facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Page translation
 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ВПИТЫВАНИЯ ЖИДКОСТИ НЕТКАНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ / EXPERIMENTAL STUDY OF SPONTANEOUS ABSORPTION OF LIQUID BY NONWOVEN MATERIALS

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ВПИТЫВАНИЯ ЖИДКОСТИ НЕТКАНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ / EXPERIMENTAL STUDY OF SPONTANEOUS ABSORPTION OF LIQUID BY NONWOVEN MATERIALS
Treschalin Michail, professor, doctor of technical science, full professor

Lomonosov Moscow State University, Russia

TreschalinYuriMihailovich, doctoral candidate, candidate of technical science

Kostroma State Technological University, Russia

Championship participant: the National Research Analytics Championship - "Russia";

the Open European-Asian Research Analytics Championship;

В статье проводится анализ интенсивности самопроизвольного впитывания жидкости нетканым материалом. Даются результаты испытаний и математические зависимости, позволяющие рассчитать основные характеристики кинетики впитывания пористыми волокнистыми средами.

Ключевые слова:  нетканый материал, впитывание, жидкость, высота и скорость подъема, пористость, плотность.

The article analyses the intensity of spontaneous absorption of the liquid non-woven material. Given the results of the tests and mathematical dependence allowing to calculate the main characteristics of the kinetics of absorption of porous fibrous media.

Keywords: non-woven fabric, absorption liquid, the height and lifting speed, porosity, density.

 

Интенсивное развитие нефтяной и газовой промышленности, дорожного и жилищного строительства определяет расширение ассортимента нетканых материалов, предназначенных для очистки жидких сред от примесей, тепло и гидроизоляции, прокладки транспортных магистралей, укрепления грунта по берегам водоемов и т.п. Нетканые полотна, применяемые в качестве фильтров при строительстве фундаментов зданий и гидротехническихсооружений, препятствуют вы­мыванию мелких частиц почвы и повышают механическую сопротивляемость грунта. Учитывая важность вопросов, связанных с движением жидкости в поровом пространстве волокнистых материалов, целесообразно рассмотреть особенности кинетики впитывания волокнистыми структурами [1].

Отсутствие капилляров, как таковых, в строении нетканого полотна, требует принципиально иного подхода при изучении процесса впитывания жидкости. Особенность поставленной задачи заключается в использовании в качестве определяющего параметра не линейного размера капилляра (радиуса), а объемной характеристики, например, пористости или плотности, что особенно актуально для нетканых полотен «Холлофайбер», имеющих  неориентированное расположение структурных элементов [1].

Интенсивность самопроизвольного впитывания жидкости нетканым материалом изменяется во времени. Подъем осуществляется до тех пор, пока силу поверхностного натяжения не уравновесит сила давления столба поднятой жидкости. Причем, скорость впитывания первоначально резко возрастает, а затем постепенно замедляется и через некоторый промежуток времени становится равной нулю, т.е. высота подъема жидкости (или количество удерживаемой материалом жидкости) достигает своего максимального значения, которое остается постоянным во времени при неизменных параметрах среды (например, атмосфера), в которой находится материал.

С целью оценки интенсивности процесса самопроизвольного впитывания жидкости, проведены экспериментальные исследования нетканых полотен «Холлофайбер». Измерения проводились в Казанском национальном исследовательском технологическом университете (КНИТУ) по следующей методике.

Из каждого образца материала вырезались три пробы (полоски) длиной 300 мм, шириной 50 мм. Верхний конец полоски размещался на иглах планки, а нижний с прикрепленными грузиками, опускался в емкость с водой в таком количестве, чтобы она покрыла грузики, а нулевое деление линейки, прикрепленной параллельно испытываемому образцу, совпало с ее уровнем. После чего за фиксированные промежутки времени определялась высота подъема жидкости в исследуемом образце материала.

Испытаниям подвергались пять проб каждого образца, имеющих размеры 1см2. В процессе эксперимента измерялись и условные размеры пор методом поляризационной микроскопии по стандартной методике, в соответствии с  ГОСТ 20489-85 «Бумага и картон. Методы определения герметичности». Так как структура нетканого полотна неоднородна по количеству и расположению мононитей в единице объема, для каждогообразца определялись максимальный, средний и минимальный условный размер пор.При вычислении пористости исследуемых материалов принималось среднее значение объемной плотности мононитиρв = 622,08 кг/м3.

