Implementation of a non-orthogonal model for the finite element simulation of textile composite draping

In the pursuit of producing high quality, low-cost composite aircraft structures, out-of-autoclave manufacturing processes for textile reinforcements are being simulated with increasing accuracy. This paper focuses on the continuum-based, finite element modelling of textile composites as they deform during the draping process. A non-orthogonal constitutive model tracks yarn orientations within a material subroutine developed for Abaqus/Explicit, resulting in the realistic determination of fabric shearing and material draw-in. Supplementary material characterisation was experimentally performed in order to define the tensile and non-linear shear behaviour accurately. The validity of the finite element model has been studied through comparison with similar research in the field and the experimental lay-up of carbon fibre textile reinforcement over a tool with double curvature geometry, showing good agreement.

Understanding aerospace composite components' supply chain carbon emissions

This paper examines a large structural component and its supply chain. The component is representative of that used in the production of civil transport aircraft and is manufactured from carbon fibre epoxy resin prepreg, using traditional hand layup and autoclave cure. Life cycle assessment (LCA) is used to predict the component’s production carbon emissions. The results determine the distribution of carbon emissions within the supply chain, identifying the dominant production processes as carbon fibre manufacture and composite part manufacture. The elevated temperature processes of material and part creation, and the associated electricity usage, have a significant impact on the overall production emissions footprint. The paper also demonstrates the calculation of emissions footprint sensitivity to the geographic location and associated energy sources of the supply chain. The results verify that the proposed methodology is capable of quantitatively linking component and supply chain specifics to manufacturing processes and thus identifying the design drivers for carbon emissions in the manufacturing life of the component.

Implication of modified molecular structure of lipid through heat-related process to fatty acids supply in Brassica carinata seed.

This study was conducted to explore the effect of different autoclave heating times (30, 60 and 90 min) on fatty acids supply and molecular stability in Brassica carinata seed. Multivariate spectral analyses and correlation analyses were also carried out in our study. The results showed that autoclaving treatments significantly decreased the total fatty acids content in a linear fashion in B. carinata seed as heating time increased. Reduced concentrations were also observed in C18:3n3, C20:1, C22:1n9, monounsaturated fatty acids (MUFA), polyunsaturated fatty acids (PUFA), omega 3 (ω-3) and 9 (ω-9) fatty acids. Correspondingly, the heated seeds showed dramatic reductions in all the peak intensities within lipid-related spectral regions. Results from agglomerative hierarchical cluster analysis (AHCA) and principal component analysis (PCA) indicated that the raw oilseed had completely different structural make-up from the autoclaved seeds in both CH3 and CH2 asymmetric and symmetric stretching region (ca. 2999–2800 cm−1) and lipid ester Cdouble bond; length as m-dashO carbonyl region (ca. 1787–1706 cm−1). However, the oilseeds heated for 30, 60 and 90 min were not grouped into separate classes or ellipses in all the lipid-related regions, indicating that there still exhibited similarities in lipid biopolymer conformations among autoclaved B. carinata seeds. Moreover, strong correlations between spectral information and fatty acid compositions observed in our study could imply that lipid-related spectral parameters might have a potential to predict some fatty acids content in oilseed samples, i.e. B. carinata. However, more data from large sample size and diverse range would be necessary and helpful to draw up a final conclusion.

