TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ. 2. přednáška. TNT smáčení úvod. Eva Kuželová Košťáková Katedra netkaných textilií a nanovlákenných materiálů, FT, TUL

Transkript

1 2. přednáška TNT smáčení úvod Eva Kuželová Košťáková Katedra netkaných textilií a nanovlákenných materiálů, FT, TUL

2 OPAKOVÁNÍ z 1.přednášky Cíl předmětu Teorie netkaných textilií: Ukázat, jak struktura a charakter 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? POVRCHOVÉ NAPĚTÍ (POVRCHOVÁ ENERGIE) - Sféra molekulárního působení dosah mezimolekulárních sil 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.

3 OPAKOVÁNÍ z 1.přednášky MĚŘENÍ POVRCHOVÉHO NAPĚTÍ KAPALIN γ = F o Wilhelmy metoda Du Noüy metoda mg=2r Stalagmometrie Nejvyšší tlak v bublince Kapilární elevace p hydrostatický = p kapilární

4 Kapilární tlak p vzniká u obecně zakřiveného povrchu p = rozdíl tlaků v sousedních fázích rozdělených zakřiveným povrchem a nazývá se kapilárním tlakem. nemusí být vždy u vzorků zapisována! R R p

5 Laplaceův tlak Kapilární tlak odvození

6 Laplaceův tlak Při zakřivení povrchu působí povrchová vrstva na kapalinu tlakem, který se přičítá k tlaku, jímž by vrstva na kapalinu působila při rovinném povrchu. V literatuře je tlak při rovinném povrchu kapaliny nazýván tlakem kohezním a přídavný tlak, který vzniká zakřivením povrchu je nazýván tlakem kapilárním. Kapilární tlak je ale také často označován jako tlak Laplaceův Vypočtení Laplaceova tlaku vychází z povrchového napětí. Předpokládejme nejprve, že povrch je válcový a uvažujeme o silách, které působí na plošný prvek omezený dvěma površkami délky dl 1 a dvěma křivkami délky dl 2 df= dl 1 d Zavedeme-li poloměr křivosti plochy R, pak dl 2 =R d PRO VÁLEC

7 Při obecně zakřiveném povrchu můžeme v každém jeho bodě vést dva k sobě kolmé normálové řezy (viz Stereologie), v nichž má plocha největší a nejmenší poloměr křivosti R 1 a R 2. Platí pak pro každou dvojici rovnoběžných stran plošného prvku stejná úvaha jako u válcové plochy p=/r. Tlak p 1, způsobený zakřivením o poloměru křivosti R 1, je p 1 =/R 1, a tlak p 2, vzbuzený zakřivením o poloměru křivosti R 2, je p 2 = /R 2. Kapilární tlak p, který vzniká u obecně zakřiveného povrchu, je pak součtem obou tlaků p 1 a p 2 p 1 R Pozn.: Válec: R 1 = R; R 2 = Koule: R 1 =R; R 2 =R Pro sférické kapky či bubliny jsou si oba poloměry křivosti rovny R 1 = R 2; p=2/r 1 1 R 2.

8 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. Čím menší je poloměr sférické kapky na vzduchu či bubliny v kapalině, tím je kapilární tlak v ní větší p=2/r

9 OPAKOVÁNÍ z 1.přednášky KONTAKTNÍ ÚHLY Klasifikace vztahu pevné látky a kapaliny dle kontaktního úhlu Povrchové napětí kapaliny kapky Nízká povrchová energie pevné látky, nesmáčení Vztah mezi povrchovou energií pevné látky a kapaliny, která ji smáčí Vysoká povrchová energie pevné látky, dobré smáčení a adheze Povrchová energie testovaného povrchu pevné látky Metody měření kontaktního úhlu

10 OPAKOVÁNÍ z 1.přednášky 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. P cos KP, To je podmíněno rovnováhou složek povrchových napětí

