XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Расширение воды. Смачиваемость. Капиллярность. Всё про обувь и даже больше
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1 Введение.
Осенью и зимой обувь требует более тщательно ухода. 350 тысяч тонн! Такое количество реагентов высыпают на улицы всех городов России в снежный период. В состав этих химикатов входит поваренная соль — она отлично топит лед, но при этом разрушает обувь — разъедает и обесцвечивает кожу и замшу.
В этой работе мы попытаемся выяснить, как избавиться от последствий воздействия соли на обувь.
К ак создать капиллярный эффект? Как ослабить притяжение между молекулами воды и молекулами вещества, из которых состоят волокна ткани? Как предотвратить смачивание и сохранить каплю воды «упитанной», самостоятельной и независимой?
Чаще всего реагенты повреждают обувь. Будь то замша или натуральная кожа — химические вещества не щадят никого. Материал под воздействием реагентов скукоживается и обувь теряет свой первозданный вид.
Восстановить такие сапоги уже вряд ли получится. Если просто затереть пятна и разводы на обуви — это не решит проблему. Соль проникает глубоко в кожу и разрушает молекулы коллагена. Поэтому стоит только надеть ботинки и немного в них походить, белый налет появится снова! Соль через некоторое время проступает и ни один крем не сможет тщательно его отчистить.
1.1 Особенности воды и ее поверхностное натяжение.
Вода является хорошим сильнополярным растворителем.
При кристаллизации резко падает растворимость газов в жидкости - они из растворенного состояния переходят в свободное, но выбраться из объёма воды уже не могут - не даёт тот же лёд, поэтому и происходит расширение воды по объёму.
Силы поверхностного натяжения возникают из-за того, что молекулы воды притягиваются друг к другу. Взаимное притяжение молекул заставляет воду собираться в капли. Влажный конденсат на охлажденной поверхности, мелкий водяной бисер или барабанящий по зонту дождь — все это водяные капли различных размеров. Силы взаимного притяжения молекул невелики, и крупную каплю можно легко разрушить. Однако законы физики нарушить сложнее: большая капля разобьется на сотни мелких, но принцип их формирования останется таким же.
Молекулы воды собираются в капли разных размеров
Какой бы маленькой ни была капля, «сито» климатической мембраны не может пропустить ее сквозь себя — даже самые крошечные из капель слишком велики, чтобы проникнуть сквозь мембранные поры. Чем больший объем воды вбирает в себя капля, тем большая площадь на поверхности материала освобождается от водяной пленки. Это значит, что площадь, через которую испарения выводятся от тела, увеличивается. Можно сказать, что «упитанная» и ясно очерченная капля — залог успешной работы мембраны.
Е сли притяжение между молекулами воды и молекулами твердого тела намного слабее, чем притяжение молекул воды друг к другу, то капля лежит на поверхности твердого тела и не смачивает его.
Но может ли что-то разрушить каплю, размазать ее до бесформенной пленки на поверхности материала? К сожалению, да. Дело в том, что молекулы воды притягиваются не только друг к другу. Между молекулой воды и молекулой любого другого вещества, с которым вода соприкасается, тоже возникает притяжение. В некоторых случаях оно настолько сильно, что молекулы воды буквально тянутся к молекулам иного материала, и если это притяжение сравнимо с силами поверхностного натяжения, капля растягивается, растекается по материалу. В таких случаях обычно говорят, что материал хорошо смачивается.
Н о если притяжение между молекулами твердого тела и молекулами воды слабое, то смачивания не произойдет.
Если притяжение между молекулами воды и молекулами твердого тела сильнее, чем притяжение молекул воды друг к другу, то капля растекается по поверхности твердого тела и впитывается в его поры — поверхность твердого тела смачивается
1.2 Фокус с подменой и как работает водоотталкивающий спрей.
Законы физики изменить нельзя, но что мешает использовать их в своих интересах? Смачиваемость различных материалов зависит от многих факторов, прежде всего от свойств и структуры волокна, шероховатости поверхности, ее форм и размеров. Если материал, применяемый в наружном слое обуви или одежды, слишком хорошо смачивается, то, может быть, стоит заменить его на другой, менее дружелюбный по отношению к воде?
