Interakce mezi kapalinou a vlákenným materiálem

Transkript

1 3. přednáška Interakce mezi kapalinou a vlákenným materiálem

2 OPAKOVÁNÍ Soudržnost dvou spojovaných ploch, tedy vazba mezi pevným povrchem vláken a adhezivem (pojivem) je chápána jako ADHEZE. Primární i sekundární (molekulární síly) mají dosah od 0, do nm. Adhezní síly až 00nm == vyjímečnost adhezních sil spočívá kolektivní chování molekul je odlišné od silových projevů izolovaných molekul. Povrchové charakteristiky (povrchové energie) jsou spojeny nejen s pojením vlákenných vrstev při výrobě netkaných textilií.

3 OPAKOVÁNÍ Další příklady spojení povrchových charakteristik materiálů s netkanými textiliemi: Naplavování dispergace vláken v kapalině závisí na povrchových vlastnostech vláken a kapaliny Výroba mokrých kapesníčků povrchové charakteristiky vláken, struktura vlákenného materiálu a povrchové vlastnosti kapaliny ovlivňují dokonalé proniknutí celým objemem. Elektrostatické zvlákňování do kapaliny povrchové napětí vznikajících vláken a kapaliny nad kolektorem Y. Yokoyama et al. / Materials Letters 63 (009)

4 Interakce mezi kapalinou a vlákenným materiálem PODMÍNKY DOKONALÉHO SMÁČENÍ

5 Jedním ze základních parametrů, které řídí interakci mezi kapalinou a pevnou látkou je GEOMETRIE PEVNÉ LÁTKY (tvar strukturní komponenty a relativní umístění strukturní komponenty v celém systému). math.pppst.com

6 Tvarové změny přecházející do povrchových charakteristik je možné ukázat na Laplaceově tlaku (Laplace pressure), kde tlak v kapce (či bublince) je úměrný její charakteristické křivosti.

7 Stejný materiál se může ve vztahu ke smáčení chovat drasticky jinak ve formě filmu, vlákna, svazku vláken nebo vlákenného materiálu (textilie). Podmínky dokonalého smáčení: ) Rovninného povrchu ) Jednoho vlákna 3) Svazku vláken

8 OPAKOVÁNÍ Povrchová energie připadající na jednotkovou plochu je rovna povrchovému napětí W= Youngova rovnice P cos KP,

9 ) Podmínka dokonalého smáčení ROVINNÉHO POVRCHU Dokonalé smáčení: Kontaktní úhel = 0 O dokonalém smáčení rovinné pevné látky hovoříme v případě, když úhel smáčení je nulový. Z Youngovy rovnice pro tento případ plyne: 0, p kp

10 ) Podmínka dokonalého smáčení ROVINNÉHO POVRCHU Harkinsonův roztírací koeficient S p kp Zápis pomocí Harkinosonova roztíracího koeficientu S p kp 0, S 0.

11 ) Podmínka dokonalého smáčení JEDNOHO VLÁKNA Vlákno o poloměru b pokrývá vrstva kapaliny o tloušťce e a délce L. Obrázek zachycuje případ dokonalého smáčení vlákna. Suché vlákno Smočené vlákno

12 ) Podmínka dokonalého smáčení JEDNOHO VLÁKNA K dokonalému smáčení vlákna dojde tehdy, když celková povrchová energie W vnějšího povrchu filmu kapaliny a povrchu mezi vláknem a kapalinou připadajícím na délku vlákna L bude MENŠÍ než povrchová energie téže délky suchého vlákna W f W f W

13 ) Podmínka dokonalého smáčení JEDNOHO VLÁKNA ; Pro povrchové energie W a W f platí Vlákno o poloměru b pokrývá vrstva kapaliny o tloušťce e a délce L. W f bl p W bl b e L. kp e Wf W Lb p kp 0. b

14 ) Podmínka dokonalého smáčení JEDNOHO VLÁKNA Úpravou nerovnosti využívající Harkinsonova roztíracího koeficientu S získáme podmínku pro dokonalé smáčení vlákna ve tvaru: S e. b

15 Dokonalé smáčení rovného povrchu X Dokonalé smáčení jednoho vlákna S 0. S e. b Porovnáním podmínek pro dokonalé smáčení zjistíme, že jednotlivá vlákna jsou méně ochotna smáčet se kapalinou než rovinné útvary vyrobené z téhož materiálu.???

