Спосіб визначення максимальної висоти капілярного підйому при просоченні орієнтованих волокнистих наповнювачів

Спосіб визначення максимальної висоти капілярного підйому при просоченні орієнтованих волокнистих наповнювачів, переважно джгутового типу, в'язкими полімерними зв'язуючими, що включає розміщення зразка в установці при фіксованому зусиллі його натягнення і занурення основи зразка у просочувальну ванну, вимірювання величин густини, крайового кута змочування і коефіцієнта поверхневого натягнення зв'язуючого, який відрізняється тим, що здійснюють твердіння просоченого орієнтованого волокнистого зразка за визначеного зусилля натягнення при його просочуванні і сушінні, отримують мікрошліф його перерізу у поперечному до волокон напрямі, у перерізі мікрошліфа експериментально досліджують розподіл довжин відстаней поміж суміжними волокнами при наперед заданій кількості вимірювань, отримуючи таким чином експериментальну гісто U 2 (19) 1 3 H= 0,2 h é 1 æ k t - h öù ÷ú êT + ç 1 0,2 ê 1 ÷ú Bç h t è øû ë 38225 (1) де Н - максимальна висота капілярного підйому води в укріплених ґрунтах, м; h - поточна висота (задана) - виходячи з технічних можливостей радіоізотопного вимірювального пристрою, м; Т1= 17520 - час досягнення максимальної висоти капілярного підйому води в укріпленому ґрунті Н, що має найбільшу висоту капілярного підйому, с; В = 2×10-4 - параметр рівняння, одержаний експериментально, 1/с ; к 1 = 1,3384 - параметр ґрунту з найбільшого заввишки капілярного підйому, одержаний експериментально, м/год0,2. Т- час досягнення капілярної облямівки висоти h, год. [1]. Недолік відомого способу - складність його здійснення, а також неможливість використання для визначення максимальної висоти капілярного підйому при просоченні орієнтованих волокнистих наповнювачів. Як найбільш близький аналог прийнятий спосіб визначення максимальної висоти капілярного просочення Н ОВН, що трактується як капіляр радіусу r, полімерним зв'язуючим по формулі (2): 2s cos q H= (2) rgg де s - коефіцієнт поверхневого натягнення, Н/м; q - крайовий кут змочування зв'язуючого по наповнювачу, град; g - густина зв'язуючого, кг/м 3; g - прискорення вільного падіння, м/с2 [2]. Проте армуючий волокнистий наповнювач є системою елементарних волокон, переплетених і сформованих у нитки, ровниці, джгути. При цьому волокнисту систему в загальному випадку не можна розглядати як просту суму лінійних капілярів з однаковим поперечним перетином. У загальному випадку капіляр не буде круглим, а його стінки гладкими. До того ж радіус змінюється по довжині капіляра. Тому співвідношення (2) не враховує реальну структур у орієнтованого волокнистого наповнювача джгутового при просоченні що полімерними пов'язують. Внаслідок цього практично неможливо оцінити максимальну висоту підйому зв'язуючого в наповнювачі, тобто забезпечити якісне просочення при дискретно-кроковому методі, методі просочення шинкою капілярного насичення і ін., при просоченні джгутови х наповнювачів високов'язкими зв'язуючими. Задачею корисної моделі є підвищення точності визначення. Вказана задача вирішується тим, що в способі визначення максимальної висоти капілярного підйому при просоченні орієнтованих волокнистих наповнювачів, переважно джгутового типу, в'язкими полімерними зв'язуючими, що включає розміщення зразка в установці при фіксованому зусиллі 4 його натягнення і занурення основи зразка у просочувальну ванну, вимірювання величин густини, краєвого кута змочування і коефіцієнта поверхневого натягнення зв'язуючого, згідно корисної моделі, здійснюють твердіння просоченого орієнтованого волокнистого зразка за визначеного зусилля натягнення при його просочуванні і сушінні, отримують мікрошліф його перетину у поперечному до волокон напрямі, у перетині мікрошліфа експериментально досліджують розподіл довжин відстаней поміж суміжними волокнами при наперед заданій кількості вимірювань, отримуючи таким чином експериментальну гістограму або функцію розподілу j(r) пор за розмірами r , після чого знаходять співвідношення для теоретичної кривої розподілу j(r) пор за розмірами r за умови найкращого