Совершенствование технологии процесса пропитывания волокнистых наполнителей полимерными и олигомерными связующими (1026277), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Бетцемом, О. Рейнольдсом [146], Х.Л. Драйденом [150],Хагеном [153] и позднее развиты в работах Колосова Б.В. [62-64], Лыкова А.В.[72], Сумм Б.Д. [112, 124] и др. Кинетика процесса пропитывания широкоизучалась при ламинарном и турбулентном движении самых различныхжидкостей [147, 149, 162, 163, 168].На рис. 1.11 показаны схемы течения ламинарного и турбулентногослоев.
При ламинарном течении идеальной жидкости (рис. 1.11, а) касательныесилы отсутствуют, и поэтому жидкость скользит вдоль стенки капилляра.Традиционно полагали [61], что жидкость затормаживает свое течение впограничном слое, толщина которого может быть переменной.а)б)в)г)Рисунок 1.11 ̶ Схемы течения ламинарного (а, б) и турбулентного (в, г) слоев35 Общийслучайдеформациижидкостипритеченииописываетсядифференциальными уравнениями Навье-Стокса, которые составляют основумеханики жидкостей и газа [140].
Для решения системы этих уравненийнеобходимо задать граничные и начальные условия. Из-за сложности игромоздкости вычислений, как правило, исследователи ограничиваются нерешением этих уравнений в общем виде при сохранении всех членовуравнений, а выполняют решения для конкретных частных случаев, напримердля ламинарного течения в трубе [140]. Построение математических моделейтечения жидкостей в капиллярах выполняется с помощью градиентной теорииупругости, физхимии поверхности, различных моделей адгезии и др. [152].Моделирование гидродинамики жидкостей в капиллярно-пористой среде имеетмножество приложений [45, 52, 73, 87, 142, 143, 155, 157, 159, 164, 165]. Однаков научной литературе отсутствуют модели, позволяющие определить значенияперепадов давлений, при которых течение связующего в межволоконномпространстве ткани становится чисто ламинарным.
Также отсутствуют модели,позволяющие рассчитать значения пограничных слоев турбулентного слоя иматематические модели течения вязких жидкостей в капиллярах.1.6. Цель и задачи исследованияАнализ проведенного обзора литературы позволяет сделать следующиевыводы.1. Реологическиесвойствасвязующихявляютсяважнейшимитехнологическими характеристиками, определяющими режимы пропитыванияволокнистого наполнителя. Их значение еще более увеличивается прииспользовании технологий прямого формования изделий из ПКМ.36 2. Существующий метод «капиллярной трубки» позволяет изучатьреологические свойства связующего в режиме реального времени, но требуетсвоей доработки для повышения точности.3. СовременныеПКМ,нарядуснепрерывнымиволокнистыминаполнителями, также содержат рубленые волокна и дисперсные наполнителиразличногофункциональногоназначения(антипирены,антиоксиданты,радиопоглощающие компоненты и др.).
Для изучения этих систем требуетсяусовершенствование методики оценки реологических характеристик. Этопозволит разработать более рациональные технологии и повысить качествоизделий из ПКМ.Цельютехнологиинастоящейизготовленияработыявляетсяизделийповышениеизэффективностиволокнистыхполимерныхкомпозиционных материалов за счет разработки рациональных режимовпроцесса пропитывания.Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующиезадачи:1) разработкаметодикикомплекснойоценкиреологическиххарактеристик системы связующе - волокнистый наполнитель;2) исследование кинетики процессов пропитывания волокон простымижидкостямииолигомернымисвязующимиврежимахсмачиванияифильтрации;3) исследование реологического поведения полимерных и олигомерныхсвязующих, наполненных дискретными волокнами и порошками;4) разработкаматематическихмоделей,описывающихпроцессысмачивания и растекания на стадии изготовления изделий из полимеров;5) разработкатехнологическихкомпозитов методом вакуумной инфузии.рекомендацийприизготовлении37 ГЛАВА 2.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ2.1. Объекты исследованияДля исследования кинетики капиллярного пропитывания «длинных»волокон, обладающих преимущественно лиофобной поверхностью быливыбраны (табл. 2.1):- среднепрочные отечественные углеродные волокна (УВ) и ленты марокВМН-4, ЛУ-3, ЛУП-0,1, Элур-0,08П в исходном состоянии и обработанные 50процентной азотной кислотой в течение 0,25 ÷ 6,0 ч;- высокопрочные углеродные волокна АS-4 и HTS фирмы «Сайтек»(США);- отечественное арамидное волокно Армос;- стеклянная ткань Т-11;-волокноизсверхвысокомолекулярногополиэтилена(СВМПЭ)производства ФГУП ВНИИСВ.Для изучения реологии дисперсно-упрочненных полимерных композицийиспользовали дискретные углеродные волокна ЛУ-3 и ЛУП-0,1 размером0,08÷8 мм.
