22Класифікація вологих дисперсних матеріалів

Більшість текстильних матеріалів ставиться до класу полімерів, а загальною властивістю текстильних волокон є наявність одноміропротяжної фібрилярної структури.

Крім того, текстильні матеріали, піддаючись гидро й гигрочтермічним процесам обробки, є вологими дисперсними (капілярно-пористими) тілами. Згідно із класифікацією А.В.Ликова всі вологі дисперсні тіла залежно від їхніх колоїдно-фізичних властивостей і особливості змінювати свої розміри при видаленні вологи можна розділити на три групи:

1. Капілярно-пористі тіла - при видаленні вологи вони стають тендітними (тендітні гелі), при зволоженні й сушінню їх обсяг майже не змінюється (силікагель, кварцовий пісок, деревне вугілля, скловолокно).

2. Колоїдні тіла - при зміні вологовмісту вони значно змінюють свої розміри, тобто при зволоженні набухають, а при сушінні стискуються, зберігаючи еластичні властивості кістяка (еластичні гелі). Колоїдні тіла поглинають найбільше близькі по полярності рідини, а капілярно-пористі тіла усмоктують при намоканні будь-яку рідину незалежно від її хімічного складі.

3. Колоїдні капілярно-пористі тіла - найпоширеніші матеріали, які по своїх властивостях займають проміжне положення між двома першими групами. Стінки їх капілярів еластичні й при зволоженні обмежено набухають. До цієї групи дисперсних тіл ставиться більшість текстильних матеріалів.

Наведена класифікація дисперсних матеріалів має загальний характер і вимагає більш детального підрозділу для обліку кінетичних особливостей вологопереносу в окремих групах матеріалів. Так, ряд непористих матеріалів ( полімери, що обмежено набухають) по своїх колоїдно-фізичних властивостях можуть бути віднесені до колоїдних тіл, але вони часто дуже незначно змінюють свої розміри при видаленні вологи

У якості подальшого розвитку прийнятої системи розподілу вологих дисперсних матеріалів, у роботі запропонована єдина для процесів сушіння, адсорбції й екстрагування класифікація системи тверда фаза - речовина, що розподіляється, яка відбиває кінетичні особливості масопереносу в окремих групах матеріалів і дозволяє вибирати правильний математичний опис процесу.

При взаимодії колоїдних капілярно-пористих тіл з вологою, відбуваються зміна їх структурних і фізико-механічних властивостей. Ці зміни викликані молекулярним характером зв'язку поглиненої рідини з речовиною дисперсного тіла. Крім того, перенос рідини або пари усередину колоїдного капілярно-пористого тіла залежить від характеру молекулярного зв'язку рідини, що втримується в тілі, із твердою фазою тіла. Тому вологообмінні властивості матеріалів визначають їхня здатність віддавати (іди поглинати) вологу й вирішальним образом впливають на кінетику процесів сушіння й зволоження.

23Форма и енергія вологи в матеріалах

У сучасній фізико-хімічній термодинаміці найбільше поширення одержала класифікація форм зв'язки вологи з дисперсними тілами, запропонована П.А.Ребіндером. В основі цієї класифікації лежить термодинамічний критерій оцінки вологообмінних властивостей по величині енергії зв'язки вологи з матеріалом, тобто по величині вільної енергії ізотермічного удавлення з матеріалу одиниці маси зв'язаної вологи.Зменшення вільної енергії при постійній температурі або енергію зв'язки, який дорівнює роботі відриву одного моля води від матеріалу ( без зміни складу), можна визначити по Формулі: ,

де - тиск насиченого пари вільної води, - парціальний тиск рівноважної пари над матеріалом з вологовмістом U у будь-якому середовищі . Згідно з рівнянням Гиббса - Гельмгольца зміна внутрішньої енергії (ентальпії ізотермічного процесу або теплоти дисоціації зв'язаної води) можна представити різницею: Тоді, диференціюючи (23.1) по Т, з обліком (23.2) знаходимо