Novel materials based on chitosan, its derivatives and cellulose fibres

O presente trabalho tem como principal objectivo o desenvolvimento de novos materiais baseados em quitosano, seus derivados e celulose, na forma de nanofibras ou de papel. Em primeiro lugar procedeu-se à purificação das amostras comerciais de quitosano e à sua caracterização exaustiva em termos morfológicos e físicoquímicos. Devido a valores contraditórios encontrados na literatura relativamente à energia de superfície do quitosano, e tendo em conta a sua utilização como precursor de modificações químicas e a sua aplicação em misturas com outros materiais, realizou-se também um estudo sistemático da determinação da energia de superfície do quitosano, da quitina e seus respectivos homólogos monoméricos, por medição de ângulos de contacto Em todas as amostras comerciais destes polímeros identificaram-se impurezas não polares que estão associadas a erros na determinação da componente polar da energia de superfície. Após a remoção destas impurezas, o valor da energia total de superfície (gs), e em particular da sua componente polar, aumentou consideravelmente. Depois de purificadas e caracterizadas, algumas das amostras de quitosano foram então usadas na preparação de filmes nanocompósitos, nomeadamente dois quitosanos com diferentes graus de polimerização, correspondentes derivados solúveis em água (cloreto de N-(3-(N,N,N-trimetilamónio)-2- hidroxipropilo) de quitosano) e nanofibras de celulose como reforço (celulose nanofibrilada (NFC) e celulose bacteriana (BC). Estes filmes transparentes foram preparados através de um processo simples e com conotação ‘verde’ pela dispersão homogénea de diferentes teores de NFC (até 60%) e BC (até 40%) nas soluções de quitosano (1.5% w/v) seguida da evaporação do solvente. Os filmes obtidos foram depois caracterizados por diversas técnicas, tais como SEM, AFM, difracção de raio-X, TGA, DMA, ensaios de tracção e espectroscopia no visível. Estes filmes são altamente transparentes e apresentam melhores propriedades mecânicas e maior estabilidade térmica do que os correspondentes filmes sem reforço. Outra abordagem deste trabalho envolveu o revestimento de folhas de papel de E. globulus com quitosano e dois derivados, um derivado fluorescente e um derivado solúvel em água, numa máquina de revestimentos (‘máquina de colagem’) à escala piloto. Este estudo envolveu inicialmente a deposição de 1 a 5 camadas do derivado de quitosano fluorescente sobre as folhas de papel de forma a estudar a sua distribuição nas folhas em termos de espalhamento e penetração, através de medições de reflectância e luminescência. Os resultados mostraram que, por um lado, a distribuição do quitosano na superfície era homogénea e que, por outro lado, a sua penetração através dos poros do papel cessou após três deposições. Depois da terceira camada verificou-se a formação de um filme contínuo de quitosano sobre a superfície do papel. Estes resultados mostram que este derivado de quitosano fluorescente pode ser utilizado como marcador na optimização e compreensão de mecanismos de deposição de quitosano em papel e outros substratos. Depois de conhecida a distribuição do quitosano nas folhas de papel, estudou-se o efeito do revestimento de quitosano e do seu derivado solúvel em água nas propriedades finais do papel. As propriedades morfológicas, mecânicas, superficiais, ópticas, assim como a permeabilidade ao ar e ao vapor de água, a aptidão à impressão e o envelhecimento do papel, foram exaustivamente avaliadas. De uma forma geral, os revestimentos com quitosano e com o seu derivado solúvel em água tiveram um impacto positivo nas propriedades finais do papel, que se mostrou ser dependente do número de camadas depositadas. Os resultados também mostraram que os papéis revestidos com o derivado solúvel em água apresentaram melhores propriedades ópticas, aptidão à impressão e melhores resultados em relação ao envelhecimento do que os papéis revestidos com quitosano. Assim, o uso de derivados de quitosano solúveis em água em processos de revestimento de papel representa uma estratégia bastante interessante e sustentável para o desenvolvimento de novos materiais funcionais ou na melhoria das propriedades finais dos papéis. Por fim, tendo como objectivo valorizar os resíduos e fracções menos nobres da quitina e do quitosano provenientes da indústria transformadora, estes polímeros foram convertidos em polióis viscosos através de uma reacção simples de oxipropilação. Este processo tem também conotação "verde" uma vez que não requer solvente, não origina subprodutos e não exige nenhuma operação específica (separação, purificação, etc) para isolar o produto da reacção. As amostras de quitina e quitosano foram pré-activadas com KOH e depois modificadas com um excesso de óxido de propileno (PO) num reactor apropriado. Em todos os casos, o produto da reacção foi um líquido viscoso composto por quitina ou quitosano oxipropilados e homopolímero de PO. Estas duas fracções foram separadas e caracterizadas.

Propriedades de lamas de salinas de Aveiro, tendo em vista aplicações dermoterapêuticas e dermocosméticas

