Modeling the interaction of convex solidifying interfaces with spherical particles

The phenomenon of pushing during solidification is modeled for the case of particles producing a convex interface. The thermal and fluid fields generated by the particle melt solid system are calculated in a decoupled way determining in the first place the shape of the interface and then, the two main forces acting during pushing; the drag and repulsion forces. The thermal and fluid flow fields were calculated using finite element methods. Both, the drag and repulsion forces are integrated at each step and compared until both are equal and the steady state of pushing is reached. The repulsion force is integrated using the Casimir-Lifshitz Van der Waals interaction. The model predicts the equilibrium distance in a steady state of pushing for spherical particles and a convex solidifying interface. It is shown that the equilibrium separation distance for a convex interface results in a larger solidification velocity for trapping with respect to an ideal planar interface. The model results were in good agreement with experimental results for the critical velocity reported in the literature.Fil: Agaliotis, Eliana Mabel. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste; ArgentinaFil: Rosenberger, Mario Roberto. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste; ArgentinaFil: Ares, Alicia Esther. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste; ArgentinaFil: Schvezov, Carlos Enrique. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste; Argentin

Modelling and Simulation of Drag Forces of Non-spherical Particles Moving Towards a Surface in Polymer Melt Flows

This work deals with the drag forces acting on non-spherical particles translating normal to a surface in a polymer melt in which the particle–surface distance is small compared with particle dimension in the flow direction. Hence, drag forces will be modified as a function of distance. A finite element model was used in order to calculate the drag forces for the motion of particles. Several non-spherical particles geometries were simulated towards a plane surface wall. The fitting of the numerical results with empirical expressions presented two very well defined tendencies. Up to a given value of particle-wall distance the influence of the wall was strong, hence it was necessary to apply a correction to the analytical calculations. In addition, the relevance of the shape of the channel between the particle and the sink was demonstrated. The computational results provided a clear benefit to validate empirical approaches using analytical approximations.Fil: Agaliotis, Eliana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Bernal, Celina Raquel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; Argentin

A novel numerical model for the interaction between the solidification front of a semicrystalline polymer and spherical particles

The interaction between a solidification front of a semicrystalline polymer and a spherical particle is a topic of main interest because it addresses particle dispersion/distribution and materials behavior associated with this issue. In this paper, this interaction is investigated from numerical analyses by a computational fluid dynamics model that employs the shape of the interface to calculate drag and repulsion forces. The results obtained in turn are used to determine the conditions under which the particle is dragged by the solidification front. This is employed then to predict critical solidification front velocities for pushing as a function of particle size. The results shows that the numerical model developed here is able to accurately predict the conditions for particle pushing in semicrystalline polymers. The required cooling conditions which lead to a redistribution of the particles below 50 µm of radius during solidification in polymer composites and blends can be determined with the proposed model.Fil: Agaliotis, Eliana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Vázquez, Analía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Bernal, Celina Raquel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; Argentin

Morphological, Mechanical and Thermal Characterization of Intralayer Hybrid Composites Based on Polylactic Acid (PLA) and Sisal Fiber

Novel intralayer hybrid composites (IHC) based on a commercial polylactic acid (PLA) matrix reinforced with a hybrid plain-woven fabric, composed of PLA filaments and sisal fibers, were obtained by film stacking followed by compression molding. Two different stacking configurations were explored. In one configuration, weft and warp directions of all fabric layers were equally oriented whereas in the other configuration, weft and warp directions of fabric layers were alternately oriented. The effect of the stacking sequence on the materials morphology and thermal and tensile behavior was investigated. All obtained composites presented higher thermal stability than the matrix due to the presence of the natural fibers and PLA filaments and also, the existence of lignocellulosic compounds in the woven fabric led to a char yield residue, with the expected improvement of flame retardant properties. Although both IHCs exhibited highly anisotropic tensile behavior, the composite having an alternated fabric layers configuration, presented a good balance of stiffness and strength for the two main orthogonal loading directions.Fil: Agaliotis, Eliana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Morales Arias, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Bernal, Celina Raquel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; Argentin

Curing kinetics of a novolac resin modified with oxidized multi-walled carbon nanotubes

