h: chiều cao của chậu cây cao nhất so vớ máng cung cấp nƣớc.
1.4 Thấm hút chất lỏng trong vật liệu dệt
1.4.1 Khái quát về thấm hút chất lỏng
Theo Harnet và Mehta 66, thấm hút mô tả hoạt động ban đầu của xơ, sợi, vải khi tiếp xúc với nƣớc, chất lỏng; truyền dẫn là khả năng duy trì dòng chảy mao dẫn, chất lỏng chuyển động dọc theo bề mặt của xơ nhƣng không hấp thụ vào trong xơ dƣới ảnh hƣởng của sức căng giữa hai bề mặt.
Nhiều công trình nghiên cứu dòng chảy chất lỏng qua vật liệu dệt đã đƣợc công bố. Nhƣ mô hình lắp ráp sợi nhƣ là một bó các ống mao quản song song thông qua đó các dòng chất lỏng tuân theo phƣơng trình Lucas-Washburn [67]. Nghiên cứu vật liệu dệt nhƣ môi trƣờng xốp thông qua đó dòng chảy chất lỏng đặc trƣng bởi định luật Darcy [20]. Liu Tao đã nghiên cứu đồng thời quá trình thấm hút và truyền dẫn chất lỏng cùng với những thay đổi trong kích thƣớc hình học và tính chất cơ học sau khi vật liệu dệt đã thấm hút chất lỏng. Vật liệu dệt thay đổi cấu trúc lỗ giữa các xơ, sợi, do đó ảnh hƣởng đến quá trình thấm hút và vận chuyển chất lỏng [19]. Vật liệu dệt là môi trƣờng tạo nên từ nhiều các mao quản có đƣờng kính và chiều dài khác nhau và không đều. Do đó sự thấm hút chất lỏng trong vật liệu dệt tuân theo các định luật mao dẫn [25]. Nhƣ vậy có thể thấy, vật liệu dệt là môi trƣờng thuận lợi cho mao dẫn chất lỏng nhờ cấu trúc xốp và có nhiều mao quản.
Sự thấm hút chất lỏng trong vật liệu dệt là một trong các hiện tƣợng vật lý quan trọng xảy ra khi chế biến và sử dụng vật liệu dệt. hiểu đƣợc hiện tƣợng này giúp tối ƣu hóa việc sử dụng và lựa chọn chúng. Hai tính chất cơ bản để đánh giá sự thấm hút chất lỏng trong vật liệu dệt là sự thấm hút và mao dẫn [68].
Sự thấm hút chất lỏng của vật liệu dệt đƣợc đo theo góc tiếp xúc θ. Góc tiếp xúc đƣợc tạo thành giữa bề mặt vật liệu với bề mặt giới hạn của chất lỏng. Khi nhỏ một giọt chất lỏng lên một bề mặt vật liệu dệt có các hiện tƣợng khác nhau xảy ra: không thấm hút, thấm hút một phần và thấm hút hoàn toàn. (Hình 1.17) [74]. 180o (a) Không thấm hút 0o ≤ < 180o (b) Thấm hút một phần 0o (c) Thấm hút hoàn toàn Hình 1.17 Mức độ thấm hút (nguồn:[74]).
24
Nếu các phân tử chất lỏng có lực hút tƣơng tác với nhau mạnh hơn so với lực hút tƣơng tác giữa chất lỏng với các phân tử bề mặt chất rắn mà chúng tiếp xúc, thì sự thấm hút không xảy ra, và chất lỏng có xu hƣớng tụ lại thành giọt (θ180o). Nếu các phân tử chất lỏng có lực hút tƣơng tác mạnh với các phân tử bề mặt chất rắn hơn là giữa các phân tử chất lỏng với nhau, thì chất lỏng sẽ chảy lan ra trên bề mặt rắn, đó là sự thấm hút hoàn toàn (θ0o). Nếu tƣơng tác giữa hai loại phân tử chất lỏng và chất rắn không trội hơn nhau nhiều, sẽ có sự thấm hút một phần (0o
≤ θ < 180o). Nhƣ vậy, độ lớn góc tiếp xúc phản ánh khả năng thấm hút chất lỏng của vật liệu. Mối quan hệ giữa góc tiếp xúc và khả năng thấm hút chất lỏng của vật liệu đƣợc biểu thị trong bảng 1.8. Góc tiếp xúc càng nhỏ thì khả năng thấm hút chất lỏng của vật liệu càng cao.
