книги из ГПНТБ / Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент

Первые попытки применить новые методы и некоторые теорети­ ческие концепции к расчету смесителей для триацетатцеллюлозных растворов уже имеются в отечественной литературе [1]. Поэтому отметим только основные особенности такого расчета. Вследствие того что вязкость жидкостей, не подчиняющихся закону Ньютона, зависит от скорости деформации, скорость перемешивания пленкооб­ разующего раствора заметно влияет на его кажущуюся вязкость. Процесс смешения компонентов пленкообразующего раствора можно условно разделить на два этапа. В момент загрузки в аппарате находится смесь низковязких растворителей — ньютоновских жид­ костей. По мере растворения ацетата целлюлозы вязкость системы возрастает и в ней начинают проявляться новые свойства, характе­ ризующие образование раствора, не подчиняющегося закону Нью­ тона.

Таким образом, в период пуска смесителя в нем находятся в ос­ новном растворители, вязкость которых на несколько порядков меньше конечной вязкости образующегося рабочего раствора. По­ этому при конструировании смесителя (или выборе готовой конструк­ ции) целесообразно предусмотреть возможность изменения числа оборотов мешалки. В начале смешения во избежание непроизводи­ тельной затраты энергии число оборотов мешалки должно быть небольшим. Затем при достижении определенной вязкости раствора число оборотов мешалки следует увеличить. При этом, естественно, увеличится расход энергии, но возрастет скорость деформации и сократится продолжительность смешения. Экономичность про­ цесса определяется сопоставлением произведений:

N0t s N t'

где t u t ' — время, необходимое для достижения одинаковой степени смешения при числе оборотов мешалки, соответствующем расходу мощности 7Ѵ0 и N о-

При выборе типа мешалки и числа ее оборотов необходимо также учитывать эффективность смешения, определяемую для всего объема раствора индексом смешения:

j _ Хі-{- х2пх3^ ■• ■-\-хп

^обр

где X — степень смешения компонентов, %; ?гобр — количество ото­ бранных и испытанных образцов раствора.

Если обозначить концентрацию компонента в образце сг, а с0 — концентрацию, которой можно достигнуть теоретически, то степень смешения

Если, например, при изготовлении раствора триацетата целлю­ лозы в смеси метиленхлорида с метанолом в смеситель загружено

91

650 кг полимера и 8150 кг смеси растворителей, то теоретическая концентрация с0 (в вес. %) составит:

650

8800 •100=7,4

Допустим, что после 10-часового смешения в различных местах смесителя по высоте и диаметру было отобрано пять проб. Результаты испытания этих образцов на содержание сухого вещества оказались следующими:

П р и м е ч а н и е . Степень смешения 1—3 образцов рассчитывали по фор-

•муле (17), а 4 и 5 образцов —по формуле (18).

Определим индекс смешения 7 (в %):

Вследствие полимолекулярности ацетатов целлюлозы некоторая часть пленкообразующего вещества остается в виде нерастворимых частиц. Поэтому значение индекса смешения, достигаемое при сме­ шении компонентов, обычно не превышает 96%.

Выгрузку пленкообразующего раствора из смесителя производят рамотеком через штуцер, расположенный в его нижней части.

3.1.3.Фильтрование и дезаэрация пленкообразующего раствора

Для того чтобы очистить раствор от нерастворившихся частиц пленкообразующего вещества и случайных механических загрязнений, его подвергают фильтрованию. Этот процесс начинается одновременно с выгрузкой, так как непосредственно после смесителя устанавливают фильтр предварительного фильтрования (ловушка), на стенках перфорированного цилиндра которого задерживаются црупные включения. Затем при помощи плунжерных насосов рас­ твор подают на фильтрование.

Наиболее распространенным типом оборудования для фильтро­ вания пленкообразующих растворов является многокамерный фильтр­ пресс периодического действия, хотя не исключена возможность использования для этой цели однокамерного фильтр-пресса периоди­ ческого действия или непрерывно действующего фильтра барабан­ ного типа [1, 63].

Фильтрование раствора осуществляют в две ступени. Фильтро­ вальными материалами на первой ступени служат ватные подушки, обшитые марлей, на второй ступени одну сторону подушки обшивают марлей, а вторую — молескином. В качестве фильтровальных ма­ териалов могут быть применены также батист, кирза, специальные сорта картона, керамики или сетки из особых сортов стали.

