Einfluss der Gelatinebehandlung auf die Verformung des Harzes

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18949 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die potenzielle Verwendung von Gelatinematerialien im Flüssigverbundformherstellungsprozess (LCM) wurde untersucht, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Phänomen der Verstärkungsverformung. Die Eignung von Gelatine als Bindemittel in einem Verbundmaterial mit Glasfasern für die Anwendung im LCM-Prozess wurde durch Analyse der Permeabilität und mikroskopischen Struktur der mit Gelatine beschichteten Glasfasern bewertet. Um die Verformung des Kabels zu beurteilen, wurde die Durchlässigkeit der nicht gekräuselten unidirektionalen Glasfasermatte bei verschiedenen Flussraten bewertet, die im LCM-Prozess angewendet werden konnten. Es wurde eine Hysterese der Permeabilität beobachtet, als die Durchflussrate zunahm und abnahm, was auf eine Verformung des Kabels hinweist. Die Permeabilität der mit Gelatine behandelten Glasfasermatte wies bei gleicher Durchflussrate eine relativ geringere Schwankung auf als die der unbehandelten Glasfaser. Die Kabelverformung in den unbehandelten und mit Gelatine behandelten, nicht gekräuselten Glasfasermatten bei verschiedenen Durchflussraten wurde durch mikroskopische Analyse bewertet und mithilfe des Kabeldickenindex quantifiziert. Mittels mikroskopischer Analyse wurden relativ kleinere Schwankungen in der Permeabilität und minimale Änderungen in der Kabeldicke der mit Gelatine behandelten Glasfasermatte beobachtet, was darauf hinweist, dass Gelatine die Bindungsstruktur der Glasfasermatte effektiv aufrechterhält.

Der anhaltende Bedarf an der praktischen Umsetzung von Hochleistungsfasern in Strukturen hat zu einem anhaltenden Interesse an hochfesten faserverstärkten Verbundwerkstoffen geführt. Verbundwerkstoffe wie glasfaser- und kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe werden häufig für Strukturen und Ausrüstungen in der Schifffahrts-, Flugzeug- und Automobilindustrie1 verwendet, wo die Analyse der Beziehung zwischen den Konstruktionsmerkmalen und der strukturellen Leistung erforderlich ist, um die Sicherheit von zu gewährleisten Tragwerksentwürfe2,3,4. Probleme mit der Verformung von Bewehrungen haben die Aufmerksamkeit von Forschern auf dem Gebiet der Verbundwerkstoffherstellung auf sich gezogen. Probleme bei der Verstärkungsverformung bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen hängen mit der Imprägnierung der Faser, dem Herausziehen der Fasern, der Ablösung und der Kavitation der Matrix während des Verbundformprozesses zusammen. Ein Material, das im Herstellungsprozess als Bindemittel fungiert, sollte jedoch eine Faserverformung während des Verbundformprozesses verhindern.

Über die Anwendbarkeit von Gelatine in Verbundmaterialien wurde ausführlich berichtet. Narbat et al.5 untersuchten die Verwendung von Verbundgerüsten aus Hydroxylapatit und Gelatine, um die mineralische und organische Zusammensetzung natürlicher Knochen nachzuahmen. Yan et al.6 produzierten durch Elektrospinnen Nanofasern aus Poly(l-lactidsäure)-Mischgelatine (PLLA-Gelatine), während Wang et al.7 röhrenförmige Gerüste aus Polylactidfasern (Außenschicht) und Seidenfibroin-Gelatinefasern herstellten ( innere Schicht) durch Elektrospinnen. Balaji et al.8 stellten dreidimensionale Gerüste mit einer porösen, miteinander verbundenen Matrix unter Verwendung von Keratin, Chitosan und Gelatine her, wobei poröse Keratin-Gelatine- (KG) und Keratin-Chitosan- (KC) Verbundstoffe als Rohmaterialien verwendet wurden. Die praktische Umsetzung von Gelatinefasern als vernetztes Nahtmaterial wurde von Nagura et al.9 untersucht. Es wurden verschiedene Ansätze zur Herstellung von Gelatinefasern untersucht. Fan et al.10 stellten Mischfasern aus Alginat und Gelatine her, indem sie eine Lösung von Rohmaterialien durch eine Viskose-Spinndüse in ein Koagulationsbad mit wässrigem CaCl2 und Ethanol spinnen. Kozlowska et al.11 entwickelten dreidimensionale Kollagen/Gelatine/Hydroxyethylcellulose-Komposite und Mikrokügelchen, die mit Gelatine und Kollagen/Gelatine beladen waren. Die Herstellung und Anwendung von Gelatinematerialien steckt noch in den Kinderschuhen. Bei der weiteren Umsetzung kommt es auf die Optimierung der Materialeigenschaften für spezifische Anwendungen an.

