Summary
Un metodo sperimentale per misurare i parametri geometrici e gli angoli di contatto che avanzano apparenti che descrivono capillare traspirazione in sintetico unidirezionale e tessuti naturali viene proposto. Questi parametri sono obbligatorie per la determinazione delle pressioni capillari che devono essere presi in considerazione per applicazioni (LCM) stampaggio composito liquido.
Abstract
Durante impregnazione di un rinforzo fibroso in processi liquidi stampaggio composito (LCM), effetti capillari devono essere intesi in modo da identificare la loro influenza sulla formazione di vuoti in parti composite. Assorbente in un mezzo fibroso descritto dall'equazione Washburn stato considerato equivalente ad un flusso sotto l'effetto della pressione capillare secondo la legge di Darcy. Prove sperimentali per la caratterizzazione di assorbimento sono state condotte sia con rinforzo in fibra di carbonio e di lino. tessuti Quasi-unidirezionali sono stati poi testati mediante un tensiometro per determinare i parametri morfologici e bagnanti lungo la direzione delle fibre. La procedura è dimostrata promettente quando la morfologia del tessuto è invariato durante capillare traspirazione. Nel caso di tessuti di carbonio, la pressione capillare può essere calcolato. fibre di lino sono sensibili all'assorbimento di umidità e si gonfiano in acqua. Questo fenomeno deve essere preso in considerazione per valutare i parametri di bagnatura. ion per produrre fibre meno sensibile all'assorbimento di acqua, un trattamento termico è stato effettuato su rinforzi lino. Questo trattamento aumenta la stabilità morfologica fibra e previene il gonfiore in acqua. È stato dimostrato che trattare tessuti hanno un andamento lineare assorbimento simili a quelli trovati in tessuti di carbonio, permettendo la determinazione della pressione capillare.
Introduction
Durante impregnazione dei rinforzi fibrosi nei processi liquidi stampaggio composito (LSM), il flusso di resina è guidato da un gradiente di pressione. effetti capillari hanno un effetto aggiuntivo che può competere con il gradiente di pressione, a seconda dei parametri di processo. La loro influenza sul processo deve quindi essere valutata 1, 2. Questo può essere fatto definendo una pressione capillare apparente, cap P, modificando il gradiente di pressione iniziale 3. Questo parametro può essere successivamente inserito modelli numerici per simulare flussi durante i processi e di prevedere con precisione formazione di vuoti 4.
L'impregnazione spontanea di un tessuto da un liquido (traspirante) può essere descritto dall'equazione Washburn 5. Originariamente, l'equazione di Washburn descritto la risalita capillare di un liquido in un tubo. Questa equazione was quindi esteso per strutture porose, come rinforzi fibrosi, che può essere approssimata a una rete capillare. Considerando un portacampioni cilindrica con raggio, R, riempito con un mezzo poroso, l'equazione di Washburn stato modificato in forma di guadagno di massa al quadrato (mq (t)) nel tempo, come segue 6:
(1)
dove c è un parametro che rappresenta tortuosità, r è il raggio medio dei pori, e ε = 1-V f è la porosità (V f è il rapporto volume delle fibre). Tutti parametri tra parentesi quadre riguardano la morfologia e la configurazione del mezzo poroso, e possono essere consolidati in una costante, C, denominato "fattore geometrico mezzo poroso." Gli altri parametri esprimono ladipendenza della traspirazione sulle interazioni tra il mezzo e il liquido (attraverso ρ, η, e γ L, che sono rispettivamente, la densità, la viscosità e la tensione superficiale del liquido, e attraverso un θ, un angolo di contatto di avanzamento apparente).
