1. přednáška. ÚVOD k předmětu TNT

Transkript

1 1. přednáška ÚVOD k předmětu TNT Doc. Ing. Eva Kuželová Košťáková, Ph.D. Katedra netkaných textilií a nanovlákenných materiálů, FT, TUL Eva.kostakova@tul.cz Tel.: Budova B, 4. patro

2 w.php?id=63#section-5 Informace k TNT

3 Cíl předmětu: Ukázat, jak struktura a vlastnosti netkaných textilií (a nejen těch) mohou ovlivnit jejich výsledné vlastnosti a uplatnění.

4 Zdroj: Edana.org NETKANÁ TEXTILIE JE VRSTVA VYROBENÁ Z JEDNOSMĚRNĚ NEBO NÁHODNĚ ORIENTOVANÝCH VLÁKEN, SPOJENÝCH TŘENÍM, KOHEZÍ A NEBO ADHEZÍ S VYJÍMKOU PAPÍRU A VÝROBKŮ VYROBENÝCH TKANÍM, PLETENÍM, VŠÍVANÍM, PROPLÉTÁNÍM NEBO PLSTĚNÍM. The Nonwovens industry emerged from the textile, paper, plastic and leather industries to become an independent industry. Nonwovens products should be treated differently from textile products because their production processes are fundamentally different. The major difference of the Nonwovens process is the production of a fabric directly from fibres or polymer chips. Textile fabrics are normally produced via multiple-step processes e.g. yarn spinning, weaving or knitting. "Netkaná textilie je plošná textilie vyrobená ze staplových vláken, nekonečných vláken, sekaných multifilů atd. jakékoliv povahy nebo původu, které byly upraveny do vlákenné vrstvy jakýmikoliv prostředky, a spojených dohromady jakýmkoli způsobem, s výjimkou tkaní nebo pletení. Plsti získané mokrým mletím nejsou netkané textilie. Vlákenné vrstvy vyráběné mokrou cestou (wetlaid) jsou netkané textilie za předpokladu, že obsahují minimálně 50% z umělých vláken nebo jiných textilních vláken mimo rostlinného původu s poměrem délky k průměru rovným nebo vyšší než 300, nebo minimálně 30% z umělých vláken s poměrem délky vůči průměru rovným nebo vyšším než 600.

5 Výroba plošných textilií Výroba netkaných textilií

6 Výroba plošných textilií Výroba netkaných textilií

7 Základní popis netkaných textilií Plošná hmotnost Objemová hmotnost Porozita x zaplnění Orientace vláken, průměry vláken, délka vláken morfologie Pevnost v tahu, modul pružnosti,. mechanické vlastnosti Vstupní materiály vlákna, polymery Postup měření EDANA normy, ISO normy

8 Cíl předmětu: Ukázat, jak struktura a vlastnosti netkaných textilií (a nejen těch) mohou ovlivnit jejich výsledné vlastnosti a uplatnění. Nejvíce se předmět TNT bude věnovat SMÁČENÍ - Kdy je při výrobě NT důležité smáčení? - Kdy je při aplikaci NT důležité smáčení - Co určuje smáčitelnost danou kapalinou? Jaká veličina je nejdůležitější?

9 ADHEZE KAPALIN K PEVNÝM LÁTKÁM Povrchové napětí a povrchová energie Důležitým pojmem i prostředkem pro popis adhezní vazby mezi kapalinou a pevnou látkou je povrchové napětí kapalin. Fyzikální význam vysvětluje Maxwellův pokus.

10 Povrchové napětí - vysvětlení Maxwellův pokus:pevný kovový rámeček, pohyblivé raménko na které působí síla F. Délka pohyblivého raménka je L. Do rámečku se umístí tenká vrstva kapaliny, kterou je nutno udržovat v rovnováze působením síly F na pohyblivé raménko délky L. Síla působící na jednotkovou délku raménka dělená dvěma je rovna povrchovému napětí F 2L

11 F 2L TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ Povrchové napětí: Koeficient 2 = dva vznikající povrchy Povrchové napětí je vektorová veličina, jejíž velikost je číselně rovna povrchové energii W. Pojem povrchové energie W je objasňován při sledování práce A dodané k posunutí pohyblivého raménka o malou vzdálenost ds ve směru působící síly. Dodaná práce A se přemění na energii vázanou na povrchu kapaliny. Velikost nově vytvořeného povrchu kapaliny je L ds. Odtud plyne, že pro energii W připadající na jednotkový povrch platí JEDNOTKY?