92

Скорость фильтрования зависит от величины давления, сооб­ щаемого раствору, характера и степени его загрязненности, типа фильтровального материала, конструкции фильтров и порядка их

вклЕочения в технологическую схему.

Особенно большое влияние на скорость фильтрования оказывают реологические свойства пленкообразующего раствора. Так, при повышении давления уменьшается кажущаяся вязкость раствора вследствие разрушения структуры и ориентации макромолекул при течении. Чем выше вязкость раствора, тем меньше скорость фильтро­ вания при прочих равных условиях. Поэтому перед каждой ступенью фильтрования раствор нагревают. Даже при незначительном увели­ чении температуры вязкость псевдопластичных пленкообразующих растворов намного снижается, что облегчает процесс фильтрования. Нагревание осуществляют при помощи двухтрубных теплообменни­ ков, внутренние трубы которых имеют диаметр 8—10 см. Длина отрезков труб составляет обычно не больше 200—220 см, поэтому устанавливают батарею таких теплообменников, соединяя их ко­ ленами. После каждой ступени фильтрования раствор поступает в промежуточные емкости, так как непосредственная подача раствора с предыдущей ступени на последующую связана с необходимостью установки сложной системы выравнивания давления и скорости фильтрования.'

Завершающей стадией процесса приготовления пленкообразующего раствора является дезаэрация, т. е. удаление растворенного в нем воздуха, наличие которого приводит к возникновению пузырь­ ков на поверхности раствора (а следовательно, и образующейся пленки) при нанесении его на зеркальную поверхность ленты машины.

Процесс дезаэрации включает две стадии. Первая заключается

втом, что раствор нагревают до температуры кипения растворителей для понижения растворимости в нем воздуха, который выделяется

ввиде пузырьков, распределяющихся во всем объеме раствора. Нагревание раствора для дезаэрации осуществляют, так же как при фильтровании, в двухтрубных теплообменниках. На второй стадии раствор отстаивается и термостатируется, при этом пузырьки воз­ духа, насыщенные парами растворителей, увеличиваются в объеме и, поднимаясь на поверхность раствора, разрушаются.

Термостаты-отстойники представляют собой герметические баки с конусообразным дном. В верхней части конусообразного дна рас­ положен патрубок, из которого пленкообразующий раствор подается на ленточные машины. В нижней части дна также имеется патрубок для периодической очистки отстойника. Термостаты располагают над помещением ленточных машин так, чтобы раствор поступал на формование пленки самотеком.

Существует несколько систем термостатирования пленкообразу­ ющего раствора [1, 64]; наиболее простой и целесообразной оказа­ лась система из трех, периодически работающих термостатов-отстой­ ников (рис. 43). В термостат 3 подают свежую партию подогретого и профильтрованного раствора. Одновременно в термостате 4 отстаи­ вается ранее загруженная партия раствора, а из термостата 1 раствор

93

поступает на ленточную машину. Когда уровень раствора в термо­ стате 1 достигнет уровня сливного патрубка 2, его переключают на прием новой партии раствора, а на машину подают отстоявшийся раствор из термостата 4. Пока расходуется раствор из термостата 4 и производится загрузка термостата 1, раствор в термостате 3 от­ стаивается и термостатируется.

Вода

Рис. 43. Система термостатов-отстойников, работающих в трехтактном цикле:

1 , 3 , 4 — термостат-отстойник; 2 — сливной патрубок.

Как уже говорилось, термостаты-отстойники служат звеном, связывающим периодическую часть технологического процесса с не­ прерывной, заключающейся в нанесении пленкообразующего рас­ твора на зеркальный слой движущейся бесконечной ленты, формо­ вании и окончательном высушивании пленки.

3.1.4.Формование ацетатцеллюлозной основы магнитных лент

Вторая стадия технологического процесса изготовления ацетатцеллюлозной основы состоит из ряда непрерывно осуществля­ емых операций. Это нанесение на поверхность движущейся беско­ нечной ленты слоя пленкообразующего раствора, удаление из фор­ мующейся пленки основной массы растворителей, окончательное высушивание пленки, обрезка кромок, нанесение на края пленки насечки и сматывание готовой пленки в рулоны.

