Спосіб визначення оптимального зусилля натягнення волокнистого наповнювача при просочуванні

1. Спосіб визначення оптимального зусилля натягнення волокнистого наповнювача при просочуванні, що включає деформування зразка матеріалу, що просочується, шляхом його розтягнення при наперед заданому зусиллі натягнення, подачі на поверхню матеріалу зверху дози полімерного зв'язуючого і подальшу реєстрацію міри просочування по значенню світлопропускання зразка, що просочується, при освітленні його поверхні з боку нанесення полімерного зв'язуючого світлом, а також побудову експериментальних кінетичних кривих просочування і оцінку оптимального зусилля натягнення наповнювача, який відрізняється тим, що будують в одних координатних осях сімейство експериментальних кінетичних кривих просочування при варіативних значеннях зусилля натягнення наповнювача, за міру просочування вибирають швидкість просочування, виділяють на побудованих кінетичних кривих просочування ділянки, на яких швидкість просочування змінюється лінійно чи нелінійно, визначають час досягнення насичення волокнистого наповнювача U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНОГО НАПОВНЮВАЧА ПРИ ПРОСОЧУВАННІ (13) ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС 30420 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 3 30420 4 деформуванні зразка матеріалу, подачі на нього полімерного зв'язуючого світлом, а також зв'язуючого і реєстрації міри просочування зразка побудову експериментальних кінетичних кривих у часі, причому деформування зразка здійснюють просочування, новим є те, що, будують в одних шляхом його розтягнення при певному зусиллі, координатних осях сімейство експериментальних зв'язуюче подають на поверхню зразка зверху, а кінетичних кривих просочування при варіативних міру просочування при заданому зусиллі значеннях зусилля натягнення наповнювача, за натягнення оцінюють по значенню міру просочування вибирають швидкість світлопропускання зразка, що просочується [2]. просочування, виділяють на побудованих При цьому оптимальне зусилля натягнення кінетичних кривих просочування ділянки, на яких при просочуванні оцінюють на основі кореляції швидкість просочування змінюється лінійно чи наперед заданого значення зусилля натягнення нелінійно, визначають час досягнення насичення наповнювача і міри просочування (міри насичення) волокнистого наповнювача при просочуванні, а [3-12]. Міру насичення полотна просочувальним оптимальне зусилля натягнення волокнистого складом c згідно [12] виражають наступним наповнювача при просочуванні визначають за настання умови, згідно з якою одночасно співвідношенням (1) досягається насичення, а також швидкість T R0 x пов просочування не змінюється при збільшенні T0 (1) зусилля натягнення волокнистого наповнювача c = 1, R + Rк - Rн при просочуванні. Виділяють на кінетичних кривих просочування де Рн - тиск пари на кордоні розділу ділянки, на яких швидкість просочування середовищ, МПа, змінюється лінійно чи нелінійно, проводячи Ро - тиск в матеріалі (тканому наповнювачі) дотичні до кінетичної кривої просочування, а перед просочуванням, МПа, швидкість просочування визначають як тангенс x пов - частка повітря, що залишилося в порах кута нахилу дотичної до кінетичної кривої матеріалу до початку процесу просочування, просочування у досліджуваний час до осі абсцис. То і Т - відповідно температура до початку Для орієнтованих наповнювачів за міру процесу просочування і в момент просочування, просочування вибирають швидкість поздовжнього °С. просочування. Питоме значення тиску пари на кордоні Для тканих наповнювачів, або наповнювачів із розділу середовищ Рн становить звичайно 12-15% регулярною структурою, за міру просочування [12]. Тиск замкненого всередині полотна (тканого вибирають швидкість поперечного просочування. наповнювача) повітря визначають за такою За час досягнення насичення волокнистого залежністю (2) наповнювача при просочуванні приймають час T 1 досягнення постійності швидкості просочування Rпов = R0 x пов , (2) T0 n нап при фіксованому зусиллі натягнення волокнистого наповнювача. де Рпов - тиск повітря, замкненого в порах і Перераховані вище ознаки складають капілярах, МПа, суть корисної моделі. n нап - відношення об'єму наповнювача, що не Наявність причинно-наслідного зв'язку між просочився зв'язуючим, до об'єму наповнювача, сукупністю істотних