In parallelo, il flusso attraverso un mezzo poroso è solitamente modellato con la ben nota legge di Darcy 7, che riguarda una velocità del fluido equivalente, v D, alla caduta di pressione attraverso la permeabilità del mezzo, K, e la viscosità del liquido, η . Questa equazione consente anche per l'espressione del guadagno di massa in una radice quadrata del tempo e quindi per la considerazione della equivalenza tra le due equazioni. Da questa equivalenza tra l'equazione di Washburn e la legge di Darcy, la pressione capillare è stato quindi definito come segue 8:
(2)Qui, l'obiettivo principale è quello di descrivere la procedura sperimentale per misurare i fattori geometrici e gli angoli di contatto avanzanti apparenti per tessuti unidirezionali, allo scopo di determinare la pressione capillare. Questo metodo si basa sull'utilizzo di un tensiometro per eseguire prove traspirazione (Figura 1). Un tensiometro è una microbilancia con una risoluzione di 10 ug che misura la massa liquida sia formando un menisco intorno un solido o crescente un supporto fibroso. Prove traspirazione state effettuate considerando una caratterizzazione monodimensionale (direzione lungo le fibre) 8, 9. Tessuti Quasi-unidirezionali utilizzati per convalidare la procedura erano unidirezionali (UD) tessuti di carbonio alla V f = 40%. Una volta che il metodo è stato validato, tessuti di lino sono stati sottoposti ad un trattamento termico tcappello modifica il comportamento di bagnatura delle fibre 6 e prove traspirazione sono state effettuate con differenti rapporti in volume fibra (dal 30% al 40%) per entrambi i tessuti di lino non trattati e trattati. Per determinare i parametri morfologici e bagnanti, almeno due prove traspirazione sono obbligatorie: la prima con un liquido totalmente-bagnante, come n-esano, per determinare C (Equazione 1), ed il secondo con il liquido di interesse, per determinare l'angolo di contatto di avanzamento apparente volta C è noto. Nel primo approccio, l'acqua è stato utilizzato per valutare la procedura.
Questo metodo può essere applicato a diversi tessuti e liquidi, consentendo la valutazione dell'influenza della geometria materiale (morfologia dei tessuti), porosità (diversi rapporti in volume fibra), e la viscosità e la tensione superficiale del liquido sulle fenomeni capillare impregnazione. È evidente che il procedimento secondo la teoria Washburn (Equazione 1) può essere adottata solo se traspirazione cuRVES (m² (t)) registrato dal tensiometro hanno un andamento lineare. Ciò significa che i parametri in Equazione 1 devono rimanere costante durante l'intero processo di assorbimento. Se questo non è il caso, come rinforzi lino in acqua, poiché le fibre subiscono rigonfiamento 10, 11, l'equazione di Washburn deve essere modificato per includere l'effetto di rigonfiamento per descrivere le prove correttamente 9. Tessuti trattati sono stati trovati per essere meno sensibili all'assorbimento di acqua 9. Fattori geometrici e parametri bagnanti possono essere misurati da attacchi lineari, consentendo il calcolo della pressione capillare, cap P.
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Protocol
Attenzione: Consultare tutti schede di sicurezza rilevanti. I prodotti chimici usati per i test sono tossici e cancerogeni. Utilizzare dispositivi di protezione individuale (occhiali, guanti, camice, pantaloni full-length, e scarpe chiuse).
1. Installazione per le prove
- Preparazione dei campioni
- Tagliare strisce di tessuto lungo la direzione perpendicolare alle fibre (per testare traspirazione nella direzione delle fibre).
NOTA: Le lunghezze delle strisce sono calcolati in modo da ottenere un rapporto in volume delle fibre definito. Per i tessuti di carbonio, per ottenere V f = 40%, la lunghezza delle bande era di 150 mm. Per il lino non trattato e trattato, per ottenere lo stesso V f, la lunghezza era di 365 mm. La larghezza di ciascuna striscia sarà pari all'altezza di supporto del campione, che è di 20 mm (Figura 1). - Roll le strisce ermeticamente per consentire il loro inserimento nel portacampioni cilindrica R </ Em> = 6 mm.
