Совершенствование технологии процесса пропитывания волокнистых наполнителей полимерными и олигомерными связующими (1026277), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

1.4).Отклонение показателяn от единицы характеризует степень отклонения свойствжидкости от ньютоновской. Для дилатантных жидкостей n>1 и вязкость растетс увеличением скорости сдвига (кривая 3 на рис. 1.4). Для псевдопластических25 жидкостей (n<1) характерно снижение вязкости с ростом скорости сдвига(кривая 2 на рис. 1.4).При введении в связующее дисперсных частиц наполнителя ихреологические свойства изменяются. Наиболее часто в качестве дисперсныхнаполнителей используют в состав связующих вводят различные антипирены,которые позволяют придать ПКМ свойства негорючести [80, 88, 131].Дисперсные системы со сферическими частицами обычно относятся кньютоновским жидкостям. К псевдопластическим жидкостям относятсясистемы, содержащие асимметричные частицы.

С ростом напряжения сдвигаэти частицы ориентируются большими осями вдоль направления потока, приэтом хаотическое движение частиц меняется на упорядоченное, и вязкостьуменьшается.Твердообразные дисперсные системы подразделяются на бингамовские инебингамовские [135, 141]. Их поведение описывается общим уравнением:  РТ     *n ,(1.6)При индексе течения n=1 жидкость является бингамовской, при n>1 –дилатантной, при n<1 – псевдопластичной.

Твердообразные и жидкообразныетела являются структурированными жидкостями и отличаются друг от друга нетолько наличием или отсутствием предела текучести, но и характеромповедения при внешних нагрузках. Структурированные жидкости с ростомнагрузки переходят к ньютоновскому течению с предельно разрушеннойструктурой, у дилатантных происходят разрывы сплошности и разрушение.Олигомерные термореактивные связующие эпоксидного и фенольногоклассов, являющиеся коллоидно-дисперсными, как правило, относятся ктвердообразным системам, чаще всего бингамовского типа, первичные частицыдисперсной фазы в которых имеют сферическую форму.

Индекс течения «n» вуравнении Освальда-Вейля для этих связующих может отличаться от единицы,что четко проявляется при капиллярном пропитывании волокон различнойприроды [135]. В состоянии покоя ньютоновские жидкости не отличаются от26 неньютоновских, но при приложении напряжений ведут себя по-разному, чтотребует учета этих особенностей при разработке технологических режимовпропитывания.Настадиипропитыванияначинаетсямежфазноевзаимодействиекомпонентов материала. Критериями образования межфазного контактаявляются показатели поверхностного натяжения и значения краевых угловсмачивания.

Поверхностное натяжение связано с краевым углом смачивания.Условие растекания капли по твердой поверхности описывает уравнение Юнга: Т   ТЖ   Ж  cos ,(1.7)гдеТ– поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело – газ; ТЖ–поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело – жидкость; ЖГ–поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – газ.;  – краевой уголсмачивания жидкостью наполнителя (рис. 1.5).Уравнение Дюпре определяет работу адгезии WA, которую нужнозатратить для разделения фаз:WA   Ж (1  cos )(1.8)Из уравнения (1.7) находят значения краевого угла смачивания:cos  ТГ   ТЖ ЖГ(1.9)Смачивание и растекание взаимосвязаны и входят составляющими впроцесс межфазного взаимодействия.

Растекание – это самопроизвольноетечение жидкости по твердой поверхности [125]. Различают ограниченное иполное смачивание, при котором капля растекается в плоский слой и уголсмачивания равен нулю. Смачивание – самопроизвольное уменьшениесвободной энергии системы, состоящей их трех сопряженных фаз. Краевойугол смачивания между поверхностью твердого тела и касательной к контурукапли является энергетической характеристикой смачивания.При углах < 90поверхности смачиваются ограниченно, при углах > 90 не смачиваются.27 а) б) Рисунок 1.5 – Схема к определению значений краевого угла смачивания:а) > 90; б) < 90Во время растекания форма каждого слоя меняется сложным образом(рис. 1.6) [49, 126].Рисунок 1.6  Равновесные краевые углы смачивания: 1 – каплясвязующего; 2 – нижний слой капли связующего; 3 – поверхность твердоготела; 4 – внешняя среда (воздух)Самый нижний слой капли связующего высотой 10-5 мкм вытягивается изкапли под действием сил молекулярного притяжения со стороны поверхноститвердого тела.

Далее начинает перемещаться второй слой, высота которого0,1…10 мкм. При достижении равновесия между этими двумя слоями первыйслой исчезает. Эту стадию процесса растекания называют первичнымрастеканием.28 Коэффициент растекания SР − это работа, необходимая для разрыважидкости и создания двух новых поверхностей раздела (1.10), и он равенразности работ адгезии WA и когезииWК:S p  WA  WK   Ж (cos  1)(1.10)При самопроизвольном растекании жидкостей происходит заменаповерхностей с большим поверхностным натяжением на поверхность сменьшим поверхностным натяжением, т.е.

система стремится к минимальномузапасу энергии.Вопросы,становятсяещесвязанныеболеесреологическимактуальнымиприповедениемсвязующего,использованиисовременныхтехнологий прямого формования, где процессы пропитывания ткани илиготовойпреформыиформованиядеталиобъединенывединыйтехнологический процесс.1.4. Основные законы течения жидкостей в капиллярахПроцессыпропитыванияолигомернымисвязующимитканныхнаполнителей во многом алогичны процессам движения жидкости в капиллярах[14, 66, 68, 82, 151, 158]. Для тканей с гидрофильной поверхностью связующеебудет обладать дополнительным давлением (рис.

