Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Analysis of the compressive response of Nano Fibrillar Cellulose foams
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Solid Mechanics (Dept.).
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Solid Mechanics (Dept.).ORCID iD: 0000-0003-3611-2250
2015 (English)In: Mechanics of materials (Print), ISSN 0167-6636, E-ISSN 1872-7743, Vol. 80, no Part A, 13-26 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Nano Fibrillar Cellulose (NFC) is fast emerging as a biomaterial with promising applications, one of which is cellular foam. The inner structure of the foam can take various shapes and hierarchical micro-structures depending on the manufacturing parameters. The compressive response of foams developed from these materials is currently a primary criterion for the material development. In this work, we focus on the connection between the non-linear part of the response and the inner structure of the material. We study the effect of internal contact and its contribution to gradual stiffening in the energy absorbing region and accelerated stiffening in the densification region of the large strain compressive response. We use the finite element method in this study and discuss the applicability and efficiency of different modelling techniques by considering well defined geometries and available experimental data. The relative contribution of internal contact is singled out and mapped onto the overall compressive response of the material. The effect of initial non-straightness of the cell walls is studied through superposing differing percentages of the buckling modes on the initial geometry. The initial non-straightness is seen to have a significant effect for only strains up to 1%. The secant modulus measured at slightly higher strains of 4%, demonstrates lesser effect from the non-straightness of cell walls. The simulations capture the compressive response well into the densification regime and there is an order of magnitude agreement in between simulations and experiments. We observed that internal contact is crucial for capturing the trend of compressive response.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2015. Vol. 80, no Part A, 13-26 p.
Keyword [en]
NFC foams, Internal contact, Voronoi structures, Foam densification, Effect of foam porosity
National Category
Materials Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-159620DOI: 10.1016/j.mechmat.2014.09.006ISI: 000347493100002Scopus ID: 2-s2.0-84908214965OAI: oai:DiVA.org:kth-159620DiVA: diva2:787162
Funder
Swedish Research Council
Note

QC 20150209

Available from: 2015-02-09 Created: 2015-02-05 Last updated: 2017-12-04Bibliographically approved
In thesis
1. Non-linear mechanics of nanocellulose foams
Open this publication in new window or tab >>Non-linear mechanics of nanocellulose foams
2015 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. 23 p.
Series
TRITA-HFL. Report / Royal Institute of Technology, Solid Mechanics, ISSN 1654-1472 ; 0574
National Category
Other Mechanical Engineering
Research subject
Solid Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-166878 (URN)978-91-7595-563-6 (ISBN)
Presentation
2015-05-28, Seminarierummet Hållfasthetslära, Teknikringen 8D, KTH, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20150521

Available from: 2015-05-21 Created: 2015-05-21 Last updated: 2015-05-28Bibliographically approved
2. Mechanics of Nanocellulose Foams: Experimental and Numerical Studies
Open this publication in new window or tab >>Mechanics of Nanocellulose Foams: Experimental and Numerical Studies
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [sv]

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.

Abstract [en]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. 29 p.
Series
TRITA-HFL. Report / Royal Institute of Technology, Solid Mechanics, ISSN 1654-1472 ; 0610
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology
Research subject
Solid Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-202590 (URN)978-91-7729-290-6 (ISBN)
Public defence
2017-03-16, F3, Lindstedstvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20170301

Available from: 2017-03-01 Created: 2017-03-01 Last updated: 2017-03-01Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Kulachenko, Artem

Search in DiVA

By author/editor
Srinivasa, PrashanthKulachenko, Artem
By organisation
Solid Mechanics (Dept.)
In the same journal
Mechanics of materials (Print)
Materials Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 135 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf