Капиллярный эффект слоев резинотканевого композита

Резинотканевые композитные полотна набухают в жидкостях благодаря физической сорбции и капиллярному эффекту [1]. Используемые в полиграфии резинотканевые композиционные полотна при работе контактируют с красками, лаками и технологическими жидкостями, но не подвержены набуханию, поскольку верхняя рабочая поверхность полотна из резины защищает остальные слои ткани и вспененной резины [2, 3]. Однако торцевые поверхности полотна могут контактировать с используемыми увлажняющими растворами и смывками [4, 5]. Ранее исследовано физическое набухание резинотканевых композитов и изменение их механических и эксплуатационных свойств [1–3]. Под влиянием воды и водных растворов значительно ухудшаются свойства композита при циклических сжатиях.

Для предотвращения негативного эффекта набухания полотна предложено защищать торцы композита тонким слоем лака получаемого из суспензии фторопласта (Ф4Д), водного раствора поливинилового спирта (ПВС) или эмульсии акрилового полиэфира (АСМ) [6, 7]. На базе методик оценки гигроскопичности бумаги, количества и размера пор была разработана новая методика. Ранее такие задачи решались оптикоакустическим методом [8–11], но в отличие от него предложенная методика не требует специального оборудования и может быть выполнена на аналитических весах.

Согласно капиллярной модели пористость резинотканевых полотен эквивалентна серии каналов, структура которых более сложная, чем структура отдельного капилляра. Капиллярная структура полотна состоит из пор вспененной резины, межфазового пространства между нитями и их волокнами. Физически эта структура представляется в виде пакета параллельных капилляров различного диаметра. Капилляры расположены вдоль основной нити, вдоль утка и перпендикулярно полотну. В случае перпендикулярного расположения капилляров их длина равна толщине полотна, в остальных случаях длина не ограничена. Для описания пористости пакета параллельных капилляров существуют математические модели расчета по формулам Пуазеля, Лапласа, Лапласа–Пуассона, Юнга–Лапласа, Пюизё [12, 13].

Наиболее часто используется физическая модель пористой структуры, в которой полотно представлено в виде пакета прямых капилляров различного диаметра. В качестве структурного элемента подлежащего экспериментальному определению является средний диаметр капилляров и доля пористости композитного резинотканевого полотна соответствующая капиллярам определенного диаметра. Распределение капилляров по средним размерам определяется по известной зависимости высоты поднятия жидкости от диаметра капилляра [14–20].

Следует учитывать, что в ткани могут присутствовать не только цилиндрические капилляры, но и другие микроструктуры (сферические поры или плоские трещины), которые существенно влияют на скорость смачивания и растекание жидкости.

Пористость – объем пор, пустот и капилляров, содержащихся в 1 см3 композита, определяется расчетным способом по результатам взвешивания образца полотна насыщенного жидкостью:

V

П = ^{V пор} (1)

композита где Vпор – объем пор; Vкомпозита – объем композита.

Так как капилляры ткани и бумаги не имеют определенной формы и различаются размерами, то вводится условный показатель – средний радиус пор, определяемый на основании изучения кинетики впитывания.

Относительное количество пор (N) среднего радиуса (r) на единицу площади горизонтального сечения резинотканевого композита можно рассчитать, исходя из плотности жидкости и материала. При этом мы предполагаем, что капилляры располагаются строго вертикально.

V

N = ^{V пор} (2) h π r ²

Капиллярная структура бумаги и ткани представляется как система правильных цилиндрических капилляров одинакового радиуса (r). Капиллярное давление (Р), приводящее к впитыванию, зависит от радиуса капилляров r и межмолекулярных сил притяжения обусловливающих натяжение поверхностности жидкости на межфазной границе с воздухом. Величина капиллярного давления оценивается по поверхностному натяжению жидкости ( σ ) и краевому углу смачивания ( Θ ) гладкой горизонтальной поверхности материала (закон Лапласа):

_{Δ Р =} 2σcos θ ₍₃₎ r

Время впитывания, т. е. время течения жидкости по вертикальному капилляру определенного диаметра зависит от вязкости жидкости:

r = 2ηhi (4) πtiσg где r – средний радиус капилляров i-того образца, м; η – вязкость жидкости, Па×с или Н×с/м2; σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м; ti – время поднятия до верхней границы i-го образца, с; h – высота поднятия жидкости до верхней границы i-го образца, м; g – ускорение свободного падения, м/с2,

Решая систему уравнений 3 и 4 мы получим: t = ^{2 η h}                (5)

πrσg где t – время впитывания, σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, h – высота подъёма жидкости в капилляре определенного размера, η – вязкость жидкости, r – средний радиус капилляра.

Материалы и методы

В методике использовали модернизированный прибор «Клемма–Винклера», секундомер и аналитические весы [14].

