Вата

Вата

ВАТА, род дисперсной системы из твердого упругого тела в упруго-жидкой или капельно-жидкой непрерывной среде. Отличительный признак ваты - строение ее дисперсной фазы, состоящей из достаточно большого числа отдельных упругих, перепутанных между собой волокон, которые ни в какой области, достаточно малой сравнительно со всею областью системы, но достаточно большой сравнительно с поперечником волокон, не имеют какого-либо преобладающего направления; при этом ось каждого из них имеет вид линии двоякой кривизны, отношение длины к толщине весьма велико, а отношение длины ко всей области системы довольно мало. Перепутанность волокон ваты формально-геометрически м. б. определена как невозможность построить выпуклую поверхность, охватывающую одно только волокно и не содержащую других волокон. Отсутствие преобладающего направления волокон выражается как равновероятность любого направления оси; если же есть одно из направлений волокон весьма мало вероятное, то такая вата называется войлоком. Сопряженно-родственна вате другая дисперсная система - губка, представляющая почти негатив ваты: в губке непрерывная среда состоит из твердого упругого тела, а дисперсная фаза - из капельно-жидкого или упруго-жидкого вещества.

Общие свойства. Из формальных свойств ваты вытекают ее физические особенности. Состоя из бесчисленного множества отдельных, равномерно и разносторонне распределенных пружинок-волокон, вата представляет систему однородную и изотропную (собственно квази-гомогенную и квази-изотропную). Кроме того, эти пружинки трутся друг о друга в бесчисленных контактах: отсюда - способность ваты заглушать всякие колебания и толчки. Далее эти волокна образуют бесчисленные петли, и по любому направлению всегда найдется достаточное число весьма узких петель; отсюда - способность ваты задерживать мельчайшие частицы при фильтрации газов и жидкостей. Далее пространства между петлями образуют сложные и причудливые капилляры: отсюда - способность ваты всасывать жидкости, удерживать их в своей толще и передавать их по направлению, где эта жидкость из ваты извлекается. Теснота и извилистость каналов, наполненных газом (или, соответственно, жидкостью), служит задержкой конвекционных движений: отсюда - теплоизолирующие свойства ваты. Многочисленность соприкосновений отдельных волокон может содействовать чрезвычайному усилению контактных электрических эффектов (например, эффект Бранли и эффект Ребуля). Наконец, чрезвычайно большое значение удельной поверхности ваты (отношение поверхности к объему), при наличии легкой проницаемости толщи ваты, ведет к особенностям электрофореза в вате. Эти основные эффекты определяют области, в которых применяется вата; классификация применений представлена в табл. 1.

Функциональная классификация ваты

Ввиду многообразия применений ваты технические условия на нее не во всех случаях тождественны; однако большинство требований распространяется на все случаи применения. Суммарный список важнейших встречающихся обычно требований таков: 1) тонина волокна, 2) длина волокна, 3) упругость волокна, 4) прочность волокна, 5) нехрупкость волокна, 6) нестареемость волокна, 7) кажущийся удельный вес ваты, 8) теплостойкость, 9) холодостойкость, 10) негигроскопичность или, наоборот, гигроскопичность, 11) неизменяемость от влаги, 12) стойкость по отношению к органическим растворителям, 13) кислотостойкость, 14) щелочестойкость, 15) огнестойкость, 16) химическая инертность вещества волокон, 17) отсутствие посторонних частиц, 18) незагрязненность жиром и т. д., 19) электропроводность волокна или электронепроводность, 20) нетеплопроводность волокна, 21) определенный цвет, 22) экономическая доступность ваты данного рода для данного применения.

Классификация ваты по роду вещества, из которого состоят ее волокна, и толщина элементарного волокна различных родов ваты приведены в табл. 2 и 3.

Классификация ваты по веществу волокон

Толщина волокна ваты

При обширном диапазоне разнообразия геометрических, физических и химических характеристик волокон ваты свойства отдельных ее сортов м. б. весьма различны, - тем более, что в самой структуре ваты заложена чрезвычайная зависимость ее свойств также и от внешних условий -  среды, механических усилий, температуры, влажности, электрического поля и т. д. Но, с другой стороны, определенность и своеобразие ваты как структуры дает основание полагать, что м. б. найден ряд чисто формальных свойств этой дисперсной системы, присущих ей независимо от природы волокна и среды. Однако эта работа еще не проделана, и пока приходится ограничиваться в качестве примеров лишь несколькими предварительными указаниями на эмпирически подмеченную взаимозависимость свойств у нескольких отдельных видов ваты.

