3.3.3. Условия образования газообразных включений на стадии удаления растворителя

Г азообразные включения на стадии удаления растворителя появляются в изоляции в том случае, если давление паров растворителя на лаковую пленку превышает давление растворителя внутри лаковой пленки. С одной стороны, давление паров растворителя на лаковую пленку снижается с уменьшением концентрации растворителя в лаке. С другой стороны, давление паров растворителя повышается с увеличением температуры проволоки. При эмалировании проводов на стадии удаления растворителя одновременно происходит как увеличение температуры, так и уменьшение концентрации. Кривая образования пузырей в лаках показана на рис. 3.7.

При концентрации растворителя менее 10–12 % температура, при которой образуются газообразные пузыри, резко повышается, точке перегиба соответствует критическая температура t_кр и критическая концентрация С_кр (табл. 3.3). Ниже С_кр независимо от температуры материала газовые пузыри в изоляции образовываться не будут.

Если зависимость концентрации от температуры не пересекает кривую образования пузырей (1), то газообразные включения не образуются. Если эта зависимость пересекает (кривые 2, 3), то газообразные включения образуются.

Таблица 3.2

Значения С_кр и t_кр для некоторых типов эмаль-лаков

Тип эмаль-лака	Скр, %	tкр, К
ПЭ-939	14	503
УР-9119	19	453
ИД-9142	18	463

Если при t ≥ t_кр С ≤ С_кр, то газообразные включения в эмалированной пленке не образуются. Минимальная скорость эмалирования, при которой газообразные включения образовываться не будут, называется оптимальной скоростью эмалирования на стадии удаления растворителя.

3.4. Расчет процесса пленкообразования изоляции эмалированных проводов

На второй стадии тепловой обработки провода в эмаль-печи происходит образование поперечных химических связей между макромолекулами полимера. Частота образования химических связей определяет физико-механические и электрические свойства изоляции эмалированных проводов. Этот процесс называется процессом пленкообразования.

Пленкообразование при эмалировании чаще всего происходит в результате реакции поликонденсации, при которой выделяются побочные низкомолекулярные продукты. Эти продукты должны быть удалены из лаковой пленки, иначе в изоляции будут образовываться газообразные включения.

Для количественного описания процесса пленкообразования вводится понятие степени пленкообразования (СПО) – степени завершенности реакции пленкообразования. СПО представляет собой отношение поперечных химических связей, которые образовались к данному моменту времени в единице объема, к количеству химических связей, которые могут образоваться в изоляции:

,

где – количество связей, которые образуются;

– количество связей, которые могут образоваться;

N – количество связей, которые еще могут образоваться после данного момента времени.

Для реакции пленкообразования справедливо основное уравнение химической кинетики:

,

где k₁ – скорость реакции пленкообразования;

n – порядок реакции пленкообразования.

Для ряда эмаль-лаков порядок реакции n = 1 (реакция первого порядка).

Тогда

.

Проинтегрируем это выражение:

,

,

.

Перепишем последнюю формулу в виде

,

. (3.19)

Скорость реакции пленкообразования k₁ изменяется в зависимости от температуры по закону Аррениуса:

,

где k₀ – константа скорости реакции пленкообразования;

 – энергия активации реакции пленкообразования;

k – постоянная Больцмана, К;

T – абсолютная температура.

Для небольшого интервала температур

. (3.20)

где k₀₁ и ₁ – коэффициенты, характеризующие реакцию пленкообразование и зависящие от типа лака;

 – температура проволоки, °С.

Подставим выражение (3.20) в (3.19):

. (3.21)

Предположим, что температура проволоки изменяется по линейному закону:

 = ₀ + V_н t. (3.22)

Подставим (3.22) в (3.21) и проинтегрируем получившееся выражение:

.

Так как температура проволоки изменяется не по линейному закону, то разобьем реальную температурную кривую на n линейных участков, тогда

.

Степень пленкообразования изменяется по проходам. Первый слой эмалированной пленки будет иметь большую степень пленкообразования, так как он проходит через эмаль-печь большее количество раз, а последний – меньшую, так как он проходит лишь один раз, следовательно:

.

где j – номер прохода;

k – общее количество проходов.

При одинаковой толщине эмалированного слоя, наносимого за каждый проход,

,

где А₁, А₂,…,А_k – СПО по 1, 2 и k-му проходам.

Экспериментально установлено, что изоляция эмалированных проводов соответствует ГОСТу, если А_ср ≥ 0,75.

Слипание изоляции на катушках исключается, если степень пленкообразования последнего прохода А_k ≥ 0,5.

При тепловой обработке проволоки кроме пленкообразования происходит термоокислительная деструкция (ТОД), т.е. разрушение связей.

Степень деструкции можно рассчитать аналогично, так как разрушение связей подчиняется тем же законам, что и их образование:

,

где ₂, k₀₂ – коэффициенты, характеризующие деструкцию.

.

Экспериментально установлено, что изоляция будет соответствовать требованиям ГОСТа, если В_ср ≤ 0,15.

для реакции пленкообразования, когда n ≠ 1.