11 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: p kp 0,

12 Dokonalé nesmáčení: Kontaktní úhel = 180 Z Youngovy rovnice pro tento případ plyne: p kp 2,

13 Podmínka dokonalého smáčení ROVINNÉHO POVRCHU Harkinsonův roztírací koeficient S p kp Zápis pomocí Harkinosonova roztíracího koeficientu S p kp 0, S 0. Podmínka dokonalého nesmáčení ROVINNÉHO POVRCHU p kp 2, S 2

14 Superhydrofóbní a superhydrofilní povrchy Supernesmáčivé a supersmáčivé povrchy Jsou toto hraniční hodnoty pro popis smáčení povrchů kapalinou? 0 θ 180 Superhydrofobicita Nano Today (2011) 6, θ = 180 Materiály se ale stejně chovají jinak. Jeden je odpudivější než druhý ke stejné kapalině.???? PŘÍRODA NEMÁ HRANICE NA 0 A 180.

15 Superhydrofóbní a superhydrofilní povrchy Supernesmáčivé a supersmáčivé povrchy TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ = S γ + 1

16 Podmínka dokonalého smáčení ROVINNÉHO POVRCHU Harkinsonův roztírací koeficient S p kp Zápis pomocí Harkinosonova roztíracího koeficientu S p kp 0, S 0. Podmínka dokonalého nesmáčení ROVINNÉHO POVRCHU p kp 2, S 2

17 ADHEZE KAPALIN K PEVNÝM LÁTKÁM Povrchové napětí a povrchová energie Povrchové napětí kapalin (gama) je důležitým pojmem i prostředkem pro popis adhezní vazby mezi kapalinou a pevnou látkou. Co by se stalo, kdyby se snížilo povrchové napětí vody?

18 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.

19 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.

20 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. cosinus Energie adhezní vazby roste s rostoucí hodnotou cos a tedy klesá s rostoucí hodnotou. Nejvyšší hodnoty dosahuje při úplném smáčení ( = O ). Pak W A = 2W.

21 ADHEZE v netkaných textiliích LITERATURA: Adamson, Arthur W. Alice P. Gast, Physical chemistry of surfaces, New York : Wiley, c1997. Quere, David; de Gennes, Pierre-Gilles; Brochard-Wyart,Francoise, Capillarity and Wetting Phenomena : Drops,Bubbles, Pearls, Waves, New York : Springer, 2004 Povrchové napětí kapalin (gama) je důležitým pojmem i prostředkem pro popis adhezní vazby mezi kapalinou a pevnou látkou (netkanou textilií).

22 OBSAH: Adheze a pojení Základní pojmy Hlavní fáze procesu pojení Souhrn vlivů na proces pojení Základy teorie adheze Adheze kapalin k pevným látkám Povrchové napětí a povrchová energie

23 ADHEZE Při vytváření adhezní vazby v průběhu pojení netkaných textilií dochází ke změnám jejich vlastností na základě změn jejich mikrostruktury. Soudržnost dvou spojovaných ploch, tedy vazba mezi pevným povrchem vláken a adhezivem (pojivem) je chápána jako ADHEZE. Soudržnost dvou pevných povrchů pojených adhezivem je však dána kromě adheze i soudržností pojivé vrstvy tedy její kohezí soudržností pojivé vrstvy. Vlastnosti pojiv i spojů však závisí na mnoha podmínkách a k udržení těchto vhodných podmínek vede i znalost teorie adheze. Problematika adheze se pohybuje na rozhraní několika vědních oborů: chemie, fyzika, fyzikální chemie, makromolekulární chemie, elektrostatika, elektronika atd. Dodnes ale neexistuje obecně platná teorie adheze, avšak empirický vývoj předešel teorii.

