Simulations of Two-Dimensional Foam under Couette Shear

null Sponsorship: Financial support is acknowledged from the University of Wales Aberystwyth Senate Fund, the Ulysses France-Ireland Exchange Scheme and EPSRC (EP/D014956/1, EP/D048397/1, EP/D071127/1).

The dynamics of a topological change in a system of soap films

Hutzler, S., Saadatfar, M., van der Net, A., Weaire, D. and Cox, S.J. (2007) The dynamics of a topological change in a system of soap films. Coll. Surf. A, 323:123-131. Sponsorship: This research was supported by the European Space Agency (contracts 14914/02/NL/SH and 14308/00/NL/SH), Science Foundation Ireland. (RFP 05/REP/PHY00/6), and the EU program COST P21 (The Physics of droplets). SJC acknowledges support from EPSRC (EP/D071127/1). MS is supported by the Irish Higher Education Authority (PRTLI-IITAC).

Soil conditioning for EPBMs

Nowadays, the Earth Pressure Balanced (EPB) shields are used more and more caused by both the mechanical development of the machines and the more effective use of additives such as foams and polymers. These additives are used to condition spoil in the screw conveyor. A crucial component of EPB tunnelling applications is ground conditioning. Thus, in order to permit quantitative measurements of the conditioned ground behavior, it is necessary to develop and use a test able to simulate the extraction of earth from the chamber with a screw conveyor. This reliable test procedure can provide quantitative parameters that can really describe the conditioned soil behavior.

Laboratory tests for EPB tunnelling soil conditioning

The screw conveyor system plays a fundamental role during the EPB tunnelling operations for the tunnel face pressure control. On the other hand, the use of additives such chemical foams is even more applied in order to extend the EPB technology to the cohesionless soils. Despite the extensive use of the EPB technique in urban environment, little knowledge exists in the understanding of the behavior of such conditioned soil during the excavation operations. At the Turin University of Technology the Tunnelling and Underground Space Centre, in the mainframe of a wider research on soil conditioning, has developed an experimental apparatus that simulates the extraction phase with screw conveyor from a pressurized tank. In this paper the apparatus is presented and the results of a first series of tests carried out on sand are discussed. © 2007 Taylor & Francis Group.

Composite materials based on silk proteins

A number of animals have evolved to produce silk-based composite materials for a variety of task-specific applications. The review initially focuses on the composite structure of silk fibers produced naturally by silkworms and spiders, followed by the preparation and applications of man-made composite materials (including fibers, films, foams, gels and particulates) incorporating silk proteins in combination with other polymers (both natural and synthetic) and/or inorganic particles. 

Polymeric materials based on silk proteins

Silks are protein-based fibers made by arthropods for a variety of task-specific applications. In this article, we review the key features of silk proteins. This article initially focuses on the structure and function of silk proteins produced naturally by silkworms and spiders, followed by the biological and technical processing of silk proteins into a variety of morphologies (including capsules, fibers, films, foams, gels and spheres). Finally, we highlight the potential applications of silk-based materials. 

Sustainable concrete: design and testing

Producing concrete with secondary raw materials is an excellent way to contribute to a moresustainable world, provided that this concrete has at least the same performance during itsservice life as concrete made with the primary raw materials it replaces. Secondary rawmaterials for Light Weight (LW) aggregates (rigid polyurethane foams, shredded tire rubberand mixed plastic scraps) have been combined with secondary raw materials for the binder(fly ash, slag and perlite tailings) making sustainable concretes that were investigated fortheir suitability as LW, highly insulating concrete for four different types of applications.Compliance to desired engineering properties (workability, setting time) was not alwaysfeasible: it was mostly the low workability of the mixtures that limited their application.Contrary to well established cements, steering the workability by adding water was not anoption for these binders that rely on alkali-activation. Eight successful mixtures have beentested further. The results have shown that it is possible to produce a non-structuralsustainable concrete with good mechanical and thermal insulation properties.Design of concrete made with novel materials is currently not feasible without extensiveexperimentation as no design rules exist other than empirically derived rules based ontraditional materials. As a radical different approach, a flexible concrete mix design has beendeveloped with which the concrete can be modelled in the fresh and hardened state. Thenumerical concrete mix design method proves a promising tool in designing concrete forperformance demands such as elasticity parameters and thermal conductivity

