ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физико-химическое воздействие воды на неметаллические материалы из "Химическое сопротивление неметаллических материалов и защита от коррозии" Уникальные физико-химические свойства воды предопределяют своеобразие и различные формы ее взаимодействия с неметаллическими материалами. [c.25] Диаметр молекулы воды составляет 0,29 нм (2,9 А), что сопоставимо с размерами пор и дефектов большинства неметаллических материалов. Это обусловливает ее достаточно высокую проникающую способность, особенно в пористые силикатные материалы и композиты. [c.25] Молекулы воды способны образовывать связи как между собой, так и с другими молекулами. Это является причиной образования кластеров — агрегатов, состоящих из 50—60 молекул воды. Наличие в воде водородных связей сообщает ей свойство хорошего растворителя. [c.25] Молекула воды поляризована и имеет дипольный момент 1,87 Д. Из-за этого вода, попадая в электрическое поле, способна ориентироваться относительно заряда поля, в результате чего возникает явление гидратации. Неполярные вещества также оказывают влияние на структуру воды и за счет гидрофобных взаимодействий и водородных связей создают организованные структуры воды, называемые айсбергами . [c.25] Все отмеченные свойства воды в той или иной мере влияют на характер переноса воды в неметаллических материалах, на растворение в ней других веществ (например, газов), вызывают появление внутренних напряжений в материале или понижение поверхностного натяжения — все это негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках материала. [c.25] Способность материала смачиваться водой зависит от соотношения сил взаимодействия молекул воды с материалом (адгезия) и сил взаимодействия молекул воды между собой (когезия). Если силы взаимодействия молекул воды с материалом больше сил взаимодействия молекул воды друг с другом, то вода будет хорошо смачивать такой материал. В этом случае степень смачивания будет существенно зависеть от микрогеометрии поверхности материала (ее дефектности) и наличия открытой пористости в материале. Если на поверхности материала имеются дефекты структуры, соизмеримые с диаметром молекулы воды (0,29 нм), то молекулы воды могут внедриться в объем материала и при наличии такой же по размеру пористости (дефектности) в объеме материала будут диффундировать по механизму активированной диффузии, аналогично диффузии газов. Силикатные стекла способны вполне свободно поглощать пары воды, так как размер дефектов в них находится в пределах от 0,7 до 1,7 нм. [c.26] Но более всего молекулярное растворение и диффузия воды характерны для полимерных материалов, которые за счет адсорбции способны поглощать заметное количество влаги. Особенностью молекулярного растворения и диффузии воды в полимерах является агрегирование ее молекул в объеме материала. Этот процесс протекает по двум механизмам и определяется наличием в материале гидрофильных (полярных) центров. В неполярных полимерах (полиэтилен, полипропилен, фторопласты) при отсутствии полярных примесей происходит ассоциация молекул воды в кластеры, которые могут образовывать упорядоченные структуры размером 1—2 мкм, создавая гетерофазные области в полимере. При наличии гидрофильных примесей в неполярных полимерах ассоциация воды происходит около них до установления равновесного состояния по всему объему материала. У полярных полимеров ассоциация воды идет у их гидрофильных групп по механизму образования гидратных оболочек. [c.26] Вне зависимости от формы связывания воды в процессе растворения и диффузии, ее молекулы, вошедшие в кластеры или ассоциаты, становятся менее подвижными и их участие в процессе переноса крайне ограничено. [c.26] При наличии в неметаллических материалах дефектов диаметром 100—200 нм пары воды адсорбируются на стенках таких капилляров, заполняя их влагой за счет капиллярного поднятия. Вода, заполняющая капилляры за счет капиллярной конденсации и капиллярного поднятия, не переносится в таких капиллярах, а может только испаряться с их противоположной стороны или диффундировать через стенки капилляров в водопроницаемую матрицу. [c.27] Неметаллические материалы с протяженными дефектами диаметром менее 100 нм при обычных гидростатических напорах непроницаемы для воды. [c.27] Влияние температуры на фазовую водопроницаемость через пористые материалы осуществляется в основном через вязкость и в меньшей степени — через плотность воды. С повышением температуры вязкость воды уменьшается, что ведет к возрастанию водопроницаемости материала. [c.27] Рассмотрев состояние воды в крупных дефектах неметаллических материалов, можно заключить, что капиллярная влага также является связанной с материалом. Только в крупных порах существует еще и свободная вода, которая переносится за счет вязкого течения. [c.27] Химически связанную воду можно идентифицировать методами спектрального анализа. Наличие адсорбированной и капиллярной влаги, кластеров и ассоциатов устанавливается с помощью изотерм сорбции воды неметаллами (рис. 1.1), которые выражают зависимость количества поглощенного вещества — воды (0 от ее активности Р/Ро Р— парциальное давление паров над раствором, Ро — давление чистого пара) при постоянной температуре. [c.28] У большинства неметаллических материалов (силикатных, полимерных, композиционных) изотерма сорбции паров воды имеет S-образный вид (кривая 1 на рис. 1.1). В области давления паров воды от О до 0,25 от равновесного значения Ро наблюдается образование мономолекулярного слоя адсорбированной воды. В области давлений от 0,25 до 0,70 Pq идет формирование полимолеку-лярного адсорбционного слоя (скорость процесса уменьшается). Резкий подъем кривой в области давлений от 0,8 до 1,00 Ро соответствует процессу конденсации влаги в капиллярах материала. [c.28] Линейная изотерма (кривая 3) характерна для гидрофобных полимеров, когда отсутствует любой вид локализации воды и ее растворимость в материале подчиняется закону Генри. [c.28] Отклонение изотермы сорбции от линейной зависимости (кривая 2 на рис. 1.1) свидетельствует о локализации гомогенно растворенной воды в гидрофобных полимерах. При измерении количества воды, сорбируемой неметаллическим материалом, по достижении равновесного водопоглощения фиксируется вода, поглощенная материалом по любому механизму, начиная от гомогенно растворенной до свободной воды в макропорах. [c.28] Для полимерных материалов условно принято считать, что если равновесное водопоглощение не превышает 1 %, то такие материалы относятся к классу гидрофобных. Полимеры, равновесное водопоглощение которых более 10 %, относятся к гидрофильным материалам. [c.28] Вернуться к основной статье