毛細結構管道的芯吸特性實驗

任亞林 段群超 李萌 彭闖 劉自華 魏豪杰*

（河南科技大學土木工程學院，河南洛陽 471023）

毛細現象在自然界、科學技術和日常生活中都起著重要作用。將內徑很小的管子──毛細管插入液體中，管內外液面產生高度差的現象稱為毛細現象，又稱毛細作用。大量多孔性的固體材料在與液體接觸時就會出現毛細現象，如紙張、紡織品、粉筆等物體能夠吸水就是由于水能夠潤濕這些多孔性物質從而產生毛細現象。

對于毛細現象的研究有很多方法，本文主要采用垂直芯吸法[1][3]，芯吸是通過毛細管效應將液體自發吸收到多孔介質中[2]。在芯吸過程中，液體的表面張力(由液體內的內聚力引起)以及液體和多孔介質之間的黏附力共同作用，驅動毛細管將液體吸人多孔介質中。通過采用垂直芯吸法對添加了不同股棉線以及不同內徑的毛細管內液面上升高度進行研究。

1 毛細管模型以及實驗裝置

1.1 材料和儀器

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

儀器：燒杯，鐵架臺，升降架，塑料直尺。

1.2 測試方法

1.2.1 毛細管制備

圖1 為毛細管模型，通過將不同股的棉紗線加捻后添加到四種規格的毛細管中形成毛細結構，實際操作中由于毛細管規格以及棉紗線加捻后直徑等原因，各規格管內添加棉紗線股數不同，從而形成特定的多孔結構來達到毛細芯吸效果[4]。具體操作為2 mm管內填充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管內分別填充1 2 3 4 5 6 7 8 股加捻棉紗線。

圖1 毛細管模型

1.2.2 毛細管芯吸高度測量

將制備的具有毛細結構的毛細管固定在如圖2、圖3所示毛細管芯吸高度實驗裝置示意圖和實物圖上。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，便于觀察芯吸高度。通過升降臺的移動在芯吸液體與毛細管接觸時開始計時，在不同時間段內測量芯吸高度，實驗暫定15 min 內芯吸高度測量。每個樣品測量3 次后取平均值。

圖2 毛細管芯吸高度實驗裝置示意圖

圖3 毛細管芯吸高度實驗裝置實物圖

1.3 實驗數據處理方法

芯吸高度與時間曲線擬合。

針對實驗所得數據，為進一步觀察研究毛細管芯吸高度隨時間變化規律，將實驗數據的芯吸高度與實驗時間進行曲線擬合并進行數據分析。

2 實驗研究分析

實驗結果及數據分析：

據觀察，實驗具有明顯的芯吸現象，實驗效果明顯，符合實驗前期設想，實驗成功。通過1.2 測試方法，不同規格毛細管毛細芯吸實驗數據如表1 所示。由表1 可知以不同股數棉紗線作為填充物形成的毛細管毛細芯吸能力不同。通過對實驗數據的芯吸高度與實驗時間進行曲線擬合并進行數據分析可以發現，多孔毛細結構在初始5 分鐘內芯吸能力最強，多孔結構的芯吸速率相對較快；在5-15 分鐘內多孔結構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等原因，多孔結構的芯吸高度不再隨時間的增加而變化，逐漸達到平衡。

表1 不同規格毛細管芯吸高度隨時間變化數據

2.1 不同規格毛細管填充相同棉線時芯吸高度與芯吸時間的關系

運用1.3 數據處理方法，通過對不同規格毛細管在實驗規定時間內毛細芯吸高度與實驗時間進行曲線擬合，結果如圖4 所示，同股數棉線填充在不同規格管內的芯吸高度與芯吸時間對比圖。

