Исследование физико-химических основ процесса пропитки стекловолокнистых наполнителей полимерными связующими тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.19 ВАК РФ

Нз прэзах рукописи

ШАЛГУНОВ Сергей

КССЛВДОВАНЙЕ вШ!КО-ХШ1ЧЕШП ОСНОВ ПРОЦЕССА ПРОПИТКИ СТЕКЛОВОДОКШ1СТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ПОЛИМШШИ СВЯЗУЮЩИМИ

01.04.19 - Физика полимеров

Автореферат диссертации на соискание ученой степени канйхЮаш злиынеасих наук

МОСКВА- 1995 г.

Раоота выложена в А/0 "НПО Стеклопластик

Научный руководитель: к.т.н. В.И.Соколов

официальные оппоненты:

Доктор химических наук, профессор, И.А.Туторский Кандидат технических наук, доцент, Г.Г.СтанкоЯ

Ведущая организация: ВШИПМ

Защита диссертации состоится 26 сентября 1995 г. в 1520 на заседании диссертационного совета Д.063.41.04 при Московской академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова (119831 ¡г. Москва ул. М.Пироговская, д. I)

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке МШ'ХТ им. М.В.Ломоносова (119831 г. Москва ул. Ы.Пироговская, д. I)

Автореферат разослан"/У* о^^б-Т^ 1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

___Актуальность проблемы! Йгсекционнуэ автс^ формования в

технология стеклопластиков, в частности, метод пропитки под давлением, накболэо часто используются нрк изготовлении крупногабаритных изделий ответственного назначения. Однако, несг^тря на' известность указанных мэтодоз и успешность их применения, изученность процессов, протекающих при реализации ннаекционных ыетолпв » итилич "^"тт—г: ¿гмгруымх

чкгоягггэдэа полимерными связующими является явно недостаточной для успешного решения новых задач, оптимизации действующих производств. Не рэяены вопросы контроля а управления, практически отсутствуй^ сведения о влияния физико-химических характеристик армирующих и связующих материалов иа качество конечных изделий и производительность оборудования и другие вопроси.

Отсутствует шпенернив методика расчета процессов, необходимые аа стадии проектирования оборудования а выбора технологических и реавашх параметров.

Вопросы качества готовых изделий, полученных методом пропитки под давлением, в существенной мер® связаны с качеством стадии пропитки связущим арафупдвго пакета, возмогисстью контроля и управления этой стадией.

Ток, например, а случае изделий радиотехнического назначения -радзопрозрачных обтекателей, укрытий, особенно для объектов, работающих в среде о повышенной влааностьа штн в контакте с водой, увеличение обммэ пер псого лииь на несколько процентов ведет, мчастуо, к сюеэншо радиопрозрачноста з несколько раз. Наличие

воздуха в стеклопластиковых изделиях электротехнического назначения ведет к резкой потере устойчивости на электрический пробой, особенно в случае изделий малой толщины, соизмеримой с размерами остаточных воздушных включений. В случае изготовления изделий из стеклопластиков со светопрозрачными свойствами, последние резко падают при наличии невытесненных пузырьков воздуха. Кроме того зоны недопропитки являются концентраторами напряжений, что существенно сникает прочностные характеристики конструкционных стеклопластиков.

Таким образом, исследования, направленные на изучение стадии, пропитки армирующего пакета и включающие в себя:

- установление закономерности движения связующего в армирующем наполнителе,

- разработку методов контроля и управления процессом пропитки;

- изучение закономерности изменения краевого, увдр, сэдэчивания в зависимости от свойств армирующего материала и связующего», сщэости пропитки (скорость перемещения фронта связующего) являются актуальной задачей, решение которой позволит существенно, повысить качество изделий, получаемых пропиткой под давлением.

Цель работы: Диссертационная работа посвящена разработке методов контроля и управления процессом пропитки' армирующих наполнителей полимерными связующими на примере метода пропитки под давлением, и основанных на изучении физико-химических свойств армирувдих и связущих материалов и поверхностных явлений, протекающих на границе раздела "армирующий наполнитель - воздух -связующее".

-------------Наузгая тхссазпа рядота:

Разработан комплекс методик по определен!® пористости пропитшземого стеклопластика, а тагаш характеристик пропитывающей аидкости и 2р?,шрукдего наполнителя, позволя»*ш сгрэделпть параметра регаша пропитки под давлением, ососпэчнвавдаго требуемое качество получаемого изделия..

