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  5. Humidity influence on mechanics of paper materials: joint numerical and experimental study on fiber and fiber network scale
 
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2022
Zweitveröffentlichung
Artikel
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Humidity influence on mechanics of paper materials: joint numerical and experimental study on fiber and fiber network scale

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TUDa URI
tuda/10234
URN
urn:nbn:de:tuda-tuprints-235210
DOI
10.26083/tuprints-00023521
Autor:innen
Lin, Binbin ORCID 0000-0002-7013-283X
Auernhammer, Julia ORCID 0000-0002-9896-7353
Schäfer, Jan-Lukas ORCID 0000-0002-6959-9467
Meckel, Tobias ORCID 0000-0003-0759-2072
Stark, Robert ORCID 0000-0001-8678-8449
Biesalski, Markus ORCID 0000-0001-6662-0673
Xu, Bai-Xiang ORCID 0000-0001-5906-5341
Kurzbeschreibung (Abstract)

Paper materials are well-known to be hydrophilic unless chemical and mechanical processing treatments are undertaken. The relative humidity impacts the fiber elasticity, the interfiber joint behavior and the failure mechanism. In this work, we present a comprehensive experimental and computational study on mechanical properties of the fiber and the fiber network under humidity influence. The manually extracted cellulose fiber is exposed to different levels of humidity, and then mechanically characterized using atomic force microscopy, which delivers the humidity dependent longitudinal Young’s modulus. We describe the relation and calibrate the data into an exponential function, and the obtained relationship allows calculation of fiber elastic modulus at any humidity level. Moreover, by using confoncal laser scanning microscopy, the coefficient of hygroscopic expansion of the fibers is determined. We further present a finite element model to simulate the deformation and the failure of the fiber network. The model includes the fiber anisotropy and the hygroscopic expansion using the experimentally determined constants, and further considers interfiber behavior and debonding by using a humidity dependent cohesive zone interface model. Simulations on exemplary fiber network samples are performed to demonstrate the influence of different aspects including relative humidity and fiber-fiber bonding parameters on the mechanical features, such as force-elongation curve, strength and extensibility. Finally, we provide computational insights for interfiber bond damage pattern with respect to different humidity level as further outlook.

Freie Schlagworte

Paper materials

Fiber network simulat...

Humidity influence

Strength of paper

Sprache
Englisch
Fachbereich/-gebiet
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Mechanik Funktionaler Materialien
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Physics of Surfaces
07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Makromolekulare Chemie > Makromolekulare Chemie und Papierchemie
DDC
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Institution
Universitäts- und Landesbibliothek Darmstadt
Ort
Darmstadt
Titel der Zeitschrift / Schriftenreihe
Cellulose
Startseite
1129
Endseite
1148
Jahrgang der Zeitschrift
29
Heftnummer der Zeitschrift
2
ISSN
1572-882X
Verlag
Springer Science
Ort der Erstveröffentlichung
Dordrecht
Publikationsjahr der Erstveröffentlichung
2022
Verlags-DOI
10.1007/s10570-021-04355-y
PPN
52464344X

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