- Aggiungere un filtro di carta sottile tra il supporto del campione e le armature campione (al fine di eliminare l'effetto del supporto del campione sulla traspirazione). Lo spessore massimo del filtro di carta deve essere 0,1 mm.
- Inserire il campione nel cilindro ed avvitare il tappo forato nella parte inferiore ed il pistone nella parte superiore in modo da garantire la compattazione.
- Bloccare il supporto del campione con il tessuto al tensiometro.
- Tagliare strisce di tessuto lungo la direzione perpendicolare alle fibre (per testare traspirazione nella direzione delle fibre).
- Preparazione di liquidi
- Riempire un recipiente con il liquido di prova e posizionarlo nella presa specifica del tensiometro. Uso vasi di vetro borosilicato e con un diametro di 70 mm.
- Per il primo test (passo 2.1), utilizzare n-esano. Per la seconda prova (fase 2.3), usare acqua. Assicurarsi che il liquido nel serbatoio raggiunge un'altezza di almeno 12 mm.
- parametri sperimentali
- Impostare la soglia di rilevamento della superficie a 8 mg e il TRADUCEvelocità zione della nave liquido a 0,5 mm / s per il rilevamento del liquido.
2. Prove Wicking
NOTA: Dopo la preparazione dei campioni e la configurazione dei parametri Tensiometro, i test di traspirazione può iniziare. Il recipiente liquido si muove entro il liquido è in contatto con il supporto del campione. Poi, liquido sale nel supporto del campione, e il tensiometro misura il guadagno di massa liquida quadrato nel corso del tempo. I dati vengono registrati dal software fornito con il tensiometro. Una curva di massa contro il tempo viene quindi visualizzato per ogni test traspirazione.
- Test iniziale per la determinazione del fattore geometrico:
- Utilizzare un liquido totalmente-bagnante (per cui l'angolo di contatto è 0 °), come n-esano.
- La prova viene interrotta traspirazione quando la curva visualizzata raggiunge un valore costante. Ciò indica che il liquido ha raggiunto la parte superiore del supporto del campione e quindi che l'assorbimento è completo.
(3)
Poiché l'angolo di contatto di avanzamento è supposto 0 ° con n-esano, dalla pendenza della regressione lineare, determinare la costante geometrica, C (mm 5).
NOTA: Tutte le prove sono state condotte in condizioni standard a 20 ° C. Un cambiamento nella temperatura modificare la tensione superficiale del liquido e dei risultati.
(3) NOTA: Dopo aver rimosso il tessuto bagnato, il titolare del campione deve essere pulito perfettamente per evitare errori nei seguenti misure.
- Immergere il porta-campione in un recipiente con acido sulfochromic (50% di una soluzione satura di bicromato di potassio e 50% di acido solforico) per 30 sec.
- Risciacquare con acqua distillata epoi asciugare.
- Utilizzare il liquido per la quale l'angolo di contatto di avanzamento deve essere misurata con una nuova, identica, e secco campione di tessuto.
NOTA: L'acqua è stato utilizzato per validare il metodo. - La prova viene interrotta traspirazione quando la curva visualizzata raggiunge un valore costante. Ciò indica che il liquido ha raggiunto la parte superiore del supporto del campione e che la risalita capillare è completa.
- Montare la parte lineare della curva di assorbimento (m 2 (t)) con l'equazione di Washburn (Equazione 3), poiché la costante, C, è già noto a causa del primo test (passo 2.1), con la pendenza di regressione lineare determinazione l'angolo di contatto di avanzamento, θ un (°).
NOTA: Tutte le prove sono state condotte in condizioni standard a 20 ° C. Un cambiamento nella temperatura modificare la tensione superficiale del liquido e dei risultati.
NOTA: Il tensiometro, come una microbilancia, misura la massa totale di liquido, comprendente sia ascendenti liquido nel tessuto e il contributo del menisco esterni sul supporto del campione e la traspirazione nel filtro. Tali contributi devono essere isolati.
