10. Сорбционные свойства

Сорбция - сложное физико-химическое явление поглощения твердыми или жидкими телами газов, паров, растворенных веществ и микроскопических твердых частиц, например дымов. Частным случаем сорбции является поглощение нитевидными наполнителями паров воды из окружающей среды. Это поглощение существенно влияет на физические свойства волокон и нитей, в том числе на размеры поперечного сечения, массу, тепловые, диэлектрические, оптические свойства, а также на механические (например, разрывную нагрузку при растяжении, способность деформироваться и др.). Сорбционная способность определяется химическим составом (наличие гидрофильных групп), структурой (размер активной поверхности) волокон и нитей и наличием на их поверхности различных добавок (замасливателей, поверхностно-активных веществ и т.п.).

В зависимости от предварительного содержания в волокнах и нитях водяных паров, в данных условиях окружающей среды (температуре и относительной влажности воздуха) может протекать процесс сорбции (дальнейшее поглощение водяных паров) или обратный процесс (отдача паров в окружающую среду, называемая десорбцией).

Тело, поглощающее газообразные вещества, называют сорбентом, а поглощаемое вещество - сорбатом. Если сорбция не сопровождается образованием химического соединения между сорбентом и сорбатом, она называется физической сорбцией, а в противном случае - химической сорбцией. Процессы, составляющие физическую сорбцию, обычно обратимы.

Благодаря наличию каналов, пор, а также пустот между крупными структурными образованиями и макромолекулами действительная поверхность сорбции волокон или нитей значительно больше видимой наружной поверхности. По мере насыщения наружных поверхностей молекулы воды проникают в межмолекулярные пространства, т. е. имеет место диффузионный процесс, называемый абсорбцией, характеризующий поглощение водяных паров всем объемом волокон и нитей.

Молекулы воды, имеющие размеры на несколько порядков меньше размеров молекул полимеров, из которых состоят волокна и нити, имеют возможность свободно проникать в пространства между ними. Абсорбция протекает медленно и равновесие достигается по истечении нескольких часов. При смачивании стенок капилляров водой происходит сжижение паров воды в стенках капилляров. Этот процесс длится долго (несколько часов) и называется капиллярной конденсацией. Изменение равновесной влажности натуральных волокон от относительной влажности воздуха и давления показаны на рис. 11 [1].

Рис. 11. Изотермы сорбции водяных паров при температуре 25 ºС различными волокнами: 1 – шерстью тонкой; 2 – вискозным; 3 – шелком-сырцом; 4 – хлопком; 5 – ацетатным; 6 – полиамидным; 7 – полиакрилонитрильным; 8 - полиэфирным

Поглощение в одинаковых условиях разными волокнами и нитями разного количества водяных паров зависит главным образом от их химического состава, определяющего число гидрофильных групп, а так же структуры, которая определяет размеры активной поверхности и доступность ее для молекул воды. Волокна и нити, в макромолекулах которых имеются сильнополярные группы ОН, NH2, COOH, CONH и т. п., создающие на поверхности волокон значительное свободное силовое поле,

обладают большей способностью поглощать водяные пары и называются гидрофильными, или гигроскопичными; к числу таковых относят в первую очередь целлюлозные и белковые волокна. Наиболее гигроскопичными являются шерсть, шелк, лен, джут, хлопок и вискозное волокно. Синтетические волокна, макромолекулы которых содержат группы - СN, - СН₂,СОО-, неактивны к воде и проявляют меньшую сорбционную способность (нитрон, лавсан и др.). Свойства борных, углеродных и металлических волокон мало зависят от их влажности.

При приближении к состоянию сорбционного равновесия интенсивность сорбции или десорбции паров воды уменьшается, процесс протекает все более замедленно. С изменением относительной влажности и температуры воздуха изменяется и значение равновесной влажности.

Содержание водяных паров влияет и на некоторые свойства волокон и нитей, в частности на разрывную нагрузку и удлинение при разрыве. У всех волокон наблюдается уменьшение разрывной нагрузки (за исключением хлопка и льняного волокна) и увеличение разрывного удлинения. Это объясняется набуханием волокон и уменьшением межмолекулярного взаимодействия между элементами их структуры. Для исключения влияния влажности на результаты испытаний пробы предварительно выдерживают в нормальных атмосферных условиях (температура 20 ± 2°С, относительная влажность воздуха 65 ±2%) в течение 24 ч.

При любой относительной влажности воздуха равновесная влажность при десорбции выше, чем при сорбции ввиду увеличения рыхлости структуры и увеличения активной поверхности волокон и доступности ее для молекул воды.

Разница между влажностью при сорбции и десорбции в нормальных условиях составляет от 0,25 до 2,5 % для различных волокон.

Содержание водяных паров в волокнах зависит и от температуры воздуха - чем выше температура, тем при любых значениях относительной влажности воздуха влажность волокон ниже.

Поглощение водяных паров и особенно воды при непосредственном соприкосновении с ней сопровождается набуханием волокон. Это набухание существенно в поперечном и очень незначительно в продольном (осевом) направлении.

Важнейшим свойством, при помощи которого оценивают сорбционную способность, является гигроскопичность. Наиболее распространенной характеристикой гигроскопичности является влажность. Влажность материала, соответствующая сорбционному равновесию, называют равновесной влажностью и выражается в процентах. Влажностью W, %, называют отношение массы воды, удаленной при определенной температуре, к массе сухого материала (%):

(42)

где m₀ - начальная масса пробы, г; m_С - постоянная масса пробы после высушивания, г.

Различают влажность фактическую, нормальную, максимальную и кондиционную (нормированную).

Фактическая влажность - масса влаги, удаляемая высушиванием в определенных условиях (обычно при температуре 105-110°С). Ее выражают в процентах от массы абсолютно сухого вещества и определяют по формуле:

(43)

где m_с - начальная масса пробы в момент отбора; m_н - масса пробы после высушивания (до постоянной массы).

Нормальная влажность (W_н, %) - влажность, которую приобретает материал при выдерживании в нормальных атмосферных условиях.

Максимальная влажность (W_m, %) - влажность, которую приобретает проба после выдерживания в эксикаторе при температуре 20 °С и относительной влажности воздуха, близкой к 100%, в течение 4 ч.

Кондиционная влажность, Wк, % - влажность, которую приобретает материал при выдерживании его при текущей влажности воздуха.

Иногда в качестве характеристик используют влагосодержание, определяемое как отношение количества воды в материале к массе невысушенного m (%):

(44)

Между влагосодержанием и влажностью существует взаимосвязь:

(45)

Для определения влажности применяют прямые и косвенные методы. К прямым относят тепловые (в сушильных аппаратах), дистилляционные и экстракционные: к косвенным - электрические методы.

Для определения влажности материала применяют прямые методы (тепловые, дистилляционные) и косвенные (электрические и др.). Из прямых широкое и основное применение имеет метод высушивания пробы волокон, нитей или полотен (обычно массой 200 г) в сушильных аппаратах типа ACT, называемых тепловлагомерами, путем продувания через пробу горячего воздуха температурой 107 + 2°С.