Numerical modelling of fibrillation and cavitation in PSA tapes - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Numerical modelling of fibrillation and cavitation in PSA tapes

Modélisation numérique de la fibrillation et de la cavitation dans des bandes adhésives

Résumé

In PSA (Pressure Sensitive Adhesives) tapes, adhesion rupture is accompanied by cavitation and fibrillation. At the microscopic level, both phenomena involve large deformation. As the material of this pressure-sensitive adhesive is visco-elastic, this large deformation leads to the dissipation of energy. This dissipation of energy is several orders of magnitude higher than the thermodynamic work of adhesion between substrate and adhesive. These mechanisms of adhesion rupture by cavitation and fibrillation go beyond the framework of the standard linear elastic fracture mechanics. Hence, we employ hyper-elastic material models such as Arruda-Boyce and Yeoh which can account for strain hardening and also for the viscoelastic nature of these materials in an effective elastic manner by considering strain rate dependency. This type of implementation of material models in numerical modeling of cavitation and fibrillation leads to help in understanding the total peeling energy.In this study, we numerically model the mono-fibril of different aspect ratios using the finite-element method (FEM). The small strain response of FEM simulations is compared with the flat punch contact to coated half-space. To implement the flat punch contact problem, we use Boundary Element Method (BEM). Apart from that, we use some simplified analytical methods such as the Poker-chip test for comparison. Simulation confirms that the force to draw fibrils from a flat soft adhesive film is larger than the force to uniaxially extend hypothetical independent strands of the adhesive. We also study the fibril debonding for our custom-made PSA tapes made by 3M company and give the power law for the force and displacement at debonding from the glass substrate at a particular peeling velocity. In addition to that, we also study the effect of sliding and compressibility on fibril debonding. We also check the effect of strain hardening on cavitation in the infinite medium by analytical method. Then we demonstrate the axisymmetric simulation of expanding and confined cavity and how it compares with the fibril simulations.As it is difficult to control the parameters such as aspect ratio and interfibrillar distance of fibrils in peeling experiments on the homogeneous substrate, we used experimental peeling data of patterned substrate for comparing our simulation results. This comparison is essential to gain insight into the future design of the patterning which can improve the adhesion.
Dans les bandes PSA (Adhésifs sensibles à la pression), la rupture d’adhésion est accompagnée de cavitation et de fibrillation. Au niveau microscopique, les deux phénomènes impliquent une grande déformation. Comme le matériau de cet adhésif sensible à la pression est viscoélastique, cette grande déformation conduit à la dissipation de l’énergie. Cette dissipation d’énergie est de plusieurs ordres de grandeur supérieure au travail thermodynamique d’adhésion entre substrat et adhésif. Ces mécanismes de rupture d’adhérence par cavitation et fibrillation vont au-delà du cadre de la mécanique linéaire standard de rupture élastique. Par conséquent, nous utilisons des modèles de matériaux hyper-élastiques tels que Arruda-Boyce et Yeoh qui peuvent tenir compte de l’écrouissage et aussi de la nature viscoélastique de ces matériaux d’une manière élastique efficace en considérant la dépendance au taux de déformation. Ce type de mise en œuvre de modèles de matériaux dans la modélisation numérique de la cavitation et de la fibrillation conduit à aider à comprendre l’énergie de pelage total.Dans cette étude, nous modélisons numériquement le mono-fibrille de différents rapports d’aspect en utilisant la méthode des éléments finis (FEM). La faible réponse de déformation des simulations FEM est comparée au contact plat du poinçon avec le demi-espace enduit. Pour implémenter le problème de contact de poinçon plat, nous utilisons la méthode Boundary Element (BEM). En dehors de cela, nous utilisons certaines méthodes analytiques simplifiées telles que le test Poker-chip pour la comparaison. La simulation confirme que la force require pour tirer les fibrilles d’un film adhésif plat est plus grande que la force require pour étendre uniaxialement des brins indépendants hypothétiques de l’adhésif. Nous étudions également le décollement du fibril pour nos bandes PSA sur mesure de la société 3M et donnons la loi de puissance pour la force et le déplacement au décollement du substrat de verre à une vitesse de peeling particulière. De plus, nous étudions l’effet du glissement et de la compressibilité sur le décollement fibrillaire. Nous vérifions également l’effet de l’écrouissage sur la cavitation dans le milieu infini par méthode analytique. Ensuite, nous montrons la simulation axisymétrique en expansion et la cavité confinée et comment elle se compare aux simulations du fibril.Comme il est difficile de contrôler les paramètres tels que le rapport d’aspect et la distance interfibrillaire des fibrilles dans les expériences de peeling sur le substrat homogène, nous avons utilisé des données expérimentales de pelage de substrat modélisé pour comparer nos résultats de simulation. Cette comparaison est essentielle pour avoir un aperçu de la conception future du motif qui peut améliorer l’adhésion.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03992469 , version 1 (16-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03992469 , version 1

Citer

Krupal Patel. Numerical modelling of fibrillation and cavitation in PSA tapes. Material chemistry. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLS039⟩. ⟨tel-03992469⟩
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