Диссертация (Фазовый массоперенос жидкостей в производстве флексографских форм и струйной печати), страница 2

Основные экспериментальные результаты получены,обработаны и интерпретированы автором лично.ПубликацииПо материалам настоящей диссертации опубликовано 5 печатных работ,включая тезисы докладов на конференциях. В том числе 3 из них в изданиях,рекомендованных ВАК.Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, спискаиспользованной литературы (126 источников) и двух приложений. Общий объемработы составляет 117 страниц, включает 30 рисунков и 4 таблицы.8ГЛАВА1.ФОРМИРОВАНИЯФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕМЕЖФАЗНОЙЗАКОНОМЕРНОСТИПОВЕРХНОСТИ«ЖИДКОСТЬ–ПОЛИМЕР»1.1 Теоретические основы смачивания и пропитки волокнистопористых полимерных материаловПод термином «капиллярность» А.

Адамсон [1] и другие ученые понимают ееотношение к поверхностям раздела, которые обладают достаточной подвижностьюи, тем самым образуют равновесную форму. Примерами могут быть как мениски,так и капли, которые образованы жидкостью в воздухе или в другой жидкости.Научное изучение капиллярного подъема установило прямую связь междуформой поверхности жидкости в капилляре и смачиванием его стенок. Так,смачивание стенок капилляра образует вогнутый мениск, а выпуклый, напротив,является следствием отсутствия смачивания.Явление смачивания привлекло внимание ученых уже в XVII веке. К примеру,Р. Гук установил, что именно сильное давление позволяет воде проникать черезмаленькие поры.

Веком позже Д. Дюрен вывел обратно пропорциональнуюзависимость высоты капиллярного подъема от диаметра капиллярной трубки.XIX век ознаменовался новыми открытиями – Т. Юнг описал понятие краевогоугла смачивания, а также, что более важно, доказал, что взаимное молекулярноепритяжение молекул жидкости определяет форму капли, расположенной на твёрдойповерхности. В течение XIX столетия появились математические уравнения,описывающие расчет кривизны поверхности жидкости в капиллярах (Лаплас),влияние поверхностных натяжений на пределах раздела фаз, которые участвуют всмачивании, на качественные показатели краевого угла (Гиббс). С наступлением XXвека появились новые результаты исследования явления смачивания – Ленгмюр иГуревич установили воздействие на него адсорбции поверхностно-активных веществ.В первой половине XX века в научных кругах заговорили о гистерезисесмачивания(П.А.Ребиндер),методахуправленияим(А.Н.расклинивающем давлении (Б.В.

Дерягин) и других направлениях.Фрумкин),9Многие технические и природные процессы осуществляются посредствомсмачивания. Большое практическоезначениеимеетпроцесспропитываниежидкостью тканей и нетканых материалов, имеющих капиллярно-пористуюструктуру. Чаще всего процесс смачивания имеет иммерсионную природу – твердоетело полностью погружается в жидкость, в результате чего выделяется тепло за счетуменьшения поверхностной энергии на поверхности раздела фаз. Показатель теплотысмачивания варьируется в пределах 4,2·10-3 - 4,2·10-5 Дж на 1 см поверхности твердоготела.В процессе контактного смачивания участвуют три фазы: твердое тело, газ ижидкость. Возможны и другие вариации – газ может быть заменен другойжидкостью, а также к паре «газ-твердое тело» может быть добавлено 2 типажидкости.

В последнем случае речь идет об избирательном смачивании.В целом, контактное смачивание имеет одну важную характеристику –величину краевого угла.Контактное смачивание можно описать несколькими типами [2].1. Молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее,чем молекулы жидкости между собой. Твердое тело смачивается жидкостью,которая наносится на его поверхность.2.

Молекулярное притяжение молекул жидкости между собой намного сильнее,чем между молекулами жидкости и твердого тела. В результате жидкость нерастекается по поверхности твердого тела, а собирается в каплю. Смачивания приэтом не происходит.Чаще всего мы наблюдаем эффект неполного смачивания, когда жидкость,взаимодействующая с твердым телом, образует с его поверхностью угол θ(Рисунок 1.1), который получил название «краевой угол». Этот показательизмеряется со стороны жидкой среды, в расчет берется периметр смачивания ивершина его угла.Выделяют такие характерных типа угла смачивания:- Равновесный;- Неравновесный.10Их различие состоит в характеристике системы в момент измерения поотношению к термодинамическому равновесию.Рисунок 1.1 – Различные случаи неполного смачивания.

