XIV Міжнародна наукова інтернет-конференція ADVANCED TECHNOLOGIES OF SCIENCE AND EDUCATION (19-21.04.2018)

Русский English




Научные конференции Наукові конференції

к.т.н., Привала В.О. ОБҐРУНТУВАННЯ ВИЗНАЧЕННЯ ЕТАПІВ КАПІЛЯРНОГО ПІДНЯТТЯ РІДИНИ ВОЛОКНИСТИМИ МАТЕРІАЛАМИ

к.т.н., доцент Привала В.О.

Хмельницький національний університет, м.Хмельницький

ОБҐРУНТУВАННЯ ВИЗНАЧЕННЯ ЕТАПІВ КАПІЛЯРНОГО ПІДНЯТТЯ РІДИНИ ВОЛОКНИСТИМИ МАТЕРІАЛАМИ

         Частіше за все, процес капілярного підняття рідини в пористих системах (особливо, в текстильних матеріалах) розглядається, згідно із законом Пуазейля,  як її потік, що проходить безпосередньо в капілярах. Рушійною силою при цьому вважається різниця DР між капілярним Pk та гідростатичним Pg тиском, математичне значення якої можна описати наступною формулою [1]:

 image002274.gif                       (1)

де   θ - крайовий кут змочування; - поверхневий натяг рідини на границі з повітрям;   r - щільність рідини; g - прискорення сили земного тяжіння;              r - еквівалентний радіус капілярів; h - довжина відрізка просоченої рідиною текстильної стрічки;  a - кут, утворений текстильною стрічкою з горизонтом.

             Якщо це прийняти за основу, то максимальне капілярне підняття (hmax) рідини у волокнисто-пористій системі  можливе тільки при умові, коли капілярний та гідростатичний тиск рівні між собою (тобто DР = 0) і тоді його значення  можна теоретично обрахувати за такою формулою [2]:

image002275.gif                                    (2)

а кінетику капілярного процесу, який проходить при цьому, можна описати рівнянням Уошбурна [1]: 

  image002276.gif                                                          (3)

де  h  - сила поверхневого натягу рідини.

         Зазначене рівняння  виконується тільки при одній умові: Pk ³ Pg , тобто тоді, коли капілярний тиск набагато більший, або дорівнює абсолютному значенню гідростатичного тиску, який рівний Pg = rg sina.

 Вказані умови зберігають свою сутність при горизонтальному розміщенні проби, а в разі вертикальної чи іншої її орієнтації, з допомогою згаданих формул можна описати тільки початковий період капілярного процесу. Кінетика переміщення рідини в даному випадку має характер асимптотичної квадратичної залежності. Окрім того, оскільки величину еквівалентного радіуса капіляр через неправильну форму міжволоконних пор теоретично розрахувати неможливо, а величина крайового кута змочування не має постійного значення і залежить від швидкості підняття рідини, то використання рівнянь Уошбурна для реальних текстильних полотен, як показано в роботі, можливе тільки з врахуванням багатьох умовностей та  застережень.

Якщо проаналізувати результати власних експериментів, отриманих з використанням дистильованої води, тканини (виготовлена з 100 % бавовняних волокон) і скляних капіляр, отже раніше сформульована прямолінійна залежність між вказаними величинами спостерігається тільки для останніх. Слід відзначити, що швидкість підняття води в скляному капілярі, в порівнянні з іншими зразками, проходить миттєво і протягом від 1,7 до 3,2 с   (в залежності від його діаметра) При цьому висота підйому не тільки набуває максимального значення (від 27,0 до 42,0 мм) але й, у подальшому стає постійною у часі. Що ж стосується процесу, який відбувається в разі використання проб із згаданого волокнистого матеріалу, то, з врахуванням результатів статистичної обробки даних установчих експериментів, кінетика підняття рідини виражається складною кривою і її  можна розглядати як таку, що  має  певну  кількість  етапів. Зазначені етапи разом складають криву, що описує кінетику підняття рідини на висоту h за час t. Кожен з етапів характеризуються величиною висоти підняття рідини і інтенсивністю процесу капілярного волого переносу.  Наприклад, перший етап показує залежність висоти h1 капілярного підняття рідини за час t1 і характеризується найбільшою інтенсивністю вологопереносу. Графічно він визначається за допомогою дотичної. Другий етап визначає висоту h2 за час t2 і характеризується помітним уповільненням інтенсивності протікання зазначеного процесу. При цьому слід зазначити, що характерною ознакою вказаного етапу є значна тривалість його проходження - до 90 % від загального часу випробування. Графічно зазначений етап описується рівнянням параболи. Третій етап дозволяє точно встановити момент припинення підняття рідини, що і визначає капілярність проби волокнистого матеріалу.