Verbundstoffe aus Kohlenstofffasern und Gelatine wurden mithilfe von Lösungsmittelguss- und Lösungsimprägnierungstechniken entwickelt, wobei die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit und -modul, Bruchdehnung und Scherfestigkeit) basierend auf dem Faservolumenanteil und dem Glyceringehalt (Weichmacher) angepasst wurden , Gelatinegehalt und Faserform12. Rodríguez-Castellanos et al.13 untersuchten die Verwendung von hydrolysierter Maisstärke-Gelatine als Basismatrix mit (5 Gew.-%) und ohne Zellulosefaserverstärkung zur Bildung von Behältern durch Extrusionsblasformen. Hanani et al.14 bewerteten die mechanischen und Barriereeigenschaften von Verbundfolien, die durch Kombination von Gelatine mit Maisöl hergestellt wurden, unter Verwendung eines gleichläufigen Doppelschneckenextruders. Darüber hinaus bewerteten Zaman und Beg15 die grundlegenden Eigenschaften von mit Gelatinefolie laminierten Polycaprolacton (PCL)-Biokompositen mit unterschiedlichen Gelatinegehalten und untersuchten die Wirkung von Gammastrahlung nach einer Vorbehandlung mit 2-Ethylhexylacrylat (EHA). Die oben genannten Studien belegen die potenzielle Anwendbarkeit von Gelatine in Verbundmaterialien.

Darüber hinaus wurde Gelatinematerial als eines der wirksamen Bindemittel im Verbundmaterial vorgeschlagen. Typischerweise untersuchen Roh und Lee16 die Wirkung der Gelatinebeschichtung für mehrwandige Nanoröhren-(MWNT)-Polypropylen(PP)-Verbundwerkstoffe mit gelatinebeschichteten Kohlenstofffasern. Sie fanden heraus, dass CNT-Partikel minimiert werden können, wenn Gelatine als Bindemittel in der Kohlenstofffaser fungiert. Guo et al.17 stellten bioaktive Glas/Gelatine-Verbundgerüste mit unterschiedlichen Mengen an tetrapodischen Zinkoxid-Whiskern her, die Morphologie, mechanische Eigenschaften und In-vitro-Bioaktivität der Verbundgerüste zeigten. Younes et al.18 entwickelten Silikagel-Verbundwerkstoffe unter Verwendung von vier Arten von Polymerbindemitteln. Unter anderem wurde die Eignung von Galatin als Polymerbindemittel untersucht. Gautam et al.19 schlugen vor, das aus Polycaprolacton und Gelatine bestehende zusammengesetzte nanofaserige Tissue-Engineering-Gerüst durch Elektrospinnverfahren herzustellen, wobei das Gerüst aus der Kombination von natürlichem Polymer (Gelatine) hergestellt wurde. Gareev et al.20 entwickelten für die Herstellung gelatinebasierter Polymerkomposite mit eingebrachten Partikeln aus leitfähigen Polymeren.

Darüber hinaus kann Gelatinematerial ein wirksameres Material oder Bindemittel im Herstellungsprozess sein oder die Eigenschaften von Verbundmaterialien verbessern, die an die verschiedenen Einsatzgebiete von Verbundmaterialien angepasst werden sollen. Wan et al.12,21 berichteten über einen kohlenstofffaserverstärkten Gelatineverbundstoff. Die Herstellung und die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe auf Gelatinebasis wurden untersucht und die mechanischen Eigenschaften bewertet. Wan et al.22 präsentierten auch Verbundwerkstoffe auf Gelatinebasis, die mit kurzen Kohlenstofffasern, gewebten Fasern und Kohlenstofffasern verstärkt waren, um den Einfluss der Architektur der Verstärkung auf die Leistung von Verbundwerkstoffen auf Gelatinebasis zu untersuchen. Khan23 untersuchte die morphologischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften von Jute-Gelatine-Verbundwerkstoffen. Ebenso wurde Gelatine in verschiedenen Bereichen der Verbundwerkstoffe eingesetzt.

