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

первоначальной длины. Это свойство полиэтилентерефталатных пле­ нок, как уже говорилось (см. раздел 3.2.4), используют для улучше­ ния их физико-механических свойств.

Для пояснения на рис. 123 приведена экспериментальная кривая, полученная при растяжении образца полиэтилентерефталатной пленки длиной 150 мм и поперечным сечением 1 мм2 (рис. 123) [332]. Такая пленка разрушается при растяжении до 140%, при этом деформация составляет 328 мм. Так как объем пленки не изменяется,

нагрузку 42,5 кгс/мм2. Если снять нагрузку вблизи точки разрыва, например только при деформации 130%, пленка окажется сильно растянутой. При повторном растяжении такой.пленки можно полу­ чить вторую кривую (см. рис. 122, кривая 4), соответствующую поперечному сечению 1 мм2. Естественно, что в этом случае удли­ нение при разрыве значительно сокращается и составляет уже 27Фо, а удельное разрушающее усилие возрастает до 42,5 кгс/мм2.

Сравнение свойств магнитных лент на полиэтилентерефталатной и ацетатцеллюлозной основе позволяет сделать вывод, что лента на основе из полиэтилентерефталата толщиной 20 мкм при нагрузке 1 кгс удлиняется так же, как лента на ацетатцеллюлозной основе вдвое большей толщины (40 мкм). Это означает, что весьма тонкие ленты на полиэтилентерефталатной основе имеют почти такую же прочность, как обычные ленты на ацетатцеллюлозной основе, если в таком же отношении сокращается толщина рабочего слоя.

Отсюда ясно то огромное преимущество, которое имеет предвари­ тельно растянутая полиэтилентерефталатная основа магнитных лент перед ацетатцеллюлозной в отношении ее механических свойств.

Разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве магнитных лент, определяемые главным образом свойствами основы, в большой степени зависят от темпера­ туры. Ниже приведены механические свойства ацетатцеллюлозной основы магнитных лент при различных температурах:

П р и м е ч а н и е . ат а и е т а —разрушающее напряжение при раотяже-

нии и относительное удлинение при разрыве для магнитной ленты из триацетатцеллюлозной основы; ов и ев а —то же для основы из вторичного аце­

тата целлюлозы.

Возрастание прочности при растяжении основы и падение вели­ чины ее удлинения при разрыве с понижением температуры объяс­ няется уменьшением сегментальной подвижности макромолекул пленкообразующего полимера и возрастающей в связи с этим же­ сткостью макромолекул [64]. По изменению прочности при растя­ жении и удлинения пленок в условиях пониженных температур

322

можно, с известным приближением, судить об их хрупкости, так как хрупкость особенно проявляется при низких температурах.

Таким образом, статическая прочность при растяжении эфиро­ целлюлозных пленок, применяющихся в качестве основы магнитных лент, составляет 6—8 кгс/мм2 для пленок из вторичного ацетата и 9—10 кгс/мм2 для пленок из триацетата целлюлозы. Такие вели­ чины прочности для современных магнитных лент малой толщины явно неудовлетворительны. В применяемых в настоящее время устройствах для магнитной записи и воспроизведения сигналов может быть надежно использована только лента, обладающая высо­ кой прочностью при растяжении. Поэтому во всем мире наблюдается постепенный переход на изготовление магнитных лент на полиэтилентерефталатной основе.

Кроме того, как уже говорилось, ацетатцеллюлозная основа магнитных лент обладает и другими существенными недостатками. Если основа изготовлена из вторичного ацетата целлюлозы, то вслед­ ствие высокого водопоглощения и усадки она теряет свою плоско­ стность, неравномерно деформируется и быстро выходит из строя. Применение же тонких магнитных лент на основе из триацетата целлюлозы ограничивается значительной хрупкостью такой основы.

Высокая прочность при растяжении, высокая размероустойчивость и ряд других показателей полиэтилентерефталатной пленки позволяют значительно уменьшить толщину магнитных лент, увели­ чив количество информации, записываемой на один рулон магнитной ленты. Это имеет большое значение в таких отраслях использования магнитной записи, где решающим фактором является вес, например в космических исследованиях.

