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造纸涂层材料自渗吸行为机制及理论建模研究

刘国栋  
【摘要】:油墨等流体在纸张涂层中的传输直接由涂层本身的渗吸性能所决定。很多印刷质量问题,如墨斑、色彩的均匀性、洇色等都与涂层材料的渗吸特性有重要关系。由于涂层材料是一种典型的无规、无序多孔材料,给渗吸性能的研究和表征带来了很多技术难题,尤其对于一些违背常理的渗吸实验现象,无法用传统经典的理论模型去解释,也无法揭示产生这些渗吸实验行为的内在机制。因此本文结合现代分析测量技术,基于渗吸实验测量的基础上,通过科学定义,理论推导的方式,探讨了涂层材料的渗吸润湿行为机制及渗吸力学系统。在此基础上,考虑了材料内部粗糙孔墙对渗吸过程的积极作用及影响,提出了基于渗吸实验的涂层材料润湿、渗吸行为机制,建立了具有粗糙表面的等效毛细管模型、润湿接触线长度的渗吸模型和分形结构的渗吸模型,并考察和验证了模型与实验的匹配,主要的研究工作如下: (1)考虑到经典的惯性力机制、Bosanquet机制和Lucas–Washburn机制在涂层渗吸中的应用,从理论推导和Matlab实验模拟两方面,分析探讨了三种经典渗吸机制的力学行为和相互转化的关系。利用渗吸重量测量法对造纸涂层材料的渗吸特性进行测量,并通过渗吸量(渗吸体积)和渗吸时间、渗吸量和渗吸根时间(√t)两种时间标度对渗吸实验结果进行了描述,证明了渗吸初期具有惯性力渗吸机制的线性关系特征,也证明了在渗吸根时间(√t)的标度下,经典渗吸模型时间标度0.5的函数关系。通过渗吸根时间(√t)标度下的实验结果,发现了渗吸实验分区现象,并提出了造成渗吸分区的理论假说:在涂层材料的渗吸过程中,材料内部粗糙孔墙表面的形貌改变了润湿行为,润湿力,最终形成了实验初始渗吸和后期渗吸的两个重要阶段,因此粗糙表面对渗吸润湿过程有着重要的影响。 (2)从粗糙表面润湿行为的角度,通过润湿液膜形成的过程及半润湿形式复合表面的润湿行为,分析了液膜形成平滑效应的物理条件。以润湿过程因毛细凝聚所产生的液膜平滑效应来解释渗吸分区现象:流体在粗糙表面进行润湿时,在粗糙孔墙上的小孔发生了毛细凝聚,毛细凝聚的液膜一定程度上填平了表面的粗糙度,改变了表面的润湿性能,使得整个润湿过程形成了粗糙表面的润湿和较为光滑的复合表面润湿的两种界面形式。据此,提出了具有粗糙表面的毛细管等效模型及其润湿模式。由于粗糙表面的接触角小于光滑复合表面接触角,结合Lucas–Washburn方程,形成实验渗吸中初始快速渗吸和后期减缓渗吸的两个阶段,比较科学的解释了涂层材料渗吸实验的分区现象。考虑到实际动态润湿接触角测量的技术难题,提出利用润湿接触线长度来等效润湿角变化的思想,建立了基于润湿接触线长度的毛细管渗吸模型并推导了相应的理论计算方程。 (3)为了揭示涂层材料孔结构和渗吸行为之间的关系,采用氮气吸附法和压汞法对材料孔结构进行了测量。在氮气吸附测量中,以吸附等温曲线,BET比表面积,孔面积,孔体积及孔径分布作为孔结构物理参数,对材料样本(GCC0A,GCC0B,GCC2,GCC4,GCC6A,GCC6B)的结构进行了评价,同时考察了BJH模型和DH模型两种孔径分布计算模型在孔结构表征上的异同。孔结构测量结果表明:1)BJH模型和DH模型测量的孔结构数据基本一致;2)所有样品均有不同程度的迟滞回线,说明吸附过程在一部分孔中发生了毛细凝聚现象。