Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Sự khởi đầu và phát triển dấu nứt động trong nanopaper cellulose
Tóm tắt
Nanopaper cellulose (CNP) được làm từ các sợi nano cellulose đã nhận được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây nhờ vào trọng lượng nhẹ và các đặc tính cơ học vượt trội, cùng với các thuộc tính bền vững và thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu đặc trưng cơ học trên CNP hiện nay chủ yếu giới hạn ở các thử nghiệm kéo. Thực tế, cho đến nay chưa có báo cáo nào về hành vi khởi đầu và phát triển của dấu nứt, đặc biệt trong điều kiện tải động. Trong nghiên cứu này, hành vi khởi đầu và phát triển dấu nứt trong CNP tự lắp ghép, được làm từ việc lọc huyền phù CNF, được nghiên cứu bằng phương pháp quang học toàn diện. Hành vi khởi đầu và phát triển dấu nứt động cùng với các tham số đứt gãy theo thời gian được định lượng bằng kỹ thuật Phân tích hình ảnh số. Thách thức liên quan đến việc tải động một dải CNP mỏng đã được giải quyết bằng một giá đỡ acrylic với một khe cắt rộng được nối bởi CNP có vết nứt ở mép. Việc chụp ảnh kỹ thuật số siêu tốc đã được triển khai để ghi lại các biến dạng trong mặt phẳng trong điều kiện trước và sau khi khởi đầu dấu nứt, bao gồm cả sự phát triển dấu nứt động. Dưới điều kiện tải sóng áp lực, sự phát triển dấu nứt cỡ vĩ mô xảy ra với tốc độ đáng kinh ngạc (600–700 m/s) trong vật liệu sợi fibril vi mô này. Các trường dịch chuyển đo được từ các điều kiện tải động được phân tích để trích xuất các yếu tố cường độ ứng suất (SIF) và lịch sử tỷ lệ phát thải năng lượng (G). Kết quả cho thấy SIF tại thời điểm khởi đầu dấu nứt nằm trong khoảng 6–7 MPa m1/2, vượt xa nhiều loại nhựa kỹ thuật. Hơn nữa, các giá trị đo được tăng lên trong quá trình phát triển dấu nứt dưới cả hai tốc độ biến dạng thấp và cao, cho thấy khả năng kháng đứt gãy vượt trội của CNP, có giá trị cho nhiều ứng dụng kết cấu.
Từ khóa
#nanopaper cellulose #dấu nứt #tải động #kỹ thuật phân tích hình ảnh số #ứng suất #cường độ ứng suấtTài liệu tham khảo
Benítez AJ, Walther A (2017) Cellulose nanofibril nanopapers and bioinspired nanocomposites: a review to understand the mechanical property space. J Mater Chem A 5:16003–16024. https://doi.org/10.1039/c7ta02006f
Chen Y, Zhang L, Mei C et al (2020) Wood-inspired anisotropic cellulose nanofibril composite sponges for multifunctional applications. ACS Appl Mater Interf. https://doi.org/10.1021/acsami.0c10645
Chu TC, Ranson WF, Sutton MA (1985) Applications of digital-image-correlation techniques to experimental mechanics. Exp Mech 25:232–244. https://doi.org/10.1007/BF02325092
Diaz JA, Wu X, Martini A et al (2013) Thermal expansion of self-organized and shear-oriented cellulose nanocrystal films. Biomacromol 14:2900–2908. https://doi.org/10.1021/bm400794e
Du H, Liu W, Zhang M et al (2019) Cellulose nanocrystals and cellulose nanofibrils based hydrogels for biomedical applications. Carbohydr Polym 209:130–144. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2019.01.020
Du H, Parit M, Wu M et al (2020) Sustainable valorization of paper mill sludge into cellulose nanofibrils and cellulose nanopaper. J Hazard Mater 400:123106. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123106
Du H, Parit M, Liu K et al (2021) Engineering cellulose nanopaper with water resistant, antibacterial, and improved barrier properties by impregnation of chitosan and the followed halogenation. Carbohydr Polym 270:118372. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118372
Du H, Zhang M, Liu K et al (2022) Conductive PEDOT:PSS/cellulose nanofibril paper electrodes for flexible supercapacitors with superior areal capacitance and cycling stability. Chem Eng J 428:131994. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131994
Jajam KC, Bird SA, Auad ML, Tippur HV (2013) Tensile, fracture and impact behavior of transparent Interpenetrating polymer networks with polyurethane-poly(methyl methacrylate). Polym Test 32:889–900. https://doi.org/10.1016/J.POLYMERTESTING.2013.04.010
Jung YH, Chang TH, Zhang H et al (2015) High-performance green flexible electronics based on biodegradable cellulose nanofibril paper. Nat Commun. https://doi.org/10.1038/ncomms8170
Kargarzadeh H, Huang J, Lin N et al (2018) Recent developments in nanocellulose-based biodegradable polymers, thermoplastic polymers, and porous nanocomposites. Prog Polym Sci 87:197–227. https://doi.org/10.1016/J.PROGPOLYMSCI.2018.07.008
Kirugulige MS, Tippur HV, Denney TS (2007) Measurement of transient deformations using digital image correlation method and high-speed photography: application to dynamic fracture. Appl Opt 46:5083–5096. https://doi.org/10.1364/AO.46.005083
Lee D, Tippur H, Bogert P (2010) Quasi-static and dynamic fracture of graphite/epoxy composites: an optical study of loading-rate effects. Compos Part B Eng 41:462–474. https://doi.org/10.1016/J.COMPOSITESB.2010.05.007
Lee KY, Aitomäki Y, Berglund LA et al (2014) On the use of nanocellulose as reinforcement in polymer matrix composites. Compos Sci Technol 105:15–27. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2014.08.032
