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

лютной температуры [89]. Поэтому, как показывают эксперимен­ тальные данные [90], индекс течения п с увеличением температуры уменьшается очень мало, и при инженерных расчетах можно при­ нять, что он не зависит от температуры, если интервал изменения температуры не превышает 30 °С. Теперь рассмотрим влияние тем­ пературы на коэффициент консистенции К. В ньютоновской области К = ц , и влияние температуры на К можно описать обычным экспо­ ненциальным уравнением Аррениуса:

T]=Ä'= AeE/RT

где ц — вязкость жидкости; Е — энергия активации течения; А — коэффициент, зависящий от природы жидкости.

Уравнение Аррениуса можно исследовать, используя графиче­ скую зависимость lg г| z от 1/Т. Для многих жидкостей при темпе­ ратурах выше 40 °С получаются довольно хорошие прямолинейные зависимости. Наклон прямых, выражающих эту зависимость, ра­ вен E/R, откуда можно вычислить энергию активации вязкого тече­ ния жидкости (в ккал/моль).

Практический интерес представляет зависимость коэффициента консистенции К от температуры в области высоких градиентов скорости сдвига, т. е. в области неньютоновского течения. Здесь К зависит не только от температуры, но и от напряжения и скорости сдвига. В этом случае можно рассматривать зависимость К от тем­ пературы либо при постоянном напряжении сдвига, либо при по­ стоянном градиенте скорости. Величина энергии активации, рассчи­ танная по кривым зависимости К от температуры при постоянном градиенте скорости, меньше, чем при постоянном напряжении сдвига [91]. Зависимость энергии активации не только от темпера­ туры, но также и от градиента скорости не ограничивает применения уравнения (13), так как оно обычно используется в границах темпе­ ратурного интервала, внутри которого индекс течения п остается практически постоянным [90].

В работе [84] исследована вязкость расплава полиэтилентерефталата в зависимости от температуры и молекулярного веса поли­ мера, соответствующих применяемым обычно в технологии. Оказа­ лось, что с увеличением молекулярного веса его влияние на зависи­

в соответствии с уравнением Аррениуса были рассчитаны энергии активации Е (табл. 2).

Значение энергии активации определяется двумя факторами: длиной макромолекулы и структурой полимера в расплаве (жест­

111

Таблица 2

Значение кажущейся энергии активации вязкого течения Е полиэтилентерефталата

жесткости цепи, как правило, наступающие при снижении молекуляр­ ного веса, должны приводить к одному и тому же явлению — увели­

тора: снижение Е с уменьшением молекулярного веса и ее повышение вследствие возрастания жесткости макромолекул. Для образцов с более низкими молекулярными весами последний фактор стано­ вится определяющим, вызывая нарушение линейной зависимости lg ц

112

вместо этиленгликоля). При этом уменьшается взаимодействие арома­ тических колец и повышается гибкость макромолекул. Кроме того, с увеличением числа групп СН2 появляется возможность получения

что там, где требуется высокий модуль упругости, предпочтительнее использовать полиэтилентерефталат.

Модификация приводит обычно к снижению кристаллизуемости полимера вследствие нарушения регулярности макромолекул. При этом понижаются температурные характеристики полимера. Однако некоторые сополиэфиры более термостабильны, чем полиэтилен­ терефталат. В частности, термостабильность расплава полиэтилентерефталата, макромолекулы которого содержат этиленсебацинатные и этиленизофталатные звенья, выше, чем у чистого полиэтилентерефталата [21].

Таким образом, можно полагать, что дальнейшие исследования в области модификации полиэтилентерефталата приведут к улучше­ нию его свойств как пленкообразующего вещества для основы маг­ нитных лент.

Ниже приведены некоторые показатели, которым должен удо­ влетворять полиэтилентерефталат, предназначенный для изготовле­ ния высококачественной основы магнитных лент.

Полиэтилентерефталат не должен содержать пыли и гранул с тем­ ными вкраплениями.