Характеристики образцов, результаты измерения условных размеров пор и высоты подъема жидкости образцов нетканых полотен «Холлофайбер» представлены в таб. 1 - 3.

Таблица 1.

Характеристики испытуемых образцов нетканых полотен

Наименование полотна

Масса, г

Длина, мм

Ширина, мм

Толщина, мм

Объемная плотность, кг/м3

Поверхностная плотность, г/м2

Холлофайбер медиум Р 15

5,1196

193,33

50,33

20,00

26,305

526,106

Холлофайбер софт Р 5191

1,1996

209,33

48,33

17,70

6,698

118,563

ХоллофайберхардFР 205

2,1789

192,33

50,00

4,50

50,350

226,575

Холлофайбер медиум Р 453

2,1572

199,67

50,33

12,33

17,404

214,649

Холлофайбер медиум Р 608

3,7327

199,33

50,67

26,33

14,035

369,591

 

Таблица 2.

Результаты измерения условных размеров пор нетканых полотен «Холлофайбер»

Наименование полотна

Пористость

Условные размеры пор нетканых полотен «Холлофайбер», определенные методом поляризационной микроскопии

Мин.

Сред.

Макс.

мкм

%

мкм

%

мкм

%

Холлофайбер медиум Р 15

0,958

6,7

65

80,4

32

160,8

3

Холлофайбер софт Р 5191

0,989

6,7

64

80,4

33

154,1

3

ХоллофайберхардFР 205

0,919

6,7

65

67

32

134

3

Холлофайбер медиум Р 453

0,972

6,7

70

87,1

28

214,4

2

Холлофайбер медиум Р 608

0,977

6,7

65

100,3

33

201

2

 

Таблица 3.

Результаты измерения высоты подъема жидкости (вода)

Наименование полотна

Высота подъема жидкости, мм  в зависимости от времени, мин

1

3

5

10

15

20

30

60

120

240

Холлофайбер медиум Р 15

2

9

19

22

22

22

22

22

22

22

Холлофайбер софт Р 5191

1

3

5

6

7

7

7

7

7

7

ХоллофайберхардFР 205

5

14

22

29

48

50

50

50

50

50

Холлофайбер медиум Р 453

2

8

12

15

15

15

15

15

15

15

Холлофайбер медиум Р 608

2

6

10

12

12

12

12

12

12

12

 

Результаты испытаний показывают, что материалы «Холлофайбер» впитывают и удерживают крайне незначительное количество жидкости. Относительно небольшая высота подъема объясняется особенностями полых полиэфирных мононитей и, в частности, их гладкой поверхностью и незначительным диаметром, вследствие чего влага в материалах «Холлофайбер» удерживается на поверхностях мононитей только за счет адгезии и быстро удаляется, даже путем естественного испарения, не впитываясь.

Проведенные эксперименты выявили равномерность впитывания жидкости по всему объему порового пространства испытуемых образцов. Нетканые полотна «Холлофайбер» имеют хаотическое расположение непрерывных нитей формируемых из фильер. Очевидно, что такое расположение нитей в структуре материала (изотропность структуры) отражается на движении жидкости по длине и ширине образцов.

Исследования позволяют сделать вывод о целесообразно применения нетканых полотен «Холлофайбер» в местах с повышенным влагосодержанием. Учитывая низкий коэффициент теплопроводности: 0,037 – 0,039 Вт/(м·0С), нетканые полотна «Холлофайбер» могут успешно использоваться в качестве теплоизоляции объектов, расположенных во влагонасыщенных средах. Кроме того, известный диапазон пористости 95-98%, стабильная величина высоты подъема жидкости и определенное в процессе эксперимента время (скорость) впитывания, позволяют прогнозировать расход связующего при изготовлении изделий из композитов на основе полотен «Холлофайбер», в частности, гидро-тепло и звукоизоляционных сэндвич-панелей (рис. 1).