Caracterização experimental e modelação numérica de espumas metálicas

As espumas de alumínio são materiais ultraleves, o que as torna atractivas para um largo espectro de aplicações comerciais na área da defesa, na indústria automóvel e aeroespacial, entre outras. Actualmente, há um grande interesse na utilização de espumas de alumínio em componentes estruturais ultraleves, incorporados em sistemas de absorção de energia para protecção contra o impacto. O recurso à simulação numérica para resolver problemas de engenharia em várias áreas é cada vez mais comum. A modelação numérica dos materiais assume vital importância quando o problema envolve a análise de processos tecnológicos como, por exemplo, a conformação plástica de materiais, ou a análise de estruturas. Deste modo, torna-se imprescindível garantir que a modelação dos materiais é de tal forma rigorosa que permite simular o melhor possível o seu comportamento real nas condições concretas da análise a realizar. A forma mais comum de garantir o rigor dos modelos utilizados é a validação dos modelos numéricos tendo por base resultados experimentais. Neste trabalho, fez-se a caracterização do comportamento mecânico das espumas de alumínio com nome comercial ALPORAS!, obtidas pelo processo de fabrico denominado expansão directa do metal fundido por adição de um agente expansor. Esta caracterização consistiu num conjunto de ensaios experimentais quer no regime quasi-estático, quer no regime dinâmico. No regime quasi-estático realizaram-se ensaios de compressão uniaxial e de compressão multiaxial. Para a caracterização no regime dinâmico foram realizados ensaios em barras de Hopkinson de polimetil-metacrilato (PMMA). Com base nos resultados experimentais obtidos determinaram-se os parâmetros dos dois modelos constitutivos para espumas metálicas implementados no programa comercial Abaqus™/Explicit. Estes modelos, e os respectivos parâmetros determinados, foram validados reproduzindo numericamente alguns ensaios experimentais quasi-estáticos e dinâmicos. Assim, verificou-se a adequabilidade dos modelos em diversas condições quer em termos de esforços quer em termos de regime de taxa de deformação Por último, desenvolveu-se uma estrutura inovadora para absorção de energia durante um impacto, constituída por componentes perfilados em liga de alumínio e por componentes em espumas de alumínio. Esta estrutura foi testada exclusivamente com recurso à simulação numérica, utilizando os modelos constitutivos validados anteriormente.

Test and development of microcapsules for rigid polyurethane foam

Tese de mestrado em Química Tecnológica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Study of the production of polyesters for polyurethanes at pilot plant scale

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Estudo de retardantes de chama, isentes de halogéneos, em espumas de poliuretano monocomponente

Estágio de natureza profissional para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Engineering bio-based polymers using alternative solvents and processes

The work presented in this thesis explores novel routes for the processing of bio-based polymers, developing a sustainable approach based on the use of alternative solvents such as supercritical carbon dioxide (scCO2), ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DES). The feasibility to produce polymeric foams via supercritical fluid (SCF) foaming, combined with these solvents was assessed, in order to replace conventional foaming techniques that use toxic and harmful solvents. A polymer processing methodology is presented, based on SCF foaming and using scCO2 as a foaming agent. The SCF foaming of different starch based polymeric blends was performed, namely starch/poly(lactic acid) (SPLA) and starch/poly(ε-caprolactone) (SPCL). The foaming process is based on the fact that CO2 molecules can dissolve in the polymer, changing their mechanical properties and after suitable depressurization, are able to create a foamed (porous) material. In these polymer blends, CO2 presents limited solubility and in order to enhance the foaming effect, two different imidazolium based ILs (IBILs) were combined with this process, by doping the blends with IL. The use of ILs proved useful and improved the foaming effect in these starch-based polymer blends. Infrared spectroscopy (FTIR-ATR) proved the existence of interactions between the polymer blend SPLA and ILs, which in turn diminish the forces that hold the polymeric structure. This is directly related with the ability of ILs to dissolve more CO2. This is also clear from the sorption experiments results, where the obtained apparent sorption coefficients in presence of IL are higher compared to the ones of the blend SPLA without IL. The doping of SPCL with ILs was also performed. The foaming of the blend was achieved and resulted in porous materials with conductivity values close to the ones of pure ILs. This can open doors to applications as self-supported conductive materials. A different type of solvents were also used in the previously presented processing method. If different applications of the bio-based polymers are envisaged, replacing ILs must be considered, especially due to the poor sustainability of some ILs and the fact that there is not a well-established toxicity profile. In this work natural DES – NADES – were the solvents of choice. They present some advantages relatively to ILs since they are easy to produce, cheaper, biodegradable and often biocompatible, mainly due to the fact that they are composed of primary metabolites such as sugars, carboxylic acids and amino-acids. NADES were prepared and their physicochemical properties were assessed, namely the thermal behavior, conductivity, density, viscosity and polarity. With this study, it became clear that these properties can vary with the composition of NADES, as well as with their initial water content. The use of NADES in the SCF foaming of SPCL, acting as foaming agent, was also performed and proved successful. The SPCL structure obtained after SCF foaming presented enhanced characteristics (such as porosity) when compared with the ones obtained using ILs as foaming enhancers. DES constituted by therapeutic compounds (THEDES) were also prepared. The combination of choline chloride-mandelic acid, and menthol-ibuprofen, resulted in THEDES with thermal behavior very distinct from the one of their components. The foaming of SPCL with THEDES was successful, and the impregnation of THEDES in SPCL matrices via SCF foaming was successful, and a controlled release system was obtained in the case of menthol-ibuprofen THEDES.

