Universität Stuttgart
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Item Open Access Constitutive correlations for mass transport in fibrous media based on asymptotic homogenization(2023) Maier, Lukas; Kufferath-Sieberin, Lars; Pauly, Leon; Hopp-Hirschler, Manuel; Gresser, Götz T.; Nieken, UlrichMass transport in textiles is crucial. Knowledge of effective mass transport properties of textiles can be used to improve processes and applications where textiles are used. Mass transfer in knitted and woven fabrics strongly depends on the yarn used. In particular, the permeability and effective diffusion coefficient of yarns are of interest. Correlations are often used to estimate the mass transfer properties of yarns. These correlations commonly assume an ordered distribution, but here we demonstrate that an ordered distribution leads to an overestimation of mass transfer properties. We therefore address the impact of random ordering on the effective diffusivity and permeability of yarns and show that it is important to account for the random arrangement of fibers in order to predict mass transfer. To do this, Representative Volume Elements are randomly generated to represent the structure of yarns made from continuous filaments of synthetic materials. Furthermore, parallel, randomly arranged fibers with a circular cross-section are assumed. By solving the so-called cell problems on the Representative Volume Elements, transport coefficients can be calculated for given porosities. These transport coefficients, which are based on a digital reconstruction of the yarn and asymptotic homogenization, are then used to derive an improved correlation for the effective diffusivity and permeability as a function of porosity and fiber diameter. At porosities below 0.7, the predicted transport is significantly lower under the assumption of random ordering. The approach is not limited to circular fibers and may be extended to arbitrary fiber geometries.Item Open Access Data processing, analysis, and evaluation methods for co-design of coreless filament-wound building systems(2023) Gil Pérez, Marta; Mindermann, Pascal; Zechmeister, Christoph; Forster, David; Guo, Yanan; Hügle, Sebastian; Kannenberg, Fabian; Balangé, Laura; Schwieger, Volker; Middendorf, Peter; Bischoff, Manfred; Menges, Achim; Gresser, Götz T.; Knippers, JanItem Open Access Entwicklung einer Methode zur kontinuierlichen Bauteilüberwachung von Faserverbundwerkstoffen mittels piezoelektrischer Mehrlagengewebe(2022) Hofmann, Paul; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Eine Form der Beschädigung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist die Delamination. Diese Beschädigung ist durch konventionelle, visuelle Prüfung oft nicht zu erkennen. Methoden, wie das zyklische Austauschen der Bauteile oder regelmäßige Inspektionen, sind zeitaufwendig und vor allem teuer. Daher soll in Zukunft Sensorik direkt in solche Bauteile integriert werden, um die Beanspruchung oder den Zustand der Bauteile kontinuierlich im Betrieb zu überwachen (Condition Monitoring bzw. Structural Health Monitoring). Herkömmliche, elektronische Sensorbauteile, integriert in einem FKV, stellen allerdings einen Fremdkörper in der textilen Verstärkungsstruktur dar und bilden daher eine mechanische Schwachstelle. Gleichzeitig gewinnen dreidimensionale Mehrlagengewebe als textile Verstärkung im FKV aus mechanischen, aber auch wirtschaftlichen Gründen immer mehr an Bedeutung. Diese Arbeit beschreibt daher die Entwicklung und Charakterisierung einer piezoelektrischen Biegesensorik auf Mehrlagengewebebasis als Teil der gewebten Verstärkungsstruktur von FKV. Weil die Verstärkungsstruktur an sich als Sensor fungiert, entstehen durch diese Sensorik keine negativen Einflüsse auf die mechanischen Bauteileigenschaften