Основи кінетики процесу зволоження еластичних хромових шкір з використанням емульсій розчинників. Механізми процесу зволоження та особливості переносу вологи в багатошаровій конструкції шкіряної заготовки для виготовлення верхньої частини взуття.
При низкой оригинальности работы "Особливості вологопереносу в багатошаровій конструкції заготовки верху взуття при зволоженні її в емульсійному середовищі", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Найбільш важливими властивостями взуттєвих матеріалів, які визначають якість виконання основних технологічних операцій виготовлення взуття, від яких залежить його зручність та збереження форми в процесі експлуатації є деформаційні властивості. Вивчення деформаційних властивостей матеріалів повинне бути безпосередньо повязане з особливостями проведення формування взуттєвих заготовок та режимів волого-теплової обробки, які при цьому застосовуються. Сучасна технологія виготовлення взуття включає ряд операцій, виконання яких повязане з впливом тепла і вологи на матеріали взуттєвих деталей та взуття в цілому. Сьогодні для верху взуття дуже широко використовують шкіри, які виготовляють за сучасними технологіями, що передбачають у першу чергу покращення експлуатаційних властивостей, підвищення водостійкості взуття в процесі експлуатації, підвищення його зносостійкості та інше.В залежності від конструкції установки, параметрів режиму зволоження, товщини і щільності матеріалу тривалість процесу може становити 25 сек., але основним недоліком даного способу зволоження є неможливість зволоження повністю всієї заготовки, яка має складну форму, погіршення властивостей матеріалу в результаті дії високої температури. Гігротермічний вплив на взуттєву заготовку викликає одночасне протікання фізичних явищ, які отримали назву явищ переносу, а саме: випаровування вологи з поверхні заготовки у довколишнє середовище або поглинання вологи поверхнею із довколишнього середовища (вологообмін заготовки з довколишнім середовищем); переміщення вологи у середині кожного шару заготовки та між її шарами (вологоперенос); теплообмін між поверхнею заготовки та довколишнім середовищем і переміщення тепла в середині кожного шару та між шарами (теплоперенос). Слід відмітити, що коефіцієнт вологопровідності ?m і коефіцієнт термовологопереносу ? залежать від форми звязку вологи із матеріалами, структури матеріалу, температури і тиску. Переміщення вологи в капілярах при дотиканні матеріалу до капілярно-рідкої фази (або при конденсації водяного пару на стінках капіляру з утворенням меніска) відбувається під дією капілярних сил, мірою яких є капілярний потенціал, який визначається з такої залежності: ?k ? h? g ? 2p ? 1 , (2) де h - висота капілярного підняття; Розробка нових способів зволоження, зокрема зволоження з використанням емульсій розчинників, передбачає у першу чергу вивчення явищ вологопереносу на основі кінетики протікання процесу зволоження.Дослідження кінетики процесу зволоження еластичних хромових шкір із застосуванням емульсій розчинників показало, що для процесу зволоження характерні два періоди: для першого періоду (до 5 хвилин) має місце інтенсивне поглинання вологи; для другого періоду характерне значне зменшення швидкості поглинання, що сприятиме зменшенню кількості баластної вологи.
Вывод
На зміну властивостей взуттєвих матеріалів значно впливає спосіб їх зволоження. Найбільш поширеним способом зволоження, що забезпечує високу якість взуття є сорбційний, який сприяє рівномірному обводненню капілярної структури шкіри. Це дозволяє повністю зволожити заготовку, що покращує умови формування всіх її деталей, підвищує формостійкість взуття.
Інтенсифікація виробництва передбачає впровадження новітніх технологій гігротермічних впливів на матеріал заготовки. Порівняно із сорбційним значно прискорити введення вологи в матеріал дозволяє термодифузійний метод. В основу цього методу покладено використання термодифузійних явищ, що виникають у матеріалі при наявності штучно створеного градієнта температури. В залежності від конструкції установки, параметрів режиму зволоження, товщини і щільності матеріалу тривалість процесу може становити 25 сек., але основним недоліком даного способу зволоження є неможливість зволоження повністю всієї заготовки, яка має складну форму, погіршення властивостей матеріалу в результаті дії високої температури.
Одним із напрямків оптимізації та інтенсифікації процесу зволоження капілярно-пористих тіл є
Вісник Хмельницького національного університету, №4, 2014 (215) 221
Technical sciences ISSN 2307?5732 спосіб вологої обробки заготовок верху взуття [1]. Цей спосіб передбачає зволоження заготовок верху взуття, розміщених на опорній поверхні, перед обтягувально-затягувальними операціями з використанням в якості зволожуючого агента піни, одержаної із розчину ПАР. У пінах утворюється дисперсійне середовище і виникають полярні групи піноутворювача. При підвищеній температурі стійкість гідратних шарів знижується, що викликає зменшення стійкості піни. Крім того, наявність ПАР сприяє розчиненню мінеральних речовин, що погіршує властивості шкіри.
