Mechanics of Nanocellulose Foams Experimental and Numerical Studies

Sammanfattning: 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.