Совершенствование технологии процесса пропитывания волокнистых наполнителей полимерными и олигомерными связующими (1026277), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Таким образом, предложенная модель (5.11), вотличие от классической (5.1), позволяет объяснить существование мениска икапиллярного давления при нулевом перепаде внешнего давления при пропиткекапиллярно-пористой среды связующим.Преобразуем решение (5.15) к виду разложения на два течения:89 v( y ) v 0 ( y ) v11 ( y ) 0 ( y ) 1ch( y / hm ) 1 ( y ) (1 (h / hm ) sh(h / h ) )m(5.20)h ( y ) ( y)dy 001hАмплитудой первого (ламинарного) течения является средняя скорость всоответствии с (5.14).Амплитуда второго (турбулентного) течения имеет вид:v1 (Phm2 vсм )th( h / hm )(h / hm )[1 khm(5.21)th( h / hm )]Амплитуда v является характерной скоростью второго, турбулентного,1течения, так как в соответствии с (5.22) профиль скоростей для этого течениясамоуравновешен, и расход жидкости в нем нулевой.
Так как v является1линейной функцией перепада давления, существует такой перепад P , при1котором турбулентная часть течения пропадает – его амплитуда становитсяравной нулю:P1 vсм(5.22)hm2Сравнивая (5.22) и (5.17), получим связь между двумя критическимиперепадами:P1 P0 {kh(h / hm ) 2 (h / hm ) 1}th(h / hm )(5.23)На основании (5.23) следует вывод: «Для любой комбинации волокнистойструктуры, характеризующейся величиной гидродинамического просвета h исмачивающей ее жидкостью, характеризующейся параметрами P 0 и h ,0mсуществует такой критический перепад давлений P , при которомимеет место1чисто ламинарный режим течения».Следует, однако, обратить внимание на то, что для несмачивающихжидкостей P 0 критическое давление P 0 .
Следовательно, на основании01(5.22) можно утверждать, что для несмачивающих жидкостей не существует90 такого положительного перепада давления, при котором была бы равна нулютурбулентнаясоставляющаятечения.Болеетого,условиятечениянесмачивающих жидкостей могут быть подобраны так, что весь поток будеттурбулентным. Этот теоретический вывод может иметь большое практическоезначение при разработке или совершенствовании, например, различныххимических процессов, в которых турбулентность увеличивает их КПД, т.е.полнотувзаимодействия.Врезультатеснижаетсяколичествонепрореагировавших компонентов, направляемых в лучшем случае нарегенерацию, в худшем – ядовитых выбросов в окружающую среду.
КПД такихсистем существенно зависит от наличия несмачиваемости компонентов.Гидродинамика процесса будет оптимальна при турбулентном перемешиваниижидких потоков. Поэтому одним из условий при их разработке должно бытьтребование (почти) полного несмачивания, которое гарантирует устойчивуютурбулентность процесса. Это требование одновременно облегчит совместноедлительное хранение агрессивных компонентов.Анализ уравнения (5.23) показывает, что перепад давлений, при которомтечение становится чисто ламинарным, имеет место только для смачивающихжидкостей.
Для несмачивающих может быть установлен такой перепаддавлений, когда весь поток становится полностью турбулентным. Оба крайнихслучая могут найти эффективное применение на практике.Наоснованиипроведенныхэкспериментовитеоретическихисследований, охватывающих как смачивающие, так и несмачивающиесистемы, можно следующим образом сформулировать теорему капиллярноготечения жидкостей:«При течении жидкости, смачивающей или несмачивающейстенки любойкапиллярно-пористой системы, неизбежно формирование двуслойного потока,в приграничном слое которого жидкость движется турбулентно с нулевымрасходом, в осевом – ламинарно».Следует подчеркнуть, что положения этой теоремы основаны на весьматрудоемкихэкспериментахисущественномобобщенииклассических91 уравнений Навье-Стокса путем введения неклассического параметра hm –толщины турбулентного слоя.Кроме обобщения уравнений гидродинамики, важную роль играет иформулировка обобщения соответствующих граничных условий (5.13), вкоторыхпоявляетсяновыйпараметр–скоростьсмачивания,vсмхарактеризующий физико-химические свойства пары преформа-жидкость.5.6.