- Mettere la stessa quantità di carta da filtro già usato al punto 1.1.3 nel supporto del campione e ripetere i passaggi 2.1.1-2.1.2.
- Sottrarre il valore costante ottenuto (m 2) dai dati registrati nel passaggio 2.1.3 e spostare la curva di valutare la corretta valutazione della costante geometrica, C.
- Riempire il supporto del campione con la sola carta da filtro e ripetere i passaggi 2.3.1-2.3.2.
- Sottrarre il valore costante ottenuto (m 2) dai dati registrati nel passaggio 2.3.3 e spostare la curva di valutare la corretta valutazione dell'angolo di contatto avanza, θ a.
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Representative Results
Curve di guadagno massa durante wicking ottenuto con il tensiometro per il carbonio e tessuti di lino non trattati e trattati sono illustrati nelle figure 2 e 3. Tutte le curve sono mostrati dopo la sottrazione di entrambi i pesi del menisco esterni dovuti alla carta supporto del campione e del filtro e vengono spostati a zero.
È possibile osservare dal grafico in Figura 2 che, sia con n-esano ed acqua, una misura lineare di Equazione 1 con assorbimento sperimentale è ben realizzati, se i tessuti sono inseriti correttamente nel supporto del campione. L'uso di un filtro di carta è obbligatoria per garantire la ripetibilità delle misure. Ciò rende possibile impostare la costante, C, e quindi calcolare un angolo di contatto di avanzamento apparente, θ a. Curve raggiungono un equilibrio asintotico che è dato dall'altezza del campionestesso, che è limitata a 20 mm per garantire il flusso capillare-driven. Il peso di equilibrio è dovuto alla saturazione del mezzo poroso dal liquido di prova. Essa è pertanto correlata al rapporto in volume delle fibre e del volume interno portacampioni (cioè, la porosità, ε). Con la costante derivata, C, e l'angolo di contatto di avanzamento apparente, θ un (Tabella 1), è possibile determinare la pressione capillare, cap P, lungo la direzione delle fibre per tessuti di carbonio unidirezionali.
Come i tessuti di carbonio, test traspirazione per rinforzi lino non trattati e trattati sono stati effettuati. Figura 3 (a sinistra) mostra curve sperimentali ottenuti su cinque test per il n-esano. Una tendenza lineare è stata osservata sia per tessuti di lino trattati e non trattati, permettendo la determinazione dei fattori geometrici. Solo è stata osservata una leggera differenzatra i tessuti non trattati e trattati, indicando un eventuale calo di tortuosità con il trattamento, ma non dimostrando una modificazione significativa della morfologia. Un effetto significativo del trattamento sul rinforzo lino è mostrato nella Figura 3 (a destra). È ovvio che una misura lineare è disponibile in tessuti trattati, mentre quelle non trattate mostrano chiaramente un andamento non lineare. Risultati medi oltre cinque prove per i tre tipi di rinforzi sono riportati in Tabella 1. Sarà così possibile, dopo misure di tessuti permeabilità, per calcolare con l'equazione 2 una pressione capillare equivalente per tessuti trattati soltanto. Differenze nella assorbimento sono dovute alla sensibilità all'acqua che inducono il rigonfiamento delle fibre di lino. Rigonfiamento delle fibre naturali durante l'assorbimento provoca un aumento del rapporto volume delle fibre, che causa il peso di equilibrio da raggiungere più lentamente. Induce anche un peso di equilibrio più piccolo a causa della diminuzione di porosità. il capillaumento ary è stato già trovato per essere più veloce per tritate, filati di lino trattati; questo risultato è quindi coerente 6. Trattamento rende fibre meno sensibile all'assorbimento di acqua 9, e questo può quindi spiegare le differenze in migrazione per tessuti non trattati e trattati. Un'equazione Washburn modificato che comprende l'effetto di rigonfiamento viene quindi utilizzato per adattarsi ai dati sperimentali di traspirazione in tessuti di lino, permettendo la determinazione della pressione capillare, P tappo 9.