Liu W, Du H, Zhang M et al (2020) Bacterial cellulose-based composite scaffolds for biomedical applications: a review. ACS Sustain Chem Eng 8:7536–7562. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c00125
Liu H, Du H, Zheng T et al (2021) Cellulose based composite foams and aerogels for advanced energy storage devices. Chem Eng J 426:130817. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130817
Mao R, Goutianos S, Tu W et al (2017) Comparison of fracture properties of cellulose nanopaper, printing paper and buckypaper. J Mater Sci 52:9508–9519. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1108-4
Meng Q, Li B, Li T, Feng X-Q (2017) A multiscale crack-bridging model of cellulose nanopaper. J Mech Phys Solids 103:22–39. https://doi.org/10.1016/J.JMPS.2017.03.004
Meng Q, Li B, Li T, Feng XQ (2018) Effects of nanofiber orientations on the fracture toughness of cellulose nanopaper. Eng Fract Mech 194:350–361. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2018.03.034
Miao C, Tippur HV (2019) Fracture behavior of carbon fiber reinforced polymer composites: an optical study of loading rate effects. Eng Fract Mech. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2018.12.035
Miao C, Tippur HV (2020) Dynamic fracture of soda-lime glass plates studied using two modified digital gradient sensing techniques. Eng Fract Mech 232:107048. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107048
Miao C, Du H, Parit M et al (2020) Superior crack initiation and growth characteristics of cellulose nanopapers. Cellulose. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03015-x
Nishioka T, Atluri SN (1983) Path-independent integrals, energy release rates, and general solutions of near-tip fields in mixed-mode dynamic fracture mechanics. Eng Fract Mech 18:1–22. https://doi.org/10.1016/0013-7944(83)90091-7
Nogi M, Karakawa M, Komoda N et al (2015) Transparent conductive nanofiber paper for foldable solar cells. Sci Rep 5:1–7. https://doi.org/10.1038/srep17254
Pan B, Qian K, Xie H, Asundi A (2009) Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: a review. Meas Sci Technol 20:062001. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/6/062001
Parit M, Aksoy B, Jiang Z (2018) Towards standardization of laboratory preparation procedure for uniform cellulose nanopapers. Cellulose 25:2915–2924. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1759-6
Parit M, Du H, Zhang X et al (2020) Polypyrrole and cellulose nanofiber based composite films with improved physical and electrical properties for electromagnetic shielding applications. Carbohydr Polym 240:116304. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116304
Ravi-Chandar K (2004) Dynamic fracture. Elsevier, San Diego
Sundaram BM, Tippur HV (2017) Dynamic mixed-mode fracture behaviors of PMMA and polycarbonate. Eng Fract Mech 176:186–212. https://doi.org/10.1016/J.ENGFRACMECH.2017.02.029
Sutton MA, Orteu J-J, Schreier H (2009) Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications, 1st edn. Springer Publishing Company, Incorporated
Wang Q, Du H, Zhang F et al (2018) Flexible cellulose nanopaper with high wet tensile strength, high toughness and tunable ultraviolet blocking ability fabricated from tobacco stalk: via a sustainable method. J Mater Chem A 6:13021–13030. https://doi.org/10.1039/c8ta01986j
Wu J, Che X, Hu H-C et al (2020a) Organic solar cells based on cellulose nanopaper from agroforestry residues with an efficiency of over 16% and effectively wide-angle light capturing. J Mater Chem A 8:5442–5448. https://doi.org/10.1039/C9TA14039E
Wu M, Sukyai P, Lv D et al (2020b) Water and humidity-induced shape memory cellulose nanopaper with quick response, excellent wet strength and folding resistance. Chem Eng J 392:123673. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123673
Wyss CS, Karami P, Bourban P-E, Pioletti DP (2018) Cyclic loading of a cellulose/hydrogel composite increases its fracture strength. Extrem Mech Lett 24:66–74. https://doi.org/10.1016/J.EML.2018.09.002
Xie H, Du H, Yang X, Si C (2018) Recent strategies in preparation of cellulose nanocrystals and cellulose nanofibrils derived from raw cellulose materials. Int J Polym Sci. https://doi.org/10.1155/2018/7923068
Xing J, Tao P, Wu Z et al (2019) Nanocellulose-graphene composites: a promising nanomaterial for flexible supercapacitors. Carbohydr Polym 207:447–459. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.12.010
Yang J, Shao C, Meng L (2019) Strain rate-dependent viscoelasticity and fracture mechanics of cellulose nanofibril composite hydrogels. Langmuir 35:10542–10550. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b01532
Yoneyama S, Morimoto Y, Takashi M (2006) Automatic evaluation of mixed-mode stress intensity factors utilizing digital image correlation. Strain 42:21–29. https://doi.org/10.1111/j.1475-1305.2006.00246.x
Zhao M, Ansari F, Takeuchi M et al (2018) Nematic structuring of transparent and multifunctional nanocellulose papers. Nanoscale Horiz 3:28–34. https://doi.org/10.1039/c7nh00104e
Zhu H, Zhu S, Jia Z et al (2015) Anomalous scaling law of strength and toughness of cellulose nanopaper. Proc Natl Acad Sci 112:8971–8976. https://doi.org/10.1073/PNAS.1502870112