Ziel dieser Studie ist es, die Verwendung von Gelatine zu untersuchen, um geeignete Materialien zu identifizieren, die die Verformung der Verstärkung im Verbundwerkstoffherstellungsprozess minimieren. Insbesondere wurde die Anwendbarkeit von Gelatine in Verbundwerkstoffen im Herstellungsprozess des Liquid Composite Moulding (LCM) untersucht, um Probleme mit der Verstärkungsverformung anzugehen, mit besonderem Schwerpunkt auf der Kabelverformung. Die Aufnahmefähigkeit von Gelatine im Verbundmaterial wurde experimentell untersucht, indem die Änderungen in der Permeabilität der Verstärkung analysiert wurden. Die Kabelverformung in den unbehandelten und mit Gelatine behandelten, nicht gekräuselten Glasfasermatten bei verschiedenen Durchflussraten wurde durch mikroskopische Analyse bewertet und mithilfe des Kabeldickenindex quantifiziert.

LCM-Verfahren (in der Regel Harzspritzpressverfahren und Vakuuminfusionsverfahren) werden häufig zur kostengünstigen Herstellung von Verbundwerkstoffen eingesetzt. Für mit flüssigem Harz imprägnierte Faserverstärkungen lässt sich der Harzfluss im LCM-Prozess mit dem Darcy-Gesetz erklären:

wobei \({u}_{i}\), K, μ und p die volumengemittelte Harzgeschwindigkeit, den Permeabilitätstensor der Verstärkung, die Flüssigkeitsviskosität bzw. den Flüssigkeitsdruck darstellen.

Bei der Beobachtung des Fließverhaltens in der Bewehrung (gekennzeichnet durch poröse Medien) wurde die Durchlässigkeit der Bewehrung bewertet, um das Fließverhalten zu verstehen. Die Durchlässigkeit wird normalerweise experimentell bestimmt, indem die Druckdifferenz zwischen zwei verschiedenen Punkten bei einer gegebenen Durchflussrate (Q, mm3/s) unter stationären Fließbedingungen gemessen wird, bei denen die Verstärkung vollständig im Harzfluss gesättigt ist.

Hier sind \({K}_{ij}\), L, P1 und e die Permeabilität (m2), der Abstand zwischen den beiden unterschiedlichen Punkten und der Flüssigkeitsdruck an den Punkten 1 bzw. 2.

Im Allgemeinen wird unabhängig von der Fließ- und Verstärkungsverformung ein konstanter Permeabilitätswert im Verbundformteil angenommen. Es wurden jedoch unterschiedliche Werte für die gesättigte und ungesättigte Permeabilität gemeldet24,25,26,27,28,29. Dies kann auf Verzerrungen und Verformungen der Bewehrung während des LCM-Prozesses zurückgeführt werden. Der gleiche Wert der gesättigten und ungesättigten Permeabilität hängt mit der Annahme zusammen, dass das Faserkabel während der Harzimprägnierung nicht deformiert wurde30.

Gelatine kann ein wirksames Material für die Einarbeitung in Verbundwerkstoffe sein, um die Verbundformungsprozesse zu verbessern. Gelatine weist als Bindemittel im Vergleich zu anderen Arten von Bindemitteln viele hervorragende Eigenschaften auf, wie z. B. eine ausgezeichnete Biokompatibilität31, gute Adhäsions- und Dispersionsfähigkeiten32.