де Q(U) - теплота випару води при даному вологовмісті - теплота випару вільної води. Таким чином, загальні витрати енергії на випар вологи або повна теплота адсорбції Q визначається як сума питомої теплоти випару вільної води r_о, теплоти, витраченої на подолання енергії зв'язки вологи з матеріалом r внутрішньої енергії, що відбиває зменшення, і теплоти, витраченої на подолання ентропійної зв'язки: П.А.Ребіндер виділяє три основні форми зв'язку вологи з дисперсними тілами: хімічну, фізико - хімічну й фізико-механічнуХімічний зв'язок води з матеріалом здійснюється в строго певних кількостях у вигляді гідроксильних іоном і молекулярних з'єднань типу кристалів. Звичайно при суши хімічно зв'язана вода не віддаляється, а може бути виділена з тіла тільки при високих температурах у процесі термічного розпаду дисперсного тіла. Для хімічно зв'язаної води енергія зв'язку досягає найбільшого значення ( до (6 + 9) 103 Дж/моль) Для процесів тепло- і масопереносу значно більший інтерес представляє фізики – хімічна форма зв'язку вологи. До цієї категорії ставиться адсорбована волога. Розрізняють фізичну й хімічну адсорбцію. При фізичній адсорбції зберігаються індивідуальні властивості всіх молекул, адсорбованих на зовнішній і внутрішньої поверхнях дисперсного тіла. Якщо при адсорбції молекула розщеплюється на атоми або радикалів, які зв'язуються з поверхнею окремо, а також віддає або одержує від поверхні електрон, то в цих випадках адсорбція називається хімічної.Відомо, що адсорбція на поверхні молекул навколишнього середовища триває від одного до декількох моношарів. Тому розрізняють мономолекулярну й полімолекулярну адсорбцію. При адсорбції води активними ділянками поверхні матеріалу найбільше міцно зв'язаний найближчий до поверхні мономолекулярний шар молекул води за рахунок водневих зв'язків. У наступних шарах зв'язку поступово слабшають.Процес адсорбції вологи супроводжується виділенням, значної кількості тепла. При цьому, найбільша кількість тепла виділяється при утворі найбільше міцно зв'язаного мономолекулярного шару води. У міру ослаблення зв'язків у процесі утвору полімолекулярних шарів, кількість виділюваного тепла швидко падає до нуля.Енергія зв'язку води з дисперсним тілом і кількість адсорбованої їм вологи залежать від природи поверхні дисперсного тіла. Цією особливістю хімічно зв'язана вода відрізняється від інших, енергетично більш слабких форм зв'язку вологи.

Проміжне положення між хімічно зв'язаноювологою й механічно утримуваної, займає, згідно П.А.Ребіндеру осмотично зв'язана вода. Ця вода являє собоювологу набрякання гідрофільних колоїдних тіл і високомолекулярнихз'єднань. Основною умовою утвору осмотично зв'язаної води є виборча дифузія вологи через напівпроникніоболонки осмотичних гнізд. До фізико-механічної форми зв'язку вологи ставиться волога, утримувана в мікро- і макрокапілярах, і вода, що залишився на поверхні тіла при безпосередньому його зіткненні з водою.Крім цих видів зв'язаної води, необхідно враховувати й вільну воду, захоплену механічно й утриману в дисперсній структурі, наприклад, між нитками тканини. Ця вода включає й вологу, що заповнює капіляри пористого тіла, особливо в тому випадку, якщо відсутні меніски й дисперсне тіло цілком занурене в надлишок рідини. Таким чином, більшість матеріалів легкої промисловості ставляться до групи колоїдних капілярно-пористих тіл, у яких при взаємодії з вологою відбуваються значні зміни структури.

24.Основні структурні характеристики капиллярнопористих тіл Під пористим середовищем звичайно розуміють тверде тіло, що містить пори. Дати точне геометричне визначення поняття «пори» досить важко. Звичайно під порами розуміють порожні проміжки, розподілені у твердому тілі. Пори в пористому тілі можуть бути сполученими один з одним і не сполученими. Іноді взаємносповіщаюча частина порового простору називають ефективним поровим простором. Цей термін широко застосовується в теорії фільтрації.Наступною ускладненою моделлю є система капілярів серійного типу.

Модельне пористе тіло — сукупність зернистих тіл правильної геометричної форми (звичайно сферичної), являє собою також досить складну систему. Реальні вологі матеріали є пористими тілами, які важко описати модельним тілом. Однак для якісного аналізу становить безсумнівний інтерес розглянути основні структурні закономірності таких модельних тел.Капіляри правильної геометричної форми ми називаємо елементарними (циліндричні, конічні капілярні трубки, капілярні щілини і т.д.).Такі капіляри є моделями капілярних пор і застосовуються для аналізу поведінки рідини в капілярно - пористих тілах.Висота підняття рідини в капілярній трубці радіуса визначається відомим співвідношенням Жюрена (24.1)

де — кут нахилу капілярної трубки до обрію.

У четочних капілярах може мати місце не одне, а кілька рівноважних станів стовпчика рідини з вільною поверхнею. Четочними капілярами називають такі капіляри, радіус яких періодично збільшується й зменшується

Капілярним потенціалом будемо називати потенційну енергію поля капілярних сил, віднесену до одиниці маси рідини (ерг/г).Для циліндричного капіляра капілярний потенціал рівний:

де h — висота капілярного підняття; (1/r') — середня кривизна меніска .

Змочувальна рідина переміщається від нижчого потенціалу до вищого (вузький капіляр висмоктує рідина із широкого капіляра), а незмочувальна рідина — від вищого до нижчого.У капілярній трубці з обмеженою кількістю рідини форма меніска не залежить від сили ваги, а визначається тільки взаємодією рідини зі стінками капіляра. Якщо трубка недостатньо малого радіуса, форма меніска залежить від дії сили ваги, тобто від кількості рідини в трубці. Гідростатичний тиск стовпчика рідини висотою у вертикальній циліндричній трубці радіуса r урівноважується різницею капілярних тисків верхнього й нижнього менісків. Якщо в якості наближення поверхні менісків прийняти за сферичні, то можна написати: Більш точне визначення капілярно - пористого тіла можна дати на основі закономірностей кінетики капілярного усмоктування. У капілярнопористих тілах, для яких впливом поля ваги можна зневажити, швидкість капілярного руху обернено пропорційна шляхи руху.