Rozdział VIII KINETYKA NASYCANIA POWIERZCHNI. 1. Wstęp

Transkrypt

1 83 Rozdział VIII KINETYKA NASYCANIA POWIERZCHNI 1. Wsęp W akcie wykonywania zewnęznyc oconnyc wasw ynku, jak i konsewacji isniejącyc deali budowli zabykowyc zacodzi częso konieczność oceny sopnia peneacji zasosowanego śodka konsewującego. Zabieg en powinien zabezpieczyć wałość oaz nomalne waunki eksploaacji zabyku. Peneująca pzez sieć kapila ciecz po związaniu z podłożem powinna wzmocnić wewnęzną sukuę maeiału np. zabykowego dewna, kamienia, ynku (po. ys. 1 i 4). Znajomość kineyki nasycania pozwala pzewidywać efeky pocesu konsewaoskiego. Isony jes u dobó ozpuszczalników, ak aby peneacja nasąpiła do głębokic wasw maeiału. Inny cel posiada nasycenie powiezcni malowideł ozwoem, kóy po związaniu zydofobizuje powiezcnię. W ym pzypadku poces ydofobizacji musi dodakowo zapewnić nomalne waunki wymiany między waswami powiezcniowymi a objęościowymi. sopy nasycane śodkami konsewującymi Rys. 1. Wnęze zamkowe z dewnianym sopem belkowym Pzyoczone pocesy wymagają analiycznego ujęcia co eż jes emaem opacowania.. Poces nasycania powiezcniowego Nanoszenie na poowaą powiezcnię zniszczonego maeiału śodka konsewującego powadzi najpiew do zwilżenia ej powiezcni, dalej do

2 84 ozpłynięcia się cieczy na niej a w końcu do nasycenia poów. Zwilżenie powiezcni jes piewszym z waunków, kóe muszą być spełnione, aby mogło dojść do nasycenia maeiału pod wpływem sił kapilanyc. Poblem jes dosyć złożony z uwagi na ozkład poów, ic niejednoodność a akże własności kapila. Najposszym modelem eoeycznym jes w ym pzypadku układ ównoległyc kapila pzeloowyc o usalonej śednicy. W kapilaze zaś pod wpływem óżnicy ciśnień będzie się odbywał lepki pzepływ śodka nasycającego waswy pzypowiezcniowe. Wyjściowym punkem ozważań będzie pzepływ lepkiej cieczy w kapilaze o pomieniu opisany ównaniem Poiseuille a (po. [1,]) V 4 = π p ( 8η (1) gdzie V - objęość cieczy, kóa pzepłynęła pzez kapilay w czasie, η - dynamiczny współczynnik lepkości, - zasięg peneacji, p - óżnica ciśnień. W jednosce czasu i powiezcni pzepłynie sumień cieczy V π = p ( 8η = p ( 8η () W pzejściu ganicznym śedni pzepływ pzejdzie w pocodną d d = p ( 8η (3) W ównaniu ym należy specyzować pzyos ciśnienia p między obu końcami kapilay. Jeżeli pzyjmiemy upaszczająco, iż jedyną pzyczyną ej óżnicy będą siły kapilane (ciśnienie kapilane), czyli p = σ cosθ / (4) o uzyskamy poszukiwane ównanie zasięgu nasycania d d = σ cosθ ( 8η ( 0) = 0 (5) Całka ego ównania ma fomę

3 85 0 = σ cosθ ( η ) lub = σ cosθ ( η ) (6) Powadzi do okeślenia zależności głębokości wnikania cieczy w sieci kapila w zależności od czasu, pomienia i pędkości wnikania v = σ cosθ / η 0 v 1 v 1 > v > v 3 v 1 0 v 0 v v 3 v 3 0 Rys.. Zasięg nasycania maeiału Z podanyc ozwiązań wynika, iż w piewszym okesie nasępuje najinensywniejsze nasycanie maeiału poowaego, a nasępnie poces en zaczyna maleć, ale nigdy się nie usala. Wao jednak dodać, iż lepkość wnikającej cieczy nie jes wielkością sałą, ale w miaę wnikania cieczy w sieć kapila będzie osła. W kańcowym pzypadku po związaniu ze ściankami będzie nieskończenie duża. 3. Wiązanie cieczy w sieci kapila Podane popzednio ozważania doyczyły idealnego pzypadku, kiedy o pzepływająca kapilaami ciecz posiada sałą lepkość dynamiczną η 0. Tymczasem w wyniku oddziaływania z ooczeniem i ściankami kapila docodzi do zmiany lepkości, ak, iż po pewnym czasie kyycznym usanie pzepływ. τ τ = ηε& η 0 ε& Rys. 3. Zależność napężenia nącego od pędkości pzepływu cieczy Poces en w najposszym pzypadku opisują zależności

