation, of cellulose fibers. Two deeper studies present the impact of fillers and moisture on paper dielectric properties. We show moreover that the fillers are very interesting to reduce the losses of cellulosic materials and we highlight the impact of moisture on measured losses. In those studies, we present two effective medium models of filled papers and moist papers. Those predictive models allow the prediction of the evolution of paper properties in function of fillers and moist content. Thanks to those results we determine, in terahertz, the parameters of bound water to cellulose, unknown yet.
Ce travail de thèse se concentre sur l’optimisation des matériaux cellulosiques (papiers, carton et matériaux à base de cellulose). Nous cherchons à améliorer ces matériaux dans le cadre d’applications hautes fréquences : radiofréquences et térahertz. Actuellement les propriétés diélectriques des matériaux cellulosiques, et notamment leurs pertes diélectriques, sont très élevées. Cela se traduit par une limitation importante de l’efficacité et des rendements des applications dans notre domaine d’étude. Dans ce travail nous commençons par étudier individuellement les propriétés et les paramètres diélectriques des différents constituants des matériaux cellulosiques. En utilisant des techniques de mesures radiofréquences comme la cavité résonante et térahertz comme la spectroscopie THz dans le domaine temporel, nous nous intéressons à l’impact de ces différents constituants sur les pertes des papiers. Grâce à ces connaissances nous présentons alors des méthodes et techniques permettant d’optimiser les papiers en réduisant leurs pertes. Enfin nous discutons des effets de la transposition de ces techniques sur une ligne de production industrielle et proposons des solutions transverses à l’exploitation des propriétés des papiers dans leurs états actuels. Durant ce travail, nous montrons notamment l’effet important de la densité des papiers sur les pertes et nous présentons entre autres des études sur la cristallinité, la longueur et l’orientation des fibres. Deux études plus poussées étudient l’impact des charges et de l’humidité sur les propriétés diélectriques des papiers. Nous montrons surtout que les charges sont très intéressantes pour réduire les pertes des matériaux cellulosiques et nous soulignons l’importance de l’humidité sur les pertes mesurées. Dans ces études nous présentons deux modèles de milieux effectifs pour étudier les papiers chargés et les papiers humides. Ces modèles prédictifs permettent de prédire l’évolution des propriétés des papiers en fonction du taux de charge et d’humidité. Grâce à ces résultats nous déterminons, en térahertz, les paramètres de l’eau liée à la cellulose, paramètres jusqu’alors inconnus.
Origine : Version validée par le jury (STAR)