Образцы измельчали в шаровой мельнице и просеивали через сито.Дискретные волокна ЛУ-3 имели следующие средние длины: 0,58, 1,23, 4 и 8мм при коэффициенте вариации длины 25 ± 32 %, образцы ЛУП-0,1 – 0,08 и0,12 мм.Значения ретикуляции поверхностной плотности RЕ (см. таблицу 2.1)определяли по соотношению удельной и геометрической поверхностей.В качестве дисперсного наполнителя с лиофильной поверхностьюприменяли порошок карбонильного железа марки Р-10. Его частицы имелисферическую форму, средний диаметр (D) 3 мкм и колебания среднегодиаметра в диапазоне 1,5 ÷ 5 мкм.38 Таблица 2.1Физико-механические характеристики волоконМарки и типы волоконПоказательМодульупругости,ГПаПределпрочности,МПаПлотность,кг/м3Диаметр,ВМН-4ЛУ-3ЛУП-0,1AS-4АрмосСВМПЭ250±270±275±228±160±9,3±20303520100,52800±5202700±5002800±4004280±8003500±4003300±4001700170017201790145010007,86,06,07,013,328-500,520,701,300,650,230,1-0,140,300,390,390,340,210,291,731,793,331,911,1017,6мкмУдельнаяповерхность,м2/гГеометрическаяповерхн.,м2/гRЕВ качестве рабочих жидкостей использовали:-дибутилфталат;-диоктилсебацинат;- глицерин;- эпоксидные связующие марок: ЭДТ-69Н, ЭНФБ, ЭДТ-10, Этал-ИнжектSL/М;- фенольное связующее марки ФП-520;-полимерныесвязующие марок: СКТНФ и УФ-7-21.39 2.2.
Методы исследованияРеологическиехарактеристикидисперсно-армированныхПКМопределяли на ротационном вискозиметре «Реотест - 2» при 23 ± 2С приразличных скоростях сдвига. Сдвиговые напряжения измеряли в режимахувеличения и уменьшения скорости вращения рабочего цилиндра. Кривыетечения «скорость сдвига - напряжение сдвига» строили в обычных илогарифмических координатах. Измеряя напряжения сдвига в режимеувеличения и уменьшения скорости вращения рабочего цилиндра, определялигистерезис вязкости системы.Кинетику пропитывания непрерывных волокон различными жидкостямиизучали на специально спроектированной установке [96], показанной на рис.2.1.Приподачедавлениянаобразецвобратномнаправленииэкспериментально определяли величину капиллярного давления РК, фиксируямомент остановки пузырька в капиллярной трубке.Исследования вели в режимах смачивания и фильтрации, которыепроводили последовательно один за другим.
В режиме смачиванияпо скоростиперемещения газового пузырька в капиллярной трубкестроили зависимостиl=f(τ). В режиме фильтрации измеряли скорость V движения жидкости вобразце. Из зависимости V=f (P) рассчитывали реологические параметрытечения жидкости. Зависимости получали для нескольких значений степенинаполнения капилляра волокном , которые изменялись в диапазоне 25÷60об.%, что позволяло экспериментально определять пределы текучестиграничных слоев жидкости и рассчитать их толщины.Значения удельной поверхности волокон (SУД) рассчитывали методомБЭТ по данным низкотемпературной адсорбции криптона на двух образцахмассой 1 г каждый.