Объем волокон составляет сравнительно небольшую часть общего объема ваты (табл. 4), и потому удельный вес ваты (так наз. кажущийся) мало зависит от удельного веса волокон, хотя последний обычно колеблется в пределах 1—3, а в отдельных случаях металлической ваты может дойти даже до 22.

Содержание твердого вещества в вате

В гораздо большей степени удельный вес ваты меняется с давлением и, следовательно, он характеризует узость капиллярных ходов между волокнами. Поэтому с возрастанием удельного веса теплоизолирующие свойства ваты повышаются, но лишь до известного предела, после которого существенное значение получает теплопроводность самого вещества волокон, в силу количественного скопления их и многочисленности контактов. По опытам Мадисона, теплоизоляционные свойства ваты достигают наивысшего значения при удельном весе 0,14—0,19, причем различные минеральные составы по величине теплопроводности близки друг к другу. Зависимость теплопроводности асбеста от температуры, при различной плотности его, характеризуется кривыми Г. Грёбера.

vata 5

Как видно из этих кривых (фиг. 1), в пределах от —100 до +100° теплопроводность зависит от температуры линейно и может быть выражена в этих пределах соотношением

vata 6

где kt - число теплопроводности, d - плотность в кг/м3, a t - температура в °С. Капиллярная всасываемость ваты в зависимости от длины волокна показана кривыми Гофмана-Якобсена, относящимися к отбеленной целлюлозе (фиг. 2); при этом кривая а соответствует жирному размолу волокон, а кривая б - тощему.

Капиллярная всасываемость ваты в зависимости от длины волокна показана кривыми Гофмана-Якобсена, относящимися к отбеленной целлюлозе

Кривые А. Флемминга и А. Монкгауза характеризуют зависимость пробойной крепости прессшпана (т. е. войлока из растительных волокон) от его удельного веса (фиг. 3): кривая а относится к джуту и пеньке, б - к хлопку, а в - к бумажным волокнам.

Кривые А. Флемминга и А. Монкгауза характеризуют зависимость пробойной крепости прессшпана (т. е. войлока из растительных волокон) от его удельного веса

Наконец кривые Л. Шюллера показывают зависимость механической прочности бумаги и хлопка от температуры (фиг. 4); кривые а относятся к бумаге в масле (а1) и в воздухе (а2), а кривые б - к хлопку в масле (б1) и в воздухе (б2).

Кривые Л. Шюллера показывают зависимость механической прочности бумаги и хлопка от температуры

Содержа многочисленные капиллярные каналы, вата способна, при равновесии с окружающей газовой средой, скапливать в себе влагу, содержание которой зависит как от относительной влажности среды, так и от рода волокон. Приведенная ниже табл. 5 дает сопоставление соответственных чисел.

Поглощение влаги волокнами ваты

Весьма важным представляется вопрос о старении ваты. Обладая значительной удельной поверхностью (например, в хлопчатобумажной вате отношение поверхности в см2 к массе в г составляет от 2000 до 3333), причем поверхность доступна воздуху, сырости и другим влияниям, вата должна претерпевать усиленное воздействие химических агентов. Кроме того, технические свойства ваты существенно зависят от поверхностного натяжения волокон, и потому большое развитие поверхности ведет к ускоренному изменению свойств ваты и в силу изменения молекулярных свойств поверхности. На вате органического состава сказываются в первую очередь химические процессы (окисление и т. п.); на вате минерального состава - физические процессы (расстекловывание, выветривание поверхности и т. д.); на вате шлаковой и металлической - те и другие.

vata 11

На основании работ Т. Кухираи и Т. Акахиры (кривые зависимости между весом хлопковой ваты и временем прогрева для различных температур приведены на фиг. 5 и 6) в Отделе материаловедения Государственного экспериментального электротехнического института подобрана для старения хлопковой ваты приближенная формула

vata 12

связывающая время старения τ в час с абсолютной температурой Т и с потерей веса w в процентах начального веса ваты.

