Fugtspredende Tests for ensrettet Fabrics: Målinger af Kapillær Parametre til Vurdere kapillartryk i Liquid Composite støbeprocesser

Summary

En eksperimentel metode til at måle geometriske parametre og de åbenbare fremrykkende kontakt vinkler beskriver kapillær fugtspredende i ensrettede syntetiske og naturlige stoffer foreslås. Disse parametre er obligatoriske for bestemmelse af de kapillære tryk, der skal tages i betragtning for flydende komposit støbning (LCM) applikationer.

Abstract

Under imprægnering af en fiberforstærkning i flydende komposit støbning (LCM) processer, kapillære effekter skal forstås for at identificere deres indflydelse på ugyldig dannelse i sammensatte dele. Vægevirkning i en fibrøs medium beskrevet af Washburn-ligningen blev betragtes dette som en strømning under indvirkning af kapillartryk ifølge Darcy ret. Eksperimentelle tests til karakterisering af vægevirkning blev udført med både carbon og hør fiberforstærkning. Kvasi-ensrettede stof blev derefter testet ved hjælp af et tensiometer at fastlægge de morfologiske og befugtningsegenskaber parametre langs fiberretningen. Proceduren blev vist at være lovende, når morfologien af ​​stoffet er uændret under kapillær vægevirkning. I tilfælde af carbon stof, kan det kapillære tryk beregnes. Hørfibre er følsom over for fugt sorption og kvælder i vand. Dette fænomen skal der tages hensyn til at vurdere de befugtnings- parametre. jegor at gøre fibre mindre følsomme over for vand sorption blev en termisk behandling, der udføres på hør forstærkninger. Denne behandling forbedrer fiber morfologiske stabilitet og forhindrer hævelse i vand. Det blev vist, at behandlede stoffer har en lineær fugtspredende trend ligner dem, der findes i kulstof stoffer, der giver mulighed for bestemmelse af kapillar pres.

Introduction

Under imprægnering af fibrøse forstærkninger i flydende kompositstøbning (LSM) processer harpiksen flow drevet af en trykgradient. Kapillær effekter har en yderligere virkning, der kan konkurrere med trykgradienten, afhængigt af procesparametre. Deres indflydelse på processen har således evalueres ^{1, 2.} Dette kan gøres ved at definere en tilsyneladende kapillartryk, P _cap, modificere oprindelige trykgradient ^3. Denne parameter kan efterfølgende indsættes i numeriske modeller for at simulere strømme under processer og til præcist at forudsige hulrumsdannelse ^4.

Den spontane imprægnering af et stof fra en væske (vægevirkning) kan beskrives ved Washburn ligning ^5. Oprindeligt beskrev Washburn ligningen den kapillære stigning af en væske i et rør. Denne ligning was derefter udvidet til porøse strukturer, såsom fibrøse forstærkninger, der kan tilnærmes til et kapillarrør netværk. Overvejer en cylindrisk prøveholder med en radius, R, fyldt med et porøst medium blev Washburn-ligningen modificeret i form af kvadrerede masse gevinst (m² (t)) over tid, som følger ^6:

(1)

hvor c er en parameter, der tegner sig for snoning, R er den gennemsnitlige poreradius, og ε = 1-V _f er porøsiteten (V _f være fiberen volumenforhold). Alle parametre i de firkantede parenteser vedrører morfologi og konfiguration af det porøse medium, og de kan samles i en konstant, C, benævnt "geometriske porøse medium faktor." De andre parametre udtrykkerafhængighed af fugtspredende om samspillet mellem mediet og væsken (gennem ρ, η, og γ _L, som er henholdsvis den densitet, viskositet og overfladespænding for væsken, og gennem θ _a, en tilsyneladende fremtrængningskontaktvinkel).