Рис. 1. Тепло и звукоизоляционные панели (сэндвич-панели) из композитов на нетканой основе

На основе всестороннего изучения кинетики процесса самопроизвольного подъема жидкости была установлена математическая зависимость высоты впитывания от пористости материала и вязкости жидкости в виде [2]:

Сопоставление экспериментальных и расчетных значений максимальной высоты подъема жидкости в материалах «Холлофайбер» (табл. 4) указывает на правомерность использования предложенной зависимости для анализа процесса впитывания с достаточной для проведения технических расчетов точностью.

Таблица 4.

Сопоставление экспериментальные и расчетные значения максимальной высоты подъема жидкости (вода) в нетканых полотнах «Холлофайбер»

Наименование полотна

Высота подъема жидкости за 60 мин, м (эксперимент, табл. 2.5)

Высота подъема жидкости h(ξ), м (расчет по формуле

Относительная погрешность

Холлофайбер медиум Р 15

0,022

0,024316293

-10,5286

Холлофайбер софт Р 5191

0,007

0,006169059

11,870587

ХоллофайберхардFР 205

0,05

0,048884428

2,2311437

Холлофайбер медиум Р 453

0,015

0,015977525

-6,51683

Холлофайбер медиум Р 608

0,012

0,013057272

-8,810596

Анализ табличных данных дает возможность судить о том, что полученные результаты не противоречат физическому смыслу протекающего процесса, и в большинстве своем, имеет место достаточно близкое совпадение экспериментальных и расчетных значений высоты подъема воды в зависимости от пористости нетканых полотен.

Такой вывод позволяет провести математический анализ кинетики процесса впитывания неткаными полотнами «Холлофайбер» с учетом физических и геометрических характеристик жидкости (воды) и волокнистого материала.

Оценка точности расчетов производилась по величинам:

- относительной погрешности, %:  U= (mТ– mА)·100/mТ,

- коэффициента корреляции: ,

где: mТ - расчетные данные;

mА – результаты вычислений с использованием формул, полученных в результате аппроксимации;

n= 1 …. N– номер, соответствующий значениям, полученным в результате измерений;

p– общее количество экспериментальных данных (образцов в соответствующей группе).

Полученные математические зависимости, графическая интерпретация результатов, величина коэффициентов корреляции и оценка погрешности вычисленных значений по отношению к опытным данным, приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Результаты аппроксимации расчетных величин.

Математическая зависимость

График зависимости

Значение коэф-фициентакорреля-ции

Величина относительной погрешности, %

min

max

Зависимость времени впитывания жидкости τ* (мин) от пористости ξ

1,00

- 1,04

1,201

Зависимость времени впитыванияτ*(мин) от максимальной высоты подъема жидкости h(м)при заданной пористости материала  ξ

1,00

- 0,197

0,128

Зависимость средней скорости впитыванияvср(м/с) от максимальной высоты подъема жидкости h(м)

1,00

- 0,31

0,295

      
 

Проведенный математический анализ кинетики впитывания жидкости материалом позволил установить зависимости между основными характеристиками: высотой, временем и скоростью вертикального подъема жидкости от пористости волокнистой среды. Применение полученных уравнений (табл. 5) для определения величин искомых характеристик не представляет затруднений даже при использовании калькулятора.

 

Литература:

  • 1. Трещалин М.Ю., Киселев М.В., Мухамеджанов Г.К., Трещалина А.В. Проектирование, производство и методы оценки качества нетканых материалов. Издание 2-е, перераб. и доп. - М.: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 2015. - 288 с.
  • 2. Трещалин Ю.М. Анализ структуры и свойств нетканых материалов (монография). - М.: Издательство «БОС», 2016. - 192 с.
0
Your rating: None Average: 7.5 (2 votes)
Comments: 5

Podlesnaya Olga

Уважаемые авторы! В Вашей статье рассматриваются инновационные волокнистые материалы на основе холлофайбера, обладающие высокими водоотталкивающими качествами, что позворляет применять их в водонасыщенных средах. Для меня, как дизайнера интерьеров, исследование качественных характеристик отделочных влаго- и звукоизолирующих материалов, проведенное таким скрупулёзным образом, является образцом и примером в дальнейшей работе. Спасибо! Статья, безусловно, актуальна для практического применения при выборе сорта и вида ма териала.

