Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т

электрод, плоскостьзаземленный осадительный электрод,

он же подложка), начальную напряженность поля Er:}, кВ/м,

в момент возникновения I<ороны можно найти с помощью фор­

мулы Пнка [50]:

где а+=3370, Ь+=О,242 для положительной короны; а-=3102,

Ь-=0,308 для отрицательной короны; r - радиус коронирую­

щего электрода, мм.

Выражением (5.4) можно воспользоваться для ориентиро­

вочного выбора основных параметров электродной системы

(при атмосферном давлении и температуре 300 К), посколы<у

оно дает величину напряженности поля короны в отсутствие

частиц полимера в межэлектродном пространстве. С вводом

внего частиц и увеличением их концентрации начальное на­

пряжение коронного разряда (КР) будет сдвигаться в область

более высоких значений.

Заряжение частиц диэлектрика в поле КР осуществляется

в основном посредством переноса ионов на поверхность части­

цы во внешнем электрическом поле. При этом поверхностная

плотность заряда характеризуется значениями локальной

плотности, которая определяется количеством ионов, осажден­

ных в то\1 11лн иной точке поверхности. Однако расчеты велн­

чины заряда, как правило, базируются на допущении о рав­

номернои (каi< и на проводнике) распределении заряда на ее

поверхности. Величина заряда зависит от геометрических ха­ рактеристик частиц и в первую очередь рт их формы и дис­ персности. Значительное влияние оказывает концентрация

частиц в поле коронного разряда.

Для изолированной сферической частицы диэлектрика ве­

где в- относительная диэлектрическая проницаемость поли­

мера; n - концентрация ионов на поверхности частицы; k -

подвижность ионов; воабсолютная диэлектрическая прони­

цаемость; Е- напряженность пою1 коронного разряда; а­

,радиус частицы; т- время захвата ионов.

Процессы заряжения в зоне КР протекают очень интен­ сивно и уже через О, 1 с частица приобретает заряд, близкий

к максимальному, велнчину которого можно оценить по фор­

муле

(5.6)

121

Анализируя выражение (5.6), нетрудно заметить, что элек­

трофизические характеристики полимера оказывают незначи­

тельное влияние на величину заряда. В частности, изменение

8 в пределах 2... 12 (в этом диапазоне располагается 8 почти всех дисперсных полимеров) сопровождается увеличением qmax менее чем в 2 раза. Изменение же размера частиц на

ту же величину ведет к увеличению qmax на два порядка.

Выражения (5.5), (5.6) могут быть использованы для оценки величины заряда в условиях незначительной концент­ рации частиц в поле КР. Однако в реальных процессах имеет

место коллективное движение частиц и учет влияния их кон­

центрации необходим, поскольку могут меняться !{ЭК условия

заряжения за счет перераспределения объемного заряда

ионов, так и условия перемещения частиц в результате их

взаимодействия (электрического и гидродинамического).

Эти эффекты приняты во внимание для случаев, когда

концентрация частиц в межэлектродном пространстве не пре­

вышает 200 г/м3 (такие концентрации имеют место в процес­ сах газоочистки в электрофильтрах [50]). Уже при таких кон­

центрациях происходит перераспределение поля, напряжен­

ность которого возрастает у осадительного и уменьшается у

коронирующего электродов. Помимо этого, может произойти

значительное уменьшение тока КР вплоть до его частичного

или полного запирания.

Роль концентрации еще более возрастает в процессах на­

несения дисперсных полимеров. В частности, интегральная

плотность псевдоожиженного слоя при оптимальных парамет­

рах псевдоожижения составляет (0,2...0,6) · 106 г/м3, т. е. на

несколько порядков превосходит концентрацию частиц, для

которых имеются расчетные данные по эффективности их за­

ряжения в поле КР (отметим, что плотность потока в электро­ струйных процессах таюkе значительно превосходит 200 г/м3). Такие величины !{Оiщентраций в анализируемых процессах нанесения должны оказывать еще более значительное влияние

на возникновение и протекание КР.

