Влагоотведение тесты для однонаправленных материалов: Измерения капиллярных параметров для оценки капиллярного давления в жидких Композитный процессов формования

Резюме

Экспериментальный метод для измерения геометрических параметров и видимые наступающих углы контакта, описывающие капилляр Влагоотведение однонаправленный синтетических и натуральных тканей предлагается. Эти параметры являются обязательными для определения капиллярного давления, которые должны быть приняты во внимание для жидких композитных формовочных (LCM) приложений.

Аннотация

Во время пропитки волокнистой арматуры в жидких композитных литье (LCM) процессы, капиллярные эффекты должны быть поняты с целью определения их влияния на формирование пустот в составных частях. Влагоотведение в волокнистой среде, описываемой уравнением Washburn было считать эквивалентным потоку под действием капиллярного давления в соответствии с законом Дарси. Экспериментальные испытания для определения характеристик впитывания были проведены с углеродистой и льняного армирующих волокон. затем Квази-однонаправленных материалов были протестированы с помощью тензометра, чтобы определить морфологические и смачивающие параметров вдоль направления волокон. Процедура была показана перспективность, когда морфология ткани не изменяется во время капиллярного капиллярного затекания. В случае углеродных тканей, капиллярное давление можно рассчитать. Льняные волокна чувствительны к сорбционным влаги и набухают в воде. Это явление должно быть принято во внимание для оценки параметров смачивании. яN для того, чтобы сделать волокна менее чувствительны к водопоглощения, термическая обработка проводилась на лен подкреплением. Эта обработка улучшает стабильность волокна морфологическое и предотвращает набухание в воде. Было показано, что лечение ткани имеют линейную впитывания тенденцию, аналогичную тем, которые содержатся в углеродных тканей, что позволяет для определения капиллярного давления.

Введение

В процессе пропитки волокнистых армирование в жидких композитных литье (LSM), и процессы, поток смолы приводится в движение с помощью градиента давления. Капиллярные эффекты имеют дополнительный эффект, который может конкурировать с градиентом давления, в зависимости от параметров процесса. Их влияние на процесс , таким образом , должно быть оценено ^{1, 2.} Это можно сделать, определив кажущуюся капиллярное давление, P _{колпачок,} изменяя начального градиента давления ^3. Этот параметр может впоследствии быть вставлен в цифровые модели с целью моделирования потоков во время процессов и точно предсказать образование пустот ^4.

Самопроизвольное пропитка ткани жидкостью (затекания) может быть описана уравнением Washburn ^5. Первоначально, уравнение Вашбурн описал капиллярный подъем жидкости в трубке. Это уравнение уаs затем расширен для пористых структур, таких как волокнистые подкрепления, которые могут быть аппроксимированы к сети капиллярной трубки. Учитывая цилиндрический держатель образца с радиусом R, заполненной пористой среде, уравнение Washburn был изменен в виде квадрата массы прибыли (м² (т)) с течением времени, следующим образом ^6:

(1)

где с параметром , который учитывает извилистости, R ì средний радиус пор, и ε = 1-V _F является пористость (V _F является объемное отношение волокна). Все параметры в квадратных скобках относятся к морфологии и конфигурации пористой среды, и они могут быть объединены в постоянную, С, именуемой «геометрической пористой среды фактор." Остальные параметры выражаютзависимость впитывания от взаимодействия между средой и жидкостью (через р, η, γ и _L, которые, соответственно, плотность, вязкость и поверхностное натяжение жидкости, а через & thetas _а, кажущийся опережения угол контакта).

Параллельно с этим , поток через пористую среду, как правило , моделируется с помощью хорошо известного Darcy закона ^7, который имеет отношение эквивалентной скорости потока жидкости, V _D, к падению давления через проницаемости среды, К и вязкости жидкости, η , Это уравнение позволяет также для выражения усиления масс над квадратному корню из времени и, таким образом, для рассмотрения эквивалентности между двумя уравнениями. Из этой эквивалентности между уравнением Washburn и закона Дарси, капиллярное давление затем определяется следующим образом ^8:

(2)

