Определение смачиваемости углеродных жгутов на основе данных об угле смачивания одиночного волокна

Физическая адгезия между углеродными волокнами и полимерными матрицами, а также образование пустот на границе раздела между этими двумя материалами в основном определяются свойствами смачивания волокон. Из-за единообразной структуры армирования углеродного волокна важно изучать их поведение при смачивании в разных масштабах: от моноволокна (в микроскопическом масштабе) до ткани (на макроуровне). В то время как прямое измерение угла смачивания моноволокон с помощью тензиометрических средств хорошо известно и популярно, прямое измерение смачиваемости пучка волокон затруднено из-за их пористой структуры ввиду явлений уплотнения и поглощения жидкости. Поэтому точная характеристика их смачиваемости по-прежнему остаётся весьма сложной задачей.

В статье представлен метод определения смачиваемости углеродных жгутов на основе угла контакта, измеренного на одиночных волокнах. Для этого был проведен комбинированный синхронизированный анализ тензиометрически и оптически определённых контактных углов. Смачиваемость моноволокон и пучков волокон измерялась с помощью тензиометра K100SF и оптических средств. Затем контактные углы в мезо - и микромасштабах были успешно связаны с использованием модифицированной модели Кэсси-Бакстера.

Экспериментальная часть

Рассматриваемые здесь пучки волокон состоят из двух типов раскрученных жгутов на основе полиакрилонитрила. Эти два материала представляют собой лабораторные обработанные и необработанные жгуты, предоставленные Университетом Дикина, и коммерчески доступные жгуты с названием FT300-3000-40A (T300), приобретённые у Toray CFs Europe S. соответственно.

В качестве тестовой жидкости для измерения контактных углов использовалась дистиллированная вода.

Метод, предложенный Цю и другими для измерения статических краевых углов натекания использовали для характеристики смачиваемости одноразмерных и негабаритных моноволокон по методу Вильгельми. Каждое волокно многократно погружали в сосуд с жидкостью и трижды извлекали из него со скоростью 3,6 мм/мин для измерения ряда динамических углов контакта натекания и отекания.

Для измерения статических краевых углов натекания образцы медленно размачивали в жидкости на протяжении 1 мм и оставляли в этом положении на 500 с, чтобы убедиться, что внешний мениск вокруг жгута достиг статической конфигурации. Затем предметный столик перемещали вниз до полного извлечения жгута из сосуда с жидкостью. Силы, действующие на пучок волокон, регистрировались непрерывно каждые 200 мс с помощью тензиометра K100SF в течение всего процесса измерения (включая приближение, смачивание и вытягивание из сосуда с жидкостью). Одновременно были сделаны снимки с высоким разрешением для контроля визуального уплотнения жгута из-за воздействия капиллярных сил.

Мы разработали модифицированную модель Кэсси-Бакстера, которая связывает угол контакта θ измеренный на одном волокне, со “средним” внешним углом контакта вокруг пучка волокон θcb по следующему уравнению:

θi можно принять равным 0° можно принять равным 0°, поскольку волокна в пучке пропитываются водой, так что воздух между нитями волокон заменяется водой, что приводит к “межфазному взаимодействию” вода/вода. P-это объёмная доля нетвёрдых смачиваемых пучков, которая может быть рассчитана на основе массы, плотности и оптически измеренного диаметра образцов этих пучков (которые обычно имеют круглую форму). Предполагая, что в пучке не осталось воздушных карманов, P также можно приравнять к объемной доле удержания жидкости fr . Это можно рассчитать по весу жидкости, поглощаемой капиллярным потоком, при последующем взвешивании смоченного жгута, используя следующую формулу:

Vr -объем жидкости в жгуте;

Wr -вес удерживаемой жидкости;

Vfibers - объем одиночных волокон;

p - плотность жидкости.

На рисунке 2 показано сравнение контактных углов натекания, измеренных на отдельных волокнах только с использованием K100SF, на жгутах с использованием оптического метода, и расчетного угла контакта, основанного на измеренных данных по одиночному волокну, в соответствии с приведённым выше уравнением, соответственно. Как показано, сравнение результатов, полученных в результате измерений, и теоретических прогнозов, как для некрупных волокон, так и для пучков T300 CF, показывает хорошую сходимость, указывающую на то, что этот метод успешно количественно оценивает влияние уплотнения и поглощения воды на статические контактные углы натекания.

В данном отчёте мы описываем метод измерения контактных углов на пучке углеродных волокон. Этот метод обеспечил согласованные результаты для одиночных волокон и пучков, состоящих из некрупных и крупногабаритных волокон. Этот метод подтверждает, что контактные углы в мезо - и микромасштабах могут быть связаны с помощью модели Кэсси-Бакстера. С помощью этого теперь можно определить угол смачивания жгутов волокон на основе углов смачивания, измеренных на моноволокне.

Тензиометр K100SF в сочетании со стандартным оптическим устройством был необходим для правильной настройки и проверки нашей теоретической модели. В итоге, основываясь на этом исследовании, прибора K100SF вместе с простой теоретической моделью теперь достаточно для описания смачиваемости волокон, что способствует лучшему прогнозированию адгезии между углеродным волокном и полимерной матрицей.