Bảng 1.8Mối quan hệ giữa góc tiếp xúc và khả năng thấm hút chất lỏng của vật liệu (nguồn:[74]).
góc tiếp xúc Khả năng hút chất lỏng của vật liệu
0o Thấm hút hoàn toàn
0o < < 90o Thấm hút cao
90o ≤ < 180o Thấm hút thấp
180o Không thấm hút
Khi thấm ƣớt, các phân tử trong giọt chất lỏng sẽ chuyển động lan trên bề mặt của chất rắn theo khuynh hƣớng thay thế bề mặt tiếp xúc rắn – khí (SV) có sức căng bề mặt lớn (SV) bằng bề mặt tiếp xúc rắn - lỏng (SL) có sức căng bề mặt nhỏ hơn (SL), nhƣ vậy là hệ giảm sức căng bề mặt. Ngoài ra, góc thấm ƣớt còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất khí quyển, bản chất và độ nhớt của chất lỏng, bản chất của vật liệu dệt.
Hình 1.18 Sức căng bề mặt trong quá trình thấm hút chất lỏng (nguồn:[69])
Lực cân bằng ở ranh giới giữa chất rắn(S) - lỏng(L) - khí(V) đƣợc mô tả bởi phƣơng trình Young-Dupre [33] .cos Lv SL SV (1.3) Theo Brojeswari Das và cộng sự [33],quá trình thấm hút bao gồm 2 giai đoạn: giai đoạn hấp thụ các phân tử chất lỏng lên bề mặt tiếp xúc và giai đoạn khuyếch tán các phân tử đã hấp thụ vào trong vật liệu. Hai giai đoạn xảy ra đồng thời và tạo nên hai vùng khác biệt hấp thụ (thấm hút) và truyền dẫn (mao dẫn). Trong vùng hấp thụ 1 (vùng trung tâm) vải tiếp nhận chất lỏng trên cả bề mặt vải và các khoảng trống giữa chúng nhƣ những bể
25
chứa, còn ở vùng truyền dẫn 2 (vùng ngoài) chất lỏng mới chỉ làm ƣớt vải nhờ hiện tƣợng mao dẫn trên các xơ, còn các chỗ trống chƣa đƣợc nƣớc điền đầy (hình 1.19).
(a) Giai đoạn 1: hấp thụ
(b) Giai đoạn 2: mao dẫn
1. Vùng hấp thụ (thấm hút); 2. Vùng truyền dẫn(mao dẫn).
Hình 1.19 Các giai đoạnthấm hút (nguồn:[33]).
Kissa [69] đã đo diện tích phân bố của giọt chất lỏng trên vải và giấy bằng kỹ thuật chụp hình ảnh phân bố chất lỏng. Diện tích mô tả chất lỏng phân bố sẽ đƣợc cắt từ hình ảnh và cân xác định khối lƣợng. Phƣơng pháp này đƣợc kiểm tra bởi diện tích ảnh chuẩn. Kết quả cho thấy, đó là một hàm của thời gian. Mô hình tổng quát hóa của Kissa đƣợc thể
hiện trong phƣơng trình:
A = K(γ/η)u Vm tn (1.4) Trong đó:
A: diện tích phân bố của giọt chất lỏng
K: hệ số phụ thuộc vào góc tiếp xúc trên của chất lỏng trên xơ, độ thoáng khí, độ dày của vải dệt
t: thời gian phân bố của chất lỏng γ: sức căng bề mặt của chất lỏng η: độ nhớt của chất lỏng
V: thể tích của chất lỏng
u, m, n: các hệ số phụ thuộc vào vật liệu
Quá trình thấm hút chất lỏng trong vật liệu dệt nhanh hay chậm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ vật liệu, áp lực chất lỏng, kích thƣớc lỗ rỗng và các mao quản... Áp lực chất lỏng làm cho chất lỏng di chuyển dọc theo các mao quản và thâm nhập chất lỏng vào các không gian trống. Quá trình hấp thụ diễn ra trong một thời gian nhất định và kết thúc khi áp lực chất lỏng bằng không, sau đó quá trình mao dẫn vẫn tiếp tục diễn ra đến khi có sự cân bằng sức căng bề mặt của chất lỏng và vật liệu.
