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

Зависимость скорости поперечной вытяжки анизотропных полиэтилентерефталатных пленок, имеющих различную степень ориента­ ции, от температуры исследована в работе [120]. Показано, что исходная степень одноосной ориентации пленок существенно влияет на величину предельно допустимой скорости поперечной вытяжки. Чем больше степень продольной ориентации пленок, тем с меньшей скоростью следует производить их поперечную вытяжку. Так, при температуре 110 °С и коэффициенте продольной вытяжки 4 значение скорости поперечной вытяжки выше 1000%/ мин приводит к разрушению пленки. В этой же работе установлено, что напряжение по­ перечной вытяжки не зависит от скорости последней, а определяется только коэффици­ ентами продольной и поперечной вытяжки.

Это можно объяснить тем, что при попереч­ ной ориентации одноосно-ориентированных пленок не происходит дезориентации макро­ молекул. Таким образом, коэффициент попе­ речной вытяжки пленки не определяется скоростью вытяжки. Использование высо­ ких скоростей вытяжки ограничивается степенью продольной ориентации и темпе­ ратурой поперечной вытяжки, что следует учитывать при конструировании оборудова­ ния. Так, производительность узла попереч­ ной вытяжки пленки можно увеличить, под­ бирая оптимальную температуру и конструк­ цию зоны ориентации, а также длину зоны подогрева пленки после ее одноосной ори­ ентации.

Исходя из представлений о пачечной струк­ туре полимеров [121 ], можно объяснить струк­ турные превращения, наблюдаемые в про­ цессе вытяжки пленок из полиэтилентерефталата [119]. По-видимому, еще на охлаж­ дающем барабане в формующейся аморфной

пленке возникает пачечная структура. Упорядоченность такой структуры может доходить до осуществления дальнего порядка в расположении центров макромолекул при отсутствии ориентации боковых групп [122]. Для кристаллизации внутри такой группы правильно расположенных макромолекул (пачек) необходимо не­ большое количество энергии, чтобы осуществить лишь ориентацию боковых групп. В таком состоянии, которое можно назвать состоя­ нием предкристаллической упорядоченности [123], могут находиться не только отдельные пачки, но и структурные элементы большего размера. Поэтому иногда можно наблюдать быстрое протекание процесса кристаллизации с образованием таких крупных структур, как сферолиты, если перевести полимер в высокоэластическое состояние, т. е. повысить гибкость макромолекул. При наложении

151

механического поля на полимер, обладающий предкристаллической структурой, возможно ее разрушение в такой степени, что обра­ зование сферолитов при последующем повышении температуры станет невозможным [124, 125]. Однако такое воздействие не исключает кристаллизации внутри отдельных мелких элементов, например боко­ вых групп цепей в пачках, а даже способствует ей.

Таким образом, одноосная вытяжка обеспечивает предельно возможную упорядоченность цепей в пачках, а повышение темпера­ туры вытяжки выше интервала размягчения полимера приводит к поворотам боковых групп и, следовательно, к фазовому переходу в пачках с наиболее упорядоченными цепями.

6

Рис. 69. Способы ориентирования пленок:

а — о д н о вр е м ен н ая д в у х о с н а я в ы т я ж к а ; б — о д н о о сн ая в ы т я ж к а н е о р и е н т и р о в ан н о го о б ра зц а ; в , г — в ы т я ж к а о р и е н ти р о в ан н о го об разц а.

Плоскостная вытяжка пленок в температурных интервалах выше области размягчения (стеклования) полимера также вызывает фазо­ вый переход в пачках цепей, несмотря на радиально направленные деформирующие усилия, способные, казалось бы, разрушить пачки цепей. Естественно, что в этом случае процесс кристаллизации протекает в более трудных условиях, чем при одноосной ориентации, и требует дополнительного прогрева пленок в области кристалли­ зации полиэтилентерефталата близкой к оптимальной (170 °С) [87].

Интересно рассмотреть опыты, результаты которых позволяют несколько дополнить объяснение механизма структурообразования при ориентационной вытяжке полиэтилентерефталатных пленок [126].

Изучение структуры пленок, ориентированных способами, пока­ занными на рис. 69, проводилось с помощью микрофотографий. Оказалось, что при одновременной двухосной ориентации (см. рис. 69, а) образуется хорошо различимая на микрофотографии

152

сетчатая тонкофибриллярная структура, не имеющая какого-либо преимущественного направления (поперечный размер фибрилл 1,5— 3 мкм). Это подтверждает вывод о разрушении предкристалличе­ ской структуры аморфного полимера [124, 125]. При одноосной ориентации (см. рис. 69, б) возникают анизотропные крупнофибрил­ лярные образования с размерами однонаправленных фибрилл 15— 20 мкм. Микрофотографии пленок, ориентированных по способу в, имеют другой характер. Сетчатая фибриллярная структура в этом случае образуется, по-видимому, путем частичного разрушения однонаправленной структуры (поперечный размер фибрилл 7—10 мкм). Фибриллы одноосно-ориентированной пленки при вытяжке в перпен­ дикулярном направлении расщепляются на более мелкие.

