Совершенствование технологии процесса пропитывания волокнистых наполнителей полимерными и олигомерными связующими (1026277), страница 12
Текст из файла (страница 12)
При L/D100 углеродные волокна образуютстохастическуюпространственнуюсетку,структурирующуюэластомерноесвязующее таким образом, что уже при 3-5% содержании волокондлиной8ммкомпозицияпревращаетсявпсевдопластическую(ввысокоскоростной области ее индекс течения n = 0,3). Такое содержание,например, волокон ЛУ-3 в случае напыления обеспечивает тиксотропноевосстановление структуры покрытия, гарантирует надежное прилипание кповерхности изделия, предотвращает его сползание и сохранение монолитностипосле отверждения связующего.101 БолеесильноевлияниеволоконЛУ-3наструктурообразованиеэластомерногосвязующего по сравнению с волокном ЛУП-0,1, объясняемоебольшими различиями ретикуляции поверхностной плотности.
Такую физикохимическую активность ЛУ-3 целесообразно использовать для усилениятехнологических свойств углеволокнистых композиций, используя эти волокнав качестве структурирующих добавок в суспензии, содержащие другиенаполнители. Например, введение 1–3мас.% ЛУ-3 длиной 0,58 мм вполнедостаточно, чтобы волокнистая система превратилась в псевдопластичную синдексом течения не менее 0,5 и соответствующими структурными итехнологическими преимуществами.При L/D 100 пространственная сетка наполнителя не образуется прилюбой концентрации волокон, хотя короткие волокна, блокируя межчастичноевзаимодействиеколлоидно-дисперсныхчастицсвязующего,превращаютдилатантную систему в ньютоновскую. Такое поведение углеродных волоконобусловленотем,чтотрадиционныеграничныеслоиэластомерногосвязующего на их поверхности не возникают (возможно, возникая, неудерживаются), поскольку не обнаружен эффект их перекрывания.Таким образом, рациональная технология изготовления дисперсныхуглеволокнистых и порошкообразных ПКМ, основанная на реологическомповедении системы, должна состоять из следующих основных операций:1.Высокоскоростногодлительногосмешениякомпонентоввзакритической (φ>φкр,) области напряжений сдвига и любом скоростномрежиме;2.Высокоскоростногодлительногосмешенияпорошкообразныхкомпонентов в закритической области напряжений сдвига и любом скоростномрежиме, но при φφкр, когда система находится в псевдопластическомсостоянии.Поведение эластомеров, наполненных железосодержащим порошком,радикальноотличаетсяотповеденияволокнисто-наполненныхспреимущественно лиофобной поверхностью.
В результате проведенных102 исследований установлено, что для системы «эластомерное связующее –порошкообразныйнаполнитель»имеетместокритическоесодержаниенаполнителя (для Р-10 равно 34÷37 об.%), при котором происходитперекрывание ГС связующего, при этом в докритической области наполнениясистема псевдопластична, после перекрытия ГС – дилатантна.Этиособенностиструктурообразованияопределяюттехнологиюформования, и для достижения равномерного распределения наполнителя егоперемешиваниенеобходимопроводитьвпсевдопластическойобласти.Достижение максимальной степени наполнения, обеспечивающей предельновысокие физико-механические и электрофизические (радиопоглощающие)свойства, реализуется в дилатантном состоянии после перекрывания граничныхслоев связующего.При седиментации тяжелых частиц может наблюдаться важный эффект –образование градиентной структуры.
При незавершенности седиментациичастиц в нижней части такой композиции концентрируется количествонаполнителя, которое достигло критического значения. В результате нижняячасть материалаприобретает свойства дилатантного тела, а верхняя,наполненная недостаточно высоко, еще псевдопластична.После отверждения образуется материал, обладающий ярко выраженнымградиентом электрофизических характеристик, которые лежат в основеэффективных радиопоглощающих систем.
Образованию такого материаласпособствуетиспользованиенаполнителя,представляющегособойкомбинацию крупных и очень мелких частиц, что приводит к получениюматериалов с двойным градиентом характеристик.103 6.3. Технологические приложения результатов математическогомоделирования на структуру волоконВработебылипроведеныисследованияструктурыволоконсверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) [105]. Установлено, чтоволокна имеют толщину 28–50 мкм и состоят из сердцевины и оболочкитолщиной 5 мкм.
Аксиально ориентированные фибриллы сердцевины имеюттолщину 0,03–0,04 мкм и оставляют не менее 80% от ее объема (рис. 6.7).Фибриллы, входящие в состав оболочки, ориентированы в направлении,перпендикулярномосиволокна.Фибриллытолщиной0,25–0,30мкмокантовывают поверхность волокон, при этом их содержание в оболочкеколеблется в диапазоне 30±50 об. %.С позиций модели течения жидкости в капилляре −канале фильеры,основанной на модифицированном уравнении Навье-Стокса, его решениетрактуется как сумма ламинарного (осевого) и турбулентного (приграничного)течений. Профиль течения применительно к формовочному раствору в каналефильеры можно записать следующим образом:V(y) = v* + (Phm2 /η - v* )[1 – (R/hm) ch(y/hm)/ sh(R/hm)](6.1),где V(y)характеризует профиль скоростей жидкости в функции от поперечнойкоординаты отверстия фильеры «y»; v*– средняя скорость течения; Р – перепаддавлений на входе и выходе фильеры; R – радиус выходного отверстия фильеры;η – вязкость формовочного раствора; hm – характерная длина затухания менискажидкости (неклассический параметр).Первое слагаемое v* в уравнении (6.1) определяет ламинарное течениеформовочного раствора, скорость которого не зависит от поперечнойкоординаты.