16 ??? Vynikající savost vlákenné hmoty je výsledkem KOLEKTIVNÍHO CHOVÁNÍ SOUBORŮ VLÁKEN A JEJICH SVAZKŮ. Až toto skupinové uspořádání vláken umožňuje vlákenným materiálům předčít vlastnosti rovinných povrchů ochotně vázat velká množství kapaliny.

17 3) Podmínka dokonalého smáčení SVAZKU VLÁKEN Struktura vlákenných materiálů (reprezentovaná zde počtem a poloměry blízkých a paralelně uspořádaných vláken) silně ovlivňuje jejich vlastnosti v procesu smáčení.

18 3) Podmínka dokonalého smáčení SVAZKU VLÁKEN K dokonalému smáčení svazku vláken dojde tehdy, když celková povrchová energie smočených vláken na rozhraní vlákno kapalina a povrchová energie vnějšího povrchu kapalinového tělesa W je MENŠÍ než povrchová energie suchých vláken W f a to na délce L. W f W

19 3) Podmínka dokonalého smáčení SVAZKU VLÁKEN W f W W f = nbl P W = nbl KP + EL

20

21 Svazek sedmi těsně uspořádaných paralelních vláken může být kapalinou dokonale smáčen i v případě, že rovinný útvar ze stejného materiálu není stejnou kapalinou smáčen dokonale. Pro dokonalé smáčení svazku vláken může být Harkinsonův roztírací koeficient S dokonce záporný.

22 Čím více vláken ve svazku bude a čím těsněji tato vlákna budou uspořádána tím více bude svazek ochotný ke smáčení. 9 vláken kruhového průřezu

23 Jedním ze základních parametrů, které řídí interakci mezi kapalinou a pevnou látkou je GEOMETRIE PEVNÉ LÁTKY (tvar strukturní komponenty a relativní umístění strukturní komponenty v celém systému). VLIV TVARU VLÁKNA NA SMÁČENÍ

24 KAPALINA NA POVRCHU VLÁKNA Povrch kapalinového tělesa - ol VLÁKNO NEKRUHOVÉHO PRŮŘEZU Povrch vlákna - aol W f W W f = aol P W = aol KP + ol S >((-a)/a) DOKONALÉ SMÁČENÍ nekruhového povrchu vlákna Harkinsonův roztírací koeficient záporný. Čím členitější (větší) je povrch vlákna tím větší ochota ke smáčení existuje.

25 KONTAKTNÍ ÚHEL DRSNÝCH POVRCHŮ Zdánlivý kontaktní úhel drsných povrchů * závisí na skutečném úhlu smáčení (Youngův kontaktní úhel) a míře drsnosti r cos * = r cos Povrchy kdy <90 ===drsné povrchy smáčí lépe než rovné Povrchy kdy >90 ===drsné povrchy smáčí hůře než rovné

26

27 Interakce mezi kapalinou a vlákenným materiálem Smáčení jednoho vlákna - podmínka dokonalého smáčení při započítání Laplaceova tlaku

28 Smáčení vlákna makroskopickým filmem Započítán i vliv LAPLACEOVA (KAPILÁRNÍHO) TLAKU F t b e R =e+b Síly působící podél osy vlákna F p = b P F kp = b kp F t R R. R b F = (b+e)

29 Kapalinové těleso na povrchu vlákna se nachází v rovnováze za následující podmínky rovnováhy sil F kp F F p F t Pozn.: kapalina má tendenci se rozprostírat po vlákně (=0 ) == F t působí směrem ven z kapalinového tělesa (napomáhá rozprostírání) == tlak působící ven z kapalinového tělesa má záporné znaménko.