迟滞圈大小有区别,主要原因是由于上述涂层样品中胶乳含量呈增大趋势,由于胶乳一定程度上填平了材料中小孔,因此毛细凝聚的迟滞圈呈现减小的趋势,也说明了样本粗糙表面的面积区域在减小;3)迟滞圈的形状基本一致,在低压区域,吸附量均随相对压力的升高而缓慢升高,在中压区域,吸附等温曲线上升速度加快,尤其在高压区吸附快速上升,迟滞圈狭长而且陡峭,形成了H3型的迟滞回线,且吸附曲线计算的孔径大于脱附曲线计算的孔径尺寸,因此材料结构中存在大量墨水瓶状的堆积孔,这种孔形具有较强的毛细凝聚能力;4)整个材料孔结构由介孔和纳米级的大孔组成,大孔占主要的体积分数,介孔提供了材料主要的比表面积,说明大孔的孔墙上存在大量的小孔,容易在孔墙上发生毛细凝聚现象。利用压汞法测量流体饱和渗吸体积,在渗吸饱合体积一定的情况下,考虑到材料的压缩、汞压缩及膨胀计变形及瓶颈孔对实验结果的影响,对压汞法测量孔结构的实验数据进行了校正,给出了相应的校正方程,消除了上述因素对实验结果的影响及高压区体积上翘的现象。 (4)为了验证基于润湿接触线渗吸模型的正确性和考察润湿液膜平滑效应对渗吸过程的具体影响机制,利用材料结构参数和渗吸模型,以毛细凝聚区域作为粗糙表面的面积(S)和粗糙表面毛细管的等效渗吸深度(L)作为主要物理参数,研究了润湿接触线长度的科学定义和计算公式并实施相关的测试和计算。测量计算了所有样品(GCC0A,GCC0B,GCC2,GCC4,GCC6A, GCC6B)毛细凝聚的面积,根据光滑渗吸阶段(后期的渗吸)的实验等效毛细管半径获得等效渗吸深度,基于润湿接触线长度的计算公式,得到了所有样品的实验润湿接触线长度。结合润湿接触线渗吸模型,对渗吸模型与实验渗吸的匹配进行了验证,结果表明:模型计算的初始渗吸率与实验初始渗吸结果一致(如表5-5所示),匹配误差很小。除此,材料(GCC0A,GCC0B,GCC2,GCC6B)的吸附支曲线比脱附支曲线计算的数值更接近实验数值,材料(GCC4,GCC6A)的脱附支计算数值更接近实验数值。虽然材料(GCC4,GCC6A)的脱附支计算数值更接近实验数值,但其吸附支计算的结果与脱附支计算的数值只有轻微的差别。因此就整体而言,氮气吸附的吸附支曲线计算的初始渗吸率更接近实验渗吸。证明了粗糙表面对渗吸初期的影响,并进一步验证了润湿接触线模型的有效性。 (5)为了更好地表征和描述涂层材料结构、润湿接触线与渗吸特性之间的相互关系。考虑到无序随机的材料多孔结构,利用非欧式的分形理论对材料结构进行了表征,并对润湿接触线进行了分形建模。利用氮气多层吸附的FHH理论模型,对样本的分形结构进行了证明和表征,求解了材料样本的分形维数,给出了涂层材料具有分形意义的实验依据。根据线形分形结构的生成思想,利用半弧迭代生长模式来模拟粗糙表面等效毛细管的润湿接触线,提出了半弧外部生长和半弧内部生长的两种分形结构,并推导了分形结构形成的数学表达通式,将分形结构与润湿接触线的渗吸模型结合,建立了基于分形结构的润湿接触线渗吸模型,并与实验进行了匹配研究。结果表明,两种分形结构模型在数学意义下,都能够正确的匹配实验的渗吸率,半弧内部生长模型的匹配精度优于外部生长模型,但是外部生长模型因半弧重叠现象导致匹配的结构分形维数违背常理,且匹配的孔径也超出了正常的范围,因此外部生长模型结构本身存在严重的结构缺陷。内部生长模型有效的避免了半弧重叠,达到比较正确的匹配且分形维数在合理范围之内,但是匹配的孔径也超出了正常的范围。为此,将匹配的孔径约束到毛细凝聚的孔径范围内,发现内部生长模型的初始渗吸与实验渗吸仍存在约2个数量级的差异。针对内部生长模型匹配的不足,考虑惯性力在多孔材料结构中的累积效应,建立了涉及流体惯性流动的分形结构润湿接触线渗吸模型并给出模型的表达通式,在此基础上对实验渗吸进行了匹配,匹配结果表明:模型计算的渗吸与实验结果比较吻合,有效证明了惯性力的累积效应在多孔涂层材料快速渗吸(初期)中的积极作用。


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