Polydimethylsiloxane for elastomer membranes : mechanical characterization and modelling

This thesis work is part of a wider project involving the use of a poly-siloxane based membrane, having a gold path on its surface, as pressure sensor in low-pressure fluid systems. If both the correlation between the fluid pressure and the membrane deflection and the correlation between the material deformation and the conductive layer resistance are known, it will be possible to monitor the fluid flow measuring the strain induced resistance variation of the conductive layer. The knowledge of the correlation between the material structure and its mechanical behaviour will be thus an important issue for a proper design of the membrane. This thesis was aimed at evaluating how the process conditions adopted in production of a polydimethylsiloxane (PDMS) could affect the structure of the crosslinked polymer thus influencing the mechanical behaviour of thin sheet. This study was performed through the Design of Experiments (DOE) statistical approach: the temperature and the time of the crosslinking process, and the thickness of the PDMS sheet were considered as the process parameters affecting the PDMS structure which was characterized determining materials mechanical properties in tensile loading conditions, which are strictly related to it. A model which allows to define the process conditions at which PDMS crosslinking should be performed to have specific values of its mechanical properties was eventually obtained. Through the finite element analysis, with the use of experimental data from uniaxial tensile and pure-shear tests, the material constitutive law was obtained, and it was then validated with an equi-biaxial tensile test. The constitutive model was used to simulate the deformation of a PDMS product reproducing the geometry of the pressure sensor loaded by homogeneously distributed pressure.

Questo lavoro di tesi si inserisce in un progetto più ampio che prevede l'utilizzo di una membrana a base di poli-silossano, con un percorso d’oro sulla sua superficie, come sensore di pressione in sistemi fluidici a bassa pressione. Una volta note sia la correlazione tra la pressione del fluido e la deflessione della membrana sia la correlazione tra la deformazione del materiale e la resistenza dello strato conduttivo, risulta possibile monitorare il flusso del fluido misurando la variazione di resistenza indotta dalla deformazione dello strato conduttivo. La conoscenza della correlazione tra la struttura del materiale ed il suo comportamento meccanico è quindi di fondamentale importanza per una corretta progettazione della membrana. Questa tesi ha lo scopo di valutare come le condizioni di processo adottate nella produzione di un polidimetilsilossano (PDMS) possano influenzare la struttura del polimero reticolato modificando così il comportamento meccanico della lamina sottile. Questo studio è stato effettuato attraverso l'approccio statistico del Design of Experiments (DOE): la temperatura e il tempo del processo di reticolazione e lo spessore della lastra PDMS sono stati considerati come parametri di processo che influenzano la struttura del PDMS. Ciò è stato caratterizzato determinando le proprietà meccaniche dei materiali in condizioni di carico di trazione. Infine, è stato ottenuto un modello che permette di definire le condizioni di processo in cui la reticolazione PDMS dovrebbe essere eseguita per avere valori specifici delle sue proprietà meccaniche. Attraverso l'analisi agli elementi finiti, con l'utilizzo di dati sperimentali provenienti da prove di trazione monoassiale e di taglio puro, è stato ottenuto il legame costitutivo del materiale, che è stato poi validato con una prova di trazione equi-biassiale. Il modello costitutivo è stato utilizzato per simulare la deformazione di un prodotto di PDMS riproducendo la geometria del sensore di pressione caricato con una pressione omogeneamente distribuita.