vata 13

Экстраполяция этой формулы и аналогичных, полученных для других материалов, позволяет предвидеть время, в которое при данной температуре произойдет определенная степень постарения данного материала. Так, хлопковая вата при 105° потеряет 10% своего веса через 52 года 7 месяцев и 11 дней. Утрата материалом того или иного свойства, выраженная в процентах р начального значения этого свойства, может быть представлена, далее, как функция от потери веса через постарение p = ϕ(w). Зная функции ϕ (например, уменьшение прочности хлопковой ваты в зависимости от времени, представленное графически на фиг. 7), можно, в силу соотношения w с Т и τ, вычислить срок, в который вата утратит р% рассматриваемого свойства при заданной температуре.

vata 14

Минеральная вата. Из асбестовой ваты изготовляются: 1) светильни в тех случаях бытовой и лабораторной практики, когда требуется несгораемость фитиля; 2) лабораторные фильтры, когда требуется тонкость пор и стойкость против кислот, щелочей и других агентов, разрушающих обычные фильтры; 3) микробиологические фильтры, когда требуется особая тщательность фильтрации, — например, асбестовый микро-мембран-фильтр Брейера (Вена) для фильтрации воды, изготовляемый из асбестовой взвеси, имеет около 274 млн. пор на 1 мм2 и задерживает самые мелкие микроорганизмы; 4) газовый фильтр Риманоцци; 5) винодельные фильтры, дающие в 17 раз более быструю фильтрацию вина сравнительно с другими способами, задерживающие бродильные начала и имеющие ряд других преимуществ (наиболее пригоден здесь уральский асбест в германской обработке, или «фильтр-асбест» Института прикладной минералогии, тогда как канадский сообщает вину особый запах, австрийский или итальянский - хрупки, а капский имеет грязный цвет); 6) асбестовые матрацы, из асбестовой ткани, с асбестовой набивкой (преимущественно капского асбеста), простеганные асбестом, применяются для тепловой изоляции паровозных и пароходных котлов, труб и т. д., когда приходится бороться с излучением или поглощением теплоты, в частности - для сульфитных кипятильников бумажных фабрик (вес таких матрацев около 0,4 кг на 1 м2); 7) химические препараты для наполнения стеклянных трубок, применяемых при нагревании газов. Асбестовая вата применяется для покрытия серебром, палладием, платиной как катализаторами, медью и окисью меди для органических сжиганий, двуокисью свинца для задержания окиси азота, а также как «носитель» платины в контактной массе, для производства серной кислоты и т. д.

Шлаковая вата, называемая также несгораемой или минеральной ватой, шлаковой шерстью, волокнообразным шлаком, изготовляется из доменных шлаков. Боковая струя пара, пересекая струю расплавленного шлака, распыляет ее в тончайшие стекловидные волоски, подобные стеклянным нитям, но более темные и химически менее стойкие. Содержа сернистые металлы, они разлагаются под влиянием воздуха и сырости, выделяя сероводород. Поэтому рекомендуется предварительно сплавлять шлаки с 9% гипса-сырца, что доводит содержание серы до 0,02%, или, по предложению Э. Д. Эльберса, - с пережженным гипсом, что еще более понижает содержание серы. Шлаковая вата применяется как наиболее дешевый и огнестойкий тепло- и звукоизоляционный материал - для заполнения стенок, для одежды паропроводов, котлов и труб, проводящих горячее дутье, и т. д.

Стеклянная вата. Производство ее держится в секрете, в общих же чертах таково: оттянутый на паяльном столе кончик стеклянного ствола прикрепляют к вращающемуся барабану; стекло подвергается постоянному нагреву, а непрерывно вытягиваемая стеклянная нить наматывается на барабан и снимается с него уже в готовом виде. Стеклянная вата идёт на химические кислотоупорные фильтры, изоляционные и невоспламеняющиеся ткани, а также для различных украшений.

