Закон Дарси и его отношение к инфузии

Или немного теории, которую полезно знать!

Данная заметка служит для целей донесения понимания, что процесс инфузии управляется в основном 5 переменными, которыми можно манипулировать для решения проблем в процессе инфузии и оптимизировать сам процесс. Если вы сталкиваетесь с проблемами инфузии, почитайте эту информацию и возможно, вы сможете изменить немного процесс.

Поток жидкости через пористый материал описывается связью, известной как закон Дарси. Хотя данная связь была открыта французом Генри Дарси, в результате его изучения потока воды через подземные слои, этот закон также применим и к потоку смолы через пористый ламинат. Закон Дарси можно описать в виде формулы:

где:

Q = объемная скорость потока

K = проницаемость материала (измерение легкости прохождения смолы через материал)

A = площадь поперечного участка, через которую протекает смола

Δp = разница давления в секции ламината, чья длина - L

μ = (динамическая) вязкость смолы

L = расстояние, которое должна пройти смола

Без погружения в математические расчеты давайте посмотрим на важность переменных, которые составляют закон Дарси.

Критическая важность вязкости смолы (μ) – и как на это влияет разница температур.

Закон Дарси говорит нам, что скорость, при которой смолы проходит через ламинат, обратно пропорциональна μ, вязкости смолы. Другими словами, смола с низкой вязкостью будет протекать в сухом ламинате быстрее. И наоборот, смола с высокой вязкостью будет протекать более медленно. Хотя данные вещи очевидны, на практике вязкость смолы часто опускается. Смолы для инфузии обычно обладают вязкостью в диапазоне 200 - 500 сантипауз (стандартная аббревиатура cP, но также часто пишется, как cps) при 20°C.

По сравнению с водой, которая обладает вязкостью в 1 cP при такой же температуре, смолы для инфузии будут примерно в 200-500 раз медленнее, чем вода при одинаковых условиях. То есть, вязкость смолы имеет значительное влияние на процесс инфузии. Но также следует учитывать и последствия, которые возникают в связи с вариациями вязкости.

Например, переход от одной смолы к другой может привести к значительным различиям скорости потока. Даже замена одного компонента системы смолы от одного и того же поставщика может изменить вязкость смеси. Срок хранения также может влиять на вязкость смолы.

Другая причина значительных различий в инфузии проистекает из вариации вязкости вследствие температурной разницы. Например, часто забывается, что вязкость смолы - это функция двух факторов: температуры компонентов и состояние отверждения. Смола для инфузии, сформулированная для применения при температуре в 20°C может увеличиться по вязкости вдвое, если инфузия проводится при 10°C. То есть, относительно небольшая температурная разница приведет к большому различию в скорости потока, при которой смолы будет пропитывать пакет сухих материалов.

Мораль истории в соответствии с законом Дарси:

• Используйте смолу, специально предназначенную для инфузии - не смолу с высокой вязкостью, предназначенную для ручного формования
• При смене системы смолы будьте готовы к изменению конфигураций процесса инфузии
• Не забывайте о влиянии температуры.

Природа не любит вакуум – или Δp, движущая сила инфузии.

В большинстве процессов инфузии Δp обычно рассматривается как уровень вакуума, измеренный на вакууметре, либо на ловушке для смолы, либо на вакуумном насосе. По факту, Δp – это немног более сложный комплекс, чем описано выше. Предположив, что вакууметр точен (что обычно, не всегда так), Δp – это конечный результат:

Вакууметр

Минус потеря давления из-за утечек воздуха в вакуумном мешке, или в вакуумной системе

Минус сопротивление потока воздуха в ламинате между подсоединением вакуума к мешку и потока смолы

Минус сопротивления потока смолы в трубке от источника подачи к изделию

Плюс или минус статическое давление емкости со смолой. Если подача смолы выше изделия, то Δp увеличится. Если подача смолы ниже изделия, то Δp уменьшится.

При рассмотрении того, как можно манипулировать Δp для достижения различных результатов инфузии, помните, что Δp, движущая сила инфузии, это не просто данные, показываемые на вакууметре. Например, если поток смолы слишком быстрый для достижения полной пропитки ламината, в понижении уровня вакуума нет необходимости для наилучшего контроля потока, так как это может привести к ослаблению натяжения вакуумного мешка. В качестве альтернативы, подумайте об уменьшении скорости смолы из емкости (частичным перекрытием клапана или небольшим зажатием линии подачи смолы), или понижении емкости со смолой (или помещением изделия повыше относительно источника подачи смолы)

Как понимание принципа поперечного течения позволяет получить преимущества от K, A и L.

Поток смолы сквозь ламинат однородной проницаемости в направлении потока смолы можно упростить до следующего:

В данном случае переменные, добавляемые к закону Дарси:

Проницаемость K = KC, проницаемость, измеренная в направлении оси С

Площадь поперечного сечения смолы, проходящей сквозь – это B×D. В формуле Дарси, A = B×D

Направление потока смолы параллельно оси С. В формуле Дарси, L = C

Очевидно, поток смолы сквозь ламинат можно улучшить, если:

• K, проницаемость ламината может быть увеличена.
• A, поперечное сечение, сквозь которое должна пройти смола, может быть увеличена.
• L, расстояние, которое должна пройти смола, может быть уменьшено.

