화학공학소재연구정보센터
Korean Journal of Rheology, Vol.9, No.4, 140-150, December, 1997
일축방향으로 배향된 보강섬유층 내로의 비뉴톤성 유체의 수직방향 침투도
Transverse Permeability of Generalized Newtonian Fluids Through Unidirectional Fibrous Porous Media
초록
회수·재사용상에 문제가 있는 열경화성 복합재료를 대체하고 우수한 성능을 갖는 다양한 형상의 복합제품을 생산하고자 하는 요구에 부응하여, 최근 끌어당김 성형공정을 이용한 열가소성 장섬유 복합재료의 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 열가소성 장섬유 복합재료를 연속적으로 제조하기 위해서는 높은 점도를 갖는 용융수지를 보강섬유 다발내로 용이하게 함침시킬 수 있는 방법의 개발과 함께 다이의 설계가 가장 중요한 관건이 되고 있으므로 본 연구에서는 비뉴톤성 거동을 보이는 용융수지의 수직방향 침투도를 예측할 수 있는 반해석적인 모델을 수립함으로써 끌어당김 성형공정의 다이 설계에 이용하고자 하였다. 전단박화 현상이 매우 큰 비뉴톤성 수지가 다공성 섬유매질의 수직 방향으로 침투할 때에 대한 흐름 거동을 유한요소법을 사용하여 미시적 관점에서 해석하고, 거시적 관점의 Darcy법칙과 결부지음으로써 수직방향의 침투도와 점포의 비로 정의되는 mobility의 변화를 조사하였다. 유량에 대해 무차원화한 비뉴톤성 유체와 뉴톤성 유체의 normalized transverse mobility의 상대적인 비를 power law index에 대해 멱함수의 형태로 축적시킨 다음 환원 충전함량에 대하여 도시한 결과 보강섬유의 배열조건과 유변학적 거동에는 무관하게 단일 선상에 놓임을 확인할 수 있었다. 이로부터 수치해석 결과를 수직방향 침투도와 점도의 영향으로 분리하여 해석하고, 보강섬유의 충전함량과 최대 충전함량을 알게되면 비뉴톤성 유체의 수직방향 침투도를 용이하게 결정할 수 있는 반해석적인 형태의 개선된 Darcy식을 제시하였다.
In recent years, to solve the problem of recycle and reuse of thermosetting composites, and to satisfy the needs for making of a wide variety of high performance composite products, studies on the development of the long fiber reinforced thermoplastic composites (LFRTPC) have been carried out very actively. A major problem in manufacturing LFRTPC by using pultrusion process is to uniformly and completely impregnate thermoplastic molten resin into the small gaps between the tightly packed reinforcing fibers because of their high viscosity. Hence, understanding of the fLow of molten resin through fibrous medium is very important to develop novel methods for impregnation. Moreover, it is impossible for us to design an optimum die without knowing the residence time to impregnate thermoplastic resin into fiber bundle. In response of this need, we have developed a semi-analytic model for predicting the transverse permeability for non-Newtonian fluid flow across arrays of aligned fiber bed. The flow behavior of non-Newtonian fluids with strongly shear thinning character was interpreted by using the finite element method from microscopic viewpoint, and then the transverse mobility, defined as the ratio of permeability and viscosity, of the cell was estimated by using Darcy's law.
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