24 Základní pojmy Níže uvedené definice jsou převzaty z norem ČSN a ČSN Adheze je soubor povrchových sil, kterými se navzájem poutají částice různých látek. Koheze je soubor sil, kterými se navzájem poutají molekuly (částice) téže látky. Autoheze se vztahuje k povrchovým silám téže látky. Adherendum je těleso, které je drženo u druhého tělesa adhezí. Např. vlákna Adhezivum je materiál schopný držet. Např. pojivo

25 Hlavní fáze procesu pojení Proces vytváření adhezní vazby prochází zpravidla následujícími fázemi. 1.Fáze Adhezivo a adherendum jsou přivedeny do vzájemného stylu. Technologicky se tato fáze pojení realizuje stříkáním pojiva, roztíráním pasty a pěny, posypáváním práškovými formami pojiva, mísením vláken, vrstvením termoplastických útvarů...atd. 2.Fáze Smočení povrchu vláken nebo vlákenných útvarů adhezivem. U kapalných typů pojiv k tomuto dochází bezprostředně po styku adheziva s adherendem. U pevných termoplastických adheziv smočení nastává až po zahřátí a převedení adheziva do viskózně tekutého stavu. 3.Fáze Nutnou fází k vytvoření pevného spoje je ztužení adheziva (pojiva), ke kterému dochází odpařováním disperzního média, koagulací vlivem změn prostředí, polyreakcí monomerů, ochlazením termoplastických pojiv. 4.Fáze V průběhu ztužení adheziva dochází k jeho migraci. 5.Fáze Deformace pojeného útvaru během ztužení (uvolnění elastického napětí),

26 Souhrn vlivů na proces pojení Empiricky jsou vypozorovány následující vlivy na proces pojení. Vlivy můžeme podle jejich povahy rozdělit na fyzikální a chemické. Fyzikální vlivy: povrchové napětí, velikost povrchu adherenda, drsnost povrchu adherenda, tloušťka vrstvy pojiva, tlak a teplota použité v procesu pojení, viskozita pojiva. Chemické vlivy: chemické složení adheziva a adherenda, polymerační stupeň a polydisperzita adheziva (distribuční křivka), čistota povrchu adherenda, polarita adheziva a adherenda.

27 Schopnosti textilních vláken vytvářet kvalitní adhezní spoje Empiricky byla zjištěna následující řada kvality adhezního spoje základních typů textilních vláken k různým druhům pojiv. Viskoza polyamid bavlna polyester vlna polypropylen Výše zapsaný schematický vztah znázorňuje, že nejpevnější adhezní spoj vytváří zpravidla viskóza a nejslabší vazbu s adhezivem poskytuje polypropylen. Řada je převzata od Krčmy [1]. [1] KRČMA, R.: Teorie netkaných textilií, Vysoká škola strojní a textilní, Liberec 1985.

28 Schopnosti textilních vláken vytvářet kvalitní adhezní spoje Polypropylenová vlákna mají relativně nízkou povrchovou energii (okolo 23 mn/m) a je tedy těžké je pojit. Polyesterová vlákna mají relativně vysokou povrchovou energii okolo 42 mn/m. Cellulosová vlákna (viskóza) mají nejen vyšší povrchovou energii (60-70mN/m)než polypropylenová či polyesterová vlákna, ale mají také relativně porézní povrch, který umožňuje kapalinám smáčet a tím vytvářet lepší pojení. Russel, S., J.: Handbook of Nonwovens, Woodhead publishing

29 Vazby Kvalifikace vazeb -vazby chemické - iontové - atomové (kovalentní) - kovové -vazby fyzikální (mezimolekulární, van der Waalsovy) - polární - disperzní - indukční Zpravidla platí, že čím pevnější vazba tím menší její dosah. Mezimolekulární síly závisí na vzdálenosti atomů a molekul a velmi rychle se zmenšují s rostoucí vzdáleností (cca m). Kohezní vlastnosti polymeru jsou dány především jeho chemickými vazbami.

