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

6. НАНЕСЕНИЕ СУСПЕНЗИИ МАГНИТНОГО ПОРОШКА НА ОСНОВУ

Применяют два принципиально различных способа нанесения суспензии на основу.

Первый из них был разработан в то время, когда в качестве основы магнитных лент применяли только пленки, получаемые из раствора вторичного ацетата целлюлозы. Способ заключается в том, что двух­ слойную систему, состоящую из эфироцеллюлозной основы и рабо­ чего слоя, получают на одном агрегате. Основной частью такого агрегата является ленточная машина, подробное описание которой было приведено при рассмотрении процесса изготовления эфиро­ целлюлозных пленок (Сім. раздел 3.1.4). Машина для изготовления магнитных лент по конструкции почти не отличается от описанной, однако ее назначение обусловливает некоторые конструктивные особенности. Пленкообразующий раствор основы и суспензию на­ носят на бесконечную ленту из нержавеющей стали одной и той же машины. Над ведущим барабаном устанавливают фильеру (см. рис. 48), при помощи которой на бесконечную ленту наносят раствор вторичного ацетата целлюлозы. На некотором расстоянии от первой устанавливают вторую фильеру такого же типа, из которой подают суспензию магнитного порошка на уже застекловавшийся слой ацетата целлюлозы. После формования и высушивания пленки, образованной слоем суспензии, ленту направляют на досушивание. Обычно длина бесконечной ленты такой машины составляет 28 м, а ширина 720—800 мм.

Процесс получения магнитной ленты при помощи двухфильерной ленточной машины представлен на рис. 100.

Профильтрованный, освобожденный от растворенного в нем воздуха и охлажденный до температуры окружающей среды раствор вторичного ацетата целлюлозы из термостата-отстойника 9 самотеком поступает в фильтр-ловушку 10 ленточной машины, где дополни­ тельно фильтруется через два слоя батиста. Ловушка соединена гибким шлангом с фильерой 2. Пленкообразующий раствор через щель фильеры непрерывно наносится на движущуюся бесконечную ленту машины 1 и вместе с лентой поступает в верхний сушильный канал, где из слоя раствора испаряются растворители, полимер переходит в стеклообразное состояние, полученная пленка высуши­ вается теплоносителем, подаваемым в канал по принципу противо­ тока. Снизу верхняя ветвь бесконечной ленты подогревается змееви­

261

К фильере для суспензии, расположенной примерно в 10 м от филь­ еры для пленкообразующего раствора, сформовавшаяся основа подходит с влажностью 7—10%. Суспензия из термостата 8 шесте­ ренчатым насосом 6 подается на рамный фильтр-пресс 7, устано­ вленный на линии подачи на машину. Суспензия непрерывно цир­ кулирует по замкнутому циклу: термостат — фильтр-пресс — термо­ стат. Из этой линии она поступает в напорный бачок 5, а затем в фильтр-ловушку 4. Непрерывная циркуляция предохраняет сус­ пензию от седиментации и не дает проявиться ее тиксотропным

Рис. 100. Схема получения магнитной ленты на двухфильерной ленточной машине:

свойствам. Из фильтра-ловушки 4 суспензия поступает в централь­ ную часть фильеры 3. Из фильеры часть ее наносится на проходящую под фильерой влажную пленку из вторичного ацетата целлюлозы, а часть переливается через трубки со шлангами в запасные емкости.

Образовавшаяся двухслойная система поступает в короткую зону высушивания суспензии, а затем, огибая ведомый барабан, — в нижний сушильный канал ленточной машины. По выходе из ниж­ него канала магнитная лента, влажность которой составляет 3—8%, при помощи отрывного валика снимается с поверхности бесконечной ленты и направляется в шкафы для досушки. После досушки лента с влажностью 1—2% поступает на намотку. Готовая лента наматы­ вается на катушки в виде рулонов определенной длины.

262

Этот способ имеет существенные недостатки, основным из которых является малая производительность ленточного агрегата; скорость движения ленты обычно не превышает 7—8 м/мин. Кроме того, различие в характере полимеров, образующих пленку основы и рабо­ чего слоя, а также в толщине слоев требует создания в сушильных каналах машины различных условий для формования и высушивания этих пленок, что, учитывая конструкцию машины, осуществить весьма трудно. Поэтому способ получения магнитных лент на двухфильерных агрегатах в последнее время находит все меньшее при­ менение, уступая место более прогрессивному способу нанесения суспензии на готовую основу. Однако отдельные предприятия все еще производят магнитные ленты но первому способу, поэтому с его применением нельзя не считаться.

