XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование капиллярных свойств бумажных полотенец
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В нашей современной жизни мы используем много различных средств и приспособлений личной гигиены, которые упрощают нам жизнь. Для поддержания чистоты, многие люди пользуются бумажными полотенцами, но не все они оправдывают свою цену. Принято считать, что чем выше качество салфеток, тем выше социальный статус человека. Они различаются по цвету и размеру, бывают гладкие и рельефные, однослойные и многослойные, имеют разную поверхностную плотность. Покупая салфетки в магазине, мы постоянно задаемся вопросом: "Хорошего ли они качества?"
Бумажные полотенца - это практичный и гигиеничный способ поддерживать чистоту, как дома, так и в общественных местах. Они также являются более экологически чистым выбором в сравнении с полотенцами из нетканого материала или полиэстера. Будь то дом, рабочее место или публичное пространство, бумажные полотенца всегда приносят удобство и эффективность в поддержании гигиены и чистоты.
Объект исследования: образцы бумажных полотенец разных торговых марок и видов.
Предмет исследования:
1. физические характеристики (толщина, плотность основы, внутренняя структура) бумажных полотенец;
2. физические свойства (прочность, впитывающая способность, капиллярность) бумажных полотенец.
Цель работы: изучение физических характеристик и капиллярных свойств бумажных полотенец разных торговых марок и видов, выбор наиболее качественных бумажных полотенец.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Собрать и исследовать информацию по теме капиллярность и поверхностное натяжение.
2. Исследовать физические характеристики и капиллярные свойства бумажных полотенец различных торговых марок и видов.
3. Сравнить качество и цену бумажных полотенец от разных торговых марок.
4. Выбрать наиболее качественные бумажные полотенца.
Гипотеза: Самые дорогие бумажные полотенца окажутся наиболее качественными, ведь они изготовлены из наиболее дорогих и качественных материалов.
Методы исследования:
1. Изучение материалов по данной теме.
2. Проведение наблюдений и экспериментов.
1. Характеристики бумажных полотенец
1.1. Основные характеристики бумажных полотенец
Качественные бумажные полотенца отличаются прекрасным внешним видом и превосходными внутренними характеристиками. Благодаря использованию натуральной целлюлозы, они имеют прочную структуру, которая обеспечивает надежность в процессе использования, не допуская разрывов или повреждений. Более того, они обладают отличной способностью поглощать влагу, удалять жир, грязь и даже свежие пятна. После единоразового использования, вы можете безопасно избавиться от них, предотвращая размножение вредоносных микроорганизмов. Бумажные полотенца находят широкое применение на кухне, где их можно использовать для тщательного вытирания рук, столовых приборов и различных поверхностей. [1,с.20]
Производство бумажных полотенец появилось в Японии в 19-м веке. Как и всё новое, эта продукция была достаточно дорогой, к тому же бумага того времени сама по себе была не дешёвой. Популярными бумажные полотенца стали в 70-х годах прошлого века благодаря немцам. Именно в практичной Германии решили поставить производство на поток, чтобы сделать бумажные полотенца доступными. Жажда комфорта и чистоты превзошла эстетику, что позволило появиться бумажным полотенцам в каждом доме, причём за небольшие деньги. [1,с.20]
Основные характеристики бумажных полотенец:
1. Геометрические (пористость, гладкость, масса 1м2 (плотность основы), однородность структуры).
2. Механические (прочность на разрыв).
3 Сорбционные (впитывающая способность).
Пористость непосредственно влияет на впитывающую способность бумаги. Бумага является пористо-капиллярным материалом, при этом различают макро- и микро пористость. Макропоры, или просто поры ‒ это пространства между волокнами, заполненные воздухом и влагой. Микропоры, или капилляры, ‒ мельчайшие пространства неопределённой формы, образующиеся между волокнами целлюлозы у немелованных бумаг. Капилляры есть и внутри целлюлозных волокон. Если бумага немелованная, не слишком уплотненная, то такие полотенца – макропористые. Такая бумага хорошо впитывают жидкости благодаря своей рыхлой структуре, то есть сильно развитой внутренней поверхности. [1, 2,с.20]
Гладкость бумаги, то есть её микрорельеф, определяет способность бумаги передавать без разрывов и искажений тончайшие красочные линии, точки и их комбинации. Это одно из важнейших печатных свойств бумаги. Чем выше гладкость бумаги, тем больше полнота контакта между её поверхностью и печатной формой, тем меньшее давление нужно приложить при печатании, тем выше качество изображения. Таким образом, чтобы получить на бумажном полотенце качественный рисунок, его поверхность должна быть гладкой. [2,с.20]
Плотность основы показывает, какую массу имеет 1 м2 бумажного полотенца. Единица плотности основы ‒ г/м2. По принятой классификации масса 1 м2 бумажных полотенец может быть меньше 24 г (полотенца низкой плотности) и больше 24 г (полотенца высокой плотности). [2,с.20]
Просвет бумаги характеризует степень однородностиеё структуры (равномерности распределения в ней волокон). О просвете бумаги судят по наблюдению в проходящем свете. Бумага с сильно облачным просветом крайне неоднородна. Её тонкие места являются и наименее прочными. Печать на облачной бумаге оказывается низкого качества из-за неравномерности восприятия бумагой печатной краски. Интенсивнее окрашиваются толстые участки бумажного полотна и менее интенсивно ‒ тонкие. [2,с.20]
Прочность бумаги зависит от прочности самой структуры бумаги, которая формируется в процессе бумажного производства. Это свойство характеризуется обычно разрывным усилием в ньютонах. [2, 3,с.20]
В питывающая способность бумаги показывает интенсивность впитывания
(1.1)
1.2. Понятие капиллярности
Капиллярность - это комбинированная функция, которая помогает определить поверхностное натяжение воды.