Растительная вата. Сосновая вата, называемая также древесной ватой, лесной или сосновой шерстью, получается из игл хвойных деревьев - сосны, ели, пихты, кедра и пр. После пропарки паром в деревянных бочках для извлечения эфирного масла иглы варят в течение нескольких часов с содой и известью или с едким натром. Разваренные иглы разбивают затем на волокна в особых аппаратах - голландерах, прессуют и упаковывают в тюки. Сосновая вата имеет вид пышных комьев темно-бурого или табачного цвета, она хорошо отбеливается и тогда может быть белой, с виду похожей на хлопчатобумажную вату. Под микроскопом волокно сосновой ваты представляется в виде ровной прямой клетки, длина которой равна длине самой иглы и доходит до 75 мм (иглы ели дают волокна более короткие). Внутри клетки имеется очень узкий канал, иногда содержащий зернышки. Сосновая вата бывает разных сортов, от тончайших до грубых. Довоенная цена ее около 5 р. за 1 кг. Она применяется как медицинское средство от ревматизма, идет в шерстяные и бумажные ткани для костюмов, в фланель, бумазею для фуражек, для набивки матрацев, диванов и для одеял.

Шерсть древесная - наструганное при помощи особых машин тонкими узкими и длинными ленточками дерево, на что идут преимущественно отбросы лесопильного и лесостроительного производства. В зависимости от размера стружки и от назначения древесной шерсти различают следующие сорта: 1) упаковочная, применяемая вместо соломы и сена; длина стружки 25—30 см, толщина 1/6—1/15 мм, ширина 1—7 мм; 2) подстилочная стружка - длиннее и толще предыдущей; идет на подстилку скоту вместо соломы; 3) набивочная - в роде упаковочной; идет на набивку мебели, матрацев, экипажных подушек; 4) древесная корпия - самая тонкая древесная шерсть; применяется в медицине; 5) крашеная - для прокладки между оконными рамами; 6) обтирочная - для обтирания машинных частей.

Лигнин - очень тонкая, непроклеенная, рыхлая, б. ч. белая бумага, изготовляемая из чистой древесной, хорошо отбеленной целлюлозы. Этот лигнин (т. е. «перевязочное средство») не имеет ничего общего с лигнином в химическом смысле, как инкрустирующею составною частью дерева. Лигнин может заменять гигроскопическую вату при перевязке ран и при операциях, а также при упаковке хрупких предметов.

Линтер, линтерованное волокно, - коротковолосая хлопковая вата, получаемая с семян хлопчатника (Gossipium, семейства Malvaceae), - хлопковый пух; получается на особых машинах (линтерах) при предварительной обработке хлопковых семян в маслобойном производстве.

Бумажная вата - изготовляется из рыхлой бумажной массы, состоящей исключительно из хлопковых волокон. Бумажная масса перед пропусканием ее по ситу бумажной машины так разрыхляется струей горячего воздуха, что волокна ее потом не могут плотно соединиться. Эту войлочную массу, остающуюся рыхлой, сушат горячим воздухом и пропускают через поверхности с остриями и через щетки-вальцы. Перевязочная бумажная вата пропитывается антисептиками; применяется вместо медицинской ваты.

Вата гигроскопическая, или хирургическая (Gossypium depuratum vel hygroscopicum), - готовится из обыкновенной хлопковой ваты кипячением ее в слабом растворе соды для возможно более полного обезжиривания. Иногда хлопковую вату обрабатывают для той же цели бензином, а затем уж промывают содовым раствором. Гигроскопическая вата должна быть снежно-белой, совершенно чистой, без запаха и не изменять цвета влажной нейтральной лакмусовой бумажки. Содержание золы в гигроскопической вате не должно превышать 0,6—0,8%. Сжатая между пальцами и брошенная в воду гигроскопическая вата должна немедленно погружаться, тогда как необработанная содой вата плавает на воде. Гигроскопическая вата составляет главный перевязочный материал современной хирургии; она идет для перевязки ран либо в чистом виде, либо пропитанная разными медикаментами. Так, пропитка раствором хлорного железа дает желтую кровоостанавливающую вату (Gossypium haemostaticum), пропитка сулемой, борною кислотой, фенолом, йодоформом и т. д. дает соответственные антисептические ваты.

