In this project, an additive manufacturing technique called Direct Ink Writing has been used to 3D print structures from polymer solutions containing cellulose acetate. Cellulose acetate is a synthetic compound derived from plants. The intended application involves protein separation filters for medical purposes. The printing has been performed in a lab environment with focus on high resolution, with less than 10 micrometers in fibre size. Glass capillaries with an inner diameter of 3-10 micrometers were used as nozzles. Three-dimensional structures with a height of 100 micrometers and a fibre thickness of 2 micrometers were made. The results indicates that cellulose acetate is a promising polymer for Direct Ink Writing in high resolution. Improvements are needed in the ink design and/or the technical construction of the printer to avoid clogging of the nozzle.

Idag är den största delen av textilierna antingen olje-(60 %) eller bomullsbaserade (30 %). Det är enbart en liten del som är baserade på träfibrer. Ett ökande behov av förnyelsebara textilier föreligger. Samtidigt är ett minskade pappersbehov en drivkraft till att använda de existerande pappersmaskinerna till att tillverka icke vävda textilliknande material. Till skillnad från vävda material kan materialet tillverkas direkt istället för att först tillverka trådar från fibrer. Möjligheter att ta fram textillika material av cellulosafibrer undersöktes. Dynamiska ark gjorda av en blandning av barrmassa och en blandning av barr- och lövmassa med 0, 55 och 70 vikt% polymjölksyra, PLA, tillverkades. Arken pressades ihop två och två med ett mellanlager av Expancel mikrosfärer och bindemedel. Mowilith DM 105 och Primal LT-2949 Emulsion användes som bindemedel. En jämförelse gjordes med ark med enbart bindemedel som mellanlager.   En subjektiv utvärdering av vilket förhållande mellan Expancel mikrosfärer och bindemedel som var bäst lämpad gjordes. För utvärderingen ytbehandlades ett standard papper med 70 vikt% PLA. Den sats med högst koncentration av Expancel mikrosfärer som band bra till bindemedelet valdes. Draghållfastheten testades genom dragprovning enligt ISO 1924-2:1994 men med endast 5 prover istället för 10.  Dragprovningen visade att tillsatsen av Expancel mikrosfärer ökade töjningen hos materialet. Materialen med högst koncentration av PLA gav den mjukaste känslan men också lägst styrka. / Today the main parts of textiles are either oil (60 %) or cotton based (30 %). It is only a small portion which is based on wood fibres. An increasing demand of renewable textiles is forthcoming. At the same time a decreasing demand of paper is one of the motivation of using the existing paper machines to produce nonwoven textile-like materials. Unlike woven fabrics the fabric can be manufactured directly rather than first producing yarn from fibres. Possibilities of developing a textile-like material of cellulose fibres were investigated. Dynamic lab sheets made of a mix of softwood pulp and a mix of softwood and birch pulp with 0, 55 and 70 weight % Poly(lactic acid), PLA, were manufactured. The sheets was pressed together two and two with a middle layer of Expancel microspheres and binder. Mowilith DM 105 and Primal LT-2949 emulsion were used as binders. A comparison was made between sheets with only binder as the middle layer.   A subjective evaluation of which ratio between Expancel microspheres and binder material was best suited was made. For the evaluation a paper containing 70 weight% PLA was coated. The batch with highest concentration of Expancel microspheres, which bonded well to the binder, was chosen. The tensile strength was measured according to ISO 1924-2:1994 but with only 5 test samples instead of 10. The tensile tests showed that with Expancel microspheres resulted in increase of elongation of the material. The materials with the highest concentration of PLA had softest feeling but also lowest strength.