Следует отметить, что заряжение частиц КР в условиях их

псевдоожиженного слоя реализовано во многих технич~г.ких

решениях, о чем свидетельствуют работы [ 15, 343]. Как пра­ вило, при оценке эффективности КР за I{ритерий принимали

интенсивность переноса частrщ или массу их электроосажден­

ного слоя на подложке, т. е. определяли силовое воздействие

электрического поля на заряженные частицы полимера, но не

его ионизирующую способность в пссвдоожиженном слое.

Вместе с тем последний фактор имеет ряд особенностей [84, 107], которые следует учитывать в технологии КМП.

В работе [84] изучали эффективность КР по его вольт­

амперной· характеристике (ВАХ) в псевдоожиженном слое

дисперсного полимера. Исследования проводили следующим

122

·Образом. В камере вибровихревого устройства с псевдоожи­

женным слоем дисперсного полимера создавали электрическое

поле между нижним электродом (в виде иглы), установленным на пористую перегородi<у, и верхним (осадительным) элект­ родом, который одновременно являлся колдектором заряда.

_Для выделения ионного тока ii коллектор закрывали металли­ ческой сеткой, непрозрачной для порошка и достаточно пpoз-

-Б а

о

·6-ПСФ, d=25 мм, i=110 мм; в-ПВБ, d=35 мм, l=бО мм; г-ПТП, d=35 мм, l= 110 мм; 1 - иош1ый ток; 2 - полный ток (d- высота псев-

доожиженного слоя; l - межэлектродное расстояние)

рачной для ионного тока. Во всех режимах ток_на коллекторе, закрытом сеткой, составлял 20.. .40% тока i, регистрируемого

коллектором без сетки.

На рис. 5.7 представлены типичные БАХ газового разряда

в псевдоожиженном слое дисперсного полимера. В зависимо­

сти от высоты слоя d над электродом БАХ имеет две разно­

видности. У одной из них (а) наблюдается излом (в логариф­ мических координатах), который характеризует переход от

несамостоятельного газового разряда к самостоятельному

(КР) при увеличении потенииала на электроде. Другая раз­ новидность (в) имеет экстремальную зависимость, что может

свидетельствовать об отсутствин КР. В этом случае увеличе-

123

ние высоты псевдоожиженного слоя сопровождается умень­

шением как полного тоi<а газового разряда, так и его ионной

составляющей. Таким образом, высота псевдоожиженного слоя

(т. е. в общем случае распределение частиц в межэлектродном

пространстве) определяет возможность возникновения КР в

псевдоожиженном слое. Как видно из рисунка, межэлектрод­

ное расстояние не меняет вида БАХ, но оказывает значительное

влияние на напряжение возникновения КР: с его увеличением

ниже, что можно связать с

-12

меньшей подвижностью положительных ионов по сравнению

с отрицательными.

Выяснение роли природы исследуемых полимеров в про­

цессах протекания газового разряда в их псевдоожиженных

слоях показала, что изменение их электрофизических свойств

(е в диапазоне 2,1 ...3,4 и pv в диапазоне 1012 •• .1014 Ом· м) не

124

порядка (табл. 5.1), причем пробойное напряжение меняется незначительно. Этот факт трудно объяснить только с точ1ш

зрения электростатики. Действительно, если считать, что

наnряженность электрического nоля у nоверхности частиц

разной дисперсности одинакова (и близка к nробойной, что

характерно для КР), то удельный заряд частицы qfm= =aa2fa 3=a-1• Ускорение W, с которым частица извлекается

из nсевдоожиженного слоя, проnорционально удельному за­

раз.

