CC BY
435. Никонов В.В. Моделирование роста трещин в элементах авиаконструкций при эксплуатационных нагрузках // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2012. № 179. С. 7-18.
6. Максименко В.Н., Тягний А.В. Математическое моделирование и исследование развития усталостных трещин в клееклепаных панелях // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2012. Т. 1. № 1. С. 246-252.
7. Полилов А.Н. Механизмы уменьшения концентрации напряжений в волокнистых композитах // Прикладная механика и техническая физика. 2014. Т. 55. № 1 (323). С. 187-197
8. Белов П.А., Лурье С.А., Гавриков М.Ю. Проблема экстраполяции малоцикловой усталости ПКМ на ресурс // Сборник трудов XVI международной конференции «Развитие науки в XXI веке», Харьков, 2016.
КИНЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ
ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Волков В.А.
Московский государственный университет дизайна и технологии.
Агеев А.А.
Российский новый университет
KINETIC METHODS FOR MEASURING CAPILLARY PROPERTIES OF TEXTILE MATERIALS Volkov V.A., Federal state-financed higher educational organization Moscow state university of design and technology (MSUDT) Ageev A.A., Non-state educational institution of higher education Russian new university (RosNOU)
АННОТАЦИЯ
Настоящая работа посвящена разработке экспериментального метода, который позволит определять такие структурные характеристики, как размер капилляров, а также энергетическую характеристику поверхности волокон тканей - косинус краевого угла смачивания и работу смачивания. В статье описываются: принятая за основу математическая модель смачивания. На основании разработанного метода предложены способы оценки качества тканей: характеристики чистоты поверхности волокон при удалении масляных загрязнений, метод определения краевого угла смачивания гидрофобизированных тканей и метод расчета динамической адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности волокон в процессе смачивания.
ABSTRACT
The present work is devoted to the development of the experimental method, which will determine the Sructural characteri^ics such as the size of the capillaries, as well as the energy characterises of the surface tissue fibers - the cosine of the contact angle and wetting work. This article describes: adopted as a basis for mathematical model of wetting. Based on the developed method provides methods for assessing the quality of fabric: the fiber surface characteri^ics of purity by removing oily contaminants method for determining contact angle hydrophobized fabrics and method for calculating the dynamic adsorption of surfactants on the fiber surfaces during wetting.
Ключевые слова: Капиллярность, угол смачивания, размер капилляров, распределение капилляров по размерам, работа смачивания, динамическая адсорбция.
Keywords: Capillarity, wetting angle, the size of the capillaries, capillary size diflribution, wet work, the dynamic adsorption.
Введение. В современных условиях использование поверхностно -активных и текстильно-вспомогательных веществ при изготовлении текстильных материалов приобрело широчайшее значение. На капиллярных процессах, т.е. процессах переноса влаги в капиллярно - пористых телах, основаны такие важные технологические операции отделки, как расшлихтовка, отварка, беление и крашение и, особенно, поверхностная модификация полимерных волокон с целью придания им заданных б свойств. Капиллярность обуславливает гигиеничность материала и изготовленных из него изделий. Вместе с тем, механизм действия ПАВ в процессах облагораживания на капиллярные свойства тканей до настоящего времени еще недостаточно ясен, особенно в той части, каким образом с помощью этих веществ можно интенсифицировать процесс пропитки текстильных материалов технологическими растворами.
Исследование капиллярности капиллярно-пористых тел, к которым принадлежат как ткани, так и нетканые материалы, привлекает пристальное внимание ученых и технологов. Это связано с тем, что именно капиллярность тканей характеризует их способность к поглощению воды и водных
технологических растворов, что определяет качество облагораживания тканей, их гигиенические свойства, а у нетканых материалов - фильтрующую способность.
Общие закономерности проявления капиллярных свойств текстильных материалов
Текстильные материалы из натуральных и химических волокон представляют собой сложную капиллярно-пористую систему (биопористый сорбент), состоящую из пор внутри волокон и капилляров между волокнами.
В настоящее время Международным союзом по теоретической и прикладной химии (ШРАС) принята классификация пор по размерам, предложенная М.М.Дубининым. В соответствии с этой классификацией поры делятся на виды по размерам: микропоры (<2 нм); мезопоры (2-50 нм); макропоры (>50 нм).
Эта классификация основана на следующем принципе: каждый интервал размеров пор соответствует характерным адсорбционным свойствам, находящим свое выражение в изотермах адсорбции.