Um die Anpassungsfähigkeit von Gelatine an das Verbundmaterial zu untersuchen, wurde Gelatine auf eine nicht gekräuselte (NC) unidirektionale Glasfasermatte aufgetragen. Gelatine wurde durch thermische Denaturierung von Kollagen gewonnen. Die beim Kollagenabbau im Solzustand in einer warmen wässrigen Lösung33 gebildete Gelatine ist in Abb. 1 dargestellt. Bei Temperaturen unter 20 °C wechselte Gelatine vom Solzustand in den Gelzustand; Glasfasermatten wurden mit wässrigen Gelatinelösungen beschichtet, wodurch die Verwendung von Gelatine als flüssiges Bindemittel erleichtert wurde. Die Eigenschaften der in dieser Studie verwendeten Gelatine (250 Bloom, Geltech Co., Ltd., Korea) sind in Tabelle 1 aufgeführt. Zur Verstärkung wurde eine nicht gekräuselte (NC) unidirektionale Glasfasermatte (Owens Corning, USA) verwendet , wie in Abb. 1 dargestellt. Die ungekräuselte Glasfasermatte bestand aus E-Glasgewebe, wobei jedes Kabel aus 1000 Filamenten mit Durchmessern von 16,5 μm bestand. Die horizontalen und vertikalen Abmessungen des Kabelquerschnitts betrugen 1,5 bzw. 0,5 mm. Um die Struktur der Fasern beizubehalten, wurde ein Polyester-Strickgarn (JBY-Denier) verwendet. Als Arbeitsflüssigkeit wurde Silikonöl (KF-96, Shin-Etsu, Japan) verwendet; Die Eigenschaften der Flüssigkeit sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Gelatinebehandlung einer nicht gekräuselten, unidirektionalen Glasfasermatte.

Die NC-Glasfasermatte wurde 5 Stunden lang bei 60 °C in 100 ml einer 15 Gew.-%igen wässrigen Gelatinelösung (Sol-Zustand) eingetaucht. Die Glasfasermatte wurde in einem Trockenofen bei 100 °C getrocknet, bis das gesamte Wasser verdampft war, um die Abwesenheit von Restwasser zu bestätigen, sodass die Gelatine die Oberfläche aller Glasfasern im gesamten Kabel beschichten konnte. Die mit Gelatine behandelte Glasfasermatte wurde auf die zum Einlegen in die Form erforderliche Größe zugeschnitten. Ein Schema der Versuchsapparatur ist in Abb. 2 dargestellt. Die NC-Glasfasern wurden mit einem Volumenanteil von 50 Gew.-% in der rechteckigen Form hergestellt. Die obere Form bestand aus 25 mm dickem gehärtetem Glas und ermöglichte die Beobachtung des Faserkabelverhaltens während des Flüssigkeitsflusses von oben. Im unteren Teil der Form wurde der Druck der Flüssigkeit an jedem Punkt mit Druckwandlern (Sensys, Korea) entlang der Strömungsrichtung in Abständen von 120 mm vom Einlass gemessen. Der Druckwandler hat einen Messbereich von 0–0,1 MPa und eine Sensorgenauigkeit von 0,030 %; Der Druck wurde mit einem Datenlogger (Keithley 2700, US) gemessen. Um die Verformung des Kabels unter konstanten Strömungsbedingungen zu beobachten, wurde Silikonöl mit verschiedenen konstanten Strömungsraten (50, 100, 200 und 400 mm3/s) mithilfe einer Flüssigkeitseinspritzpumpe eingespritzt. Das Faserkabelverhalten wurde in Echtzeit mit einem optischen Mikroskop (Olympus Optical Co., Ltd., Japan) beobachtet.

Schematische Darstellung einer Versuchsapparatur zur Beobachtung des Schleppverhaltens in porösen Medien im Doppelmaßstab (alle Abmessungen in mm).

Die Durchlässigkeit wurde bewertet, um die hydrodynamischen Auswirkungen auf die NC-Glasfasermattenverstärkung unter Bedingungen konstanter Durchflussrate zu beobachten. In früheren Studien30 wurden Permeabilitätsmessungen mit einer NC-Glasfasermatte unter verschiedenen viskosen Flüssigkeitsbedingungen durchgeführt. In der vorliegenden Studie wurde die Permeabilität der NC-Glasfasermatte bei verschiedenen Flussraten gemessen, die auf den LCM-Prozess angewendet werden konnten.