Розподіл процесу капілярного підняття на етапи дозволив піддати сумніву оптимальність величини часу, який визначений ГОСТ 3816-81            (ISО 811-81). "Полотна текстильные. Методы определения гигроскопических и водоотталкивающих свойств". В результаті експериментальних досліджень запропоновано тривалість відповідних випробувань збільшити до 90 хвилин.

Проведені експерименти з бавовняною тканиною показали, що максимальне капілярне підняття рідини пробою (hmax = 168,0 мм) відбулося за 75 хв експозиції, а не за той час, який є регламентований ДСТУ ГОСТ 3816:2009    (60 хв). Причому, на протязі перших 5 хв експерименту (t1) вода піднялась на висоту 72,0 мм, що складає майже 42,8 % від її максимального значення і графічно виявилась прямолінійною, тобто процес, який проходить на першому етапі досліду математично можна описати рівнянням прямої:

   image002277.gif                                 (4)

Подальше проведення досліджень показало, що другий етап (АВ) капілярного процесу є складним і характеризується різким уповільненням швидкості підняття води з часом (t2), оскільки  за останні 70 хв (93,3 % від загального часу) експерименту капілярність проби дорівнювала всього 96,0 мм, тобто складала 57,2 %  від максимального її значення (hmax = 168,0 мм).          Як показали теоретичні дослідження, закон підняття рідини в капілярі є пропорційним.       Якщо врахувати, що аналогічні результати були отримані при вивчені досить широкого асортименту текстильних матеріалів та шкіряних, то стає очевидним, що капілярний процес, який описується кривою, з врахуванням проведеного аналізу не є постійним в часі, а змінюється від прямолінійного до параболічного. Крім цього, відрізок загальної кривої, який описує протікання процесу на першому етапі, може бути визначена як за допомогою математичних розрахунків, так і графічно за допомогою дотичної, яка характеризує монотонний кінетичний процес. Наступний відрізок кривої, на нашу думку, складається з двох самостійних  етапів, один з яких характеризує неcтаціонарний режим, а другий - останній, стаціонарний режим, при настанні якого процес капілярного підняття можна  вважати закінченим [3]. Отже експериментально доведено, що процес капілярного підняття рідини волокнистими матеріалами проходить три стадії: швидкого капілярного підняття рідини, поступового уповільнення інтенсивності процесу підняття і рівноважного стану з наступним  припиненням підняття рідини.

         Аналізуючи експериментально отримані дані можна бачити, що процес капілярного підняття рідини в більшості проб широкого асортименту волокнистих матеріалів не закінчився через 60 хв, а тривав на протязі ще 15 хв. Тобто, у випадку припинення випробування у момент закінчення часу        (60 хв), що регламентований ДСТУ ГОСТ 3816:2009, результати досліджень відрізнялися б від остаточних на 5,0-7,0 мм. Така розбіжність результатів є суттєвою і неприпустимою, оскільки згідно із зазначеним стандартом визначення висоти капілярного підняття рідини пробами текстильних матеріалів виконують з точністю до 1 мм. Тому, на нашу думку, є доцільним переглянути стандартний час проведення випробувань (60 хв) і збільшити його до 90 хв, що дозволить визначати дійсну капілярність волокнистих матеріалів. 

Література:

1.   Браславский В.А. Капиллярные процессы в текстильных материалах / В.А. Браславский. -  М. : Легпромбытиздат, 1987. -  112 с. : ил.        

2.   Кузьмич А.В. Особенности кинетики капиллярного впитывания жидкостей / А.В. Кузмич, В.И. Новикова. - Минск : ИТМО, 1988. - 40 с.

3.   Зурабян К. М. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности: учебник / К. М. Зурабян, Б.Я. Краснов, Я.И. Пустыльник. - М. :  Наука,  2003. - 384 с. : ил.

 

e-mail: oskar-2005@mail.ru


Залиште коментар!

Дозволено використання тегів:
<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <code> <em> <i> <strike> <strong>