Капилляры - это тонкие трубочки, жидкость которых меняет уровень в трубках.
На капиллярном эффекте основано действие: салфеток, бумажных полотенец. Также капилляры - это очень тонкие сосуды в организме человека и других живых существ.
(2.1)
Для изучения капиллярных свойств используется метод капиллярного подъёма.В методе капиллярного подъёма используется сила притяжения.Она приводит к тому, что поверхность воды сжимается внутренними стенками из-за силы отталкивания. Минимальную площадь её объёма, может составлять сжатие точки к поверхности площади.
Силы, которые действуют в капиллярах:
1. Сила сцепления - возникает натяжение между неодинаковыми молекулами.
2. Поверхностное натяжение.
3. Сила притяжения - вода сжимается внутренними стенками из-за силы отталкивания.
Капиллярный эффект: Капиллярный эффект возникает из-за снижения или увеличения давления жидкости под мениском, который образуется при смачивании жидкостью стенок капилляр. Позволяет выявлять трещины, которые не видны человеческим глазом. [3, с.20]
1.3. Понятие поверхностного натяжения
Впервые о поверхностном натяжении жидкостей было упомянуто в Древнем Риме. Тогда люди наблюдали процесс взаимодействия оливкового масла и воды. С развитием молекулярной физики и углублением в свойства жидкостей и газов, было установлено чёткое отличие двух этих сред. Жидкость на границе с газом или паром образует свободную поверхность. Это объясняет то, что жидкость будет занимать в сосуде только ту часть объёма, которая зависит от её массы и плотности. Внутри жидкости молекулы взаимодействуют друг с другом со всех сторон. На поверхности же молекулы взаимодействую как с паром, плотность которого в разы меньше плотности самой жидкости, и поэтому этим взаимодействием можно пренебречь, так и с внутренними молекулами жидкости. На поверхности остаётся только та часть молекул, при которой площадь была бы минимальна для данного объёма. Если мы начнём увеличивать поверхность жидкости путём внешнего воздействия, то молекулы внутренних областей начнут переходить наверх. Таким образом, будет совершать работа против сил притяжения, действующая именно на эти молекулы. В системе СИ поверхностное натяжение имеет значение Н/м или Дж/м2. [4,с.20]
Факторы, влияющие на поверхностное натяжение
Каждое физическое и химическое явление подвержено воздействию каких-либо факторов. Явление поверхностного натяжения не является исключением. Для наблюдения поверхностного натяжения нужно добиться температурного баланса между жидкостью и внешней средой, если данное условие будет не соблюдено, то энергия поверхности будет стремиться к нулю, то есть эффекта натяжения поверхности жидкости не возникнет. С увеличением температуры поверхностное натяжение всегда уменьшается.
Это связано: 1) С ростом теплового движения молекул происходит ослабление их межмолекулярного взаимодействия, что приводит к снижению внутреннего давления и, соответственно, уменьшению значения σ.
2) С другой стороны, под воздействием давления, насыщенный пар ро начинает выделяться, увеличивая концентрацию молекул в газовой фазе. В результате этого снижается нескомпенсированность сил на поверхности раздела фаз и значительно ослабляется поверхностное натяжение.
3) Так же большое значение для поверхностного натяжения имеет среда, с которой граничит жидкость. Например, масло и вода, благодаря иной плотности масла жидкости не смешиваются и не растворяются друг в друге, и мы можем наблюдать чёткую границу двух сред. На этой границе молекулы каждой жидкости взаимодействуют друг с другом иначе, чем когда жидкость имеет свободную поверхность. Силы этих взаимодействий направлены в различные стороны, от чего и происходит уменьшение энергии поверхности, а значит и поверхностного натяжения.