При использовании второго способа можно значительно повысить производительность за счет резкого увеличения скорости нанесения слоя суспензии на движущуюся основу, что обеспечивает большую однородность образующегося слоя. В этом случае возможно создание оптимальных условий для формования и высушивания рабочего слоя. Кроме того, можно расширить ассортимент полимерных пленок, используемых в качестве основы магнитных лент.

В настоящее время преобладающее количество магнитных лент производят способом нанесения суспензии магнитного порошка на готовую основу, и можно полагать, что двухфильерный способ будет целиком заменен этим, более прогрессивным.

6.1.ОСОБЕННОСТИ ФОРМОВАНИЯ ПЛЕНКИ ИЗ НАПОЛНЕННОГО ПОЛИМЕРА

Независимо от способа, применяемого для нанесения суспензии магнитного порошка на основу, процесс формования рабочего слоя ленты, так же как и процесс формования любой поли­ мерной пленки из раствора, заключается в нанесении слоя суспензии на основу и испарении из него основной массы растворителей. Испа­ рение растворителей и связанное с ним повышение вязкости суспен­

и фиксируется определенная структура пленки, представляющей собой в данном случае рабочий слой магнитной ленты [64].

Процесс пленкообразования при получении рабочего слоя маг­ нитной ленты имеет свои специфические особенности. Несомненно, что частицы магнитного порошка, взвешенные в растворе связующего полимера, оказывают влияние не только на характер процесса испа­ рения растворителей из слоя суспензии, но также и на структуру образующейся пленки. Микроструктура в данном случае в большой степени определяется качеством твердой поверхности, на которую наносят суспензию, т. е. поверхности основы. Естественно пред­ положить, что макромолекулы связующего полимера и их надмоле­ кулярные образования будут по-разному располагаться на влажной,

263

не полностью сформовавшейся основе из вторичного ацетата целлю­ лозы, на гидрофильной, в какой-то мере, основе из триацетата цел­ люлозы и на основе из гидрофобного полиэтилентерефталата. Более того, несмотря на незначительную толщину рабочего слоя, его стро­ ение по мономолекулярным слоям также будет различным, что обусловлено разной объемной концентрацией магнитного порошка в мономолекулярных слоях. Малая толщина слоя суспензии на основе не препятствует рассмотрению процесса пленкообразования с обычно принятой точки зрения, сущность которой изложена ранее

(см. раздел 3.1.4).

Таким образом, формование рабочего слоя ленты характеризуется двумя взаимосвязанными явлениями — испарением растворителей и образованием определенной структуры слоя. При этом возможны два типа взаимодействия на границе раздела основа — рабочий слой. Так, при использовании триацетатцеллюлозной основы раствори­ тели, входящие в состав суспензии, вызывают набухание ее поверх­ ности, улучшая адгезию слоя к основе. Поверхность же полиэтилентерефталатной основы не набухает.

В первом случае за счет диффузии растворителей из суспензии в поверхностный слой основы создаются благоприятные условия для прохождения релаксационных процессов как в верхних слоях основы, так и в нижних слоях формующегося рабочего слоя. При этом двухслойная система оказывается более устойчивой, чем си­ стема, в качестве основы которой используют ненабухающую или малонабухающую полиэтилентерефталатную основу.

При движении в поливной машине основы, а затем основы с на­ несенным на нее слоем суспензии она испытывает растягивающие усилия, которые сообщаются также формующемуся рабочему слою, придавая его структуре элементы неустойчивой анизотропии. В про­ цессе испарения растворителей с поверхностного слоя происходит диффузия молекул растворителя из глубины слоя на поверхность с образованием на ней пленки, представляющей собой слой паро­ образной фазы с определенным давлением насыщенного пара рас­ творителей.

