Совершенствование технологии процесса пропитывания волокнистых наполнителей полимерными и олигомерными связующими (1026277), страница 6
Текст из файла (страница 6)
3.2).Значения критических давлений соответственно равны: Р1= 12,5·103 Н/м2, Р2=28·103Н/м2 и РК= 3·103 Н/м2(последнее из-за масштаба на рис. 3.2 непоказано). Значения коэффициента вариации составили 0,07–0,09. Отрезокпрямой lgA (P) при Р>Р2 оказывается параллельным оси абсцисс, чтосвидетельствует о стабилизации характеристик, входящих в константу А43 (поверхностного натяжения, динамической вязкости, эффективного радиусамежволоконного пространства, но в первую очередь динамического угласмачивания), которые изменялись на этапах Р<Р2 и Р<Р1: Рисунок 3.1 − Влияние давления на коэффициент пропитывания (А) волоконВМН-4 (1) и AS-4 (2, 3): 1, 2 – диоктилсебацинат; 3 –связующее ЭДТ-69НЕсли принять за основу, что при Р<Р1,должно наблюдаться ламинарноетечение жидкости, то при P>Р2 начинается устойчивая турбулизация потокажидкости в граничном слое и устанавливается устойчивое объемное (в объемеграничных слоев) течение.
Тогда диапазон давлений Р1<P<P2 следует отнести кпереходному течению, при которомначинают появляться признакитурбулентности. Такая трактовка полученных экспериментов основана напредположении о плоском профиле скоростей жидкости в капилляре.44 Рисунок 3.2 − Влияние давления на коэффициент пропитывания А длясистемы глицерин − волокно АрмосНа основании анализа многочисленных экспериментальных данныхполучено уравнение для расчета статического угла смачивания:Cosθ0 = (Р1 +РК) / (Р2 – Р1)Полученноеуравнение(3.1)позволяетопределять(3.1)краевойуголсмачивания без его экспериментального определения только на основаниинайденных значений давлений.45 3.2.
Закономерности течения связующих через волокна в режимесмачиванияПри пропитывании волокон олигомерными связующими, например, всистеме углеродное волокно AS-4 – эпоксидное связующее ЭДТ-69Н каждоедавление подразделяется на две области: Р1иР2 (кривая 3 рис. 3.1). Значениявсех давлений для исследуемых систем волокно-жидкость приведены в табл.3.1 (значения коэффициента вариации не превышало 0,09).Предполагаем, что олигомерное эпоксидное связующее при контакте сволокном образует не один, а два граничных слоя (ГС). Под действиемвнешнего давления легче растекается внешний слой (наиболее подвижный),контактирующийнепосредственнососвязующим.ВнутреннийГС,контактирующий с поверхностью волокна и обладающий большей когезионнойпрочностью, растекается медленнее.Таблица 3.1Значения давлений для разных типов волокон и связующихВолокноВМН-4ЖидкостьAS-4ДиоктилсебацинатЭДТ-69НЭНФБРК10-2, Н/м27,86,12,82,9Р110-2, Н/м27,35,34,55,3Р210-2, Н/м223,417,012,016,8Р*К10-2, Н/м2––5,2–Р*110-2, Н/м2––6,8–Р*210-2, Н/м2––25–* объемное содержание углеродных волокон в капилляре – 44%ДавленияНаложениемР⃰к иР⃰⃰1деформацийсоответствуютдвухГСрастеканиюобъясняетсявнутреннегоповышенныйГС.разброс46 экспериментальных точек в интервале давлений Р1- Р2 (рис.
3.1, кривая 3).Ориентируясь на «выпавшие» точки, пунктиром показана зависимость lgА(Р),характеризующая процесс растекания внутреннего ГС так, как это видно дляэпоксидного связующего (кривая 3).3.3.Нарис.Фильтрация простых жидкостей через волокна3.3представленыкривыефильтрациидлясистемыдиоктилсебацинат – углеродное волокно АS-4 при различной степенинаполнения ( изменяется от 32 до 55 об. %).
Расчеты, проведенные позначениямкритическихдиоктилсебацинатдавленийполностью(см.смачиваеттаблицуэто3.1),волокно.показали,чтоНесмотрянанелинейность начальных участков, общий вид зависимостей V(P) позволяетотнести эту жидкость к бингамовской с характерным пределом текучести РТ илинейностью функции V(P). Величина РТ определялась экстраполяциейлинейных участков кривых течения до их пересечения с осью давлений.Найденные значения пределов текучести изменялись от 0,1·103 до 4·103 Н/м2.Прочность при сдвиге (τсд) граничных слоев жидкости рассчитывали поуравнению:сд = РТ (1 - φ) / φSУД,(3.2)где − плотность волокна, кг/м3.В результате перекрывания ГС при φкр бингамовская жидкость образуетпространственный каркас, и величина гидродинамического сопротивлениятечению оставшейся неструктурированной жидкости заметно возрастает.
Дляразрушения этого каркаса требуется дополнительная энергия.47 Рисунок 3.3 − Зависимость скорости фильтрации диоктилсебацината через AS-4при различном содержании волоконЗная величину φкр, можно оценивать толщины δ граничных слоевдляразличныхтиповукладкиволокон,напримердлятетрагональнойигексагональной укладки (табл.
