Testy odprowadzania wilgoci dla tkanin jednokierunkowych: pomiary parametrów kapilarnych w celu oceny ciśnienia kapilarnego w procesach formowania płynnych kompozytów

Ogólnym celem niniejszej procedury jest ocena wartości ciśnienia kapilarnego włókien niezbędnych do projektowania procesów formowania kompozytów z cieczy (liquid composite molding). Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytanie w dziedzinie produkcji kompozytów za pomocą procesów formowania z cieczy, dotyczące powstawania pustek i suchych plam w dużych i złożonych elementach kompozytowych. Zaletą tej techniki jest możliwość zastosowania standardowego tensjometru oraz każdego rodzaju zbrojenia do kompozytów.

Procedurę tę zaprezentuje Monica Francesca Pucci, doktorantka w Laboratorium George'a Friedela w Ecole Mines Saint-Etienne. Aby rozpocząć przygotowanie próbki, odetnij pasek tkaniny prostopadle do splotu o szerokości 20 mm i objętości włókien 40%. Zwiń pasek w ciasny cylinder, dbając o to, aby był on zwinięty równomiernie na całej długości. Owiń próbkę papierem filtrującym o grubości nieprzekraczającej 0,1 mm.

Ostrożnie włóż próbkę do uchwytu na próbkę, upewniając się, że tkanina jest równomiernie oddzielona od uchwytu za pomocą papieru filtracyjnego. Przykręć nakrętki uchwytu, aby skompresować próbkę tkaniny pod tłokiem. Po przygotowaniu próbki tkaniny zamocuj uchwyt do tensjometru.

Napełnij borokrzemianowy pojemnik szklany o szerokości 70 mm n-heksanem do wysokości 12 mm. Umieść pojemnik na platformie podnoszącej tensiometru. W oprogramowaniu tensiometru ustaw prędkość przesuwania pojemnika z cieczą na 0,5 mm/s oraz próg wykrywania powierzchni na 8 mg.

Następnie rozpocznij test nasiąkania. Po zetknięciu cieczy z próbką monitoruj przyrost masy cieczy w czasie w oprogramowaniu urządzenia. Gdy ciecz dotrze do górnej części próbki, co objawi się brakiem dalszego wzrostu masy, zakończ test.

Dopasuj liniowy odcinek krzywej wsiąkania do równania Washburna. Następnie wyznacz stałą geometryczną, przyjmując zero stopni dla kąta zwilżania. Wyjmij uchwyt próbki oraz pojemnik z heksanem z tensiometru.

Otwórz uchwyt na próbkę i wyjmij próbkę tkaniny. Następnie zanurz uchwyt na próbkę w kwasie siarkochromowym na 30 sekund. Opłucz uchwyt na próbkę wodą destylowaną i wysusz go strumieniem sprężonego powietrza.

Przygotuj identyczną próbkę zwiniętej tkaniny owiniętą w papier filtracyjny. Następnie umieść ją w czystym i suchym uchwycie na próbki do pomiaru kąta zwilżania. Zamknij uchwyt na próbki.

Umieść w tensjometrze borokrzemianowy pojemnik o szerokości 70 mm wypełniony wodą do głębokości 12 mm. Następnie zamocuj uchwyt próbki w tensjometrze. Ustaw parametry tensjometru i przeprowadź test nasiąkania.

Dopasuj krzywą wsiąkania do równania Washburna, wykorzystując wcześniej obliczony czynnik geometryczny, a następnie wyznacz kąt zwilżania postępujący. Wyjmij uchwyt próbki i oczyść go kwasem siwych i wodą destylowaną.

Następnie osusz uchwyt sprężonym powietrzem. Włóż kawałek papieru filtracyjnego do uchwytu na próbkę w celu przeprowadzenia kontroli i oceny wpływu masy cieczy pozostałej w uchwycie i na papierze filtracyjnym. Zamocuj uchwyt na próbkę w naczyniu z heksanem w tensjometrze.

Przeprowadź testy nasiąkania i dopasuj krzywą do równania Washburna. Odejmij kwadrat przyrostu masy od poprzedniej wartości uzyskanej w teście z heksanem. Skoryguj stałą geometryczną o przyrost masy wynikający z poboru cieczy przez papier filtracyjny i uchwyt próbki.

Oczyść uchwyt na próbkę i włóż kolejny kawałek papieru filtracyjnego. Umieść uchwyt na próbkę w pojemniku z wodą w tensjometrze. Przeprowadź test wsiąkania i dopasuj krzywą do równania Washburna.

Odejmij wartość kwadratu przyrostu masy od poprzedniej wartości testu wodnego i skoryguj postępujący kąt zwilżania. Tkanina węglowa została oceniona zgodnie z tą procedurą. Zarówno w testach z heksanem, jak i z wodą, krzywa nasiąkania jest liniowa.

Ciśnienie kapilarne można wyznaczyć, wykorzystując pozorny kąt zwilżania podczas przesuwania oraz wartości określone na podstawie czynnika geometrycznego. Podczas oceny tkanin lnianych modyfikowanych i niemodyfikowanych z użyciem heksanu, oba rodzaje tkanin wykazały liniowy trend w przesiąkaniu. Jednakże w przypadku oceny z użyciem wody, próbki lnu niemodyfikowanego nie wykazały trendu liniowego, co uniemożliwiło wyznaczenie kąta zwilżania podczas przesuwania.

Różnicę tę przypisano pęcznieniu nieobrobionych włókien podczas procesu przemywania (sickingu), co wpłynęło na końcową wagę równowagową oraz prędkość przemywania. W celu wyznaczenia ciśnienia kapilarnego w nieobrobionym lnie zastosowano zmodyfikowane równanie Washburna, uwzględniające pęcznienie. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat szacowania ciśnienia kapilarnego w celu zapobiegania powstawaniu pustek lub suchych miejsc w częściach kompozytowych wytwarzanych metodami formowania kompozytów z cieczy.

Po opanowaniu tej techniki, przy prawidłowym wykonaniu, można ją przeprowadzić w 30 minut. Podczas realizacji tej procedury ważne jest zwrócenie uwagi na orientację włókien. Po wykonaniu tej procedury można przeprowadzić testy w przeciwnym kierunku włókien, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak oddziaływanie między autotrofią wzmocnień tkanin a autotrofią efektów kapilarnych.

Po tym opracowaniu technika ta utorowała drogę do badań w zakresie charakterystyki efektu kapilarnego, aby zbadać skoki ciśnienia kapilarnego w kompozytach hybrydowych. Należy pamiętać, że praca z kwasem sulfochromowym może być niezwykle niebezpieczna. Podczas wykonywania tej procedury zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak zapewnienie odpowiedniej wentylacji oraz stosowanie rękawic i okularów ochronnych.