Modelling the non-linear mechanics of polymeric microcapsules and hydrogels

Titelangaben

Ghaemi, Ali:
Modelling the non-linear mechanics of polymeric microcapsules and hydrogels.
Bayreuth , 2018 . - XII, 92 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Polymeric parts are used in a wide range of products from textile and cosmetics to all types of electronic devices. The quality and performance of these parts depend highly on their mechanical behaviour. Therefore, it is important to understand their mechanics and to be capable of predicting their performance under the conditions specific to their use.

In this work the mechanical behaviour of two types of polymeric parts in different applications are investigated. The first type is a sample of polymeric microcapsules that serve as perfume oil containers in washing detergents. During the washing, they are expected to remain stable. However, they should break and release their contents during the storage or the wearing time of the washed textiles, hence extending their softness and fresh smell.
%In chapter one, their mechanical behaviour under compression, as a likely breakup scenario, is characterised. In chapter two the dynamics and the deformation of such capsules under shear flow are studied.
The second system is a hydrogel actuator which has a bilayer structure. One layer is composed of aligned and the other of randomly oriented poly(N-isopropyl acrylamide) fibers. When the bilayer mat is put in water it folds into a stable 3D structure, which can be used as a scaffold for cell culture and in tissue engineering.

In this work that is presented in four chapters, numerical methods are used to understand the mechanics underlying the deformation of the studied polymeric parts. The corresponding simulations complement the mechanical tests, by making the calculation of the mechanical properties possible, and contribute to the explanation of the experimental observations.

Chapter one is the extended abstract of the following three chapters that contain the full text of our publications. In addition to present a detailed outline of the contents of each publication, it describes the relationship between them in a broader context. Furthermore, it explains the contribution of the thesis to the topics that are addressed in this research as well as the author's contributions to each publication.

In chapter two, finite element analysis (FEA) together with nano-indentation experiments is applied to study the mechanics of perfume containing microcapsules under uniaxial compression. An elastic-perfectly plastic model is proposed to reproduce the results of the mechanical tests. Furthermore, with the help of FEA calculations the corresponding mechanical properties are approximated. Then, using the detailed stress distribution maps, a breakup mechanism is proposed. At the end, this mechanism is validated by predicting the shape of the broken capsules.

The focus of chapter three is on the deformation dynamics and the breakup of such capsules in a generic shear flow. In this study, the shells of the capsules have a finite thickness, and their mechanics are described by an elastic or elastic-perfectly plastic constitutive laws. It is shown that under the hydrodynamic stresses, the originally circular elastic shell deforms into an ellipse with a steady shape. After recovering the reported results on the deformation dynamics of the elastic capsules, we show that the finite thickness of the shell changes during its deformation, such that it is thinner at the equator of the equilibrium ellipse, and thicker in the poles. We explain the relationship between this observation and the distribution of the normal and the circumferential stresses in the shell thickness, in order to propose a possible breakup mechanism at higher shear rates. We continue by demonstrating the effects of the plasticity and the strain-hardening on the deformation and the break-up of the capsules. It is found that if the shear rate is high enough for the deformation to enter the plastic regime, the capsule elongates more than its elastic counterpart. Furthermore, the thinner shells are shown to be more sensitive to plasticity. Finally, it is demonstrated that, if the plastic deformation is followed by a strain-hardening regime as it has been observed for microcapsules studied in chapter two, the breakup can be significantly delayed or even prevented completely.

In chapter four, we present a bilayer actuator made of poly(N-isopropyl acrylamide) hydrogel. It displays an irreversible change in shape by rolling when it is in contact with water. To meet the requirements of its applications in tissue engineering, it is important to predict and to control the final folded shape of the system. Here, we apply a simplified anisotropic elastic model, with respect to the morphology of the fibers in individual layers, in order to predict its final three-dimentional shape in water. The results of this analysis demonstrate the necessity of considering the anisotropy of the mechanical properties in modelling the large non-linear deformations of this system.

Abstract in weiterer Sprache

Polymere Bestandteile finden sich in verschiedenen Produkten, zum Beispiel Textilien und Kosmetika. Sie werden ebenfalls in allen Arten von elektronischen Geräten verwendet. Die Qualität und Leistung dieser Teile hängt stark von ihrem mechanischen Verhalten ab. Daher ist es wichtig, ihre Mechanik zu verstehen und ihre Leistung unter den spezifischen Anwendungsbendingungen vorherzusagen.