Целлюлозная вата - также получается из хлопковой посредством последовательной обработки щелочью, соляной кислотой, водой, спиртом и эфиром. Получающаяся снежно-белая масса поступает на рынок либо пухообразной, либо в виде проклеенных листов, идущих на фильтровальную бумагу для лабораторных работ. Другой способ получения целлюлозной ваты состоит в обработке очищенного хлопка водным раствором щелочи, потом хлором и бромом и промывкой в воде и эфире. Исходным материалом для целлюлозной ваты могут быть также дерево и солома, обрабатываемые сульфитным или сульфатным способами. Целлюлозная вата бывает желтовато-грязноватого цвета, а после побелки - белого. Обычно прессуется в виде рыхлой папки.

Пакля - чесанное льняное волокно, но короткое, перепутанное, с примесью кострики и иногда сорной травы; бывает различной чистоты. Специально расчесанная пакля идет на льняную вату. Чистое льняное расщипанное волокно применялось ранее в хирургии под названием корпии, но в настоящее время вытеснено гигроскопической ватой. Отбеленные льняные очесы, или угар бумажных ниток, продаются как суррогат хлопковой ваты. В отличие от льняного, хлопковое волокно при погружении в масло не просвечивает и имеет кутикулу, нерастворимую в аммиачной окиси меди.

Пеньковая пакля бывает разных видов. Получаемая от мятья пеньки - называется костылевка или конопатка и имеет вид коротких перепутанных волокон; получаемая от трепки - трепловая, кулепочная пакля; получаемая от чески - чесальная пакля, очесы, пакля-волос, галушка; имеет довольно длинное волокно. Существуют и другие виды пакли из волоконных растений: кендырная, джутовая, манильская и т. д.

Растительный пух (капок) и растительный шелк, - называемые также растительной шерстью, шелко-пухом и пухом древесным, - вата из коротких и нежных волокон, добываемых из семенных коробочек различных, преимущественно тропических, растений. Растительный пух дают растения семейства Bombaceae, а растительный шелк - семейство Asclepiadaceae. Эти виды ваты идут на набивку подушек, диванов и т. д., но большого промышленного значения не имеют. Отличия этих волосков от хлопка: окрашивание йодом и серной кислотой в желто-бурый цвет (хлопок окрашивается в голубой), круглый поперечный разрез (хлопок имеет плоский) и отсутствие штопорообразных извивов.

Животная вата. Шерстяная вата готовится из очесов, получаемых при обработке всякой шерсти на гребнечесальных машинах. Эти очесы называются также выческами и шерстяной паклей. Они состоят из перепутанной мелкой и коротковолосой шерсти. Другой вид ватообразного шерстяного отброса - тертая шерсть, кноп, или шерстяная пыль. Он получается при стрижке шерстяных тканей или истирании и резании шерстяных лоскутьев и идет на уплотнение и отяжеление сукна.

Имея сжатое сечение, волнистую линию оси и чешуйчатую поверхность, шерсть легко валяется в прочный войлок или более тонкую кошму. Эти войлоки, из овечьей, собачьей, верблюжьей, коровьей и т. п. видов шерсти, употребляются как теплоизоляция для обшивки стен под штукатурку и т. д. Однако при употреблении шерсти необходимо учитывать ее гигроскопичность: в сухом нагретом волокне удерживается до 12% влаги, а в очень сырое время года до 30—40%; черная шерсть гигроскопичнее светлой и белой. Более нежные тонкие и короткие волоски - подшерстка (подпушина, пушн) - дают шерстяной пух. Животный пух - верблюжий, кроличий, песцовый и т. д. - имеет еще большую гигроскопичность, чем шерсть. От птичьего пуха он отличается прямым, без бородки, строением волосков. Не менее отличается от шерсти длинный, прямой, жесткий и гладкий волос, крайним выражением которого служит щетина. При расчесывании волоса, например, конского, протягиванием прядей его через гребень получаются очески; таковы очески конского волоса и свиной пух.

Сопоставление удельного веса, истинного и кажущегося, с теплопроводностью различных видов ваты дано в табл. 6; здесь теплопроводность выражена в 10-3 J на см2 (сек., °С, см), что соответствует 0,239 cal на см2.

Удельный вес и теплопроводность ваты разного рода

В таблице 7 приведены относительные значения теплопроводности некоторых видов ваты.

Относительные значения теплопроводности некоторых видов ваты

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.