Испарение из глубинных слоев суспензии характеризуется двумя стадиями. Первая стадия определяется главным образом сопроти­ влением внутренней диффузии через рабочий слой, которое значи­ тельно выше, чем сопротивление испарению с поверхности. Вторая стадия определяется тем, что испарение начинается раньше, чем растворители продиффундировали до наружной поверхности, т. е. жидкость диффундирует до определенного микрослоя внутри по­ крытия, после чего диффузия растворителей протекает уже в паро­ образном состоянии. В этом случае скорость испарения обусловли­ вается сопротивлением диффузии внутри образующегося рабочего слоя, которое значительно больше, чем при переходе пара в среду высушивающего агента. Таким образом, скорость сушки рабочего слоя по мере испарения растворителей и его стеклования умень­ шается и в дальнейшем определяется сопротивлением внутренней диффузии.

264

Формование структуры рабочего слоя магнитной ленты проис­ ходит на основе, с которой он прочно связан адгезионными силами. Поэтому слой не представляет собой отдельную пленку, а является покрытием, образующим с основой двухслойную пленочную систему.

Рассмотрим реологическую характеристику суспензии магнитного порошка в связи с физико-механическими свойствами образуемого ею рабочего слоя ленты. Как уже говорилось, для обеспечения хоро­ ших физико-механических свойств слоя концентрация связующего полимера должна быть высокой, однако с повышением концентрации возрастает вязкость суспензии, что затрудняет ее переработку. Поэтому следует выбирать связующий полимер с оптимальной сте­ пенью полимеризации и молекулярно-весовым распределением для обеспечения равномерного нанесения слоя суспензии на основу.

вес которых ниже оптимального, уменьшается, и пленка, находя­ щаяся под воздействием механического поля, может оказаться недостаточно прочной. Это усугубляется различной степенью рас­ ширения рабочего слоя и основы при повышении температуры. На рис. 101 схематически показана область оптимальных молекуляр­ ных весов полимера [95]. Одна из кривых показывает зависимость прочности от молекулярного веса. При минимальной прочности аШІН нижний предел молекулярного веса определяется величиной М ыин. На этом же графике показаны кривые зависимости вязкости от моле­ кулярного веса полимера в растворе (смин и смакс). При заданном интервале вязкости ц мин—г|макс, за пределы которого не должна выходить система, чтобы были обеспечены условия получения ров­ ного слоя, соответствующие пределы концентрации будут лежать между сМИ1, и смакс. Таким образом, молекулярный вес связующего полимера не должен превышать величину М макс.

Учитывая значительные скорости движения основы в современ­ ных поливных машинах, малую толщину наносимого слоя суспен­ зии, а также способы ее нанесения, можно полагать, что при нане­ сении суспензии развиваются высокие скорости сдвига и, следова­ тельно, соответственно понижается кажущаяся вязкость, которая затем (после прохождения основой поливного устройства) снова

265

возрастает. Высокие скорости сдвига способствуют образованию слоя равномерного по толщине, а восстановление структуры после снятия приложенных скоростей сдвига уменьшает возможность образования наплывов. Иногда для характеристики раствора связующего поли­ мера используют два значения кажущейся вязкости: начальную вязкость т] 0, определяемую экстраполяцией кривой зависимости кажущейся вязкости от напряжения сдвига на нулевое значение последнего, и предельную вязкость^ ^ , к которой кажущаяся вяз­ кость приближается при возрастании напряжения сдвига. Однако эти две величины не способны полностью характеризовать весь процесс течения раствора полимера, что вызывает необходимость строить полные реологические кривые.

Рассматривая процессы образования пленки рабочего слоя маг­ нитной ленты, следует учитывать, что эти процессы осложняются наличием в системе наполнителя. Ранее (см. раздел 3.1.4) была показана возможность образования различных типов структур тех­ нических пленок, полученных из растворов полимеров. Развивая эти взгляды, Липатов [200] охарактеризовал процессы получения пленок из растворов полимеров, содержащих порошковый наполни­ тель, к которым, в частности, можно отнести суспензию магнитного порошка.

Взаимодействие связующего полимера и частиц магнитного по­ рошка на границе раздела фаз приводит к изменению подвижности макромолекул вблизи границы раздела и отражается на температуре стеклования и на скорости релаксационных процессов в температур­ ной области выше температуры стеклования. Структурирование полимеров в растворах [297] приводит к снижению подвижности цепей в тем большей степени, чем больше узлов возникает в сетчатой структуре. Так как рабочий слой, представляющий собой пленку наполненного полимера, получают из концентрированной суспензии, то его свойства будут зависеть от взаимодействия полимера и маг­ нитного порошка еще в растворе. Началом образования рабочего слоя является адсорбция молекул полимера поверхностью основы. Поэтому можно допустить, что взаимодействие определенных групп макромолекул с поверхностью наполнителя и уменьшение их по­ движности приведет к различию в свойствах образующихся мономолекулярных слоев [297—300].