30 Důležité znaky kohezních vlastností, které je možno přímo stanovit -Těkavost, bod varu (polymery - teplota tání, skelný přechod atd.) -Rozpustnost a mísitelnost složek (stejné interakční energie = nejlepší mísitelnost) -Pevnost v tahu

31 Všeobecné požadavky na pojivo Pojivo je hmotnou součástí netkané textilie = jeho mechanické a chemické vlastnosti mají odpovídat vlastnostem vláken = velmi široký pojem. Požadavky na pojivo: - Dobrá adheze pojiva k vláknům dána chemickou vhodností styčných ploch. (PVA + epoxidová pryskyřice =špatný příklad) -Vytvrzené pojivo musí mít dobrou kohezi - Průběh deformace při zatěžování má odpovídat deformačním křivkám vláken (větší protažení při zatížení než vlákna, jinak se vlákna natáhnou a pojivo to nevydrží) - Odolnost vůči mechanickému namáhání, vůči chemickému působení (vody, práškům, stárnutí atd.) - Musí být schopné technické aplikace (výroby NT; přetváření do vhodných forem prášek, mřížka atd.). - Splňovat normy (příklad: EU Gala voleybalové míče jen vodnými disperzemi, rozpouštědlové disperze = vymrazovat rozpouštědlo zpět atd. = ekonomicky náročné)

32 Vliv pojiva na celkové mechanické vlastnosti výsledné textilie závisí na: (i) Kohezi pojiva (ii) Adhezi pojivo-polymer (i.e., bonding to fibre, finish, filler, etc.) (iii) Distribuci pojiva v objemu textilie a jeho celkovém relativnímu objemu Charakteristika průběhu deformační křivky zatíženíprodloužení daná především poměrem prodloužení při počátečním zatížení (počáteční tuhost, počáteční modul) zřetelně vymezuje rozdíly mezi textiliemi mechanicky vázanými a textiliemi pojenými adhezivy.

33 Vliv pojiva na celkové mechanické vlastnosti výsledné textilie závisí na: (i) Kohezi pojiva (ii) Adhezi pojivo-polymer (i.e., bonding to fibre, finish, filler, etc.) (iii) Distribuci pojiva v objemu textilie a jeho celkovém relativnímu objemu TEORIE NETKANÝCH TEXTILIÍ Charakteristika průběhu deformační křivky zatížení-prodloužení daná především poměrem prodloužení při počátečním zatížení (počáteční tuhost, počáteční modul) zřetelně vymezuje rozdíly mezi textiliemi mechanicky vázanými a textiliemi pojenými adhezivy. tkanina proplet Vpichovaná NT Vrstvené proplety Pojení práškem Termoplastická vlákna impregnace Termoplastická mřížka Spunbond Propojení vlákny Krčma, R.:Teorie netkaných textilií, Skripta VŠST, 1977 str. 17 Např. PETEX je netkaná textilie vyráběná z vysokotlakého polyethylenu přímým zvlákňováním pod tryskou. starší typ spunbondu Juta, a.s.

34 tkanina proplet Vpichovaná NT Vrstvené proplety Pojení práškem Termoplastická vlákna impregnace Termoplastická mřížka Spunbond Propojení vlákny Mechanicky vázané NT mají prodloužení při počátečním zatížení veliké a snižuje se při dalším postupném zatížení. Oproti tkaninám obecně mají tyto textilie obvykle podstatně větší protažení a nižší pevnost. Textilie pojené adhezivy mají naopak malé protažení při počátečním zatížení tj větší počáteční tuhost (modul). Počáteční modul pružnosti je ovlivněn i délkou volných úseků vláken mezi spoji = využití pevnosti základních vláken při aplikované vazbě Počáteční modul pružnosti v tahu i pevnost v tahu u textilií pojených mřížkou je nižší než textilií pojených práškovými pojivy nebo pojivými vlákny. Krčma, R.:Teorie netkaných textilií, Skripta VŠST, 1977 str. 17

35 Podmínky pro zamezení lepivosti Empirické a teoretické poznatky o adhezi je možno též vztahovat na technologické operace, u nichž máme snahu zabránit lepení adheziva na povrchy pomocných ploch. Takovými plochami jsou například povrchy kovových válců, sít, povrchy technologických nádob atd. Všeobecně se zjistilo, že většina adheziv je prakticky neúčinná při spojování (lepení) povrchů fólií vyrobených z teflonu (polytetrafluoretylenu), polypropylenu, polyetylenu. Těmito fóliemi lze pokrýt povrch pracovních válců a tím zamezit jejich lepivost. Další metoda zamezení lepivosti spočívá v aplikaci natěradel. Jsou to zejména: silikonové oleje, pasty, emulze a laky, roztoky anorganických solí (chloridu vápenatého, síranu zinečnatého, uhličitanu zinečnatého a dusitanu sodného).

