Mechanics of Nanocellulose Foams : Experimental and Numerical Studies

• Main Author: Srinivasa, Prashanth
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: KTH, Hållfasthetslära (Avd.) 2017
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-202590; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7729-290-6

Nanofibrillär cellulosa (NFC) skum är en intressant klass av cellulära material med möjliga applikationer som sträcker sig från fordonsindustrin till biomedicin då det har unika och önskvärda mekaniska egenskaper. I ljuset av de senaste framstegen inom framställning av skum förutspås det tillämpas inom en rad olika områden, inklusive områden där dess mekaniska egenskaper är viktiga. Den makroskopiska responsen är oskiljbart kopplad till mikrostrukturen hos materialet. Det är därför nödvändigt att ha numeriska modeller som inte bara kan förutsäga makroskopisk respons utan också ge insikt vid anpassning av mikrostrukturen så att förbättrade makroskopiska egenskaper kan uppnås. I detta syfte studerar vi 2- och 3-dimensionella slumpmässiga cellulära modeller och karakteriserar genom experiment/simuleringar de  makroskopiska och cellväggens materialegenskaper.  I Artikel A utforskar vi  lämpligheten av 2-dimensionella slumpmässiga strukturer för att representera skums makroskopiska respons i tryck. Även om den 2-dimensionella modellen inte kan beskriva det exakta beteendet, endast en storleksordning överensstämmelse uppnås, kartlägger vi effekten av inre kontakt på den makroskopiska responsen och studerar effekten av linjär storlek, väggtjocklek och cellväggens kurvatur. Slutsatsen som dras är att 2-dimensionella modeller är otillräckliga och att förbindelserna ut ur planet är icke-triviala.  I Artikel B framställs NFC skum genom frystorkning och karakteriseras experimentellt vid enaxlig och bi-axiell belastning för att utvärdera materialets strukturella anisotropi. Skummet visas vara isotropiskt i planet. Vidare uppkommer stora icke-reversibla deformationer vid avlastning. En hyperelastisk kontinuum-modell anpassas till experimentell data.  I Artikel C används tomografibaserade tvärsnittsbilder för att bestämma cellväggens materialegenskaper. Vi rekonstruerar en 3-dimensionell struktur baserad på tomografibilder och använder den i finita element-simuleringar för att bestämma elasticitetsmodulen och sträckgränsen för cellväggens material. Resultaten visar att den beräknade elasticitetsmodulen är jämförbar med den övre gränsen för NFC papper, medan sträckgränsen är jämförbar med uppskattningar från indirekta metoder. Simuleringarna bekräftar även skademekansimen att formering av plastiska gångjärn följs av kollaps,  vilket också observerats i experimentella studier.  I Artikel D använder vi de materialegenskaper som beräknats i det tomografibaserade arbetet i simuleringar av slumpmässigt genererade 3-dimensionella strukturer. Vi validerar de 3-dimensionella strukturerna mot strukturena som fångats med tomografi. Vi studerar därefter om de slumpmässiga strukturerna kan användas för att representera den makroskopiska responsen tillsammans med studierna av linjärstorlek och effekt av de delvis öppna/slutna cellerna. Vi beräknar även påverkan av cellytans kurvatur på elasticitetsmodulen och på platåspänningen. Vi visar att 3-dimensionella modeller är relativt representativa upp till medelhög töjningsgrad men att förtätningen inte fångas  upp av med den representativa storlek som används. === Nanofibrillar cellulose (NFC) foams are an interesting class of cellular materials that are being explored for a variety of applications, ranging from the automotive to the biomedical industries. The cellulose nanofibrils itself has unique and desirable mechanical properties. With recent advances in the preparation of these foams, it is anticipated that these foams will find applications in diverse areas, including those where the mechanical response is important. This macroscopic response is inextricably linked to the microstructure of the material. Thus, it is imperative to have numerical models that can not only predict the macroscopic response but can also provide insights towards tailoring the microstructure such that improved macroscopic properties can be sought. Towards this end, we study 2- and 3-D random cellular models along with characterising through experiments/simulations the macroscopic and cell wall material properties.  In Paper A, we explore the suitability of two-dimensional random structures in representing the macroscopic compressive response of foams. Though the two-dimensional model fails to capture the exact response, only an order of magnitude agreement is found, we map the effect of internal contact on the macroscopic response and study the effect of linear size, wall thickness and non-straightness of the cell walls. It is concluded that 2-D models are inadequate and that the out of plane connectivity is non-trivial.  In Paper B, NFC foams prepared from freeze-drying are experimentally characterised under uniaxial and biaxial loading conditions, with a view towards testing for structural anisotropy. It is found that the prepared foam is isotropic in the plane. The experiments also reveal that there are large irreversible deformations, when unloaded. A continuum hyperelastic model is fitted to the experimental data.  In Paper C, tomography based scans of the NFC foams are used to arrive at the material properties of the cell walls. We reconstruct the three-dimensional structure from the tomography scans and use it in finite element simulations to determine the elastic modulus and yield strength of the cell wall material. It is seen that the estimated elastic modulus is comparable to the upper limit for NFC paper, while the yield strength is comparable to estimates from indirect methods. The simulations also corroborate the damage mechanism, i.e. by plastic hinge formations followed by the collapse of the inner structure, as observed by experimental studies.  In Paper D, we utilise the material properties derived from the tomography-based work in simulating three-dimensional random structures. We validate the three-dimensional reconstruction method against the foam structures derived in microtomography. We then study the applicability of these random structures in representing the macroscopic response, together with studies on linear size and effect of partially open/closed cells. We also estimate the influence of cell face curvature on the elastic modulus and plateaus stress. It is concluded that 3-D models provide a reasonable representation of the response up to intermediate strain levels, but the densification regime is not captured by the considered representative size. === <p>QC 20170301</p>