In dieser Arbeit wird das mechanische Verhalten von zwei Arten von Polymeren Bestandteilen in verschiedenen Anwendungen untersucht. Der erste Typ ist eine Probe von polymeren Mikrokapseln, die als Parfümölbehälter in Waschmitteln dienen. Während des Waschens wird erwartet, dass sie stabil bleiben. Sie sollten jedoch während der Lagerung oder der Tragezeit der gewaschenen Textilien brechen und ihren Inhalt freisetzen. Hierdurch wird die Weichheit und der frische Geruch der Wäsche verlängert.
% Im ersten Kapitel wird ihr mechanisches Verhalten unter Kompression als wahrscheinliches Auflösungsszenario charakterisiert. In Kapitel zwei werden die Dynamik und die Deformation solcher Kapseln unter Scherfluss untersucht.
Das zweite System ist ein Hydrogel-Aktuator, der eine Doppelschichtstruktur aufweist. Eine Schicht besteht aus ausgerichteten und die andere aus zufällig orientierten Poly(N-Isopropylacrylamid)-Fasern. Wenn die Doppelschichtmatte in Wasser gelegt wird, faltet sie sich zu einer stabilen 3D-Struktur, die als Gerüst für Zellkulturen und im Tissue Engineering verwendet werden kann.

In dieser Arbeit, die in vier Kapiteln eingeteilt ist, werden numerische Methoden verwendet, um die Mechanik zu verstehen, die der Verformung der untersuchten Polymerteile zugrunde liegt. Die entsprechenden Simulationen ergänzen die mechanischen Tests, indem sie die Berechnung der mechanischen Eigenschaften ermöglichen und zur Erklärung der experimentellen Beobachtungen beitragen.

Kapitel eins ist die erweiterte Zusammenfassung der folgenden drei Kapitel, die den vollständigen Text unserer Publikationen enthalten. Neben einer detaillierten Darstellung der Inhalte jeder Publikation beschreibt sie die Beziehung zwischen ihnen in einem breiteren Kontext. Darüber hinaus erklärt sie den Beitrag der vorliegenden Arbeit zu den behandelten Themenfeldern, sowie den Beitrag des Autors zu jeder Veröffentlichung.

In Kapitel zwei wird die Finite-Elemente-Analyse (FEA) zusammen mit Nanoindentations-experimenten angewendet, um die Mechanik parfümhaltiger Mikrokapseln unter uniaxialer Kompression zu untersuchen. Ein elastisch-perfekt plastisches Modell wird vorgeschlagen, um die Ergebnisse der mechanischen Tests zu reproduzieren. Darüber hinaus werden mit Hilfe von FEA-Berechnungen die entsprechenden mechanischen Eigenschaften approximiert. Dann wird unter Verwendung der detaillierten Belastungsverteilungskarten ein Bruchmechanismus vorgeschlagen. Am Ende wird dieser Mechanismus validiert, indem die Form der kaputten Kapseln vorhergesagt wird.

Der Fokus des dritten Kapitels liegt auf der Deformationsdynamik und dem Aufbrechen solcher Kapseln in einem generischen Scherfluss. In dieser Studie haben die Schalen der Kapseln eine endliche Dicke, und ihre Mechanik wird durch elastische oder elastisch-perfekt plastische konstitutive Gesetze beschrieben. Es wird gezeigt, dass sich die ursprünglich kreisförmige elastische Schale unter den hydrodynamischen Spannungen zu einer elliptischen Form mit konstanter Geometrie verformt. Nachdem wir Ergebnisse aus der Literatur über die Deformationsdynamik der rein elastischen Kapseln reproduzieren, zeigen wir, dass sich die endliche Dicke der Schale während ihrer Verformung ändert, so dass sie am Äquator der Gleichgewichtsellipse dünner und an den Polen dicker ist. Wir erklären die Beziehung zwischen dieser Beobachtung und der Verteilung der Normal- und Umfangsspannungen in der Schale, um einen möglichen Auflösungsmechanismus bei höheren Scherraten vorzuschlagen. Weiterhin demonstrieren wir die Auswirkungen der Plastizität und der Kaltverfestigung auf die Verformung und das Aufbrechen der Kapseln demonstrieren. Wir finden, dass, wenn die Schergeschwindigkeit hoch genug ist, die Verformung im plastischen Bereich stattfindet und die Kapsel sich weiter dehnt als im rein elastischen Fall. Darüber hinaus zeigen die dünneren Schalen eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Plastizität. Schließlich wird gezeigt, dass, wenn auf die plastische Verformung ein Verfestigungsregime folgt, wie es für die in Kapitel zwei untersuchten Mikrokapseln beobachtet wurde, das Aufbrechen signifikant verzögert oder sogar vollständig verhindert werden kann.

In Kapitel vier präsentieren wir einen Doppelschicht-Aktuator aus Poly (N-Isopropyl-acrylamid) Hydrogel. Er zeigt eine irreversible Formänderung durch Rollen, wenn er in Kontakt mit Wasser kommt. Um die Anforderungen seiner Anwendungen im Tissue Engineering zu erfüllen, ist es wichtig, die endgültige gefaltete Form des Systems vorherzusagen und zu kontrollieren. Hier wenden wir ein vereinfachtes anisotropes elastisches Modell in Bezug auf die Morphologie der Fasern in einzelnen Schichten an, um ihre endgültige dreidimensionale Form in Wasser vorherzusagen. Die Ergebnisse dieser Analyse zeigen die Notwendigkeit, die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften bei der Modellierung der großen nichtlinearen Deformationen dieses Systems zu berücksichtigen.