Wicking Test för Enkelriktade Tyger: Mätning av Kapillär parametrar att utvärdera kapillärtrycket i Liquid Composite formningsprocesser

Summary

En experimentell metod för att mäta geometriska parametrar och den uppenbara avancerande kontaktvinklar beskriver kapillär fuktspridande i enkelriktad syntetiska och naturmaterial föreslås. Dessa parametrar är obligatoriska för fastställandet av de kapillära tryck som måste beaktas för flytande kompositformnings (LCM) applikationer.

Abstract

Under impregnering av en fiberförstärkning i flytande kompositgjutning (LCM) processer, kapillära effekter måste förstås i syfte att fastställa deras påverkan på tomrum bildning i kompositdelar. Uppsugning i en fibermediet som beskrivs av Washburn-ekvationen ansågs ekvivalent med ett flöde under inverkan av kapillärtrycket enligt Darcy lagen. Experimentella tester för karakterisering av spridningsgenomfördes med både kol och lin fiberarmering. Kvasi-enkelriktade tyger testades sedan med hjälp av en tensiometer för att bestämma morfologiska och vät parametrar längs fiberriktningen. Det förfarande visades vara lovande när morfologin hos tyget är oförändrad under kapillär uppsugning. I fallet med kol tyger, kan kapillärtrycket beräknas. Linfibrer är känsliga för fukt sorption och svälla i vatten. Detta fenomen måste tas i beaktande för att bedöma de vätande parametrarna. jagör att göra fibrer mindre känsliga för vatten sorption, var en värmebehandling utförs på lin förstärkningar. Denna behandling ökar fiber morfologiska stabilitet och förhindrar svallning i vatten. Det visade sig att behandlade tyger har en linjär uppsugning trend som liknar de som finns i kol tyger, vilket möjliggör bestämning av kapillärtrycket.

Introduction

Under impregnering av fibrösa förstärkningar i flytande kompositgjutning (LSM) processer hartset flödet drivs av en tryckgradient. Kapillärverkan har en ytterligare effekt som kan konkurrera med tryckgradienten, beroende på processparametrarna. Deras inflytande på processen måste därför utvärderas ^{ett, två.} Detta kan göras genom att definiera en skenbar kapillärtryck, P _mössa, modifiera den initiala tryckgradienten ^3. Denna parameter kan sedan föras in i numeriska modeller för att simulera flöden under processer och exakt förutsäga void formation ^4.

Den spontana impregnering av ett tyg med en vätska (uppsugning) kan beskrivas med den Washburn-ekvationen ^5. Ursprungligen beskrev Washburn-ekvationen kapillären uppkomsten av en vätska i ett rör. Denna ekvation was förlängdes sedan för porösa strukturer, såsom fibrösa förstärkningar, som kan approximeras till ett kapillärrör nätverk. Med tanke på en cylindrisk provhållare med en radie R, fylld med ett poröst medium, var Washburn-ekvationen modifieras i form av kvadrat massökning (m (t)) över tiden, enligt följande ^sex:

(1)

där c är en parameter som står för slingrighet, r är den genomsnittliga porradien, och ε = _1-Vf är porositeten _(Vf är den fibervolymförhållande). Alla parametrar i parentes avser morfologi och konfiguration av det porösa mediet, och de kan konsolideras till en konstant, C, kallad "geometriska porösa mediet faktor." De andra parametrarna uttryckaberoende av uppsugning på samspelet mellan mediet och vätskan (genom ρ, η, och γ _L, vilka är respektive densiteten, viskositeten och ytspänningen hos vätskan, och genom θ _a, en skenbar ökande kontaktvinkel).