114

3.2.2.Получение аморфной пленки из полиэтилентерефталата

Досушивание гранулированного полиэтилентерефталата.

Первой операцией процесса переработки полиэтилентерефталата в основу является его досушивание, т. е. уменьшение влажности

При досушивании гранулированного полиэтилентерефталата про­

поглощение полиэтилентерефталата, его гранулы способны адсорби­ ровать на своей поверхности влагу. Это явление выражено менее, чем у других полимеров, но все же с ним приходится считаться. Если влажность полимера, поступающего в экструзионную машину, превышает 0,01%, что соответствует 0,001 моль воды на 1 моль элементарного звена, то в образующейся пленке появляются дефект­ ные места — пузыри, пятна и т. д., не говоря уже о гидролитическом распаде полимера, неизбежно возникающем при его экструдировании и приводящем к падению молекулярного веса, вязкости расплава и энергии активации вязкого течения.

Аморфный полиэтилентерефталат можно отнести к жесткоцепным аморфным полимерам, однако при температурах высушивания, превышающих обычно 100 °С, начинается его кристаллизация. Кристаллизация — хотя и побочный процесс высушивания, но играет значительную роль при экструзии полиэтилентерефталата. Широкий температурный интервал размягчения полимера обусло­ вливает неравномерное плавление гранул в экструзионной машине и, как следствие этого, затруднения в регулировании температурного режима экструдирования. Кроме того, при температурах выше 80 °С, т. е. превышающих температуру размягчения, гранулы могут слипаться, затрудняя питание машины. Частично же закристаллизо­ ванный полимер обладает лучшей сыпучестью, что облегчает эксплу­ атацию трубопроводов и загрузочной зоны. Наряду с этим устано­ влено, что даже при больших деформациях сдвига, развивающихся в цилиндре экструзионной машины, течение расплава полимера протекает на надмолекулярном уровне [96]. Частичная кристалли­ зация полиэфира приводит к улучшению организации его надмолеку­ лярной структуры и при плавлении к изменению (в основном, к уве­ личению) подвижности расплава. Однако при изготовлении пленок значительной толщины это нежелательно, так как такие структурные образования при недостаточной гомогенизации могут служить цен­ трами дальнейшей кристаллизации в сферолитах.

Досушивание гранулированного полиэтилентерефталата перед экструдированием может быть осуществлено двумя принципиально различными способами. Первый заключается в сушке горячим тепло­ носителем (воздухом или азотом с температурой 150—180 °С), кото­ рый вступает в непосредственный контакт с высушиваемым ма­ териалом. При втором способе сушку проводят под вакуумом,

с остаточным давлением 2—5 мм рт. ст. Теплоноситель циркулирует в нагревательной рубашке аппарата, и теплопередача осуществляется путем контакта материала с внутренней стенкой аппарата. Суще­ ственный недостаток первого способа заключается в том, что при подготовке больших количеств теплоносителя с высокой темпера­ турой в производственных условиях очень сложно обеспечить его хорошую очистку, т. е. фильтрование. Продукты загрязнения тепло­ носителя могут разлагаться в электрокалориферах и, просачиваясь через фильтровальные перегородки, загрязнять высушиваемый ма­ териал. Вакуумные сушильные установки в этом отношении выгодно^

Рис. 50. Схема высушивания полиэтилентерефталата в шахтной сушилке:

и теплоносителя.

Из большого разнообразия сушильных установок в технологии магнитных лент в настоящее время используют три типа: шахтные, вибрационные и вакуумные сушилки.

