毛细结构管道的芯吸特性实验

任亚林 段群超 李萌 彭闯 刘自华 魏豪杰*

（河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471023）

毛细现象在自然界、科学技术和日常生活中都起着重要作用。将内径很小的管子──毛细管插入液体中，管内外液面产生高度差的现象称为毛细现象，又称毛细作用。大量多孔性的固体材料在与液体接触时就会出现毛细现象，如纸张、纺织品、粉笔等物体能够吸水就是由于水能够润湿这些多孔性物质从而产生毛细现象。

对于毛细现象的研究有很多方法，本文主要采用垂直芯吸法[1][3]，芯吸是通过毛细管效应将液体自发吸收到多孔介质中[2]。在芯吸过程中，液体的表面张力(由液体内的内聚力引起)以及液体和多孔介质之间的黏附力共同作用，驱动毛细管将液体吸人多孔介质中。通过采用垂直芯吸法对添加了不同股棉线以及不同内径的毛细管内液面上升高度进行研究。

1 毛细管模型以及实验装置

1.1 材料和仪器

材料：棉纱线(单股棉线直径1mm),溴甲酚绿，细亚克力管透明PMMA空心圆管(内径2、3、4、5 mm)。

仪器：烧杯，铁架台，升降架，塑料直尺。

1.2 测试方法

1.2.1 毛细管制备

图1 为毛细管模型，通过将不同股的棉纱线加捻后添加到四种规格的毛细管中形成毛细结构，实际操作中由于毛细管规格以及棉纱线加捻后直径等原因，各规格管内添加棉纱线股数不同，从而形成特定的多孔结构来达到毛细芯吸效果[4]。具体操作为2 mm管内填充1 股棉纱线、3 mm管中分别填充1 2 3 股加捻棉纱线、4 mm 管中分别填充1 2 3 4 5 6 股加捻棉纱线、5 mm管内分别填充1 2 3 4 5 6 7 8 股加捻棉纱线。

图1 毛细管模型

1.2.2 毛细管芯吸高度测量

将制备的具有毛细结构的毛细管固定在如图2、图3所示毛细管芯吸高度实验装置示意图和实物图上。芯吸液体采用指示剂溴甲酚绿的水溶液，指示剂溶液带颜色且不与棉纱线反应，便于观察芯吸高度。通过升降台的移动在芯吸液体与毛细管接触时开始计时，在不同时间段内测量芯吸高度，实验暂定15 min 内芯吸高度测量。每个样品测量3 次后取平均值。

图2 毛细管芯吸高度实验装置示意图

图3 毛细管芯吸高度实验装置实物图

1.3 实验数据处理方法

芯吸高度与时间曲线拟合。

针对实验所得数据，为进一步观察研究毛细管芯吸高度随时间变化规律，将实验数据的芯吸高度与实验时间进行曲线拟合并进行数据分析。

2 实验研究分析

实验结果及数据分析：

据观察，实验具有明显的芯吸现象，实验效果明显，符合实验前期设想，实验成功。通过1.2 测试方法，不同规格毛细管毛细芯吸实验数据如表1 所示。由表1 可知以不同股数棉纱线作为填充物形成的毛细管毛细芯吸能力不同。通过对实验数据的芯吸高度与实验时间进行曲线拟合并进行数据分析可以发现，多孔毛细结构在初始5 分钟内芯吸能力最强，多孔结构的芯吸速率相对较快；在5-15 分钟内多孔结构的芯吸能力逐渐减弱，芯吸速率变缓；15 分钟后由于重力及压强等原因，多孔结构的芯吸高度不再随时间的增加而变化，逐渐达到平衡。

表1 不同规格毛细管芯吸高度随时间变化数据

2.1 不同规格毛细管填充相同棉线时芯吸高度与芯吸时间的关系

运用1.3 数据处理方法，通过对不同规格毛细管在实验规定时间内毛细芯吸高度与实验时间进行曲线拟合，结果如图4 所示，同股数棉线填充在不同规格管内的芯吸高度与芯吸时间对比图。