Работа ударного разрушения. Испытание прочности на разрыв при динамическом нагружении проводят при помощи маятникового копра, а работу, затраченную на разрушение образца, определяют как разность исходной и остаточной энергии маятника.

Для испытания лент шириной 6,25 мм применяют копер, запас энергии маятника которого 10 кгс-см (~ 1 Дж), а для более широких образцов 200 кгс-см (— 20 Дж). Этот вид испытания более отражает реальные условия эксплуатации магнитных лент, чем испытания в статическом режиме. Для его осуществления имеются специальные приборы [333], позволяющие создать для испытуемого образца толчки, по характеру сходные с толчками, испытываемыми магнитной лентой при запусках и остановках лентопротяжных механизмов записывающей и воспроизводящей сигналы аппаратуре. В таких приборах удару подвергается не сам образец ленты, а один из зажи­ мов, в которых он закреплен. Для того чтобы можно было сравнивать

где PL — запас энергии маятника, Дж (кгс*см) (Р — вес маятника, кгс; L — расстояние от оси вращения до центра тяжести, м); а — угол падения маятника, °; ß — угол взлета маятника при отсутствии образца, °; б — угол взлета маятника после разрушения образца, °.

Прочность на урар характеризуют ударной вязкостью а (в Дж/м2 или кгс-см/мм2), которую определяют как отношение работы удар­ ного разрушения А р к начальному сечению образца F 0:

Принято считать, что высокая прочность пленки на удар обусло­

Иногда используют способ определения прочности на удар для образцов с надрезом. Этим способом характеризуют материалы, образцы которых имеют местные дефекты или резко изменяют про­ филь. Такие испытания оказываются полезными для определения качества резки магнитных лент, на краях которых возможно обра­ зование микроскопических трещин, надрывов или надколов. Такого рода дефекты могут также возникнуть при перфорировании магнит­ ных лент, применяющихся для записи звука в кинематографии.

Из производственной практики известно, что иногда при сравне­ нии результатов испытания большого числа магнитных лент, име­ ющих эфироцеллюлозную основу, для разрушения отдельных образ­ цов требуется весьма мало энергии. Удлинение таких образцов даже при относительной влажности 50% также незначительно. Создается впечатление, что такие образцы имеют ослабленные края в результате неправильной резки или плохой заточки режущего инструмента. Иная картина наблюдается для магнитных лент на полиэтилентерефталатной основе. Результаты опытов свидетельствуют о том, что такие ленты мало чувствительны к краевым дефектам и даже при наличии последних не показывают отклонения от обычных характеристик прочности и удлинения как при статическом, так и при динамическом нагружении.

Отсюда можно сделать вывод, что столь различная сопротивля­ емость обоих типов лент разрыву обусловлена разной чувствитель­ ностью эфироцеллюлозной и полиэтилентерефталатной основы к мик­ роскопическим повреждениям краев ленты. Эта чувствительность особо выражена у магнитных лент на триацетатцеллюлозной основе, что, в свою очередь, можно объяснить жесткостью макромолекул триацетата целлюлозы и повышенной хрупкостью изготовленных из него пленок.

Следует учитывать, что дефекты краев магнитных лент могут возникать не только в процессе резки лент, но также и при эксплу­ атации лент, если лентопротяжный механизм работает недостаточно четко. Так, при перекосах ленты в различных аппаратах ее края могут задевать металлические детали аппарата, края катушки или кассеты, что, естественно, вызывает их деформацию.

324

Наряду с определением прочности магнитной ленты при динами­ ческом нагружении измеряют остаточное удлинение образца, под­ вергнутого ударной нагрузке в продольном направлении при помощи маятникового копра с запасом энергии 1 Дж. При этом расстояние между зажимами образца составляет 100 мм, начальное натяжение 2 ±0,02 кгс. Угол сброса маятника должен соответствовать нагрузке 0,15 Дж для лент толщиной 37 мкм и более и 0,05 Дж для лент толщиной 27 мкм и менее. Удлинение определяют через 1 мин после нагружения.