Desde tempos históricos que diferentes tipos de lama são utilizados para aplicações externas no corpo humano, para fins terapêuticos e cosméticos. As lamas cuja beneficiação e caracterização físico-química são apresentadas nesta dissertação são formadas no ambiente hipersalino que existe nas salinas da Troncalhada e de São Tiago da Fonte, localizadas no estuário do rio Vouga, em Aveiro, Portugal. As salinas são constituídas por uma sequência de tanques onde, no período de verão, da água do mar e por evaporação natural, se produz sal marinho que precipita no último tanque (o cristalizador) do qual é extraído. Na base dos tanques ocorrem lamas que correspondem a sedimentos constituídos por material argiloso de cor preto-cinzento e que incorporam argila, silte, areia, bioclastos, sal, matéria orgânica e gás. A componente inorgânica da lama extraída do cristalizador foi estudada por Difracção de Raios-X (DRX) e Fluorescência de Raios-X (FRX), enquanto a componente orgânica da mesma lama foi estudada por Cromatografia de Gás- Espectrometria de Massa (GC-MS). Os estudos efectuados incidiram sobre amostras representativas de lama, obtidas antes e após refinação e beneficiação a que foi submetida a lama tal-qual colhida nas salinas. Foram utilizados métodos geofísicos para caracterizar e distinguir as lamas depositadas na época de safra e no período de interregno. Para o efeito, foram cravados tubos amostradores no sedimento que reveste o fundo dos tanques, tubos que seguidamente foram transportados para o laboratório para medição da condutividade eléctrica do topo até à base da coluna de sedimento amostrado. A refinação foi efectuada por elutriação de suspensões aquosas de lama utilizando um equipamento desenvolvido para o efeito e que permitiu concentrar a lama fina no overflow. Após floculação, sifonagem da água sobrenadante, dessalinização e centrifugação a lama refinada e beneficiada pôde ser incorporada em formulações com objectivos terapêuticos e cosméticos. O estudo microbiológico efectuado nas amostras de lama com sal e sem sal e na água das salinas permitiu identificar diversos tipos de bactérias e colónias presentes na lama e avaliar também os processos de esterilização testados. Concluiu-se que a lama hipersalina ou dessalinizada resultante do processamento a que foram submetidas, não deve ser aplicada ou incorporada em formulações tal-qual, pelo facto de em ambas terem sido identificadas bactérias como é o caso de Clostridium perfringens. Não obstante, se submetidas a esterilização utilizando autoclave a lama salina refinada e beneficiada poderá ser aplicada como peloide extemporâneo. Assim sendo foram desenvolvidas formulações dermoterapêuticas e dermocosméticas contendo lama beneficiada e dessalinizada e esterilizada termicamente.

Estudo da pirólise de misturas de resíduos de plásticos, pneus e biomassa

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica

Avaliação da resistência à fadiga de instrumentos endodônticos sujeitos a polimento electrolítico e a tratamento térmico específico

Esta dissertação teve como principais objectivos determinar a resistência à fadiga de instrumentos endodônticos de Níquel-Titânio sujeitos a polimento electrolítico e tratamento térmicopor autoclave, assim como estudar o comportamento estrutural dos instrumentos, através de análise numérica pelo método dos elementos finitos, quando sujeitos à curvatura em três regiões distintas. Vinte e dois instrumentos Hyflex (Coltene, Switzerland), com dois tamanhos diferentes (.04/20 e .06/20), foram divididos em 3 grupos: Grupo I, 4 instrumentos (dois de cada tamanho) sem qualquer tipo de tratamento térmico ou superficial; Grupo II, 12 instrumentos (seis de cada tamanho) submetidos a polimento electrolítico; Grupo III, 6 instrumentos (três de cada tamanho) submetidos a polimento electrolítico e tratamento térmico por autoclave. Todos os instrumentos foram sujeitos a testes de fadiga por flexão rotativa. Os instrumentos foram polidos, aplicando uma potência de 30 V, durante 3 segundos, a uma taxa de escoamento da solução electrolítica igual a 1. O tratamento térmico em autoclave foi realizado a uma temperatura e pressão de 134ºC e 2,16 bar, respectivamente, durante 30 minutos. O raio e ângulo de curvatura impostos durante os ensaios experimentais foram de 4,7 mm e 45º, respectivamente. A velocidade de rotação utilizada para testar os instrumentos foi de 500 rpm. O tempo até à fractura foi registado e o número de ciclos à fractura foi calculado. Calculou-se a área circular equivalente do instrumento Hyflex .06/20, em 3 regiões diferentes do mesmo (apical, central e coronal), na secção do instrumento correspondente a metade do comprimento do arco imposto pela curvatura do canal. Os valores de extensão teóricos foram calculados com o objectivo de comparar com a distribuição de tensão e extensão obtida pelo método dos elementos finitos. Os valores calculados analiticamente estão coerentes com os valores obtidos pelo método dos elementos finitos. Existe um grande risco de fractura do instrumento durante o tratamento endodôntico de canais radiculares que imponham curvaturas coronais aos instrumentos. Analisando os resultados obtidos experimentalmente, verifica-se que existem diferenças significativas, na duração e no número de ciclos à fadiga, entre os instrumentos polidos e não polidos e entre os instrumentos com e sem tratamento térmico por autoclave. Conclui-se que o polimento electrolítico tem uma influência significativa na vida à fadiga dos instrumentos Hyflex .04/20 e .06/20. O tratamento térmico por autoclave tem uma influência negativa nos instrumentos Hyflex .04/20 e uma influência positiva nos instrumentos Hyflex .06/20.

