פתילה ומבחני בדים חד-כיווניים: מדידות של פרמטרים נימי להערכת לחץ נימים בתהליכי דפוס Composite הנוזל

המטרה הכללית של נוהל זה היא להעריך את ערכי לחץ הנימיים של הסיבים הדרושים לתכנון תהליכי עיצוב של חומרים מרוכבים בנוזל (liquid composite molding). שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלה מרכזית בתחום ייצור חומרים מרוכבים באמצעות תהליכי עיצוב בנוזל, בנוגע להיווצרות של בועות אוויר ואזורים יבשים בחלקים מרוכבים גדולים ומורכבים. היתרון של טכניקה זו הוא שניתן להשתמש בה עם טנסיומטר סטנדרטי ובכל סוג של חיזוק עבור חומרים מרוכבים.

מי שתדגים את ההליך היא מוניקה פרנצ'סקה פוצ'י, סטודנטית לדוקטורט במעבדת ג'ורג' פרידל, כאן ב-Ecole Mines Saint-Etienne. כדי להתחיל בהכנת הדגימה, חתכו רצועת בד בניצב לסיבי הבד, ברוחב 20 millimeters ובנפח סיבים של 40%. גלגלו את הרצועה לצורת גליל הדוק, תוך וידוא שהגלגול אחיד לאורכה. עטפו את הדגימה בנייר סינון שאינו עולה על 0.1 millimeters בעוביו.

הכנס את הדגימה בזהירות למחזיק הדגימה, תוך וידאי שבד הבד מופרד באופן אחיד מהמחזיק על ידי נייר המסנן. הברג את מכסי מחזיק הדגימה כדי לדחוס את דגימת הבד תחת הבוכנה. לאחר הכנת דגימת הבד, הדק את מחזיק הדגימה למד-המתח (tensiometer).

מלאו כלי זכוכית בורוסיליקט ברוחב 70 מילימטר ב-n-hexane עד לגובה של 12 מילימטר. הניחו את הכלי על פלטפורמת ההגבהה של הטנסיומטר. בתוכנת הטנסיומטר, הגדירו את מהירות ההזזה של כלי הנוזל ל-0.5 מילימטר לשנייה ואת סף זיהוי הפני השטח לשמונה מיליגרם.

לאחר מכן, התחילו את בדיקת הספיגה. ברגע שהנוזל בא במגע עם הדגימה, עקבו אחר העלייה במסת הנוזל לאורך זמן בתוכנת המכשיר. כאשר הנוזל מגיע לחלק העליון של הדגימה, כפי שניכר מהיעדר עלייה נוספת במסה, סיימו את הבדיקה.

התאימו את המקטע הליניארי של עקומת הספיגה למשוואת Washburn. קבעו את הקבוע הגאומטרי תוך שימוש באפס מעלות עבור זווית המגע המתקדמת. הוציאו את מחזיק הדגימה ואת מיכל ה-hexane מהטנסיומטר.

פתחו את מחזיק הדגימה והוציאו ממנו את דגימת הבד. לאחר מכן, טבלו את מחזיק הדגימה בחומצה סולפוכרומית למשך 30 שניות. שטפו את מחזיק הדגימה במים מזוקקים וייבשו אותו תחת זרם של אוויר דחוס.

הכינו דגימת בד מגולגלת זהה העטופה בנייר סינון. מקמו אותה בתוכן הדגימות הנקי והיבש למדידת זווית מגע מתקדמת. סגרו את תוכן הדגימות.

הנח בתוך הטנסיומטר מכל זכוכית בורוסיליקט ברוחב 70 מילימטר המולא במים לעומק של 12 מילימטר. הדק את מחזיק הדגימה בטנסיומטר. הגדר את פרמטרי הטנסיומטר ובצע את בדיקת הספיגה.

התאימו את עקומת הספיגה למשוואת Washburn באמצעות הגורם הגיאומטרי שחושב קודם לכן, וקבעו את זווית המגע המתקדמת. הסירו ונקו את מחזיק הדגימות באמצעות חומצה סולפוכרומית ומים מזוקקים.

ייבשו את התומך באמצעות אוויר דחוס. הניחו פיסת נייר סינון בתומך הדגימה כביקורת להערכת תרומת משקל הנוזל מהתומך ונייר הסינון. קבעו את תומך הדגימה בתוך מיכל עם hexane בטנסיומטר.

בצעו את בדיקת הספיגה (sicking test) והתאימו את העקומה למשוואת Washburn. החסירו את הפרש מסת ההשבה בריבוע מערך בדיקת ההקסאן הקודם. תקנו את הקבוע הגיאומטרי על פי עליית המסה כתוצאה מספיגת נוזלים על ידי נייר הסינון ומחזיק הדגימה.

נקה את מחזיק הדגימה והכנס פיסת נייר סינון נוספת. הנח את מחזיק הדגימה בתוך מיכל עם מים בטנסיומטר. בצע את בדיקת הספיגה (sicking test) והתאם את העקומה למשוואת Washburn.

חסרו את ערך מסת ההשגה בריבוע מערך בדיקת המים הקודם, ותקנו את זווית המגע המתקדמת. בד רסס פחמן הוערך באמצעות הליך זה. הן בבדיקות ההקסאן והן בבדיקות המים, עקומת הספיגה היא ליניארית.

ניתן לקבוע את הלחץ הקפילרי באמצעות זווית המגע המתקדמת הנראית וערכים שנקבעו מהגורם הגאומטרי. כאשר נבדקו בדהקסאן בדים של פשתן מטופלים ולא מטופלים, שני הבדים הראו מגמה ליניארית בספיגה (sicking). עם זאת, כאשר נבדקו במים, דגימות הפשתן שלא טופלו לא הראו מגמה ליניארית, דבר שמנע את קביעת זווית המגע המתקדמת.

הבדל זה יוחס לנפיחות של הסיבים שלא עברו טיפול במהלך תהליך ה-sicking, דבר שהשפיע על משקל שיווי המשקל הסופי ועל מהירות ה-sicking. כדי לקבוע את הלחץ הקפילרי בפשת שלא עברה טיפול, נעשה שימוש במשוואת Washburn שונה המתחשבת בנפיחות. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן להעריך את הלחץ הקפילרי כדי למנוע היווצרות חללים או נקודות יבשות בחלקי קומפוזיט המיוצרים בתהליכי עיצוב קומפוזיט בנוזל (liquid composite molding).

ברגע שהטכניקה תהיה שולטת, ניתן לבצעה בתוך 30 דקות אם היא מבוצעת כראוי. בעת ביצוע הליך זה, חשוב להקפיד על כיוון הסיבים. לאחר ביצוע הליך זה, ניתן לבצע בדיקות בכיוון הסיבים השני כדי לענות על שאלות נוספות, כגון האינטראקציה בין האוטוטרופיה של חיזוקי הבד לבין האוטוטרופיה של אפקטים קפילריים.

בעקבות פיתוח זה, סללה טכניקה זו את הדרך למחקר בתחום אפיון אפקט הנימיות, כדי לבחון קפיצות בלחץ הנימיות בתרכובות היברידיות. זכרו כי עבודה עם חומצה סולפוכרומית עלולה להיות מסוכנת ביותר. ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות כגון אוורור נאות, כפפות ומשקפי מגן בעת ביצוע הליך זה.