Наиболее простой является шахтная сушилка с двумя зонами сушки (рис. 50). Гранулы полиэтилентерефталата поступают в су­ шилку по пневмотранспортеру с помощью пневмопогрузчика 12. Пневмопогрузчик состоит из насыпного бункера, шибера и эжектор­ ного питателя. По пневмотранспортеру гранулы поступают в циклонразгрузитель 11, предназначенный для отделения их от воздуха и подачи в бункер 10, служащий резервной емкостью, обеспечива­ ющей непрерывное поступление полиэтилентерефталата в сушилку. Транспортно-охлаждающее устройство 7 обеспечивает подачу гранул из сушилки 9 в загрузочный бункер экструзионной машины 5. Пере­

116

мещаясь по трубе 7, наклоненной к горизонту и медленно враща­ ющейся вокруг продольной оси, гранулы охлаждаются. Труба 7 приводится во вращение от электродвигателя через редуктор с цеп­ ной передачей. Воздух с температурой 165 °С подается в сушилку 9 вентилятором высокого давления 4. Фильтр 3 служит для полного отделения воздуха от полиэтилентерефталатной пыли. Сушка осу­ ществляется горячим воздухом, подающимся в нижнюю часть су­ шилки и проходящим через слой полимера, расположенный на решетках конической формы 8 с круговыми щелями для соприкосно­ вения воздуха с развитой поверхностью полимера.

Рис. 51. Схема высушивания полиэтилентерефталата в вибраци­ онной сушилке:

Основные преимущества такой сушильной установки — простота конструкции и относительно малая стоимость. К недостаткам же относятся неравномерность высушивания и возможность спекания гранул аморфного полимера в сушилке. Тем не менее такую сушилку можно с успехом применять при использовании предварительно кристаллизованного полимера.

Более производительна вибрационная сушилка (рис. 51). Она представляет собой два вибрирующих лотка 5 и 6, в которых полимер последовательно проходит две стадии сушки. Сушильным агентом служит горячий воздух. Загрузка сушилки производится при помощи пневмотранспортера, рабочей частью которого является вакуумнасос 2, через бункер 3 и электромагнитный вибрационный

117

питатель 4. Гранулированный полиэтилентерефталат из бункера 3 не­ прерывно поступает на вибрирующий лоток первой зоны сушилки 5. За счет вибрации и небольшого наклона лотка гранулы попадают на вибрирующий лоток второй зоны сушилки. Вибрация лотков осуществляется с помощью эксцентрикового механизма. Лотки изго­ товлены из листовой стали, в них имеются отверстия диаметром 2 мм для циркуляции теплоносителя. Частота вибрации лотков обычно составляет 500 колебаний в 1 мин. Нагретый воздух подается в лоток вентилятором 10 через фильтрующие сетки и электрокалори­ фер 8. Окончательно досушенный полиэтилентерефталат из выход­ ного патрубка второго лотка сушилки поступает в герметичную тару. Скорость прохождения гранул в аппарате, а также параметры нагретого воздуха обусловливают продолжительность цикла 2—4 ч.

Вибрационная сушильная установка также не обеспечивает равномерной сушки полиэтилентерефталата, поскольку гранулы передвигаются слоями и недостаточно перемешиваются. Расход материала во времени не равномерен, что приводит к возникновению бугристости слоя гранул. Практически очень трудно обеспечить необходимую амплитуду колебаний лотков сушилки, в связи с чем различные порции материала находятся разное время в сушилке. Поэтому сушилки подобного типа применяют ограниченно.

Более прогрессивный способ — это высушивание полиэтилентерефталата в псевдоожиженном слое, отличающийся большей равно­ мерностью, чем сушка в неподвижном слое, а также высокой интен­ сивностью вследствие развитой поверхности контакта фаз и возможности применения сушильного агента с более высокой температурой [97]. Для этого используют схему (рис. 52), состо­ ящую из узла подготовки гранулята, где он очищается от пыли и дозируется; пневматической подачи; сушилки, работающей по принципу кипящего слоя; сушилки с псевдоожиженным слоем для окончательной сушки. Гранулят из запасного резервуара 1 при по­ мощи дозирующего устройства 2 поступает в разделитель 3 и на автоматические весы 4, которые отвешивают порцию, необходимую для одной загрузки. Взвешенный гранулят при помощи вентиля­ тора 5 через всасывающее сопло 6 подается в циклон 11, а затем в бункер запаса 10. При помощи второго дозирующего устройства 9 гранулят поступает в сушилку с кипящим слоем 8, где обрабаты­ вается горячим воздухом с температурой 135—140 °С. В процессе циркуляции воздуха только небольшая его часть, в соответствии с содержанием влаги в грануляте, выводится из цикла и заменяется свежим очищенным воздухом. Из сушилки 8 гранулят непрерывно подводится к сушилке с псевдоожиженным слоем 7. Здесь происходит окончательное высушивание горячим воздухом с температурой 150— 180 °С. Горячий воздух проходит через сушилку снизу вверх и обра­ зует над площадью обтекания псевдоожиженный слой. Часть воздуха отводится из циркуляционной системы и заменяется очищенным свежим воздухом.