В работе [301] показано, что полимер изменяет свои свойства не только в слоях, расположенных вблизи поверхности наполнителя, но и в слоях, расположенных далеко от него. Это объясняется резуль­ татами работы [302], которые свидетельствуют, что изменение кон­ формации макромолекул, расположенных на поверхности пачек, влечет за собой конформационные изменения всех макромолекул, образующих пачку. Следовательно, при формовании пленки из наполненного полимера с поверхностью связываются не отдельные макромолекулы, а надмолекулярные образования. Поэтому подвиж­ ность макромолекул, образующих пачку, ограничивается уже в про­ цессе формования рабочего слоя на поверхности основы. Таким образом, свойства сформованной пленки определяются также харак­

266

тером структурообразования п строением пачек, образовавшихся уже в растворе.

Характер процесса пленкообразования рабочего слоя оказывает больтное влияние на физико-механические, а иногда и на рабочие характеристики магнитных лент. Естественно, что процессы пленко­ образования из суспензии протекают иначе, чем пленкообразование из истинного раствора [200]. Адгезия суспензии к поверхности основы ограничивает сегментальную подвижность макромолекул вблизи этой поверхности. Связывание макромолекул или надмоле­ кулярных структур, а также их ориентация в поверхностном слое затрудняет установление равновесного состояния полимера вблизи поверхности и не дает возможности для образования плотной упа­ ковки. В работе [303] показано влияние условий осуществления релаксационных процессов на плотность упаковки полимеров. По мнению авторов одновременно с испарением из слоя растворителей формируются надмолекулярные структуры. Поэтому сами пачки макромолекул или другие надмолекулярные образования вследствие изложенных выше причин будут менее плотно упакованы.

Таким образом, чем больше поверхность наполнителя, т. е. чем выше содержание магнитного порошка в суспензии, тем сильнее ограничивается сегментальная подвижность макромолекул уже в пе­ риод формования пленки на поверхности основы и тем более рыхлая упаковка в сформовавшейся пленке, что подтверждается большей усадкой рабочего слоя при каландровании магнитной ленты.

Затруднение релаксационных процессов при формовании пленки из суспензии магнитного порошка приводит к образованию более рыхлой упаковки макромолекул на поверхности, что, естественно, оказывает влияние на физико-механические свойства рабочего слоя

ивсей магнитной ленты.

6.2.НАНЕСЕНИЕ СУСПЕНЗИИ МАГНИТНОГО ПОРОШКА НА ГОТОВУЮ ОСНОВУ

Преобладающую часть выпускаемых в настоящее время магнитных лент изготовляют нанесением суспензии на готовую триацетатцеллюлозную или полиэтилентерефталатную основу. Высо­ кая производительность поливных машин позволяет сократить объ­ емы цехов, изготавливающих магнитные ленты, при сохранении валового выпуска. Наряду с этим улучшается качество продукции, так как появляется возможность создания конструкций поливных приспособлений, обеспечивающих равномерность нанесения суспен­ зии на основу и, следовательно, высокую однородность рабочего слоя ленты по толщине. При таком способе возможна узкая специализация производства. Известно, что ряд зарубежных фирм, производящих магнитные ленты, использует основу, получаемую от сторонних поставщиков, специализирующихся на ее производстве и обеспечи­ вающих ее высокое качество.

207

6.2.1.Оборудование для полива и высушивания слоя суспензии

Конструкция оборудования, предназначенного для изго­ товления магнитных лент, непрерывно совершенствуется. В насто­ ящее время существуют агрегаты различных типов, однако принцип их действия остается неизменным.

Приведем общие схемы двух конструкций поливочно-сушильных агрегатов, находящих применение в промышленности, а затем по­ дробно рассмотрим составляющие их части.