Адгезионная прочность рабочего слоя магнитной ленты. Адге­ зионная прочность рабочего слоя определяется как силами адгезии рабочего слоя к основе, так и когезионными силами внутри рабочего слоя, т. е. взаимодействием между макромолекулами связующего полимера, осложненным взаимодействием макромолекул с части­ цами магнитного порошка.

Адгезионную прочность рабочего слоя к основе целесообразно характеризовать его поведением в условиях, близких к условиям работы" магнитной ленты в записывающих и воспроизводящих сиг­ налы аппаратах, определяя нагрузку, при которой начинается обра­ зование на рабочем слое трещин, его разрушение и отставание от основы [328]. Нагрузку создают статическим растяжением образца ленты длиной 100 мм при постоянной скорости растяжения равной 100 мм/мин. Наблюдение за поверхностью рабочего слоя ведут при помощи микроскопа с увеличением X 36. Адгезионную прочность считают достаточной, если на 5—10 образцах не наблюдается нару­ шения поверхности слоя до разрыва магнитной ленты.

Когезионную прочность наиболее целесообразно определять мето­ дом царапания, так как разрушение рабочего слоя в основном проис­ ходит. за счет царапин, возникающих при трении его о магнитные головки в особенности в аппаратах видеозаписи, а также в резуль­ тате действия частиц пыли, попадающих между поверхностью ленты и головок. Испытание проводят на приборе для определения твер­

в точке приложения усилия. Сначала отмечают нагрузку, при кото­ рой образуется еле заметная царапина, а затем нагрузку, при которой рабочий слой процарапывается на всю толщину. Для испытания подбирают образцы с одинаковой толщиной рабочего слоя. При каждом испытании проводят параллельные измерения на эталоне, для того чтобы исключить ошибку, возникающую вследствие зату­ пления царапающего острия. Из отношения нагрузок Р 0, отмеченной при появлении первой царапины, и Рэ, отмеченной на эталоне, определяют коэффициент когезионной прочности при образовании первой царапины, характеризующий прочность поверхности рабо­

325

возникновением царапин ведут при помощи микроскопа с увеличе­ нием X 36.

Критерием оценки когезионной прочности может явиться также значение микротвердости. Метод основан на определении линейной величины диагонали оттиска, получаемого от вдавливания под нагрузкой в рабочий слой алмазной пирамидки специального микро­ твердомера [334].

Абразивность и стойкость к истиранию. Поскольку рабочий слой магнитной ленты содержит значительный процент магнитного по­ рошка, он обладает абразивными свойствами, вызывающими износ

при передвижении. При этом истирается и сам рабочий слой ленты. Судить о стойкости магнитных лент к истиранию целесообразнее всего по изменению их рабочих характеристик при многократных прогонах на специальном стенде. Заключение об износе ленты по уменьшению толщины рабочего слоя или по определению изменения класса чистоты поверхности не позволяет установить критерий износа, вызывающего выход ленты из строя. Существуют способы определения стойкости рабочего слоя к истиранию по уменьшению

его толщины после шлифования.

Один из методов определения абразивности рабочего слоя [328] заключается в истирании алюминиевой пластинки магнитной лентой. Прибор для испытания представляет собой обычный лентопротяжный механизм. На пути движения ленты устанавливают зажим с закре­ пленной на нем пластинкой алюминия толщиной 0,5 мм. Лента при движении огибает пластинку с торца под углом 100°. Скорость движения ленты 19 см/с и натяжение 250 гс постоянны во все время испытания. За результат измерения принимают отношение изменения толщины пластинки Аh (в мкм) к длине I (в м) прошедшей мимо пла­ стинки магнитной ленты:

По другому способу [335] об абразивности рабочего слоя судят по уменьшению веса серебряной пластинки после ее истирания лентой длиной 1000 м. Натяжение ленты 0,04 кгс, ширина контакта ленты с пластинкой 25,4 мм.

