Un método experimental para medir los parámetros geométricos y las aparentes ángulos de contacto de avance que describen capilar de mecha en sintética unidireccional y tejidos naturales que se propone. Estos parámetros son obligatorios para la determinación de las presiones capilares que deben ser tomados en cuenta para aplicaciones de moldeo de material compuesto líquido (LCM).
Artículo de método
Las pruebas de mecha para unidireccionales Tejidos: Las mediciones de parámetros para evaluar capilar capilar de presión en los procesos de líquido compuesto de moldeo
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Resumen
Resumen
Durante la impregnación de un refuerzo fibroso en los procesos de líquidos de moldeo de material compuesto (LCM), efectos capilares han de entenderse con el fin de identificar su influencia en la formación de huecos en piezas de material compuesto. Wicking en un medio fibroso se describe por la ecuación de Washburn se consideró equivalente a un flujo bajo el efecto de la presión capilar de acuerdo con la ley de Darcy. Se llevaron a cabo pruebas experimentales para la caracterización de efecto de mecha tanto con refuerzo de fibra de carbono y el lino. telas cuasi-unidireccionales se ensayaron luego por medio de un tensiómetro para determinar los parámetros morfológicos y de humectación a lo largo de la dirección de la fibra. El procedimiento ha demostrado ser prometedor cuando la morfología de la tela no se modifica durante la absorción capilar. En el caso de telas de carbono, la presión capilar se puede calcular. Las fibras de lino son sensibles a la absorción de humedad y se hinchan en agua. Este fenómeno tiene que ser tomada en cuenta para evaluar los parámetros de humectación. yoPara que las fibras menos sensibles a la absorción de agua n, un tratamiento térmico se llevó a cabo en refuerzos de lino. Este tratamiento mejora la estabilidad morfológica y fibra impide la inflamación en el agua. Se demostró que tratada telas tienen una tendencia de capilaridad lineal similar a los encontrados en los tejidos de carbono, lo que permite la determinación de la presión capilar.
Introducción
Durante la impregnación de refuerzos fibrosos en los procesos de líquidos de moldeo de material compuesto (LSM), el flujo de la resina es impulsado por un gradiente de presión. efectos capilares tienen un efecto adicional que puede competir con el gradiente de presión, dependiendo de los parámetros del proceso. Su influencia en el proceso por lo tanto tiene que ser evaluado 1, 2. Esto se puede hacer mediante la definición de una presión capilar aparente, P tapa, modificando el gradiente de presión inicial 3. Este parámetro puede ser insertado posteriormente en modelos numéricos para simular flujos durante los procesos y predecir con precisión la formación de vacío 4.
La impregnación espontánea de un tejido por un líquido (efecto de mecha) puede ser descrita por la ecuación de Washburn 5. Originalmente, la ecuación de Washburn describe el ascenso capilar de un líquido en un tubo. Esta ecuación was extendieron entonces para estructuras porosas, tales como refuerzos fibrosos, que se pueden aproximar a una red de tubo capilar. Considerando un soporte de la muestra cilíndrica con un radio, R, lleno de un medio poroso, la ecuación de Washburn se modificó en forma de ganancia de masa al cuadrado (m² (t)) con el tiempo, de la siguiente 6:
(1)
donde c es un parámetro que representa el tortuosidad, r es el radio medio de los poros, y ε = 1-V f es la porosidad (V f siendo la relación en volumen de fibra). Todos los parámetros de los corchetes se refieren a la morfología y la configuración del medio poroso, y que se pueden consolidar en una constante, C, se refiere como el "factor medio poroso geométrica." Los otros parámetros expresan lala dependencia de la mecha sobre las interacciones entre el medio y el líquido (a través de ρ, η y γ L, que son, respectivamente, la densidad, la viscosidad y la tensión superficial del líquido, y por medio de θ a, un aparente avance de ángulo de contacto).
En paralelo, el flujo a través de un medio poroso generalmente se modela con la conocida ley de Darcy 7, que se refiere una velocidad de fluido equivalente, v D, a la caída de presión a través de la permeabilidad del medio, K, y la viscosidad del líquido, η . Esta ecuación también permite la expresión de la ganancia de masa con una raíz cuadrada del tiempo y por lo tanto a la consideración de la equivalencia entre las dos ecuaciones. De esta equivalencia entre la ecuación de Washburn y la ley de Darcy, la presión capilar se define entonces como sigue 8:
(2)
Aquí, el foco principal es describir el procedimiento experimental para medir los factores geométricos y la aparente avance de los ángulos de contacto para las telas unidireccionales, con el objetivo de determinar la presión capilar. Este método se basa en el uso de un tensiómetro para realizar pruebas de efecto de mecha (Figura 1). Un tensiómetro es una microbalanza con una resolución de 10 g que mide la masa de líquido que forma ya sea un menisco alrededor de un sólido o ascendiendo un medio fibroso. Pruebas de efecto de mecha se llevaron a cabo teniendo en cuenta una caracterización unidimensional (dirección a lo largo de las fibras) 8, 9. Telas cuasi-unidireccionales utilizados para validar el procedimiento fueron (UD) telas de carbono unidireccionales en una V f = 40%. Una vez que se ha validado el método, telas de lino fueron sometidos a un tratamiento térmico tsombrero modifica el comportamiento de humectación de las fibras 6, y las pruebas de efecto de mecha se realizaron con diferentes relaciones de volumen de fibra (de 30% a 40%) para ambas telas de lino tratadas y no tratadas. Para determinar los parámetros morfológicos y humectantes, al menos dos pruebas de mecha son obligatorios: el primero con un líquido totalmente-humectantes, como n-hexano, para determinar C (Ecuación 1), y el segundo uno con el líquido de interés, determinar el ángulo de contacto de avance aparente una vez que C se conoce. En el primer enfoque, se usó agua para evaluar el procedimiento.