Второе слагаемое в уравнении (6.1) определяет турбулентное(приграничное) течение раствора, расход жидкости в котором равен нулю.Первым множителем второго слагаемого является амплитуда турбулентного104 (приграничного) течения, зависящая от параметров волокон, жидкости иперепада давлений.а)б)в)г)Рисунок 6.7 − Микроструктура волокон СВМПЭ с кратностьювытягивания 55,1 при различном увеличении: а,б −2000; в −6000; г −10000Таким образом,в соответствии с решением модифицированныхуравнений Навье–Стокса течение жидкости в любой точке поперечного сечения105 канала фильеры является комбинацией двух течений: в окрестности оси каналатечение «почти» ламинарное, в приграничном слое – «почти» турбулентное.В главе 5 показано, что турбулентные вихри приграничного теченияформовочного раствора, вращающиеся в направлении, поперечном к осифильеры, объединяются в тор, направленный вдоль ее оси.
Поперечноерасположение приповерхностных фибрилл, обнаруженное экспериментально(микроскопически), подтверждает этот эффект. Именно в этом тороидальномслое происходит поперечная ориентация фибрилл, расположение которыхфиксируется при выходе из фильеры (рис. 6.1). Их неспособность к осевойориентации при вытяжке волокна подтверждается тем, что поверхностныефибриллы на порядок толще осевых, испытавших интенсивное ориентационноевытягивание, а также заметным снижением концентрации фибрилл в оболочкесформованноговолокна.Сточкизренияэффективностиформования,турбулентное течение является «паразитным», т.к., не влияя на расходжидкости,требуетопределенныхэнергозатрат.Образовавшийсянаповерхности волокна слой полимера со специфической ориентацией фибриллпо сути является «балластом», поскольку с учетом его толщины уменьшаетмодуль упругости и прочность волокна.
Зная толщину оболочки и уголориентации фибрилл, нетрудно количественно оценить влияние этого слоя напрочность и модуль упругости волокон СВМПЭ и углеродных ПАН волокон.Анализ модифицированного уравнения Навье–Стокса позволяет подобратьтакой режим, при котором амплитуда турбулентного течения обнулится. Приусловии, что модель течения формовочного раствора выбрана верно,необходимо, чтобы выполнялось равенство:Р = v* η / hm2(6.2)Таким образом, оптимальный режим вытяжки в рамках предложенноймодели полностью определяется геометрией фильеры R и свойствами жидкости:скоростью ламинарного течения жидкости v*, ее вязкостью η и характернойдлиной затухания мениска жидкости hm. Поскольку толщина оболочки волокнаСВМПЭ составляет примерно 10% от его диаметра, а угол между направлением106 фибрилл и осью волокна равен 90, устранение оболочки позволит увеличитьего прочность на 36-40 %.6.4.
Выводы по 6 главе1.Для исследованных систем «эпоксидное связующее-волокно»установлено, что пористость (определенная методом электронной микроскопии)стеклопластиков снижается на 64%, а углепластиков – на 33%. Значенияпористости, определенные методом рентгеновской томографии, показали, чтоснижениепористостидлястеклопластиковсоставляет58%,адляуглепластиков – 47%. Использование найденных значений давлений позволилиувеличить прочность при межслоевом сдвиге для стекло- и углепластиков на32%. Прочность при ударной нагрузке повысилась вдвое для стеклопластиков ив 3 раза для углепластиков.2.На примере системы «эластомерное связующее – порошоккарбонильного железа» установлено, что достижение максимальной степенинаполнения, обеспечивающей предельно высокие физико-механические иэлектрофизические свойства, реализуется в дилатантном состоянии послеперекрывания граничных слоев связующего.3.РазработанныеособенностиматематическиемикроструктурволоконмоделиСВМПЭ.позволилиМетодомобъяснитьэлектроннойсканирующей микроскопии исследована структура волокна СВМПЭ и показано,что толщина оболочки волокна составляет 10% от его диаметра, а угол междунаправлением фибрилл и осью волокна равен 90.
В работе сделанопредположение, что устранение оболочки позволит увеличить прочностьволокна СВМПЭ на 36 - 40 %.107 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ2.Разработана установка для исследования кинетики процессапропитывания волокнистых наполнителей олигомерными связующимииметодика комплексной оценки в режиме реального времени их реологическиххарактеристик.3.Врезультатепроцессов пропитыванииэкспериментальныхисследованийкинетикиволокон эпоксидными связующими в режимахсмачивания и фильтрации установлено, что возникают два твердообразныхграничных слоя (внешний и внутренний) и определены значения пределовтекучести каждого. После их смыкания в ПКМ при степени наполнения 55-60об.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