The main intention of this thesis work was to investigate the effect of strain rate on continuum and pre-cracked polymer failure. Low-Density Polyethylene (LDPE) was chosen to study experimentally and numerically. In order to cover wide range of strain rates, four specific strain rates were selected for the uniaxial tensile tests. To perform the tests, cyclic loading and unloading with relaxation was utilized in the room temperature for continuum specimen and for pre-cracked specimen monotonic tensile test till failure was utilized. Through Digital Image Correlation (DIC) the local strain distribution was assessed through the specimen and the deformation was compared with simulation results. Based on the extensive literature review of material models from PolyUMod library among Viscoplastic models, the Three Network Viscoplastic (TNV) model was selected to proceed with the calibration. The motivation behind choosing TNV model is it's capability of capturing load-unload curves, different strain rates as well as non-linear responses. Furthermore, it was seen that among Viscoplastic models, TNV has the lowest average errors which plays a vital role in this case as the accuracy of FE simulation directly depends on the calibration results. From the experimental results it was safe to say that with increasing strain rates LDPE films tend to get stiffer and stronger both in continuum and pre-cracked. Through the calibration it was seen that the predicted curves were in reasonable agreement with experimental ones. Hence,the calibrated model was exported as python script into Abaqus CAE to perform the simulations. The comparison was done and discussed in details between the simulation and experimental data in three orientations; MD (Machine Direction), CD (Cross Direction) and 45 direction.

In the field of tyre technology, silica filled tyres are generally considered as a lower energy consumption product due to their lower rolling resistance characteristics. Additionally, they can offer excellent grip on the wet and snowy conditions which are more essential from the safety perspective. However, the proper dispersion of the silica in rubber compounds is one of the challenging tasks to engineers, physicist and chemist. In this thesis, a very controlled in-situ silica based solution styrene butadiene rubber composites were developed and intensively investigated by the synthesis of sol-gel silica in presence of polymer solution. It means the silica particles were allowed to grow in the presence of rubber in the reaction mixture. It was observed that the sizes of the synthesized silica particles are rather larger than standard precipitated commercial silica particles. In depth morphological investigation revealed that the obtained sol-gel silica particles appear in strong cluster form with primary particle size of 10 - 15 nm and final aggregated size of 200 to 400 nm. Nevertheless, the final mechanical performance and other rubber related properties of in-situ derived silica composites are better in many important aspects for technical applications as compared with commercial silica at a given loading of fillers. Owing to the presence of more active hydroxyl group on the surface of sol-gel silica, the effective coupling between silica and rubber has been established. Furthermore, the permanent trapped rubber chains inside the large aggregates of sol-gel silica particles enable the compounds to offer good mechanical reinforcement, higher resilience, and dynamic mechanical properties. The present work is a humble approach to pave an alternative novel way for silica-rubber composite preparation in order to minimize the problem of silica mixing with the rubbers. / Auf dem Gebiet der Reifentechnologie zeichnen sich Kieselsäure-(Silika)-gefüllte Reifen aufgrund ihres charakteristisch geringeren Rollwiderstands allgemein als ein Produkt mit geringerem Energieverbrauch aus. Darüber hinaus bieten sie ein hervorragendes Nasshaftvermögen, welches eine essentielle physikalische Kenngröße für die Fahrsicherheit darstellt. Allerdings stellt eine optimale Dispergierung der Silikafüllstoffs in Kautschukmischungen eine anspruchsvolle Aufgabe für Ingenieure, Physiker und Chemiker dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Silika / Styrol-Butadien-Kautschuk-Verbundwerkstoffe mittels eines in-situ Sol-Gel-lösungsmittelbasierten Reaktionsverfahrens entwickelt. Diese Technologie