Áp lực mao dẫn ảnh hƣởng rất lớn đến chiều cao mao dẫn của chất lỏng trong vật liệu dệt. Độ lớn của áp lực mao dẫn P đƣợc xác định bởi phƣơng trình Laplace [20].
r
P 2LV cos (1.5)
Trong đó:
26
LV
: sức căng căng bề mặt giữa chất lỏng và không khí (J/m² ) : góc tiếp xúc (độ)
Nếu áp lực mao dẫn P lớn hơn áp lực thủy tĩnh Ptt của cột chất lỏng bên trong mao quản thì chất lỏng sẽ dâng lên trong ống mao quản. Trong đó, áp lực thủy tĩnh Ptt đƣợc tính theo công thức sau:
Ptt = gh (1.6) Trong đó:
: khối lƣợng riêng của chất lỏng (kg/m3 ) G: gia tốc trọng trƣờng (m/s² )
h: chiều cao mao dẫn của cột chất lỏng (m)
Chất lỏng sẽ dâng lên trong ống mao quản tới khi áp lực mao dẫn P cân bằng với áp lực thủy tĩnh Ptt của cột chất lỏng bên trong mao quản. Chiều cao của cột chất lỏng tại vị trí này gọi là chiều cao mao dẫn cân bằng chất lỏng.
Chiều cao cân bằng hcb chất lỏng do mao dẫn đƣợc tính theo công thức sau [73]: rg h LV cb cos 2 (1.7) Trong đó: LV
: sức căng căng bề mặt giữa chất lỏng và khí (J/m² ) : góc tiếp xúc (độ)
g: gia tốc trọng trƣờng(m/s² )
: khối lƣợng riêng của chất lỏng (kg/m3 ) r: bán kính của ống mao quản (m).
Nhận xét: công thức 1.5 cho thấy độ lớn của áp lực mao dẫn P tỉ lệ nghịch với bán kính ống mao quản. Công thức 1.6 cho thấy áp lực thuỷ tĩnh Ptt tỉ lệ thuận với khối lƣợng riêng của chất lỏng. Công thức 1.7 cho thấy chiều cao cân bằng hcb cột chất lỏng do mao dẫn tỉ lệ nghịch với khối lƣợng riêng của chất lỏng, bán kính của ống mao quản.
Ở giai đoạn đầu của quá trình mao dẫn, chiều cao mao dẫn nhỏ so với chiều cao mao dẫn cân bằng.Chiều cao mao dẫn tăng theo thời gian cho đến khi đạt chiều cao mao dẫn cân bằng. Dƣới áp lực mao dẫn theo hƣớng dọc, chiều cao mao dẫn h đƣợc tính phƣơng trình Washburn-Lukas [20]: .1/2 2 cos t r h LV (1.8) Trong đó: r: bán kính ống mao quản (m)
h: chiều cao mao dẫn trong thời gian t (m) t: thời gian mao dẫn (s)
27
LV
: sức căng căng bề mặt giữa chất lỏng và khí (J/m² ) : độ nhớt của chất lỏng (N.s.m-2
)
Nhƣ vậy, khi thời gian mao dẫn càng lâu, chiều cao mao dẫn càng tăng. Độ nhớt của chất lỏng càng cao, chiều cao mao dẫn càng giảm.
Nhận xét: công thức 1.8 cho thấy chiều cao cột chất lỏng do mao dẫn tỉ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng, góc thấm ƣớt, sức căng căng bề mặt giữa chất lỏng và khí và tỉ lệ thuận với thời gian mao dẫn.
