Identification of non-local force interactions in self-adhesive polymeric films

Abstract

Kunststoffe werden im täglichen Leben der Menschen in großem Umfang verwendet, entweder privat oder industriell. Eines der größten Probleme in diesem Zusammenhang ist die Umweltverschmutzung, die durch diese Materialien verursacht wird. Deshalb versucht die Industrie, z. B. die Verpackungsindustrie, den Kunststoffverbrauch jeden Tag mehr zu reduzieren. Die Herstellung dünner Kunststofffolien ist daher eine der Möglichkeiten, den Kunststoffverbrauch zu reduzieren. Je nach Verwendungszweck sind Probleme mit der Haftung oder der Leistung eine der Herausforderungen. Um die Haftfähigkeit der Folien zu gewährleisten, gibt es eine Vielzahl von Herstellungsverfahren, wie z. B. die Koextrusion von Polymeren, die üblicherweise zur Herstellung selbstklebender Polymerfolien verwendet wird. Die Klebeleistung der Folien wird in der Regel anhand geeigneter Peel-Test Ergebnisse beurteilt, obwohl ein Peel-Test allein keine ausreichenden Daten liefert, um die Produktleistung darauf zu stützen. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit eine neuartige Idee zur Modellierung der Delaminierung von dünnen, flexiblen Polyethylenfolien mit Selbstklebefähigkeit untersucht. Die allgemeine Idee dieses Modells besteht darin, einen inversen Weg einzuschlagen, indem man die Delaminationskonfigurationen aus den Peel-Test entnimmt und daraus die traction-separation Kurve erstellt. Danach werden diese traction-separation Kurven eingesetzt, um sie in den nicht-lokalen Modellierungsverfahren anzuwenden und die unbekannten Materialparameter zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurden T-Peel-Tests an verschiedenen PE-Folienproben durchgeführt, die aus zwei Schichten identischer Folie bestanden, die durch die Haftflächen miteinander verbunden waren, gemäß der Norm ASTM 1876. Der Peel-Test wurde mit einer mikroskopischen Kamera aufgezeichnet, um die digitalen Bilder der Folienkonfiguration aus einer Transversalebene zu extrahieren. Es wurden verschiedene Digitalisierungsmethoden verwendet, um die beste Methode zur mathematischen Definition der Folienkonfiguration zu finden. Diese Daten, die in Form von Koordinaten oder Winkeln vorlagen, dienten als Grundlage für die Ermittlung der Wechselwirkungskräfte zwischen den Filmen. Der Identifizierungsschritt wurde aus Gründen der Genauigkeit und zur Validierung mit drei verschiedenen Ansätzen durchgeführt. Zwei der Ansätze wurden auf der Grundlage direkter Verfahren und einer auf der Grundlage des Prinzips der komplementären Energie entwickelt, die in dieser Studie als direkter, exponentieller bzw. komplementärer Energieansatz bezeichnet wurden. Die Ansätze brachten korrekte Ergebnisse und waren auch in der Lage, Charakteristika der adhäsiven Interaktion wie die Adhäsionsenergie, die maximale Kraft und die kritische Öffnungsverschiebung zu liefern. Zusätzlich zu den individuell validierten Ergebnissen der Ansätze zeigten alle drei Ansätze ein qualitativ ähnliches traction-separation verhalten, das der untersuchten Probe entsprach. Der letzte Schritt dieser Arbeit beinhaltete die Modellierung der Wechselwirkungen zwischen den Filmen, die vom nichtlokalen Typ waren. Die Modellierung wurde unter Verwendung der Ideen der auf peridynamischen Bindungen basierenden Theorie erstellt. Die erforderlichen Eingabedaten für diesen Schritt waren die identifizierten traction-separation Kurven, um die unbekannten Materialparameter zu berechnen. Auf diese Weise wird das gesamte Delaminationsverhalten anhand der Delaminationskonfiguration und der Materialeigenschaften modelliert.

Plastic materials are used vastly in people’s daily life, either personally or industrially. One of the major concerns in this regard is the environmental pollution caused by these materials. Therefore, industries, such as packaging, are trying to reduce plastic consumption more and more every day. Hence, going in the direction of thin plastic films production is one of the ways of plastic usage reduction. However, like any other product, these films face some challenges as well. According to their usage, adhesion problems or performance is one of the challenges. In order to provide the adhesion ability in the films, plenty of manufacturing methods are available such as polymer cling material coextrusion, which is commonly used to produce self-adhesive polymer films. The adhesion performance of the films is usually judged based on suitable peel test results, although a peel test alone does not provide sufficient data to rely on the product performance on it. To this end, the thesis at hand studies a novel idea to model the delamination of thin, flexible polyethylene films with self-adhesive ability. The general idea of this model is to go from a reverse path of taking the delamination configurations from the peel test specimens then provide the traction-separation curve from them, which is the specific traction-separation curve to this material. Then take those traction-separation curves into account, to apply in the non-local modeling procedures and define the unknown material parameters. Towards this goal, T-peel tests were performed on different PE film specimens, provided from two layers of identical film, attached to one another by the cling surfaces, according to the standard ASTM 1876. The peel test procedure was recorded with a microscopic camera, in order to extract the digital images of the film configuration from a transverse view. Different methods of digitization were used to find the best way of mathematically defining the film configuration. These data, which were in a coordinate or angle form, were the input to identify interaction forces between the films. The identification step was done by three different approaches for accuracy and validation purposes. Two of the approaches were developed from direct procedures and one from the complementary energy principles, they were called in this study the direct, exponential, and complementary energy approaches respectively. The approaches performed correctly and were also able to provide characteristics of the adhesive interaction such as the energy of adhesion, maximum force, and critical opening displacement. In addition to the approaches individually validated results, all three of the approaches showed qualitatively similar traction-separation behavior, corresponding to the evaluated specimen. The final step of this framework contained modeling the interactions between the films, which were from non-local type. The modeling was created using the ideas of peridynamic bond-based theory. The required input data for this step was the identified traction-separation curves, in order to calculate the unknown material parameters which completed the non-local model performance. This way, the whole delamination behavior is modeled by taking the delamination configuration and the material characteristics.