ПрЗ££а*вна тоорчч, «тгтсапогг^л ^ челюсть краевого угла смачивания от скорости вынузденного движения смачивакцей аидкости н ее физических свойств, хорошо согласующаяся для случаев хорошего смачивания с полученными экспериментальными и известными „татературнымя данными.

Впервые зависимость краевого угла смачивания от скорости ктуяпй«иоту) дгнгэяая смачнвакздй яядкоста а со физических свойств рассж':рвва как двухпарп'^трическая, и полученное благодаря такому подходу эмпирическое уравнение хорогао списывает . и обобщает экспериментальные и известные литературные данные да различных случзоз смачивания.

Прюттгеоская данность: Полученные на основе теоретических л экспериментальных взысканий методы контроля и управления процессом тюпитки под давлении силп успешно апроонрованы на ряде изделий различных Форм и с пироким диапазоном размеров (от 0,2 до 2 мэтров) и масс (от 2 до 700 кг) и позволяют использовать их в дальнейшем пра изготовлении других изделий сколь угодно сложной Формы с использование» различных связующ* и армиругаих материалов.

Ссповяие полампаз диссертации, шшхяшыа на злгячту!

- Теоретическая зависимость для расчета динамического краевого угла смачивания для случая полного смачивания;

- Полу эмпирическая зависимость для расчета динамического краевого угла смачивания для различных случаев смачивания .(статического краевого угла;;

- Комплекс методик по определению физико-химических свойств жидкостей и армирующих материалов;

- Динамический метод управления процесом пропитки под давлением.

Апробация работы! Результаты работа доложены на конференции молодых специалистов НПО "Стеклопластик" (п. Андреевка 1987 г.) Публикации! По материалам диссертации опубликованы 4 статьи. Объем п структура работы» Диссертация состоит из введения; оозора литературы по закономерностям движения связущего в армирующем наполнителе, теоретическим подходам для определения динамического краевого угла смачивания в зависимости от физико-химических свойств жидкости и армирующего материала; теоретической части; экспериментальной части; обсувдения результатов; выводов; списка литературы; 7 приложений. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, включая 22 рисунка, 3 таблицы. Список литературы состоит из 75 ссылок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТ РАБОТЫ II Ш ОБСУВДИШЕ I. Теоретическая чисть

Решвше проблемы квчества готовых изделий из стеклопластиков,

гтолучошшх методом пропитан под давлением невозможно без углубленного изучения вопросов, связанных с поверхностными явлениями, имеющими место при пропитке на границе раздела "аряфувдий материал - связупдее - воздух".

В связи с этим, опуская очевидные, но неподдагдиеся обобщению причины нвдопропитки, связанна с наличием возмогзшх загрязнений на ПС£,зрхлйс«и армируших . ш»тчркялов, """"тутиг. воз^'а^х

полостей, недоступных для пропитки, например, вследствие склеивания (юноволокон или комплексных нитей замасливателями или алретами, предловены подходы для описания механизмов образования непропитанных зон для различных случаев движения фронта связующего относительно волокон армирующего материала:

- пропитан нагой, расположенных параллолъпо направлению явягвпяя фронта связуткего;

- пропитки нитей, расположенных пэрепендакулярно направлению дасяцая фронта связуваего.

3 результате рассуадений, оскованшшх на геометрических грэдставленпях о форте мениска гидкостн, показано, что величина гористости (доля воздушных включений, остаетихся после пропитки; шределяется величиной динамического краевого угла смачивания. Так ,лл случая движения андкости перпендикулярно волокнам арлирущего атериала согласно указанным представлениям пористость пропитанных атериалов долана сильно возрастать, если угол смачивания ревнаает величину 45 * 60' в зависимости от плотности упаковки злокон артарущего материала.

Для определения зависимости динамического краевого угла смачивания от физико-химических свойств жидкости и армирующего материала предложен подход, основанный на рассмотрении баланса энергии на границе раздела жидкость-твердое тело-воздух, который выглядит следующим образом:

Ес-Ак-Ед=0 (1>

где: Ес - энергия, поступающая в систему в единицу времени за

счет смачивания поверхности; если принять что отг -

поверхностная энергия несмочегаюй поверхности, а о^,

- поверхностная энергия смоченной поверхности, то

использовав известное уравнение №га

°тг " °тя в 0,008 ео (2)

выражение для Ес примет вид:

Ес " й'(0тг " °та} " »-о-сов ®о (3)

Ах - работа против капиллярных сил в единицу времени.