Bei verschiedenen konstanten Durchflussraten (50, 100, 200 und 400 mm3/s) wurde die Durchlässigkeit (m2) der NC-Glasfasermatte unter Verwendung von Gl. berechnet. (2) durch Anwendung der unter jeder Bedingung gemessenen Drücke. Die Ergebnisse werden mit Fehlerbalken angezeigt, die Unterschiede zwischen den Datenpunkten anzeigen. Bei der unbehandelten NC-Glasfasermatte (Abb. 3) nahm die Permeabilität je nach Durchflussgeschwindigkeit zu oder ab. Die Durchlässigkeit nahm um 45 % zu, wenn die Durchflussrate von 50 auf 400 mm3/s anstieg, und verringerte sich um 10 %, wenn die Durchflussrate von 400 auf 50 mm3/s abnahm; Der Rückgang war weniger ausgeprägt als der Anstieg. Es kann davon ausgegangen werden, dass die konstanten Werte der gesättigten und ungesättigten Permeabilität mit den unverformten Faserkabeln während der Harzimprägnierung im Formfüllprozess zusammenhängen. Es wurden jedoch plausible Gründe für die beobachtete Permeabilitätsschwankung unter unterschiedlichen Durchflussbedingungen angegeben, wie z. B. der Hohlraumeffekt und Probleme mit der Verformung des Faserkabels34,35. Die Verformung des Kabels während des Formfüllprozesses steht im Mittelpunkt der aktuellen Studie und ist einer der Gründe für diese Diskrepanz.

Änderung der Durchlässigkeit einer unbehandelten NC-Glasfasermatte bei Durchflussraten von 50, 100, 200 und 400 mm3/s.

Während der Flüssigkeitsströmung in der NC-Glasfasermatte führte die auf die Faserkabel ausgeübte hydrodynamische Kraft zu einer Kompression in Strömungsrichtung und dadurch zu einer Verformung der Faserkabel. Die beiden Kompressionen verursachten Veränderungen im Strömungskanal, wobei die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit den Hauptströmungskanal zwischen den Faserkabeln erweiterte, wie in Abb. 4 dargestellt. Daher führte eine höhere Strömungsgeschwindigkeit zu einer erhöhten Permeabilität. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt, wird im Allgemeinen erwartet, dass ein reversibler Prozess beobachtet wird, bei dem die komprimierten Kabel in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, wenn die hydrodynamische Flüssigkeitskraft abnimmt30. Allerdings kehrten die verformten Kabel nicht in ihre ursprüngliche Form zurück, als die hydrodynamische Kraft mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit verringert wurde, wie in Abb. 3 dargestellt. Daher folgte die Permeabilität unterschiedlichen Trends bei zunehmenden und abnehmenden Strömungsgeschwindigkeitsbedingungen und zeigte eine bekannte irreversible Charakteristik als Permeabilitätshysterese. Diese Hysterese wird auf die Verformung des Faserkabels zurückgeführt, die auftrat, als sich die Strömungsgeschwindigkeit änderte, wobei sich das strukturelle Netzwerk im Faserkabel aufgrund veränderter Strömungskanäle aufgrund der hydrodynamischen Kraft des Fluids veränderte30,36.

Schematische Darstellung der Kabelkompression und der Änderung des Strömungskanals.

Die Wirkung der Gelatinebehandlung auf die NC-Glasfasermatte wurde durch Permeabilitätsmessungen bewertet; Die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt.

Permeabilitätswerte bei Durchflussraten von 50, 100, 200 und 400 mm3/s für die mit Gelatine behandelte NC-Glasfasermatte.

Die Permeabilität der mit Gelatine behandelten NC-Glasfaser stieg um 7 %, wenn die Durchflussrate von 50 auf 400 mm3/s anstieg, und verringerte sich um 6 %, wenn die Durchflussrate von 400 auf 50 mm3/s abnahm, wo die Permeabilität abnahm auch weniger ausgeprägt als der Anstieg. Die mit Gelatine behandelte NC-Glasfasermatte zeigte im Vergleich zur unbehandelten NC-Glasfasermatte unter den gleichen Bedingungen zunehmender und abnehmender Durchflussraten eine relativ geringere Variation der Durchlässigkeit: Bei der unbehandelten NC-Glasfasermatte gab es einen Anstieg von 45 % die Permeabilität bei Durchflussraten zwischen 50 und 400 mm3/s und eine 10-prozentige Abnahme bei abnehmender Durchflussrate.