beruht auf der Nukleierung von Kieselsäure-Partikeln in Gegenwart des Elastomers in einer Syntheselösung. Dabei wurde beobachtet, dass die Partikel der so synthetisierten Silika-Teilchen größer sind, als die eines kommerziellen Standard-Silika-Füllstoffs. Eine umfassende morphologische Untersuchung zeigt, dass die in-situ synthetisierten Silikapartikel sphärisch sind und eine Primärteilchengröße von 10 bis 15 nm aufweisen. Diese nanoskaligen Teilchen agglomerieren sich zu größeren sphärischen Clustern mit einer Größe von 200 bis 400 nm und weisen somit eine andere Morphologie auf, als die kommerziell erhältlichen Silika-Füllstoffe. Die statisch- und dynamisch-mechanischen Eigenschaften, sowie weitere elastomerbezogene Eigenschaften der in-situ synthetisierten Silika/Styrol-Butadien-Kautschuk-Verbundwerkstoffe, wie z.B. Rückprallelastizität, mechanisch induzierte Wärmeentwicklung und Spannung-Dehnungshysterese, zeigen verbesserte Werte im Vergleich zu Elastomermaterialien gefüllt mit kommerzieller Kieselsäure. Eine erhöhte Anzahl von Hydroxylgruppen auf der Oberfläche der in-situ synthetisierten Silikapartikel, verbunden mit permanenter Adsorption der Polymerketten des Elastomers auf der Teilchenoberfläche ermöglicht die Ausbildung eines Elastomerverbundes mit verbesserter mechanischer Verstärkung mit oder ohne Einsatz eines haftvermittelnden Silans, wie z.B. TESPT (Bis [3-(triethoxysilyl)propyl]-tetrasulfid). Die Wechselwirkungen zwischen Elastomer und Füllstoff, zwischen den Füllstoffpartikeln, sowie der Verstärkungsmechanismus des in-situ synthetisierten Füllstoffes wurden mittels dynamischmechanischer Analyse (Amplitudentests), Festkörper-NMR und energiedispersiver Röntgenspektroskopie umfassend analysiert. Der vorliegende Ansatz verdeutlicht, dass die in-situ Generierung des Füllstoffes im Elastomer ein vielversprechendes und alternatives Verfahren zur Herstellung von Elastomermaterialien mit verbesserter Silika-Dispergierung, sowie erhöhter Elastomer-Füllstoff-Wechselwirkung bietet.

Gummiwerkstoffe zeigen unter Belastung ein hochkomplexes Verhalten. Besonders markant sind dabei die von der Belastungsgeschichte und Belastungsrichtung abhängigen Entfestigungseffekte. Für die Entwicklung zuverlässiger und optimierter Produkte aus Gummi ist ein vertieftes Verständnis dieser Eigenschaften essentiell. Sie lassen sich aber nur schwer mit den Eigenschaften der bei der Herstellung des Werkstoffs verwendeten Grundkomponenten in Zusammenhang bringen. Die genauen Vorgänge auf molekularer Ebene, die zu dem typischen Materialverhalten führen, sind unbekannt. In der Arbeit wird als Erklärungsansatz die von Ihlemann entwickelte Theorie selbstorganisierender Bindungsmuster untersucht. Die zentrale These der Theorie besagt, dass sich unter Deformation infolge eines Selbstorganisationsprozesses eine inhomogene Verteilung schwacher physikalischer Bindungen im Material einstellt. Dieses Bindungsmuster verändert sich mit dem Deformationsvorgang und stellt damit das Gedächtnis des Materials dar. In der Arbeit werden zunächst allgemeine Aspekte selbstorganisierender Systeme untersucht und die Theorie anschließend unter diesen Aspekten analysiert. Außerdem wird der Erklärungsansatz geeignet erweitert und demonstriert, dass sich auch neue messtechnische Befunde damit problemlos erklären lassen. Insgesamt wird gezeigt, dass die Theorie selbstorganisierender Bindungsmuster als überzeugende Begründung für eine Vielzahl beobachteter Eigenschaften von Gummiwerkstoff geeignet ist. Um die Theorie zu testen, wurde ein Simulationsprogramm erstellt. Es verwendet eine starke Abstraktion der Molekularstruktur von gefülltem Gummiwerkstoff. Die einzelnen Modellelemente wurden dabei so einfach wie möglich gehalten. Sie sind alle elastisch, es existiert aber eine Regel zum dynamischen Einfügen und Entfernen der physikalischen Bindungen. Daher können alle inelastischen Eigenschaften des Modells direkt mit einer Veränderung der Bindungsstruktur assoziiert werden. Es werden Verfahren vorgestellt, mit denen die zeitliche und deformationsabhängige Evolution des Modellzustands verfolgt werden kann. Damit werden die Abläufe von Messungen nachgebildet. Die Resultate der Simulation werden mit den Messergebnissen verglichen. Dabei zeigt sich, dass mit dem Programm eine Vielzahl typischer inelastischer Eigenschaften von gefülltem Gummiwerkstoff reproduziert werden kann. Dieses Resultat ist