4) Ещё одним фактором является давление. Изменение объёма должно происходить под постоянным давлением. [4,с.20]
1.4. Способы измерения коэффициента поверхностного натяжения
Метод поднятия жидкости в капилляре
Метод основан на прямой зависимости поверхностного натяжения от высоты столба жидкости. Поверхностное натяжение зависит от давления под слоем жидкости. Если давление жидкости меньше атмосферного, топри погружении капилляра в более широкий сосуд на некоторую глубину к давлению прибавиться гидростатическое давление, и тогдадавление
(6.1)
И так как жидкость находится в равновесии, на той же глубине давление жидкости будет равняться атмосферному давлению.
(6.2)
Метод Вильгельми
Универсальный метод, измеряется усилие, которое возникает в процессе отрыва стеклянной пластины от поверхности жидкости. Подходит для измерения поверхностного натяжение в течение длительного времени. При погружении пластины с периметром (L) в смачивающую жидкость, вес пластины 0 +L cos0, где G0-сухой вес пластины. (6.3)
Метод определения по форме висячей капли
Можно проводить измерения при повышенной температуре или давлении, анализирую геометрию капли. [5,с.18]
2. Исследование механических и капиллярных свойств бумажных полотенец
2.1. Исследование механических свойств бумажных полотенец
Для изучения механических и капиллярных свойств бумажных полотенец рассматривались следующие образцы:
1. ОБРАЗЕЦ №1, двухслойные полотенца.
2. ОБРАЗЕЦ №2, трёхслойные полотенца.
3. ОБРАЗЕЦ №3, двухслойные полотенца.
4. ОБРАЗЕЦ №4, двухслойные полотенца.
5. ОБРАЗЕЦ №5, двухслойные полотенца.
Для изучения прочности бумажные полотенца нарезались полосками длиной 10 см и шириной 2 см. Один край полотенца прижимался пальцем к столу, а к другому зажимом прикреплялся динамометр. Образец растягивался, в момент разрыва фиксировались показания динамометра. (Приложение 2)
Для каждого образца проводилось 6‒7 измерений и находилось среднее арифметическое значение разрывного усилия. Результаты представлены в таблице 3.
Было обнаружено, что бумажные полотенца обладают анизотропией механических свойств, что связано с ориентацией волокон целлюлозы и степенью однородности их распределения в структуре полотенец. Эксперимент показал, что образцы с плотностью основы до 18 г/м2 имеют более низкую механическую прочность. Оказалось, что у полотенец с неоднородной структурой механическая прочность также оказалась ниже.
Также изучалась внутренняя структура бумажных полотенец с помощью микроскопа. Наилучшей пористостью обладают полотенца ОБРАЗЕЦ №4.
(Приложение 3)
Таблица 1
Классификация бумажных полотенец
|
По сырью |
Первичная целлюлоза |
Вторичная целлюлоза |
|
|
По плотности основы |
до 24 г/м² |
выше 24 г/м² |
|
|
По количеству слоев |
однослойные |
двухслойные |
трехслойные |
|
По стоимости |
Дешёвые |
Дорогие |
|
Таблица 2
Характеристики бумажных полотенец
|
Название |
Цена, руб. |
Масса пачки m, г |
Масса 1 листа m, г |
Плотность ρ, г/см3 |
Кол-во листов |
Реальное кол-во листов |
Цена за 1 лист, руб. |
|
ОБРАЗЕЦ №1 |
180 |
303 |
1.15 |
0.2 |
114 |
114 |
1.56 |
|
ОБРАЗЕЦ №2 |
140 |
270 |
1 |
0.18 |
100 |
100 |
1.4 |
|
ОБРАЗЕЦ №3 |
233 |
277 |
0.9 |
0.16 |
114 |
114 |
2 |
|
ОБРАЗЕЦ №4 |
100 |
257 |
1.7 |
0.30 |
144 |
144 |
0.7 |
|
ОБРАЗЕЦ №5 |
120 |
250 |
2 |
0.36 |
114 |
114 |
1.2 |
Таблица 3
Механическая прочность салфеток
|
Название |
Минимальное разрывное усилие, Н |
Рейтинг |
|
ОБРАЗЕЦ №1 |
5 |
1 |
|
ОБРАЗЕЦ №2 |
2.2 |
4 |
|
ОБРАЗЕЦ №3 |
2 |
5 |
|
ОБРАЗЕЦ №4 |
3 |
3 |
|
ОБРАЗЕЦ №5 |
3.4 |
2 |
Можно сделать вывод, что бумажные полотенца ОБРАЗЕЦ №1 оказались самыми прочными, с большим отрывом от других бумажных полотенец. Полотенца ОБРАЗЕЦ №5 оказались в самом низу рейтинга.
2.2. Исследование капиллярных свойств у бумажных полотенец
Исследование №1: Впитывающая способность полотенец.
