任亞林 段群超 李萌 彭闖 劉自華 魏豪杰*

（河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

毛細(xì)現(xiàn)象在自然界、科學(xué)技術(shù)和日常生活中都起著重要作用。將內(nèi)徑很小的管子──毛細(xì)管插入液體中，管內(nèi)外液面產(chǎn)生高度差的現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象，又稱毛細(xì)作用。大量多孔性的固體材料在與液體接觸時(shí)就會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象，如紙張、紡織品、粉筆等物體能夠吸水就是由于水能夠潤(rùn)濕這些多孔性物質(zhì)從而產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象。

對(duì)于毛細(xì)現(xiàn)象的研究有很多方法，本文主要采用垂直芯吸法[1][3]，芯吸是通過(guò)毛細(xì)管效應(yīng)將液體自發(fā)吸收到多孔介質(zhì)中[2]。在芯吸過(guò)程中，液體的表面張力(由液體內(nèi)的內(nèi)聚力引起)以及液體和多孔介質(zhì)之間的黏附力共同作用，驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管將液體吸人多孔介質(zhì)中。通過(guò)采用垂直芯吸法對(duì)添加了不同股棉線以及不同內(nèi)徑的毛細(xì)管內(nèi)液面上升高度進(jìn)行研究。

1 毛細(xì)管模型以及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 材料和儀器

材料：棉紗線(單股棉線直徑1mm),溴甲酚綠，細(xì)亞克力管透明PMMA空心圓管(內(nèi)徑2、3、4、5 mm)。

儀器：燒杯，鐵架臺(tái)，升降架，塑料直尺。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 毛細(xì)管制備

圖1 為毛細(xì)管模型，通過(guò)將不同股的棉紗線加捻后添加到四種規(guī)格的毛細(xì)管中形成毛細(xì)結(jié)構(gòu)，實(shí)際操作中由于毛細(xì)管規(guī)格以及棉紗線加捻后直徑等原因，各規(guī)格管內(nèi)添加棉紗線股數(shù)不同，從而形成特定的多孔結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到毛細(xì)芯吸效果[4]。具體操作為2 mm管內(nèi)填充1 股棉紗線、3 mm管中分別填充1 2 3 股加捻棉紗線、4 mm 管中分別填充1 2 3 4 5 6 股加捻棉紗線、5 mm管內(nèi)分別填充1 2 3 4 5 6 7 8 股加捻棉紗線。

圖1 毛細(xì)管模型

1.2.2 毛細(xì)管芯吸高度測(cè)量

將制備的具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管固定在如圖2、圖3所示毛細(xì)管芯吸高度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)物圖上。芯吸液體采用指示劑溴甲酚綠的水溶液，指示劑溶液帶顏色且不與棉紗線反應(yīng)，便于觀察芯吸高度。通過(guò)升降臺(tái)的移動(dòng)在芯吸液體與毛細(xì)管接觸時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在不同時(shí)間段內(nèi)測(cè)量芯吸高度，實(shí)驗(yàn)暫定15 min 內(nèi)芯吸高度測(cè)量。每個(gè)樣品測(cè)量3 次后取平均值。

圖2 毛細(xì)管芯吸高度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3 毛細(xì)管芯吸高度實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

芯吸高度與時(shí)間曲線擬合。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步觀察研究毛細(xì)管芯吸高度隨時(shí)間變化規(guī)律，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的芯吸高度與實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行曲線擬合并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 實(shí)驗(yàn)研究分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析：

據(jù)觀察，實(shí)驗(yàn)具有明顯的芯吸現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)效果明顯，符合實(shí)驗(yàn)前期設(shè)想，實(shí)驗(yàn)成功。通過(guò)1.2 測(cè)試方法，不同規(guī)格毛細(xì)管毛細(xì)芯吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 可知以不同股數(shù)棉紗線作為填充物形成的毛細(xì)管毛細(xì)芯吸能力不同。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的芯吸高度與實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行曲線擬合并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)在初始5 分鐘內(nèi)芯吸能力最強(qiáng)，多孔結(jié)構(gòu)的芯吸速率相對(duì)較快；在5-15 分鐘內(nèi)多孔結(jié)構(gòu)的芯吸能力逐漸減弱，芯吸速率變緩；15 分鐘后由于重力及壓強(qiáng)等原因，多孔結(jié)構(gòu)的芯吸高度不再隨時(shí)間的增加而變化，逐漸達(dá)到平衡。

表1 不同規(guī)格毛細(xì)管芯吸高度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)

2.1 不同規(guī)格毛細(xì)管填充相同棉線時(shí)芯吸高度與芯吸時(shí)間的關(guān)系

運(yùn)用1.3 數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)對(duì)不同規(guī)格毛細(xì)管在實(shí)驗(yàn)規(guī)定時(shí)間內(nèi)毛細(xì)芯吸高度與實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖4 所示，同股數(shù)棉線填充在不同規(guī)格管內(nèi)的芯吸高度與芯吸時(shí)間對(duì)比圖。