Pectic oligosaccharides as prebiotics

Pectic oligosaccharides were observed to have bifidogenic prebiotic properties. Pectic oligosaccharides were also found to possess anti-adhesive properties for food pathogen toxins and they stimulated apoptosis of colon cancer cells. Orange peel albedo (white part) was a good source of pectic oligosaccharides with prebiotic properties. Microwave and autoclave extraction produced pectic oligosaccharides with higher degrees of polymerization than those produced with an ultrafiltration dead-end membrane enzyme reactor. We propose that these larger orange albedo pectic oligosaccharides may have greater persistence through the colon, making them excellent candidates for second generation prebiotic product development.

Autoclaving kills soil microbes yet soil enzymes remain active

Biocidal treatment of soil is used to remove or inhibit soil microbial activity, and thus provides insight into the relationship between soil biology and soil processes. Chemical (soil pH, phosphodiesterase, protease) and biological (substrate induced respiration) characteristics of three contrasting soils from tropical savanna ecosystems in north Queensland, Australia were measured in field fresh samples and following autoclaving (121 °C/103 kPa for 30 min on two consecutive days). Autoclaving treatment killed the active soil microbial biomass and significantly decreased protease activity (∼90%) in all three soils. Phosphodiesterase activity in kaolinitic soils also significantly decreased by 78% and 92%. However, autoclave treatment of smectitic soil only decreased phosphodiesterase activity by 4% only. This study demonstrates phosphodiesterase can remain stable in extreme conditions. This might be a characteristic vital to the cycling of phosphorus in shrink–swell clays in Australian tropical savanna ecosystems.

Effect of the manufacturing process on the interlaminar fracture toughness of 2/2 twill weave fabric carbon/epoxy composites

A 2/2 twill weave fabric carbon fibre reinforced epoxy matrix composite MTM56/CF0300 was used to investigate the effect of different manufacturing processes on the interlaminar fracture toughness. Double cantilever beam tests were performed on composites manufactured by hot press, autoclave and 'Quickstep' processes. The 'Quickstep' process was recently developed in Perth, Western Australia for the manufacture of advanced composite components. The values of the mode I critical strain energy release rate (G1d were compared and the results showed that the composite specimens manufactured by the autoclave and the 'Quickstep' process had much higher interlaminar fracture toughness than the specimen produced by the hot press. When compared to specimens manufactured by the hot press, the interlaminar fracture toughness values of the Quickstep and autoclave samples were 38% and 49% higher respectively. The 'Quickstep' process produced composite specimens that had comparable interlaminar fracture toughness to autoclave manufactured composites. Scanning electron microscopy (SEM) was employed to study the topography of the mode I interlaminar fracture surface and dynamic mechanical analysis (DMA) was performed to investigate the fibre/matrix interphase. SEM micrography and DMA spectra indicated that autoclave and 'Quickstep' produced composites with stronger fibre/matrix adhesion than hot press.

An experimental study of low velocity impact response in 2/2 twill weave composite laminates manufactured by a novel fabrication process

A novel fabrication process for advanced composite components—the QuicktepTM process was described. 2/2 twill weave MTM56/CF0300 carbon epoxy composite laminates were manufactured by the Quickstep and the autoclave processes. The response of these laminates to drop-weight low velocity impact at energy levels ranging from 5 to 30 J was investigated. It was found that the laminates fabricated by the Quickstep had better impact damage tolerance than those fabricated by the autoclave. Optical microscopy revealed extensive matrix fracture in the center of the backside of the autoclave laminates indicating the more brittle property of the epoxy matrix cured by the autoclave process. Interfacial shear strength (IFSS) for two composite systems were measured by micro–debond experiments. The MTM56/CF0300 material cured by the Quickstep showed stronger fibre matrix adhesion. Since the thickness and density of the impact targets produced by two processes were different, finite element analysis (FEA) was performed to study the effect of these factors on the impact response. The simulation results showed that the difference in thickness and density affects the stress distribution under impact loading. Higher thickness and lower density caused by processing lead to less endurance to drop weight impact loading. Therefore the better performance of Quickstep laminates under impact loading was not due to the thickness and density change, but resulted from stronger mechanical properties.