До цих же способів можна віднести і спосіб зволоження з використанням емульсій розчинників, які сприяють змочуваності молекул колагену. Зволоження матеріалів у емульсійному середовищі покращує їх деформаційні властивості без погіршення зовнішнього вигляду і вимивання мінеральних речовин.
Нові способи зволоження матеріалів заготовки необхідно досліджувати як складний гігротермічний і технологічний процес.
Гігротермічний вплив на взуттєву заготовку викликає одночасне протікання фізичних явищ, які отримали назву явищ переносу, а саме: випаровування вологи з поверхні заготовки у довколишнє середовище або поглинання вологи поверхнею із довколишнього середовища (вологообмін заготовки з довколишнім середовищем); переміщення вологи у середині кожного шару заготовки та між її шарами (вологоперенос); теплообмін між поверхнею заготовки та довколишнім середовищем і переміщення тепла в середині кожного шару та між шарами (теплоперенос).
У загальному випадку перенос вологи визначається рівнянням: j ? jm ? j? ? jp ? ??m??? cm ??T ? Kp?P, (1)
? m де j; jm; jt; jp - щільність потоку вологи (кількість вологи, яка переноситься через одиницю площі матеріалу за одиницю часу відповідно загальна та під дією градієнтів , і , кг/(м2.с);
Для багатошарової системи з різною питомою вологоємкістю матеріалів можливий перенос вологи від шару, який має менший питомий вологовміст до шару з більшим вологовмістом.
Складова переносу вологи у вигляді пару виділяється окремо так як потенціал переносу пароподібної вологи при рухові її у макрокапілярах і мікрокапілярах різний, крім того, з чисто дифузійним переносом вологи має місце дифузія ковзання. При цьому перенос пароподібної вологи направлений проти потоку тепла.
Слід відмітити, що коефіцієнт вологопровідності ?m і коефіцієнт термовологопереносу ? залежать від форми звязку вологи із матеріалами, структури матеріалу, температури і тиску.
Переміщення вологи в капілярах при дотиканні матеріалу до капілярно-рідкої фази (або при конденсації водяного пару на стінках капіляру з утворенням меніска) відбувається під дією капілярних сил, мірою яких є капілярний потенціал, який визначається з такої залежності: ?k ? h? g ? 2p ? 1 , (2) де h - висота капілярного підняття;
Для натуральних шкір умовні кути капілярів зменшуються від бахтармяної поверхні до лицьової. Для конічних капілярів з радіусами менісків ?1 і ?2 капілярний потенціал дорівнює: ? ? 2? ?? 1 ? 1 ? , (3) p ? 1 2 ?
?
?
? ? ?
?
? k
У таких капілярах рідина рухається в сторону кінця з меншою кривизною, поки меніск не займе крайнє положення. При зменшенні вологовмісту лицьового шару проходить усадка поверхні, зменшення радіусів менісків і підвищення капілярного потенціалу порівняно із попереднім значенням.
Переміщення водяних молекул в адсорбційному шарі дуже незначне порівняно з переміщенням вологи в макро- і мікрокапілярах і вологи, яка конденсована в капілярах (за даними А.В. Ликова, приблизно у 2500 разів менше зумовленого капілярним потенціалом) [2].
У послідовній системі, яка складається із шарів, що різняться паро- та вологопроникністю виникає нестаціонарне поле вологовмісту, що утруднює вивчення явищ вологопереносу аналітичним методом. Тому при дослідженнях особливостей масопереносу в матеріалах заготовки у більшості випадків необхідно надати перевагу експериментальному методу з використанням моделей, які імітують обєкт гігротермічних впливів.
Розробка нових способів зволоження, зокрема зволоження з використанням емульсій розчинників, передбачає у першу чергу вивчення явищ вологопереносу на основі кінетики протікання процесу зволоження. Вона також повязана із дослідженням механізму протікання процесу і чинників, що на нього
222 Herald of Khmelnytskyi national university, Issue 4, 2014 (215)
Технічні науки ISSN 2307?5732 впливають.
Для проведення дослідження даного способу зволоження вибрана еластична хромова шкіра із шкур великої рогатої худоби. Це найбільш поширена група матеріалів, що застосовуються для виготовлення взуття, властивості яких при формуванні ще недостатньо вивчені.
Використовуються три групи зразків. Зволоження зразків першої групи проводиться із застосуванням зворотної емульсії моноетаноламіду з уайт-спіритом; другої групи - із застосуванням прямої емульсії; третя, контрольна група зразків зволожується водою.
