Summary
실험 방법은 기하학적 파라미터 제안 단방향 합성 및 천연 섬유의 모세관 위킹을 설명 겉보기 전진 접촉각을 측정 하였다. 이러한 매개 변수는 액체 복합 성형 (LCM) 응용 프로그램에 대한 고려되어야한다 모세관 압력의 결정을위한 필수입니다.
Abstract
액체 복합 성형 (LCM) 공정에서 섬유 강화 함침 동안 모세관 효과는 복합 부품에 보이드 형성에 미치는 영향을 확인하기 위해 이해되어야한다. 워시번 방정식에 의해 설명 섬유 매체에 위킹은 다씨 법에 따른 모세관 압력의 영향 하에서 흐름에 동등한 것으로 간주 하였다. 위킹의 특성에 대한 실험 시험은 모두 탄소와 아마 섬유 보강으로 실시 하였다. 준 단방향 패브릭이어서 섬유 방향을 따라 형태 및 습윤 파라미터를 결정하는 장력에 의해 시험 하였다. 절차는 직물의 형태는 모세관 위킹 동안 변하지 때 유망한 것으로 나타났다. 탄소 섬유의 경우에는, 모세관 압력이 계산 될 수있다. 아마 섬유는 수분 흡수에 민감 물에 팽윤. 이 현상은 습윤 파라미터를 평가하기 위해 고려되어야한다. 나는해당 수분 흡수에 섬유가 덜 민감하게하기 위해, 열 처리는 아마 강화재를 행했다. 이 치료는 섬유 형태 안정성을 향상시키고 물 붓기 방지. 이는 직물 모세관 압력의 측정을 가능하게 탄소 섬유에서 발견되는 것과 유사한 선형 위킹 경향이 처리 것으로 나타났다.
Introduction
액체 복합 성형 (LSM) 공정에서, 섬유 강화재 함침 동안, 수지 흐름은 압력 구배에 의해 구동된다. 모세관 효과는 공정 파라미터에 따라 압력 구배와 경쟁 할 수있는 부가적인 효과를 갖는다. 프로세스에 미치는 영향은 따라서 2,1 평가되어야한다. 이것은 초기 압력 구배 3 수정 겉보기 모세관 압력 P 캡을 형성함으로써 수행 될 수있다. 이 파라미터는 후속 공정 중에 유동을 시뮬레이션하기 위해 수치 모델에 삽입 될 수 있고 정확하게 공극 형성 (4) 예측.
액체 (심지)에 의한 직물의 자발 함침은 워시번 방정식 (5)에 의해 설명 될 수있다. 원래는 워시번 방정식 튜브에서 액체의 모세관 상승을 설명했다. 이 방정식 WAS는 모세관 네트워크로 근사화 될 수있는 섬유 강화재로서 다공질 구조를 위해 확장했다. (6) 다음과 같은 다공성 물질로 채워진 반경 R, 원통형 샘플 홀더를 감안 워시번 방정식 시간 경과 제곱 질량 이득 (평방 미터 (t))의 형태로 변형 하였다 :
(1)
C는 비틀림 차지 파라미터이고, R 평균 세공 반경이고, ε = 1의 V-F는 다공성 (섬유 체적 비율 인 F V)이다. 대괄호의 모든 파라미터는 다공성 물질의 형태 및 구성에 관여하고, 그들은이라 상수, C,로 통합 될 수있다 "형상 계수 다공성 매질." 다른 매개 변수를 표현η, ρ를 통해 (매체와 액체 사이의 상호 작용에 심지의 의존성, 그리고 γ의 L, 있는 각각의 밀도, 점도 및 표면 장력의 액체 및 θ의 관통, 겉보기 전진 접촉각).