Theo Hagen và Poiseuille [24] thể tích chất lỏng mao dẫn q đƣợc tính theo công thức sau: h P r q8 2 (1.9) Trong đó:
r: bán kính của ống mao quản (m). h: chiều cao mao dẫn (m)
: độ nhớt của chất lỏng (N.s.m-2 ) P: áp lực mao dẫn
Nhận xét: công thức 1.9 cho thấy thể tích chất lỏng mao dẫn phụ thuộc tỉ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng, tỉ lệ thuận với áp lực mao dẫn và bán kính mao quản.
Theo Chatterjee, Kissa và Rahli [19] vận tốc chất lỏng mao dẫn v đƣợc tính theo công thức sau: dx dP k v (1.10)
Với k là độ thấm, μ độ nhớt, dP/dx là gradient áp lực mao dẫn và x là chiều dài ở trong định hƣớng mức độ mao dẫn.
Phƣơng trình của Carman-Kozeny [19] thƣờng đƣợc sử dụng để dự báo độ thấm k:
(1.11)
Ở đây Df là đƣờng kính trung bình của xơ, Ko là hệ số Kozeny và ε là độ xốp của vật liệu.
Nhận xét: công thức 1.10, 1.11 cho thấy vận tốc chất lỏng mao dẫn phụ thuộc tỉ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng, tỉ lệ thuận với áp lực mao dẫn và độ xốp của vật liệu.
Tóm lại, kết quả của các công trình nghiên cứu về sự thấm hút chất lỏng đều có thể sử dụng trong vật liệu dệt bao gồm: thấm hút chất lỏng trong xơ, trong sợi và trong vải.
1.4.2 Thấm hút chất lỏng trong xơ
Khi xơ tiếp xúc với chất lỏng, chất lỏng thâm nhập và thấm vào xơ làm cho xơ bị trƣơng nở và thay đổi kích thƣớc và các đặc tính cơ học của sợi có thể ảnh hƣởng đáng kể
28
đến sự di chuyển chất lỏng và sự lƣu giữ chất lỏng trong các xơ. Ví dụ, đối với xơ bông tiết diện tăng 22÷ 34 %, xơ vitxcô tăng 40 ÷ 65%, xơ len lông cừu tăng khoảng 26%, tơ tằm tăng khoảng 20%. Còn đối với xơ tổng hợp (PET, PP) ở trong môi trƣờng nƣớc ít trƣơng nở, khi đó diện tích mặt cắt ngang tăng không đáng kể [5]. Xơ trƣơng nở không chỉ làm tăng sự lƣu giữ chất lỏng mao dẫn trong lỗ giữa xơ mà còn làm phức tạp cấu trúc của ống mao quản. Mức độ trƣơng nở của các xơ phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc xơ [21].
Đối với các xơ thiên nhiên có cấu trúc rãnh giữa, bề ngoài không nhẵn, góc tiếp xúc nhỏ nên khả năng thấm nƣớc của xơ cao nhƣng khi ƣớt các xơ trƣơng nở có thể gây ra sự thắt cổ chai hay đóng mao quản, nó sẽ làm lần lƣợt các dòng chảy trong các mao quản này bị chậm lại hoặc thậm chí ngừng chảy đặc biệt là xơ có nguồn gốc từ xenlulo. Ngoài ra các ống mao quản không đều trên suốt chiều dài xơ nên cũng cản trở dòng chảy mao dẫn [22].
Một số xơ tổng hợp bề ngoài trơn nhẵn, mặt cắt ngang tƣơng đối tròn, góc thấm ƣớt cao nên khả năng thấm nƣớc kém nhƣng khi ƣớt xơ trƣơng nở ít các mao quản đều nên khả năng mao dẫn tốt hơn xơ thiên nhiên. Một số xơ nhân tạo cấu trúc của xơ không có rãnh giữa, mặt cắt ngang có hình răng cƣa, góc thấm ƣớt thấp nên khả năng thấm nƣớc cao hơn xơ tổng hợp và kém xơ tự nhiên nhƣng khi ƣớt xơ trƣơng nở ít các mao quản đều hơn xơ tự nhiên nên khả năng mao dẫn cũng tốt hơn xơ tự nhiên.
