Zur Seitenansicht
 

Titelaufnahme

Titel
Multiscale Model for Optimizing the Thermo-Mechanical Properties of Highly-Densified Expanded Polystyrene (HD-EPS) : Geometric characterization of the hierarchical microstructure of bead foams
VerfasserMetzler, Gregor
Begutachter / BegutachterinLackner, Roman ; Recheis, Wolfgang
GutachterLackner, Roman
Erschienen2017
Umfang176
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2017
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Datum der AbgabeJuni 2017
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)hochverdichtetes expandiertes Polystyrol (HD-EPS) / hierarchisch organisiertes Material / Mehrskalen-Modell / Kugel-Modell / 3d Mehrphasen-Modell / Partikel-Schaum / Charakterisierung / Prozess-Kette / Mikrokopie / Oberflächenmodell / asymmetrische Packung disperser Partikel / Partikel-Radienverteilung / asymmetrische Partikel-Kontakte / wetness-Koeffizient / Partikel-Verdichtung / Partikel-Kompaktion / Partikel-Vergröberung / Mikro-Computertomographie / voxel-Segmentierung / Volume per slice Analyse (VpS) / mehrskalige Porosität / Mikroporen, Makroporen / Voronoi Polyeder / charakteristische Länge
Schlagwörter (EN)highly-densified expanded polystyrene (HD-EPS) / hierarchically organized material / multiscale model / sphere-model / 3d multiphase model / bead-foam characterization / process-chain / microscopy / surface evelvation model / asymmetric packing of dispersed beads / bead-radii distribution / asymetric bead contacts / wetness-coefficient / bead-densification / bead-coarsening, bead-compaction / micro computed tomography / voxel segmentation / volume per silce analysis (VpS) / double scale prososity / micropore / macropore / Voronoi polyhedra / characteristic length
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-8022 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Multiscale Model for Optimizing the Thermo-Mechanical Properties of Highly-Densified Expanded Polystyrene (HD-EPS) [15.25 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Das Spezielle an hochverdichtetem expandierten Polystyrol (HD-EPS) vergleichen mit anderen Dämmstoffen ist seine gute Performance wenn bei Dämmschichten (heiß/kalt) zusätzlich Lasten übernommen werden sollen bzw. von Vorteil wo herkömmliche Baustoffe Wärmebrücken erzeugen würden, begleitet von deren unerwünschten Konsequenzen. Optimiert werden soll daher die Performance im Bezug auf das thermische- und mechanische Verhalten. Diese entwickeln sich in entgegengesetzte Richtungen im Verlauf der Kompaktion von expandiertem Polystyrol (EPS) zu HD-EPS. Das Zusammenspiel der (b) Mikrostruktur(en)/Zusammensetzung und (c) der sich ändernden Eigenschaften durch (a) die Synthese/Verarbeitung sind von Interesse als Basis für eine () Optimierung der Performance. Dabei hat sich die Mehrskalen-Darstellung zur Beschreibung hierarchisch organisierter Materialien als geeignet gezeigt. Die Skalen-Struktur wird durch die strukturellen Elemente gezeichnet: POLYMER-, SCHAUM-, PARTIKEL-, und MAKRO-SKALA. Geometrische Charakteristika dienen als Gemeinsamkeit zwischen den skalen-spezifischen Disziplinen/Feldern, wo jene der Partikel für eine Verbindung zwischen Polymer-Schaum Physik und dem Ingenieurswesen auf der Makro-Skala fehlen (bottom-Lücke-top). Daher die Zielsetzung zur Identifikation, Vermessung und Analyse der Partikel und der von ihnen aufgebauten Superstruktur. Material-Methode: Die gesuchten Material-Variablen können zwischen den Produktions-Schritten bestimmt werden, wo die Kompaktion von EPS zu HD-EPS den 7. Schritt in der Prozesskette darstellt. Am Anfang werden durch Polymerisieren Partikel gewonnen, welche vor der Kompaktion gesiebt, vor-geschäumt, ausgelagert, block-geschäumt und konditioniert werden. Mit diesem Vorgehen kann eine große Bandbreite an Dichten/Porositäten (50700 kg/m3 /9533 %), und ebeö Festigkeits-Dämm-Kombinationen, hergestellt werden. Zwei Aufnahme-Technologien wurden eingesetzt:

(i) Ein Fokus Variations Mikroskop (FVM) lieferte Partikel Radien entlang der Prozesskette. An der Packung wurden die Zentrum-Positionen mittels Kugel-Interpolation an der freien Partikel-Oberfläche bestimmt, dies an digitalen Oberflächenmodellen (DEM) von Bruchflächen. Als Zweite wurde die (ii) -Computertomographie verwendet. Die Voxel Daten (3d) wurden vorverarbeitet, segmentiert, in Unterproben geteilt, und die zweiskalige Porosität in Poren inner- und außerhalb der Partikel geteilt. (ii-a) Die Strukturen der Makroporen-, Mikroporen-, Partikel-ld, Part.-md, Part.-hd und Verschweisungs-Phase wurden so bestimmt. FVM-Ergebnis (i): Zur Darstellung der Partikel-Radien nach den Prozessschritten sind Sieblinien das Hauptergebnis, doch zeigen sie keine eindeutige Beziehung zur Dichte. Daher wurden die Zentrumsabstände verwendet um Interaktionen zu untersuchen. Wegen der Relevanz bezüglich Transport-Phänomenen (Wärme, Spannung) wurde der Fokus auf sich uberschneidende Kugeln gelegt (Type-I). Eine lokal rotations- aber nicht spiegel-symmetrische Betrachtung der Kontakte erlaubt die Charakterisierung der Packung. Der “wetness” Koeffizient, ij , wurde als 3. Parameter neben den Radien, r, und deren Verhältnis, ri /rj , verwendet. CT-Ergebnis (ii): Zum Vergleich mit Volumenwerten, der Schritt ins 3d (ii-a) mit dem Phasen-Volumen je Schicht (VpS: 425 10.5 m). Die Unterprobenquerschnitte liegen in der Größenordnung der Partikel, daher ist deren VpS-Verteilung heterogen. Zur Homogenisierung werden die VpS der inneren Unterproben aufsummiert. Bei den Schaum-Phasen (ld, md, hd), wurde die md-Phase als Mittler zwischen der nieder- und hoch-dichten Phase und Probe ermittelt. Im Bezug auf 2-Phasen Modelle von Flüssigschäumen liegt die Makroporen-Fraktion bei den “wet-foam” Grenzen. Dort brechen diese Modelle zusammen, und ein Problem entsteht. Doch nicht hier, da wir jetzt die Phasen-Fraktion und Komplementär-Struktur der natürlichen Probe haben. Teil (ii-a) vernachlässigt die Partikel, daher der Schritt zu (ii-b). Neben dem Resultat wie in (i), erlauben die inneren Partikel im 3d einen Ansatz zur Raumteilung mit der Voronoi-Entwicklung. Mit den inneren Polyedern konnten charakteristische Längen abgeschätzt werden. Schlussendlich wurden für einen einfachen Zugang zu den räumlichen Strukturen diese mit den Ergebnissen angereichert und im 3d-pdf Format ausgegeben. Diskussion: Die Partikel-Radien folgen nicht der Makro-Verdichtungsfunktion, dies hängt mit der Verteilung und der Uberlappung zusammen. Diese Drei bilden ein Parameterset zur Charakterisierung der Packung und deren Veränderungen: () die Partikel Kompaktion, ri, () die Partikel Vergröberung, (ri /rj ), und () die Partikel Verdichtung, ij . In (i) an einem 2 1/2 d Netzwerk, und in (ii-b) dargestellt als eine Art Raumfachwerk, in beiden Fällen mit ungeordneter Erscheinung. Diese erfordert das Resultat der komplementären Struktur für thermisch-mechanische Berechnungen (z.B.: FEM, CFD). Die Raumteilung bezüglich der Partikel und das parametrische 3er-Set sind ein erster Schritt in Richtung der Partikel und deren Verbindung als strukturelle Elemente. Für deren Koordination sind zu jedem Partikel die Position und Radius aus (i) und (ii-b) bekannt. Das FVM ist besser für Stichproben entlang der Prozess-Kette geeignet, z.B. zur Qualitätssicherung, während die Strukturen von (ii) Additive Manufacturing Methoden für ein Rapid Prototyping nach einer virtuellen Optimierung erlauben würden.

