Elasticity and Morphology of Wet Fiber Networks

Abstract

Materialien auf Faserbasis sind in vielen technischen Anwendungen zu finden. Das Studium ihrer mechanischen Eigenschaften ist ein interessantes Gebiet, das in der Vergangenheit vor dem Hintergrund von Anwendungen in der Textil- und Papierindustrie, aber auch modernen Kompositwerkstoffen bearbeitet wurde. In vielen Anwendungen führt die Anwesenheit von Feuchtigkeit in der Umgebung zur Kondensation von Flüssigkeiten im Inneren des Fasernetzwerkes. Sobald sich Flüssigkeitsgrenzflächen ausbilden, entstehen jedoch durch die Kappilarwirkung innere Spannungen im Material.In dieser Arbeit untersuchen wir die Auswirkungen von kapillaren Spannungen auf ein ungeordnetes, zweidimensionales Netzwerk elastischer Fasern. Zu diesem Zweck untersuchen wir zunächst die Morphologien einer Flüssigkeitsbrücke, die sich zwischen zwei zylindrischen Fasern ausbildet, sowie die von ihr hervorgerufenen Kräfte. Daraufhin führen wir ein zweidimensionales Modellsystem für ungeordnete Fasernetzwerke ein, in dem kapillare Wechselwirkungen an den Überkreuzungspunkten stattfinden. Nach einer Übersicht über die topologischen Eigenschaften solch eines Netzwerkmodells stellen wir eine Methode zur Computersimulation eines elastischen Fasernetzwerkes vor, das in Wechselwirkung zu einer benetzenden Flüssigkeit steht, die sich in den Faserzwischenräumen ansammelt und somit das Netzwerk verformt. Wir überprüfen dieses Modell durch Vergleich mit analytischen Vorhersagen in einem simplen Testfall und stellen schließlich Computerexperimente vor, in denen die Deformationen des Netzwerkes in Abhängigkeit der wichtigsten Modellparameter, der Faserdichte und der kapillaren Wechselwirkungsstärke charakterisiert werden.