наближення теоретичної кривої розподілу до експериментальної кривої розподілу, а максимальну висоту капілярного підйому зв'язуючого в наповнювачах визначають по співвідношенню H= æ2 ö Gç ÷ è c ø s cos q × × , gg 2 æ 1ö Gç ÷ èc ø k 0 b (1/ c ) b0 де H - максимальна висота капілярного підйому зв'язуючого в наповнювачах, м, Г - гамма-функція Ейлера, k 0 ib 0 - безрозмірні константи наповнювачів, що позначають відповідно шорсткість поверхні і коефіцієнт звивистості наповнювачів, b і с - безрозмірні коефіцієнти експериментальної кривої розподілу j(r) пор наповнювача за розміром r , s - коефіцієнт поверхневого натягнення зв'язуючого, Н/м, q - крайовий кут змочування зв'язуючого по наповнювачу, град, g - густина зв'язуючого, кг/м , g - прискорення вільного падіння, м/с . Перераховані вище ознаки складають сутність корисної моделі. Наявність причинно-наслідного зв'язку між сукупністю істотних ознак корисної моделі і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. З аналізу літературних джерел невідомо використання детермінації (визначення) диференціальної кривої розподілу відстаней між суміжними волокнами в площині шліфа затвердженого мікропластика для визначення максимальної висоти капілярного підйому при просоченні орієнтованих волокнистих наповнювачів. При розробці підходу до визначення кінетики подовжнього просочення ОВН полімерними зв'язуючими було встановлено, що найбільш адекватним представленням структури ОВН служить система паралельно-звивистих капілярів різних радіусів, яку можна детермінувати за допомогою функції розподілу j(r) капілярів по радіусах r . 5 38225 Якщо під порами розуміти простір між суміжними волокнами, то шукана функція розподілу суть крива розподілу між суміжними волокнами в поперечному перетині ОВН джгутового типу. При цьому шукану криву розподілу можна одержати різними методами, наприклад, методом ртутної порометрії [3], а також, як було встановлено, структурним аналізом шліфів перетинів затверджених мікропластиків ОВН і ін. методами. Як було експериментально встановлено, характерна крива розподілу для досліджуваних ОВН джгутового типу має вигляд, показаний на кресленні, для склопластика (о), органопластика (●) і вуглепластика (∆). Крива одержана на підставі N = 2500 вимірів в площині шліфа на криву (усереднюванням п'я ти однотипних кривих). При побудові експериментальних кривих для отримання репрезентативних результатів при проведенні вимірів в площині шліфа вільний член січної прямої був рівномірно розподіленою випадковою величиною в інтервалі (0,1). Випадковість вибору січних реалізовувалася за допомогою алгоритму отримання випадкових чисел. Перевірка ідентичності характеру експериментальних і модельних (за допомогою ПЕОМ) кривих розподілів показала їх тотожність при більш, ніж N = 500 вимірах. Для досліджених типів ОВН незалежно від типу зв'язуючого значення коефіцієнтів b і с кривої розподілу лежать відповідно в межах {0,108-0,134} і {0,912-1,093}. При цьому чим більше зусилля натягнення наповнювача при просоченні, тим менше приведений радіус r, визначуваний за (2). Відповідно змінюються значення коефіцієнтів b і с, а абсциса максимального значення щільності розподілу зрушується вліво, і навпаки. На Фіг. показана експериментальна гістограма і криві розподілу j(r) = G( l ) довжин відстаней і 6 поміж суміжними волокнами у площині шліфа орієнтованого волокнистого композиту. Було досліджено, що для практичних обчислень теоретичну функцію розподілу G( l ) пор за розмірами l в структурі мікрошліфа затверділого волокнистого композита можна описати за допомогою рівняння (1) G(l ) = j(r) = cb(1 / c ) exp - b rc , G(1/ c ) ( ) (4) де r - випадкова величина, що характеризує відстані поміж суміжними волокнами (довжинами екстхорд), мкм, Г(1/с) - гама-функція Ейлера, b і с - позитивні константи, які визначають з експериментальної гістограми розподілу довжин екстхорд за умови найкращого наближення теоретичної кривої розподілу до експериментальних ординат. При цьому рівняння теоретичної кривої розподілу j(r) = G( l ) пор за розмірами l знаходять за умови найкращого наближення теоретичної кривої