30 POZNÁMKA kapilární tlak capillary pressure jiná definice (synonymum Laplaceův tlak) Rozdíl tlaků na konkávní a konvexní straně zakřiveného fázového rozhraní, způsobený mezifázovým napětím (Laplaceova-Youngova rovnice). Má-li povrch kapaliny tvar kulového vrchlíku (resp. Koule) o poloměru R, lze pro kapilární tlak psát p=f/s, kde F je velikost výslednice povrchových sil F p, jejíž nenulová velikost je dána právě zakřiveným povrchem kapaliny. Tato výslednice vzniká F díky zakřivení povrchu a působí na kolmý průmět povrchu kapaliny o obsahu S. S F 00/hesla/laplaceova-youngova_rovnice.html

31 POZNÁMKA kapilární tlak pro konkávní a konvexní tělesa p = ± γ R Správný zápis pro kapalinová tělesa v kruhových kapilárách A concave meniscus (A) indicated that the molecules of the liquid have a stronger attraction to the material of the container (adhesion) than to each other (cohesion). A convex meniscus (B) indicates the molecules have a stronger attraction to each other than to the material of the container. F S S F flatworldknowledge.lardbucket.org

32 POZNÁMKA kapilární tlak pro konkávní a konvexní kapalinová tělesa uvnitř kruhové kapiláry p = + γ R Konvexní tvar povrchu kapaliny Kapilární deprese Kapilární tlak směřuje dovnitř kapalinového tělesa - kladné znaménko Konvexní meniskus ukazuje, že molekuly kapaliny mají silnější přitažlivost k sobě navzájem (koheze) než k materiálu kapiláry (adheze). p = γ R Kapilární elevace Konkávní tvar povrchu kapaliny Kapilární tlak směřuje ven z kapalinového tělesa záporné znaménko Konkávní meniskus ukazuje, že molekuly kapaliny mají silnější přitažlivost k materiálu kapiláry (adheze) než k sobě navzájem (soudržnost - koheze).

33 Kapalinové těleso na povrchu vlákna se nachází v rovnováze za následující podmínky rovnováhy sil F kp F F p F t

34 t p kp F F F F b R R R b R b p kp b R R R b R b S Rovnici výše vydělíme výrazem b a vyjádříme pomocí Harkinsonova roztíracího koeficientu Vztah budeme dále upravovat za předpokladu, že kapalinové těleso je válcovité. Za tohoto předpokladu bude hodnota R nekonečně velká. 0 ) ( ) ( R b b R br b br R br b R S R =e+b b e Z této rovnice je patrné, že hodnota roztíracího koeficientu S je pro studovaný případ kapalinového tělesa vždy kladná.

35 Vyjádříme-li poloměr kapalinového tělesa R pomocí poloměru vlákna b a tloušťky kapalinového filmu e, dostaneme po řadě matematických úprav podmínku dokonalého smáčení jednoho vlákna ve tvaru e b S e b( b e) R =e+b Liší o podmínky dokonalého smáčení z minulé přednášky, protože zde se započítává i vliv Laplaceova tlaku. Fyzikální podstata odlišnosti vztahů podmínky dokonalého smáčení jednoho vlákna: Hodnoty e po započítání kapilárního tlaku mohou nabývat větších hodnot než bez započítání Laplaceova tlaku při zachování stejných podmínek pro danou situaci(hodnota b, povrchová napětí atd.). Samozřejmě uvažujeme o situaci rovnovážného stavu. STEJNÉ PODMÍNKA == při započítání kapilárních tlaků === e mohou nabývat v rovnovážných stavech větších hodnot

36 POZNÁMKA kapilární tlak pro konkávní a konvexní tělesa Rozprostírání kapalina, vzdalování vláken od sebe Srážení, nasávání kapaliny a srážení vláken k sobě