1.7, (а)) (давление Лапласа),благодаря которому происходит поднятие жидкости в капилляре (Cos>0). Длятканных наполнителей с гидрофобной поверхностью, наоборот, происходит ееопускание в капилляре (Cos<0). В процессе растекания связующего потканикапилляром является межволоконное пространство(рис. 1.8) [6].Течение жидкости в тонких капиллярах исследовалось в работах [12, 19,21, 42, 48, 54, 60, 65, 70, 75, 113, 115, 123, 127. 147, 148, 156, 166, 167]. Типоваязависимость относительной вязкости от радиуса капилляра показана на рис.

1.9.29 Авторы работы [48 установили, что с уменьшением радиуса капилляра доопределенного значения (для воды эта величина составляет около 0,5 мкм)значения относительной вязкости резко увеличиваются.а) б) Рисунок 1.7  Схема к расчету капиллярного давления для смачивающих (а) и несмачивающих (б) жидкостей30 а)б)Рисунок 1.8 − Фото углеродных волокон при увеличении в 200 (а) и 600 (б)раз [6]31 Рисунок 1.9 ̶ Типовая зависимость относительной вязкости от радиусакапилляраАналогичные зависимости были получены авторами работы [167] и длябензола. В работах Дерягина Б.В., Колосова А. Е., Ребиндера П.А., Сумм Б.Д.

идр. [41, 42, 65, 113, 123, 127] показано, что в тонких капиллярах имеет место нетолько изменение вязкости, но и других характеристик, например плотности.Одним из методов исследования свойств граничных слоев жидкостиявляется метод «сдувания» [39-41], суть которого состоит в послойномизмерении вязкости жидкости вблизи гладкой твердой поверхности. Наосновании этих исследований было установлено, что вязкость в граничном слоеизменяется скачкообразно.ВработахДерягинаБ.В.[39-42]былоустановленоналичиеструктурной анизотропии тонких слоев жидкостей.

Граничные слои сизмененной структурой способны образовывать самые различные жидкости,в том числе и высокомолекулярные растворы, к которым относятсясвязующие, используемые в производстве стекло- и углепластиков.32 Для моделирования процессов пропитывания используются различныечисленные методы, в том числе и программа PAMRTM. В работах [15, 51, 76]приведены результаты моделирования процесса пропитывания в зависимостиот свойств связующих и тканных наполнителей. Результаты расчетов всущественной степени зависят от значений коэффициента проницаемоститкани, значения которого определяется из закона Дарси:Qk L,(1.11)S  Pгде Q – объемный расход связующего; S – площадь сечения пропитываемогоKобразца; ΔР – перепад давления; k – динамический коэффициент вязкостисвязующего; L – длина пути в направлении пропитывания образца.Проницаемость определяется в единицах «дарси» и зависит отпористости ткани (рис.

1.10).Рисунок 1.10 ̶ Типовая зависимость коэффициента проницаемости отпористостиЗа одну единицу «дарси» принимается проницаемость материала, длякоторого перепад давления в 1 атм. соответствует расходу жидкости с33 вязкостью 1 сПз в 1 см3/с. В системе СИ один «дарси» равен 9,87·10-13м2 ≈10-12 2м.Проницаемостьявляетсяважнейшейхарактеристикойтканногонаполнителя [20, 122], в том числе при разработке режимов процессов прямогоформования [15].Существуютмногочисленныеустановки,позволяющиеоцениватьреологические свойства различных материалов [97-101]. Однако они непозволяютоценитьаналогичныехарактеристикидляволокнистыхнаполнителей в процессе их пропитывания олигомерными связующими.В работе [55] предложена методика определения реологическиххарактеристиксвязующегонаполнителя.Длянепосредственноизучениякинетикивпроцессепропитыванияпропитыванияиспользовалсяспециальный стенд, который представлял собой капиллярную трубку свнутренним радиусом 2 мм и длиной 300 мм.

С одной стороны в капиллярнуютрубкупомещалсяпучокволокон,сдругой−подавалирабочуюжидкость.Капилляр вручную градуировали шкалой, что позволяло определятьскорость процесса пропитывания. При необходимости исследования влияниятемпературы капилляр с образцом помещали в воздушный термостат.Однако данный стенд требует дальнейшей доработки, посколькувизуальная фиксация скорости течения жидкости является точной только принезначительных скоростях (до нескольких сантиметров в минуту), а при болеевысоких имеют место значительные погрешности.1.5.Методы моделирования процессов теченияТеория течения вязкой жидкости первоначально развивалась только дляламинарноготечениянесжимаемойсреды[140],позднеесталараспространяться на несжимаемые турбулентные течения.

Вблизи поверхности34 твердого тела имеет место образование тонких слоев (пограничных слоев), гдесущественную роль играют силы трения, а на небольшом удалении от этогослоя силами трения можно полностью пренебречь [146]. Для ламинарноготечения величина сила трения определяется по закону трения Стокса [140].Законы перехода ламинарного течения в турбулентное впервые подробно былиисследованы А.

Характеристики

Список файлов диссертации