durch Fehlstellen in der textilen Grundstruktur. Durch grundlegende Analysen zu Sensorprinzip und Sensoraufbau wird eine Methode entwickelt, wie textile Mehrlagenstrukturen partiell sensorisch ausgerüstet werden können. Die piezoelektrische Gewebestruktur wird auf eine möglichst gute sensorische Charakteristik bei möglichst geringem Einfluss auf die mechanischen Bauteileigenschaften hin entwickelt und optimiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann an verschiedenen Mehrlagengewebestrukturen umgesetzt, analysiert und verifiziert. Abschließend werden die Sensorsignale der gewebten Piezoelemente an einem mechanischen Berechnungsmodell validiert: Vom Signal der sensorischen Gewebestruktur kann direkt auf die Bauteilbeanspruchung geschlossen werden. Durch die entwickelte textile Sensortechnologie wird eine kontinuierliche Überwachung von dynamisch belasteten Bauteilen während des Betriebs ermöglicht. So können bspw. künftig mit Hilfe der Sensorik aus einer piezoelektrischen Mehrlagengewebestruktur eine mögliche Überlast während des Betriebs erkannt, eventuelle Beschädigungen vermieden bzw. detektiert und damit Wartungs-, Reparatur- und Stillstandkosten erheblich reduziert werden.Item Open Access Chitin/cellulose blend fibers prepared by wet and dry‐wet spinning(2020) Ota, Antje; Beyer, Ronald; Hageroth, Ulrich; Müller, Alexandra; Tomasic, Patricija; Hermanutz, Frank; Buchmeiser, Michael R.We describe the wet and dry‐wet spinning of multifilament cellulosic composite fibers, namely chitin/cellulose fibers. The direct solution process for the two biopolymers based on an ionic liquid as solvent represents an environmentally friendly and alternative technology to the industrially applied viscose and lyocell process. Both cellulose and chitin possess good solubility in 1‐ethyl‐3‐methylimidazolium propionate ([C2C1Im][OPr]) and were spun into multifilament composite fibers. Moreover, for the first time, pure chitin multifilament fibers were obtained by dry‐wet spinning. The effect of chitin addition on the filament properties was investigated and evaluated by microscopic, spectroscopic, and mechanical analyses.Item Open Access Analyse der Faservereinzelung im Kardierprozeß zur Vermeidung einer Faserschädigung(2002) Jehle, Volker; Egbers, Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)Die Karde beeinflußt die Garnqualität wesentlich. Ihre Aufgabe ist es, Faserflocken bis zur Einzelfaser aufzulösen, zu orientieren, Nichtfaseranteile, Staub, Kurzfasern und Faserverknotungen wie Nissen zu entfernen. Dabei soll die Karde diese Aufgaben, ohne die Faser zu schädigen, erledigen. In den letzten 20 Jahren konnte der Faserdurchsatz beim Kardieren um das Dreifache auf bis zu 120 kg/h gesteigert werden. Dies erfordert von der Karde eine wesentlich intensivere Flockenauflösung sowie höhere Reinigungseffizienz. Eine intensivere Flockenauflösung und -reinigung bedeutet jedoch auch immer eine intensivere Faserbeanspruchung und damit die Gefahr einer Faserschädigung. Die Intensität der Flockenauflösung hängt von vielen Kardierparametern ab. Zu den wichtigsten Parametern gehören die Vorreißerdrehzahl, die Spitzendichte der Vorreißergarnitur und die Einlaufgeometrie Speisewalze/Vorreißer. Im eigentlichen Kardierbereich Tambour/Deckel sind die Tambourdrehzahl, der Faserdurchsatz, der Deckelabstand sowie die effektive Kardierfläche die entscheidenden Kriterien. Auch der Rohstoff hat einen Einfluß auf die Flockenauflösung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Bedeutung dieser Parameter untersucht und Zusammenhänge zwischen diesen Kenngrößen einerseits und der Flockenauflösung sowie der Faserschädigung andererseits herausgearbeitet. Dabei wurden online-Meßsysteme an der Karde eingesetzt, mit denen es möglich war, die Faser- und