Неудовлетворительно также объяснение зависимости i(a)

изменением диэлектрической проницаемости псевдоожижен­

ного слоя. Во-первых, диэлектрическая проницаемость иссле­ дуемых дисперсных материалов не превышала 4 и любые воз­ действия на псевдоожиженный слой (изменение его плотности, дисперсности частиц, интенсивности перемешивания) изме­ няли е слоя не более чем в 4 раза. Во-вторых, изменение е влияет не стоJrько на ток КР, СI<олько на пробойное напряже­

ние. Поэтому при анализе зависимости ВАХ от дисперсности

следует учитывать и гидродинамический фактор, а именно

изменение концентрации дисперсного материала в зависимости

от высоты, определяемое, с одной стороны, гранулометрическим составом частиц•. а с другой - их зарядовым состоянием, ве­ дущим к взаимному отталкиванию. Концентрация же заряжен­

ных частиц у осадительного электрода определяет величину

потока этих частиц на коллектор, т. е. регистрируемый ток.

Оба фактора учитываются стационарной гидродинамиче­ ской моделью псевдоожиженного слоя [84). На частицу ради­

усом а с зарядомq, находящуюся в псевдоожиженном слое на

высоте х в цилиндрической камере, действуют три силы: сила

тяжести mg, стоксова сила со стороны ожижающего газа

6n'l']au(x) и электростатическая сила Eq (ТJдинамическая вязкость газа; и- скорость газа). Величина Е определяется

разностью потенциалов, приложенной к электродам, плот­

ностью заряда во всем объеме псевдоожиженного слоя, а так­

же геометрией системы.

Будем далее рассматривать для простоты систему плоских электродов большой площади. Примем также, что размеры

всех частиц одинаковы и равны а; заряды всех частиц также

одинаковы и равны q. Зарядка частиц может происходить как

коронным разрядом, так и с помощью другого внешнего уни­

полярного ионизатора, например пучка электронов или ионов.

Напряженность электрического поля в рассматриваемой

системе

125

где и- межэлектродная разность потенциалов; р- плот­ ность электрического заряда; 1~- теi{ущая координата.

В равновесии сумма всех трех сил, действующих на части­

пу, равна нулю:

mg + Eq + 6л1]аи (х) = О,

В противном случае у дна камеры появится квазитвердая фаза, в которой велико механическое взаимодействие между

частицами и поэтому формула Стокеа неприменима. Если

усилить условие (5.8) и принять х~ 1, то ожижающий газ мож­

но считать несжимаемым и записать для него уравнение нераз­

рывности как закон сохранения объема:

S (3q- 4ла3р)

126

Хо=

8:rt2f)va'ee 0

qzs

соответствует характерному расстоянию, на котором концен­

трация частиц в псевдоожиженном слое падает в е раз.

Зависимость плотности заряда от высоты носит экспонен­

циальный характер. Так как хо~а\ то р~ехр (-V*x/a 4 ), где

V* - постоянная. При двукратном увеличении а ln р на фик­

сированной высоте уменьшается в 16 раз, соответственно рез­

ко падает р.

Таким образом, хотя удельная поверхность частиц вблизи дна камеры пропорциональна а (при поддержании условий

i ·10 1 А

Рис. 5.9. К:инетическая зависи­ мость тока К:Р через псевдоожи­ женный слой фторопласта-4МБ

127

уменьшению тока частиц с ростом их размера. Такая же за­

кономерность наблюдается в эксперименте и для ионного тока.

Численный расчет для а1 =25 мкм и az= 150 мкм дает (при

условии эксперимента 1]= 1,8·1Q-5 кг/(м·с), v=2·10-3 м3/с,

5=4·10-2 м2 )

что соответствует экспериментально измеренному отношению

токов.

К.инетические зависимости тока К.Р в псевдоожиженном

слое имеют следующий вид (рис. 5.9): после подачи потеiщиа­

ла ток достигает своего максимального значения, а затем

уменьшается до векоторой постоянной величины, которая на

один-два порядка меньше максимума.

Величина максимума снижается с увеличением размера

частиц и уменьшением напряженности поля в межэлектрод­

ном пространстве.