12 Povrchové napětí a energie jsou vázány na vrstvu kapaliny v blízkém okolí povrchu kapaliny díky krátkému dosahu sekundárních (molekulárních) sil, které jsou podstatou těchto jevů. Představme si molekulu kapaliny, která je obklopena ostatními molekulami téže látky. Sféra molekulárního působení je kulovitá oblast, v jejímž středu leží vybraná molekula kapaliny a jejíž poloměr je roven dosahu sekundární sil mezi molekulami této kapaliny.

13 Sféra molekulárního působení je pak sférická oblast o poloměru rovném dosahu sekundárních sil. Z hlediska vzájemné polohy sledované molekuly a povrchu kapaliny mohou nastat dva případy. V prvém z nich je molekula od nejbližší oblasti povrchu kapaliny vzdálena více než je poloměr sféry molekulárního působení. Potom můžeme předpokládat, že rozmístění okolních molekul je v prostoru rovnoměrně náhodné a výsledná působící síla na molekulu ve středu sféry je nulová. Druhý případ znázorňuje molekulu v blízkosti povrchu kapaliny. Nesouměrné rozmístění okolních molekul pak vyvolá výslednou sílu ve směru kolmém k povrchu kapaliny.

14 Při tvorbě nového povrchu kapaliny, například deformováním tvaru kapky, musíme silově působit na ty molekuly, jejichž sféry molekulárního působení přesouváme do blízkosti povrchu kapaliny. Při těchto posunech se mění práce vnějších sil na povrchovou energii. Jev povrchové energie a napětí je vázán na tenké vrstvy povrchu kapaliny. Charakteristická tloušťka těchto vrstev se odhaduje z dosahu sekundárních sil a činí několik nm.

15 MĚŘENÍ POVRCHOVÉHO NAPĚTÍ KAPALIN

16 Odtrhávací metody Plate method - Wilhelmy TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ

17 Odtrhávací metody Plate method Ring method du Noüy Mezipovrchové napětí kapalin

18 metoda maximálního přetlaku v bublině maximum bubble pressure method Ve studované kapalině se za působení zvyšujícího se přetlaku p vytváří na konci kapiláry, ponořené pod hladinu, bublina plynu. Přetlak v bublině je roven součtu hydrostatického tlaku a tlaku potřebného k překonání povrchového napětí γ h je hloubka ponoření, ρ hustota kapaliny a r je poloměr bubliny. S růstem bubliny se zmenšuje poloměr jejího zakřivení. V okamžiku, kdy bublina dosáhne polokulovitého tvaru, je r minimální a je rovno poloměru kapiláry R. Tlak v bublině v tomto okamžiku dosahuje maximální hodnoty: Při dalším, i nepatrném, zvýšení tlaku se objem bubliny zvětší (její poloměr roste), takže člen 2γ/r se zmenšuje, bublina ztrácí stabilitu a odtrhne se. Tato metoda se často se používá jako srovnávací. Je možné, ale orientačně vycházet jen z povrchového napětí: = 1 p max r 2 při odtrhávání bublinky. 0, kde r 0 je vnitřní průměr kapiláry, pmax je maximální naměření tlak

19 Kapková metoda Stalagmometrická Necháme-li kapalinu volně vytékat z tlustostěnné zabroušené kapiláry, zůstává kapalina lpět na jejím spodním okraji ve tvaru kapky, která se odtrhne v okamžiku, kdy tíha kapky je právě rovna síle povrchového napětí. mg=2 r kde r je vnější poloměr kapiláry, m hmotnost kapky. Takto určená hodnota povrchového napětí by však byla velmi nepřesná, protože neodkápne celá kapka, ale asi jen 2/3 objemu, zbytek zůstává lpět na spodním okraji kapiláry. Před ukápnutím se kapka zaškrtí, a tím se odtrhne na menším obvodu, než je obvod kapiláry. Platí však, že při použití stejné kapiláry, je zúžení i poměrná část kapky, která zůstane lpět na kapiláře, u různých kapalin, které smáčejí stěny kapiláry, stejná. Neznámé povrchové napětí lze určit pomocí hmotností kapek jedné a druhé kapaliny. 1 2 = m 1 m 2