Зміна вологості матеріалів в залежності від часу зволоження показана на рисунку 1.
Вміст вологи у матеріалі тобто його вологість є важливою характеристикою, яка дозволяє аналізувати масообмінну сторону процесу. При цьому аналізуючи графіки (рис. 1), можна зробити висновок, що при зволоженні еластичної хромової шкіри застосування емульсій прискорює процес зволоження, причому найбільш ефективним є зволоження зворотною емульсією (графік 1).
Характер кривих однаковий для всіх трьох випадків. Вологість матеріалу 135 інтенсивно збільшується протягом 1-5 хв., та Вологість матеріалу, W, %
125 зі збільшенням часу зволоження зростає 3 дуже мало. При зволоженні еластичних шкір 115 водою збільшення вологості відбувається із збільшенням часу майже так же інтенсивно 105 як і на початку процесу (графік 3), при цьому
Для пояснення наведених 75 залежностей розглядається механізм зволоження матеріалів, на який значно
65 впливає форма звязку вологи з матеріалом. 55
Однією з умов інтенсифікації 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 процесу зволоження є змочування поверхні
Час зволоження, t, хв. волокон колагену. Для виявлення Рис.1 - Графіки зволоження еластичної хромової шкіри: структура розчину, а можливо повне 1 - зволоження зворотною емульсією; покриття поверхні адсорбційним шаром. 3 - зволоження водою. колоїдна змочувальної здатності є не
2 - зволоження прямою емульсією;
Причиною виникнення фізико-механічного звязку вологи з матеріалом є особливість поверхневих шарів на межах розподілу різних фаз, тому характер звязку вологи залежить від структурних властивостей твердої речовини. Фізико-механічні властивості поверхні розподілу двох фаз відрізняються від фізико-механічних властивостей внутрішніх шарів середовища. Завдяки тому, що поверхневий молекулярний шар не урівноважується з боку іншої фази рівним молекулярним притяганням, він має збиткову потенційну енергію - молекулярний тиск.
Співвідношення величини поверхневого натягу на межах розподілу рідкої фази 1, газоподібної 2 і твердої фази 3 визначає ступінь змочування рідиною твердого тіла. Це співвідношення визначається виразом: ?3,2 ??1,2 ?cos???3,1, (4) де ?3,2 - поверхневий натяг на межі тверде тіло-газ;
?
?
1,2 - поверхневий натяг на межі рідина-газ;
3,1 - поверхневий натяг на межі тверде тіло-рідина.
При cos? ? 1 змочуваність є позитивною, в цьому випадку крапля рідини, розміщена на поверхні тіла, утворює з нею кут ? ? 90?. При cos?? 0, ? ? 90?, тобто змочування має відємне значення (поверхнева гідрофобність).
При ? = 1 змочуваність досягає максимального значення і рідина, якщо вона знаходиться на плоскій поверхні, розтікається і зміна енергії змочування в цьому випадку визначається.
У капілярах під впливом капілярного тиску рідина буде підніматися або опускатися на висоту: 2
? h ? ? ?q?(?1,2 ?п) , (5) де ? - радіус кривизни меніска;
? р q - прискорення сили тяжіння; ? ? - густина рідини і пари. р п
Якщо знехтувати густиною пари формула набуде вигляду: ?
2 h ? r?q1,2р , (6) де r - радіус капіляра.
?
?
Згідно отриманої формули видно, що висота підняття рідини в трубці зі стінками, які змочуються, пропорційна мірі змочуваності їх і обернено пропорційна радіусу капіляра.
Якщо віднести потенційну енергію капілярних сил до одиниці маси рідини, то отримаємо капілярний потенціал (або потенціал меніска), який можна визначити: Вісник Хмельницького національного університету, №4, 2014 (215) 223
Technical sciences ISSN 2307?5732
? ? 2?1,2 ?cos? (7) p r
? к
Як видно із формул капілярний тиск прямо пропорційно залежить від поверхневого натягу. Для хорошого змочування поверхні капілярів необхідно, щоб поверхневий натяг матеріалу був більше поверхневого натягу рідини.
Поверхневий натяг води становить 70 МДЖ / м2, а розчинників, на основі яких виготовлені емульсії
(моноетаноламід та уайт-спірит) - 22 МДЖ / м2 [ 3 ]. При одному і тому ж поверхневому натягові стінок капілярів поверхневий натяг рідини, що їх змочує при зволоженні емульсіями буде значно меншим, ніж поверхневий натяг води, тобто змочуваність поверхні капілярів буде кращою. Відповідно більша кількість вологи буде поглинатися матеріалом, що і має місце при зволоженні еластичної хромової шкіри у перший період. Із збільшенням часу зволоження її емульсіями вологість значно менша, ніж при зволоженні водою, і на відміну від зволоження водою з часом вона майже не змінюється (рис.1). Це можна пояснити тим, що із збільшенням часу зволоження емульсіями на стінках капілярів утворюється плівка. Проходження вологи через суцільні плівки має особливий механізм і визначається переважно дифузійними явищами.