^ - »•о-соа вй (4)

Ед * - энергия, теряемая системой за счет трения в мениске

Для определения величины использовано уравнение

Навье-Стокса для малых значений чисел Рейнольдса

егай Р»|1Л (5)

Для упрощения задачи был рассмотрен случай движения кидкости у плоской стенки (рис. I), что позволило применить для решения известный метод с использованием функций тока 0 и вихря и:

гот Я » и (6)

Гйс. I. Сечнние мениска килкости.

Я » rot ®

(V)

Используя для решения цилиндрические координаты (рао.1) удакооь свести уравнения (6-7) в дифференциальному уравнении вода

Применив следу кидав граничные условия:

а (СП » 0 - аначение 00 на стоике равло О; A'(Ü) т щ - значение Wp на отешсв равно скорости двиаания стенки W;

«О - аначегнне Н0 на свободной поверхности иэняско равно 0;

А" (вй) * О - ófíp/ód "О - отсутствие сдвиговых нанряввиий на свободной поверхноста ноиисна можно найти выражение дяа

А"'' ♦ 2 А" + А - О,

где: А*Ф/р

решение которого имеет вид:

а - w £(о + а 0) сов е *■ (Ь + й В) в1л в]

(9)

(8)

<1

вш2 ed

где f»(í»a) «2 Вд ■ ацг^рсоОа i * La Щ

<IO>

Р1 - начальный радиус Ентвграроавная? р2 - конечный радиус штагрмровашя.

lio физическим соображениям могно предповегхгъ, что р, должен иметь величину порядка размера молекулы емкости, а Р2 порядка размере ганискв. Так, например, р2 могшо оцвпять яспольяуя известное •чрягяя» для езсота h котплляряого поднятая гяпостп около плоской пластеин

_

h - / ¡^ (I - ein в»

Преггическя величина р2 пшет таким образом порядок 1 + 3 мм. Тогда полагая р, а получки { - 14 * 16.

Подставляя выражение (3,4 а 10) в уравнение (I), получил:

цЯ

сое е0 - сое ed - 5—0(6d)-c (id

Получвпкоа уравнензэ позволяет рассчитать днна.»д1ческ;гв краевой угол зная статическая краевой угол - 0Ql скорость дзиаения мзпяска - ГС п некоторые характерзстшт кздкостл - ц, о.

Для устттовлэняя связи квдду nepajierpeia управления процессом проштш под Давлением п скоростью движения фронта связущего прэдяогэпо уравненве, выведенное ве основе теория фильтрации я ооаеояясгэо, а отлэтпэ от известных на сегодня зависимостей, производить расчеты для изделий сколь угодно слоеной фор?,« п с более полним учетом реальных уолови! проведения процесса пропитки.

3. Цлспвраяяталытая честь а обстадэпна результатов.

Для проверка адекватности положений, изложенных в

теоретической часта оила разрботане акспервменталымш устеноша и ряд методик:

- методика определения пористости пропитываемых ооразцов;

- методика определения поверхностного натяжения, статического и динамического углов смачивания;

- методика определения плотности пористых твердых материалов в материалов, находящихся в мелкодисперсном Ьостояшш;

- динамический метод управления процессов проппташ под давлением.

Результаты исследования влияния на пористость пропитанного пакета поверхностного натяжения связующего, его вязкости и скорости перемещения в армярущеы наполнителе представлены на рис. 2 и 3. В качестве ооразцов пропитываемых тканей были использованы:

- объемная стеклоткань из оезщолочиого стекла 1ГШ-2,85;

- ткань полотняного переплетения из кварцевах волокон ТС-8/3-К-Т0;

- кордная ткснь из шсоходадулыюго высокопрочного стокла Т-25.

Одновременно на тех еэ рисунках представлена зашсимоста

й.ц,

динамического 1фаеЕ0Г0 угла 6Д от величины Ба»-^- пра в 0» 20 .