ознак корисної моделі і що просочився зв'язуючим. технічним результатом, що досягається, полягає в Однак і спосіб прототипу, який є також наступному. дуже складним у реалізації, не забезпечує високої Підвищення точності і достовірності достовірності результатів досліджень внаслідок результатів вимірювань за способом, що недостатнього врахування реальних умов процесу пропонується, в порівнянні зі способом прототипу просочування, а також необхідності виконання досягається тим, що будують в одних цілої низки складних вимірювань. координатних осях інтегральне сімейство В основу корисної моделі поставлена задача експериментальних кінетичних кривих спрощення здійснення та підвищення просочування при варіативних значеннях зусилля достовірності результатів досліджень щодо натягнення наповнювача, за міру просочування визначення оптимального зусилля натягнення вибирають саме швидкість просочування, наповнювача при його просочуванні за рахунок виділяють на побудованих в одних координатних проведення ряду вимірювань на кінетичних кривих осях експериментальних кінетичних кривих просочування. просочування ділянки, на яких швидкість Поставлена задача вирішується тим, що в просочування змінюється лінійно чи нелінійно, способі визначення оптимального зусилля визначають час досягнення насичення натягнення волокнистого наповнювача при волокнистого наповнювача при просочуванні, а просочуванні, що включає деформування зразка оптимальне зусилля натягнення волокнистого матеріалу, що просочується, шляхом його наповнювача при просочуванні визначають за розтягнення при наперед заданому зусиллі настання умови, згідно з якою одночасно натягнення, подачі на поверхню матеріалу зверху досягається насичення, а також швидкість дози полімерного зв'язуючого і подальшу просочування не змінюється при збільшенні реєстрацію міри просочування по значенню зусилля натягнення волокнистого наповнювача. світлопропускання зразка, що просочується, при Відомо, що процес просочування - це процес освітленні його поверхні з боку нанесення заміни повітря в порах і капілярах наповнювача 5 30420 6 (тканих волокон) на полімерне зв'язуюче. проникнення просочувального складу в пори Домінуючий вплив на процес просочування полотна, дифузію просочувального складу до здійснюють як фізико-хімічні чинники поверхні волокон, дифузію просочувального просочуючого середовища, так і властивості складу всередину волокон. тканого наповнювача, які, в свою чергу, впливають Причому в процесах, що практично на його змочуваність [3, 4]. Остання використовуються, вказані стадії не мають чітких кордонів, оскільки реальні матеріали володіють характеризується крайовим кутом змочування Q , неоднорідною структурою і на різних дільницях або змочувальною здатністю s cos Q , де s вищеперелічені чотири стадії просочування коефіцієнт поверхневого натягу (або питома протікають з різною швидкістю. Ці чинники нерідко вільна поверхнева енергія). ведуть до поєднання вищезгаданих стадій. У У реальних системах кореляція між швидкістю зв'язку з цим при проведенні як теоретичних, так і просочування і змочуванням спостерігається не експериментальних досліджень необхідно завжди і не повністю, тому застосовувати класичні максимально враховувати вище перелічені явища. закони одиничного капіляра правильної форми У світлі вищесказаного є ефективним (тобто без викривлень по довжині), що використання оптичного методу (а саме методу просочується чистим полімерним середовищем, світлопропускання) для дослідження кінетики можна тільки при дуже великих припущеннях [4]. просочування з урахуванням відсутності чітких Так, армуючий наповнювач у загальному кордонів вищезгаданих стадій просочування, який випадку являє собою систему елементарних заснований на зміні оптичних властивостей сухого волокон, переплетених і сформованих у нитки, тканого матеріалу (склонаповнювача) при ровниці, стрічки, джгути з яскраво вираженою зануренні його в полімерне зв'язуюче [3]. капілярною структурою [5, 6]. Трактування Зіставлення різних методів показало, що метод, капілярно-пористого тіла як пучка капілярів заснований на реєстрації інтенсивності однакового радіуса було використане в численних світлопропускання тонкого прозорого пористого роботах [7, 8]. Причому досить хороший збіг об'єкта (склотканини, що просочилася ) в процесі досліду з теорією був отриманий при використанні