20 TNT KONTAKTNÍ ÚHLY

21 nesmáčení Zanedbatelné smáčení Částečné smáčení Částečné smáčení Kompletní smáčení Rozprostírání Roztírání lejpt.academicdirect.org

22 Povrchové napětí kapaliny kapky Nízká povrchová energie, nesmáčení Vysoká povrchová energie, dobré smáčení a adheze Povrchová energie testovaného povrchu pevné látky

23 Metody měření kontaktního úhlu TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ Five ways that the contact angle (q) can be measured. (A.) Sessile or Static drop. (B.) Wilhelmy plate method. (C.) Captive air bubble method. (D.) Capillary rise method. (E.) Tilting substrate method. Figure adapted from Ratner, et. al.

24 Metoda projekce kapky TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ

25 Metoda projekce kapky (bublinky) Bublinka v kapalině

26 Metoda nakloněné roviny TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ

27 Metoda nakloněné roviny Měření kontaktního úhlu pomocí naklánějící se destičky až do vymizení menisku kapaliny na jedné straně destičky.

28 Určení úhlu smáčení z průměru podstavy a výšky sférické kapky R 2 sin d, 2R 2 d 2 R h. 2 4dh arcsin 2 2. d 4h

29

30 Youngova rovnice popisuje rovnováhu kapky kapaliny na podložce z pevné látky za předpokladu, že povrch pevné látky je zcela rovný, tvar pevné látky se během smáčení nemění a kapalina neproniká do povrchu pevné látky.

31 Youngova rovnice Rovnovážný stav kapky na podložce je takový, při kterém nedochází k pohybu hranice kapky. To je podmíněno rovnováhou složek povrchových napětí, PK, P ležících v rovině podložky. Zmíněnou rovnováhu popisuje Youngova rovnice, kde je úhel smáčení. P cos KP, Vertikální řez procházející středem kapky (1) ležící na pevné podložce (2). Úhel smáčení je označen.

32 Energie adhezní vazby Energie adhezní vazby W A mezi kapalinou a pevnou látkou je energie uvolněná soustavou při vzniku této vazby. Energie adhezní vazby je též rovna energii nutné k porušení téže vazby. Hodnotu W A můžeme určit z Dupreho rovnice, která je založena na zákonu zachování energie. Představme si kapalinu a pevnou látku, které k sobě přilnou jednotkovými povrchy. Před kontaktem má povrch kapaliny povrchovou energii W a pevná látka W P. Jednotkové povrchy (3), kapaliny (1), pevné látky (2) a rozhraní pevná látka - kapalina (4) mají pořadě povrchové energie W, W P, W KP. Během kontaktu je uvolněná povrchová energie spotřebována na vznik adhezní vazby.

33 Kontaktem kapaliny s pevnou látkou vytvoříme jediné rozhraní o povrchové energii W KP. Předpokládáme-li, že veškerá energie uvolněná během kontaktu je přeměněna na adhezní energii W A. Pro rozhraní kapalina - pevná látka, můžeme psát Dupreho rovnici ve tvaru W WP WKP WA. Je obtížné použít Dupreho rovnici k zjišťování hodnot adhezní energie W A, protože veličiny W KP a W P jsou velmi špatně měřitelné současnými experimentálními postupy. Tento nedostatek se dá obejít tím, že do rovnice dosadíme veličiny vystupující v Youngově rovnici.

34 Číselná hodnota povrchových napětí i je rovna příslušné povrchové energii W i. Proto můžeme rozdíl W P - W KP nahradit součinem W cos. Odtud získáme W A W W cos. Pro určení energie adhezní vazby W A mezi kapalinou a pevnou látkou stačí zjistit povrchové napětí kapaliny a úhel smáčení. Energie adhezní vazby roste s rostoucí hodnotou cos. Nejvyšší hodnoty dosahuje při úplném smáčení ( = O ). Pak W A = 2W.