병행하여, 다공성 매질을 통한 흐름은 일반적 η 매체, K, 액상 점도의 투과성을 통한 압력 강하에 동등한 유속, 브이 D 관한 공지 다씨 법 7로 모델화 . 이 방정식은 또한 시간의 제곱근이고, 따라서 두 식 사이의 등가의 고려 질량 이득의 발현을 허용한다. (8) 다음과 같이 워시번 방정식과 다씨 법 사이에서 동등한 모세관 압력은 정의 :
(2)여기서, 주요 초점은 모세관 압력을 판정 할 목적으로, 기하학적 요인 향성 직물 겉보기 전진 접촉각을 측정하는 실험 방법을 설명한다. 이 방법은 심지 테스트 (그림 1)를 수행하기 위해 장력을 이용하여 사용합니다. 장력 계 액체 질량 중 고체 주위 메 니스 커스를 형성 또는 섬유 매체 오름차순 10 μg의 측정 해상도와 마이크로 밸런스이다. 위킹 시험 일차원 특성 (섬유 방향을 따라서) 8, 9를 고려하여 수행 하였다. 절차를 확인하는 데 사용 준 단방향 직물은 V f를 = 40 %의 탄소 단방향 (UD) 직물이었다. 방법의 유효성을 검사 한 후, 아마 직물은 열처리 t에 제출했다모자 섬유 (6)의 습윤 동작을 수정하고, 위킹 시험 치료 및 치료 아마 섬유 모두 (40 %, 30 %에서) 다른 섬유 체적비로 수행 하였다. 형태 및 습윤 파라미터를 결정하기 위해, 적어도 두 개의 위킹 시험 필수 : n- 헥산과 같은 완전히 습윤 액체와 함께 첫 번째는, C (수학 식 1), 관심있는 액체와 상기 제 하나를 결정하는, 결정 C 번 겉보기 전진 접촉각이 알려져있다. 첫 번째 방법에있어서, 물이 절차를 평가 하였다.
이 방법은 소재 형상 (직물의 형태), 기공률 (다른 섬유 체적비) 점도와 모세관 함침 현상에 액체의 표면 장력의 영향의 평가를 허용하는 다양한 직물 및 액체에 적용될 수있다. 워시번 이론 (수학 식 1)에있어서의 절차 만 위킹 CU 경우 채택 될 수 있음이 명백rves (평방 미터 (t))를 장력에 의해 기록은 선형 경향이있다. 이것은 식 1에서의 파라미터는 전체 위킹 공정 동안 일정하게 유지해야한다는 것을 의미한다. 섬유 10 11 팽윤 거칩니다 때문에이 물에 아마 보강재와 그렇지 않은 경우 워시번 방정식 테스트 적절히 9를 설명하기 위해 팽윤 효과를 포함하도록 수정되어야한다. 처리 된 패브릭의 물 수착 9에 덜 민감한 것으로 밝혀졌다. 형상 계수와 습윤 파라미터 모세관 압력 P 캡의 계산을 허용 선형 적합에서 측정 할 수있다.
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Protocol
주의 : 모든 관련 물질 안전 보건 자료를 참조하십시오. 시험에 사용되는 화학 물질은 독성 및 발암 성이다. 개인 보호 장비 (안전 안경, 장갑, 실험실 코트, 전체 길이 바지와 폐쇄 발가락 신발)를 사용합니다.
테스트 1. 설치
- 시료의 준비
- (섬유 방향 흡상 테스트하기 위해), 섬유에 직교하는 방향으로 직물의 스트립을 절단.
주 : 스트립의 길이가 정의 된 섬유 체적 비율을 얻기 위해 계산된다. 탄소 섬유의 경우, V = F의 40 %를 얻기 위해 상기 스트립의 길이는 150mm이었다. 치료 및 치료 아마 들어, 동일한 V f를 달성하기 위해, 길이는 365mm이었다. 각 스트립의 폭은 20mm (도 1)은 샘플 홀더의 높이와 동일 할 것이다. - R <원통형의 시료 홀더로 그들의 삽입을 허용하도록 단단히 스트립 롤/ EM> = 6mm.
- (심지의 샘플 홀더의 영향을 억제하기 위해) 샘플 홀더 샘플 보강재 사이의 얇은 종이 필터를 추가한다. 종이 필터의 최대 두께는 0.1 mm이어야한다.
