Non-linear mechanics of nanocellulose foams

• There has been a growing interest in nano-fibrillar cellulose (NFC), which has been fuelled not merely by the advantages it presents in terms of strength to weight ratio and biodegradability, but also owing to the recent advances in production techniques. NFC foam is essentially a hierarchical structure, wherein nanofibrils account for the smallest scale, with the pores/cell walls forming the meso scale. A complete scanning of the mechanical property space would require understanding of the contribution of each of these scales in these foams. We aim to understand these scale relationships, eventually allowing for the possibility of tailoring material properties at scales of interest.In paper A, we look at the applicability of two-dimensional random Voronoi structures in capturing the large-strain compressive response of these foams. We introduce internal contact, into the interiors of the cell walls, with the aim of capturing the densification regime. We then study the scaling effects associated with such a model, and, subsequently single out the contribution of internal contact on the overall compressive response. While it is seen that internal contact in random structures allow for capturing the densification regime, the model only provides an order of magnitude agreement with experimental data.In paper B, we characterize the NFC foam based on both uni-axial and bi-axial experiments. One of the aims is to ascertain if there are effects of directionality to the stress-strain response. For the two considered porosities, we do not find any evidence for directionality in the response. We then proceed to make the assumption of isotropy, and adopt the well-known Ogden-Roxburgh “pseudo-elastic” model - originally proposed for incompressible rubber like materials - for the particular case of highly compressible foams. The model allows to capture the damage observed in unloading and also the significant residual strains.

• Det finns ett växande intresse för nanofibrillar cellulosa (NFC), inte bara på grund av goda egenskaper som hög styrka i förhållande till vikt samt nedbrytbarhet, utan även beroende på framsteg inom produktionstekniken. NFC-skum är i huvudsak en hierarkisk struktur, där nanofibriller representerar den minsta skalan och porer/cellväggar representerar meso-skalan. En fullständig karaktärisering av skummets mekaniska egenskaper kräver förståelse för bidraget från var och en av dessa skalor. Vårt mål är att förstå hur skalorna relaterar till varandra vilket öppnar för möjligheten att skräddarsy materialegenskaper för skalor av intresse.I artikel A undersöker vi förmågan hos tvådimensionella slumpmässiga Voronoi strukturer att fånga spännings-töjningsbeteendet i tryck för dessa skum. I syfte att fånga förtätningseffekter hos spännings-töjningsbeteendet introducerar vi intern kontakt i det inre av cellväggarna. Vi studerar sedan skalningseffekterna associerade med en sådan modell, och isolerar bidraget från intern kontakt på skummets övergripande beteende i tryck. Även om det framgår att modellering av intern kontakt för slumpmässiga strukturer gör det möjligt att fånga förtätningsbeteendet ger modellen endast överensstämmelse inom en storleksordning mot experimentell data.I artikel B karaktäriserar vi NFC skum med hjälp av enaxliga och biaxiella prov. Ett av syftena är att undersöka huruvida det finns ett riktningsberoende hos spännings-töjningsbeteendet. För de två undersökta porositeterna finner vi inga bevis för riktningskänslighet hos spännings-töjningsbeteendet. Vi fortsätter sedan med att göra ett antagande om isotropi och tillämpar den välkända pseudo-elastiska Ogden-Roxburgh modellen, från början utvecklad för inkompressibla gummiliknande material, för de starkt kompressibla skummen. Modellen gör det möjligt att fånga de skador och restspänningar som uppstår vid avlastning.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Annan maskinteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Other Mechanical Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Hållfasthetslära

Solid Mechanics

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

lic (ämneskategori)