При вытяжке анизотропной пленки в направлении, перпендику­ лярном оси предварительной ориентации без удерживающих боковых зажимов (см. рис. 69, г), образуется однонаправленная в перпен­ дикулярном вытяжке направлении фибриллярная структура. Мик­ рофотографии пленок с такой структурой аналогичны микрофото­ графиям анизотропных пленок, ориентированных по способу б. Однако поперечный размер фибрилл в первом случае меньше (10— 12 мкм). При ориентации по способу а происходит перестройка фибрилл в направлении вторичной вытяжки, что отмечалось также в работах [127—129].

Таким образом, при одноосной вытяжке большинство макромо­ лекул полимера ориентируется в направлении приложения силового поля. После вытяжки в перпендикулярном направлении образуется двухосноориентированная структура, возникновению которой сопут­

153

ожидать, наиболее высокими механическими свойствами обладает пленка, ориентированная одновременно в двух взаимно перпенди­ кулярных направлениях.

Процесс плоскостной ориентации макромолекул можно осущест­ влять одновременной или раздельной вытяжкой пленки в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 70) [64]. На схеме а показан принцип плоскостной вытяжки в одну стадию. Аморфную пленку, поступающую с охлаждающего барабана, протягивают между двумя тянущими валиками в зону нагрева. Затем пленка поступает в зону плоскостной вытяжки, где одновременно растяги­ вается как в длину, так и ширину. В конце этой зоны осуществляют термическую обработку пленки при 180—210 °С для создания опти­ мальных условий кристаллизации полимера.

Воздух

Рис. 70. Схемы одно- (а) и двухстадийного (б) растяжения полиэтилентерефталатных пленок.

На рис. 70, б показан принцип раздельного процесса вытяжки пленки в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Аморфную пленку, поступающую с охлаждающего барабана, протягивают между двумя тянущими валиками в зону обогрева, после которой нагретую пленку растягивают вторым комплексом тянущих валиков в продольном направлении. После продольной вытяжки пленка поступает в зону поперечной вытяжки, в конце которой она также подвергается термической обработке — для кристаллизации.

В процессе получения полиэтилентерефталатной основы магнит­ ных лент используют чаще всего двухстадийный последовательный процесс вытяжки пленки.

Оборудование для изготовления ориентированной полиэтилен­ терефталатной основы. Установки для продольной и поперечной вытяжки, вторичной вытяжки в длину (дотяжки) и термофиксации включают в единую поточную линию производства полиэтилентере­ фталатной основы, схематически показанную на рис. 71.

154

Расплав полиэтилентерсфталата из щели формующей головки в виде полотна поступает на приемный охлаждающий барабан, затем на тянущий валик, к которому может прижиматься обрезиненным вали­ ком. Далее с помощью радиоактивного прибора измеряется толщина аморфной пленки перед тем, как она поступит в установку для продольной вытяжки.

В процессе изготовления основы необходимо непрерывно следить за ее толщиной, что позволяет более точно подбирать условия веде­ ния технологического процесса и предупреждает возникновение брака. Известны два типа толщиномеров, использующих радиоактив­ ное излучение. В обоих типах применяется ß-излучение, безопасное для обслуживающего персонала.

Рис. 71. Схема поточной линии производства полиэтилентерефталатной основы:

1 — п л а с т и ц и р у ю щ а я э к с т р у з и о н н а я м а ш и н а ; 2 — э к с т р у з и о н н а я м аш и н а , р а б о т а ю щ а я к а к в и н то в о й насос; з — о х л а ж д а ю щ и й б арабан ; 4 — р а д и о а к т и в н ы й то л щ и н о м е р ; 5 — у с т а ­ н о в к а п р о д о л ь н о й в ы т я ж к и ; 6 — у зе л п р о м е ж у т о ч н о й н а м о тк и ; 7 — у с т а н о в к а п о пе р е чн о й в ы т я ж к и ; 8 — у с т а н о в к а д о п о л н и те л ьн о й п р о д о л ь н о й в ы т я ж к и (д о тя ж к и ); 9 — у с т а н о в к а тср м о ф и к сац и и ; 10 — узе л н а м о тк и .