Гладкость поверхности рабочего слоя. Гладкость поверхности ра­ бочего слоя является одним из основных факторов, влияющих на плотный и постоянный контакт ленты с магнитными головками, который предупреждает выпадениеюигнала, в особенности при видео­ записи и точной записи. Учитывая различные принципы и способы изготовления пленок из ацетатов целлюлозы и полиэтилентерефталата, естественно предположить, что гладкость поверхности обоих типов пленки будет различной. Вероятность такого предположения оправдана, даже если исключить такие факторы, влияющие на глад­ кость поверхности, как характер поверхности ацетатцеллюлозной пленки, на которую наносят суспензию магнитного порошка, нали­ чие специального зеркального слоя на ленте машины или качество

326

Влияние на свойства магнитных лент термогигрометрических условий. Возможность нормального использования магнитных лент в большой степени зависит от температуры и относительной влаж­ ности окружающей среды.

Ранее уже говорилось, что основным преимуществом полиэтилентерефталатной пленки является ее размероустойчивость. Эта харак­ теристика в основном обусловлена термическим и влажностным коэффициентами удлинения. Термический коэффициент удлинения полиэтилентерефталатной пленки 3,6-ІО-5, а ацетатцеллюлозной 5,4«ІО-5 1/°С. Эти величины настолько близки, что по ним затруд­ нительно судить о целесообразности применения той или иной основы. Хотя температурный коэффициент удлинения полиэтилен­ терефталатной пленки составляет лишь 2/3 от коэффициента для

Рис. 125. Диаграммы профили толщины ацетат­ целлюлозной (а) и полиэтилентерефталатной (б) пленок.

ацетатцеллюлозной пленки, в абсолютных величинах эта разница становится почти незаметной.

Основное же различие в размероустойчивости обеих пленок опре­ деляют их влажностные коэффициенты удлинения. Коэффициент удлинения (или сокращения) полиэтилентерефталатной пленки со­ ставляет 6-10“6 1/% отн. вл., в то время как для ацетатцеллюлозной пленки он равен 50-10~6 1/% отн. вл. Хотя разница в абсолютных величинах также невелика, все же полиэтилентерефталатная пленка почти в 8 раз менее чувствительна к изменению относительной влаж­ ности среды, чем ацетатцеллюлозная, что практически весьма важно.

Рассмотрим влияние изменения относительной влажности (до 60%) на удлинение (в см) магнитной ленты, изготовленной на полиэтилентерефталатной L a и ацетатцеллюлозной La основе и смо­ танной в рулон длиной 2400 м (при этом толщина и ширина лент также будут изменяться, однако абсолютной величиной этих изме­ нений можно пренебречь):

L„ = 6 • ІО"6 • 2400 • 60= 86,5

La= 50 . IO"6 • 2400 • 60 = 7205

При скорости движения ленты в аппаратуре воспроизведения 38 см/с различие во времени для ленты на полиэтилентерефталатной

328

основе составляет приблизительно 2,3 с. Для ленты на ацетатцеллюлозной основе разница составляет уже 19 с, чем пренебрегать нельзя.

Еще более важные следствия разницы коэффициентов удлинения проявляются в характере намотки ленты в кассете, катушке или рулоне. Лента на ацетатцеллюлозной основе, намотанная при уме­ ренном натяжении, постоянном крутящем моменте, 50% относи­ тельной влажности и комнатной температуре, существенно ослабляет плотность намотки при увеличении влажности до 95%. При умень­ шении относительной влажности до 5% при той же температуре плотность намотки недопустимо возрастает.

В аппаратах записи и воспроизведения сигналов, в особенности при использовании многометражных рулонов ленты, недостаточно плотная намотка затрудняет эксплуатацию и может привести к пол­

лент к действию влаги. Если поместить в среду влажного воздуха отрезок магнитной ленты, он будет скручиваться в продольном направлении по ширине, образуя желоб, особо выраженный для ленты на ацетатцеллюлозной основе. Такое коробление существенно ухудшает контакт ленты с магнитными головками.

На рис. 126 показаны два способа оценки величины коробления. При использовании первого способа (см. рис. 126, а) коробление К оценивают в угловых градусах, принимая за нуль плоскую ленту. Чаще коробление измеряют следующим способом. Образец ленты горизонтально укрепляют под тубусом микроскопа в двух зажимах под определенным натяжением. Щель микроскопа проектируют на поверхность ленты. Изображение щели имеет форму дуги вслед­ ствие коробления ленты. Стрелу прогиба сфокусированной на по­ верхности ленты щели определяют, измеряя положения трех точек на внутренней стороне дуги (см. рис. 126, б) относительно произ­ вольной базы, перпендикулярной к линии обреза ленты, с точностью 0,01 мм. Величину коробления вычисляют по формуле:

А + в

К = Б « *

где А, Б и В — размеры, указанные на рис. 126, б.