Este método se puede aplicar a diferentes tejidos y líquidos, lo que permite la evaluación de la influencia de la geometría del material (la morfología de los tejidos), la porosidad (diferentes relaciones de volumen de fibra), y la viscosidad y la tensión superficial de líquido en los fenómenos de impregnación capilar. Es obvio que el procedimiento de acuerdo con la teoría de Washburn (Ecuación 1) se puede adoptar sólo si absorbe la curves (m² (t)) registrado por el tensiómetro tienen una tendencia lineal. Esto significa que los parámetros en la Ecuación 1 debe permanecer constante durante todo el proceso de efecto de mecha. Si este no es el caso, como refuerzos de lino en agua, porque las fibras se someten a la hinchazón 10, 11, la ecuación de Washburn debe ser modificado para incluir el efecto de la inflamación con el fin de describir las pruebas correctamente 9. Los tejidos tratados se encontró que eran menos sensibles a la absorción de agua 9. Factores geométricos y parámetros humectantes pueden medirse a partir ajustes lineales, lo que permite el cálculo de la presión capilar, P tapa.
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Protocolo
Precaución: Consulte todas las hojas de datos de seguridad del producto. Los productos químicos utilizados en las pruebas sean tóxicas y cancerígenas. Usar el equipo de protección personal (gafas de seguridad, guantes, bata de laboratorio, pantalones largos y zapatos cerrados).
1. Configuración para las Pruebas
- Preparación de las muestras
- Cortar tiras de tela a lo largo de la dirección perpendicular a las fibras (con el fin de ensayo de absorción en la dirección de la fibra).
NOTA: Las longitudes de las tiras se calculan con el fin de obtener una relación en volumen de fibras definido. Para los tejidos de carbono, para obtener V f = 40%, la longitud de las tiras era de 150 mm. Para el lino tratada y no tratada, para lograr el mismo V f, la longitud era de 365 mm. La anchura de cada tira será igual a la altura del soporte de la muestra, que es 20 mm (Figura 1). - Rollo de las tiras herméticamente para permitir su inserción en el soporte de la muestra cilíndrica de R </ Em> = 6 mm.
- Añadir un filtro de papel fino entre el soporte de muestra y los refuerzos de la muestra (con el fin de suprimir el efecto del soporte de la muestra en el efecto de mecha). El espesor máximo del filtro de papel debe ser de 0,1 mm.
- Insertar la muestra en el cilindro y el tornillo de la tapa perforado en la parte inferior y el pistón en la parte superior con el fin de garantizar la compactación.
- Fije el soporte de la muestra con el tejido para el tensiómetro.
- Cortar tiras de tela a lo largo de la dirección perpendicular a las fibras (con el fin de ensayo de absorción en la dirección de la fibra).
- Preparación de los líquidos
- Llenar un recipiente con la prueba de líquido y colocarlo en el recipiente específico del tensiómetro. Use vasos de vidrio de borosilicato y con un diámetro de 70 mm.
- Para la primera prueba (paso 2.1), utilizar n-hexano. Para la segunda prueba (paso 2.3), utilizar agua. Asegúrese de que el líquido en el recipiente alcanza una altura de al menos 12 mm.
- parámetros experimentales
- Establecer el umbral de detección en la superficie de 8 mg y la translavelocidad de la del recipiente de líquido a 0,5 mm / s para la detección del líquido.
2. Pruebas de mecha
NOTA: Después de la preparación de muestras y la configuración de los parámetros del tensiómetro, las pruebas de mecha pueden comenzar. El recipiente de líquido se mueve hacia arriba hasta que el líquido está en contacto con el soporte de muestra. Entonces, líquido sube en el soporte de la muestra, y el tensiómetro mide la ganancia de masa líquida cuadrado con el tiempo. Los datos son registrados por el software suministrado con el tensiómetro. Una curva de la masa en función del tiempo se visualiza a continuación para cada prueba de mecha.
- Prueba inicial para determinar el factor geométrico:
- Utilice un líquido totalmente humectante (para el que el ángulo de contacto es de 0 °), tal como n-hexano.
