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溶胶-凝胶转变阶段 凝胶毛细管中水的蒸发鹤壁模具培训班

发布者:qingxin 发布时间:2012-11-6 阅读:10604
郑州模具培训为大家讲一讲 溶胶-凝胶转变阶段 凝胶毛细管中水的蒸发
硅溶胶涂料浸润模具后,由于涂层表面水分的蒸发,表面与内部间将产生湿度差,内部水分在湿度差的推动下,以液态水的形式不断向表面扩散。同时硅溶胶的胶粒不断地以胶体分散状态被析出[2],析出的二氧化硅胶粒以氢键结合,构成骨架,形成连通的高分子毛细管结构,最后完全丧失流动性而转变成凝胶,此时凝胶为湿凝胶。
由于蒸发过程在涂层表面进行,该干燥过程处于恒速干燥阶段,水分蒸发速率近似等于该温度下的敞口容器中水的蒸发速度,因为蒸发速率正比于ΔP=PV-PA,其中PA为环境蒸汽压;PV为体系液体蒸汽压。所以环境蒸汽压,即制壳间的湿度决定了该阶段水分的蒸发速度。同时,随着水分的蒸发,涂层体积收缩,体积收缩的速率与水分蒸发的速度可近似认为相当。 体积收缩干燥阶段
硅溶胶凝胶中的水
硅溶胶二氧化硅胶粒形成凝胶的固体骨架,水作为分散介质充满在其中,凝胶中的水共有四种存在方式:(1)靠氢键作用直接吸附在二氧化硅胶粒上的水,是羟基形式;(2)靠亲水基团吸附在胶粒周围的极化水层,水合羟基形式(3)被二氧化硅胶体网络结构包裹在微孔中的水,自由水形式,但运动受阻,类似“死水”;(4)凝胶间隙中的水,自由水形式。其中(1)(2)在凝胶总水中的比例很小;第(3)种水含量不少,但其运动(蒸发)受限,第(4)种水含量最大,它存在于凝胶的毛细管中,可自由运动。
凝胶毛细管中水的蒸发
在凝胶干燥的初级阶段蒸发的主要是(4)的自由水部分。水分蒸发后使凝胶的网络介孔液面产生一个指向内部的弯月面,如果近似把介孔看为圆柱体[3],水分蒸发过程开始逐步深入到物料内部,此时干燥进入了降速阶段,其过程表现为毛细管内水分的迁移与汽化[4],蒸发速度主要取决于蒸发面的位置和蒸发弯液面上水蒸汽的分压Pv。根据Kelvin定律[5],在半径为r、湿润角为θ的毛细管中,弯液面上蒸汽分压Pv 与相同温度下对应的自由水面上和饱和蒸汽压P0的关系为:
Pv= P0 exp[-﹙2σ/RTρ﹚×﹙cosθ/r﹚] (1)
式中,σ为液体的表面张力,R 为通用气体常数,ρ为密度。此阶段蒸发速率:
ΔP=P0 exp[-﹙2σ/RTρ﹚×﹙cosθ/r﹚]-PA (2)
(2)式表明,该干燥阶段不仅制壳间的湿度影响凝胶的蒸发速度,毛细管的管径大小更不可忽视。而且在制壳间温度湿度一定时,凝胶的干燥速度是由毛细管半径的大小决定的,凝胶中毛细管弯液面上蒸汽分压Pv与毛细管半径r成正比,毛细管半径r越小,弯液面上蒸汽分压Pv越低,传质推动力愈小,水分蒸发速率愈慢。
该过程中毛细管孔径的大小也是在不断变化的,毛细管张力为:
P=2σcosθ /r (3)[3]
毛细管力会导致毛细管孔径变小,随着毛细管孔径进一步变小,毛细管张力就进一步变大,这样就使粒子进一步接触、挤压、聚集,凝胶骨架发生收缩。
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