Kardierelement-Belastung während der Produktion zu erfassen. Fasern und Garne wurden geprüft, um die Faserschädigung beim Kardieren zu ermitteln. Es werden die Gefahren für eine Faserschädigung sowie die Potentiale für eine intensivere Kardierung aufgezeigt. Durch eine schonendere Kardierung wird eine bessere Rohstoffausnutzung möglich. Die Ergebnisse der Arbeit stellen eine gute Ausgangsbasis für die Neu- und Weiterentwicklung von Karden in Hinblick auf eine weitere Leistungssteigerung bei gleichzeitig schonender Faserbehandlung dar.Item Open Access Melt-spinning of an intrinsically flame-retardant polyacrylonitrile copolymer(2020) König, Simon; Kreis, Philipp; Herbert, Christian; Wego, Andreas; Steinmann, Mark; Wang, Dongren; Frank, Erik; Buchmeiser, Michael R.Poly(acrylonitrile) (PAN) fibers have two essential drawbacks: they are usually processed by solution-spinning, which is inferior to melt spinning in terms of productivity and costs, and they are flammable in air. Here, we report on the synthesis and melt-spinning of an intrinsically flame-retardant PAN-copolymer with phosphorus-containing dimethylphosphonomethyl acrylate (DPA) as primary comonomer. Furthermore, the copolymerization parameters of the aqueous suspension polymerization of acrylonitrile (AN) and DPA were determined applying both the Fineman and Ross and Kelen and Tüdõs methods. For flame retardancy and melt-spinning tests, multiple PAN copolymers with different amounts of DPA and, in some cases, methyl acrylate (MA) have been synthesized. One of the synthesized PAN-copolymers has been melt-spun with propylene carbonate (PC) as plasticizer; the resulting PAN-fibers had a tenacity of 195 ± 40 MPa and a Young’s modulus of 5.2 ± 0.7 GPa. The flame-retardant properties have been determined by Limiting Oxygen Index (LOI) flame tests. The LOI value of the melt-spinnable PAN was 25.1; it therefore meets the flame retardancy criteria for many applications. In short, the reported method shows that the disadvantage of high comonomer content necessary for flame retardation can be turned into an advantage by enabling melt spinning.Item Open Access Reversible N‐heterocyclic carbene‐induced α‐H abstraction in Tungsten(VI) imido dialkyl dialkoxide complexes(2020) Musso, Janis V.; Benedikter, Mathis J.; Wang, Dongren; Frey, Wolfgang; Altmann, Hagen J.; Buchmeiser, Michael R.The first reversible N‐heterocyclic carbene (NHC) induced α‐H abstraction in tungsten(VI) imido‐dialkyl dialkoxide complexes is reported. Treatment of W(NAr)(CH2Ph)2(OtBu)2 (Ar=2,6‐dichlorophenyl, 2,6‐dimethylphenyl, 2,6‐diisopropylphenyl) with different NHCs leads to the formation of complexes of the type W(NAr)(CHPh)(NHC)(CH2Ph)(OtBu) in excellent isolated yields of up to 96 %. The highly unusual release of the tert‐butoxide ligand as tBuOH in the course of the reaction was observed. The formed alkylidene complexes and tBuOH are in an equilibrium with the NHC and the dialkyl complexes. Reaction kinetics were monitored by 1H NMR spectroscopy. A correlation between the steric and electronic properties of the NHC and the reaction rates was observed. Kinetics of a deuterium‐labeled complex in comparison to its non‐deuterated counterpart revealed the presence of a strong primary kinetic isotope effect (KIE) of 4.2, indicating that α‐H abstraction is the rate‐determining step (RDS) of the reaction.Item Open Access Chromium(VI) bisimido dichloro, bisimido alkylidene, and chromium(V) bisimido iodo N‐heterocyclic carbene complexes(2020) Panyam, Pradeep K. R.; Stöhr, Laura; Wang, Dongren; Frey, Wolfgang; Buchmeiser, Michael R.Reaction of CrCl2(N-tBu)2 with 1,3-dimethylimidazol-2-ylidene (IMe), 1,3-dimethyl-4,5-dichloroimidazol-2-ylidene (IMeCl2), 1,3-di(2-propyl)imidazol-2-ylidene (IPr), 1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene (IMes) and 1,3-bis(2,6-(2-Pr)2C6H3)imidazol-2-ylidene (IDipp) yields the corresponding N-heterocyclic carbene (NHC) adducts CrCl2(IMe)(N-tBu)2 (1), CrCl2(IMeCl2)(N-tBu)2 (2), CrCl2(IPr)(N-tBu)2 (3), CrCl2(IMes)(N-tBu)2 (4) and CrCl2(IDipp)(N-tBu)2 (5). Likewise, reaction of CrCl2(N-2,6-(2-Pr)2C6H3)2 and CrCl2(N-adamantyl)2 with IMes yields CrCl2(N-2,6-(2-Pr)2C6H3)2(IMes) (6) and CrCl2(N-adamantyl)2(IMes) (7), respectively. Reaction of CrCl2(N-tBu)2 with the bidentate NHCs 1-R-3-(1-(2-LiO-C6H4))imidazol-2-ylidene yields the corresponding pentacoordinated Cr(VI) complexes CrCl2(1-R-3-(1-(2-O-C6H4))imidazol-2-ylidene)2C6H3)2(IMes) (R = 2,4,6-(CH3)3C6H2, 8), (R = tBu, 9), (R = 2-phenyl-C6H4, 10). Reaction of the chromium(VI) complex Cr(N-2,6-(2-Pr)2-C6H3)2(CH2C(CH3)3)2 with 1,3-dimethylimidazol-2-ylidene·AgI yields the bimetallic silver adduct of the chromium alkylidene complex (11) along with the tetrahedral chromium(V) complex CrI(N-2,6-(2-Pr)2-C6H3)2(1,3-dimethylimidazol-2-ylidene) (12). Compounds 1-4, 7, 9-12 were characterized by single-crystal X-ray analysis. Finally, the chromium(VI) bisimido-amido complexes 13-14 bearing the N-6-(2-(diethylboryl)phenyl)pyridyl-2-yl-motif are reported.Item Open Access High‐performance magnesium‐sulfur batteries based on a sulfurated poly(acrylonitrile) cathode, a borohydride electrolyte, and a high‐surface area magnesium anode(2020) Wang, Peiwen; Trück, Janina; Niesen, Stefan; Kappler, Julian; Küster, Kathrin; Starke, Ulrich; Ziegler, Felix; Hintennach, Andreas; Buchmeiser, Michael R.Post‐lithium‐ion battery technology is considered a key element of future energy storage and management. Apart from high gravimetric and volumetric energy densities, economic, ecologic and safety issues become increasingly important. In that regards, both the anode and cathode materials must be easily available, recyclable, non‐toxic and safe, which renders magnesium‐sulfur (Mg-S) batteries a promising choice. Herein, we present Mg-S cells based on a sulfurated poly(acrylonitrile) composite cathode (SPAN), together with a halogen‐free electrolyte containing both Mg[BH4]2 and Li[BH4] in diglyme and a high‐specific surface area magnesium anode based on Rieke magnesium powder. These cells deliver discharge capacities of 1400 and 800 mAh/gsulfur with >99 % Coulombic efficiency at 0.1 C and 0.5 C, respectively, and are stable over at least 300 cycles. Energy densities are 470 and 400 Wh/kgsulfur at 0.1 C and 0.5 C, respectively. Rate tests carried out between 0.1 C and 2 C demonstrate good rate capability of the cells. Detailed mechanistic studies based on X‐ray photoelectron spectroscopy and electric impedance spectroscopy are presented.Item Open Access Automatic joining of electrical components to smart textiles by ultrasonic soldering(2021) Micus, Sebastian; Haupt, Michael; Gresser, Götz T.A suitable connection method to automatically produce E-textiles does not exist. Ultrasonic soldering could be a good solution for that since it works with flux-free solder, which avoids embrittlement of the textile integrated wires. This article describes the detailed process of robot-assisted ultrasonic soldering of e-textiles to printed circuit boards (PCB). The aim is to understand the influencing factors affecting the connection and to determine the corresponding solder parameters. Various test methods are used to evaluate the samples, such as direct optical observation of the microstructure, a peeling tensile test, and a contact resistance measurement. The contact strength increases by reducing the operating temperature and the ultrasonic time. The lower operating temperature and the reduced ultrasonic time cause a more homogeneous metal structure with less defects improving the mechanical strength of the samples.