- 실린더에 시료를 넣고 압축을 보장하기 위해 맨 아래쪽 드릴 캡 피스톤 스크류.
- 장력에 패브릭 샘플 홀더를 클램프.
- (섬유 방향 흡상 테스트하기 위해), 섬유에 직교하는 방향으로 직물의 스트립을 절단.
- 액체의 제조
- 액체 시험과 용기를 입력하고 장력의 특정 콘센트에 배치합니다. 사용 혈관 붕규산 유리, 70 mm의 직경으로했다.
- 첫번째 시험 (단계 2.1)를 들면, n- 헥산을 사용한다. 두 번째 테스트 (단계 2.3)의 경우, 물을 사용합니다. 용기 내의 액체가 최소 12 mm의 높이에 도달했는지 확인하십시오.
- 실험 매개 변수
- 8 mg을하고 transla에 표면 감지 임계 값을 설정액체의 검출을위한 0.5 mm / s의 액체 용기의 기 속도.
2. 심지 테스트
참고 : 시료의 준비 및 장력 파라미터의 설정 후, 위킹 시험을 시작할 수있다. 액체 샘플 홀더에 접촉 할 때까지 상기 액체 용기까지 이동한다. 이어서, 액체 샘플 홀더에 상승하고, 장력을 시간 경과 제곱 액체 질량 증가를 측정한다. 데이터는 장력과 함께 제공되는 소프트웨어에 의해 기록된다. 시간에 대한 질량의 한 곡선은 각 심지 시험을 시각화한다.
- 기하학적 요소를 결정하기위한 초기 테스트 :
- 완전히 습윤 액체 (있는 접촉각이 0 ° 임), 예컨대 n- 헥산을 사용한다.
- 시각화 곡선 상수 값을 얻을 때 위킹 테스트를 중지합니다. 이는 액체의 위킹이 완료되었음을 따라서 샘플 홀더의 상부에 도달했음을 나타낸다.
(삼)
전진 접촉각은 선형 피팅의 기울기로부터 n- 헥산으로 0 °를 상정하고 있기 때문에, 기하학적 상수, C (5 mm)를 결정한다.
주 : 모든 시험은 20 ℃ 표준 조건 하에서 수행 하였다. 온도의 변화는 액체의 표면 장력 및 결과를 수정한다.
(삼) 주 : 젖은 직물을 제거한 후, 샘플 홀더는 다음의 측정에서 에러를 방지하기 위해 완벽하게 세척한다.
- 30 초 동안 sulfochromic 산 (중크롬산 칼륨의 포화 용액 50 %의 농축 황산 50 %)을 가진 용기에 샘플 홀더를 담근다.
- 증류수를 씻어다음 건조.
- 전진 접촉각은 새로운 동일, 건조 직물 샘플로 측정되어야하는 액체를 사용한다.
주 : 물에있어서의 유효성을 검증하기 위해 사용되었다. - 시각화 곡선 상수 값을 얻을 때 위킹 테스트를 중지합니다. 이 액체 샘플 홀더의 상부에 도달 한 것을 모세관 상승이 완료되었음을 나타낸다.
- 상수, C 있기 때문에, 이미 결정 선형 피팅의 기울기와, 첫 번째 테스트 (2.1 단계)로 인해 알려진는 워시번 식 (식 3)과 심지 곡선 (m 2 (t))의 선형 부분에 맞는 전진 접촉각 θ A (°).
주 : 모든 시험은 20 ℃ 표준 조건 하에서 수행 하였다. 온도의 변화는 액체의 표면 장력 및 결과를 수정한다.
주 : 장력하기, 마이크로 저울로 직물 내의 액체 상승하고 샘플 홀더의 외부 메 니스 커스의 기여 및 필터에 위킹 모두 포함 된 액체의 총 질량을 측정한다. 이러한 기여는 격리해야합니다.