В микропорах благодаря близости стенок пор потенциал взаимодействия с адсорбированными молекулами зна-
чительно больше, чем в более широких порах, и величина адсорбции при заданном относительном давлении, соответственно, также больше. Микропоры волокон между микрокристаллитами макромолекул заполняются в результате сорбции или при капиллярном впитывании в процессе набухания. Объем микропор находят по величине мономолекулярной адсорбции. Если внешняя удельная поверхность невелика, как, например, у синтетических волокон, изотерма адсорбции имеет типичный ленгмюровский вид. Величина адсорбции в точке близкой к насыщению, при р^ = 0,95, является мерой объема микропор. После пересчета адсорбции в объем (с учетом плотности жидкого адсорбтива) найденная величина считается как действительный объем ми-кропор. Площадь поверхности микропор в сто и более раз превосходит внешнюю удельную поверхность, особенно у натуральных волокон.
В мезопорах происходит капиллярная конденсация - на изотермах наблюдается характерная петля гистерезиса. Объем таких пор определяют по объему жидкости, поглощенной адсорбентом при капиллярной конденсации после обработки изотермы десорбции методом Дубинина. Чаще
всего объем пор волокон находят по капиллярной конденсации воды. Объем мезопор составляет величину от 0,06 см3/г у полиэфирных волокон до ~ 0,3 см3/г у очищенного от воска хлопка [1]. При набухании в полярных растворителях в хлопке микро- и мезопоры набухают (увеличение размера пор в хлопке в 10 раз).
На рис.1 приведен пример интегральной кривой распределения мезопор вискозных волокон, найденный по капиллярной конденсации воды.
Макропоры настолько широки, что для них невозможно детально связать изотерму адсорбции с объемом пористого пространства. Поэтому такие пористые тела изучают методом ртутной порометрии - определяют то давление, которое необходимо для заполнения этих пор ртутью. Ртутная поро-метрия позволяет получить строгие результаты только для недеформируемых пористых тел, размеры пор в которых не изменяются при давлениях, использующихся для вдавливания ртути в наименьшие макропоры. В этой связи ртутную порометрию можно применять только для относительных исследований. Объем макропор, например, у шерсти составляет ~ 0,03 см3/г [3].
Рис.1. Интегральная кривая распределения пор волокон вискозы по размерам [2]. фА - доля внутренней поверхности пор (с d >2 нм) .
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
(/-выражена в нм)
Рис.2. Дифференциальная кривая распределения макропор хлорированной шерсти по размерам [3] (по данным ртутной порометрии).
На рис.2. приведен пример кривой распределения ма-кропор шерсти, найденной методом вдавливания ртути по данным работы [3]. Можно отметить бимодальность кривой распределения пор по размерам. Первый максимум, лежащий при величине пор (г~60 нм) соответствует макропорам, а второй при (г~0,5 10-6 м) - капиллярам между волокнами.
Наибольший вклад в поглощение воды вносят капилляры между волокнами, так называемые «внешние» поры. Формирование из полимерных волокон нитей и тканей, предельная плотность упаковки волокон в которых (объемная доля полимера) не выше 0,9, приводит к возникновению капиллярной структуры. Например, у фильтровальных материалов плотность упаковки волокон составляет лишь 0,2. Соответственно, объем капиллярного пространства и размер капилляров растут по мере снижения плотности упаковки волокон в нити и нитей в ткань. Это сильно зависит от химической и физической природы волокон: гидрофильные (пористые), гидрофобные (малопористые).
Рассматривая нити как структуру из плотноупакованных непересекающихся цилиндрических стержней, можно приближенно рассчитать радиус образующихся капилляров, составляющий ~0,137 г (радиуса волокна). Радиус капилляров между волокнами в тканях и нетканых материалах имеет величину порядка 10-6 м и более. В таких капиллярах уже не происходит капиллярная конденсация и их объем трудно определить даже методом вдавливания ртути, так как он используется только для нахождения размера пор не более, чем 7,5 10-6 м. Полный объем капилляров можно определить только по количеству жидкости, поглощенной в результате избыточного капиллярного давления.
Элементарные основы смачивания твердой поверхности жидкостями и капиллярных свойств тканей были приведены в книге [4] при обсуждении влияния поверхностно-активных веществ на смачивание тканей. Здесь мы остановимся на влиянии природы поверхности волокон на смачивание текстильных материалов.
При заполнении капилляров между волокнами жидкостью изменяется как объем заполненного капилляра, так и площадь контакта жидкости с поверхностью волокон. Механическая работа изменения объема жидкости в капилля-
ре произвольной формы переходит в изменение свободной поверхностной энергии. Этот процесс можем описать уравнением
где dV=A dl - изменение объема жидкости в капилляре, Ак - площадь сечения капилляра, dl-изменение длины заполнения капилляра, dA=ndl- изменение площади поверхности раздела твердая фаза (стенка капилляра)-жидкость, Пк - периметр сечения капилляра, Рк- капиллярное давление, ст/ж- поверхностное натяжение на границе жидкость-твердое тело, ст/г- поверхностное натяжение на границе твердое тело-газ (воздух).