Здесь основной упор делается, чтобы описать экспериментальную процедуру для измерения геометрических факторов и кажущиеся наступающих углы контакта для однонаправленных тканей, с целью определения капиллярного давления. Этот метод основан на использовании тензиометр для выполнения Влагоотведение тестов (рисунок 1). Тензиометр является микровесов с разрешением 10 мкг, который измеряет жидкую массу либо образуя мениск вокруг твердой или восходящей волокнистой среды. Впитываемости испытания проводились с учетом одномерную характеристику (направление вдоль волокон) ^{8, 9.} Квази-однонаправленные ткани , используемые для проверки процедуры были углеродные однонаправленная (UD) ткани на более V _F = 40%. После того, как метод был проверен, лен ткани были представлены термической обработке тшапка изменяет смачиванию волокон ^6, и капиллярные тесты были выполнены с различными коэффициентами объемных волокон (от 30% до 40%) для обеих необработанных и обработанных тканей льна. Для определения морфологических и смачивающие параметров, по меньшей мере , два капиллярные испытания являются обязательными: первый с полностью смачивание жидкостью, как н-гексан, определить С (уравнение 1), а второй с жидкостью интереса, определить кажущаяся опережения угол контакта когда - C известно. В первом подходе, вода была использована для оценки процедуры.

Этот метод может быть применен к различным тканей и жидкостей, что позволяет для оценки влияния материальной геометрии (морфология тканей), пористость (различное отношение объема волокон), а также вязкость и поверхностное натяжение жидкости на явлениях капиллярной пропитки. Очевидно, что процедура согласно теории Washburn (уравнение 1), может быть принят только в том случае затекания у.е.РВЭС (м² (т)) , записанные с помощью тензометра имеют линейную тенденцию. Это означает, что параметры в уравнении 1 должен оставаться неизменным в течение всего процесса капиллярное. Если это не так, как и для льна армирование в воде, потому что волокна претерпевают припухлость ^{10, 11,} уравнение Вашбурн должен быть изменен , чтобы включить эффект припухлости, чтобы описать тесты правильно ^9. Были обнаружены Обработанные ткани менее чувствительны к сорбции воды ^9. Геометрические факторы и увлажняющие параметры могут быть измерены с линейными припадков, что позволяет для расчета капиллярного давления, P _{колпачка.}

протокол

Внимание: Проконсультируйтесь все соответствующие паспорта безопасности материала. Химикаты, используемые для испытаний являются токсичными и канцерогенными свойствами. Использовать средства индивидуальной защиты (защитные очки, перчатки, лабораторный халат, полнометражные брюки и закрытую обувь).

1. Установка для испытаний

1. Подготовка образцов
   1. Вырезать полоски ткани вдоль направления, перпендикулярного к волокнам (для того, чтобы проверить затекания в направлении волокон).
      Примечание: Длины полос вычисляются для того, чтобы получить отношение определенного объема волокна. Для получения углеродных тканей, чтобы получить V _F = 40%, длина полосок составляла 150 мм. Для необработанных и обработанных льна, чтобы достигнуть того же V _F, длина составила 365 мм. Ширина каждой полосы будет равна высоте держатель образца, который составляет 20 мм (рисунок 1).
   2. Раскатайте полосы плотно , чтобы обеспечить их включение в цилиндрический держатель образца R </ EM> = 6 мм.
   3. Добавьте тонкий бумажный фильтр между держателем образца и образец подкреплением (для того, чтобы подавить влияние держателя образца на впитывающее). Максимальная толщина бумажного фильтра должен составлять 0,1 мм.
   4. Вставьте образец в цилиндр и винт пробурена крышку на дне и поршень в верхней части, чтобы обеспечить уплотнение.
   5. Закрепить держатель образца с тканью к тензометра.
2. Приготовление жидкостей
   1. Заполните сосуд с жидким тестом и поместить его в специальное гнездо на тензометра. Используйте сосуды из боросиликатного стекла и диаметром 70 мм.
   2. Для первого теста (этап 2.1), используют н-гексан. Для второго теста (шаг 2.3), используйте воду. Убедитесь, что жидкость в сосуде достигнет высоты не менее 12 мм.
3. Экспериментальные параметры
   1. Установите порог обнаружения поверхности до 8 мг и translaСкорость ние жидкости в сосуде 0,5 мм / с для обнаружения жидкости.