Из рис. 3 хороао видно, что пористость образцов суцэствзнно возрастает при значениях краевого утла 0 > 46 * 60*, что весьма удовлетворительно согласуется с раосуадешяма, прнвадэшо&и в теоретической часты.

При экспериментальном определении зашсшости дпнашчешэго

1п(0е)

1лС. 2. Зависимости пористости е. к Од от Бе для случая преобладания продольной пропитки. . ткань ИТМ-2,85;

+ ткань ТС-8/3-К-Т0; г ткань Т-2Б (пропитка вдоль основы). — в.=Г(0е)

13

г-

пористость

30*

■ь%

20%

16*

10*

6%

о*

о

✓

о

о

О

Р

Г_

0Д, градус 120

100

80

00

40

20

8 -7.6 -7 -в.в -в -Б.6

ИРе)

б -4.6 -4 -0.6 -Э

Рис. 3. Зависимости пористости е и вд от Пе для случая преобладания поперечной пропитки, о ткань Т-25 (поперек оснопи). — ед=ГС0в)

угла скачивания п качества шдкостей нсаольэовалиоь водао-шащаршюааа швея (б cratcefl) различных вязкостен и апоксаддао связущее СПЭ-24.

ß качестве образцов'поддоезк использовали стеклянные илаотилкм пз басщэдочиого стекла. С целы? Еоеаоааостя исследования влияния статически краевых углов не з опытах ясслэдопаян thkw о'гвкляипгз гшсть'кц, продаратадьио обработанные по специальному раишу пара»,я гвксамет^ддасшюзава для придания этим пластинкам гидрофобных свойотв п тзманопия тем сешм значений статического краевого угла 90.

В опытах варьировала: вязкость жидкостей - от I до 1000 мПа-с, поверхностное натяетниэ - о* 20 до 72 мК/м, статический краевой угол сначипвпня - о"? 10* до йО', скорость перемещения ме«тскп пздаоста относительно подлоги» - от 0,005 до б т/с.

Для обобщения получениях вкспарггменталышх дашшх предложено полу емпирзчо скоэ уравнение,

0и -

^ " .а' (' - г)

где: а а Ь емгнряческзэ повф&щпзнты, тают»«» слэдувдиз значения а - 4,1 , Ь « 22,0.

Согостсапаиг-о &щшрпчзской зависимости (12) с еяспэряшпташайгя дашаклз, прэдотвменное па рпо. 4. показывает,

т?о урййношгэ ' (12) «пояга удовлетворительно описывает пг.опэр»шт».ш*уз- даншо по псах даапояопах определяющих ппригэтроп Указвяныэ- ятаяййЖй' кшгаовт в себя практически вое реально

<вл - е0)/к - %/г --*72-

1п(Ь-Се) ТГа

Рис.. 4. Сопоставление эмпирической зависимости (12) с експериментальными данными.

а - водно - глицериновые смеси;

» - эпоксидное связующее СПЭ-24 при 60*0; « - литературные данные.

"возмомш варианта; сочетания связующее - армирующий наполнитель, которые имеют практический интерес с точки зрения пропитки под давлением.

Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими (рис.5) показало, что наилучшее согласование экспериментальных и расчетных данных наблюдается при использования коэффициента ? = 15 (с», уравнение XI), что вполне удовлетворительно согласуется с физической сутью процесса и свидетельствует о достаточной надежности полученного теоретического уравнения в случае жидкоотей с малыми значениями 6о<20°.

Значение { в данном случав вряд ли можно считать подгоночным коэффициентом, так как р1 и р2 стоят под логарифмом и изменение значения 5 хотя оы на 10* почти на порядок изменит величину р1 или р.,, что у»е не оудет соответствовать физическому смыслу, приписываемому этим величинам и которнй лежит в основе рассуждений, приведенных в теоретической части.

В случае неполного смачивания твердой подлома? жидкостью различие в поведении экспериментальной и теоретической зависимостей увеличивается с увеличением 60 (см. рис. 6). Объяснить это можно хюдующим предположением. Процесс формирования мениска жидкости фздставляет из сеоя двухстадайный процесс:

- поднос молекул квдкости из объема к .переднему краю мениска; взаимодействие молекул жидкости с твердым телом на его поверхности. Этот процесс может включать в себя адсорбции жидкости тверда телом, релаксацию молекул жидкости

180 160 120 00 во

30 О

-20 -16 -10 -Б О б 10 1пфо)

Рис. 5. Сопоставление экспериментальных данных и теоретических, полученных по уравнению (II) для малых значений

V

— теоретическая зависимость по уравнению (II) для малых значений 60.