- Detener la prueba de mecha cuando la curva visualizada alcanza un valor constante. Esto indica que el líquido ha alcanzado la parte superior del soporte de la muestra y por lo tanto que el efecto de mecha es completa.
- Montar la tendencia lineal de la curva de absorción (m 2 (t)) con la ecuación de Washburn:
(3)
Puesto que el ángulo de contacto de avance se supone 0 ° con n-hexano, a partir de la pendiente de ajuste lineal, determinar la constante geométrica, C (mm 5).
NOTA: Todas las pruebas se llevaron a cabo en condiciones estándar a 20 ° C. Un cambio en la temperatura modificará la tensión superficial del líquido y los resultados.
- Limpieza de soporte de la muestra para las siguientes pruebas
NOTA: Después de retirar el tejido húmedo, el soporte de la muestra tiene que ser limpiada perfectamente para evitar errores en las siguientes mediciones.- Sumergir el soporte de la muestra en un recipiente con ácido sulfocrómico (50% de una solución saturada de dicromato de potasio y 50% de ácido sulfúrico concentrado) durante 30 s.
- Enjuague con agua destilada y seluego secarlo.
- Segunda prueba para la determinación del ángulo de contacto de avance aparente
- Utilice el líquido para el que el ángulo de contacto de avance tiene que ser medido con un nuevo, idéntico, y seca de la muestra de tejido.
NOTA: El agua se utilizó con el fin de validar el método. - Detener la prueba de mecha cuando la curva visualizada alcanza un valor constante. Esto indica que el líquido ha alcanzado la parte superior del soporte de la muestra y que el ascenso capilar es completa.
- Montar la parte lineal de la curva de efecto de mecha (m 2 (t)) con la ecuación de Washburn (Ecuación 3), ya que la constante, C, ya se conoce debido a la primera prueba (paso 2.1), con la pendiente de ajuste lineal determinar el ángulo de contacto de avance, un θ (°).
NOTA: Todas las pruebas se llevaron a cabo en condiciones estándar a 20 ° C. Un cambio en la temperatura modificará la tensión superficial del líquido y los resultados.
- Utilice el líquido para el que el ángulo de contacto de avance tiene que ser medido con un nuevo, idéntico, y seca de la muestra de tejido.
- Evaluación de la contribución de peso de líquido debido a la portamuestras
NOTA: El tensiómetro, como una microbalanza, mide la masa total de líquido, incluyendo tanto la ascendente de líquido en el tejido y la contribución de los meniscos externos en el soporte de la muestra y el efecto de mecha en el filtro. Esas contribuciones deben ser aislados.- Ponga la misma cantidad de papel de filtro tal como se utiliza en el paso 1.1.3 en el soporte de muestra y repetir los pasos 2.1.1-2.1.2.
- Restar el valor constante obtenido (m 2) a partir de los datos registrados en el paso 2.1.3 y desplazar la curva de evaluar la correcta evaluación de la constante geométrica, C.
- Llenar el soporte de muestras con sólo el papel de filtro y repita los pasos 2.3.1-2.3.2.
- Restar el valor constante obtenido (m 2) a partir de los datos registrados en el paso 2.3.3 y desplazar la curva de evaluar la correcta evaluación del ángulo de contacto de avance, un theta.
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Resultados
Curvas de ganancia de masa durante Wicking obtenido con el tensiómetro para tejidos de lino no tratados y tratados de carbono y se muestran en las figuras 2 y 3. Todas las curvas se muestran después de la resta de los dos pesos de los meniscos externos debido al papel soporte de la muestra y el filtro y se desplazan a cero.
Es posible observar en las parcelas de la Figura 2 qu...
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Discusión
Los pasos críticos en el protocolo refieren a la preparación de las muestras. En primer lugar, el laminado en muestras tiene que ser apretado con el fin de hacer la suposición de una relación de volumen de fibra homogénea. Si hay un gradiente de tensión en la muestra, la ecuación de Washburn 5, 6 no se puede utilizar para adaptarse a las curvas de efecto de mecha. Además, las condiciones de contorno entre el tejido y el soporte de muestra son difíciles de contro...
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Tejidos de carbono UD Hexcel | 48580 | ||
| Tejidos de lino UD | Libeco | FLAXDRY UD 180 | |
| n-Hexano | Sigma Aldrich | ||
| Ácido sulfocrómico | casero | tóxico y corrosivo | |
| Papel de filtro | Dataphysic | FP11 | |
| Tensiómetro | Dataphysic | DCAT11 |
Referencias
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- Ravey, C., Ruiz, E., Trochu, F. Determination of the optimal impregnation velocity in resin transfer molding by capillary rise experiments and infrared thermography. Compos Sci Technol. 99, 96-102 (2014).
- Verrey, J., Michaud, V., Månson, J. -A. Dynamic capillary effects in liquid composite moulding with non-crimp fabrics. Compos Part A: Appl Sci Manuf. 37 (1), 92-102 (2006).
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