Figura 1: Schema del tensiometro (a sinistra) e il supporto del campione cilindrico (a destra) 8. Questo schema rappresenta la sistemazione tensiometro (sinistra) e raffigura la nave in movimento e l'apparato di pesatura, che registra il peso del campione nel tempo. Il titolare del campione viene visualizzata sul pa destrart del regime. Il pistone e il tappo forato garantire la compattazione dei tessuti può essere visto. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Washburn misura di due prove sperimentali in direzione x, con n-esano (sinistra) e acqua (a destra). Le prove si riferiscono a tessuti di carbonio con V f = 40% 8. Lo scopo di questa figura è di mostrare che la prima parte del grafico traspirazione capillare è lineare, tracciando il guadagno di massa quadrata contro il tempo. Essa mostra anche che questo è verificata per ciascun liquido di prova. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: assorbente curve ottenute con n-esano (sinistra) e acqua (destra) per tessuti di lino non trattati e trattati a V f = 40% 9. Questi grafici mostrano chiaramente che vi è una grande differenza tra i tessuti di lino non trattati e trattati. Mentre un adattamento lineare può essere realizzato con n-esano per entrambi i tessuti, è impossibile per il lino non trattata con acqua. Ciò è dovuto al rigonfiamento delle fibre di lino. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| Tipo di tessuti | Cr (micron) | θ un (°) |
| Carbon UD &# 160; | 12.1 ± 1.5 | 74.8 ± 2.3 |
| Non trattata UD lino | 12.2 ± 1.4 | ? |
| UD lino trattati | 15.3 ± 1.3 | 72.1 ± 1.8 |
Tabella 1: Valori medi misurati del prodotto geometrica e l'angolo di contatto di avanzamento apparente su carbone e tessuti di lino non trattati e trattati. Questa tabella presenta i valori medi oltre cinque prove per ogni tessuto, derivati dalla fit lineare dei grafici sperimentali (m 2 (t)) con l'equazione di Washburn.
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Discussion
Le fasi critiche nel protocollo riguardano la preparazione dei campioni. In primo luogo, il laminato campionata devono essere serrati al fine di rendere l'assunzione di un rapporto in volume delle fibre omogenea. Se vi è un gradiente tenuta nel campione, l'equazione di Washburn 5, 6 non può essere utilizzato per adattarsi alle curve traspirazione. Inoltre, le condizioni al contorno tra il tessuto e il porta campioni sono difficili da controllare. Così, la carta da filtro (1.1.3) deve essere accuratamente inserito i portacampioni 8.
Alcune modifiche della tecnica possono essere fatte per analizzare altre direzioni di assorbimento al fine di valutare gli effetti ortotropi a pressione capillare 8. Ad esempio, si può tagliare le strisce lungo la direzione delle fibre, per testare l'assorbimento nella direzione perpendicolare alle fibre (nel piano di rinforzo); o si può tagliare dischi of rinforzi del radio portacampioni cilindrica e impilarli per testare traspirazione in direzione trasversale.
Tuttavia, la procedura è limitato dall'ipotesi Washburn 5. Inoltre, il metodo è limitato in termini di dimensioni del campione, in quanto né campioni più lunghi né grandi possono essere trattati attualmente. Questo deve essere affrontato per alcuni tipi di tessitura, come rimorchia grandi.
Questo metodo è attualmente l'unico che permette la determinazione della pressione capillare durante l'impregnazione spontanea. Questo parametro è di primaria importanza per la simulazione di fabbricazione composito e formazione di vuoti in parti composite industriali ottenuti da processi di stampaggio compositi liquidi.
Passaggi critici potrebbero dover essere migliorato per ulteriori applicazioni. Modifiche del supporto del campione saranno effettuati al fine di spostare tutti i confini reali. Un'altra applicazione futura è quella di uSE il procedimento per determinare la pressione capillare con resina, che è lo scopo finale dei processi LCM.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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