Characterization and analysis of delamination fracture and nanocreep properties in carbon epoxy composites manufactured by different processes

Delamination resistance and nanocreep properties of 2/2 twill weave carbon epoxy composites manufactured by hot press, autoclave, and Quickstep^TM process are characterized and analyzed. Quickstep is a fluid filled, balanced pressure heated floating mold technology, which is recently developed in Perth, Western Australia for the manufacture of advanced composite components. Mode I and Mode II interlaminar fracture toughness tests, and nanoindentation creep tests on matrix materials show that the fast ramp rate of the Quickstep process provides mechanical properties comparable to that of autoclave at a lower cost for composite manufacturing. Low viscosity during ramping process and good fiber wetting are believed to be the reasons that this process produces composites with high delamination and creep-resistant properties. Nanocreep properties are analyzed using a Kelvin–Voigt model.

Rapid composite tube manufacture utilizing the quickstep™ process

In this study, a novel method for manufacturing composite tubes utilizing the Quickstep^TM process has been developed. Tubes manufactured from `quick-cure' Toray G83C prepreg have demonstrated highly repeatable axial crush behavior with an average specific energy absorption (SEA) of 86 kJ/kg. The cure cycle is optimized by comparing the results from compression, dynamic mechanical thermal analysis (DMTA), differential scanning calorimetry (DSC), and porosity testing. The tube lay-up is optimized using compression and porosity test results. The effect of changes in fiber-orientation on SEA is also investigated. Process development has resulted in a robust manufacturing method capable of producing fully cured, high performance composite tubes with a cure cycle of 7 min. This corresponds to a 95% reduction in time compared to an equivalent autoclave cycle.

Manufacturing influence on the delamination fracture behavior of the T800H/3900-2 carbon fiber reinforced polymer composites

'Torayca' T800H/3900-2 is the first material qualified on Boeing Material Specification (BMS 8-276) which utilizes the thermoplastic-particulate interlayer toughening technology. Two manufacturing processes, the autoclave process and the fast heating rated Quickstep™ process, were employed to cure this material. The Quickstep process is a unique composite production technology which utilizes the fast heat transfer rate of fluid to heat and cure polymer composite components. The manufacturing influence on the mode I delamination fracture toughness of laminates was investigated by performing double cantilever beam tests. The composite specimens fabricated by two processes exhibited dissimilar delamination resistance curves (R-curves) under mode I loading. The initial value of fracture toughness GIC-INIT was 564 J/m2 for the autoclave specimens and 527 J/m2 for the Quickstep specimens. However, the average propagation fracture toughness GIC-PROP was 783 J/m2 for the Quickstep specimens, which was 2.6 times of that for the autoclave specimens. The mechanism of fracture occurred during delamination was studied under scanning electron microscope (SEM). Three types of fracture were observed: the interlayer fracture, the interface fracture, and the intralaminar fracture. These three types of fracture played different roles in affecting the delamination resistance curves during the crack growth. More fiber bridging was found in the process of delamination for the Quickstep specimens. Better fiber/matrix adhesion was found in the Quickstep specimens by conducting indentation-debond tests.

Characterization of melded carbon fibre/epoxy laminates

‘Melding’ is a novel in situ method for joining thermosetting composite structures, without the need of adhesives. Laminate joining is achieved using uncrosslinked resin matrix of the pre-preg. This study used Hexply914C pre-preg material to characterize melded CFRP structures produced using the melding method. A designated area of a laminate was maintained at temperatures below 40 °C retaining uncured (B-staged) material, while the remainder of the laminate was cured at 175 °C. After a 2.5 h cure cycle, the cured region showed a high degree of cure (0.88) and glass transition temperature (176 °C). The uncured area of the same laminate was cured in a second stage, simulating an in situ melded joint. By controlling the temperature and duration of the intermediate dwell and affecting minimum viscosity values prior to final cure, low values of porosity (<0.5%) were achieved. The mechanical properties of the resulting joint were consistent throughout the melded laminate. Flexural strength (1600 MPa), flexural modulus (100–105 MPa) and short beam strength (105–115 MPa) values observed where equivalent or greater than those found in the recommended autoclave cured control specimens. After the entire laminate was post cured, glass transition temperatures of 230 °C (peak tan δ) were observed in all areas of the laminate.