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Authors
Abstract(s)
The properties of stochastic fibrous materials like paper and nanowebs are highly dependent on those fibers from which the network structure is made. This work contributes to a better understanding of the effect of fiber properties on the network structural properties, using an original 3D fibrous material model with experimental validation, and its application to different fibrous materials used in reinforced Eucalyptus office paper and nanofibrous networks. To establish the relationships between the fiber and the final structural material properties, an experimental laboratorial plan has been executed for a reinforced fibrous structure, and a physical based 3D model has been developed and implemented. The experimental plan was dedicated to an important Portuguese material: the reinforced Eucalyptus based office paper. Office paper is the principal Portuguese paper industry product. This paper is mainly produced from Eucalyptus globulus bleached kraft pulp with a small incorporation of a softwood pulp to increase paper strength. It is important to access the contribution of different reinforcement pulp fibers with different biometry and coarseness to the final paper properties. The two extremes of reinforcement pulps are represented by a Picea abies kraft softwood pulp, usually considered the best reinforcement fiber, and the Portuguese pine Pinus pinaster kraft pulp. Fiber flexibility was determined experimentally using the Steadman and Luner method with a computerized acquisition device. When comparing two reinforcement fibers, the information about fiber flexibility and biometry is determinant to predict paper properties. The values presented correspond to the two extremes of fibers available as reinforcement fibers, regarding wall thickness, beating ability and flexibility values. Pinus pinaster has the thickest fiber wall, and consequently it is less flexible than the thinner wall fibers: Pinus sylvestris and Picea abies. Experimental results for the evolutions of paper properties, like paper apparent density, air permeability, tensile and tear strength, together with fiber flexibility for the two reinforcement fibers, constitute valuable information, also applicable for other reinforcement fibers, with fiber walls dimensions in this range.
After having quantified the influence of fiber flexibility, we identified that this is as a key physical property to be included in our structural model. Therefore, we chose to develop a 3D network model that includes fiber bending in the z direction as an important parameter. The inclusion of fiber flexibility was done for the first time by Niskanen, in a model known as the KCL-Pakka model. We propose an extension of this model, with improvements on the fiber model, as well as an original computational implementation. A simulator has been developed from scratch and the results have been validated experimentally using handmade laboratory structures made from Eucalyptus fibers (hardwood fibers), and also Pinus pinaster, Pinus Sylvestris and Picea abies fibers, which are representative reinforcement fibers. Finally, the model was modified and extended to obtain an original simulator to nanofibrous materials, which is also an important innovation. In the network model developed in this work, the structure is formed by the sequential deposition of fibers, which are modeled individually. The model includes key papermaking fiber properties like morphology, flexibility, and collapsibility and process operations such as fiber deposition, network forming or densification. For the first time, the model considers the fiber microstructure level, including lumen and fiber wall thickness, with a resolution up to 0.05μm for the paper material case and 0.05nm for the nanofibrous materials. The computational simulation model was used to perform simulation studies. In the case of paper materials, it was used to investigate the relative influence of fiber properties such as fiber flexibility, dimensions and collapsibility. The developed multiscale model gave realistic predictions and enabled us to link fiber microstructure and paper properties. In the case of nanofibrous materials, the 3D network model was modified and implemented for Polyamide-6 electrospun and cellulose nanowebs. The influence of computational fiber flexibility and dimensions was investigated. For the Polyamide-6 electrospun network experimental results were compared visually with simulation results and similar evolutions were observed. For cellulose nanowebs the simulation study used literature data to obtain the input information for the nanocellulose fibers. The design of computer experiments was done using a space filling design, namely the Latin hypercube sampling design, and the simulations results were organized and interpreted using regression trees. Both the experimental characterization, and computational modeling, contributed to study the relationships between the polymeric fibers and the network structure formed.
