Поглощение и проницаемость

Поглощение различных веществ, находящихся в газообразном, парообразном или жидком состоянии. Зависит от хим. природы, строения (пористости) и условий окружающей среды. При поглощении меняются некоторые свойства: механические (прочность, деформация…), физические (теплозащитные, оптические, электрические …), размеры и масса материалов.

Сорбция – процесс поглощения материалом веществ из окружающей среды. Обратный процесс называется десорбцией.

Адсорбция – притягивание газов, паров воды поверхностью материала (занимает несколько секунд). Происходит из-за неуравновешенности межмолекулярных связей у молекул, расположенных на поверхности материала. Поверхностью можно считать и внутреннюю поверхность пор. На этом явлении основано использование адсорбентов (активированный уголь, силикогели и т.п.).

При насыщении поверхности происходит процесс проникновения (диффузии) молекул воды в межмолекулярное пространство – абсорбция. Протекает медленнее адсорбции.

Количество сорбируемого вещества зависит от наличия полярных гидрофильных групп (ОН, NH₂, COOH и т.д.); структуры материала, характера расположения молекул, пористости материала. Целлюлозные и белковые волокна обладают большой способностью поглощать водяные пары. Большинство синтетических материалов (особенно полиэфирные) плохо поглощают влагу, так как в их составе почти отсутствуют гидрофильные группы. Способность материалов для одежды и обуви сорбировать влагу является важнейшим гигиеническим свойством, так как обеспечивается удаление влаги от тела.

Формы связи влаги с материалом (по интенсивности энергии связи влаги с материалом):

1. Химическая связь очень прочная и разрушается только при прокаливании. При сушке она не устраняется.

Виды химической связи:

1) ионная связь – образование групп Ca(OH)₂;

2) гидратная связь – образование групп CuSO₄, 5H₂O.

Под химически связанной влагой понимают воду кристаллогидратов, которая в результате реакции гидратации вошла в состав соединений. Химически связанную влагу (кристаллизационную) нельзя удалить сушкой или отжатием. Удаление ее связано с разрушением молекулы самого вещества. При таком разрушении вещество как бы перестает быть самим собой, теряет свои физико-химические свойства и приобретает новые. Эту влагу называют связанной. Количество ее не определяется, так как она является составной частью самого вещества, и ее нельзя рассматривать как «постороннюю» пли «вредную».

2. Физико-химическая связь может быть:

1) адсорбционной;

2) осмотической (явление избирательной диффузии);

3) структурной (разновидность осмотической).

Адсорбция как частный случай сорбции (поглощение газов или паров твердыми и жидкими телами) заключается в захвате и удерживании вещества (в данном случае - влаги) поверхностью твердого тела или жидкости - адсорбентом. Влага адсорбируется на наружных и внутренних поверхностях пор и капилляров адсорбента и может быть удалена испарением.

Осмотическая связь влаги с материалом имеет место у растительных клеток, в которые из окружающей среды проникает вода (диффузия влаги), удерживаемая силами этой связи. Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и удерживается осмотическими силами.

Структурная связь влаги с материалом. Это влага, которая попадает внутрь ячейки при формовании системы.

Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке.

3. Физико-механическая связь влаги с материалом делится на капиллярную влагу и влагу смачивания.

Она имеет место при непосредственном соприкосновении воды с материалом или при поглощении влаги материалом, когда влага заполняет поры и капилляры и механически удерживается в них. Такая свободная влага может перемещаться в материале в виде жидкости или в виде паров, легко удаляется высушиванием и в определенной мере отжатием. Свободная влага, удерживаемая в материале физико-химическими или физико-механическими связями, в большинстве случаев рассматривается как «посторонняя», подлежащая ограничению и удалению.

Механическая, или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10^-7 мм) и микрокапилляров (менее 10^-7 мм).

Влага, заполняющая макрокапилляры, называется влагой смачивания. Она возникает в результате непосредственного воздействия (контакта) с жидкостью материала.

