Технологические параметры процесса электроформования

Свойства формовочных растворов. Параметры технологического процесса в значительной степени зависят от свойств формовочных растворов.

Одним из важнейших свойств формовочного раствора является коэффициент поверхностного натяжения. Чем ниже этот коэффициент, тем устойчивее жидкая струя. Исходя из практического опыта, считается, что величина коэффициента поверхностного натяжения должна быть менее 0,05 Н/м.

Другое важнейшее свойство прядильного раствора — его динамическая вязкость. В процессе ЭФВ обычно используют растворы полимеров с динамической вязкостью от 0,05 до 1 Па с.

На процесс ЭФВ оказывает большое влияние удельная объемная электропроводность формовочного раствора. Чем быстрее или интенсивнее требуется проводить деформацию жидкой струи, тем выше должна быть электропроводность прядильного раствора. В процессе ЭФВ обычно она имеет довольно широкий диапазон — от 10^-6 до 10^-2 Ом^-1 • м^-1, где верхний предел ограничен порогом возникновения газового разряда, нарушающего устойчивость струи. Электропроводность сильно влияет и на вторую стадию процесса ЭФВ. С ее ростом увеличивается вероятность последовательных расщеплений еще не полностью отвержденной струи и, соответственно, эффективная скорость волокнообразования.

С электропроводностью связано и другое свойство формовочного раствора — его относительная диэлектрическая проницаемость. Чем меньше эта величина, тем меньше ослабление электрического поля внутри формируемой жидкой струи и тем быстрее в ней происходит перенос электрических зарядов. С другой стороны, из-за уменьшения полярности молекул растворителя падает его электропроводность. Поэтому лучшими для формовочного раствора оказались промежуточные значения относительной диэлектрической проницаемости — от 5 до 30, а в пределе — не более 100.

Важную роль в процессе ЭФВ играют термодинамические свойства формовочного раствора. Здесь, по мнению специалистов, можно ограничиться только двумя из этих свойств — температурой кипения при нормальном давлении и упругостью насыщенного пара при нормальной температуре. Опыт показывает, что при нормальных условиях формования наиболее удобным является диапазон температур кипения от 50 до 120 °С и относительной упругости насыщенного пара от 0,02 до 0,2.

При таких свойствах формовочного раствора отверждение жидкой струи начинается на расстоянии от инжектирующего сопла не менее 3 см и заканчивается на расстоянии от него не более 30 см, т.е. в пределах второй стадии процесса ЭФВ, где струя уже успела развернуться перпендикулярно направлению внешнего электрического поля, но еще не достигла осадительного электрода. При меньших значениях температур кипения или больших упругостях насыщенного пара отверждение струи начинается уже на первой стадии процесса ЭФВ. В результате струя не успевает сформироваться, и возможно даже высыхание раствора на срезе сопла. В противном случае осадительного электрода достигают невысохшие волокна, что ухудшает микроструктуру волокнистого слоя и приводит к нарушению нормального процесса формования.

Технологические параметры процесса ЭФВ. Технологические параметры условно делят на задаваемые и зависимые.

К задаваемым относятся: геометрия межэлектродного пространства и объемный расход формовочного раствора.

Геометрия межэлектродного пространства определяется конструкцией установки и должна обеспечивать безопасный и устойчивый технологический процесс на всех рассмотренных выше стадиях. Для этого необходимо, чтобы расстояние между электродами с некоторым регулируемым запасом включало размеры зон двух первых стадий. Расстояние до ограничивающих установку стенок также должно быть достаточно большим, чтобы избежать осаждения на них волокон и предотвратить электрический пробой. Обычно расстояние между электродами варьируют от 20 до 50 см, а расстояние от электродов до стенок — от 50 см и более, а сами стенки электрически изолируют.

Объемный расход формовочного раствора, определяющий производительность процесса ЭФВ, можно менять в значительных пределах. Нижний предел ограничен главным образом требованием стабильности дозирования через тонкий капилляр, а верхний — временем отверждения волокон, т.е. скоростью испарения растворителя и расстоянием между электродами. Освоенный на практике диапазон объемного расхода составляет 0,03—1 см³/мин на одно инжектирующее сопло (в некоторых конструкциях инжекторов формовочного раствора объемный расход достигает 100 см³/мин).

К зависимым параметрам относятся: электрическое напряжение, электрический ток, скорость волокнообразования, время разгона первичных струй (скорость деформации).