As propriedades de materiais estocásticos constituídos por fibras, tais como o papel ou nanoredes poliméricas, dependem fortemente das fibras a partir das quais a estrutura em rede se forma. Este trabalho contribui para uma melhor compreensão da influência das propriedades das fibras nas propriedades estruturais das redes, utilizando um modelo original 3D para materiais constituídos por fibras, com validação experimental, bem como a sua aplicação aos materiais utilizados no papel de escritório de Eucalyptus, com fibras de reforço, e a redes de nanofibras. Para estabelecer as relações entre a fibra e as propriedades estruturais do material, executou-se um planeamento experimental para uma estrutura fibrosa reforçada, e desenvolveu-se e implementou-se um modelo 3D de base física. O plano experimental teve como objecto um material relevante em Portugal: o papel de escritório de Eucalyptus com fibras de reforço. O papel de escritório é o produto principal da indústria de papel Portuguesa. Este tipo de papel é produzido a partir da pasta kraft branqueada de Eucalyptus globulus, com incorporação de uma pequena quantidade de pasta de reforço, “softwood”, para melhorar a resistência do papel. É importante avaliar a contribuição de diferentes fibras de reforço, com biometria e massas linear distinta, nas diferentes propriedades finais do papel. Os dois extremos das fibras de reforço estão representados pela pasta kraft de Picea abies, usualmente considerada a melhor fibra de reforço, e a pasta kraft Portuguesa de Pinus pinaster. A flexibilidade da fibra determinou-se experimentalmente utilizando o método de Steadman e Luner, com um dispositivo de aquisição automatizado. A informação relativa à flexibilidade e biometria da fibra é fundamental para inferir sobre as propriedades do papel. Os valores determinados correspondem a valores dos extremos, paras as fibras de reforço disponíveis no mercado, no que diz respeito a espessura de parede, refinabilidade e valores de flexibilidade. Pode considerar-se a fibra de Pinus pinaster num extremo, sendo a fibra de paredes mais espessas, e consequentemente menos flexível que as fibras de paredes mais finas: Pinus sylvestris e Picea abies. Desta forma, os resultados experimentais obtidos para estas fibras, relativos à evolução de propriedades do papel, nomeadamente densidade, permeabilidade ao ar, resistência à tracção e ao rasgamento, entre outros, constituem informação importante que pode ser aplicada a outras fibras de reforço, que se situem nesta gama. Como consequência lógica da identificação da flexibilidade da fibra como uma propriedade física determinante, e após a quantificação experimental, a escolha do modelo de papel recaiu sobre um modelo que inclui a flexibilidade como propriedade chave. Assim, desenvolvemos um modelo 3D que inclui a flexão das fibras na direcção transversal, isto é, a direcção da espessura do papel, também reconhecida como direcção da coordenada z. A inclusão da flexibilidade da fibra baseia-se no modelo de Niskanen, conhecido como o modelo KCL-Pakka. Apresenta-se uma extensão deste modelo, com modificações no modelo da fibra, bem como uma implementação computacional original. Desenvolveu-se um simulador para matérias em rede, que se validou com resultados experimentais. Efectuaram-se, também, as modificações necessárias para obter um simulador para nanomateriais, o que constitui uma inovação relevante. No modelo deste trabalho, desenvolvido para materiais fibrosos em rede, as fibras modelam-se individualmente e a estrutura forma-se sequencialmente pela sua deposição e conformação à estrutura existente. O modelo inclui propriedades das fibras determinantes, tais como morfologia, flexibilidade e colapsabilidade. Bem como etapas do processo, nomeadamente a deposição das fibras e a formação da rede, isto é, a densificação da estrutura. De uma forma original, o modelo da fibra inclui a espessura do lúmen e da parede da fibra, com uma resolução de 0.05μm para as fibras do papel e 0.05nm no caso das nanofibras. O modelo computacional desenvolvido utilizou-se na realização de estudos de simulação. No caso dos materiais papeleiros, utilizou-se para investigar a influência das propriedades das fibras, tendo-se obtido previsões realistas. No caso dos nanomateriais, o modelo foi modificado e implementado para as fibras electrofiadas de Poliamida-6 e redes de nanocelulose. O plano de experiencias computacionais utilizou uma distribuição no espaço “Latin hypercube” e os resultados das simulações organizaram-se recorrendo a árvores de regressão. Tanto a caracterização experimental, como a modelação computacional, contribuíram com valiosa informação para o estudo das relações entre as fibras poliméricas e as estruturas em rede por elas formadas.