При воздействии на материал влажного воздуха влагу поглощают только микрокапилляры – происходит микроконденсация влаги.

Процесс увлажнения материала может происходить следующими способами:

1) увлажнение в жидкой фазе;

2) увлажнение сорбцией влаги из влажного воздуха;

3) контактное увлажнение (термодиффузионное).

Характеристики способности материалов поглощать влагу и другие вещества:

Влажность показывает, какую часть материала составляет масса влаги, содержащейся в нем при фактической влажности воздуха:

W_ф=100%(m-m₀)/m₀,

где m – масса образца при фактической влажности воздуха, г;

m₀ – масса абсолютно сухого образца, г.

Гигроскопичность – влажность материала при 98% относительной влажности воздуха и температуре 20⁰С:

Г=100%(m₁-m₀)/m₀,

где m₁ - масса образца материала, выдержанного в эксикаторе при 98% влажности воздуха, г.

Намокаемость – привес влаги после выдержки образца в воде в течение определенного времени:

Н=100%(m₂-m)/m,

где m₂ – масса образца после пребывания в воде в течение определенного времени, г.

Влагоемкость- полное влагосодержание материала после пребывания образца в воде:

В=100%(m₂-m₀)/m₀,

Пылеемкость – способность материала воспринимать и удерживать частицы пыли. Оценивают относительной пылеемкостью – отношением количества пыли, поглощенной материалом m₂, к количеству пыли, взятой для испытания m₀:

П= 100% m₂/ m_0.

Проницаемость – способность материалов пропускать воздух, пар, жидкости, пыль, газы, радиоактивные излучения. Проницаемость среды зависит от структуры материала (волокнистый, ячеистый, зернистый), его пористости, объема, структуры и геометрических характеристик пор.

Характеристика, обратная проницаемости, показывающая способность материала сопротивляться проникновению вещества называется упорностью.

Характеристики проницаемости материалов:

Воздухопроницаемость- объем воздуха, прошедшего через единицу площади образца за единицу времени

В_з=V/(Sτ), [дм³/(м²∙с)] или [м³/(м²∙с)].

Водопроницаемость (характеризуется коэффициентом водопроницаемости):

В_пн= V_в/(Sτ) [дм³/(м²∙с)].

Водоупорность – сопротивление материалов проникновению через них воды характеризуют:

- наименьшим давлением, при котором вода начинает проникать сквозь материал;

- временем с момента заполнения образца материала водой д до момента появления капель воды на его другой поверхности и т.п.

Паропроницаемость (характеризуется коэффициентом паропроницаемости):

П=Δm/(Sτ) [г/(м²∙ч)] или [мг/(см²∙ч)].

Пылепроницаемость:

П_п=m_п/(Sτ) [г/(м²∙с)].

Технологические свойства материалов –

Характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

Литейные свойства характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок

Способность материала к обработке давлением - способность материала не разрушаясь, изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок. Проводят испытания: листовой материал – на перегиб и вытяжку сферической лунки; проволоку на перегиб, скручивание, навивание; трубы на сплющивание, изгиб, раздачу. Критерий годности – отсутствие дефектов.

Свариваемость – способность образовывать неразъемные соединения требуемого качества (для полимеров тоже).

Обрабатываемость резанием – способность поддаваться обработке различными режущими инструментами. Оценивается по стойкости инструмента.

Для материалов легкой промышленности:

Формовочная способность – складывается из способности материала образовывать пространственную форму и устойчиво сохранять ее в процессе эксплуатации.

Теплостойкость – максимальная температура, при которой изменения физико-механических свойств носят обратимый характер.

Термостойкость – температура, при которой наступают необратимые изменения свойств материалов.

Жесткость - способность материала сопротивляться действию внешней силы.

Драпируемость – способность материала в подвешенном состоянии под действием собственной силы тяжести образовывать мягкие подвижные складки.