3.2 в числителе приведены значения толщинграничных слоев для тетрагональной укладки, в знаменателе – длягексагональной). Для расчетов использовались следующие зависимостидля тетрагональной укладки:δ = D/2[ (π/4φКР)0,5 – 1];для гексагональной укладки:δ = D/2[ (π/2×30,5 φКР)0,5 - 1],где D–диаметр волокна,мкм.Таблица 3.2Реологические параметры системы диоктилсебацинат-углеродноеволокно АS-4ПараметрыДОСφ =φКРφкр об.%δ мкм351,38/1,80Проведенные исследования показали, что простые низкомолекулярныежидкости, в обычном состоянии относящиеся к ньютоновским, контактируя с48 углеродными волокнами, приобретают свойства твердообразных жидкостейБингамаи образуют один граничный слой.Экспериментально определено значение объемного содержания волокна,прикоторомпроисходитсмыканиеграничныхслоев,длясистемыдиоктилсебацинатуглеродное волокно АS-4φ =φКР=35 об.%.3.4.
Фильтрация эпоксидных связующих через волокнаПри фильтрации эпоксидныхсвязующих через углеродный наполнительреологическая картина течения существенно усложняется. Экспериментальноустановлены зависимости скорости фильтрации от давления(рис. 3.4 и 3.5). Присодержанииволокон,непревышающем50об.%,обнаруживаетсяскачкообразное увеличение скорости течения. Экстраполяция линейныхучастков этих зависимостей к нулевому значению V позволила графическиопределить значение пределов текучести для РТ1 (пологого) и РТ2 (крутого)участков.
Рассчитаны значения τСД для обоих участков кривых течениясвязующих ЭНФБ и ЭДТ-69Н и определены две критические степенинаполнения: КР1 (41 – для ЭНФБ и 39 – для ЭДТ-69Н) и КР2 (50 – для ЭНФБ и46 – для ЭДТ-69Н), отвечающие соответственно пологим и крутым участкам.Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, чтопри контакте связующего с поверхностью углеродных возникают два ГС:внутренний и внешний (табл. 3.3).Толщины внешних ГС у эпоксидных связующих в 1,3−1,5 раза меньшетолщин внутренних ГС, однако по своей прочности они существеннопревосходят внешние ГС.49 Рисунок 3.4 − Зависимость скорости фильтрации от давления для системыэпоксидное связующее ЭНФБ – углеродное волокно AS-4 в зависимости отсодержания волокон: 1−44; 2−50; 3−54; 4−59 об.
% Рисунок 3.5 − Зависимость скорости фильтрации от давления для системыэпоксидное связующего ЭДТ-69Н – углеродное волокно AS-4 в зависимости отсодержания волокон: 1−38; 2−44; 3−48; 4−56; 5−60 об. %50 Таблица 3.3Реологические параметры для системы эпоксидное связующее –углеродное волокно ЛУП-0,1ПараметрЭДТ-69Нφкр 2 об.%50,046,6φкр 1 об.%41,039,0δ1 мкм *0,72/0,960,84/1,17δ2 мкм *1,08/1,441,20/1,56*в числителе приведено значение толщины граничного слоя длятетрагональной укладки; в знаменателе – для гексагональной укладки волоконПрочность ГС (рис. 3.6) существенным образом зависит от содержанияволокон. В диапазоне φКР1<φ<φКР2 , когда перекрываются только внешние ГС,их структура недостаточно прочна и ее разрушение происходит при небольшихнагрузках (рис.
3.7, а). После смыкания внутренних ГС область φ>φкр 2 (рис. 3.7,б), их прочность существенно возрастает. Рисунок 3.6 − Зависимость напряжения сдвига граничных слоев жидкости отсодержания волокна АS-4 для эпоксидных связующих ЭНФ (1, 2)и ЭДТ-69Н (3, 4)51 а)б)Рисунок 3.7 − Схема структур граничных слоев связующего при критическомсодержании волокон: при φКР.1 (а) и φКР.
2 (б); 1 – волокна; 2 – внешнийграничный слой связующего; 3 − внутренний граничный слой связующегоВ результате проведенных исследований установлено, что разрушениесомкнувшихся ГС связующих ЭНФБ и ЭДТ-69Н, пропитавших углеродноеволокно ЛУП-0,1 (при содержании 60 об.%), происходит при давлениях,больших, чем 80·103 Н/м2 (см.
рис. 3.5).3.5. Исследование прочности граничных слоевВработеэкспериментальноисследовалосьвлияниеудельнойповерхности волокна на прочность граничных слоев связующих. Поверхностьуглеродных волокон Элур-0,08П обрабатывали «горячей» 50% азотнойкислотой в течение различного времени, что позволило изменить величину ихудельной поверхности (рис. 3.8а, б).52 а) б) Рисунок 3.8– Зависимость предела текучести жидкости от удельнойповерхности волокна в системе дибутилфталат– углеродное волокно Элур0,08П в обычных (а) и логарифмических (б) координатах53 Цифры на рис. 3.8 указывают на время травления в азотной кислоте).Содержание волокон Элур-0,08П для всех исследованных систем былоодинаковым и составило 37 об.%.В работе использовался термин – ретикуляция плотности RЕ:RЕ=Sуд/SГ,(3.3)где Sуд и Sг – удельная и геометрическая поверхности волокон, определяемыепо значениям плотности и диаметра.Минимальное значение RЕ = 1, при Sуд=SГ, т.е.
это предельный случай,при котором поверхность волокна является «идеально» гладкой.Полученные зависимости (рис. 3.8, б) описываются уравнением:РТ = РТОSуд--ξ(3.4)где РТО – предел текучести (напряжение сдвига) ГС жидкости при Sуд → SГи RЕ 1; ξ – коэффициент, характеризующий нелинейное изменение прочности ГС.В результате проведенных исследований установлено, что наибольшимструктурирующим воздействием на жидкость обладает волокно с «идеально»гладкой поверхностью.В табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