Physicochemical and Biochemical Characterization of Enzymes Immobilized on lnorganic Matrices

Biotechnology is currently considered as a useful altemative to conventional process technology in industrial and catalytic fields. The increasing awareness of the need to create green and sustainable production processes in all fields of chemistry has stimulated materials scientists to search for innovative catalysts supports. lmmobilization of enzymes in inorganic matrices is very useful in practical applications due to the preserved stability and catalytic activity of the immobilized enzymes under extreme conditions. Nanostructured inorganic, organic or hybrid organic-inorganic nanocomposites present paramount advantages to facilitate integration and miniaturization of the devices (nanotechnologies), thus affording a direct connection between the inorganic, organic and biological worlds. These properties, combined with good chemical stability, make them competent candidates for designed biocatalysts, protein-separation devices, drug delivery systems, and biosensors Aluininosilicate clays and layered double hydroxides, displaying, respectively, cation and anion exchange properties, were found to be attractive materials for immobilization because of their hydrophilic, swelling and porosity properties, as well as their mechanical and thermal stability.The aim of this study is the replacement of inorganic catalysts by immobilized lipases to obtain purer and healthier products.Mesocellular silica foams were synthesized by oil-in-water microemulsion templating route and were functionalized with silane and glutaraldehyde. " The experimental results from IR spectroscopy and elemental analysis demonstrated the presence of immobilized lipase and also functionalisation with silane and glutaraldehyde on the supports.The present work is a comprehensive study on enzymatic synthesis of butyl isobutyrate through esterification reaction using lipase immobilized onto mesocellular siliceous foams and montmorillonite K-10 via adsorption and covalent binding. Moreover, the irnrnobil-ization does not modify the nature of the kinetic mechanism proposed which is of the Bi-Bi Ping—Pong type with inhibition by n-butanol. The immobilized biocatalyst can be commercially exploited for the synthesis of other short chain flavor esters. Mesocellular silica foams (MCF) were synthesized by microemusion templating method via two different routes (hydrothermal and room temperature). and were functionalized with silane and glutaraldehyde. Candida rugosa lipase was adsorbed onto MCF silica and clay using heptane as the coupling medium for reactions in non-aqueous media. I From XRD results, a slight broadening and lowering of d spacing values after immobilization and modification was observed in the case of MCF 160 and MCF35 but there was no change in the d-spacing in the case of K-10 which showed that the enzymes are adsorbed only on the external surface. This was further confirmed from the nitrogen adsorption measurements

Revaloració de la fracció cel·lular de la sang de porc procedent d'escorxadors industrials