Установленный вид БАХ К.Р, а также величина TOI<a раз­

ряда при наличии псевдоожиженного слоя в межэлектродном

пространстве свидетельствуют о возможности использования

и несамостоятелыюго газового разряда. Работ по этому воп­

росу не имеется, и можно лишь предположить, что униполяр­

ное заряжение частиц в этой области обусловлено существо·

ваннем следующих ионизационных эффектов: а) разрядных

процессов (микроразрядов) между заряженными частицами

иограничивающими их поверхностями при контактном взаи­

модействии; б) разрядных про1.1:ессов между частицами и вы­ соковольтными электродами, обусловленных неоднородностыо электрического поля в приграничных зонах; в) обратного

коронного разряда в слое заряженных частиц, электроосаж­

денных на поверхности высоковольтных электродов.

Приведеиные результаты исследований свидетельствуют о возможностях при определенных условиях протекания К.Р в

псевдоожиженном слое, но не дают ответа на вопрос, почему

наиболее стабильно электростатический процесс происходит в

том случае, когда высоковольтные электроды расположены в

нижней части камерь~ псевдоожижения у пористой перегород­

ки и высота псевдоожиженного слоя над электродами заведо­

мо больше упомянутых выше значений, при которых возможно

протекание К.Р. На наш взгляд, заряжение частиц в псевдо­

ожиженном слое носит сложный характер, включает взаимо­

влияние различных механизмов заряжения и взаимосвязано с

последующими стадиями Qроцесса электромассопереноса.

В связи с этим мы вынуждены уже здесь упомянуть о неко­

торых особенностях стадии формирования электроосаждею-Iых

слоев, в частности об «обратной короне»- явлении, ограничи-

128

Другой силой, в меньшей степени влияющей на перемещение

частицы, является сила FЕ, обусловленная неравномерным

распределением напряженности электрического поля:

и в зависимости от направления может либо способствовать,

либо препятствовать движению частицы в межэлектродном пространстве. По данным работы [50], она составляет 1%

Fн, если размер частиц не превышает 300 мкм и Е-;:::.100 кВ/м.

Помимо перечисленных сил и силы тяжести в процессах электромассопереноса необходимо учитывать влияние сил

взаимодействия частицы с окружающей средой, т. е. с сосед­

ними частицами, а также с транспортирующим или псевдо­

ожижающим агентом.

Перенос заряженных частиц к обрабатываемой поверхно­

сти в электрическом поле как самостоятельная стадия процес­

са нанесения в большинстве случаев отдельно не рассматри­

вается, поскольку он связан со слеДующей стадией процесса - электроосаждением. О кинетике электромассопереноса судят обычно по характеристикам электроосажденноrо слоя частиц,

которые дают достаточно полную информацию об этоi"! стадии

процесса, вплоть до оценки скорости переноса частиц [ 159].

Это обусловлено еще и тем, что известные методы оценки па­

раметров процесса непосредственно на стадии переноса (зон­

довые методы оценки зарядов, а также методы с нспользова­

нием отбора проб на различных участках межэ.1ектродноrо

пространства) дают косвенную информацию, часто искажая реальную картину. Довольно информативные методы изуче­

ния движения заряженных частиц (в частности, метод регист­

рации траекторий частиц и его разновидности), используемые

в процессах переноса аэрозолей [50], пока не нашли широкого

применения для изучения переноса дисперсных по.1имеров.

5.1.1. Электромассоперенос нз псевдоожнженноrо слоя

Характерная особенность процессов электромассопереноса

дисперсных полимеров из псевдоожиженного слоя, отличаю­

щая их от эле1проструйных процессов, состоит в том, что

транспортировка частиц полимеров к обрабатываемой поверх­

ности осуществляется только под действием сил электриче­

ского поля.

Для выявления влияния параметров поля на кинетику пе­

реноса в случае, когда роль электрического ПОJIЯ сводитсн

только к отбору и переносу заряженных частиц,· но не к их

заряжению, высоковольтный электрод (перфорированный ме-

130