Yoo et al.37 haben die Durchlässigkeit von Kohlenstoffgeweben gemessen, um die Bindemittelwirkung zu vergleichen. Wenn ein nicht reaktives Epoxidbindemittel für das Kohlenstoffgewebe verwendet wurde, war die Faserdurchlässigkeit im reinen Gewebe deutlich verringert (ca. 15,5, 28,0 % für die K1- und K2-Richtung) im Vergleich zu dem mit Bindemittel behandelten Gewebe (ca. 12,4, 6,3 %). für die K1- und K2-Richtung). Dieses Ergebnis stimmte mit der obigen Erklärung überein.

Die gemessenen Permeabilitätswerte spiegeln die Auswirkungen der Gelatinebehandlung auf die NC-Glasfasermatte wider, wobei Gelatine eine bindende Wirkung auf die Faserkabel ausübte. Die Wirkung der Gelatinebehandlung wurde auch durch mikroskopische Beobachtung der Kabelverformung bestätigt.

Die mikroskopische Untersuchung des Aussehens des verformten Wergs kann wichtige Informationen über die Verformung des Wergs bei unterschiedlichen Durchflussraten liefern. Die Wirkung der Gelatinebehandlung auf die NC-Glasfasermatte wurde mit einem optischen Mikroskop während des Flüssigkeitsflusses in der Versuchsform beobachtet, wie in Abb. 2 dargestellt. Der repräsentative Index, der Wert der Kabeldicke, wurde für zwanzig Proben unter jeder Bedingung gemessen Querschnitte des verformten Kabels an verschiedenen Positionen der Form vom Einlass aus.

Die Kabeldicke der unbehandelten und mit Gelatine behandelten NC-Glasfasermatten bei konstanten Durchflussraten (200 mm3/s) ist mit Fehlerbalken in Abb. 6 dargestellt. Bei der unbehandelten NC-Glasfasermatte ist es wichtig zu beachten, dass das Kabel Die Dicke nahm entlang der Fließposition ab. Darüber hinaus wurde die stärkste Abnahme der Kabeldicke in einem Abstand von 300 mm vom Einlass beobachtet. Während der Harzimprägnierung im Formfüllprozess wirkte sich die hydrodynamische Flüssigkeitskraft auf das Kabel mit Faserfilamenten aus. Darüber hinaus lag der Entwicklungsbereich, der die hydrodynamische Kraft beeinflusste, etwa 300 mm vom Einlass entfernt. Obwohl die Nähfäden die Kabel in Position hielten, änderte sich die Form der Kabel zwischen den Nähfäden, wodurch Formschwankungen über die Breite des Stoffes beobachtet wurden. Daher nahm die Kabeldicke entlang der Fließposition ab.

Kabeldicke an Querschnitten des verformten Kabels an verschiedenen Positionen der Form: unbehandelte NC-Glasfasermatte (a), mit Gelatine behandelte NC-Glasfasermatte (b).

Bei der mit Gelatine behandelten NC-Glasfaser wurde jedoch eine relativ geringe Variation der Kabeldicke beobachtet. Abbildung 7 zeigt repräsentative mikroskopische Bilder des Kabels im Faserbündel mit Querschnitten der Faserkabel an verschiedenen Positionen in der Form, wo deformierte Kabel in den Faserbündeln erkennbar waren. Es wurden Kabelfasern und Fasern zwischen den Kabeln beobachtet, was auf Bereiche innerhalb des Kabels bzw. zwischen den Kabeln hindeutet, wie in Abb. 830,34 dargestellt. Für den Hauptströmungsbereich im doppelskaligen porösen Medium durch die Verstärkung strömt der größte Teil der Flüssigkeit durch die Bereiche zwischen den Kabeln und der Rest durch die Bereiche innerhalb der Kabel30,34. Die Strömung dominierte im Bereich zwischen den Kabeln, und die Kabelbündel wurden mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit elliptischer30,34, wie in Abb. 7 dargestellt. Aus den mikroskopischen Bildern des Kabels geht hervor, dass Gelatine an das Faserkabel gebunden war. Daher wurden bei der mit Gelatine behandelten NC-Glasfasermatte im Vergleich zur unbehandelten NC-Glasfasermatte relativ geringere Schwankungen in der Permeabilität und geringe Schwankungen in der Kabeldicke beobachtet.

Schleppverhalten in (a) unbehandelter und (b) mit Gelatine behandelter NC-Glasfasermatte an verschiedenen Positionen.

Inter-Tow-Region und Intra-Tow-Region (links), Tow-Verhalten mit Strömung im doppelskaligen porösen Medium (rechts).