розподілу (4) до експериментальної кривої розподілу. У таблиці 1 приведені порівняльні дані по прогнозуванню максимальної висоти поздовжнього просочення ОВН епоксидним зв'язуючим ЕДТ-10 (ГОСТ 1.0587-84) при температурі 50°С джгутових волокнистих наповнювачів трьох типів: скловолокнистого (ВМПС-6-7,2Х1Х2-270 по ТУ 6-11442-77) органоволокнистого (на основі волокна СВМ лінійною щільністю 29,4 текст по ТУ 8-76-341-83) і вуглеволокнистого (марки Thornel - 300 (США) з щільністю r в = 1772 кг/м 3, s в = 2,24 ГПа, Е = 234 ГПа). Таблиця 1 Порівняння способів визначення максимальної висоти підйому зв'язуючого в ОВН № п/ п 1 2 3 Час дося- Гранична висота Приведений радіус Способи Коеф-т b Коеф-т с гнення просочення г, мкм висоти tH H×103,м с 4,97 1,08 Спосіб найбільш близького 5,40 0,70 аналога* 7,15 0,68 0,123 0,996 80 1,37 Пропонуємий спосіб* 0,129 1,018 90 1,07 0,127 1,011 85 1,24 82 1,49 Експериментальне Досліджен93 1,00 ня 87 1,11 *Примітка: верхнє значення приведено склонаповнювача, середнє - органонаповнювача, нижнє - вугленаповнювача; при цьому значення коефіцієнтів k 0 i b 0 для цих ОВН відповідно склало: 1,42 і 1,11 ; 1,35 і 1,03; 1,34 і 1,06. 7 38225 Зусилля натягнення наповнювача при просочуванні (і сушінні) складало 3 Н/м. При прогнозуванні за способом прототипу капілярний радіус r вибирався як середнє значення радіусу при оптимальній (гексагональній) упаковці волокон в перетині рівновеликих волокон джгута [4]. При експериментальному дослідженні кінетики поздовжнього просочення переміщення верхньої межі капілярного підйому зв'язуючого реєструвалося катетометром типу КМ-6, напроти об'єктиву якого встановлювалось симетрично щодо скляного теплообмінника із зразком наповнювача всередині джерело стабілізованого світла. Визначення максимальної висоти підйому зв'язуючого проводилося на підставі результатів усереднювання для п'яти значень. Величину змочувальної здатності s cos q визначали по максимальній висоті його затікання по капіляру, що калібрується, з ОВН матеріалу під дією сил поверхневого натягнення по формулі: s cos q = LR g g/2, де L - максимальна висота затікання, м; R - радіус капіляра, що калібрується, м [5]. Для використовуваного зв'язуючого ЕДТ-10 величина змочувальної здатності по склонаповнювачу, органонаповнювачу і вугленаповнювачу відповідно склала 3,12×10-2Н/м, 2,2×10-2Н/м і 2,7×102 Н/м. Густина зв'язуючого при 50°С склала 1,18×103 кг/м 3 ((ГОСТ 15139-69). Приведений капілярний радіус г для досліджуваних видів ОВН відповідно склав 4,97мкм; 5,40мкм, 7,15мкм. Як видно з табл. 1, при використанні способу найбільш близького аналога помилка при визна Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 8 ченні Н досягає до 30-40%, тоді як для пропонованого способу - не більше 10%. При прогнозуванні граничної висоти поздовжнього просочення Н для реального технологічного процесу досить провести експериментальні виміри в площині шліфів мікропластиків, одержаних при мінімальному і максимальному натягненні в процесі просочення і твердіння та детермінувати відповідні криві розподілів (нижня і верхня оцінка). Таким чином, при використанні пропонованого способу враховуються такі особливості ОВН джгутового, як шорсткість, звивистість (закрученість) елементарних волокон (філаментів), неоднорідність їх розподілу по перетину і розкид по діаметру, що сприяє підвищенню точності визначення. Необхідно відзначити, що спосіб, який пропонується, може бути застосовний і для оптично непрозорих наповнювачів, для яких неможливо проводити експериментальні дослідження оптичним способом (вуглецеві, металеві і ін. волокна). Джерела інформації 1. А.С. СССР №1379730, МПК G01N33/24, 1988г. 2. Шалун Г.Б., Сурженко Е.М. Слоистые пластики.- Л., Химия, 1978. С.83. 3. Чизмаджев Ю.А., Маркин B.C., Тарасевич М.Р.,Чирков Ю.Г. Макрокинетика процессов в пористых средах.- М., Наука, 1971. - 364с. 4. Ван Фо Фы Г.А. Констр укции из армированных пластмасс. - К.: На укова думка, 1970. - 220с. 5. Малкин А.Я., Чалы х А.Е. Ди ффузия и вязкость полимеров. Методы измерения.- М.- Химия» 1979. - 304с. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601