Такое решение было бы идеальным, но, к сожалению, оно труднореализуемо. Дело в том, что материал для изделия подбирается по совокупности нескольких параметров, и характеристика смачиваемости — только один из них. Но если нельзя заменить материал, то, может быть, можно изменить его свойства? Например, нанести на смачиваемый материал тончайшую пленку несмачиваемого вещества и тем самым «обмануть» воду?
Водоотталкивающие средства работают именно так. Вещество, практически не притягивающее молекулы воды, наносится на лицевую ткань и покрывает ее структуру и нити. Вода перестает впитываться в материал и собирается в капли на его поверхности. Ткань становится гидрофобной, то есть она не смачивается и при этом пропускает сквозь себя пар.
Д ля достижения максимальных водоотталкивающих показателей при изготовлении спрея используется тот же принцип, который природа использовала при создании лотоса. Речь идет о воскообразном веществе под названием кутин, которым покрыты листья этого цветка.
При контакте воды с таким растительным воском жидкость сворачивается в шарики и скатывается с листика лотоса. Точно такой же эффект можно наблюдать и после контакта обработанной пропиткой обувью с водой или грязью. Одним из неоспоримых достоинств является то, что это гидрофобное средство для обуви не забивает поры материала, благодаря чему не нарушается нормальная циркуляция воздуха внутри пары обуви.
Если говорить об обуви из нубука, замши, кожи и других материалов, то они не только относятся к гидрофильным, но и обладают пористой поверхностью. Поры (или капилляры) буквально «всасывают» воду, поэтому ботинки нужно обязательно пропитывать специальными средствами.
1.3 Вещества снижающие смачиваемость
Жирование и обработка воском — традиционные способы придания материалу гидрофобных свойств. Жир и воск издревле применяют для защиты обуви от промокания, они являются классической водоотталкивающей пропиткой. В результате такой обработки на какое-то время ботинки будут защищены от намокания.
Но для обработки высокотехнологичных мембранных материалов ни жир, ни воск не подходят. Относительно толстая пленка этих веществ создаст препятствие не только для атмосферной влаги, но и для пара, который мембрана должна выводить наружу.
Современные химические водоотталкивающие пропитки — это растворы или эмульсии, которые при нанесении на ткань или другой материал пропитывают ее волокна, после чего растворитель испаряется, а на поверхности ткани остается тонкий гидрофобный слой водоотталкивающего вещества. Вода, попадая на этот защитный слой, не проникает в ткань, скатывается в капли, стекает и легко стряхивается.
1.4 Соль и схема ее образования и поведения на поверхности обуви.
П ри нормальных условиях соли – твердые кристаллические вещества. У солей типичных металлов – ионная кристаллическая решетка, поэтому они имеют сравнительно высокую температуру плавления и нелетучи.
Непременными условиями появления белых разводов на поверхности обувных изделий является присутствие влаги в материале, растворение в ней солей, содержащихся в материале или поглощенных материалом извне, с последующей миграцией образовавшегося раствора на поверхность изделия и кристаллизации при сушке солей, в результате чего и образуются высолы. При естественной сушке обуви значительный поток влаги выносится на поверхность и при испарении оставляет растворенные соли в виде разводов.
1.5 Как работают очистители от соли – капиллярный эффект
Р азводы на поверхности обуви – лишь верхушка айсберга. Основная проблема кроется глубоко в порах материала. Львиная доля растворённых водой солей остается внутри. И при испарении влаги растущие кристаллы разрывают стенки пор, из-за чего образуются трещины - сначала внутри пор, а потом и на поверхности обуви.
Чтобы понять принцип работы очистителей от соли и реагентов, необходимо вспомнить о некоторых физических свойствах жидкости, а именно об эффекте поверхностного натяжения и капиллярных явлениях, которые еще называют фитильным эффектом.