Insgesamt erwies sich die Gelatinebehandlung von NC-Glasfasern aufgrund der Permeabilitätsmessung und der mikroskopischen Untersuchung des verformten Kabels als wirksam für die Bindung der Faserkabel. Strickgarn in einer NC-Glasfasermatte kann als Bindemittel für Faserkabel dienen und wird häufig verwendet, um die Verstärkungsstruktur innerhalb des Materials aufrechtzuerhalten. Allerdings kann es zu Strickschäden in der Faser kommen, wohingegen eine Gelatinebehandlung einen wirksamen alternativen Bindungseffekt zur Erhaltung der Faserstruktur bieten kann.

Die Anwendbarkeit von Gelatine in Verbundwerkstoffen über den Herstellungsprozess Liquid Composite Moulding (LCM) wurde experimentell untersucht, indem die Durchlässigkeit und Struktur des Verbundwerkstoffs durch mikroskopische Analyse überwacht wurde. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Die Durchlässigkeit der NC-Glasfasermatte wurde bei verschiedenen Durchflussraten gemessen, die im LCM-Prozess angewendet werden konnten, wobei sich die Durchlässigkeit mit zunehmenden und abnehmenden Trends änderte, wenn sich die Durchflussrate änderte.

Unterschiede in der Durchlässigkeit der Fasermatte wurden bei zunehmenden und abnehmenden Durchflussraten beobachtet, wobei sich die Durchlässigkeit irreversibel änderte, was als Durchlässigkeitshysterese bezeichnet wird.

Die Permeabilität der mit Gelatine behandelten NC-Glasfasermatte zeigte unter den gleichen Bedingungen einer zunehmenden und abnehmenden Durchflussrate eine relativ geringere Variation als die der unbehandelten NC-Glasfasermatte. Gelatine übte eine bindende Wirkung auf die Faserkabel aus.

Die mikroskopische Analyse der unbehandelten NC-Glasfasermatte zeigte, dass die Kabeldicke entlang der Fließposition abnahm. Darüber hinaus wurde die stärkste Abnahme der Schleppform in einem Abstand von 300 mm vom Einlass beobachtet. Bei der mit Gelatine behandelten NC-Glasfaser wurde jedoch eine relativ geringe Variation der Kabeldicke beobachtet.

Die Gelatinebehandlung von NC-Glasfasern erwies sich anhand von Permeabilitätsmessungen und einer mikroskopischen Untersuchung der Tow-Verformung als wirksame Methode zum Binden der Faserkabel.

Die vorliegenden Erkenntnisse zur Gelatinebehandlung von NC-Glasfasern können effektiv in einer Vielzahl von LCM-Prozessen zur Entwicklung von Verbundwerkstoffen angewendet werden. Zukünftige Forschung wird sich auf die Untersuchung der Auswirkung der Gelatinebehandlung auf die Materialeigenschaften von NC-Glasfasern konzentrieren.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde teilweise durch den von der koreanischen Regierung (MOTIE) finanzierten Zuschuss des Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) unterstützt (20213000000020, Entwicklung von Kernausrüstung und Bewertungstechnologie für den Bau eines Unterwasserstromnetzes für Offshore-Windparks). und teilweise durch einen Zuschuss aus dem F&E-Programm (RP22139B) des Korea Railroad Research Institute.

Schule für Textil und Bekleidung, Universität Nantong, Nantong, China

Mei-Xian Li & Yu Ren

Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Seoul National University, Seoul, Südkorea

Dasom Lee

Abteilung für Stadtbahnforschung, Korea Railroad Research Institute, Uiwang, Südkorea

MooSun Kim

Abteilung für Maschinenbau, Gyeongsang National University, Tongyeong, Südkorea

SungWoong Choi

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MX.L. und SC schrieben den Haupttext des Manuskripts und YR, DL, MK bereiteten die Abbildungen vor. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit SungWoong Choi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Li, MX., Ren, Y., Lee, D. et al. Einfluss der Gelatinebehandlung auf die Kabelverformung in harzimprägnierten Glasfasern. Sci Rep 12, 18949 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23569-z

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Eingegangen: 26. August 2022

Angenommen: 02. November 2022

Veröffentlicht: 08. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23569-z

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