Thermodynamically consistent material model for moisture transport in polymers

Abstract

Polymer chains weave with each other to form a porous structure. The pore space between the chains can be occupied by various fluids, which include the moisture in the atmosphere. The absorbed moisture effects the chain mobility, the crystallinity and in turn the mechanical properties of the polymer. Therefore, it is important to understand and model the effect of the moisture on polymers. In the current work a material model is developed that can describe the effect of moisture on the mechanical deformation of polyamide. Additionally, the effect of mechanical loading on moisture transport is also modelled. A novel method based on the Darcy’s law that couples the liquid pressure with the moisture transport is introduced. The model is developed with the theory of mixture and is evaluated for thermodynamic consistency. A linear viscoelastic model is coupled with a non-linear moisture transport model. The flux in the moisture transport model is given by the gradient of the chemical potential, which contains a diffusion term and a pressure dependent term. Model parameters are identified for polyamide 6 and are validated with the help of various experimental results. Thus, a thermodynamically consistent and experimentally validated material model is presented.

Polymerketten verweben sich miteinander und bilden eine poröse Struktur. Im Porenraum können sich verschiedene Flüssigkeit ansammeln, zu denen auch die Luftfeuchtigkeit gehört. Die Feuchtigkeit wirkt sich auf die Kettenmobilität, die Kristallinität und damit auf die mechanischen Eigenschaften des Polymers aus. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen der Feuchtigkeit auf das Polymer zu verstehen und zu modellieren. In der vorliegenden Arbeit wird ein Materialmodell entwickelt, das die Wirkung von Feuchtigkeit auf die mechanische Deformation von Polyamid beschreiben kann. Darüber hinaus wird auch die Auswirkung der mechanischen Belastung auf den Feuchtetransport modelliert. Es wird eine neue Methode auf Grundlage des Darcy-Gesetzes eingeführt, die den Druck der Feuchtigkeit mit dem Feuchtigkeitstransport koppelt. Das Modell wird mit Hilfe der Mischungstheorie entwickelt und auf thermodynamische Konsistenz geprüft. Ein lineares viskoelastisches Modell wird mit einem nichtlinearen Feuchtetransportmodell gekoppelt. Der Fluss im Feuchtetransportmodell ist durch den Gradienten des chemischen Potentials gegeben, das einen Diffusionsterm und einen druckabhängigen Term enthält. Die Modellparameter werden für Polyamid 6 unter Berücksichtigung der Feuchtigkeit identifiziert und mit Hilfe verschiedener experimenteller Ergebnisse validiert. So wird ein thermodynamisch konsistentes und experimentell validiertes Materialmodell dargestellt.