Имеются следующие данные [336] о поведении магнитных лент на различной основе при 15, 50 и 85% относительной влажности.

329

Для магнитной ленты на ацетатцеллюлозной основе толщиной 37 мкм величина коробления составила 4° при 15%, 8° при 50% и 16° при

при 50% и 1° при 85% относительной влажности. Отсюда можно сделать заключение, что ацетатцеллюлозная лента остается плоской только при относительной влажности 50%. В то же время при более высокой влажности лента заметно скручивается, образуя желоб. При изменении относительной влажности до 70% коробление ацетат­

желоба является адсорбция и десорбция лентой влаги, вызывающая различие в растяжении или сокращении основы и рабочего слоя ленты, степень отрелаксированности макромолекул пленкообразу­ ющих веществ в которых различна. Обычно для определения размероустойчивости магнитной ленты и сохранения ею физико-меха­ нических свойств при воздействии повышенных и пониженных тем­ ператур осуществляют измерения в температурном интервале от —40 до +60 °С и строят кривые зависимости параметр — температура. Воздействие температуры при этом должно быть кратковременным, так как может привести к старению ленты и искажению результатов исследования. Поскольку ацетатцеллюлозная основа содержит пла­ стификатор, она подвержена старению в гораздо большей степени, чем полиэтилентерефталатная.

Наиболее просто определяются и часто используются следующие характеристики: теплостойкость длины ТС и влагостойкость длины ВС магнитных лент.

Величину ТС находят, измеряя изменение длины отрезка ленты при увеличении температуры от 20 до 50 °С. Образец, натянутый силой 0,5 кгс, выдерживают при крайних значениях температур в течение 15 мин. За результат принимают отношение (в %) изме­ нения длины образца к его длине при 20 °С.

Величину ВС определяют измерением длины образца ленты при относительной влажности окружающего воздуха 55 и 90%. Длина образца не должна быть менее 50 см, начальное натяжение 0,5 кгс. При влажности 55% образец выдерживают 30 мин, при влажности 90% — 60 мин. За результат принимают отношение изменения длины образца к его длине при влажности 55%, выраженное в про­ центах.

Следует еще раз подчеркнуть, что определяющие физико-механи­ ческие свойства магнитных лент зависят от характера основы. Это особо относится к прочности при статическом и динамическом нагру­ жении, а также к удлинению при разрыве.

Многочисленные испытания всегда показывают небольшую раз­ ницу в прочности чистой основы и основы, несущей рабочий слой. В табл. 5 приведена сравнительная характеристика механических свойств магнитных лент на ацетатцеллюлозной и полиэтилентере­ фталатной основе [337]. Испытания проводили на магнитных лентах шириной 6,25 мм; влагостойкость определяли как изменение длины

330

ленты (в %) при изменении относительной влажности воздуха от 50 до 90%, а усадку — как уменьшение длины ленты при изменении температуры от 20 до 50 °С.

Сопоставляя приведенные выше данные, можно сделать сле­ дующие заключения:

оба пленкообразующих вещества имеют примерно одинаковые коэффициенты линейного расширения;

оба типа лент подвергаются пластической деформации при отно­ сительном удлинении более 5% и растягиваются после достижения точки пластической деформации, однако полиэтилентерефталатная основа растягивается до разрыва в 4 раза больше, чем ацетатцеллю-

гладкость поверхности ацетатцеллюлозной ленты несколько выше, чем поверхности полиэтилентерефталатной пленки;

ацетатцеллюлозная лента более подвержена разрыву при краевых дефектах;

полиэтилентерефталатная лента почти не чувствительна к про­ цессу старения.

Этим объясняется предпочтение, отдаваемое магнитным лентам на полиэтилентерефталатной основе.