- 샘플 홀더에 단계 1.1.3에서 사용하고 반복 2.1.1-2.1.2 단계로 필터 종이의 동일한 금액을 넣습니다.
- 단계 2.1.3에 기록 된 데이터로부터 획득 된 상수 값 (m 2)를 빼고 기하학적 상수 C의 정확한 평가를 평가하는 곡선을 이동.
- 만 여과지를 반복 2.3.1-2.3.2 단계에 샘플 홀더를 입력합니다.
- 단계 2.3.3에 기록 된 데이터로부터 획득 된 상수 값 (m 2)를 빼고 전진 접촉각의 정확한 평가를 평가하는 곡선을 이동하는이 θ.
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Representative Results
탄소와 치료 및 치료 아마 직물의 장력을 얻을 심지 동안 대량의 이득 곡선은 그림 2와 3에 표시됩니다. 모든 곡선 인해 샘플 홀더 및 필터 종이 외부 메 니스 커스의 양쪽 가중치의 감산 후 나타낸다 0으로 시프트된다.
이 직물은 샘플 홀더에 적절하게 삽입되는 경우에, n- 헥산 및 물을 위킹 실험과 수학 식 (1)의 선형 피팅을 모두 잘 달성된다,도 2의 플롯에서 관찰 할 수있다. 여과지의 사용은 측정의 재현성을 보장하기 위해 필수적이다. 이것은 상수 C를 설정하는 것이 가능하게, 다음 겉보기 전진 접촉각을 계산하기 위해,이 θ. 곡선은 샘플의 높이에 의해 주어진다 점근선 평형에 도달20mm로 제한 자체 모세관 구동 흐름을 보장한다. 평형 중량 인해 시험액에 의한 다공성 물질의 포화이다. 또한 이와 같이 섬유 체적 비율과 샘플 홀더 내부 체적과 관련된다 (즉, 공극률 ε). 유도 된 상수 C와 겉보기 전진 접촉각 A (표 1) θ, 단방향 탄소 직물 섬유 방향 모세관 압력 P 캡을 결정하는 것이 가능하다.
탄소 섬유와 마찬가지로, 치료 및 치료 아마 보강재 흡상 시험을 수행 하였다. 그림 3 (왼쪽) n- 헥산에 다섯 시험에서 얻어진 실험 곡선을 보여줍니다. 선형 추세는 기하학적 요인의 판정을 허용 모두 처리하고 미처리 아마 섬유 관찰되었다. 단지 약간의 차이가 관찰되었다치료 및 치료 직물 사이 비틀림 치료의 궁극적 인 감소를 나타내는 아닌 형태의 상당한 변형을 보여주는. 아마 보강에 치료의 중요한 효과는 그림 3 (오른쪽)에 표시됩니다. 이는 미처리 된 것과 분명히 비선형 추이를 표시하는 동안 선형 착용감, 처리 직물에 가능하다는 것을 자명하다. 보강재의 세 가지 유형에 대한 다섯 가지 테스트를 통해 평균 결과는 표 1에 제시되어있다. 그것은 따라서 수학 식 2 만 처리 직물 상응하는 모세관 압력을 계산하기 위해, 직물 투과도를 측정 한 후, 가능합니다. 위킹의 차이는 아마 섬유의 팽창을 유도 물에 대한 민감성에 기인한다. 위킹 동안 자연 섬유 붓기 평형 중량 더 느리게 도달되도록 섬유 체적 비율을 증가시킨다. 또한 의한 다공성의 감소에 작은 평형 중량을 유도한다. capill진 상승은 이미 빠른 다진, 처리 아마 원사 것으로 밝혀졌다; 이 결과는 6 그러므로 간섭이다. 치료 물 수착 9 섬유가 덜 민감하게하고, 따라서이 치료 및 치료를위한 직물 심지의 차이를 설명 할 수있다. 팽창의 영향을 포함하는 개질 워시번 방정식은 모세관 압력 판정, P 캡 (9)을 허용 아마 직물 심지의 실험에 맞게 사용된다.