94

Структуры технических пленок. Поскольку слой раствора поли­ мера, нанесенного на твердую поверхность, удерживается на ней силами адгезии, уменьшение объема слоя возможно только за счет толщины. Это приводит к растяжению макромолекул и надмолеку­ лярных образований в горизонтальной плоскости. Поэтому пленка, снятая с твердой поверхности, обладает внутренними напряжениями. Стеклообразное состояние полимера ограничивает возможность про­ текания в пленке релаксационных процессов. Уменьшение внутрен­ них напряжений в пленках будет проходить очень медленно, если этому не будет способствовать повышение температуры или набу­ хание. Вместе с тем любое напряженное (ориентированное) состояние макромолекул является неравновесным и стремится перейти в равно­ весное, когда макромолекулы в целом и их сегменты и звенья де­ зориентированы друг относительно друга, т. е. в пленке осуще­ ствляются процессы релаксации [65].

Релаксационные процессы в пленках можно разделить на два типа. Первый тип этих процессов характеризуется дезориентацией сегментов и звеньев при сохранении общей ориентации макромоле­ кул. Этот тип релаксации протекает за относительно короткие про­ межутки времени и в значительной степени определяет усадочные свойства пленок. Второй тип определяется дезориентацией макро­ молекул в целом и практически не влияет на усадку.

Козловым с сотрудниками было показано, что существует пять основных типов микроструктур технических пленок [65—68], схе­ матически изображенных на рис. 44. Схема з характеризует струк­ туру пленки, полученной на твердой поверхности при быстро на­ ступающем переходе раствора полимера в стеклообразное состояние. В результате испарения растворителей уменьшается толщина на­ несенного на поверхность слоя раствора, что приводит к плоскостной ориентации макромолекул полимера и к растяжению их в различных направлениях. Наряду с этим протекают релаксационные процессы, осуществление которых возможно только до перехода системы

встеклообразное состояние.

Взависимости от условий пленкообразования можно получать пленки с плоскостно-ориентированной структурой, структурные элементы которых в различной степени подверглись релаксации. При быстром удалении растворителей из формующейся пленки, когда до стеклования системы сегменты макромолекул не успевают

вдостаточной степени осуществить релаксационные процессы, образуется неустойчивая плоскостно-ориентированная структура. Медленное же высушивание приводит к возникновению более устой­ чивой плоскостно-ориентированной структуры, так как в этом случае релаксационные процессы успевают пройти более полно (см. рис. 44, схема д). При создании условий, способствующих осуществлению релаксации (набухание, тепловая обработка), можно получить из структуры з структуру д.

Пленки с плоскостно-ориентированной структурой обладают значительной прочностью при растяжении, одинаковой во взаимно перпендикулярных направлениях. Величина прочности зависит от

95

степени ориентации и уменьшается при более полном осуществлении релаксационных процессов. Такие пленки при набухании одинаково увеличивают свои плоскостные размеры в различных направлениях. Пленки, обладающие структурой г, отличаются от пленок со струк­ турой д более значительной усадкой. Явление усадки полимерных пленок впервые было объяснено Каргиным и Штединг [69]. Ока­ залось, что кроме испарения летучих компонентов большую роль в ее возникновении играют релаксационные процессы.

а

Рис. 44. Схематическое изо­ бражение типов микро­ структур технических пле­ нок:

а — изотропная; б — анизо­ тропная неустойчивая; в — ани­ зотропная устойчивая; г —

плоскостно-ориентированная неустойчивая; д — плоскостно­

ориентированная устойчивая.

Пленки с плоскостно-ориентированной структурой не обнаружи­ вают двулучепреломления при рассматривании их перпендикулярно плоскости, и распознавание такой структуры оптическим методом возможно только при пропускании луча в срез пленки.

Из сказанного очевидно, что если соображения о существовании плоскостно-ориентированной структуры пленок и о причине ее возникновения (фиксирующее действие поверхности, на которую нанесен раствор) справедливы, то пленка, полученная не на твердой поверхности или высушенная в ненатянутом состоянии, должна обладать предельно отрелаксированными макромолекулами и, соот­ ветственно, изотропией свойств во всех направлениях.

Пленка с такой структурой (см. рис. 44, схема а) была получена на поверхности ртути, которая вследствие своей подвижности не препятствовала уменьшению объема образующейся пленки по всем

96

вопросы технологии. Существуют технологические приемы, которые позволяют частично избежать нежелательных явлений, обусловли­ вающих неоднородность микроструктуры пленок по слоям.