просочування може бути використаний для концепції еквівалентного (гідравлічного) радіусу. вивчення кінетики цього процесу, а також для Однак, як вважають ряд авторів [9, 10], вивчення чинників, що впливають на цей процес волокнисту структуру в загальному випадку не [13-14]. можна розглядати як просту суму лінійних Крім того, спрощенню визначення сприяє і те, капілярів з однаковим поперечним перетином, що виділяють на кривих просочування ділянки, на оскільки капіляри у волокнистих системах істотно яких швидкість просочування змінюється лінійно відрізняються від циліндричних трубок. чи нелінійно, проводячи дотичні до кінетичної У загальному випадку капіляр не буде кривої просочування, а швидкість просочування круглим, а його стінки гладкими. Форма і площа визначають як тангенс кута нахилу дотичної до поперечного перетину капілярів може мінятися в кінетичної кривої просочування при певному широких межах по його довжині для реальних значенні часу до осі абсцис. наповнювачів. Крім того, капіляри можуть При цьому для орієнтованих наповнювачів за розгалужуватися, змикатися, закінчуватися міру просочування вибирають швидкість тупиками (при просоченні таких капілярів поздовжнього просочування, а для тканих утворюється так званий "пляшковий ефект") або наповнювачів, або наповнювачів із регулярною порами великого об'єму. структурою за міру просочування вибирають Крім цього, шорсткість стінок капілярів швидкість поперечного просочування (перетрації). викликає так званий "капілярний гістерезис" [7, 8]. Разом з тим за час досягнення насичення Останній сприяє прискоренню просочування при волокнистого наповнювача при просочуванні використанні складів, що добре змочують, і приймають час досягнення постійності швидкості навпаки, сповільненню просочування при просочування при фіксованому зусиллі натягнення використанні складів, що погано змочують [11]. До волокнистого наповнювача. того ж більшість капілярів у волокнистих системах Розроблений спосіб реалізують за допомогою не закриті з боків і мають відгалуження [10]. експериментальної установки для дослідження Як правило, при просоченні тканих процесу поперечного просочування (див. Фіг.1), волокнистих наповнювачів полімерними що складається із зразка волокнистого зв'язуючими, нанесеними на поверхню наповнювача 1, який досліджується. наповнювача, відбувається не тільки заповнення Як волокнистий наповнювач використовували великих пор і капілярів зв'язуючим (так звана намотаний в декілька шарів склоровінг ВМПС 10"пенетрація"), але і проникнення його 40´1-78 [ТУ 6-19-076-34-85] з товщиною при безпосередньо у волокна. Перше явище можна нульовому натягненні 0,3310"3 м, а також умовно назвати "поперечним" просочуванням скловолокнисту тканину марки Т-10-80 (ГОСТ (тобто просочуванням перпендикулярно до 19170-73) фіксованої товщини 0,23×10-3м. Довжина поверхні тканини), друге "поздовжнім" зразків становила 0,2м, ширина (для локалізації просочуванням (тобто просочуванням уздовж крайових ефектів, виникаючих при розтягненні капілярів волокон). зразка) становила 0,04м. Як відмічено у [12], власне процес Зразок волокнистого наповнювача закріпляли просочування включає в себе наступні основні за допомогою затиску 2 для створення стадії: нанесення просочувального складу на необхідного зусилля натягнення наповнювача при поверхню полотна (тканого матеріалу), 7 30420 8 просочуванні, кріпили через ролик 3 до вантажу 4 і У залежності від структурних параметрів вміщували в зазорі прямокутного перетину наповнювача, що просочується, умов виготовленої з дюралевого сплаву теплообмінної просочування, фізико-хімічних властивостей камери 5. В якості теплоносія використали воду, а просочуючого складу проводили оптимізацію дози також масло. зв'язуючого 12, що наноситься. При вимірах також За допомогою теплообмінної камери 5 варіювали відстань від джерела 7 до поверхні досягали потрібної температури просочування, наповнювача 1. тобто нагріву дози зв'язуючого, що наноситься, і Кінетичні криві були побудовані за наповнювача 1, що просочується, в зоні результатами усереднення п'яти вимірювань на просочування. Температуру в зоні просочування одну криву при фіксованих зусиллях натягнення волокнистого наповнювача (перед початком волокнистих наповнювачів. При цьому середня процесу просочування) заміряли за допомогою величина вимірювань мала статистичну надійність