Так как в этом случае требуется более интенсивное высушивание, чем при высушивании в кипящем слое, процесс проводят при избы­

118

точном давлении. Одновременно с удалением высушенного грану­ лята и уменьшением высоты псевдоожиженного слоя через загру­ зочную трубу поступает такое же количество гранулята из сушилки с кипящим слоем. Высота слоя в последней регулируется автома­ тически. Весь процесс высушивания автоматизирован.

Несмотря на явные преимущества такого способа высушивания, и в этом случае, помимо затруднений в подготовке теплоносителя достаточной чистоты, возможно неполное перемешивание гранул

Рис. 52. Схема высушивания полиэтилентере-

вследствие неравномерности кипения слоя, приводящее к неравно­ мерности сушки.

Наиболее приемлемой установкой для высушивания гранулиро­ ванного полиэтилентерефталата в условиях производства высоко­ качественной основы магнитных лент является вакуумная сушилка

ние гранул. В барабане создают и поддерживают остаточное давление 1 мм рт. ст. и менее с помощью специальной вакуумной установки. Полимер высушивается равномерно, что очень важно, поскольку колебания влажности экструдируемого полиэтилентерефталата

119

приводят к разнотолщинности образующейся основы. Кроме того, отсутствие непосредственного контакта между полимером и сушиль­ ным агентом предотвращает загрязнение полимера.

Единственным, однако существенным, недостатком такой сушиль­ ной установки пока является ее относительно высокая стоимость. Нужно отметить, что использование в качестве теплоносителя воз­ духа, соприкасающегося с гранулами и нагретого до 170 °С, приводит к падению удельной вязкости исходного полиэтилентерефталата примерно на 10%, в то время как после сушки в вакуумной сушилке падение вязкости полимера не превышает 3%.

Рис. 53. Схема высушивания полиэтилентерефталата в ва­ куумной сушилке:

1 — п р о м е ж у т о ч н ы й б у н к е р ; 2 — б у н к е р -д о з а т о р ; з — с у ш и л к а ; і — б у н к е р э к с т р у з и о н н о й м аш и н ы ; 5 — ц и к л о н ; 6 — х о л о д и л ь н ы й а гр е ­

Независимо от применяемого способа процесс высушивания гранулята протекает в две стадии. Первая стадия заключается в уда­ лении свободной влаги с поверхности гранул, вторая — в удалении влаги, связанной с гранулами силами адсорбции. Обычно влажность поступающего на производство полиэтилентерефталата не превышает 0,6% и его сушка идет в области падающей скорости, т. е. по диф­ фузионному механизму. Для описания десорбции влаги в этом случае можно использовать уравнение Фурье, рассматривая высушиваемый материал как пластину, ширина и длина которой очень велики по сравнению с толщиной и тепло в которой распространяется пер­ пендикулярно к ее поверхности [98]. Исходя из этого уравнения, можно вычислить, что изотермическая десорбция влаги из гранул, имеющих обычно размеры 4 X 4 X 2,6 мм, до остаточной влажности протекает при 120 °С за 2,8 ч; при 130 °С — за 1,9 ч; при 150 °С — за 1 ч; при 170 °С — за 0,6 ч и т. д. Эти расчеты сделаны для условия, что гранулят ко времени t 0 — 0 приобрел заданную температуру,

120