Для проведения данного эксперимента использовались полоски бумажных полотенец, разрезанные шириной 2 см. Каждая из полосок была пронумерована последовательно для облегчения наблюдений. Далее, каждую полоску бумажного полотенца опускали в воду, сок и масло на 5 секунд и проводили измерения поднятия уровня. Это позволяло сделать выводы о способности полотенца впитывать воду, сок и масло. Чем больше значение, тем больше впитало полотенце. Результаты исследования №1 представлены в таблице 4. (Приложение 1)
Таблица 4
Впитывающая способность полотенец
|
Название |
Вода h, мм |
Сок h, мм |
Масло h, мм |
Рейтинг |
|
ОБРАЗЕЦ №2 |
60 |
58 |
42 |
5 |
|
ОБРАЗЕЦ №3 |
55 |
50 |
38 |
4 |
|
ОБРАЗЕЦ №1 |
41 |
36 |
28 |
2 |
|
ОБРАЗЕЦ №4 |
55 |
49 |
32 |
4 |
|
ОБРАЗЕЦ №5 |
40 |
40 |
30 |
3 |
По результатам исследования №1 можно сделать вывод, что первое место среди всех образцов заняли полотенца ОБРАЗЕЦ №2, хуже всех оказались полотенца ОБРАЗЕЦ №1.(Приложение 1)
Исследование №2: Впитывающая способность полотенец.
В этом исследование погружается целый лист бумажного полотенца в воду и с помощью секундомера засекать время полного впитывания полотенцем воду. После чего взвешивается каждый образец, и находится впитывающая способность по формуле:
(8.1)
Результаты исследования №2 представлены в таблице 5. (Приложение 2)
Таблица 5
Впитывающая способность полотенец
|
№ |
Название |
Время, с |
Масса |
Впитывающая способность |
Рейтинг |
||
|
mсухая, г |
mмокрая, г |
∆m, г |
|||||
|
1 |
ОБРАЗЕЦ №1 |
68 |
1.15 |
9 |
7.85 |
6.82 |
4 |
|
2 |
ОБРАЗЕЦ №2 |
30 |
1 |
8 |
7 |
7 |
5 |
|
3 |
ОБРАЗЕЦ №3 |
48 |
0.9 |
8 |
7.1 |
7.8 |
4 |
|
4 |
ОБРАЗЕЦ №4 |
43 |
1.7 |
9 |
7.3 |
4.3 |
4 |
|
5 |
ОБРАЗЕЦ №5 |
72 |
2 |
10 |
8 |
4 |
3 |
Заключение
По итогам двух исследований трёхслойные бумажные полотенца ОБРАЗЕЦ №2 оказались самыми качественными. Отлично и быстро впитывают жидкость. На втором месте оказались полотенца ОБРАЗЕЦ №4- самые дешёвые из списка, они показали себя достойно, за небольшую стоимость получили хорошее качество. И на третьем месте остались бумажные полотенца ОБРАЗЕЦ №3- самые дорогие из списка. Также можно сделать вывод о том, что дорогие бумажные полотенца не всегда более качественные и удобные в использовании. Более дорогие полотенца лучше впитывают жидкость и имеют хорошую прочность, что является главным потребительским качеством. Отсутствует прямая связь между плотностью полотенец и их способностью впитывания. Кроме того, такая характеристика, как плотность, не рассматривается при описании бумажных полотенец. Данная работа будет полезна людям, которые встают перед выбором бумажных полотенец в магазине, ведь вариантов достаточно много. Кто-то хочет дешёвый вариант с максимальным за эту стоимость качеством, а кто-нибудь другой захочет самые качественные полотенца. Просмотрев данную работу, покупатели смогут определить, какие из бумажных полотенец подходят именно им.
Список использованных источников информации
1. Almin.ru [Электронный ресурс]-Режим доступа: https://clck.ru/39NYhK
2. Википедия/Статья «Капиллярность» [Электронный ресурс]-Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Капиллярность
3. Мизина Д.А., Немтинова А.В. Исследование явления поверхностного натяжения жидкостей и измерение коэффициента поверхностного натяжения опытным путём [Текст] / Д.А. Мизина, А.В. Немтинова// Международный школьный научный вестник. – 2017. – № 3-2.
4. Ступопедия/Статья «Метод капиллярного подъёма» [Электронный ресурс]-Режим доступа: https://clck.ru/39NYq5
5. Ступопедия/Статья «Способы определения поверхностного натяжения жидкостей» [Электронный ресурс]-Режим доступа: https://clck.ru/39NYt7
Приложение 1
Подготовка к исследованию №1
Фотография 1
Результаты исследования №1
Фотография 2
Приложение 2
Подготовка к исследованию №2
Фотография 3
Исследование механических свойств бумажных полотенец
Фотография 4
Приложение 3
Исследование внутренней структуры бумажных полотенец
Фотография 5
Фотография 6