As propriedades de materiais estocásticos constituídos por fibras, tais como o papel ou nanoredes poliméricas, dependem fortemente das fibras a partir das quais a estrutura em rede se forma. Este trabalho contribui para uma melhor compreensão da influência das propriedades das fibras nas propriedades estruturais das redes, utilizando um modelo original 3D para materiais constituídos por fibras, com validação experimental, bem como a sua aplicação aos materiais utilizados no papel de escritório de Eucalyptus, com fibras de reforço, e a redes de nanofibras. Para estabelecer as relações entre a fibra e as propriedades estruturais do material, executou-se um planeamento experimental para uma estrutura fibrosa reforçada, e desenvolveu-se e implementou-se um modelo 3D de base física. O plano experimental teve como objecto um material relevante em Portugal: o papel de escritório de Eucalyptus com fibras de reforço. O papel de escritório é o produto principal da indústria de papel Portuguesa. Este tipo de papel é produzido a partir da pasta kraft branqueada de Eucalyptus globulus, com incorporação de uma pequena quantidade de pasta de reforço, “softwood”, para melhorar a resistência do papel. É importante avaliar a contribuição de diferentes fibras de reforço, com biometria e massas linear distinta, nas diferentes propriedades finais do papel. Os dois extremos das fibras de reforço estão representados pela pasta kraft de Picea abies, usualmente considerada a melhor fibra de reforço, e a pasta kraft Portuguesa de Pinus pinaster. A flexibilidade da fibra determinou-se experimentalmente utilizando o método de Steadman e Luner, com um dispositivo de aquisição automatizado. A informação relativa à flexibilidade e biometria da fibra é fundamental para inferir sobre as propriedades do papel. Os valores determinados correspondem a valores dos extremos, paras as fibras de reforço disponíveis no mercado, no que diz respeito a espessura de parede, refinabilidade e valores de flexibilidade. Pode considerar-se a fibra de Pinus pinaster num extremo, sendo a fibra de paredes mais espessas, e consequentemente menos flexível que as fibras de paredes mais finas: Pinus sylvestris e Picea abies. Desta forma, os resultados experimentais obtidos para estas fibras, relativos à evolução de propriedades do papel, nomeadamente densidade, permeabilidade ao ar, resistência à tracção e ao rasgamento, entre outros, constituem informação importante que pode ser aplicada a outras fibras de reforço, que se situem nesta gama. Como consequência lógica da identificação da flexibilidade da fibra como uma propriedade física determinante, e após a quantificação experimental, a escolha do modelo de papel recaiu sobre um modelo que inclui a flexibilidade como propriedade chave. Assim, desenvolvemos um modelo 3D que inclui a flexão das fibras na direcção transversal, isto é, a direcção da espessura do papel, também reconhecida como direcção da coordenada z. A inclusão da flexibilidade da fibra baseia-se no modelo de Niskanen, conhecido como o modelo KCL-Pakka. Apresenta-se uma extensão deste modelo, com modificações no modelo da fibra, bem como uma implementação computacional original. Desenvolveu-se um simulador para matérias em rede, que se validou com resultados experimentais. Efectuaram-se, também, as modificações necessárias para obter um simulador para nanomateriais, o que constitui uma inovação relevante. No modelo deste trabalho, desenvolvido para materiais fibrosos em rede, as fibras modelam-se individualmente e a estrutura forma-se sequencialmente pela sua deposição e conformação à estrutura existente. O modelo inclui propriedades das fibras determinantes, tais como morfologia, flexibilidade e colapsabilidade. Bem como etapas do processo, nomeadamente a deposição das fibras e a formação da rede, isto é, a densificação da estrutura. De uma forma original, o modelo da fibra inclui a espessura do lúmen e da parede da fibra, com uma resolução de 0.05μm para as fibras do papel e 0.05nm no caso das nanofibras. O modelo computacional desenvolvido utilizou-se na realização de estudos de simulação. No caso dos materiais papeleiros, utilizou-se para investigar a influência das propriedades das fibras, tendo-se obtido previsões realistas. No caso dos nanomateriais, o modelo foi modificado e implementado para as fibras electrofiadas de Poliamida-6 e redes de nanocelulose. O plano de experiencias computacionais utilizou uma distribuição no espaço “Latin hypercube” e os resultados das simulações organizaram-se recorrendo a árvores de regressão. Tanto a caracterização experimental, como a modelação computacional, contribuíram com valiosa informação para o estudo das relações entre as fibras poliméricas e as estruturas em rede por elas formadas.
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Keywords
Propriedades estruturais das redes - Modelação Modelação 3D - Fibras Modelação 3D - Fibras poliméricas Modelação - Nanomateriais - Nanofibras Eucalyptus - Papel de escritório Eucalyptus - Fibras de reforço Fibras - Flexibilidade