Xác định tính thấm ướt của cuộn sợi carbon từ dữ liệu góc tiếp xúc của sợi đơn

sợi carbon

Độ bám dính vật lý giữa sợi carbon (CF) và chất nền polymer cũng như sự hình thành các khoảng trống ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu này chủ yếu được xác định bởi đặc tính thấm ướt của sợi. Do cấu trúc phân cấp của chất gia cố CF, điều cần thiết là phải nghiên cứu hành vi làm ướt của chúng ở các thang đo khác nhau: từ sợi đơn (cấp vi mô) đến vải (cấp vĩ mô) thông qua thang kéo (cấp trung bình). Trong khi phép đo trực tiếp góc tiếp xúc của các CF đơn lẻ bằng phương pháp đo độ sức căng bề mặt đã được thiết lập tốt, thì phép đo trực tiếp độ ẩm của cuộn CF bị cản trở bởi cấu trúc xốp của chúng do hiện tượng cô đặc và hấp thụ chất lỏng. Do đó, việc mô tả chính xác khả năng thấm ướt của chúng vẫn còn rất nhiều thách thức.

Báo cáo Ứng dụng này trình bày phương pháp xác định khả năng thấm ướt của cuộn CF dựa trên góc tiếp xúc được đo trên các sợi đơn. Để làm được điều này, chúng tôi đã thực hiện phân tích kết hợp và đồng bộ về các góc tiếp xúc được xác định bằng phương pháp đo sức căng và quang học. Độ thấm ướt của các CF đơn lẻ và các cuộn CF bao gồm các CF không có kích thước và có kích thước được đo bằng Máy đo sức căng bề mặt K100SF và phương tiện quang học. Các góc tiếp xúc của CF ở quy mô trung bình và vi mô sau đó đã được liên kết thành công bằng mô hình Cassie-Baxter đã sửa đổi.

Thí nghiệm đo góc tiếp xúc sợi carbon

Nguyên vật liệu 

Các cuộn CF được xem xét ở đây bao gồm hai loại cuộn CF dựa trên polyacrylonitrile không xoắn. Hai vật liệu này là các loại cuộn CF chưa có kích thước và chưa qua xử lý được chế tạo trong phòng thí nghiệm do Đại học Deakin cung cấp và các loại cuộn CF có kích thước hiện có (xem Hình 1) có tên FT300-3000-40A (T300) tương ứng được mua từ Toray CFs Europe SA. Nước cất được sử dụng làm chất lỏng thử nghiệm để đo góc tiếp xúc.

Hình 1: Hình ảnh SEM của cuộn CF T300 (chứa 3000 sợi)

Phương pháp đo

Phương pháp được đề xuất bởi Qiu et al. [1] để đo các góc tiếp xúc tĩnh được sử dụng để mô tả khả năng thấm ướt của các CF đơn có kích thước và không có kích thước theo phương pháp Wilhelmy. Mỗi sợi được nhúng vào và rút ra khỏi bình chất lỏng ba lần với tốc độ 3,6 mm/phút để đo một loạt các góc tiếp xúc tiến và lùi động.

Để đo góc tiếp xúc tĩnh cuộn CF, các mẫu được ngâm từ từ trong chất lỏng trên chiều dài 1 mm và dừng ở vị trí đó trong 500 giây để đảm bảo sụn bên ngoài xung quanh dây kéo đạt cấu hình tĩnh. Sau đó, bình được di chuyển xuống cho đến khi rút hoàn toàn khỏi bể chứa chất lỏng. Các lực tác dụng lên dây kéo được phát hiện liên tục cứ sau 200 ms bởi Máy đo sức căng K100SF trong toàn bộ quy trình (bao gồm cả việc tiếp cận, làm ướt và rút khỏi bể chất lỏng). Các bức ảnh có độ phân giải cao được chụp đồng thời để theo dõi độ đặc của dây kéo do lực mao dẫn đàn hồi. Sơ đồ thiết bị được thể hiện trên Hình 2.

Hình 2: Sơ đồ biểu diễn sự kết hợp giữa phép đo độ căng và phương pháp quang học để mô tả tính thấm ướt của cuộn CF.

KRÜSS đã phát triển một mô hình Cassie-Baxter đã được sửa đổi, liên hệ góc tiếp xúc θs được đo trên sợi đơn với góc tiếp xúc bên ngoài “trung bình” xung quanh lực kéo CF θCB theo phương trình sau:

θi có thể được coi là 0° vì các dây kéo bị nước xâm nhập nên không khí giữa các cuộn CF được thay thế bằng nước. P là phần thể tích không rắn của các cuộn CF ướt, có thể được tính toán dựa trên khối lượng, mật độ và đường kính đo được bằng phương pháp quang học của các cuộn CF (thường có dạng hình tròn). Giả sử rằng không còn không khí nào trong cuộn, P cũng có thể được coi là phần thể tích của chất lỏng giữ lại fr. Điều này có thể được tính từ trọng lượng của chất lỏng được dòng mao dẫn hấp thụ khi cân phần kéo ướt sau đó, sử dụng

Trong đó Vr là thể tích chất lỏng kéo, Wr trọng lượng của chất lỏng giữ lại, Vsợi thể tích sợi CF và r mật độ của chất lỏng.

Kết quả

Hình 3 cho thấy sự so sánh giữa các góc tiếp xúc nâng cao được đo trên các sợi đơn chỉ sử dụng K100SF, trên các cuộn sử dụng phương pháp quang học và góc tiếp xúc được tính toán dựa trên dữ liệu sợi đơn được đo theo phương trình trên đối với CF không được định cỡ và có kích thước, tương ứng. Như được hiển thị, việc so sánh giữa các kết quả thu được từ các phép đo và dự đoán lý thuyết đối với cả cuộn không định cỡ và cuộn CF T300 cho thấy sự đồng thuận tốt cho thấy rằng phương pháp này định lượng thành công tác động của mật độ và khả năng hút nước lên các góc tiếp xúc tĩnh.

Phần kết luận

Báo cáo ứng dụng này mô tả phương pháp đo góc tiếp xúc xung quanh cuộn CF. Phương pháp này mang lại kết quả nhất quán cho các CF đơn lẻ và các cuộn CF bao gồm các CF không có kích thước và có kích thước. Phương pháp này xác nhận rằng các góc tiếp xúc ở quy mô trung bình và vi mô có thể được liên kết bằng mô hình Cassie-Baxter. Điều này có thể suy ra góc tiếp xúc của dây kéo CF dựa trên góc tiếp xúc đo được trên các sợi đơn.

Máy đo sức căng K100SF kết hợp với thiết bị quang học tiêu chuẩn là điều cần thiết để thiết lập và chứng minh chính xác mô hình lý thuyết. Tuy nhiên, dựa trên nghiên cứu này, thiết bị K100SF cùng với mô hình lý thuyết đơn giản hiện đã đủ để mô tả khả năng thấm ướt của cuộn CF, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc dự đoán tốt hơn về độ bám dính giữa dây kéo sợi carbon và chất nền polymer.

Nguồn: https://www.kruss-scientific.com/en/know-how/application-reports/ar284-determining-the-wettability-of-carbon-fiber-tows-from-single-fiber-contact-angle-data

Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị đo góc tiếp xúc hãng Kruss.