7.4 Технологические свойства волокнистых наполнителей

Роль волокнистых наполнителей и связующих в полимерных композиционных материалах достаточно основательно изучена полимерным материаловедением при оценке физико-механических свойств отверждающихся композиций. Волокнистый наполнитель является упрочняющим элементом и воспринимает основные нагрузки при работе конструкции из армированного пластика. Роль связующего (матрицы) состоит в том, чтобы обеспечить совместную работу волокон наполнителя в процессе нагружения. На современном уровне производства к качеству изделий предъявляются повышенные требования, а серийность становится существенным фактором, влияющим на экономические показатели производства. В связи с этим детальное исследование сущности процессов формования необходимо для научно обоснованного выбора формующего оборудования.

Особое внимание уделяется технологическим свойствам исходных материалов: а) деформационным и фильтрационным характеристика наполнителей; б) вязкостными свойствам связующих.

Практически для любого метода формования характерным является уплотнение наполнителя в направлении, перпендикулярном поверхности формы. Уплотнение может осуществляться как по всей поверхности формы одновременно, так и локально на отдельных ее участках. Уплотняться наполнитель может в сухом виде, так и после или во время пропитки связующим.

Для рулонных наполнителей (ткани, холсты, маты) установлена взаимосвязь между объемным содержанием наполнителя и давлением формования:

, (7.2)

где V_н – объемное содержание наполнителя; Р – давление формования ; a и b – эмпирические коэффициенты, зависящие от вида наполнителя.

При использовании в качестве наполнителя нитей или жгутов, укладываемых с натяжением на выпуклую поверхность технологической оправки, величина давления, а следовательно и степень уплотнения определяется натяжением нити (жгута) и радиусом оправки. В этом случае формула 7.2 может быть преобразована с учетом усилия натяжения и радиуса, но при этом учитывается количество слоев, жесткость и геометрия оправки, величина шага и угол намотки.

При формовании изделий на основе тканей и холстов учитывают их драпировочные свойства, под которыми понимают способность тканей и холстов, укладываться на поверхность двойной кривизны без складок и существенных нарушений структуры. Драпировочные свойства таких наполнителей связаны с наличием в их структуре взаимоподвижных элементов, т.е. имеет место внутрислойная деформация в наполнителе. Их наличие позволяет:

во-первых, формовать оболочки двойной кривизны без стыков наполнителя;

во-вторых, однако, внутрислойные деформации могут вызвать изменение содержания и ориентацию наполнителя в армированном пластике и оказать влияние на его свойства.

Условно драпировочным показателем ткани приятно считать угол α_Д, характеризующий угол между основой и утком ткани после вытяжки плоского прямоугольного образца, вырезанного под углом 45⁰ к основе ткани, под нагрузкой в 1 Н на 1 см ширины образца (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Схема определения показателя драпировочных свойств αД тканных наполнителей для полимерных композитов	Рис. 7.9. Схема укладки (вытяжки) стеклоткани на поверхности полусферической формы:1 – форма; 2 – опорное кольцо; 3 – прокладка; 4 – нажимное кольцо; 5 – слой стеклоткани; 6 – пружинная опора; β – показатель вытяжки ткани	Рис.7.10. Схема устройства для оценки компрессионных и фильтрационных свойств рулонных волокнистых наполнителей (см. формулу 7.5)

Угол α_Д связан с предельной глубиной вытяжки ткани, определяемой по началу складок. Предельная глубина вытяжки характеризуется углом β_Д. Определение предельной вытяжки проводят на приборе, схема которого представлена на (рис. 7.9). Установлено, чем меньше драпировочный показатель, тем больше, тем больше максимальная глубина вытяжки.

Изменение плотности структуры тканного наполнителя при внутрислойной деформации определяется соотношением:

, (7.3)

где G₀ – начальная плотность тканного наполнителя до внутрислойной деформации; G –плотность после внутрислойной деформации.

Деформация некоторых типов мягких холстов может достигать 200% при одноосной вытяжке. Это также указывает на хорошие драпировочные свойства. Как было отмечено выше, операция пропитки волокнистого наполнителя связующим является определяющей при разработке технологического и аппаратурного оформления процесса производство изделий из полимерных композитов. В связи с этим еще одним важным технологическим показателям его проницаемость – величина, характеризующая гидравлическое сопротивление волокнистой пористой среды при течении в ней связующего. Общие закономерности процесса пропитываемости наполнителя связующим характеризуются уравнением Дарси и Уошборна.

Коэффициент проницаемости волокнистого наполнителя зависит от его содержания в единице объема и его ориентации. Обычно коэффициент проницаемости находят экспериментально при исследовании процесса течения модельной ньютоновской жидкости в пористом образце, выполненным из данного вида наполнителя. Для анизотропных структур определяется три коэффициента проницаемости: по каждой оси симметрии. Формула для определения коэффициента проницаемости в направлении движения жидкости имеет вид (из уравнения Дарси):

, (7.4)

где К_п – коэффициент проницаемости; η – динамическая вязкость жидкости; Q – расход жидкости; ΔP – перепад давления по длине образца; B, L, δ – ширина, длина и толщина образца.

При определении К_п трансверсально-изотропных напол-нителей могут быть использованы образцы в виде плоского кольца толщиной δ (рис. 7.9). В условиях двухмерного потока (радиальное течение жидкости) коэффициент в плоскости кольца определяется выражением:

, (7.5)

где D и d – наружный и внутренний диаметр кольца (рис. 7.10).

Использование образцов в виде кольца позволяет одновременно определять деформативность наполнителя в широком диапазоне изменения его объемного содержания посредством изменения толщины δ. Фиксируя в процессе эксперимента усилие сжатия, а также расход связующего и давление его нагнетания, можно согласно уравнения 7.5, рассчитать коэффициент проницаемости, а по известной площади кольца – давление уплотнения пакета.