Parallellt med detta flödet genom ett poröst medium vanligen modelleras med den välkända Darcy lag ^7, som avser en motsvarande fluidhastigheten, v _D, tryckfallet genom permeabilitet mediet, K, och den flytande viskositet, η . Denna ekvation kan också för att uttrycka massökningen över en kvadratroten ur tid och därmed för behandling av likvärdigheten mellan de två ekvationerna. Från denna likvärdighet mellan Washburn-ekvationen och Darcy lag, var det kapillära trycket då definieras enligt följande ^åtta:

<p class="jove_content"> (2)

Här är huvudfokus för att beskriva den experimentella procedur för att mäta de geometriska faktorer och uppenbara avancerande kontaktvinklar för enkelriktade tyger, i syfte att bestämma det kapillära trycket. Denna metod förlitar sig på att använda en tensiometer att utföra fuktspridande tester (Figur 1). En tensiometer är en mikrovåg med en upplösning på 10 ^ g, som mäter den flytande massan antingen bildar en menisk runt en fast eller stigande en fibermediet. Veke tester utfördes med tanke på en endimensionell karakterisering (riktning längs fibrerna) ^{8, 9.} Kvasi-enkelriktade tyger som används för att validera förfarandet var kol enkelriktade (UD) tyger på en _Vf = 40%. När metoden validerades var lin tyger kastas en värmebehandling thatt modifierar vätande beteendet hos fibrerna ^6, och veke tester utfördes med olika fibervolymförhållanden (från 30% till 40%) för både obehandlade och behandlade lin tyger. Att bestämma morfologiska och vätande parametrar, åtminstone två wicking tester är obligatoriska: den första med en totalt-vätande vätska, såsom n-hexan, för att bestämma C (ekvation 1), och den andra en med vätskan av intresse, för att bestämma den skenbara ökande kontaktvinkeln när C är känd. I det första tillvägagångssättet, tillsattes vatten används för att utvärdera förfarandet.

Denna metod kan tillämpas på olika tyger och vätskor, vilket möjliggör utvärdering av påverkan av materialet geometri (morfologi av tyger), porositet (olika fibervolymförhållanden), och viskositet och ytspänning av vätska på de kapillära impregnerings fenomen. Det är uppenbart att förfarandet enligt Washburn teorin (ekvation 1) kan endast antas om uppsugning curves (m ^ (t)) registreras av tensiometer ha en linjär trend. Detta innebär att parametrarna i ekvation 1 måste vara konstant under hela spridningsprocessen. Om så inte är fallet, som för lin förstärkningar i vatten, eftersom fibrer genomgår svullnad ^{10, 11,} bör Washburn-ekvationen modifieras för att inkludera effekten av svullnad i syfte att beskriva de tester ordentligt ^9. Behandlade tygerna befanns vara mindre känsliga för vattensorption ^9. Geometriska faktorer och vätande parametrar kan mätas från linjära passningar, vilket möjliggör beräkning av det kapillära trycket, P _cap.

Protocol

Varning: Se alla relevanta säkerhetsdatablad. Kemikalier som används för testerna är giftiga och cancerframkallande. Använd personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, skyddsrock, full längd byxor, och sluten tå skor). 1. Inställning för test Framställning av prover Skära remsor av tyg längs riktningen vinkelrätt mot fibrerna (för att testa uppsugning i fiberriktningen). OBS: Längderna hos banden beräknas i syfte att erh?…

Representative Results

Kurvor av massökning under wicking erhålls med tensiometer för kol och obehandlade och behandlade lin tyger visas i figurerna 2 och 3. Alla kurvor visas efter subtraktion av de båda vikterna av de yttre menisken på grund av provhållaren och filterpapper och flyttas till noll. Det är möjligt att observera från tomter i figur 2 att både n-hexan och vatten, en linjär a…

Discussion

De kritiska stegen i protokollet hänför sig till framställning av proverna. För det första rullade samplade måste vara tätt för att göra antagandet av en homogen fibervolymförhållande. Om det finns en täthet gradient i provet, kan den Washburn-ekvationen ^{5, 6} inte användas för att passa veke kurvor. Dessutom randvillkoren mellan tyget och provhållaren är svåra att kontrollera. Således, filterpapper (1.1.3) måste också noggrant införas i prov…

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