Модернизированный прибор «Клемма– Винклера» представляет собой вертикально расположенную металлическую линейку, вдоль которой стопкой закреплены вырезанные из пористого композита образцы призматической формы высотой 2–5 мм плотно соприкасающиеся друг с другом торцами (рисунок 1). Нижний образец композита стоит на пропитанной губке, погруженной в исследуемую жидкость (дистиллированную воду) до её верхнего края.

Рисунок 1. Прибор Клемма–Винклера модернизированный

Figure 1. The Terminal–Winkler device is upgraded

В качестве образца пористого композита используется многослойное офсетное резинотканевое полотно различных марок с внешним верхним слоем нитрилбутадиенового каучука (NBR) или этилен-пропиленового каучука EPDM и внешним нижним слоем хлопчатобумажной ткани. В конструкции полиграфических машин строго определено положение полотна на металлическом офсетном цилиндре: нити основы нижнего слоя хлопчатобумажной ткани должны располагаться вдоль цилиндра для уменьшения растяжения и искажений печатных элементов. Исходя из этого образцы для экспериментальной оценки глубины и скорости впитывания жидкостей в резинотканевые полотна, следует вырезать в поперечном направлении, перпендикулярно утке нитей основы нижнего слоя хлопчатобумажной ткани.

Нижний образец пористого материала, контактирующий с поверхностью исследуемой жидкости, может иметь «чистый» торец (срез) или «окрашенный», закрытый для капиллярного потока защитным слоем полимера. Защитный слой получают путем «окрашивания» любым способом, т. е. нанесения жидкой композиции высокомолекулярного соединения: суспензии фторопласта (Ф4Д), водного раствора поливинилового спирта (ПВС), эмульсии акрилового полиэфира (АСМ).

На лабораторном стенде фиксируются значения массы образцов до и после эксперимента, высота и время подъема жидкости до верхней границы каждого образца.

Средний радиус капилляров (r) в каждом образце находим по формуле 4.

Распределение капилляров по размерам определяют по массе воды «поднятой» капиллярными силами до высоты расположения каждого призматического образца материала в вертикальной стопе. Для этого каждый призматический образец имеет строго определенную высоту и до расположения на вертикальной металлической линейке взвешивается на аналитических весах. Отклонение высоты и исходной массы образцов от средней величины не должно превышать ±5 %. В случае отклонения размер образцов уменьшается до средней величины массы. Снизу стопка образцов постоянно смачивается жидкостью комнатной температуры (20 ± 2 ºС) и выдерживается постоянной по уровню расположения поверхности и температуре до остановки подъема жидкости. После остановки поднятия жидкости стопку разбирают. Массу жидкости определяют в каждом i-том образце. Для этого находят разницу массы образца после окончания поднятия жидкости и исходной массы. Массу образцов определяют путем взвешивания на аналитических весах в закрытом стеклянном бюксе. Массу жидкости в каждом i-том образце определяют из уравнения 6:

т = т. (6) жидкости ii 0

где mi и mi 0 – масса смоченного i-того образца в линейке и масса сухого i-того образца, г, соответственно.

Площадь сечения капилляров в i-том слое можно рассчитать по формуле 7

m жидкости i   ρжидкостиhi

где Si – площадь капилляров в i-том слое, м2; mжидкости – масса жидкости в i-том образце, кг; ρжидкости – плотность жидкости, кг/м3; hi – Вы- сота капилляров в i-том слое, м.

Рассчитывают ∑S и принимают эту сумму за 100 %. Определяют долю площади капилляров каждого i-того образца в пачке.

Результаты

Были протестированы несколько полотен для определения наиболее гигроскопичного материала для дальнейшей обработки торца (рисунок 2). Эксперимент проходил до завершения

подъема жидкости, то есть когда масса жидкости в образцах не менялась значительное время.

0,35

У чистого образца сорбированная масса жидкости выше. Защита торца суспензии фторопласта (Ф4Д) уменьшает сорбцию на 20%, а АСМ д  д

□  □

на 93% (рисунок 4).

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

□ □ □ □ □

0         20        40        60        80

Высота подьема жидкости, мм

Liquid lifting heightliquid lifting height, mm

Рисунок 2. Зависимость массы жидкости в ОРТП от высоты. ▲ – 1000, ■ – Explorer, ⧫ – Blankets

Figure 2. The dependence of the mass of the liquid in the offset rabber blanket on the height of ▲ -1000, ■ – Explorer, ⧫ – Blankets

Защита торца офсетного резинотканевого полотна суспензией фторопласта уменьшает высоту проникновения жидкости на 15 %, при этом время проникновения сопоставимо с образцом без защиты торцевой поверхности (рисунок 3). Защита торца эмульсией акрилового полиэфира

уменьшает высоту проникновения жидкости на 87 % и время проникновения увеличивается

Время подъёма жидкости, ч Liiquid lifting time, h

Рисунок 3. Зависимость высоты подъема воды в порах ОРТП «Blankets» от времени.▲ – образец с открытым торцом. Образцы с торцом покрытым защитным слоем: ■ – Ф4Д, ⧫ – АСМ