Первый тип — это прибор непосредственного отсчета; принцип его действия основан на определении степени поглощения лучей пленкой. Он позволяет одновременно определять толщину и разнотолщинность пленки и обычно снабжается сложным калибровочным устройством.

Второй тип толщиномера работает по принципу сравнения изме­ рительного и калибровочного потоков и более надежен и удобен в работе. Для повышения точности измерения в этом приборе исполь­ зуется дифференционная ионизационная камера 3 (рис. 72), на выходе которой возникает суммирующий алгебраический ток, пропорцио­ нальный разности двух потоков излучения. Один поток поступает от основного излучателя 1 через пленку 2; второй поток поступает от следящего устройства 7 через диафрагмирующую шторку 11. Раз­ ностный постоянный ток, проходя по сопротивлению 4, создает на нем падение напряжения, преобразуемое вибропреобразователем 5 в напряжение переменного тока. Переменный ток усиливается электронным усилителем 10 до величины, необходимой для приведе­ ния реверсивного двигателя 6 в такое положение, когда шторка 11, связанная с двигателем 6, уравняет потоки излучения до нулевого значения токов на выходе ионизационной камеры. О толщине пленки

155

судят по положению шторки 11, которая связана с вторичным пока­ зывающим и записывающим устройством 8.

Вторичный прибор может быть установлен в месте, удобном для наблюдения.

Установка продольной ориентации пленки (рис. 73) состоит из двух групп валиков, вращающихся с различной линейной скоростью.

Рис. 72. Схема радиоактивного толщиномера:

1 — о с н о в н о й и зл уч а те л ь ; г — и зм е р я е м ая п л е н к а ; 3 — и о н и ­ з а ц и о н н а я кам ер а; 4 — соп р о ти в л е н и е ; 5 — в и б р о п р е о б р а зо в а ­ тел ь; 6 — р еве р си вн ы й д ви гател ь ; 7 — следящ ее у стр о й ств о ; 8 — з а п и с ы в а ю щ и й п р и б о р ; 9 — к а л и б р у ю щ и й и зл уч а те л ь ; 1 0 — э л е к тр о н н ы й уси л и те л ь ; 1 1 — д и а ф р а гм и р у ю щ а я ш то р к а .

Процесс ориентации идет за счет нагрева аморфной пленки и разности линейных скоростей групп валиков. Группа медленно вра­ щающихся валиков служит для нагрева пленки до температуры, близкой к температуре стеклования. Группа быстро вращающихся валиков одновременно служит для ориентации и охлаждения ориен­ тированной пленки. Ориентация происходит в узком зазоре между ориентирующим и первым охлаждающим валиком. Теплоносите­ лем для обеих групп валиков служит вода. Для дополнительного

156

подогрева пленки в месте ее ориентации используется инфракрасный нагреватель. Аморфная пленка поступает на медленно вращающуюся группу валиков со скоростью, равной линейной скорости приемного барабана. Ориентированная пленка выходит из установки со ско­ ростью, определяемой коэффициентом вытяжки. Валики установки должны быть строго параллельны между собой во избежание неравномерности вытяжки и проскальзывания основы между ними. За установкой продольной ориентации предусмотрено намоточное устройство, которое используется при наладке режима в период пуска.

Установка поперечной ориентации включает термокамеру, раз­ деленную на соответствующие температурные зоны, и механизм для захвата пленки, который со­

корпуса зажима. Холостые ветви цепей проходят в специальный короб, куда вентилятором подают воздух для охлаждения клуппов. Описанная конструкция должна обеспечить надежность удержива­ ния краев пленки клуппами, для чего последние располагают на минимальном расстоянии друг от друга, а места, где пленка образует углы, скругляют.

Термокамера имеет обычно четыре тепловые зоны: предваритель­ ного подогрева, ориентации, термофиксации и охлаждения.

В первой зоне пленка захватывается клуппами и предварительно подогревается; цепи в данной зоне расположены параллельно. В зоне ориентации цепи расходятся в стороны, за счет чего происхо­ дит ориентация пленки в поперечном направлении. Между зонами ориентации и термофиксации, в которой фиксируется надмолекуляр­ ная структура полимера, расположена промежуточная зона, отде­ ляющая горячую зону термофиксации от зоны ориентации с более низкой температурой. После термофиксации пленка охлаждается и освобождается от клуппов. Ориентация пленки в ширину происхо­ дит с коэффициентом, приблизительно равным отношению расстоя­ ния между цепями на выходе к расстоянию между цепями на входе в зону. Воздух подается сверху и снизу полотна пленки. Нагрев воздуха в первых двух зонах производится в калориферах, обо­

158

греваемых паром; в зоне термофиксации — в электрокалори­ ферах.