La sang de porc és un subproducte comestible que es genera als escorxadors industrials durant el procés d'obtenció de la canal. Aquest subproducte es caracteritza per presentar una elevada càrrega contaminant i, degut a l'elevat volum que es genera, és necessari trobar estratègies que permetin la seva revaloració i aprofitament, a la vegada que disminuïm la contaminació ambiental i les despeses que es deriven del seu processament abans de l'abocament. La fracció cel·lular (FC) constitueix el 40 % de la sang de porc i conté principalment l'hemoglobina (Hb), que representa al voltant del 90 % del contingut en proteïna d'aquesta fracció (un 35 % aproximadament). L'elevat percentatge en proteïna i en ferro, i les seves bones propietats funcionals fan que l'aprofitament d'aquest subproducte com a primera matèria o ingredient de la indústria alimentària sigui una alternativa molt útil a l'hora de reduir les despeses de la indústria càrnia, sempre que es resolguin els problemes de l'enfosquiment i dels sabors estranys que pot conferir la FC quan s'addiciona a productes alimentaris. Una altra possible utilització de la FC és aprofitar les propietats colorants de l'Hb o del grup hemo, com a colorant d'origen natural en diversos productes alimentaris. Els objectius del present treball eren, en primer lloc, determinar les millors condicions d'aplicació del procés de conservació de la FC mitjançant la deshidratació per atomització i caracteritzar físico-químicament i microbiològica el concentrat d'Hb en pols. En segon lloc, avaluar l'eficàcia de diferents additius antioxidants i/o segrestants del ferro per prevenir l'enfosquiment que pateix la FC durant la deshidratació. En tercer lloc, aplicar tractaments d'altes pressions hidrostàtiques com a procés d'higienització i avaluar els efectes d'aquest tractament sobre la microbiota contaminant, el color i les propietats funcionals de la FC. Finalment, desenvolupar un procés d'obtenció d'hidrolitzats proteics descolorats a partir de l'Hb amb la finalitat d'utilitzar-los com a ingredients nutricionals i/o funcionals. La millor temperatura de deshidratació per atomització de la FC hemolitzada era 140ºC. La FC en pols presentava un contingut en humitat del 5,3 % i un percentatge de solubilitat proteica del 96 %. La deshidratació per atomització induïa canvis en l'estructura nativa de l'Hb i, per tant, un cert grau de desnaturalització que pot conduir a una disminució de les seves propietats funcionals. L'extracte sec de la FC en pols estava composat per un 94,6 % de proteïna, un 3 % de sals minerals i un 0,7 % de greix. Els valors CIE L*a*b* del color de la FC en pols eren força constants i reflectien el color vermell marró fosc d'aquesta, a causa de l'oxidació del ferro hèmic que es produeix durant la deshidratació. La càrrega contaminant de la FC fresca de la sang de porc era força elevada i el tractament d'hemòlisi amb ultrasons i la centrifugació posterior no produïen una reducció significativa de la microbiota contaminant, obtenint un producte amb uns recomptes microbiològics de l'ordre de 106 ufc·mL-1. La deshidratació per atomització produïa una disminució d'una unitat logarítmica dels recomptes totals de la FC hemolitzada. Tanmateix, el producte en pols encara reflectia l'elevada contaminació de la primera matèria, fet que condiciona negativament la seva utilització com a ingredient alimentari, a no ser que es millorin les condicions de recollida de la sang a l'escorxador o que aquesta o la FC es sotmeti a algun tractament d'higienització prèviament a la deshidratació. Les isotermes de sorció a 20ºC de la FC en pols tenien forma sigmoïdal i una histèresi estreta i llarga. L'equació GAB és un bon model matemàtic per ajustar les dades de sorció obtingudes experimentalment i determinar la isoterma d'adsorció de la FC deshidratada per atomització. El percentatge d'humitat de la FC deshidratada a 140ºC es corresponia a un valor d'aw a 20 ºC d'aproximadament el 0,16. Tenint en compte que estava per sota dels valors d'aw corresponents a la capa monomolecular, es pot garantir la conservació a temperatura ambient del producte, sempre que s'envasi en recipients tancats que no permetin l'entrada d'humitat de l'exterior. De l'estudi de la possible estabilització