Оборудование для изготовления пленок из растворов ацетатов целлюлозы. Оборудование, используемое для осуществления второй стадии технологического процесса, мало отличается от оборудования, применяющегося уже много лет для получения электроизоляционных пленок, пленок для упаковочных целей и главным образом основы светочувствительных слоев [1, 61, 64, 71]. Специфические требова­ ния, предъявляемые к основе магнитных лент, обусловливают некоторые конструктивные особенности машин, применяемых для ее производства. Агрегат для изготовления пленок из растворов

Рис. 45. Схематическое изображение микроструктуры слоев пленки:

а — плотная упаковка макромолекул; б — рыхлая упаковка; в — плоскостно­

ориентированные макромолекулы.

полимеров, принцип действия которого стал уже классическим, включает ленточную машину, шкафы досушивания пленок и устрой­ ство, объединяющее обрезку кромок, нанесение насечки на края пленки и смотку готовой пленки.

Ленточная машина (рис. 46) состоит из двух чугунных или сталь­ ных барабанов 1, которые обхватывает туго натянутая на них беско­ нечная металлическая лента 2. Материалом для изготовления беско­ нечной ленты служит нержавеющая сталь или медь. Толщина ленты —1 мм. В первом случае пленкообразующий раствор наносят не­ посредственно на ленту. Во втором случае поверхность ленты покры­ вают специальным слоем, состоящим из глубокоомыленного ацетата целлюлозы, поливинилового спирта или другого полимера.

Одним из основных факторов, определяющих производительность машины, является длина и ширина ленты. Поэтому конструкции машины совершенствовались главным образом в направлении уве­ личения длины ленты. Первые машины имели ленту длиной 14 и шириной 0,8 м. Длина лент современных высокопроизводительных машин достигает 50—60 м при ширине 1,4 м.

Диаметр барабанов, несущих ленту, составляет 1,5 м. Роликовые подшипники барабанов укреплены на раме, являющейся частью

98

J

«KgSftüi

^, ікв кК аойййі t

й 2 5 о ас

NBBüftKI£ <=з р>>сс се г

. ' Т ~ . . . . . . . •

массивного каркаса машины. Один из барабанов приводится в дви­ жение электродвигателем. Барабан состоит из цилиндрического корпуса с двойными стенками и торцевых крышек, крепящихся к корпусу болтами. Вал ведущего барабана имеет осевые отверстия, через которые в пространство между стенками поступает вода для охлаждения поверхности барабана. Второй барабан вращается за счет трения, возникающего между его поверхностью и поверхностью бесконечной ленты. Подшипники этого — ведомого — барабана укре­ плены в подвижных салазках, которые могут перемещаться с по­ мощью винтового устройства, изменяя положение его оси по отно­ шению к оси ведущего барабана и, следовательно, изменяя силу

натяжения бесконечной ленты, что позволяет регулировать движение ленты в случае ее смещения к краям барабанов.

Вдоль машины с обеих сторон находятся распорные трубы 4, упи­ рающиеся одной стороной в по­ движные салазки подшипников ведо­ мого барабана, а другой — в каркас машины, создавая натяжение ленты в 5—6 тс. Однако даже при таком значительном натяжении ленты воз­ можно ее провисание. Поэтому под ее верхнюю часть устанавливают специальные поддерживающие ва­ лики. Так как конструкция ма­

шины не позволяет поддерживать нижнюю часть ленты, эта часть свободно провисает, образуя стрелу прогиба до 20—25 мм. При этом возможно деформирование не вполне сформовавшейся пленки (рис. 47). В случае провисания верхней части ленты слои раствора, расположенные близко к ленте, будут растягиваться, а слои, приближающиеся к поверхности образующейся пленки, — сжиматься. При провисании же нижней части ленты все слои фор­ мующейся пленки будут неравномерно растягиваться, что приводит к возникновению неоднородности физико-механических свойств пленки по толщине. Поэтому следует обеспечить такую величину натяжения, которая при длине ленты 30 м обеспечила бы стрелу прогиба не более 20 мм.

Машина заключена в кожух, образующий два сушильных канала для верхней и нижней части ленты. Стенки кожуха изготовлены из листов алюминия, пространство между которыми заполнено тепло­ изоляционным материалом, не дающим пыли. Для облегчения обслуживания машины в кожухе имеются смотровые окна, а для локализации возможных взрывов — масляные затворы б (см. рис. 46), крышки которых легко сбрасываются при внезапном чрезмерном повышении давления в сушильных каналах.

Влажность готовой основы для магнитных лент не должна пре­ вышать 2%. Высушивание эфироцеллюлозной пленки до такой

100