Поливочно-сушильный агрегат первого типа (рис. 102) состоит из узла размотки основы, поливного устройства, ориентирующего приспособления, сушилки, узла намотки, а при необходимости — узла подслаивания основы. Узел размотки 1 предназначен для непрерывной подачи основы в зону нанесения суспензии. Для этого узел снабжен размоточным приспособлением, состоящим из двух штанг, на которые устанавливают рабочий и запасной рулоны основы. Пока разматывается основа со штанги, занимающей рабочую позицию, на второй позиции устанавливают новый рулон основы. С помощью ручного привода позиции могут меняться местами. Узел размотки снабжен тормозным электродвигателем, обеспечивающим натяжение основы при размотке рулона. Концы одного рулона скле­ ивают с началом другого на склеенном столике, который предста­ вляет собой вакуумную решетчатую коробку с тяжелым прижимным валиком — для торможения движения основы. Непрерывная работа машины обеспечивается магазином запаса типа полиспаста с по­ движной нижней половиной. При склейке прекращают подачу основы у склеенного столика с помощью прижимного валика и начинают расходовать основу из магазина запаса 2 за счет изменения рассто­ яния между осями верхних валиков, подшипники которых закре­ плены в неподвижных каретках, и нижних, каретки подшипников которых имеют возможность перемещаться по направляющим. По­ движная часть магазина запаса уравновешена грузом, величина которого согласована с усилием натяжения основы. При растормаживании основы каретки с подшипниками нижних валиков снова занимают исходное положение.

Весьма существенным условием равномерного нанесения суспен­ зии на основу является постоянство скорости движения основы, что может быть достигнуто точной работой привода тянущего вакуумбарабана 3, предназначенного для размотки основы и протягивания ее через магазин запаса. Барабан представляет собой перфорирован­ ный секционный цилиндр с глухими торцами, причем на торце ци­ линдра имеется специальное распределительное устройство, соз­ дающее вакуум только в зоне обхвата поверхности барабана основой. Постоянство скорости движения основы в зоне нанесения суспензии достигается также отделением зоны полива от узла размотки и су­ шилки автоматическими электрическими устройствами — сельси­ нами, синхронно связанными в электроцепи всех двигателей машины и регулирующими постоянство скорости движения основы и ее натя­

268

жения. Сельсины установлены между тянущим 3 и тормозным ва­

двигателем. Конструкция тормозного барабана аналогична кон­ струкции тянущего. Петля, возникающая между барабанами, служит для синхронизации скоростей приводов и предотвращения передачи толчков от одного привода к другому. Основа огибает сигнализи­ рующий валик сельсина, проходит через устройство для очистки ее поверхности 5 (металлические пластины или валики, обтянутые бархатом) и поступает в зону нанесения суспензии. При необходи­ мости до поливного приспособления 6 она проходит зону подслаивания.

Для нанесения на основу слоя суспензии используют поливные приспособления различного типа, которые были описаны в раз­ деле 3.1.4). С целью стабилизации положения основы при нанесении на ее поверхность слоя суспензии до и после фильеры устанавливают вакуумные столики. Для визуальной оценки качества образующегося рабочего слоя под полотном ленты сразу же после фильеры обычно устанавливают подсвечивающий фонарь.

После нанесения суспензии лента проходит в магнитном поле, создаваемом специальным ориентирующим устройством 7, и посту­ пает в сушилку. Сушилка представляет собой короб туннельного типа, состоящий из деревянных щитов, обитых жестью. Короб уста­ новлен на сварной станине, которая несет на себе также детали лентопротяжного тракта. Конфигурация сушильного короба может быть различной. Короб может быть расположен горизонтально или образовывать дугу того или иного радиуса.

в нижней части прямоугольные сопла и круглые отверстия. Нагретый воздух подают в верхнюю часть диффузоров, откуда он через сопла поступает на поверхность ленты и затем, насыщенный парами рас­ творителей, через круглые отверстия диффузоров отсасывается на угольную рекуперацию. Движение ленты в сушилке осуществляется при помощи тянущего вакуум-барабана 3.

Затем лента поступает в петлевую сушилку, которая служит для окончательного досушивания рабочего слоя ленты. Она обычно состоит из трех камер, каждая из которых разделена перегородкой, не достигающей потолка. Нагретый воздух поступает в каждую камеру противотоком к движущейся ленте, огибает перегородку

2G9