С учетом уравнения Юнга
cos© с , =(с , -с ,) (2)
ж/г v т/ж т/г' v '
уравнение (1) можем записать как PkAkdl= oKcos©nkdl, (3)
или
Pk=cxcos©(nk/Ak)=y oxcos©,(4)
где константа у = nk/Ak- представляет собой коэффициент формы капилляров - отношение периметра сечения капилляра к площади его сечения.
При течении жидкости по вертикальным капиллярам капиллярное давление уравновешивается гидростатическим давлением Ph и потерями давления на трение в потоке PT. Поэтому
Y ож^©^1=Рт,(5)
где гидростатическое давление Ph=pg1, 1 - длина заполнения капилляра жидкостью (высота мениска в капилляре над нулевым уровнем жидкости), p - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести.
Потери на трение при течении жидкости по капиллярам произвольной, но неизменной по длине l формы, можно описать уравнением [5] 2ny21(d1/dt)=P , (6)
где п - вязкость жидкости, dl/dt - линейная скорость течения жидкости по капилляру.
Для исключения неизвестной величины cos © с учетом гидростатического равновесия при d1/dt=0 у ocos©= pgl,(7)
где lm- максимальная высота подъема жидкости по капилляру, получим
2r|y2l(dl/dt)=pg(lm-l),(8)
где l - высота заполнения капилляра за время t. Решая уравнение (8) получим аналог уравнения Уошбор-на [4] для вертикально ориентированных капилляров произвольной формы
pg/2ny2t=lmln(lm/lm-l)-l.(9)
Если рассматривать течение жидкости по цилиндрическим капиллярам, то у = 2nr/nr2 = 2/r, где r - радиус капилляра, и уравнение (9) переходит в уравнение Уошборна [4,6] lmln(lm/lm-l)-l=r2pg/8nt.(10) или
l ln(l /l -l)-l=Kt
m v m m ' l
После экспериментального определения lm можно рассчитать по уравнению (9) величину коэффициента формы капилляров у, а затем рассчитать косинус краевого угла смачивания cos 0 по уравнению (7). Если же аппроксимировать форму капилляров как цилиндрическую, то можно рассчитать эффективный радиус капилляров по уравнению (10). Это будет радиус такого цилиндрического капилляра, который по характеристикам течения жидкости будет одинаковым с реальным капилляром произвольной формы.
Экспериментальное определение максимальной высоты подъема жидкости по вертикальному образцу связано не только с проведением длительного эксперимента, например, в работе [5] измерения проводили в течение 6 суток, но и внесением существенных погрешностей, возникающих при взаимодействии жидкости с волокнами. Например, хлопок способен набухать в водной среде, причем поверхность набухшего хлопкового волокна становится гелеобразной,
Кинетические параметры по
теряется четкость границы раздела волокно-вода, а размер капилляров изменяется, что влечет за собой неопределенность в описании режима течения жидкости по капиллярам набухшего волокна. Тот метод, который был использован в работе [5], оказывается строгим только для систем, в которых волокна не набухают в жидкости. Такие исследования были описаны в работе С.С.Воюцкого [7].
Для исключения погрешности, возникающей при длительном контакте воды с волокнами, нами был предложен метод расчета предельной высоты подъема жидкости по образцу ткани по начальному участку кинетической кривой подъема [6], проверенный при обработке большого массива экспериментальных данных. Результаты применения предложенного метода были доложены на конференции по поверхностным силам [8]
Для обработки кинетических кривых смачивания предлагается использовать уравнение
^н/а+ш11)
где Ю- время подъема жидкости по образцу ткани на высоту, равную половине максимальной.
После графического определения 1т по линейной форме уравнения
1/1= 1, /1 + I /1 (12)
0 т т 4 '
можно по уравнениям Уошборна и Жюрена рассчитать эффективный радиус капилляров и краевой угол смачивания волокон жидкостью.
Например, при определении капиллярного поднятия воды по вертикальному образцу отваренной и отбеленной хлопчатобумажной ткани арт. А132 были найдены следующие значения высоты поднятия, приведенные в таблице 1:
Таблица 1
ема воды по образцу х/б ткани
t, мин 5 10 15 20 25 30
к, мм 58 79 90 96 100 104
1Л,мин/мм 0,086 0,126 0,167 0,208 0,25 0,288
!р,мм 58,1 78,9 89,6 96,1 100,5 103,7
где 1е, 1р - экспериментально найденное значение высоты подъема воды по образцу ткани и рассчитанное после обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов.
По экспериментальным данным был построен график в координатах уравнения (12), пример которого приведен на рис.3.