С целью улучшения механических свойств основы по длине про­ водят ее дополнительную дотяжку. Применяемая для этого установка состоит из двух систем валиков, имеющих раличную линейную скорость и температуру, так же как и в случае первой продольной вытяжки. В установку дотяжки пленка поступает с высокой степенью кристалличности. Для доведения ее до высокоэластического состоя­ ния необходима высокая температура, что обеспечивается тепловой станцией, где в качестве теплоносителя, обогревающего валики, применяется специальное масло. Вытяжка пленки производится с коэффициентом, равным отношению линейных скоростей групп валиков. Каждая группа валиков имеет индивидуальный привод, состоящий из электромотора постоянного тока и редуктора. Крат­ ность вытяжки пленки в длину поддерживается автоматически элек­ троприводом валиков. При наладке реяшма пленка поступает на промежуточную намотку.

После дотяжки пленка через систему валиков промежуточной намотки поступает в установку термофиксации с целью фиксирова­ ния полученной структуры и получения основы с оптимальной размероустойчивостью.

Установка термофиксации состоит из термокамеры, разделенной на три температурные зоны, в которой проходят две параллельно расположенные бесконечные цепи. На выходе из установки основа охлаждается и, направляясь тянущими валиками через второй при­ бор измерения толщины, поступает на намоточное устройство, состо­

магнитных лент значительное влияние оказывают плотность на­ мотки пленки и отсутствие дефектов на ее краях после обрезки кромки.

При тугой намотке витки очень плотно прилегают друг к другу, многократно повторяя случайные дефекты. Если на краях при обрезке возникают заусеницы, они могут служить началом обрыва полотна пленки. Поэтому силу натяжения полотна пленки при намотке, зависящую от диаметра рулона, целесообразно автоматичечески регулировать, а режущий инструмент применять в нагретом состоянии.

Одним из простых решений последней задачи является исполь­ зование для обрезки краев проволоки, раскаленной электрическим током. При этом края полотна пленки подплавляются, исклю­ чая возможность образования надколов и заусениц.

Заправка основы на новую бобину производится полуавтомати­ чески. Длина основы измеряется счетчиком, установленным на щите управления установки.

Основу, намотанную на бобины, на специальных тележках пере­ возят на установку блочной резки, где разрезают на блоки необхо­ димой ширины.

159

Ниже приведены некоторые технические данные отечественных промышленных установок для получения двухосно-ориентирован­ ных полиэтилентерефталатных пленок [129]:

Приведенные данные следует рассматривать только как ориенти­ ровочные, так как конструкции агрегатов непрерывно совершен­ ствуются в направлении увеличения производительности, улучшения равнотолщинности изготовляемых пленок, автоматизации контроля и управления, а также унификации.

Таким образом, современные агрегаты позволяют производить полиэтилентерефталатную основу шириной более 3000 мм. Такая значительная ширина вполне оправдана с точки зрения высокой производительности линии. Однако при этом возникает серьезная проблема обеспечения равной толщины пленки по ширине полотна.

Способ раздельной вытяжки полиэтилентерефталатной пленки, который был описан выше, имеет ряд положительных сторон, что обеспечило широкое применение его в технологии. Так, можно осуществить непрерывность вытяжки по всей длине полотна пленки благодаря более высокой температуре пленки в зоне поперечной ориентации, сообщаемой дополнительными подогревателями. Допол­ нительный подогрев способствует также уравнению скоростей попе­ речной и продольной вытяжки, так как продольная вытяжка прохо­ дит на коротком участке с большой скоростью, а поперечная — сразу на большой площади и значительно медленнее. При двухстадийном процессе легче создать целесообразную конструкцию клупповых цепей. В одностадийном же процессе вытяжки трудно точно фикси­ ровать положение клуппов на краях полотна пленки, что увеличи­ вает количество отходов при обрезке кромок.

Нельзя, однако, не учитывать следующего. При движении по­ лотна полиэтилентерефталатной пленки в промышленной установке, описание которой было приведено выше, растягивающие усилия, ориентирующие пленку в поперечном направлении, не перпендику­ лярны направлению движения пленки, а направлены к нему под углом. Это обусловлено конструкцией узла поперечной ориентации современных технологических линий, предназначенных для изго­ товления двухосно-ориентированных полиэтилентерефталатных пле­ нок путем двухстадийной ориентации. Таким образом, можно ожи­ дать, что элементы структуры будут ориентироваться под различ­ ными углами к направлению движения пленки. При этом возникает

160