bemerkenswert, weil keines der Grundelemente des Modells diese Eigenschaften aufweist. Eine Analyse des Modells zeigt eindeutig, dass das Modellverhalten auf einem Selbstorganisationsvorgang des Modellelements, welches die physikalischen Bindungen repräsentiert, basiert. Der Selbstorganisationsvorgang verläuft genau so, wie von der Theorie vorhergesagt. Die erstaunliche Ähnlichkeit zum Materialverhalten und die geringe Anzahl von getroffenen Annahmen ist ein starkes Indiz dafür, dass in Gummiwerkstoff ebenfalls ein solcher Selbstorganisationsprozess abläuft und das Materialverhalten maßgeblich beeinflusst. / Filled rubber material exhibits a complex behavior in mechanical testing. Especially characteristic is a softening of the material depending on direction and history of loading. For the development of reliable and optimized products deep knowledge about these properties is essential. They are, however, difficult to connect to the properties of the employed molecular components. Overall, the precise molecular scale processes which lead to the material behavior are unknown. In this work the theory of self-organizing linkage patterns by Ihlemann is investigated. Its central claim is, that under deformation a self-organization process occurs, which leads to an inhomogeneous distribution of weak physical links. This linkage pattern evolves during deformation and therefore represents the memory of the material. First of all, some general properties of self-organizing systems are considered. Thereafter, this theory is analysed under these aspects. Moreover, the approach is extended in order to explain some recent experimental observations. It is demonstrated that these new results clearly support the concept. Overall, it is shown that the theory of self-organizing linkage patterns is capable of explaining how a wide variety of material properties emerges from the microstructure. In order to test the theory, a simulation program is developed. It is based on an abstract model of the molecular structure of filled rubber. The model elements are kept as simple as possible. Their characteristic is always elastic. However, there is a rule for dynamically inserting and removing the model element representing the physical links. Hence, all inelastic properties of the model can be associated with a modification of the linkage structure. Algorithms for tracking the evolution of the linkage pattern over time and during a deformation process are presented. These allow to replicate the schedule of published experiments in simulation. The simulation can reproduce a wide variety of typical rubber properties. This is a remarkable result, as none of the basic model elements show any inelastic behavior. An analysis of the model shows clearly that the model behavior is due to a self-organization process based on the model element representing the physical linkages. The self-organization is structured exactly as predicted by the theory. The surprising similarity between simulation and experimental results and the small number of asumptions made lead to the conclusion that in filled rubber most probably such a self-organization process with decisive impact on the material properties is occuring.

Trädgårdsdammen utgör en naturlig oas där både människor och djur kan söka vila och skydd. Den lugna miljön eller innovativa vattenleken skänker observatören både glädje och inre lugn. Idag finns det en uppsjö av material och hjälpmedel på marknaden för att konstruera dammar och vattensystem. Men informationen om materialen och produkternas ursprung och tillverkningsprocess är inte lika lätt att få tag på och därför ämnar jag med denna uppsats ge en övergripande bild av de vanligaste materialen som används vid konstruktion av trädgårdsdammar. De material som tas upp i jämförelsen är bentonit, betong, polyeten, polyvinylklorid och syntetgummi. Materialen jämförs därefter utifrån sina respektive koldioxidutsläpp från råvarukällor till färdiga dammaterial eller produkter. Målet är således att på ett överskådligt sätt påvisa de olika materialens klimatpåverkan. Resultatet visar att de dammdukar som baseras på olja och gummi påverkar miljön mindre i form av koldioxidutsläpp, vilket beror på att det krävs mindre material för att anlägga en trädgårdsdamm med dessa material jämfört med bentonitlera och betong. Detta kan dock i viss mån vägas upp av de respektive materialens hållbarhet på längre sikt.