The influence of oxidized multi-walled carbon nanotubes (o-MWCNTs) on the curing kinetics of a novolac resin was studied by means of non-isothermal differential scanning calorimetry. Regarding the kinetics issues, the high concentration of hydroxyl groups on the o-MWCNTs slightly modified the curing reaction of the novolac resin, shifting the differential scanning calorimetry exothermic peak to higher temperatures. The effective activation energy of the curing reaction was calculated by the isoconversional Kissinger-Akahira-Sunose method and increased by the presence of o-MWCNTs with respect to neat novolac. This change was attributed to the increase of the material viscosity. In addition, thermogravimetric analysis revealed that nanocomposites samples containing 0.4 and 1.0 wt% o-MWCNTs presented increased char yield values, indicating an improvement of flame retardancy.Fil: Morales Arias, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Agaliotis, Eliana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Escobar, Mariano Martin. Instituto Nacional de Tecnología Industrial. Instituto Nacional de Tecnología Industrial - Caucho; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Self-reinforced polypropylene composites based on low-cost commercial woven and non-woven fabrics

In the present paper, different self‐reinforced polypropylene (PP) composites based on low‐cost commercial woven (w) and non‐woven (nw) fabrics were obtained. Hot compaction (HC) and film stacking (FS) followed by compression molding were used to prepared the composites. The fracture and failure behavior of the different materials was determined under different testing conditions through quasi‐static uniaxial tensile tests, Izod impact experiments and by means offracture mechanics tests on mode I double‐edge deeply notched tensile specimens. In the case of the composite obtained by film stacking + compression molding (rPP/nw/w‐FS) and the hot‐compacted composite (nw/w‐HC) containing simultaneously woven and non‐woven fabrics, the acoustic emission technique was applied in situ in the tensile tests to determine their consolidation quality and to identify the failure mechanisms responsible for their fracture behavior. It was observed that both composites exhibited relatively similar high consolidation quality. However, the hot‐compacted composite presented a more uniform distribution of failure mechanisms (debonding and fiber fracture) than the film‐stacked composite. The hot‐compacted composite containing both types of reinforcements exhibited the best combination of mechanical (tensile, impact, and fracture) properties. Therefore, this composite appeared as the most promising for structural applications among the different composites investigated.Fil: Mijares, José Luis. Comision Nacional de Energia Atomica. Gerencia D/area de Energia Nuclear; ArgentinaFil: Agaliotis, Eliana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Bernal, Celina Raquel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Mollo, Mariana. Instituto Nacional de Tecnología Industrial; Argentin

Numerical calculation of the drag force applied to particle pushing

The interaction of solid particles with a solidifying interface is studied with numerical and analytical models for the drag and pushing forces. The numerical results of the drag force on a spherical particle and planar interface were compared with the forces given by both, the Stokes and modified Stokes equations. The pushing force was calculated employing the Casimir-Lifshitz-van der Waals force. The results show the range and degree of validity of the Stokes and modified Stokes equations for large and small separations. From this, it is shown that the particle-interface separations for steady pushing obtained numerically, for the same particle radius and solidification velocity. In addition, the critical velocities obtained with the present hybrid model are compared with experimental results published in the literature. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.Fil: Agaliotis, Eliana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Cs.exactas Químicas y Naturales. Laboratorio de Programa de Materiales, Modelización y Metrologia; ArgentinaFil: Rosenberger, Mario Roberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Cs.exactas Químicas y Naturales. Laboratorio de Programa de Materiales, Modelización y Metrologia; ArgentinaFil: Ares, Alicia Esther. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Cs.exactas Químicas y Naturales. Laboratorio de Programa de Materiales, Modelización y Metrologia; ArgentinaFil: Schvezov, Carlos Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Cs.exactas Químicas y Naturales. Laboratorio de Programa de Materiales, Modelización y Metrologia; Argentin