del color de la FC deshidratada per atomització mitjançant l'addició d'antioxidants i/o segrestants de ferro, es va observar que només l'àcid ascòrbic, la glucosa, l'àcid nicotínic i la nicotinamida, tenien efectes positius sobre el color del producte en pols. L'ascòrbic i la glucosa no milloraven la conservació del color de l'Hb però disminuïen l'enfosquiment que es produeix durant la deshidratació, amb la qual cosa es pot obtenir un producte en pols de color marró més clar. L'addició de dextrina o L-cisteïna no disminuïa l'enfosquiment ni evitava el canvi de color de l'Hb. L'àcid nicotínic i la nicotinamida protegien el color de l'Hb durant el procés de deshidratació i l'emmagatzematge de la FC en pols. Les millors condicions d'aplicació del tractament amb altes pressions hidrostàtiques (HHP) sobre la FC eren 400 MPa, a 20ºC, durant 15 minuts, perquè produïen una millora significativa de la qualitat microbiològica, no afectaven negativament al color, no comprometien gaire la solubilitat proteica l'Hb i, malgrat que produïen un augment de la viscositat, la FC romania fluida després del tractament. Aquest tractament permetia una reducció de la microbiota contaminant de la FC d'entre 2 i 3 unitats logarítmiques. L'aplicació de l'alta pressió i la posterior deshidratació per atomització permetien obtenir un producte en pols amb recomptes totals de l'ordre de 2,8 unitats logarítmiques. El color de la FC pressuritzada en pols era igual que el de la FC control deshidratada, perquè ambdues mostres presentaven la mateixa susceptibilitat a l'oxidació del grup hemo produïda per la deshidratació. L'alta pressió incrementava la susceptibilitat de l'Hb als efectes desnaturalitzants de la deshidratació, fonamentalment a pH 7 (PIE), ja que es va observar una disminució de la solubilitat proteica a pH neutre després dels 2 processos tecnològics. La FC en pols presentava una màxima capacitat escumant al PIE de l'Hb. L'aplicació del tractament HHP produïa una disminució de la capacitat escumant de la FC en pols, però no tenia efectes negatius sobre l'estabilitat de l'escuma formada. Tampoc es van observar efectes negatius del tractament HHP sobre l'activitat emulsionant de l'Hb. La màxima activitat emulsionant de l'Hb s'aconseguia amb una concentració de FC en pols de l'1,5 % a pH 7 i de l'1 % a pH 4,5. Les pastes obtingudes per escalfament de la FC presentaven característiques molt diferenciades depenent del pH. A pH neutre es formaven unes pastes dures i consistents, mentre que a pH àcid les pastes eren poc consistents, molt adhesives i més elàstiques que les anteriors. Aquestes tenien una capacitat de retenció d'aigua molt superior que les de pH 7, en les quals l'aigua quedava retinguda per capil·laritat. La textura i capacitat de retenció d'aigua de les pastes tampoc eren afectades pel tractament HHP. El tractament HHP incrementava l'activitat de la Tripsina sobre l'Hb quan el substrat i l'enzim es tractaven conjuntament i afavoria el procés d'obtenció d'hidrolitzats descolorats a partir de la FC, la qual cosa permetia assolir el mateix grau de descoloració amb una dosi d'enzim inferior. El tractament d'hidròlisi de la FC amb la utilització combinada de Tripsina seguida d'un tractament amb Pepsina permetia l'obtenció d'un hidrolitzat proteic d'Hb descolorat i hidrolitzava completament la globina, donant lloc a 2 pèptids de 10,8 i 7,4 KDa. Val a dir que també produïa un 60 80 % de nitrogen soluble en TCA, constituït fonamentalment per pèptids petits i aminoàcids lliures. Els hidrolitzats trípsics i pèpsics d'Hb, obtinguts a partir de FC no pressuritzada i deshidratats per atomització a 180ºC, eren de color blanc i tenien un contingut en humitat del 4,7 %, un 84,2 % de proteïna i 9,7 % de sals minerals. El procés d'hidròlisi permetia una reducció considerable de la contaminació de la FC, obtenint un producte en pols amb uns recomptes totals de l'ordre de 102-103 ufc·g-1. Pel que fa a la funcionalitat dels hidrolitzats d'Hb deshidratats per atomització, aquests presentaven una elevada solubilitat proteica a pH 5 i 7 i romanien solubles després d'un escalfament a 80ºC durant 30 min. Tanmateix, aquesta hidròlisi afectava molt negativament la capacitat de mantenir escumes estables i l'activitat emulsionant.