На процес переносу вологи і перерозподіл потоків вологи в багатошаровій конструкції найбільш суттєво впливають суцільні полімерні плівки, які утворюються при нанесенні лакових покриттів на лицьову поверхню шкіри, клейових шарів при вклеюванні проміжних деталей заготовки. Проходження вологи через суцільні плівки має особливий механізм і визначається дифузійними явищами. В залежності від структурних особливостей полімеру може мати місце два види дифузії: активізована і не активізована. Остання має місце, коли у матеріалах є капіляри, поперечний переріз яких більший ніж діаметр дифундируючої молекули
(2,7.10-10м). Активізована дифузія має місце у суцільних плівках і покриттях.
Дифузію парів води у високомолекулярних суцільних плівках можна пояснити наявністю між- і в середині молекулярних «дірок», які поперемінно утворюються і зникають в результаті теплового руху його молекул. Молекула водяної пари, яка попадає в дірку вібрує у ній до моменту утворення поблизу іншої дірки, в яку переміщується. Вірогідність утворення «дірок» порівняно невелика, що визначає низьку проникність полімерів для парів води.
Шкіру умовно можна розглядати як систему, що складається з окремих шарів волокнистої структури, яка різниться між собою діаметрам пор і капілярів. Нанесення на лицьову поверхню полімерного покриття значно зменшує проникність матеріалу для водяних парів. На паропроникність також значно впливає наявність клейових шарів, матеріалу задника, підноска та інших проміжних матеріалів.
При розробці оптимальних параметрів процесу для конкретного випадку дослідження масопереносу в матеріалах заготовки доцільніше здійснювати з використанням моделей, які імітують обєкт гігротермічних впливів.Розробка інтенсифікованих технологій гігротермічних впливів повинна бути повязана з врахуванням деформаційних властивостей матеріалів. Дослідження кінетики процесу зволоження еластичних хромових шкір із застосуванням емульсій розчинників показало, що для процесу зволоження характерні два періоди: для першого періоду (до 5 хвилин) має місце інтенсивне поглинання вологи; для другого періоду характерне значне зменшення швидкості поглинання, що сприятиме зменшенню кількості баластної вологи.
Таким чином, застосування емульсій розчинників при зволоженні матеріалів заготовки призводить до покращення змочуваності поверхні волокон матеріалу, що сприяє прискоренню процесу зволоження і повязане зі зміною поверхневого натягу рідини.
Особливістю зволоження багатошарової структури взуттєвої заготовки є те, що на процес переносу вологи і перерозподіл потоків вологи найбільш суттєво впливають суцільні полімерні плівки.
Зволоження із використанням емульсій розчинників сприяє покращенню зміни фізико-механічних властивостей матеріалів і не погіршує їх зовнішнього вигляду.
Список литературы
1. Романюк О. В. Дослідження матеріалів із натуральної шкіри, пластифікованих різними способами : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : спец. 05.18.18 “Технологія взуття, шкіряних виробів і хутра” / О. В. Романюк. - Київ. - 24 с.
2. Адигезалов, Л. И. Увлажнение, сушка и влажно-тепловая обработка в обувном производстве / Л. И. Адигезалов. М. : Легкая и пищевая промышленность, 1983. - 136 с.
3. Шварц А. С. Химическая технология изделий из кожи / A.C. Шварц, Ю.М. Гвоздев. ? М. : Легпромбытиздат, 1986. ? 238 с.
References
1. Romanyuk O. V. Doslidzhennya materialiv iz naturalnoyi shkiry, plastyfikovanykh riznymy sposobamy : avtoref. dys. na zdobuttya nauk. stupenya kand. tekhn. nauk : spets. 05.18.18 “Tekhnolohiya vzuttya, shkiryanykh vyrobiv i khutra” / O. V. Romanyuk. - Kyiv. - 24 s.
2. Adigezalov, L. I. Uvlazhnenie, sushka i vlazhno-teplovaya obrabotka v obuvnom proizvodstve / L. I. Adigezalov. M. : Loxkaya i pishhevaya promyshliennost’, 1983. - 136 s.
3. Shvarts A. S. Ximicheskaya texnologiya izdeliy iz kozhy’ / A. C. Shvarts, Y. M. Gvozdiev. ? M. : Legprombytizdat, 1986. ? 238 s.
Рецензія/Peer review : 27.7.2014 р. Надрукована/Printed : 16.7.2014 р.
224 Herald of Khmelnytskyi national university, Issue 4, 2014 (215)
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