Щ минЛим 030
0,25 - у
о Л) - /
0Д5 -
0Д0 /
005 -1-1-1-1-1-1-
0 5 10 15 20 25 30 ^ мин
Рис.3. Кинетическая зависимость впитывания воды образцом х/б ткани (бязь Арт.132) в координатах уравнения (12)
После построения кинетической зависимости в координатах уравнения (12) были рассчитаны значения предела подъема воды по образцу ткани lm = 123 мм и t0 = 5,56 мин. По найденным значениям lm и t0 были рассчитаны величины 1р, приведенные также в таблице 3.1. Можно видеть, что экспериментальные и расчетные значения согласуются достаточно хорошо; погрешность эксперимента не превышает 0,5 %.
Наименьший размер капилляров рассчитываем исходя из предпосылки, что погрешность эксперимента составляет 0,5%. Тогда из уравнения (11) рассчитываем время, необходимое для подъема на высоту l = 0,995lm
0,995 = t0,995/t0+ t0,995 = W5,56+ W
откуда t0 995=1106,44 мин.
Расчет по уравнению (10) позволяет найти минимальный размер капилляров
r2 pg/8nt=l ln(l /1 -0.9951 )-0.995l =4.3l ,
mA ° 1 m v m m my m m'
r 2 = 4. 3 1 8 n/p g 10 =4 . 3 • 0.123 • 8 • 10-
ml г о 0,995
3/1039.81 1106.44^60=6.497^ 10-12 м2
откуда гш=2,55 10-6м.
Косинус краевого угла смачивания рассчитываем по уравнению Жюрена cos©= 1 gpr /
mm
2с=0.123-103-9.81-2.55-10-6/2-72.75-103=0.0211
или cos© = 88,79o.
Очевидно, что предложенный нами [4,6] метод обработки кинетических кривых впитывания жидкостей тканями и неткаными материалами позволяет получить как структурную характеристику материала - размер капилляров, так и энергетическую характеристику - косинус краевого угла смачивания.
Литература
1. Волков В.А.. Коллоидная химия. -М. МГТУ2001, 640
с.
2. Волков В.А.. Распределение капиллярного пространства капиллярно-пористого тела по размерам капилляров (на примере ткани). В сб. Тез.докл. конф. «Прогресс 98», г. Иваново, ИГТА, 1998, с.309.
3. Садова С.Ф.Особенности модификации поверхности шерсти под воздействием тлеющего разряда. Тезисы докладов 2-го Международного симпозиума по прикладной плаз-мохимии «ISTAPC-95» -Плес.1995.С.334-335.
4. Агеев А.А., Волков В.А.. Поверхностные явления и дисперсные системы в производстве текстильных материалов и химических волокон. 2004. -М.: Совьяж Бево.464 с.
5. Корнюхин И.П., Савельев А.А., Корнюхин Д.И.. Закономерности капиллярного впитывания жидкости пряжей. Известия вузов. Серия Технология текстильной промышленности. №3, 1997, стр.99-103.
6. Volkov V A., Bulushev B.V., Ageev A.A. Determination of the capillary size and contact angle of fibers from the kinetics of liquid rise along the vertical samples of fabrics and nonwoven materials. Colloid Journal. 2003. Т. 65. № 4. С. 523-525.
7. Воюцкий C.C.. Физико-химические основы пропитывания и импрегнирования волокнистых материалов дисперсиями полимеров. Л., «Химия», 1969, с.22-28.
8. Volkov V. A., Tshcukina E. L. Kinetic method as applied to calculation of the capillary space of the textiles and to the size diSribution of the capillaries. In XIII-th international conference «Surface forces». Book of Ab^racts. -М.РАН, 2006. P. 98.
CORPORATE TELECOMMUNICATION NETWORK WITH IN-TEGRATED ERP
SYSTEM
Georgieva T.N.
TU-Varna, Varna, Bulgaria, AssiM. Prof. PhD Engr.
ABSTRACT
The purpose of this development is to present a telecommunication corporate network with all its characteriflic features as far as hardware, software and security are concerned. The idea is to show the reliable and flable from technical point of view combination of innovative technologies as well as the economic advantages of this type of networks. Benefits include fafler service and network security.
Keywords: network, VoIP, virtual
I. TREATMENT OF THE MATTER In the present development the characteriflic features of a corporate network—organization and categorization of the network - are examined. Particular attention is paid to the architecture and security of the corporate network - essence and basic problems, connected with the contraction and security of
data. The special features and components of corporate networks and the techniques for their proper usage are presented. The architecture and special features of IP traffic and mofl adjoining protocols to it are presented. The choice of the right hardware is of great importance to the flability of any network (Fig.1). This flability is as much looked for as corporate network security is.
