On a Coarse-Graining Concept in Colloidal Physics with Application to Fluid and Arrested Colloidal Suspensions in Shearing Fields

We poorly understand the macroscopic properties of complex fluids and of amorphous bodies in general. This is mainly due to the interplay between phenomena at different levels and length-scales. In particular, it is not necessarily true that the microscopic level (dominated by direct interactions) coincides with the level where the continuum description comes into play. This is typically the case in the presence of structural inhomogeneities which are inherent to all structurally disordered states of matter below close packing. As a consequence, the macroscopic response to external fields of either fluid or arrested disordered states is not well understood. In order to disentangle this complexity, in this work we build upon a simple yet seemingly powerful concept. This can be summarized as follows: the mesoscopic length-scale of structural inhomogeneities is assumed to be the characteristic length-scale of the effective building blocks, while the degrees of freedom of the primary particles are integrated out. Theoretical results are derived, in the present work, for the macroscopic response of fluid and dynamically arrested model colloidal states in fields of shear. The predictions of the coarse-grained theories and the applicability of the principle are tested in comparison with original simulation and experimental data

Mechanical characterization of composites based on a novel vacuum-infused thermoplastic matrix

Este estudo está focado na avaliação do desempenho mecânico e dos mecanismos de falha de compósitos à base de uma resina termoplástica líquida sob várias condições de carregamento em comparação com compósitos à base de epóxi. Os laminados compostos reforçados por fibras de carbono foram fabricados pela VARTM (Moldagem por transferência de resina assistida a vácuo). Os compósitos foram submetidos às condições de carregamento do modo II, a fim de verificar sua tolerância a danos. Nesse caso, os compósitos termoplásticos apresentaram 40% mais resistência à fratura interlaminar em comparação aos compósitos epóxi. Esses materiais obtiveram desempenho superior na resistência à propagação de trincas, pois tendem a absorver a energia associada à propagação de trincas na forma de deformação plástica em comparação aos compósitos epóxi. Também foram realizados testes de resistência à tração e cisalhamento no plano para avaliar a resposta de ambos os materiais em amostras não condicionadas e condicionadas. Os compósitos termoplásticos apresentaram 30% mais resistência à tração em comparação aos compósitos epóxi. Para amostras condicionadas, essa diferença foi de 14%. Esses resultados foram relacionados à plastificação, que tende a favorecer o amolecimento do polímero, proporcionando maior deformação plástica da matriz, promovendo uma fratura dúctil do compósito. Por outro lado, as propriedades de cisalhamento no plano foram 30% maiores para os laminados termoendurecíveis em ambas as condições. Nesse caso, a umidade pode ter favorecido a formação de rachaduras na superfície e enfraquecido a adesão interfacial fibra / matriz. Análises adicionais baseadas no projeto de experimentos mostraram que a resina Elium® 150 afeta significativamente todas as respostas e apresentou, de fato, um melhor comportamento em comparação à resina epóxi. Embora os efeitos do condicionamento tenham apresentado uma contribuição estatisticamente perceptível à resistência à tração, a presença da umidade não proporcionou um aprimoramento significativo da resistência ao cisalhamento no plano. A análise baseada na metodologia de teste acelerado de compósitos Carbon Fiber / Elium® 150 mostra que as altas frequências aumentam a transição vítrea (Tg) para valores mais altos, provavelmente favorecidos pelo movimento das cadeias poliméricas. A rede neural artificial evidenciou uma excelente concordância entre os valores treinados e experimentais. A previsão de vida útil em longo prazo usando curvas mestres confirma que este novo material pode ser considerado para fins de amortecimento acústico ou vibracional, considerando seu uso em temperaturas abaixo de Tg

Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials, Two Volume Set

Bituminous materials are used to build durable roads that sustain diverse environmental conditions. However, due to their complexity and a global shortage of these materials, their design and technical development present several challenges. Advanced Testing and Characterisation of Bituminous Materials focuses on fundamental and performance testin

Fabrication and Actuation of Hierarchically-Patterned Polymer Substrates for Dynamic Surface and Optical Properties