图4 芯吸高度与芯吸时间曲线拟合图（同棉线股不同规格管）

分析发现在相同时间的条件下，规格较小的毛细管内部填充棉线形成的毛细结构毛细芯吸高度明显优于规格较大毛细管的毛细芯吸高度，这一现象表明，毛细结构空隙当量半径适当的毛细管更有利于发生毛细芯吸作用[9]。另外在同一规格的毛细管中，毛细芯吸高度随实验时间的延长而增大；但在相同时间段内，同一规格的毛细管芯吸高度会逐渐减小，这表明用垂直芯吸法进行实验时由于重力作用毛细管的毛细芯吸能力减弱，即其芯吸速率逐渐减小[5]。

2.2 同规格毛细管填充不同棉线时芯吸高度与芯吸时间的关系

运用1.3 数据处理方法，通过对不同规格毛细管在实验规定时间内毛细芯吸高度与芯吸时间进行曲线拟合，结果如图5 所示，同一规格管内同股数棉线填充不同股数棉线的芯吸高度与芯吸时间对比图。

图5 芯吸高度与芯吸时间曲线拟合图（同规格管不同股数棉线）

由图中折线图可以发现多孔毛细结构在进行垂直芯吸研究时，其毛细芯吸现象比较近似，均是前5 分钟芯吸效果相对较好，5-15 分钟内芯吸效果减缓，15 分钟之后逐渐达到平衡。

由图可以得到有棉线作为填充物的不同规格毛细管毛细结构毛细芯吸高度随芯吸时间增加而缓慢增大直至逐渐平缓，满足曲线拟合关系，且拟合系数R2 高于0.9。实验所用毛细管多孔介质垂直芯吸效应可有Washburn方程确定芯吸高度和芯吸时间关系[7]。

毛细管内毛细结构的多孔介质孔径大小对毛细管毛细芯吸效应有显著影响[6]。不同孔径结构的毛细管随时间的增加而变大，但芯吸速率逐渐减小。毛细结构孔径适中的毛细管更有利于发生毛细作用，且毛细效果明显。

2.3 不同规格棉纱线与芯吸平衡高度的关系

不同棉纱线密度芯吸平衡高度测试结果如图6 所示。由图可以看出同一规格毛细管随着密度的增加，其芯吸平衡高度减小。达到芯吸平衡时芯吸高度不再随时间变化。棉纱线中存在许多短且随机分布的纤维，随着纱线股数的增加，来自纱线外层的管道压力迫使内部纤维排列紧密，导致毛细管内部孔径半径减小，甚至毛细管内部孔隙密度减小，继而导致纱线芯吸平衡时的高度随密度的增加而下降。

图6 不同纱线密度芯吸平衡高度

研究表明[8]对于特定毛细管，随着密度的增加，芯吸平衡高度上升直至一个最佳水平时，芯吸平衡高度到达峰值；高于该最佳水平时，芯吸平衡高度开始下降[10]。这是因为必然存在一个最适宜的毛细管孔径大小，使得液体进入毛细管孔隙的速率最快，较小的孔径可能会产生阻力减缓液体的上升导致芯吸高度降低；较大的孔隙产生较低的毛细管压力而减慢液体进入的速度[8]。

3 结论

本文通过对特定规格毛细管填充棉线形成特定多孔结构时垂直芯吸速率的分析研究，以及分析多孔结构孔径对芯吸速率的影响，得出如下结论：（1）毛细管密度是影响毛细管芯吸能力的重要因素。不同规格毛细管，芯吸高度随时间的增加而变大，芯吸速率逐渐减小。（2）对毛细管芯吸高度和芯吸时间进行线性拟合后，发现它们线性相关且曲线性拟合系数高于0.9，毛细管内毛细结构的多孔介质孔径大小对毛细管毛细芯吸效应有显著影响，毛细结构孔径适中的毛细管更有利于发生毛细作用，且毛细效果明显。（3）对于特定毛细管，随着密度的增加芯吸平衡高度上升直至一个最佳水平，此时芯吸平衡高度到达峰值。