圖4 芯吸高度與芯吸時(shí)間曲線擬合圖（同棉線股不同規(guī)格管）

分析發(fā)現(xiàn)在相同時(shí)間的條件下，規(guī)格較小的毛細(xì)管內(nèi)部填充棉線形成的毛細(xì)結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯吸高度明顯優(yōu)于規(guī)格較大毛細(xì)管的毛細(xì)芯吸高度，這一現(xiàn)象表明，毛細(xì)結(jié)構(gòu)空隙當(dāng)量半徑適當(dāng)?shù)拿?xì)管更有利于發(fā)生毛細(xì)芯吸作用[9]。另外在同一規(guī)格的毛細(xì)管中，毛細(xì)芯吸高度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；但在相同時(shí)間段內(nèi)，同一規(guī)格的毛細(xì)管芯吸高度會(huì)逐漸減小，這表明用垂直芯吸法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)由于重力作用毛細(xì)管的毛細(xì)芯吸能力減弱，即其芯吸速率逐漸減小[5]。

2.2 同規(guī)格毛細(xì)管填充不同棉線時(shí)芯吸高度與芯吸時(shí)間的關(guān)系

運(yùn)用1.3 數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)對(duì)不同規(guī)格毛細(xì)管在實(shí)驗(yàn)規(guī)定時(shí)間內(nèi)毛細(xì)芯吸高度與芯吸時(shí)間進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖5 所示，同一規(guī)格管內(nèi)同股數(shù)棉線填充不同股數(shù)棉線的芯吸高度與芯吸時(shí)間對(duì)比圖。

圖5 芯吸高度與芯吸時(shí)間曲線擬合圖（同規(guī)格管不同股數(shù)棉線）

由圖中折線圖可以發(fā)現(xiàn)多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)在進(jìn)行垂直芯吸研究時(shí)，其毛細(xì)芯吸現(xiàn)象比較近似，均是前5 分鐘芯吸效果相對(duì)較好，5-15 分鐘內(nèi)芯吸效果減緩，15 分鐘之后逐漸達(dá)到平衡。

由圖可以得到有棉線作為填充物的不同規(guī)格毛細(xì)管毛細(xì)結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯吸高度隨芯吸時(shí)間增加而緩慢增大直至逐漸平緩，滿足曲線擬合關(guān)系，且擬合系數(shù)R2 高于0.9。實(shí)驗(yàn)所用毛細(xì)管多孔介質(zhì)垂直芯吸效應(yīng)可有Washburn方程確定芯吸高度和芯吸時(shí)間關(guān)系[7]。

毛細(xì)管內(nèi)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)孔徑大小對(duì)毛細(xì)管毛細(xì)芯吸效應(yīng)有顯著影響[6]。不同孔徑結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管隨時(shí)間的增加而變大，但芯吸速率逐漸減小。毛細(xì)結(jié)構(gòu)孔徑適中的毛細(xì)管更有利于發(fā)生毛細(xì)作用，且毛細(xì)效果明顯。

2.3 不同規(guī)格棉紗線與芯吸平衡高度的關(guān)系

不同棉紗線密度芯吸平衡高度測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。由圖可以看出同一規(guī)格毛細(xì)管隨著密度的增加，其芯吸平衡高度減小。達(dá)到芯吸平衡時(shí)芯吸高度不再隨時(shí)間變化。棉紗線中存在許多短且隨機(jī)分布的纖維，隨著紗線股數(shù)的增加，來(lái)自紗線外層的管道壓力迫使內(nèi)部纖維排列緊密，導(dǎo)致毛細(xì)管內(nèi)部孔徑半徑減小，甚至毛細(xì)管內(nèi)部孔隙密度減小，繼而導(dǎo)致紗線芯吸平衡時(shí)的高度隨密度的增加而下降。

圖6 不同紗線密度芯吸平衡高度

研究表明[8]對(duì)于特定毛細(xì)管，隨著密度的增加，芯吸平衡高度上升直至一個(gè)最佳水平時(shí)，芯吸平衡高度到達(dá)峰值；高于該最佳水平時(shí)，芯吸平衡高度開(kāi)始下降[10]。這是因?yàn)楸厝淮嬖谝粋€(gè)最適宜的毛細(xì)管孔徑大小，使得液體進(jìn)入毛細(xì)管孔隙的速率最快，較小的孔徑可能會(huì)產(chǎn)生阻力減緩液體的上升導(dǎo)致芯吸高度降低；較大的孔隙產(chǎn)生較低的毛細(xì)管壓力而減慢液體進(jìn)入的速度[8]。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)特定規(guī)格毛細(xì)管填充棉線形成特定多孔結(jié)構(gòu)時(shí)垂直芯吸速率的分析研究，以及分析多孔結(jié)構(gòu)孔徑對(duì)芯吸速率的影響，得出如下結(jié)論：（1）毛細(xì)管密度是影響毛細(xì)管芯吸能力的重要因素。不同規(guī)格毛細(xì)管，芯吸高度隨時(shí)間的增加而變大，芯吸速率逐漸減小。（2）對(duì)毛細(xì)管芯吸高度和芯吸時(shí)間進(jìn)行線性擬合后，發(fā)現(xiàn)它們線性相關(guān)且曲線性擬合系數(shù)高于0.9，毛細(xì)管內(nèi)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)孔徑大小對(duì)毛細(xì)管毛細(xì)芯吸效應(yīng)有顯著影響，毛細(xì)結(jié)構(gòu)孔徑適中的毛細(xì)管更有利于發(fā)生毛細(xì)作用，且毛細(xì)效果明顯。（3）對(duì)于特定毛細(xì)管，隨著密度的增加芯吸平衡高度上升直至一個(gè)最佳水平，此時(shí)芯吸平衡高度到達(dá)峰值。