— экспериментальные данные.

, градус

1

— / _ ---------

----------- ---- ------

д , градус-----------------------

1п Ое

Рис. 6. Сопоставление экспериментельтшх данных оретичесжих, полученных по уравнению (II) для 0О » €0°.

— теоретическая зависимость по уравнению (II) для 90= 60°

— экспериментальные данные.

и

(ориентацию определенным образом по отношению к поверхности твердого тела) шш другие подобные процессы.

В соответствии с этим' рассуждением при малых значениях в0 скорость взаимодействия молекул жидкости с поверхностью твердого тела неизмеримо больше, чем скорость переноса молекул из объема жидкости к переднему краю мениска. Поэтому зависимость краевого угла смачивания от вязкости жидкости и скорости ее движения в этом случае объясняется чисто гидродинамической моделью. В случае же больших б0 скорость взаимодействия молекул жидкости с поверхностью твердого тела начинает играть все большую роль с увеличением в0 и поэтому требуется разработка более сложной и полной модели, описывающей этот процесс, чтобы описать весь процесс формирования мениска жидкости.

ВЫВОДЫ

1. Предложен подход для расчета закона движения жидкости в пористом теле, позволяющий производить расчеты практически для любой формы изделия и с более полным учетом реальных условий пропитки под давлением в отличие от известных методов, позволяющих провести такого рода расчеты лишь для очень малого количества' форм изделий.

2. В качестве параметра, характеризующего качество изделия, предложена пористость, величина которой оказывает сильное влияние на важнейшие эксплуатационные характеристики стеклопластиков.

Полученные экспериментальные данные не противоречат предложенному механизму образования пор при пропитке.

3. Разработан комплекс методик по определению пористости пропитнвемого стеклопластика, а тага® характеристик пропитывающей кидкасти и армирующего наполнителя, позволяющих определить параметры режима пропитки под давлением, обеспечивающего качество получаемого изделия.

4. Предложена теория описывающая зависимость краевого угла смачивания от скорости вынужденного движения смачиващей нидкости и ее физических свойств, отлично согласующаяся для случая полного смачивания с полученными экспериментальными данными.

5. Впервые зависмость краевого угла смачивания от скороста вынувденного двинения смачиващей жидкости и ее физических свойств рассмотрена как двухпараметрическая, и полученное благодаря такому подходу эмпирическое уравнение хорошо описывает и обобщает экспериментальные и известные литературные данные.

6. Предложен и успешно апробирован на ряде изделий динешческий метод управления процессом пропитки под давлением.

рсадврв РЕЗУЛЬТАТЫ ЯИССЕГТАВДК ОПУБЛИКОВАНЫ В ШДШЦЗХ РАБОТА 8

I., В.Н.Соколов, А.А.Чусовитш. Прочностные

расчеты парвболтгмстслх отражателей систем спутпинового телевидения из композиционных материалов,.. Щучно-технический реферативный сборник. Сер. Стекловолокно и стеадрцдартхрш. Москва, НИИТЭХИМ

г\

1991 Р.К1.

г. С.М.Всиеуноб, В.В.Соколов, А.Л.Чусовияик. Влияние гидравла-чесхого сопротивления подводящих коммуникация па процесс пропитке под давлением. Научно-технический реферативный сборник. Сер. Стекловолокно и стеклопластики. Москва, НИИТЭХОД. 1991 г.к 2.

3. С.И.Налгунов, В.И.Соколов и др. Теоретическое и экспериментальное исследования динамических краевых углов. Сообщение I. Реферативный сборник рационализаторских прадлокений и научно-технических достижений химической промышленности. Москва, НИИТЭХИМ. 1993 г. выл 4.

4. С.М.Всиеуноб. В.М.Соколов, В.И.Киселев. Теоретическое в экспериментальное исследования динамических краевых углов, Сообщение 2. Реферативный сборник рационализаторских предложений и научно-технических достижений химической прсшшленности. Москва,

, НИИГЭШ. Э94 Г. выл I.

22