4 86 η0 η () = 0 < ω < 1 (7) 1 ω gdzie paame sukualny ω spełnia ównanie ewolucji d ω = f ( T,, p,...,), ω ( 0 + ) = 0 d 0 < ω () <1 (8) W najposszym ujęciu, kiedy znamy dla danej empeauy, śednicę kapila i czas wiązania k migującej cieczy z ścianką kapilay o można pzyjąć poęgową posać funkcji ω ( ) = A( T, ), gdzie A ( T, ), k i n należy k wyznaczyć z ekspeymenu. Wyznaczenie zmian paameu sukualnego ω () jes odębnym zadaniem, ponieważ jes o wielkość maeiałowa uzależniona głównie od własności powiezcniowyc ścianek kapilay i empeauy. Paame en opisuje bowiem pzemiany fazowe zacodzące w konakcie powiezcni kapilay z medium nasączającym. Podsawiając zmienną waość współczynnika lepkości η okeśloną ównaniem (7) do ównania (5) ozymamy d = σ cosθ ( η ( 1 ω( )), d ( 0 + ) = 0 (9) sąd d = σ cosθ ( 4 η ) 0 ( 1 ω( )) d (10) lub w fomie bezwymiaowej 1 = σ cosθ ( η0k ) ( ω( τ ) dτ ) (11) 0 Ozymana zależność pozwala na łączne analizowanie pocesu nasycania kapila pzez peneujący pzepływ lepkiej cieczy oaz pocesu wiązania pzepływającej cieczy z ściankami kapila. Pocesy e działają pzeciwnie, ak, iż w cwili kyycznej nasępuje san ównowagowy z zaniknięciem pzepływu. Czas en eż limiuje głębokość wnikania cieczy nasączającej w maeiał. Naomias oszacowanie z nadmiaem (z góy) gubości wnikania cieczy ozymamy podsawiając czas kyyczny k do ównania (6). n k

5 87 4. Pzepuszczalność powłok konsewującyc z polimeów Doycczas omawialiśmy poces wnikania śodka konsewującego popzez kapilay do pzypowiezcniowyc wasw zabyku. Podobny poces wysępuje pzy peneacji zabezpieczającyc powiezcnie zabyków powłok polimeowyc pzez czynniki zewnęzne, akie jak woda, gazy, ozpuszczone sole. Wymagamy pzy ym aby powłoki (błony) polimeowe były jak najmniej pzepuszczalne dla wymienionyc czynników. Rys. 4. Sękowa - kościółek ze soboami Pzenikanie gazów i cieczy pzez ciągłe powłoki odbywa się na zasadzie dyfuzji i składa się z zec kolejno zacodzącyc eapów: - ozpuszczania się medium w waswie ganicznej, - dyfuzji pzez błonę, - wydzielania się medium w waswac pzypowiezcniowyc zabyku. Poces jes opisany pzez pzepływ dyfuzyjny wywołany gadienem ciśnienia p p j1 = D (1) x 1 gdzie j, c, D są kolejno sumieniem wnikającego do powłoki medium, jego sężeniem i współczynnikiem dyfuzji. Z uwagi na wieloeapowość pocesu współczynnik D = D0k jes ówny iloczynowi pocesu dyfuzji i współczynnika ozpuszczalności. W najczęsszym pzypadku, kiedy pzez oconne powłoki polimeowe póbuje pzeniknąć wilgoć współczynniki D, D 0 i k wynoszą

6 88 D [kg m/n s] D [m /s] k 10 3 [kg/n m] 1. polieylen 0,60 0,64 0,94. polimeakylan meylu 7,45 7,78 0,96 3. poliueany 1,15 0,3 5,00 4. żywice epoksydowe 0,58 1,69 0,34 Podane wyniki pozwalają na ocenę własności oconnyc powłoki polimeowej zasosowanej do ocony powiezcni zabyku pzed desukcją wilgoci. j j p x n D k D dp dx dp Rys. 5. Zależność sumienia wilgoci wnikającej do powłok od dx 5. Uwagi końcowe W zabiegac konsewaoskic częso wysępuje syuacja, kiedy wymagamy pełnej peneacji enomowanego elemenu. W ym pzypadku gubość peneacji jes okeślona, naomias do wyznaczanie pozosaje współczynnik lepkości ozpuszczalnika, kóy limiuje zasięg peneacji. Wyznaczenie yc paameów należy dokonać na podsawie zadania odwonego do ównań (9) w powiązaniu z ekspeymenem. Dugim, odmiennym pzypadkiem jes wnikanie cieczy konsewującej w cienką powłokę faby. W ym zadaniu isone jes wzmocnienie samej powłoki oaz związanie jej z podłożem. Poblemy ecnologiczne w obu pzypadkac są odmienne, ale model pocesu pozosaje bez zmian. Lieaua [1] AKSIELRUD G.A., KYSIAŃSKI M.: Eksakcja w układzie ciało sałe - ciecz, WNT Waszawa 1978 [] POHORECKI R., WROŃSKI S.: Kineyka i emodynamika pocesów inżynieii cemicznej, WNT Waszawa 1988