Основная часть

5.1 Описание физической величины

Для характеристики содержания влаги в материалах применяются две величины: влагосодержание и влажность. Ранее эти величины назывались соответственно абсолютной и относительной влажностью.

Под влагосодержанием и понимается отношение массы влаги М, содержащейся в теле, к массе абсолютно сухого тела M0:

U=M/M0 (1)

Под влажностью W -понимается отношение массы влаги M, содержащейся в теле, к массе влажного ма­териала М1.

W=M/(M+M0) (2)

Иногда эти величины выражают через веса и в про­центах. В таком случае выражения (1) и (2) прини­мают вид:

U%=((P-P0)/P0)*100%

W%=((P-P0)/P)*100%

где Р—вес влажного тела;

Р0—вес абсолютно сухого тела.

Для указания содержания влаги в материале может быть применена любая из этих величин. Переход от од­ной величины к другой может быть осуществлен по со­отношениям:

W=U/(1+U) (3)

U=W/(1-W) (4)

Так, например, и=1 соответствует W=0,5. На рис. показана зависимость между U и W, построенная по соот­ношениям (1-4).

В определенных отраслях промышленности для указа­ния содержания влаги в материале применяются влагосодержание U или влажность W в зависимости от устано­вившихся традиций. Большей частью в теоретических исследованиях и расчетах содержание влаги задается влагосодержанием и; в производственных услови­ях в экспериментах для той же цели чаще приме­няют влажность W.

При измерениях влаж­ности необходимо учиты­вать формы ее связи с материалом, а также осо­бенности гигротермического равновесия мате­риала с окружающей воз­душной средой.

Естественные и про­мышленные влагосодержащие материалы отно­сятся к коллоидным, ка­пиллярно-пористым или капиллярно-пористым ко­ллоидным телам. К коллоидным телам принадлежат эластичные гели, студни, желатины, мучное тесто и т. д. Примером капиллярно-пористых тел являются квар­цевый песок, слабо обожженные керамические материалы и т. д. Большинство влажных материалов являются кол­лоидными, капиллярно-пористыми телами. Коллоидные те­ла характеризуются малыми размерами капилляров, близкими к радиусу действия молекулярных сил, и могут рассматриваться в общем случае также как капиллярно-пористые тела. Способность материалов поглощать и отда­вать влагу определяется, с одной стороны, свойствам и твер­дого «скелета» материала, а с другой - формой связи с ним влаги. На первую группу свойств наибольшее влияние оказывают размеры капилляров. Разли­чает три группы капиллярно-пористых тел: микрокапил­лярные, макрокапиллярные и гетеропорозные. У первых радиус капилляров меньше 10-5 см, у вторых - больше этой величины, у третьих - капилляры имеют разные размеры. На перенос влаги внутри капиллярно-пористых тел влияют также форма капилляров, их расположение и соединение, а также механические свойства материалов.

Наиболее полная классификация форм связи влаги с ма­териалом дана П. А. Ребиндером, исходя из интенсивности форм связи. В зависимости от энергии, необходимой для удаления влаги из тела, связи делятся на химические, фи­зико-химические и физико-механические. К первой группе относятся наиболее сильные связи: ионная и молекулярная. При этих формах связи вода как таковая исчезает и ее мо­лекулы входят в состав нового вещества (гидратная вода). Химически связанная влага резко отличается по своим свойствам от свободной; ее нельзя удалить сушкой или отжатием.

К физико-химическим связям относятся адсорбционная и осмотическая связи. Первая характерна для гидрофиль­ных и гидрофобных тел; удаление влаги происходит испа­рением, десорбцией у гидрофильных тел или дезадсорбцией - у гидрофобных. Осмотическая связь имеет место у растительных клеток с концентрированным раствором, в которые вода проникает из окружающей среды, с менее концентрированным раствором.

При наиболее слабой связи - физико-механической - вода удерживается в неопределенных соотношениях. Связь может иметь структурный характер, например, в студне образующих веществах. В микрокапиллярах связь образуется поглощением воды из влажного воздуха или непосред­ственным соприкосновением материала с водой, в макрокапиллярах—поглощением воды прямым соприкоснове­нием. В обоих случаях вода механически удерживается адсорбционными силами у стенок. Основная масса воды, кроме связанной адсорбционно, сохраняет свои свойства. Условием нарушения связи является действие давления, превосходящего капиллярное. Наконец, связь смешиванием образуется в непористых смачиваемых телах прилипанием воды при ее соприкосновении с поверхностью тела. Удаление влаги, как и при структурной связи, производится испарением.

Разграничение влаги по форме ее связи с сухим мате­риалом представляет сложную задачу, хотя для этого был предложен ряд методов, основанных на использовании из­менения физических (в том числе и электрических) характеристик.

5.2 Описание и выбор метода измерения влажности

Методы измерения-влажности принято делить на пря­мые и косвенные. В прямых методах производится непо­средственное разделение влажного материала на сухое ве­щество и влагу. В косвенных методах измеряется другая величина, функционально связанная с влажностью мате­риала. Косвенные методы требуют предварительной калиб­ровки с целью установления зависимости между влажно­стью материала и измеряемой величиной.

5.2.1 Метод высушивания

Наиболее распространенным прямым методом является метод высушивания, заключающийся в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равно­весия с окружающей средой; это равновесие условно счи­тается равноценным полному удалению влаги. На практи­ке применяется высушивание до постоянного веса; чаще применяют так называемые ускоренные методы сушки

В первом случае сушку заканчивают, если два последова­тельных взвешивания исследуемого, образца дают одина­ковые или весьма близкие результаты. Так как скорость сушки постепенно уменьшается, предполагается, что при этом удаляется почти вся влага, содержащаяся в образце. Длительность определения этим методом составляет обыч­но от нескольких часов до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значитель­но более короткого промежутка времени, при повышенной температуре (например, стандартный метод определения влажности зерна сушкой размолотой навески при +130°С в течение 40 мин). В последние годы для ускоренной сушки ряда материалов стали применять инфракрасные лучи, а в отдельных случаях—диэлектрический нагрев (токи высокой частоты). Определению влажности твердых материалов высушиванием присущи следующие методические погрешности:

а) При высушивании органических материалов наряду с потерей гигроскопической влаги происходит потеря лету­чих; одновременно при сушке в воздухе имеет, место погло­щение кислорода вследствие окисления вещества.

б) Прекращение сушки соответствует не полному уда­лению влаги, а равновесию между давлением водяных паров в материале и давлением водяных паров в воздухе.