О чиститель от соли вытягивает реагенты из самой кожи, что предотвращает разрывы внутри материала, но она может находится в вашей обуви в несколько слоёв. Поэтому необходимо воспользоваться средством еще раз, в случае выступления соли снова. После очищения и отсутствия соли, для смягчения материала необходимо обработать поверхность обуви смягчающим бальзамом либо кремом для обуви, и далее защитить обувь водоотталкивающей пропиткой.
1.6 Цели и задачи
Цель работы:
1.Изучить явление поверхностного натяжения, смачиваемости, капиллярности.
2.Реагенты, вода, грязь. Как очистить и потом защитить поверхность обуви из любого материала.
Задачи:
Из источников литературы и интернета узнать информацию о свойствах соли и воды и о таких явлениях как поверхностное натяжение, смачиваемость, капиллярность.
Определить, какой водоотталкивающий спрей покажет более устойчивые показания.
Определить лучший очиститель от реагентов.
Сделать вывод о проделанной работе и составить рекомендации об очистителях от соли.
В процессе всей работы провести фотосъемку.
1.7 Объекты исследования
Мы проведем опыты и будем выявлять насколько эффективно использовать очиститель от соли для замши, нубука и всех видов гладких кож. Объектами исследований стали 4 вида очистителей от соли и реагентов, различных марок.
Во второй части также проведем исследование и определим какой спрей обладает более высоким защитными гидрофобными показателями. В данном пункте мы взяли 9 образцов разных производителей.
2. Экспериментальная часть
2 .1 Эксперимент с очистителями от соли и реагентов
Д аже при регулярном уходе за обувью мельчайшие загрязнения проникают в поры, а на поверхности скапливается пыль и грязь. В этой главе мы будем проводить эксперимент и посмотрим какие очистители от соли справятся с поставленной задачей и вернут материалу привлекательный внешний вид.
Ч тобы показать, насколько сам эксперимент интересен, мы взяли некоторые пары ботинок и разделили клейкой лентой на 4 части, как показано на фото. И очищали каждую часть ботинок разными средствами.
Результаты эксперимента приведенные выше прошли очистку от реагентов один раз. И уже можно сделать некоторые выводы относительно очистителя под №2 и очиститель образец№3 – эти средства дали отличный результат, нейтрализовали реагенты и восстановили кожу изделия.
2.2 Эксперимент с водоотталкивающими средствами
В се пары были подвергнуты смачиванию чистой проточной водой. Результаты на фото. Чтобы показать, насколько сам эксперимент интересен, мы взяли некоторые пары ботинок и разделили клейкой лентой на 4 части, как показано на фото. И обрабатывали каждую часть ботинок разными средствами.
Как видим из фотографий выше- и нижеприведенных все испытуемые дают различный результат. Мы пытаемся понять, могут ли не дорогие пропитки достойно выдержать эту битву.
П осле того как были проведены домашний эксперимент мы приступили к тестированию на улице.
К ак показал эксперимент, водоотталкивающая пропитка образец №1 не оправдала наши ожидания, и уже вторую пару обуви из гладкой искусственной и натуральной кожи испортил. На ботинках остались белые разводы.
Н е стоит думать, что такого рода средства необходимы только зимой, осенью или весной, но даже летом необходимо помнить о защите своих прекрасных туфель и босоножек. Как видите на фото ниже, попав под дождь ваша обувь останется под защитой, но не все пропитки выдерживают этот тест.
3. Результаты эксперимента и как выбрать хорошее средство
3.1 Результаты очистителей от соли и реагентов:
В нижеприведенной таблице представлен очиститель ОБРАЗЕЦ №1, средство высоко-ценового сегмента. В таком сегменте обычно представлены товары, стремящиеся зарекомендовать себя в образе «специалистов и экспертов» рынка, которой она и является. Популярность не высока, так как производитель пытается подчеркнуть высокий социальный статус и особый имидж покупателя.