а - θ < 90°; б - θ =90°; в - θ > 90°Смачиваниехарактеризуетсявеличинойравновесногоугла,котораяуказывает на плохое, ограниченное или полное смачивание. Этому соответствуютпоказатели 180° > θ > 90°, 90° >θ> 0° и неустановленное значение соответственно. Впоследнем случае капля растекается в тончайшую пленку и становитсямономолекулярной. Равновесный краевой угол не может быть равен 180°, так какжидкость и твердое тело всегда находятся под воздействием силы тяжести.Если рассматривать случай трехфазного смачивания, где вместо воздуха взятавторая жидкость, не смешивающаяся с первой и имеющая меньшую плотность,можно увидеть, что из двух жидкостей смачивать поверхность твердого тела будетта, полярность которой ближе к полярности твердого тела.

Такое различие всмачивании определяется, соотношением молекулярных сил, действующих междумолекулами каждой отдельной жидкости, с одной стороны, и между молекуламижидкостей и молекулами твердого тела - с другой.В процессе трехфазного смачивания, в котором вместо воздуха участвуетдругая жидкость, твердое тело смачивается именно той жидкостью, полярностькоторой наиболее близка аналогичному показателю твердого тела.К полярным жидкостям относятся различные спирты и вода, к неполярным– масла и пр. Это послужило основанием для выведения классификации твердыхтел. Так, твердые тела гидрофильного типа хорошо смачиваются полярнымижидкостями,агидрофобныеповерхностиподвергаютсясмачиванию11неполярными жидкостями. Это позволило использовать поверхностно-активныевещества в процессе управления смачиванием.Равновесныйкраевойуголопределяетсяпоказателемповерхностныхнатяжений, возникающих на разделе фаз.Внутреннее давление притягивает молекулы жидкости с поверхности,сокращая ее до минимально возможного значения.

Эта сила получила названиеповерхностного натяжения σ, которое всегда равняется избытку энергии вповерхностномслое.Он,всвоюочередь,обусловленразличнымимежмолекулярными влияниями в фазах.Термин «поверхностное натяжение» нередко заменяется «удельной свободнойповерхностной энергией», которые различаются только подходами к рассмотрениюповерхностного слоя жидкости. Однако первый термин все же встречается чаще.Поверхностное натяжение можно вычислить по формуле = ( ), ,(1.1)где под G подразумевают свободную энергию системы, а показатели S, Р и Тобозначают поверхность системы, давление и температуру соответственно.Минимум свободной энергии обуславливает равновесие системы.

Контактповерхностей твердого тела и жидкости, а также твердого тела и газа илижидкости и газа меняются по простому принципу: увеличение одного разделауменьшаетдругой.Какследствие,свободнаяповерхностнаяэнергияуменьшается.Рисунок 1.2 – Схема равновесных значений поверхностного натяжения присмачивании. Обозначения: Ж – жидкость; Г– газ (воздух); Т– твердое тело.12На Рисунке 1.2 изображен простой случай неполного контактногосмачивания.Здесьнаблюдаютсятритипаповерхностногонатяжения,действующего по периметру смачивания:- На границе раздела твердого тела и газа (σ т/г ).- На границе жидкости и твердого тела (σ ж/т ).- На границе жидкости и газа (σ ж/г ).Показатель этой силы по отношению к твердому телу имеет градус θ.Равновесный краевой угол характеризуется равновесием всех трех сил поотношению друг к другу.

Уравнение Юнга описывает прямую зависимостькраевого угла θ от сил, которые действуют на границах раздела фаз.Т/Г = Ж/Т + Ж/Гили = �Т/Г − Ж/Т �/Ж/Г(1.2)Отметим, что приведенное уравнение подразумевает наиболее оптимальныеусловиясмачивания,характеризующиесяналичиемидеальноровнойповерхности. Значение cosθ описывает смачивание капли жидкости поотношению к данной поверхности.Существует множество экспериментальных методов, с помощью которыхможно определить значение краевого угла. Как правило, используют проекциюбокового изображения (профиль) капли, выведенную на экран, и очерчиваютконтур капли по точкам, в которых соприкасаются все фазы.

Угол наклонакасательной к жидкости, проведенной через точку раздела трех фаз, являетсяпоказателем краевого угла смачивания.Многие ученые в своих экспериментах проводили измерения краевого угласмачивания волокнистых систем. К примеру, Н.К. Адам [2] проводил подмикроскопом измерения углов натекания и оттекания отдельных волкон припогружении и извлечении их из жидкости. Точкой отсчета был такой угол, прикотором поверхность жидкости была недеформированной до смачивания волокнапо периметру.13Отечественый исследователь Б.В. Дерягин [2] стал автором метода расчетакраевых углов на тонких волокнах. С.С. Воюцкий [2] пытался определить краевыеугланапучкахволокон,однакочистотаэкспериментовосложняласьшероховатостью их поверхности, из-за которой жидкость впитывалась слишкомбыстро. Шероховатость минимизировалась механическим путем: волокнистаяструктура ткани спрессовывалась металлическими плитами под сильнымдавлением.Краевые углы, которые встречаются на практике, существенно отличаютсяот равновесных.