Площадь, занимаемая одной адсорбируемой молекулойкриптона, составляла 0,185 нм2.40 Рисунок 2.1 – Схема установки для исследования кинетики пропитыванияволокон жидкостями: 1– капиллярная трубка; 2 – волокнистый образец; 3 –жидкость; 4 – емкость с газом; 5 – газовый пузырек; 6 – емкость с жидкостью; 7– манометр; 8 – веб-камера; 9 – вакуумные краны; 10 – компрессор; 11 – камерапротиводавления; 12 – ловушка для жидкостиДля изучения структуры армирующих волоконприменяли сканирующийэлектронный микроскоп JSM-35CF. Подготовку образцов проводили пометодике, изложенной в работе [34], путем ионно-плазменного травления всреде кислорода на установке JFC-1100 FINE COAT (при напряжении 500 В ипеременном токе 5 мА) в течение нескольких минут. Далее на исследуемуюповерхность напыляли слой золота толщиной 10-20 нм.
Обработку волоконСВМПЭ проводили в жидком азоте при -196С.Анализ микроструктур образцов стекло- и углепластиков проводили спомощьюэлектронногомикроскопаPhenomPro-Xирентгеновскогомикротомографа высокого разрешения марки SkyScan 1172. Обработкафотографий структур, полученных на электронном микроскопе, проводилась спомощью программы «Phenom Automated Mapping», что позволяло получатькривые распределения пор по размерам на поверхности образца и их средниезначения. Обработка фотографий структур, полученных на рентгеновском41 микротомографе,проводиласьспомощьювстроенногопрограммногообеспечения, которое позволяло не только получать фотографии реальныхструктур в трехмерном изображении, но и последовательно расчленять образецна тонкие слои с точностью до 5 мкм.ДляопределенияударнойвязкостипоШарпииспользовалсямаятниковый копер типаPH 450 швейцарской фирмы «Waiter+baiag». Форма иразмеры образцов соответствовали ISO 179/9eU (55х10х6мм).Дляопределенияпределапрочностипримежслоевомсдвигеиспользовалась универсальная испытательная машина Z, тип Zwick/RoellZ100TEW с использованием образцов, соответствующих ОСТ190199-75 (30х6х6мм).42 ГЛАВА 3.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙРАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ И СОСТАВА3.1. Течение простых жидкостей через волокна в режиме смачиванияИсследование кинетики течения жидкостей через волокнистый образецпроводили на специальной установке [96]. Для каждой исследуемой парыволокно-жидкость первоначально определяли величину капиллярного давленияРК, значение которого изменялось в диапазоне (1-8)·103 Н/м2 [16, 17, 56, 90, 91,161]. На рис. 3.1 приведены экспериментально полученные зависимости lg А(Р) для системы углеродные волокнамарок ВМН-4 и АS-4 − диоктилсебацинат(ДОС).
На полученных зависимостях видны изломы при давлениях Р1 и Р2.Первый излом проявляется при Р1= (5-13)·103 Н/м2, второй– при Р2= (18-28)·103Н/м2. В состав константы А ходит динамический угол смачивания θД, приповышении давленияР наступает момент, при котором он становится равным90(случай динамического несмачивания любой жидкостью любого волокна).Этот момент соответствует скачкообразному изменению угла наклоназависимости А (Р) при Р=Р1. При дальнейшем повышении давления Р вкапиллярно-пористом пространстве волокнавеличина краевого угла смачиванияпостепенно увеличивается θД →180, что соответствует давлениюР2, прикотором зависимости А (Р) имеют минимальный, иногда нулевой, угол наклона.Экспериментальноопределеназависимостькоэффициентапропитыванияот давления для системы волокно Армос– глицерин (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