Выводы по 5 главе1. Предложено обобщение уравнений Навье-Стокса (5.1) – уравненияНавье-Стокса-Дарси (5.11). В предельном случае, при h , оно совпадает сmклассической формулировкой уравнений Навье-Стокса (5.1). В другомпредельном случае, при h v 0 , сформулированное обобщение (5.11)2mприобретает вид закона Дарси: v KP .На основании обобщения уравненийНавье-Стокса-Дарси(5.11)построенорешение(5.15).Наегоосновеисследованы специфические особенности течения жидкости, смачивающей инесмачивающей поверхность волокон. Полученное решение описывает наличие«стартового» давления как для смачивающих, так и для несмачивающихжидкостей в капиллярных системах.2. В режиме фильтрации построенная математическая модель даетвозможность выделить в потоке жидкости два слоя: турбулентный граничныйслой и осевой ламинарный.
При этом уравнения Навье-Стокса-Дарси содержатфизический параметр с размерностью длины hm , который трактуется какхарактерная толщина турбулентного ГС. Этот неклассический параметр hmопределяет масштабные эффекты в гидродинамике капилляров.3. Установлено, что для любой волокнистой структуры и лиофильного поотношению к ней связующего существует критический перепад давления P ,192 прикоторомтечениежидкостистановитсячистоламинарным.Длянесмачивающих жидкостей амплитуда турбулентного течения не можетобнулиться и существует критический перепад давления Р1, при которомтечение жидкости турбулентно. Предложенное обобщение уравнений НавьеСтоксане позволяет определять режимы пропитывания с критическимдавлением P , по достижении которого расход жидкости резко увеличивается.24.
На основании экспериментальных и теоретических исследований,относящихся к жидкостям, как смачивающим, так и несмачивающим стенкикапилляров, сформулирована теорема их капиллярного течения: «При течениижидкостей, смачивающих или несмачивающих стенки капиллярно-пористойсистемы, неизбежно формирование двуслойного потока, в пограничном слоекоторого жидкость движется турбулентно с нулевым расходом, в осевом –ламинарно».93 ГЛАВА 6. ПРИКЛАДНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ КАПИЛЛЯРНОГО ТЕЧЕНИЯЖИДКОСТЕЙ6.1.
Технологические приложения результатов исследованийволокнистых композитовОбразование граничного слоя (ГС) в олигомерных и полимерныхсвязующих происходит в результате структурирующего действия поверхностинаполнителя, и этот процесс оказывает существенное влияние на весь комплексфизико-механических характеристик ПКМ [15-18, 56, 90, 91]. Особеннозаметно это влияние в случае инфузионных методов формования изделий,поскольку образующие ГС (рис. 6.1, (а)) могут препятствовать процессупропитывания (рис. 6.1, (б)). Для разрушения ГС необходимо приложитьвнешнее давление, значения которого должно превосходить РТ2. Дляэпоксидных связующих и углеродных наполнителей, в результате проведенныхв главе 3 исследований, было установлено, что его значениялежат в пределах(160÷450)103 Н/м2). С использованием найденных давлений были изготовленыобразцы угле- и стеклопластиков, проведены их механические испытания (табл.6.1), и исследована микроструктура (рис.