На первый взгляд может показаться, что данные параметры неизменны для определенного ламината, уложенного в определенную матрицу. Однако если есть возможность уложить слой более проницаемого материала (проводящий материал) или на ламинат, или между слоями, то станет возможно повлиять на модель потока сквозь ламинат.

Идея укладки проводящего материала на сухой пакет ламината появилась у Била Симана, компания Seemann Composites, в конце 80-х, начале 90-х годов, которая была в дальнейшем запатентована.

Дальнейшие разработки позволили располагать проводящий материал внутри самого пакета ламината. Сейчас мы рассмотрим, как применение проводящего материала в любом из мест может значительно изменить переменные Дарси K, A и L.

Укладка проводящего материала сверху ламината

Давайте рассмотрим вариант, когда высоко проницаемый проводящий материал укладывается поверх ламината. Поскольку проводящий материал остается проницаемым при сжатии под вакуумом, он заполнится смолой. В данном случае модель потока смолы в изделие будет выглядеть следующим образом:

Ссылаясь снова на закон Дарси:

Проницаемость K (сухого ламината) = KB, проницаемость, измеренная параллельно оси В.

Для большинства волоконных армирующих материалов KB (проницаемость при прямом угле к плоскости волокна) значительно меньше, чем KC (проницаемость в плоскости волокна). При изменении направления потока смолы перпендикулярно плоскости полотна, казалось бы, не правильное решение, но вскоре мы увидим, что данный недостаток можно преодолеть, значительно улучшив A и L.

Поперечное сечение площади прохождения смолы через пакет материалов (в ламинат) - это C×D. В формуле Дарси, A = C×D

Так как габарит С обычно больше, чем габарит В, площадь, доступная для прохождения смолы в сухой ламинат будет также больше. В соответствии с Дарси, поток смолы в ламинат будет улучшен пропорционально.

Направление потока смолы (сквозь ламинат) параллельно оси В. В формуле Дарси, L = B

Так как толщина большинства ламинатов небольшая, L будет маленькой. Так как L находится в нижней части уравнения Дарси, поток смолы в ламинат будет значительно улучшен.

Укладка высоко проницаемого проводящего материала поверх ламината позволяет смоле пропитывать ламинат через всю свою поверхностную площадь, а не через площадь поперечного сечения, которая обычно намного меньше. Изменение направления потока смолы в ламинат подобным образом называется ПОПЕРЕЧЕНЫМ ПОТОКОМ.

Если высокопроницаемый проводящий материал укладывается на ламинат, обычно он снимается после того, как смола отвердится. Чтобы это было возможно сделать, между проводящим слоем и ламинатом выкладывается тонкий материал. Этот слой называется жертвенная ткань. При снятии жертвенной ткани с отвержденного ламината также снимается и проводящий слой. Снятие жертвенной ткани с ламината оставляет шероховатую поверхность. Данное качество поверхности обычно идеально для вторичной склейки.

Отметьте, что проводящий слой может иметь определенные направления потока. В случаях, когда желательно ускорить или замедлить скорость потока смолы, постарайтесь правильно уложить проводящий слой.

Укладка высокопроницаемого проводящего материала ВНУТРИ ламината

Другой способ получить преимущества от поперечного потока – это поместить высокопроницаемый проводящий материал где-нибудь внутри ламината и оставить его внутри после отверждения смолы. И также, в то время, как внутренний проводящий материал остается высокопроницаемым под вакуумом, это материал заполнится смолой. Модель потока смолы с обеих сторон ламината будет выглядеть так, как представлено на картинке. Отметьте, что на картинке представлен достаточно толстый слой срединного материала с насечками, но перечень внутренних проводящих материалов достаточно обширный. Также он может быть более 1 слоя.

Влияние закона Дарси будет таким же, как и с материалом, уложенным поверх ламината, за исключением того, что расстояние потока L может быть потенциально сокращено.

Внутренние проводящие материалы предназначены для того, чтобы оставаться в структуре ламината и быть его частью. Правильно подобранные срединные материалы могут даже улучшить свойства ламината, такие как, жесткость и ударопрочность. Но применение срединного материала делает ламинат более тяжелым.

Заключение

При всем уважении к господину Дарси, поток смолы сквозь ламинат:

• Прямо пропорционален проницаемости материала, площадь ламината, перпендикулярен потоку смолы и движущему давлению. Следовательно, увеличение значений этих параметров улучшит поток.
• Обратно пропорционален вязкости смолы и длине траектории потока. Следовательно, уменьшение этих переменных улучшит поток.

Если инфузия идет неправильно как запланировано, посмотрите, какой из переменных вы сможете манипулировать.