2. впитываемости тесты

ПРИМЕЧАНИЕ: После подготовки проб и установки параметров Tensiometer, впитывающей тесты могут начаться. Жидкая судно перемещается вверх, пока жидкость не находится в контакте с держателем образца. Затем жидкость поднимается в держатель образца, и тензиометр измеряет возведенного в квадрат жидкой массы выигрыш по сравнению со временем. Данные записываются с помощью программного обеспечения, поставляемого с тензометра. Одна кривая массы в зависимости от времени затем визуализируется для каждого теста затекания.

1. Начальный тест для определения геометрического фактора:
   1. Используйте полностью смачивающей жидкости (для которой контактный угол 0 °), такие как н-гексан.
   2. Остановить тест впитывания, когда визуализируется кривая достигает постоянного значения. Это указывает на то, что жидкость достигла верхней части держателя образца и, таким образом, что впитывающее завершена.
   3. Установить линейный тренд кривой капиллярное (м ² (т)) с уравнением Washburn:
      (3)
      Так как опережающий угол контакта предполагается 0 ° с н-гексаном, по наклону линейной аппроксимации, определяют геометрическую константу, C (мм) ^5.
      Примечание: Все тесты проводились в стандартных условиях при 20 ° C. Изменение температуры будет изменять поверхностное натяжение жидкости и результаты.
2. Очистка держателя образца для следующих испытаний
   Примечание: После удаления мокрой ткани, держатель образца должен быть очищен полностью, чтобы предотвратить ошибки в следующих измерениях.
   1. Опустить держатель образца в сосуде с sulfochromic кислотой (50% насыщенного раствора дихромата калия и 50% концентрированной серной кислоты) в течение 30 сек.
   2. Промывать его дистиллированной водой изатем высушить его.
3. Второй тест для определения кажущегося наступающего контактного угла
   1. Используйте жидкость, для которой опережения угол контакта должна быть измерена с новым, идентичным, и сухой образец ткани.
      Примечание: Воду использовали для того, чтобы подтвердить метод.
   2. Остановить тест впитывания, когда визуализируется кривая достигает постоянного значения. Это указывает на то, что жидкость достигла верхней части держателя образца и что капиллярный подъем завершен.
   3. Установить линейную часть впитывающего кривой (м ² (т)) с уравнением Washburn (уравнение 3), так как константа, C, уже известно , из - за первого теста (этап 2.1), с наклоном линейной аппроксимации , определяющего опережающий угол смачивания, θ _а (°).
      Примечание: Все тесты проводились в стандартных условиях при 20 ° C. Изменение температуры будет изменять поверхностное натяжение жидкости и результаты.
4. Оценка жидкого веса вклада за счет держателя образца
   Примечание: тензиометр, как микровесов, измеряет общую массу жидкости, в том числе как в жидком, поднимающимся ткани, а вклад внешнего мениска на держателе образца и впитывающее в фильтре. Эти взносы должны быть изолированы.
   1. Поместите то же самое количество фильтровальной бумаги, используемый на этапе 1.1.3 в держатель образца и повторите шаги 2.1.1-2.1.2.
   2. Вычтите постоянное значение , полученное (м ²⁾ из данных , записанных на этапе 2.1.3 и сдвигают кривую для оценки правильной оценки геометрической константы, C.
   3. Заполнить держатель образца с только бумажный фильтр и повторите шаги 2.3.1-2.3.2.
   4. Вычтите постоянное значение , полученное (м ²⁾ из данных , записанных на этапе 2.3.3 и сдвигают кривую , чтобы оценить правильную оценку наступающего контактного угла, Э _а.

Результаты

Кривые массового коэффициента усиления во время капиллярного затекания получены с тензометра для углерода и необработанных и обработанных тканей льна показаны на рисунках 2 и 3. Все кривые приведены после вычитания обоих весов внешних мениск из-за ?...

Обсуждение

Критические шаги в протоколе, относятся к подготовке образцов. Во-первых, рулонный пробы должны быть плотно для того, чтобы сделать предположение о соотношении однородного объема волокна. Если есть натягом градиент в образце, уравнение Вашбурн ^{5, 6} не мож?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Carbon UD fabrics	Hexcel	48580
Flax UD fabrics	Libeco	FLAXDRY UD 180
n-Hexane	Sigma Aldrich
Sulfochromic acid	home made		toxic and corrosive
Filter paper	Dataphysic	FP11
Tensiometer	Dataphysic	DCAT11