Осыпаемость – смещение и выпадение нитей из открытых срезов ткани.

Раздвигаемость нитей - смещение под действием внешних сил нитей одной системы ткани вдоль нитей другой системы.

Полная деформация и ее компоненты и др.

Эксплуатационные свойства - способность материала работать в конкретных условиях:

- коррозионная стойкость - способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред;

- жаростойкость - способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;

- жаропрочность – способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах;

- хладостойкость - способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;

- антифрикционность - способность материала прирабатываться к другому материалу.

- усилие при разрыве, раздирании, продавливании;

- устойчивость при действии, светопогоды, пота, микроорганизмов, моли, химчистки, стирки;

- прочность окраски, прочность связи полимерного покрытия с основой

Надежность – свойство изделий выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению. Комплексное свойство, которое может включать, в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации:

Безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемых функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Безопасность – свойство объекта не создавать угрозы для жизни и здоровья людей и окружающей среды. Связано с надежностью.

Усталость и изнашивание

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению. (Усталость – постепенное разрушение материала при большом числе повторно-переменных напряжений).

Под действием циклических напряжений в материалах зарождаются и постепенно развиваются трещины, приводящие в определенный момент к разрушению детали. Процесс может протекать под действием напряжений, значительно меньших предела прочности.

Выносливость - свойство материала выдержать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных напряжений.

Утомление – изменение свойств материалов при многократном циклическом нагружении (растяжении, сжатии, изгибе и т.п.), приводящее к накоплению неисчезающих деформаций без существенной потери массы.

Изнашиваемость - свойство материала подвергаться поверхностному разрушению или повреждению под воздействием внешнего трения.

Износостойкость – способность материалов и других трущихся изделий сопротивляться износу (способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения).

Изнашивание (разновидность усталостного разрушения) – разрушение и отделение материала с поверхности твердого тела (материала) или накопление остаточной деформации при трении, проявляющееся в постепенном изменении размеров или формы тела (материала).

Изнашивание может происходить: 1) при контактировании друг с другом поверхностей деталей (зубчатые передачи, подшипники трения и скольжения) или изделий - истирании; 2) при воздействии на материал рабочей среды (жидкости, газа и т.п.).

Абразивный износ наиболее простой вид простой вид разрушения поверхностных слоёв металлов при трении скольжении. Он характеризуется микро-пластичными деформациями и срезанием металла с тонких поверхностных слоев твёрдыми абразивными частицами среды, в которой происходит работа деталей.

Виды истирания полимерных материалов: усталостное и абразивное.

Усталостное истирание наблюдается при истирании эластичных полимерных материалов о тупые выступы контртела с многократным деформированием поверхности.

Абразивное истирание происходит в результате разрушения материала острыми выступами твердого контртела (микросрезания при большой силе тренияи при контактном напряжении, превышающем прочность истираемого материала.

Последовательность истирания текстильных полотен:

- подъем над поверхностью полотна свободных кончиков волокон, образование заметной ворсистости или мшистости;

- группировка и перепутывание волокон, образуются рыхлые комочки;

- обрыв некоторых волокон и запутывание в плотные комочки, которые удерживаются на поверхности на 3-4 якорных волокнах (образование пиллей);

- отрыв пиллей.

Пилли быстрее всего появляются на полотнах из пряжи, или на тех полотнах, на поверхности которых есть свободные концы волокон. На материалах из комплексных нитей пили образуются лишь тогда, когда при истирании разрушено достаточное количество нитей.

С поверхности полотен из синтетических волокон или нитей пили удаляются с большим трудом из-за высокой прочности волокон. Наиболее устойчиво пили удерживаются полиамидными волокнами, менее полиэфирными и полиакрилонитрильными.

Пиллингуемость оценивают числом пиллей, приходящихся на 1 см² образца после истирания заданным числом циклов.

Дата добавления: 2015-07-12