Parallelt hermed er strømningen gennem et porøst medium sædvanligvis opbygget med den velkendte Darcy lov ^7, som vedrører en tilsvarende fluidhastighed, v _D, til trykfaldet gennem permeabiliteten af mediet, K, og det flydende viskositet, η . Denne ligning giver også mulighed for ekspression af massen gevinst over en kvadratroden af ​​tiden og dermed for behandlingen af ​​ækvivalensen mellem de to ligninger. Fra denne ækvivalens mellem Washburn ligningen og Darcy loven, blev det kapillære tryk derefter defineret som følger ^8:

<p class="jove_content"> (2)

Her, det primære fokus er at beskrive den eksperimentelle fremgangsmåde til at måle de geometriske faktorer og de åbenbare fremrykkende kontaktvinkler for ensrettede stof, med det formål at bestemme kapillartryk. Denne metode bygger på at bruge en tensiometer at udføre fugtspredende tests (Figur 1). En tensiometer er en mikrovægt med en opløsning på 10 ug, der måler den flydende masse, enten danner en menisk omkring en fast eller stigende et fibrøst medium. Fugtspredende blev udført overvejer en endimensional karakterisering (retning langs fibrene) ^{8, 9.} Quasi-ensrettede stoffer, der anvendes til at validere fremgangsmåden var kulstof uni-directional (UD) stoffer på en V _f = 40%. Når metoden blev valideret, blev hør stof underkastet en varmebehandling that modificerer befugtning adfærd af fibre ^6, og fugtspredende tests blev udført med forskellige fiber volumenforhold (fra 30% til 40%) for begge ubehandlede og behandlede hør stof. Til bestemmelse morfologiske og befugtende parametre, mindst to fugtspredende test er obligatoriske: den første med en helt-fugtevæske, som n-hexan, for at bestemme C (ligning 1), og den anden med væsken af interesse, for at bestemme den tilsyneladende fremrykkende kontaktvinkel, når C er kendt. I den første fremgangsmåde blev vand anvendt til at evaluere procedure.

Denne metode kan anvendes på forskellige stoffer og væsker, der giver mulighed for evaluering af indflydelsen af ​​materiale geometri (morfologi af bomuld), porøsitet (forskellige fiber volumenforhold), og viskositeten og overfladespændingen af ​​væske på den kapillære imprægneringstrin fænomener. Det er indlysende, at proceduren i henhold til Washburn teori (ligning 1), kan kun vedtages, hvis fugtspredende curves (m² (t)) registreret af tensiometer har en lineær tendens. Det betyder, at disse parametre ligning 1 skal forblive konstant under hele vægevirkning processen. Hvis dette ikke er tilfældet, som for hør forstærkninger i vand, fordi fibrene undergår hævelse ^{10, 11,} bør Washburn-ligningen modificeres til at indbefatte virkningen af kvældning for at beskrive prøverne korrekt ^9. Behandlede stoffer blev fundet at være mindre følsomme over for vand sorption ^9. Geometriske faktorer og befugtende parametre kan måles fra lineære anfald, der giver mulighed for beregning af den kapillære tryk, P _cap.

Protocol

Forsigtig: Se alle relevante materiale sikkerhedsdatablade. Kemikalier til testene er giftige og kræftfremkaldende. Brug personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, kittel, fuld længde bukser, og lukkede toe sko). 1. Opsætning til Tests Forberedelse af prøver Skær stofstrimler langs retningen vinkelret på fibrene (for at teste vægevirkning i fiberretningen). BEMÆRK: Længderne af strimlerne bliver beregnet for at opnå et definere…

Representative Results

Kurver af masse gevinst under vægevirkning opnået med tensiometrets for carbon og ubehandlede og behandlede hør stof er vist i figur 2 og 3. Alle kurverne er vist efter subtraktion af begge vægte af de ydre menisk på grund af det papir prøveholder og filter og forskydes til nul. Det er muligt at observere fra afbildninger i figur 2, at med begge n-hexan og vand, en line?…

Discussion

De kritiske trin i protokollen vedrører forberedelsen af ​​prøverne. For det første rullede stikprøven skal være stram for at gøre den antagelse af en homogen fiber volumenforhold. Hvis der er en tæthed gradient i prøven, kan den Washburn ligning ^{5, 6} ikke anvendes til at passe til væge kurver. Desuden er svære at kontrollere de randbetingelser mellem stoffet og testbeholderen. Således filterpapir (1.1.3) skal også omhyggeligt indsat i prøvehold…

Materials

Carbon UD fabrics	Hexcel	48580
Flax UD fabrics	Libeco	FLAXDRY UD 180
n-Hexane	Sigma Aldrich
Sulfochromic acid	home made		toxic and corrosive
Filter paper	Dataphysic	FP11
Tensiometer	Dataphysic	DCAT11