Numerical model of bondline

Ing. David Děcký

Doctoral thesis

Numerický model lepené spáry

Abstract:

Disertační práce se zabývá adhesivním spojováním dřeva, které lze považovat za nejdůležitější druh spoje v současném dřevařském průmyslu, a zejména jeho nejdůležitější konstitutivní jednotkou, lepenou spárou. Lepenou spáru lze chápat jako komplexní vrstevnatou strukturu složenou ze substrátu představovaného dřevem, hmotou lepidlové vrstvy a fázovým rozhraním mezi oběma předešlými. Hlavním cílem disertační práce je vytvoření metody pro posouzení mechanické odezvy lepené spáry. Pro naplnění tohoto cíle bylo nutné použít multidisciplinární přístup založený na teoretických modelech, experimentálních měření a numerických simulací. Experimentální část disertační práce je rozdělena na pět víceméně nezávislých studií zpracovaných formou vědeckých publikací a manuskriptů. Mechanická odezva chování lepené spáry, nativního a termicky modifikovaného dřeva buku lesního (Fagus sylvatica L.) byla posouzena na základě principů lomové mechaniky. Pro stanovení rozměrových změn, v důsledku změny vlhkosti, na příčném řezu metodou digitální korelace obrazu byla zhotovena kromě bukových i zkušební tělesa z dřeva dubu letního (Quercus robur L.). Kromě lepených spojů masivního dřeva, byly zkoumány i lepené spoje v aglomerovaných materiálech na bázi dřeva, zejména byl posuzován vliv plasmatické úpravy na adhezi částic polyetylén tereftalátu. V první případové studii, byly vybrané lomové charakteristiky lepené spáry v bukovém dřevě v módu II stanoveny pomocí tříbodé ohybové zkoušky modifikovaného ohybového tělesa s opatřeného vrubem. Vstupní parametry pro výpočet lomových koeficientů byly získány obrazovou analýzou záznamu zkoušky metodou digitální korelace obrazu. Numerická, konečně prvková, analýza delaminace lepeného spoje byla simulována v prostředí SW ANSYS, na základě principů umožňující přítomnost kohezivní zóny. Cílem druhé studie bylo stanovit lomové charakteristiky nativního a termicky modifikovaného bukové dřeva v módu II. Z výsledků je zřejmé, že oba stupně termické úpravy, významně snižují odolnost modifikovaného dřeva vůči šíření trhliny. V rámci třetí případové studie byly sledovány tvarové deformace na příčném řezu dvou slepených lamel listnatých dřevin v důsledku jejich rozdílných počátečních vlhkostí. Tvarové deformace byly stanoveny analýzou obrazového záznamu dlouhodobé zkoušky. Čtvrtá případová studie byla zaměřen na posouzení smykové pevnosti lepeného spoje dvou termoplastických lepidel (PVAc a PU). Bukové a dubové slepená zkušební tělesa byla vystavena hydrotermickému režimu dle platné normy EN 204. Dubová tělesa slepená PVAc lepidlem vykazovala nižší odolnost vůči smykovému namáhání, než ta která byla slepena PU lepidlem. V případě bukových těles nebyl žádný takový efekt pozorován. V rámci páté případové studie byla zkoumána možnost využití odpadového plastu, polyetylén tereftalátu (PET), pro nahrazení části objemu dřevních třísek a zvýšení adheze PET částic pomocí plasmatické úpravy. Positivní účinek plasmatické úpravy PET částic se projevil zvýšením hodnot rozlupčivosti u zkušebních členů s příměsí těchto částic, v porovnání s kontrolní skupinou. Šestá případová studie se zabývá porovnáním fyzikálních a mechanických vlastností kompozitů na bázi dřeva určených pro dřevostavby. V rámci studie byla navržena nová specifická komparativní veličina, propojením meze pevnosti a hustotního profilu.

Abstract:

The present thesis deals with adhesive bonding of wood, arguably the most important joining technique in wood-based products industry and its constitutive element, the adhesive bondline. The bondline is a complex layered structure consisting of wooden substrate, bulk adhesive and most importantly the interphase region. Therefore main goal of the doctoral thesis was to develop applicable method for assessment of the mechanical behaviour of the bondline. To complete this task multidisciplinary approach, consisting of combination of theoretical knowledge, experimental measurements and numerical simulations, has been employed. The experimental part of the doctoral thesis is divided into the five independent studies in form of the original papers. The fracture properties of the bondline, the native and thermally modified wooden substrate were studied on the wood of the European beech (Fagus sylvatica L.). Moisture induced dimensional changes in adhesively bonded members studied by means of optical technique (digital image correlation) and the strength of bonded samples subjected to hydrothermal exposure were prepared from wood of European beech and English oak (Quercus robur L.). Aside from the solid wood bonding properties, the influence of the air-plasma treatment on the adhesion PET particles in particleboards and mechanical properties of wood-based composites were also evaluated. In the first study, mode II fracture properties (GIIc, GII, GIImax) of adhesively bonded beech wood using three point bending of the end-notched flexure specimen were studied. The input variable, displacement slip, was calculated based on the data of gained from digital image correlation (DIC). Finite element analysis of debonding based on Cohesive zone modelling approach of 3-ENF specimen was done using FE solver ANSYS (with APDL). Similarly to the first study mode II fracture properties of the substrate itself, native and thermally treated beech wood were determined. Significant reduction of maximal energy release rate (GIImax) was witnessed for both thermal treatments. The objective of third study was to capture and evaluate using digital image correlation the moisture-induced dimensional changes on hardwood species bonded with different adhesives at different moisture contents (MC). Small dimensional changes were observed for oak wood and samples bonded via hot pressing. The fourth study was focused on the tensile strength of glueline of two one-component thermoplastic adhesives (PVAc, PUR) exposed to the hydrothermal effects. Hydrothermal exposure schemes stated in EN 204 were used. PVAc bonded oak specimen has shown to have lesser hydrothermal stability than those bonded with PU. In case of beech specimen no such effect was recorded. In the fifth study utilization of the plastic waste in form polyethylene terephthalate (PET) flakes as raw material for wood-based composite production, as well as the influence of air-plasma treatment on adhesion of PET was studied. Plasma treatment has improved the adhesion to urea formaldehyde resin, which resulted in higher internal bond compared to the untreated control samples. The aim of the sixth study was to compare construction wood-based composites based on their physical and mechanical performance and proposed new evaluation specific property based on Modulus of Rupture and density profile.

Keywords

metoda konečných prvků (MKP), lepená spára, korelace digitálního obrazu (DIC), kompozit, vrub, lepidlo, lomová mechanika, kohezivní zóna (CZM), plasmatická úprava, smyková pevnost, rozlupčivost

Keywords

Finite Element Analysis (FEA), Bondline, Digital Image Correlation (DIC), Plasma Treatment, Woodbased composite (WBC), Fracture Mechanics, Adhesive, Cohesive Zone Model (CZM), Tensile Shear Strength, Internal Bond Strength, Crack

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 2. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jan Tippner, Ph.D.

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Wood-Working Engineering / Wood Processing and Timber Technology