термопари (на Фіг.1 не показано). в межах р=90±5%. Для реєстрації світлопропускання зразка 1 На Фіг.2 показані кінетичні криві просочування використовувався експериментальний пристрій зразків склоровінгу ВМПС 10-40´1-78, а на Фіг.3 "Вимірювач світлопропускання ВСП-8204" кінетичні криві просочування зразків конструкційної (розробник - СКБ наукового приладобудування склотканини Т-10-80 у залежності від зусилля Інституту механіки полімерів Латвії, м. Рига), що натягнення наповнювача. На Фіг.2 і Фіг.3 прийняті описаний в роботі [14]. наступні позначення: Р прикладене Основні параметри вимірювача ВСП-8204: навантаження (Н); цифри в дужках - зусилля діапазон вимірювань коефіцієнта натягнення на одну нитку склоровінгу (Н/м); N світлопропускання - від 0,000001 до 0,96; зусилля натягнення (Н/м); t2 - час поперечного - межі основної погрішності вимірювання просочування (с). коефіцієнта світлопропускання, що допускається, Для орієнтованих наповнювачів, згідно ±5%; розробленого способу, за міру просочування - збіжність вимірювань [по ГОСТ 16263-70] вибирають швидкість поздовжнього просочування, становить 3%; а для тканих наповнювачів, або наповнювачів із - чутливість приймачів по коефіцієнту регулярною структурою, за міру просочування пропущення в діапазоні довжин хвиль від 400 до вибирають швидкість поперечного просочування. 700нм, не гірше 0,001; Було досліджено, що характерну кінетичну - висока швидкодія (400 вимірювань/с); криву поперечного просочування можна умовно - накопичення результатів вимірювань і розділити на три ділянки І, ІІ і ІІІ (див. Фіг.2, 3). можливість порівняння з введеними еталонними На ділянці І кінетична крива просочування значеннями; характеризується прямо-пропорційною (лінійною) - можливість вимірювань у статичному і залежністю, що відображає процес нанесення динамічному режимах. краплі зв'язуючого на поверхню наповнювача. Цей Через вікно 6 зразок 1 просвічували за процес характеризується рівномірним допомогою джерела стабілізованого просочуванням і рівномірним змочуванням, або модульованого світла 7 (лампа накалювання СЦпостійною швидкістю просочування. При цьому 61), конструктивно виконаного з можливістю швидкість просочування (її значення) визначають вертикального переміщення відносно поверхні як значення тангенсу кута нахилу (кут a на Фіг.2) наповнювача 1. Джерело 7 на виході генерувало дотичної до кінетичної кривої (поперечного) циліндричний пучок модульованого світла просочування до осі абсцис у досліджуваний час. (позначений штриховою вертикальною лінією на Ділянка ІІ характеризується тим, що кінетична Фіг.1) з діаметром плями на поверхні зразка, який крива просочування починає відхилятись від просочується в зоні просочування, що не лінійної залежності і набувати крутизни (не перевищує діаметра плями нанесеного лінійності). Цей відрізок закінчується тоді, коли зв'язуючого. зв'язуюче повністю пройде скрізь товщу Енергія джерела 7 перетворювалася в наповнювача. Зростання ходу кінетичної кривої електричний сигнал на фотодіоді 8 типу ФД-1, означає швидкість, з якою змінюється закріпленому в основі 9, і реєструвалася світлопропускання, а довжина кривої — зміну вимірювачем світлопропускання 10 типу ВСП-8204 світлопроникненості у залежності від щільності з подальшим записом на самописці 11 типу КСП-4 структури наповнювача, наявності замаслювача і [ГОСТ 7164-66]. в'язкості зв'язуючого. При цьому за більш високої Діапазон вимірювання напруги фотоемісії швидкості змочування і просочування кінетична становив 0...50мВ з точністю вимірювань ±0,5мВ. крива буде мати більшу крутизну (кут нахилу a ), і Для запобігання попаданню зв'язуючого 12, навпаки. нагрітого, як і поверхня наповнювача в зоні На ділянці ІІІ, де врешті-решт досягається просочування, за допомогою термостата U-10 до насичення, кінетична крива стає більш пологою, необхідної температури, на фотодіод 8, поступово наближаючись до горизонтальної використали предметне скло 13. Теплообмінний асимптоти (виходить на плато). Тут змочування в осередок із зразком, що досліджується, монтували основному пов'язано із залишковим безпосередньо на основі 9. Для виключення просочуванням, тобто просочуванням в окремі нагріву основи 9 від теплообмінної камери 5 волокна (поздовжнім просочуванням). Ця ділянка слугувала теплообмінна прокладка 14. характеризується суттєвим зменшенням швидкості просочування, а кінець ділянки характеризується 9 30420 10 настанням (досягненням) насичення, що осуществления. Авторское свидетельство СССР відповідає конкретному значенню відповідного №1815608. МКИ G01N33/36, G01N15/08. Опубл. в часу. Б.