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Aufgrund der großen Bedeutung technischer Gummiwerkstoffe in industriellen Anwendungen ist die Vorhersage des Materialverhaltens ein aktuelles Forschungsgebiet. Insbesondere die Veränderung der Eigenschaften, die durch chemische Prozesse herbeigeführt werden, spielen eine große Rolle, da aufgrund gestiegener Anforderungen an die Haltbarkeit von Bauteilen diese Alterungseffekte verstanden, vorhergesagt und abgeschwächt werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein mathematisches Modell hergeleitet, das die chemischen Vorgänge vorhersagt und deren Auswirkungen auf wichtige Eigenschaften in einem mechanischen Materialmodell beachtet. Insbesondere der Oxidation durch Luftsauerstoff wird Rechnung getragen. Das mechanische Materialverhalten alternder Gummiwerkstoffe wird mit Hilfe eines neuartigen Ansatzes modelliert. Das in dieser Arbeit vorgestellte Dynamische-Netzwerk-Modell betrachtet die Auswirkungen der chemischen Reaktionen auf das mechanische Verhalten als einen kontinuierlichen Netzwerkumbau durch das Entfernen und neue Einsetzen von Verbindungen zwischen Polymerketten. Basierend auf experimentellen Erkenntnissen werden Hypothesen formuliert, die eine Kopplung zwischen den Oxidationsreaktionen und der Veränderung des mechanischen Verhaltens herstellen. Durch Beachtung von Diffusion und Reaktion kann die lokale Sauerstoffverteilung in großvolumigen Bauteilen berechnet und der Effekt der diffusionslimitierten Oxidation (DLO-Effekt) vorhergesagt werden. Um eine Bestimmung der Modellparameter zu ermöglichen, werden verschiedene Experimente vorgeschlagen, mathematisch modelliert und deren Eignung zur Parameteridentifikation analysiert. Mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Experimenten können sowohl die chemischen als auch die mechanischen Modellparameter sicher identifiziert werden. In dieser Arbeit wird zudem ein sogenannter gestaffelter Lösungsalgorithmus vorgeschlagen, der das Alterungsproblem nach einer mathematischen Entkopplung unterschiedlicher Feldprobleme über geeignete Kopplungsvariablen effizient berechnen kann. Mit Hilfe dieses Algorithmus kann eine Simulation effizient durchgeführt und das Alterungsverhalten komplexer Strukturen vorhergesagt werden. Die Simulation anwendungsnaher Strukturen zeigt, dass die abgeleiteten Modelle und Algorithmen problemlos in einem industriellen Umfeld einsetzbar sind. / Due to the great importance of rubber materials in industrial applications, the prediction of the material behavior is a current research field. Particularly the property changes that are induced by chemical processes play a major role, as these aging effects must be understood, predicted and reduced due to the increased requirements regarding the durability of components. In the context of this thesis, a mathematical model that predicts and considers the chemical processes and their effects on important properties in a mechanical material model is derived. Oxidation through atmospheric oxygen is specifically examined in this work. The mechanical material behavior of aging rubber materials is modeled using a novel approach. The dynamic network model introduced in this paper considers the effects of the chemical reactions on the mechanical behavior as a continuous restructuring of the network by removing and inserting new crosslinks between polymer chains. Based on experimental obervations a coupling between the oxidation reactions and a change of the mechanical material behavior is proposed. By taking into account the diffusion and reaction the local distribution of oxygen in large sized components can be computed. Thus, the effect of diffusion limited oxidation (DLO effect) can be predicted. In order to make an identification of the model parameters possible, different experiments are suggested, modeled mathematically and their suitability for parameter identification is analyzed. Not only the chemical, but also the mechanical model parameters can be identified reliably using a comparably few number of experiments. Moreover, a so-called staggered solution algorithm that can calculate the aging problem efficiently after a mathematical uncoupling of the field problems using a suitable coupling variable is introduced. This algorithm can perform a simulation efficiently and predict the aging behavior of complex structures. The simulation of application oriented structures proofs the applicability of the derived models and algorithms within an industrial environment.