Электрическое напряжение на инжектирующем сопле регулировать просто, но его нельзя выбирать и изменять в процессе ЭФВ произвольно. Дело в том, что для любого, не слишком большого объемного расхода формовочного раствора, существует довольно узкий диапазон значений электрического напряжения. Только внутри этого диапазона формируемая на первой стадии процесса жидкая струя сохраняет свою стационарность. Нижний уровень и ширина этого диапазона зависят от коэффициента поверхностного натяжения, электропроводности, объемного расхода раствора, расстояния между электродами и их конфигурации. Например, для установки с единичным соплом и межэлектродным расстоянием 30 см, при объемном расходе 0,3 см³/мин, электропроводности 10^-4 Ом^-1 • м^_| и коэффициенте поверхностного натяжения раствора 0,03 Н/м стационарная струя существует в диапазоне напряжений на сопле от 22 до 28 кВ. Для других комбинаций задаваемых параметров и свойств раствора нижний уровень диапазона напряжений, обеспечивающий стационарность струи, может оказаться в несколько раз больше, а относительная ширина его может изменяться от 5 до 40% от нижнего уровня. Так, на промышленных установках с множеством дозирующих сопел нижний уровень этого диапазона напряжений достигает 80—120 кВ.

Электрический ток также относится к зависимым технологическим параметрам процесса ЭФВ. Его вообще нельзя установить и изменить произвольно. Он является следствием всех вышеперечисленных параметров и свойств, однако контроль его необходим по целому ряду причин:

• 1) он входит в энергетический баланс процесса;
• 2) его отношение к объемному расходу прядильного раствора есть мера объемной плотности электрического заряда в первичной струе, а следовательно, и ее способности к расщеплению;
• 3) его плотность на осадительном электроде влияет на формирование волокнистого слоя, а значит, на его фильтрующие свойства и остаточный заряд.

Величина тока нормального процесса ЭФВ зависит линейно от объемного расхода раствора, но гораздо сильнее — от напряжения на сопле и может изменяться в широких пределах — от 0,1 до 5 мкА на одно инжектирующее сопло (для некоторых конструкций инжекторов прядильного раствора электрический ток достигает 50 мкА и более).

Эффективная линейная скорость волокнообразования определяется как суммарная длина всех волокон, накапливаемых на осадительном электроде в единицу времени. В отсутствие расщеплений первичной струи эта величина равна достигнутой ею максимальной скорости на первой стадии процесса. При наличии расщепления первичной струи эффективная скорость волокнообразования суммирует скорости всех ее дочерних струй и достигает сотен м/с, а иногда и нескольких км/с.

Скоростью деформации называется продольный градиент осред- ненной по поперечному сечению линейной скорости струй. Эта величина, обратная времени разгона первичных струй, на отдельных участках может достигать 10⁴ 1/с и более.

Все сказанное представляет лишь общую и весьма приближенную картину процесса ЭФВ — его основных стадий, происходящих в нем физических превращений, перечня и роли определяющих его условий и технологических параметров, порядка их величин и взаимосвязи. Для более глубокого анализа этого процесса, успешной практической реализации и эффективного управления необходимы знания механизмов составляющих его физических процессов и их адекватное теоретическое описание. Это касается и электрогидродинамики процесса ЭФВ, и условий существования первичной струи, расщепления первичной струи и т.д.

Определение радиуса волокон в процессе ЭФВ требует решения системы уравнений газогидроэлектродинамики. Эта задача крайне сложная, поэтому в каждом конкретном случае или используют численные расчеты, или параметры процесса ЭФВ определяют экспериментально. Оптимизация технологических параметров процесса для каждого типа полимера и для каждой геометрии установки является самостоятельной научно-исследовательской работой, для которой большое значение имеют несложные зависимости между различными параметрами процесса и их влияние на получаемые волокна, в частности на их радиус. Несмотря на приближенный характер этих зависимостей, они позволяют существенно сократить процесс оптимизации режимов ЭФ В.

Согласно результатам ряда работ, зависимость конечного радиуса струи г от основных параметров процесса электроформования определяется выражением

где р — плотность жидкости; Q — объемный расход жидкости через капилляр; U = U(z) — потенциал в точке z, отсчитываемый от среза капилляра; / — электрический ток, переносимый струей.

Из этого соотношения видно, что радиус струи слабо зависит от проводимости, но зависит от напряженности электрического поля и массового расхода жидкости (формовочного раствора). Напряженность электрического поля не может повышаться неограниченно, так как это приведет к коронному разряду или электрическому пробою.

Достигнутый к настоящему моменту теоретический уровень представлений об основных электрогидро- и газодинамических процессах электроформования волокнистых материалов, по мнению специалистов, явно недостаточен для построения единого управляющего алгоритма этого процесса, тем более на основе его простейших моделей с однородным электрическим полем, ньютоновской жидкостью, цилиндрической геометрией межэлектродного пространства и весьма приближенными осредненными пробойными характеристиками волокнистого слоя. Особенно слабым местом здесь является недостаток сведений о механизме расщепления первичной струи и разрядки волокнистого слоя.