Switchable optical materials, which possess reversible color and transparency change in response to external stimuli, are of wide interest for potential applications such as windows and skylights in architectural and vehicular settings or optical sensors for environmental monitoring. This thesis considers the tuning of optical properties by tailoring and actuating responsive materials. Specifically, we demonstrate the design and fabrication of tilted pillar arrays on wrinkled elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS) as a reversibly switchable optical window. While the original PDMS film exhibits angle-dependent colorful reflection due to Bragg diffraction of light from the periodic pillar array, the tilted pillar film appears opaque due to random scattering. Upon re-stretching the film to the original pre-strain, the grating color is restored due to the straightened pillars and transmittance is recovered. Then, we develop a composite film, consisting of a thin layer of quasi-amorphous array of silica nanoparticles (NPs) embedded in bulk elastomeric PDMS, with initial high transparency and angle-independent coloring upon mechanical stretching. The color can be tuned by the silica NP size. The switch between transparency and colored states could be reversibly cycled at least 1000 times without losing the film’s structural and optical integrity. We then consider the micropatterning of nematic liquid crystal elastomers (NLCEs) as micro-actuator materials. Planar surface anchoring of liquid crystal (LC) monomers is achieved with a poly(2-hydroxyethyl methacrylate)-coated PDMS mold, leading to monodomains of vertically aligned LC monomers within the mold. After cross-linking, the resulting NLCE micropillars show a relatively large radial strain when heated above nematic to isotropic transition temperature, which can be recovered upon cooling. Finally, the understanding of liquid crystal surface anchoring under confined boundary conditions is applied to the self-assembly of gold nanorods (AuNRs) driven by LC defect structures and to dynamically tune the surface plasmon resonance (SPR) properties. By exploiting the confinement of the smectic liquid crystal, 4-octyl-4’-cyanobiphenyl (8CB), to patterned pillars treated with homeotropic surface anchoring, topological defects are formed at precise locations around each pillar and can be tuned by varying the aspect ratio of the pillars and the temperature of the system. As a result, the AuNR assemblies and SPR properties can be altered reversibly by heating and cooling between smectic, nematic and isotropic phases

\u27Fabrication and Characterization of Polymer Blends and Composites Derived from Biopolymers\u27

This research focuses on fabricating blends and composites from natural polymers especially from proteins and natural epoxy, and describing the properties of plastics made from them. Specifically, plastic samples from partially denatured feathermeal and bloodmeal proteins, derived from the animal co-products (rendering) industry, were successfully produced through a compression molding process. The modulus (stiffness) of the material obtained was found to be comparable with that of commercial synthetic materials, such as polystyrene, but was found to have lower toughness characteristics, which is a common phenomenon among plastics produced from animal and plant proteins. Therefore, this study explored blending methods for improving the toughness. Plastic forming conditions for undenatured animal proteins such as chicken egg whites albumin and whey, used as a model, were established to prepare plastics from their blends with animal co-product proteins. The resultant plastic samples from these biomacromolecular blends demonstrated improved mechanical properties that were also compared with the established theoretical models known for polymer blends and composites. Moreover, plastics from albumin of chicken egg whites and human serum have demonstrated their potential in medical applications that require antibacterial properties. Another natural polymer vegetable oil-based epoxy, especially epoxidized linseed oil, showed significant potential to replace petroleum-derived resins for use as a matrix for composites in structural applications. Moreover, the research showed the benefits of ultrasonic curing, which can help in preparing the out-of-autoclave composites

Mechanical characterization of composites based on a novel vacuum-infused thermoplastic matrix

Este estudo está focado na avaliação do desempenho mecânico e dos mecanismos de falha de compósitos à base de uma resina termoplástica líquida sob várias condições de carregamento em comparação com compósitos à base de epóxi. Os laminados compostos reforçados por fibras de carbono foram fabricados pela VARTM (Moldagem por transferência de resina assistida a vácuo). Os compósitos foram submetidos às condições de carregamento do modo II, a fim de verificar sua tolerância a danos. Nesse caso, os compósitos termoplásticos apresentaram 40% mais resistência à fratura interlaminar em comparação aos compósitos epóxi. Esses materiais obtiveram desempenho superior na resistência à propagação de trincas, pois tendem a absorver a energia associada à propagação de trincas na forma de deformação plástica em comparação aos compósitos epóxi. Também foram realizados testes de resistência à tração e cisalhamento no plano para avaliar a resposta de ambos os materiais em amostras não condicionadas e condicionadas. Os compósitos termoplásticos apresentaram 30% mais resistência à tração em comparação aos compósitos epóxi. Para amostras condicionadas, essa diferença foi de 14%. Esses resultados foram relacionados à plastificação, que tende a favorecer o amolecimento do polímero, proporcionando maior deformação plástica da matriz, promovendo uma fratura dúctil do compósito. Por outro lado, as propriedades de cisalhamento no plano foram 30% maiores para os laminados termoendurecíveis em ambas as condições. Nesse caso, a umidade pode ter favorecido a formação de rachaduras na superfície e enfraquecido a adesão interfacial fibra / matriz. Análises adicionais baseadas no projeto de experimentos mostraram que a resina Elium® 150 afeta significativamente todas as respostas e apresentou, de fato, um melhor comportamento em comparação à resina epóxi. Embora os efeitos do condicionamento tenham apresentado uma contribuição estatisticamente perceptível à resistência à tração, a presença da umidade não proporcionou um aprimoramento significativo da resistência ao cisalhamento no plano. A análise baseada na metodologia de teste acelerado de compósitos Carbon Fiber / Elium® 150 mostra que as altas frequências aumentam a transição vítrea (Tg) para valores mais altos, provavelmente favorecidos pelo movimento das cadeias poliméricas. A rede neural artificial evidenciou uma excelente concordância entre os valores treinados e experimentais. A previsão de vida útil em longo prazo usando curvas mestres confirma que este novo material pode ser considerado para fins de amortecimento acústico ou vibracional, considerando seu uso em temperaturas abaixo de Tg