그림 1 : 장력 (왼쪽)와 원통형 샘플 홀더 (오른쪽)의 계획 8. 이 방식은 설치 장력 (왼쪽)으로 이동 나타내고 용기 시간별 시료 무게를 기록하는 계량 장치를 도시한다. 샘플 홀더는 오른쪽 파에 표시됩니다계획의 RT. 피스톤과 직물의 압밀을 보장 드릴 캡을 알 수있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2는 X 방향의 두 실험 테스트 워시번 착용감, n- 헥산 (왼쪽) 및 물 (오른쪽)와. 시험은 V f를 = 40 % 8 탄소 섬유를 참조하십시오. 이 도면의 목적은 시간에 대한 제곱 질량 이득 플로팅 모세관 위킹 그래프의 첫 번째 부분은 선형임을 보여주는 것이다. 또한이 각 시험액에 대한 확인을 보여준다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : 심지 곡선 = 40 % 9 V의 F에서 치료 및 치료 아마 직물을 위해 (왼쪽) n- 헥산과 물 (오른쪽)로 취득. 이 그래프는 명확 치료 및 치료 아마 섬유 사이에 큰 차이가 있음을 보여준다. 선형 피트 양쪽 천의 n- 헥산으로 달성 될 수 있지만, 물과 미처리 아마 불가능하다. 이것은 아마 섬유의 팽윤에 기인한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 직물의 종류 | CR (μm의) | θ A (°) |
| 탄소 UD &# 160; | 12.1 ± 1.5 | 74.8 ± 2.3 |
| 치료 아마 UD | 12.2 ± 1.4 | ? |
| 치료 아마 UD | 15.3 ± 1.3 | 72.1 ± 1.8 |
표 1 : 기하학적 제품 탄소 및 치료 및 치료 아마 직물에 분명한 전진 접촉각 측정 값의 평균. 이 표는 워시번 식으로 실험 그래프의 선형 피팅 (m 2 (t))에서 파생 된 각 패브릭 다섯 시험의 평균 값을 제공합니다.
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Discussion
프로토콜의 중요한 단계는 시료의 제조에 관한 것이다. 먼저, 압연 샘플링 균질 섬유 체적비의 가정을 확인하기 위해 꽉한다. 샘플의 기밀성 구배가있는 경우 워시번 방정식 (5, 6)는 심지 커브에 맞게 사용될 수 없다. 또한, 직물 샘플 홀더의 경계 조건을 제어하기가 어렵다. 따라서, 여과지 (1.1.3) 신중 샘플 홀더 (8)에 삽입한다.
기술의 일부 수정이 모세관 압력이 8 직교 효과를 평가하기 위해 심지 다른 방향을 분석 할 수있다. 예를 들어, 하나는 (보강 평면) 섬유에 수직 인 방향으로 위킹을 시험하기 위하여, 섬유의 방향을 따라 스트립을 절단 수; 나 하나 오 디스크를 줄일 수 있습니다원통형 시료 홀더 반경 F 강화재 및 가로 방향 흡상 시험하는 순서대로 스택.
그러나, 절차는 워시번 가설 (5)에 의해 제한된다. 도 이상이나 큰 샘플이 현재 처리 될 수 또한, 상기 방법은, 시료의 크기 측면에서 제한된다. 이는 같은 큰 토우와 같은 직물의 특정 유형에 대해 해결해야합니다.
이 방법은 현재 자발적 함침 동안 모세관 압력의 결정을 허용하는 유일한 것이다. 이 파라미터는 복합체 제조 및 액체 복합 성형 공정에 의해 제조 산업 복합 부품에 보이드 형성의 시뮬레이션에 가장 중요하다.
중요한 단계 더 응용 프로그램에 대한 개선해야 할 수 있습니다. 샘플 홀더의 변형은 실제의 모든 경계를 이동하기 위하여 이루어진 것이다. 또 다른 미래의 응용 프로그램은 유이다LCM 공정의 최종 목적인 수지 모세관 압력을 결정하는 절차를 SE는.
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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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