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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：6239次
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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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