36 ZÁKLADY TEORIE ADHEZE Postavení adheziv v technické praxi je protikladné ke skupině látek označovaných jako maziva. U obou typů materiálů sledujeme především velikosti sil vytvářených při styku s povrchy jiných materiálů. V případě adheziv usilujeme o to, aby tyto síly byly co největší, v druhém případě se snažíme styčné síly minimalizovat. Při spojování povrchů máme dvě možnosti: Vytvořit vazbu mechanickou. Příkladem prostředků pro dosažení mechanického spojení je šroubování, nýtování, přibíjení nebo vpichování, proplétání a prošívání u netkaných textilií, dále pak pletení a tkaní u klasických textilií. Vytvořit vazbu adhezní (fyzikálně chemickou) postupy označovanými jako lepení, klížení, svařování nebo pojení u netkaných textilií.

37 Mechanismus adheze Při velkém zvětšení se i seberovnější povrch jeví hrubý. Nerovnosti povrchů způsobují, že při kontaktu pevných látek dochází k přímému styku jen malých částí jejich povrchů. Odhaduje se, že při položení dvou skleněných destiček na sebe je v přímém kontaktu pouze 1% jejich plošného obsahu. Ze zkušenosti víme, že síla přitahující suché destičky k sobě je zanedbatelná. Velikost této síly můžeme podstatně zvětšit tím, že mezi destičky kápneme kapalinu, která zajistí téměř 100% využití plošného obsahu povrchu skleněné destičky pro přímý kontakt.

38 Důležitou roli při vytváření adhezního spoje hraje využití povrchů adheziva i adherenda pro přímý kontakt. Obr.III.2.2: Schematické znázornění přímého kontaktu (1) mezi dvěma pevnými tělesy (3) a (4). Vyplní-li se prázdný prostor (2) kapalinou, je tím podstatně zvětšena plocha přímého kontaktu mezi konstituenty spoje.

39 TEORIE ADHEZE Teorie chemické adheze vznik chemických vazeb na rozhraní adheziva a adherenda. Teorie mechanické adheze představa o zaklesnutí lepených povrchů. Předpokládá se, že adhezivo obklopuje části adherenda, které jim pronikají podobně jak bylo popsáno u tunelového a lamelového spoje v netkaných textiliích. Podobné mechanismy lze předpokládat u adherend s porézním povrchem (textil, papír, zpěněné polymery). Příklad mechanické adheze mezi porézním povrchem adherenda (1) a adhezivem (2).

40 TEORIE ADHEZE Teorie elektrostatických sil Teorie elektrostatických sil byla vypracována Derjaginem, který přinesl experimentální důkaz o příspěvku elektrostatických sil v adhezním spoji. V průběhu lámání adhezních spojů zjistil změny rozložení elektrostatického náboje. Difusní teorie adheze Difusní teorie vysvětluje adhezní vazbu na základě vzájemného difusního pronikání molekul adheziva do oblastí adherenda a naopak. Definice: Difuze je samovolný proces pronikání částic jedné látky do druhé se snahou o rovnoměrné prostoupení po celém objemu.

41 DOSAH ADHEZNÍCH SIL Adhezní síly mají některé rysy, které nemohou být přímo vysvětleny známými meziatomovými a molekulárními silami. Derjagin (60. léta 20.století) vážkovým experimentem ukázal, že dosah adhezních sil je neobvykle velký. Při experimentu byly od sebe vzdalovány dvě slídové destičky. Jejich vzájemné silové působení bylo měřitelné ještě na vzdálenost 100 nm. Přitom primární i sekundární (molekulární síly) mají dosah od 0,1 do 2 nm. Zmíněná výjimečnost adhezních sil zřejmě spočívá v tom, že jejichž kolektivní chování je odlišné od silových projevů izolovaných molekul.

42