圖4 芯吸高度與芯吸時間曲線擬合圖（同棉線股不同規格管）

分析發現在相同時間的條件下，規格較小的毛細管內部填充棉線形成的毛細結構毛細芯吸高度明顯優于規格較大毛細管的毛細芯吸高度，這一現象表明，毛細結構空隙當量半徑適當的毛細管更有利于發生毛細芯吸作用[9]。另外在同一規格的毛細管中，毛細芯吸高度隨實驗時間的延長而增大；但在相同時間段內，同一規格的毛細管芯吸高度會逐漸減小，這表明用垂直芯吸法進行實驗時由于重力作用毛細管的毛細芯吸能力減弱，即其芯吸速率逐漸減小[5]。

2.2 同規格毛細管填充不同棉線時芯吸高度與芯吸時間的關系

運用1.3 數據處理方法，通過對不同規格毛細管在實驗規定時間內毛細芯吸高度與芯吸時間進行曲線擬合，結果如圖5 所示，同一規格管內同股數棉線填充不同股數棉線的芯吸高度與芯吸時間對比圖。

圖5 芯吸高度與芯吸時間曲線擬合圖（同規格管不同股數棉線）

由圖中折線圖可以發現多孔毛細結構在進行垂直芯吸研究時，其毛細芯吸現象比較近似，均是前5 分鐘芯吸效果相對較好，5-15 分鐘內芯吸效果減緩，15 分鐘之后逐漸達到平衡。

由圖可以得到有棉線作為填充物的不同規格毛細管毛細結構毛細芯吸高度隨芯吸時間增加而緩慢增大直至逐漸平緩，滿足曲線擬合關系，且擬合系數R2 高于0.9。實驗所用毛細管多孔介質垂直芯吸效應可有Washburn方程確定芯吸高度和芯吸時間關系[7]。

毛細管內毛細結構的多孔介質孔徑大小對毛細管毛細芯吸效應有顯著影響[6]。不同孔徑結構的毛細管隨時間的增加而變大，但芯吸速率逐漸減小。毛細結構孔徑適中的毛細管更有利于發生毛細作用，且毛細效果明顯。

2.3 不同規格棉紗線與芯吸平衡高度的關系

不同棉紗線密度芯吸平衡高度測試結果如圖6 所示。由圖可以看出同一規格毛細管隨著密度的增加，其芯吸平衡高度減小。達到芯吸平衡時芯吸高度不再隨時間變化。棉紗線中存在許多短且隨機分布的纖維，隨著紗線股數的增加，來自紗線外層的管道壓力迫使內部纖維排列緊密，導致毛細管內部孔徑半徑減小，甚至毛細管內部孔隙密度減小，繼而導致紗線芯吸平衡時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]對于特定毛細管，隨著密度的增加，芯吸平衡高度上升直至一個最佳水平時，芯吸平衡高度到達峰值；高于該最佳水平時，芯吸平衡高度開始下降[10]。這是因為必然存在一個最適宜的毛細管孔徑大小，使得液體進入毛細管孔隙的速率最快，較小的孔徑可能會產生阻力減緩液體的上升導致芯吸高度降低；較大的孔隙產生較低的毛細管壓力而減慢液體進入的速度[8]。

3 結論

本文通過對特定規格毛細管填充棉線形成特定多孔結構時垂直芯吸速率的分析研究，以及分析多孔結構孔徑對芯吸速率的影響，得出如下結論：（1）毛細管密度是影響毛細管芯吸能力的重要因素。不同規格毛細管，芯吸高度隨時間的增加而變大，芯吸速率逐漸減小。（2）對毛細管芯吸高度和芯吸時間進行線性擬合后，發現它們線性相關且曲線性擬合系數高于0.9，毛細管內毛細結構的多孔介質孔徑大小對毛細管毛細芯吸效應有顯著影響，毛細結構孔徑適中的毛細管更有利于發生毛細作用，且毛細效果明顯。（3）對于特定毛細管，隨著密度的增加芯吸平衡高度上升直至一個最佳水平，此時芯吸平衡高度到達峰值。