Aufgrund der großen Bedeutung technischer Gummiwerkstoffe in industriellen Anwendungen ist die Vorhersage des Materialverhaltens ein aktuelles Forschungsgebiet. Insbesondere die Veränderung der Eigenschaften, die durch chemische Prozesse herbeigeführt werden, spielen eine große Rolle, da aufgrund gestiegener Anforderungen an die Haltbarkeit von Bauteilen diese Alterungseffekte verstanden, vorhergesagt und abgeschwächt werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein mathematisches Modell hergeleitet, das die chemischen Vorgänge vorhersagt und deren Auswirkungen auf wichtige Eigenschaften in einem mechanischen Materialmodell beachtet. Insbesondere der Oxidation durch Luftsauerstoff wird Rechnung getragen. Das mechanische Materialverhalten alternder Gummiwerkstoffe wird mit Hilfe eines neuartigen Ansatzes modelliert. Das in dieser Arbeit vorgestellte Dynamische-Netzwerk-Modell betrachtet die Auswirkungen der chemischen Reaktionen auf das mechanische Verhalten als einen kontinuierlichen Netzwerkumbau durch das Entfernen und neue Einsetzen von Verbindungen zwischen Polymerketten. Basierend auf experimentellen Erkenntnissen werden Hypothesen formuliert, die eine Kopplung zwischen den Oxidationsreaktionen und der Veränderung des mechanischen Verhaltens herstellen. Durch Beachtung von Diffusion und Reaktion kann die lokale Sauerstoffverteilung in großvolumigen Bauteilen berechnet und der Effekt der diffusionslimitierten Oxidation (DLO-Effekt) vorhergesagt werden. Um eine Bestimmung der Modellparameter zu ermöglichen, werden verschiedene Experimente vorgeschlagen, mathematisch modelliert und deren Eignung zur Parameteridentifikation analysiert. Mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Experimenten können sowohl die chemischen als auch die mechanischen Modellparameter sicher identifiziert werden. In dieser Arbeit wird zudem ein sogenannter gestaffelter Lösungsalgorithmus vorgeschlagen, der das Alterungsproblem nach einer mathematischen Entkopplung unterschiedlicher Feldprobleme über geeignete Kopplungsvariablen effizient berechnen kann. Mit Hilfe dieses Algorithmus kann eine Simulation effizient durchgeführt und das Alterungsverhalten komplexer Strukturen vorhergesagt werden. Die Simulation anwendungsnaher Strukturen zeigt, dass die abgeleiteten Modelle und Algorithmen problemlos in einem industriellen Umfeld einsetzbar sind. / Due to the great importance of rubber materials in industrial applications, the prediction of the material behavior is a current research field. Particularly the property changes that are induced by chemical processes play a major role, as these aging effects must be understood, predicted and reduced due to the increased requirements regarding the durability of components. In the context of this thesis, a mathematical model that predicts and considers the chemical processes and their effects on important properties in a mechanical material model is derived. Oxidation through atmospheric oxygen is specifically examined in this work. The mechanical material behavior of aging rubber materials is modeled using a novel approach. The dynamic network model introduced in this paper considers the effects of the chemical reactions on the mechanical behavior as a continuous restructuring of the network by removing and inserting new crosslinks between polymer chains. Based on experimental obervations a coupling between the oxidation reactions and a change of the mechanical material behavior is proposed. By taking into account the diffusion and reaction the local distribution of oxygen in large sized components can be computed. Thus, the effect of diffusion limited oxidation (DLO effect) can be predicted. In order to make an identification of the model parameters possible, different experiments are suggested, modeled mathematically and their suitability for parameter identification is analyzed. Not only the chemical, but also the mechanical model parameters can be identified reliably using a comparably few number of experiments. Moreover, a so-called staggered solution algorithm that can calculate the aging problem efficiently after a mathematical uncoupling of the field problems using a suitable coupling variable is introduced. This algorithm can perform a simulation efficiently and predict the aging behavior of complex structures. The simulation of application oriented structures proofs the applicability of the derived models and algorithms within an industrial environment.