Nhƣ vậy, với các xơ tự nhiên có khả năng hấp thụ độ ẩm tốt hơn nên để vận chuyển nƣớc thâm nhập vào xơ nhờ quá trình thấm hút. Trong quá trình thấm hút chất lỏng các xơ trƣơng nở không đều làm thay đổi kích thƣớc các ống mao quản, thậm trí gây tắc ống mao quản nên khả năng mao dẫn kém dần. Ngƣợc lại, với xơ tổng hợp có khả năng hấp thụ độ ẩm kém hơn nên vận chuyển nƣớc thâm nhập vào xơ nhờ quá trình mao dẫn. Trong quá trình mao dẫn, xơ hầu nhƣ không hút nƣớc, trƣơng nở ít, kích thƣớc các ống mao quản đều nên khả năng mao dẫn tốt. Với xơ nhân tạo có khả năng hấp thụ độ ẩm tốt hơn tổng hợp, xơ hầu nhƣ không hút nƣớc, trƣơng nở ít, kích thƣớc các ống mao quản đều hơn xơ thiên nhiên nên khả năng mao dẫn tốt hơn xơ thiên nhiên nên vận chuyển nƣớc xâm nhập vào xơ nhờ cả hai quá trình thấm hút và mao dẫn.
Ngoài cấu trúc xơ, thành phần hóa học, mức độ định hƣớng, độ duỗi thẳng của xơ cũng ảnh hƣởng đến khả năng thấm hút và truyền dẫn nƣớc trong xơ. Những loại xơ dệt nào có độ định hƣớng của các đại phân tử càng cao, các phân tử các đƣợc sắp xếp chặt chẽ làm cho xơ có độ bền cơ học cao nhƣng khả năng thấm hút giảm. Những xơ nào có độ định hƣớng của các phân tử thấp, các đại phân tử sắp xếp càng lộn xộn, xơ càng xốp, càng dễ thấm hút nhƣng độ bền cơ học không cao. Những xơ thiên nhiên độ định hƣớng của các đại phân tử đƣợc hình thành trong quá trình sinh trƣởng của xơ. Đối với các xơ hóa học, để đảm bảo cho các đại phân tử có độ định hƣớng cần thiết, trong quá trình hình thành thực hiện kéo giãn xơ ở trạng thái dẻo [3]. Thành phần hóa học của xơ là một yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng thấm hút và truyền dẫn chất lỏng của vật liệu. Hầu hết các xơ sử dụng trong ngành dệt đều đƣợc cấu tạo từ hợp chất cao phân tử có sẵn trong thiên nhiên (xơ thiên nhiên, xơ nhân tạo) hoặc đƣợc tổng hợp từ các đơn hợp thu đƣợc trong quá trình chƣng cất dầu lửa, than đá, khí đốt (xơ tổng hợp). Sự thấm hút của vật liệu dệt phụ thuộc vào thành phần hóa học của mỗi loại xơ. Với xơ ƣa nƣớc chứa các nhóm ƣa nƣớc nhƣ OH, NH2, COOH...(một số xơ thiên nhiên, xơ nhân tạo) có khả năng thấm hút tốt hơn xơ kỵ nƣớc không chứa hoặc ít nhóm ƣa nƣớc (xơ tổng hợp nhƣ PES, PP...).
Tóm lại, thấm hút chất lỏng trong xơ chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học của xơ, cấu trúc xơ, mức độ định hƣớng của xơ, độ duỗi thẳng của xơ...
29
1.4.3 Thấm hút chất lỏng trong sợi
Sợi gồm nhiều xơ sắp xếp song song và xoắn lại với nhau hoặc một hay nhiều filament liên kết với nhau... Cấu trúc sợi (cách sắp xếp các xơ, độ xốp, mức độ định hƣớng của xơ) cũng là yếu tố quan trọng quyết định đến tính mao dẫn, khả năng thấm hút và nhả chất lỏng của sợi.
Perwuelz và các cộng sự [27] đã nghiên cứu chất lỏng di chuyển trong sợi theo phƣơng thẳng đứng từ nguồn chất lỏng liên tục. Một đầu sợi đƣợc cặp chặt còn đầu kia sẽ