И. №18, 1993г. Аналізуючи приведені на Фіг.2, 3 кінетичні 3. Шалун Г.Б. Сурженко Е.М. Слоистые криві, можна помітити, що із збільшенням зусилля пластики. -Л.: Химия, 1978. -232с. натягнення N товщина зразка і швидкість 4. Плоткин Л.Г. Технология и оборудование поперечного просочування меншає внаслідок пропитки бумаги полимерами. -М.: Лесная граничного ущільнення волокон, а час досягнення промышленность, 1985. -120с. насичення збільшується. 5. Воюцкий С.С. Физико-химические основы Оптимальне зусилля натягнення Nopt пропитывания и импрегнирования волокнистых волокнистого наповнювача при просочуванні материалов дисперсиями полимеров. -Л.: Химия, визначають за настання умови, згідно з якою 1969. -336с. одночасно досягається насичення, а також 6. Порхаев А.П. Кинетика впитывания швидкість просочування, визначена для кривих жидкости элементарными капиллярами и просочування, побудованих при різних значеннях пористыми материалами //Коллоидный журнал. зусилля натягнення наповнювача, не змінюється 1949. Т.11. т №5. -М. 346...353. при збільшенні зусилля натягнення волокнистого 7. Аксельруд Г.А., Альтшулер М.А. Введение в наповнювача. капиллярно-химическую технологию. -М.: Химия, Як видно з Фіг.2 і Фіг.3, при зусиллі натягнення 1983. -264с. N ³ 700Н/м для склотканини Т-10-80 і N ³ 0,30Н/м 8. Чизмаджев Ю.А., Маркин B.C., Тарасевич М.Р., Чирков Ю.Г. Макрокинетика процессов в на одну нитку для склоровінгу швидкість пористых средах. -М.: Наука, 1971. -364с. поперечного просочування практично не змінюється із збільшенням натягнення при 9. Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкости одночасному досягненні насичення. Ці значення і через пористые среды. М.: Наука, 1960. -196с. вибираються як оптимальні значення зусилля 10. Цыплаков О.Г. Научные основы натягнення досліджуваних волокнистих технологии композиционно-волокнистых наповнювачів при просочуванні. материалов. -Пермь, 1974. -317с. 11. Лыков А.В. Явление переноса в За час досягнення насичення волокнистого капиллярно-пористых телах. - М., 1954. -296с. наповнювача при просочуванні приймають час 12. Пегловский В.Л., Ивина А.В. Оборудование досягнення постійності швидкості просочування при фіксованому зусиллі натягнення волокнистого для пропитки и сушки рулонных материалов. наповнювача (відповідно 90с для склоровінгу Обзорная информация. Цинтихимнефтемаш, М.: 1984. -38с. ВМПС 10-40´1-78 і 280с для склотканини Т-10-80 13. Корсунский Л.М., Басин В.Е., Аснович Л.З. див. Фіг.2 і Фіг.3). Методы изучения пропитки пористых материалов Відмінність в значеннях зусиль натягнення і Электротехническая промышленность. Сер. часу досягнення насичення для склотканини і Электротехнические материалы. -1975. №7 (60), склоровінгу пов'язана, мабуть, з відмінностями с.3-5. змочування зв'язуючим поверхні волокон, 14. Сандалов А.В., Демиденко Б.Я., Абрамчук перетину, а також текстильно-технологічних С.С. Оптический контроль поврежденности властивостей наповнювачів. органожгутов //Механика композитных Таким чином, використання способу, що материалов. Рига, 1983. №1.с.167-169. пропонується, дозволяє провести більш просте і достовірне дослідження кінетики просочування тканих наповнювачів полімерними зв'язуючими при варіативних змінах зусилля натягнення наповнювача, і спрогнозувати оптимальне зусилля натягнення волокнистого наповнювача. Це в свою чергу підвищує достовірність визначення оптимального зусилля натягнення волокнистого наповнювача у порівнянні зі способом прототипу в середньому на 10-15%, а також дозволяє отримувати статистично більш достовірні результати шляхом побудови сімейства інтегральних кінетичних кривих при варіативних значеннях зусилля натягнення. Джерела інформації 1. Заславский Н.Н., Сычева В.А., Баранник И.Е., Молчанова Р.Н. Установка для оценки степени пропитки волокнистых наполнителей. Авторское свидетельство СССР №1212623. МКИ В05С3/02. Опубл. в Б.И. №7, 1986г. 2. Колосов А.Е., Шкарапута Л.М., Нагнибеда И.Е., Харченко Е.Ф., Меркулов В.Д., Бурдин Е.А., Пристайлов CO., Колосов В.Е. Способ исследования процесса пропитки тканых волокнистых материалов и устройство для его 11 30420 12