Zusammenfassung (Englisch)

The novel feature of highly-densified expanded polystyrene (HD-EPS), compared to other heat-insulation materials, is its extraordinary performance when additional loads are taken as efficient insulation layers (hot/cold). This advantage is necessary, since conventional structural materials would introduce heat bridges accompanied by their undesirable consequences. Therefore, what is to be optimized is the performance with regard to the thermal- and mechanical behavior. These develop in the opposite direction during the compaction of expanded polystyrene (EPS) to HD-EPS. The interplay between (b) microstructure(s)/composition, and (c) their properties changing from (a) synthesis/processing needs to be explored as the basis for achieving () performance optimization. The multiscale representation was shown to be suitable for describing such hierarchically organized materials in a computable way. There the scale-structure is rendered by its respective structural elements: POLYMER-, FOAM-, BEAD-, and MACRO-SCALE. Each scale requires specialisation in a different discipline/field, where geometric characteristics act as the common denominator between them. Those were the beads found to be missing in the link between polymer-foam physics and engineering on macro scale (bottom-gap-top). Thus, the objective was to identify, measure, and analyze the beads, and the superstructure they build.

Material-Method: The material variables which were sought can be detected between the productionsteps, where the compaction of EPS to HD-EPS represents the 7th step of the process-chain. Starting with the polymerization, the expandable beads which result are sieved, pre-expanded, aged, block-molded and conditioned before compaction. By this means, a huge bandwidth of densities/porosities (50700 kg/m3 /9533 %), ensuring a strength-insulation combination, can be produced. Two capturing technologies were employed: (i) Focus variation microscopy (FVM) delivered bead radii along the process-chain. At the packing further on, the center-positions were obtained by sphere interpolation using the free bead surfaces on digital elevation models (DEM) from fracture surfaces. Second, (ii) -computed tomography (CT) was utilized. The voxel data (3d) was preprocessed, segmented, sub- sampled, and partitioned into pores inside and outside the beads due to the double scale porosity. (ii-a) Structures of a macropore-, micropore-, bead-ld-, bead-md-, bead-hd-, and weld phase were determined this way. Further, (ii-b) for the bead identities as for (i), the bead-to-macropore surface acted as a basis. FVM-Results (i): Grading curves are the key-result for the radii, to rate the dimensions after the process steps. They do not correlate with the sample densities. Thus, the center distances were used to examine interactions at HD-EPS. The focus was on those with an overlapping (Type-I) due their relevance for transport phenomena (heat, stress). A local rotational- but not mirror-symmetric view of the contacts permits us to characterize the asymmetric packing of dispersed beads. There the wetness coefficient, ij , was found as a third parameter apart from the radii, r, and their ratio, ri /rj , in the case of contacts. CT-Results (ii): To link up with volumetric values the step to full 3d, with (ii-a) the phases volume per slice at the subsamples (VpS: 425 10.5 m). Their cross-section takes the dimension of a bead, resulting in a heterogeneous VpS distribution. To homogenize, the VpS of inner-subsamples becomes cumulated. After this their appearance becomes homogeneous. At the foam-phases (ld, md, hd), we found the md-phase to be a transmitter from low- to high-density phase and sample. With respect to 2-phase liquid foam models, the macropore fraction exhibits the wet-foam limit(s). There the ordered foam models break down, creating a problem, although not here, since we now have phase-fractions and the complementary structures from natural specimens. Part (ii-a) disregards the bead identities, thus the step (ii-b). Beside results as in (i), in 3d the inner-beads allowed an attempt for a space partition sought by Voronoi-tessellation. Further, with the inner-polyhedra a characteristic length scale was estimated. Finally, the spatial structures were augmented with the evaluation results and exported to the 3d-pdf format for an open access.

Discussion: The radii didnt follow the known macroscopic densification function due the beads dispersion and their overlapping when molded. Instead the identified trinity of material variables supplies a set to characterize the beads packing and changes: () the bead compaction, ri , () a bead coarsening, (ri /rj ), and () the bead densification, ij . At (i) on a 2 1/2 d network, and at (ii-b) rendered like a space truss, at both with a disordered appearance. This requires the output of the complementary structures, as base for thermo-mechanical simulation approaches (e.g. FEA, CFD). The space partition due to the identities, and the parametric trinity are the first step to focus on the bead and their connection as structural element. For their coordination the position of each particle, and the radius are known from (i) and (ii-b). The FVM is better suited to the recording of the process-chain, e.g. for quality assurance, while structures from (ii) would enable additive manufacturing techniques for a rapid prototyping after the virtual optimization.