Multiscale modelling of polymer-metal interfaces
- Reference number
- SM17-0020
- Start and end dates
- 180401-201231
- Amount granted
- 900 000 SEK
- Administrative organization
- Malmö University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The main objective is to develop and implement a physically well-founded multiscale modelling approach for predicting the strength of polymer-metal interfaces. The suggested approach relies on results from atomistic Monte Carlo and molecular dynamics modelling that will be used to investigate how production process related state variables (e.g. pressure and thermal cycles) affect the atomic arrangements at the interfaces, as well as the interfacial strength and fracture properties. Such data will be translated into a cohesive zone model that describes the interfacial fracture properties and can be implemented in a finite element software. To validate the predictability of the cohesive zone model we will conduct experimental peel tests. The modelling target of the project corresponds to interfaces between thin aluminium and polyethylene foils that act as barriers in beverage containers to ensure their integrity and the quality of the content. The expected outcome is a reliable multiscale modelling approach that can be used to predict the interfacial strength of polymer-metal interfaces and to optimize the manufacturing settings to obtain desired interfacial properties. The project is to be performed in the form of a part-time affiliation at Tetra Pak. The outcomes of the project will be publicly communicated, and we expect the resulting approach to find applications also outside the packaging industry, for instance in the field of metalized-polymer electronics.
Popular science description
Prediktering av vidhäftning mellan metall- och plastskikt Livsmedelsförpackningar måste vara slutna så att de inte läcker eller att exempelvis syre och ljus tränger in och kontaminerar dess innehåll. För att säkerställa detta krävs att de utformas på sådant sätt att de kan motstå process- och hanteringsrelaterade belastningar utan att skadas till den grad att de går sönder, medan det samtidigt finns miljömässiga önskemål att hålla nere materialåtgången. Många av dagens livsmedelsförpackningar (exempelvis mjölk-, saft-, sopp-, vin- och juiceförpackningar) är papper/kartongbaserade kompositer, bestående av olika lager i förpackningsväggen. För produkter som är känsliga mot syre-, ljus-, smak- och lukt utgörs en viktig del av förpackningsväggen av aluminiumfolie som fogas samman med polyetylenfilmer för att skapa en ogenomtränglig barriär. För att dessa produkter ska kunna fungera som tänkt är det viktigt att vidhäftningen mellan de olika lagerna inte släpper, då det kan bidra till att innehållet kontamineras. Syftet med detta projekt är att ta fram en beräkningsmodell som kan användas för att prediktera vilka belastningar som krävs för att uppnå dekohesion mellan metall- och plastskikten. Eftersom vidhäftningen mellan skikten beror på hur atomerna vid dess gränssnitt är arrangerade, ämnar vi att använda oss av atombaserad modellering för att undersöka hur atomernas ordning i gränsskiktet ändras då det påverkas av termiska och mekaniska belastningar under produktionen och hur detta påverkar vidhäftningen. Denna information kommer att användas i en makroskopisk datormodell som kan användas för att studera responsen hos dryckesförpackningarna och för att kunna förutse hur processinställningarna bör vara för att uppnå en optimerad produkt. För att validera modellen kommer vi att genomföra experiment där vidhäftningen mellan skikten mäts. Projektet genomförs i form av ett utbyte hos Tetra Pak AB och förväntas att resultera i ett användbart fysikaliskt-baserat modelleringsverktyg för att beräkna vidhäftningen mellan metall- och plastfilmer. Det initiala tillämpningsområdet berör livsmedelsförpackningar, men andra möjliga tillämpningsområden finns inom andra forskningsintensiva discipliner (exempelvis metall-organisk elektronik), vari verktyget kommer att kunna finna användning.