Figure 3. Dependence of the height of the rise of water in the pores of the offset rabber blanket "Blanks" on time. ▲ – a sample with an open end. Samples with the end covered with a protective layer: ■ – F4D, ⧫ – ACM

0,45

0,4

0,35

й" "^ 0,3 о 0,25

S 8

S

° 0,2

I0,1,5

0,1

0,05

д

□

□

□

0      ——

0             5             10            15

Время подъёма жидкости, ч

Liquid lifting time, h

Рисунок 4. Зависимость массы воды проникающей в линейку образцов ОРТП «Blankets» от времени. Образец с открытым торцом ▲ – и с торцом покрытым защитным слоем: ■ – Ф4Д, ⧫ – АСМ

Figure 4. Dependence of the mass of water penetrating into the line of samples of offset rabber blanket "Blanks" on time. Sample with an open end face ▲ and with an end covered with a protective layer: ■ – F4D, ⧫ – AСM

Средний радиус капилляров, по которым

происходит поднятие жидкости, показывает,

что защита торца эмульсии акрилового полиэфира (АСМ) оставляет открытым только очень

тонкие капилляры и вода по ним поднимается ниже, чем у других образцов (рисунок 5).

2 * 120

§ .5 100 s ^

S ^ 40

□ □

0                   50

Высота капиляра, мм

Capillary height, mm

Рисунок 5. Зависимость среднего радиуса от высоты капилляра в образце ОРТП «Blankets». ▲ – с открытым торцом, ■ – Ф4Д

Figure 5. Dependence of the average radius on the height of the capillary in the sample offset rabber blanket "Blanks". ▲ – with an open end, ■ – F4D

Суспензии фторопласта (Ф4Д) закрывает крупные капилляры и практически не влияет наколичество мелких и средних капилляров (рисунок 6). Эмульсии акрилового полиэфира (АСМ) закрывает на торцевой поверхности композита крупные и средние капилляры, но оставляет открытыми и доступными для воды очень тонкие капилляры, проницаемость которых не позволяет заполнять за время эксперимента крупные и средние пустоты расположенные выше, т. е. за защитным слоем лака (рисунок 7).

о .>

I 3 20

Н to

s о 10

а0йааааиивааа△д

Средний радиус капилляра, м *10^12

Average capillary radius, m *10^12

Рисунок 6. Распределение капилляров в образце ОРТП «Blankets» по величине их условного радиуса. Образец ▲ – с открытым торцом, с торцом закрытым слоем ■ – Ф4Д

Figure 6. Distribution of capillaries in the sample of offset rabber blanket "Blanks" according to the size of their conditional radius. Sample ▲ – with an open end, with a closed end layer ■ – F4D

0      20      40      60      80

Высота капиляров, мм Capillary height, mm

Рисунок 7. Распределение относительной площади капилляров в образце ОРТП «Blankets» по высоте подъема. Образец ▲ – с открытым торцом, ■ – Ф4Д, ⧫ – АСМ

Figure 7. Distribution of the relative capillary area in the sample of the ORTP "Blankets" by lifting height. Sample: ▲ – with an open end, ■ – F4D, ⧫ – AFM

0,2

0,18

0,16

0,14

0,12

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

„|даппп п ДДд°5д^

□

Зная массу воды проникающей в каждый фрагмент стопы пористого материала и высоту подъема воды, получаем график распределения относительной площади капилляров в образце доступных для заполнения жидкостями за время эксперимента (рисунок 7).

Так как малая высота капилляров заполненных водой за время эксперимента показывает глубину проникновения жидкости в пористый материал, то можно предположить, что негативное влияние набухания на печатные свойства полотна будет локализовано защитным слоем АСМ лака и не превышает 10–15 мм.

График зависимости пористости от высоты подъема наглядно показывает разницу в капиллярном эффекте полотен «Blankets» с различным защитным слоем лака на торцах (рисунок 8).

20      40      60      80

Высота капиляров, мм Capillary height, mm

Рисунок 8. Распределение заполненных водой пор и капилляров в образце ОРТП «Blankets» по высоте стопы. Образец ▲ – с открытым торцом, ■ – Ф4Д, ⧫ – АСМ

Figure 8. Distribution of water-filled pores and capillaries in the sample of offset rabber blanket "Blanks" by foot height. Sample: ▲ – with an open end, ■ – F4D, ⧫ – AFM

Заключение

Модификация резинотканевого полотна путем локального нанесения лака на микропористые поверхности эмульсией акрилового полиэфира формирует защитное покрытие, которое уменьшают скорость и глубину проникновения жидкой среды в торец офсетного полотна, что позволяет увеличить рабочую поверхность печатного цилиндра, обеспечить качество широкоформатной печати и уменьшить отходы полиграфического производства.