Adambaev Murat

Весьма грамотное планирование этапов проведения исследования (модель-> эксперимент) позволило получить высокое совпадение теоритических и экспериментальных результатов. С уважением Мурат Адамбаев.

Vladimir Karlov

Уважаемый Михаил Юрьевич! Спасибо за внимание, за рецензию. Я серьезно подумаю над Вашим предложением разместить зонд непосредственно в трубе, по которой течет бензин. Если меняется скорость протекания жидкости во времени, меняется давление в трубе, следовательно, меняется уровень заполнения зонда жидкостью. Быстродействие анализатора равно 20 микросекунд на один замер. Все должно сработать. С уважением В.А. Карлов.

Simonian Geworg

Уважаемые Трещалины! Очередная отличная работа. Проведенный математический анализ кинетики самопроизвольного впитывания жидкости нетканым материалом «Холлофайбер» позволил Вас установить зависимости между пористости волокнистой среды и основными характеристиками: высотой, временем и скоростью вертикального подъема жидкости. Успехов капитан. С уважением Геворг Саркисович.

Vladimir Karlov

Уважаемые авторы! Представленный вами доклад, прежде всего, отличается скрупулезным подходом к проведению эксперимента и, самое главное, вы руководствовались предварительно построенной математической моделью. Именно, прежде модель, а потом эксперимент отражает хорошее совпадение полученных вами численных и экспериментальных результатов. Поскольку цель доклада - анализ интенсивности самопроизвольного впитывания жидкости нетканым материалом, то для наглядности и быстрого восприятия основных результатов данные, которые приведены в таблице 3, хорошо бы представить и графически. С уважением В.А. Карлов.
Comments: 5

Podlesnaya Olga

Уважаемые авторы! В Вашей статье рассматриваются инновационные волокнистые материалы на основе холлофайбера, обладающие высокими водоотталкивающими качествами, что позворляет применять их в водонасыщенных средах. Для меня, как дизайнера интерьеров, исследование качественных характеристик отделочных влаго- и звукоизолирующих материалов, проведенное таким скрупулёзным образом, является образцом и примером в дальнейшей работе. Спасибо! Статья, безусловно, актуальна для практического применения при выборе сорта и вида ма териала.

Adambaev Murat

Весьма грамотное планирование этапов проведения исследования (модель-> эксперимент) позволило получить высокое совпадение теоритических и экспериментальных результатов. С уважением Мурат Адамбаев.

Vladimir Karlov

Уважаемый Михаил Юрьевич! Спасибо за внимание, за рецензию. Я серьезно подумаю над Вашим предложением разместить зонд непосредственно в трубе, по которой течет бензин. Если меняется скорость протекания жидкости во времени, меняется давление в трубе, следовательно, меняется уровень заполнения зонда жидкостью. Быстродействие анализатора равно 20 микросекунд на один замер. Все должно сработать. С уважением В.А. Карлов.

Simonian Geworg

Уважаемые Трещалины! Очередная отличная работа. Проведенный математический анализ кинетики самопроизвольного впитывания жидкости нетканым материалом «Холлофайбер» позволил Вас установить зависимости между пористости волокнистой среды и основными характеристиками: высотой, временем и скоростью вертикального подъема жидкости. Успехов капитан. С уважением Геворг Саркисович.

Vladimir Karlov

Уважаемые авторы! Представленный вами доклад, прежде всего, отличается скрупулезным подходом к проведению эксперимента и, самое главное, вы руководствовались предварительно построенной математической моделью. Именно, прежде модель, а потом эксперимент отражает хорошее совпадение полученных вами численных и экспериментальных результатов. Поскольку цель доклада - анализ интенсивности самопроизвольного впитывания жидкости нетканым материалом, то для наглядности и быстрого восприятия основных результатов данные, которые приведены в таблице 3, хорошо бы представить и графически. С уважением В.А. Карлов.
PARTNERS
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.