Очистители ОБРАЗЕЦ №2 и ОБРАЗЕЦ №4 товарs средне-ценового сегмента. Качество ОБРАЗЦА №2 на очень высоком уровне и популярность его неуклонно растет. ОБРАЗЕЦ №3 находится на уровне ниже средней розничной цены по рынку, но при этом выполняет заявленные обещания и прекрасно справляется со своей задачей.
Из приведенных в данной работе очистителей все средства находятся в широком доступе и предназначены для разных ценовых сегментов. Победителем эксперимента по удалению остатков солей становится ОБРАЗЕЦ №2. Идеальное соотношение цена-качество.
Не рекомендуем приобретать очиститель ОБРАЗЕЦ №4 результаты которого, даже после повторного применения не исправил ситуацию и оставил белые разводы от реагентов.
3.2 Результаты водоотталкивающих средств:
- Из нижеприведенной таблицы мы видим разницу схожие по составу средства, которые значительно отличаются по цене, но два водоотталкивающих средства во всех экспериментах дали предельно эффективные результаты - ОБРАЗЕЦ №3 и ОБРАЗЕЦ №5.
- Значительно более дешевые альтернативы способны помочь сохранить свой первоначальный вид, если грамотно и гораздо чаще за ней ухаживать. Стойкость любого материала к воде и разным агрессивным компонентам — соль, реагенты, загрязнения, увеличивается, но оставляет желать лучшего.
- Как мне показалось из проведенного эксперимента пропитки марки ОБРАЗЕЦ №9, имеют очень хорошие показатели, и считаю, что практически не уступают победителям данного конкурса.
Как видно из гистограммы популярными наиболее приобретаемыми водоотталкивающими спреями являются те, у которых невысокая цена это Образец №4, Образец №6, Образец №8. Но как показали эксперименты, лучшими показателями качестваобладает только 2 спрея и это образец №3,Образец №5, это то что касается изделий из натуральных материалов. А вот новинка для искусственной кожи и комбинированной Образец №9является лучшим и пока единственным средством на рынке для этого сигмента.
4.Вывод
Истории о том, как дорогущие заморские сапоги пали жертвой русской действительности в виде коктейля из снега, соли и реагента, стали уже традиционными для любой зимы в городе. Поэтому обязательно регулярно обрабатывайте обувь водоотталкивающими средствами. Но очистка не менее важный этап защиты обуви в зимний период.
Пропитка не дает 100% защиты от влаги, но тем не менее обувь не промокает, так как если бы ее (пропитки) не было, известно что мокрая обувь очень хрупкая. Понятно, что пока материал пропитан водой, ни о какой транспортировке пара сквозь него не может идти и речи.
Единственный способ избежать знакомства с солью и реагентами – использовать водоотталкивающую пропитку. Регулярное использование средств для обуви улучшает внешний вид изделия и позволяет ему служить дольше. Это единственный вариант защиты от соли и реагентов, грязи и влаги. Ткань становится гидрофобной, то есть она не смачивается и при этом пропускает сквозь себя пар.
Е ще одним плюсом является то, что пропитка защитит материал от выгорания и обесцвечивания.
5. Использованная литература
1. Лит.: Адам Н. К., Физика и химия поверхностей, пер. с англ., М., 1947; Громека И. О., Собр. соч., М., 1952.
Адамсон А. Физическая химия поверхностей. – М.: Химия, 1979.
Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. – Мн. Нар. асвета, 2002. — 382 с.
Ландсберга Г.С.; Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т./ Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика — 13-е изд. —М.: Физматлит, 2003. — 608 с
Остроумов С.А., Лазарева Е.В. Поверхностное натяжение водных растворов додецилсульфата натрия в присутствии водных растений – Вода: технология и экология. 2008 № 3 с. 57-60.
https://probootblack.info/tarrago-nano-protector/
https://serviceyard.net/garderob/vodoottalkivayushhaya-propitka-dlya-obuvi-kakaya-luchshe.html#vidy-vodoottalkivayuschih-sredstv
http://membra.ru/technology/membrans/technologies_gore-tex_footwear/goretex_surround/
http://www.olvist.com/catalog/vlajnye_salfetky
https://obuv-kumi.com