6.2-6.6). Для сравнительно анализа,наряду с новыми режимами пропитывания, также были использованыстандартные технологии. На рис.6.2-6.4 приведены фото, полученные наэлектронном микроскопе на (рис. 6.5 и 6.6), фото структур получены методомрентгеновской томографии. Пористость для каждого исследованного образцаопределялиспомощьюсоответствующегопрограммногоПолученные значения пористости приведены в табл. 6.2.обеспечения.94 а)б)Рисунок 6.1 − Схема образования на волокне (1) внешнего (2) ивнутреннего (3) граничных слоев в процессе пропитывания (а) и в процессесмыкания (б)Таблица 6.1Механические характеристики стекло- и углепластиков в зависимости отвнешнего давления при инфузии (RTM)Механические характеристикиМатериалИсходнаяР=150103%Р=270103%Н/м2измененияН/м2измененияПредел прочности при межслоевом сдвиге, МПаСтеклопластик5261,4186933Углепластик6579218632Ударная прочность, кДж/м2Стеклопластик186,5312,467,5387,8107,9Углепластик93,2143,854270,219095 а)в)б)г)Рисунок 6.2 – Микроструктура углепластиков (углеродная лента ЛУП-0,1 исвязующее ЭДТ-10), полученных методом вакуумной инфузии при давлениях9010-3 Н/м2 (а, б) и 15010-3 Н/м2 (в, г) при увеличении х2700 (а, в) и х940 (б, г)96 а)б)Рисунок 6.3 – Микроструктура стеклопластиков (стеклоткань Т-11 и связующееЭтал-Инжект-SL/M) при внешнем давлении 150 103Н/м2(а)и 270 103Н/м2(б) при содержании волокна 48% (а) и 53% (б)а)б)Рисунок 6.4 – Микроструктура углепластика (углеродная лента ЛУП-0,1 исвязующее ЭДТ-10), полученного методом вакуумной инфузии при давлении18010-3 Н/м2 (а, б)97 а)б)Рисунок 6.5 − Структура углепластика (углеродная лента ЛУП-0,1 и связующееЭДТ-10) в разных плоскостях (а, б), полученного методом вакуумной инфузиипри давлении 18010-3 Н/м298 а)б)Рисунок 6.6 − Структура углепластика (углеродная лента ЛУП-0,1 и связующееЭДТ-10) в разных плоскостях (а, б), полученного методом вакуумной инфузиипри давлении 15010-3 Н/м299 Таблица 6.2Значения пористости образцов стекло- (59%) и углепластиков (56,5%) взависимости от внешнего давления при инфузии (RTM)Пористость, %МатериалИсходная Р=150103Н/м2%%Р=270103измененияизмененияН/м2По данным электронном микроскопииУглепластик3,62,158,31,233,3Стеклопластик4,72,3511,763,8По данным рентгеновской томографииУглепластик3,8472,27459,11,82547,4Стеклопластик4,9232,57747,62,05358,3Значения коэффициентов вариации результатов прочностных испытаний(табл.
6.1) изменялись в диапазоне 0,09 – 0,13.Анализ полученных результатов показал, что, по данным электронноймикроскопии, величина пористости для стеклопластиков снижается на 64%, адля углепластиков – на 33%. Значения пористости, определенные методомрентгеновской томографии,отличаются от данных электронной микроскопии,что, вероятно, связано с существенно большими размерами образцов (значенияпористости для стеклопластиковснизились 58%, а для углепластиков – 47%).Использованиенайденныхзначенийдавленийприпропитываниипозволило увеличить прочность при межслоевом сдвиге (табл.
6.1) на 33 и 32%для стекло- и углепластиков соответственно. Существенно больший эффектполучен при определении стойкости стекло- и углепластиков при ударнойнагрузке, которая повысилась в двое для стеклопластиков и практически в 3раза стала выше для углепластиков.100 Таким образом, в результате проведенных структурных исследований имеханических испытаний было доказано, что использование при пропитываниидавлений, значения которых РТ2, имеет место существенно улучшениеструктуры и механических характеристик как для стекла, так и дляуглепластиков.Полученные результаты также могут быть использованы для входногоконтроля качества волокнистых наполнителей и при определении значений ихпроницаемости [18].6.2.
Технологические приложения результатов исследованийдисперсно-упрочненных композитовК основным реологическим свойствам связующих, в состав которыхвведены дисперсные наполнители, относится предел текучести. Для систем,содержащихрубленыеволокна,этохарактеристикаретикуляцииповерхностной плотности наполнителя. В главе 4 показана степень влияниядлины «коротких» углеродных волокон на реологические свойства полимерныхсвязующих. Установлено, что критическим параметром является соотношениедлины и диаметра волокон L/D.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