Modelling the interaction of particles with a concave solidifying interface

The interaction of a foreign particle with a solidifying interface is studied with numerical modelling. The model includes two main forces; the drag and the pushing forces. The drag force is calculated from the fluid flow, the repulsion force by the Lifshitz-Van der Waal force. The thermal field is decoupled from the force field. The model is applied to a metallic matrix and particles with similar and higher thermal conductivities; giving planar and concave interface shapes respectively. The steady state of pushing is studied for the same conditions and different solidification velocities and particle radius. The results show that a concave interface shape generates higher drag forces about one order the magnitude higher than those for a planar interface. As a result the critical velocity is less than that corresponding to a planar interface. The magnitude of the effect of the different parameters in the phenomenon is presented and discussed.Fil: Agaliotis, Eliana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrología; ArgentinaFil: Rosenberger, Mario Roberto. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste; ArgentinaFil: Schvezov, Carlos Enrique. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste; ArgentinaFil: Ares, Alicia Esther. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrología; Argentin

Modelización numérica de la interacción de partículas esféricas durante la solidificación de materiales: caso de una interfase cóncava

El movimiento de una interfase de solidificación hacia una partícula esférica inmersa en el material fundido genera interacciones entre la interfase y la partícula, lo que afecta la distribución de las mismas obteniéndose diferentes propiedades mecánicas y físico-químicas. Se modeló y simuló la interacción entre una interfase de solidificación y una partícula esférica, inmersa en el material fundido, teniendo en cuenta que este fenómeno está regido por un equilibrio dinámico entre fuerzas de arrastre y repulsión que se manifiestan sobre la partícula. El modelo incluye dos fuerzas, una de arrastre y otra de repulsión, calculadas por separado luego combinadas para obtener el valor de equilibrio. Utilizando dinámica de fluidos computacional se calculó la fuerza de arrastre sobre la partícula en función de la velocidad de solidificación, el radio de la partícula y la separación partículainterfase. La fuerza de repulsión se calculó utilizando la ecuación de Lifshitz van der Waals integrando numéricamente según la forma y separación de la interfase. Se compararon las fuerzas de arrastre obtenidas con una interfase plana y con una interfase cóncava, ésta última fue calculada a partir de simulaciones del campo térmico. Los resultados muestran que una interfase cóncava genera mayores fuerzas de arrastre que una interfase plana a una misma separación de interfase. Esto hace que la velocidad crítica sea menor que la correspondiente para una interfase plana y un mismo radio de partícula.Fil: Agaliotis, Eliana Mabel. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Cs.exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrologia; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Rosenberger, Mario Roberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Cs.exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrologia; ArgentinaFil: Ares, Alicia Esther. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Cs.exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrologia; ArgentinaFil: Schvezov, Carlos Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Misiones. Facultad de Cs.exactas Químicas y Naturales. Grupo de Materiales, Modelización y Metrologia; Argentin

Design and Assessment of a Lightweight Polymer Concrete Utility Manhole

Polymer concrete is a composite using polymer instead of portland cement as a binder. It allows optimizing the tensile and cracking strength and the chemical resistance of a concrete structure. In this study, different formulations were assessed in order to optimize a polymer concrete underground utility manhole with minimum weight. Formulations were based on an epoxy-amine system mixed with fine regular-weight aggregates and ultralightweight aggregates. The objective was to design and assess an underground utility structure with the epoxy chemical resistance, strength, and lightweight and to study whether the replacement of regular-weight aggregates by ultralightweight aggregates would contribute to improve the strength and reduce the structure weight. Two polymer concrete systems were designed from its formulation, and their mechanical performance was evaluated experimentally. A numerical model was developed for a polymer concrete underground utility structure made from the different formulations. It was simplified as a box subjected to typical soil loads. The size of the box is a standard one. Its minimum wall thickness is specified for sustaining the in-use service pressures obtained from numerical simulation. The model predicted that the epoxy/regular-weight aggregate formulation could be used with a wall thickness significantly smaller than the formulation with ultralightweight aggregates. In addition, the underground utility structure made with this formulation would weigh six times less than the same box made with a traditional portland cement concrete.Fil: Leonardi, Luciano Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Piqué, Teresa María. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Leizerow, Tomas. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Balzamo, Humberto Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Bernal, Celina Raquel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Vazquez, Analía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; ArgentinaFil: Agaliotis, Eliana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnología en Polímeros y Nanotecnología; Argentin