Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления и основные направления развития технологии электрофлокирования 17
1.1. Факторы, определяющие качество ворсового покрытия и производительность процесса флокирования 19
1.2. Основные виды сырья, применяемые в технологии электрофлокирования 23
1.2.1. Ворс и требования, предъявляемые к нему 24
1.2.2. Измерение характеристик ворса 26
1.2.3. Виды адгезивов в технологии флокирования и требования к ним 31
1.3. Формирование ворсового покрова, предельная плотность ворса и её взаимосвязь с ориентацией ворса 34
1.4. Процесс зарядки ворса в электрическом поле 38
1.5. Анализ движения ворса в электрическом поле 41
1.6. Влияние объемного заряда ворса на параметры электрического поля в объеме флокатора 42
1.7. Оценка максимальной плотности тока и скорости подачи ворса при однонаправленном движении и неограниченной подаче ворса 44
1.7.1. Максимальная плотность тока при учете влияния объемного заряда на напряженность поля у поверхности заряжающего электрода 47
1.7.2. Анализ кинематических зависимостей движения ворса с учетом влияния объемного заряда 50
1.8. Применение неоднородных электрических полей в технологии электрофлокирования 54
1.8.1. Технология флокирования нитей 55
1.9. Получение многоцветных ворсовых рисунков в технологии электрофлокирования 56
1.10. Требования, предъявляемые к качеству отделки текстильных материалов методом электрофлокиования 60
1.10.1. Методы измерения плотности ворса на флокированных материалах 62
1.11. Направления исследований и разработок для развития теории и технологии электрофлокирования 65
2. Динамика изменения плотности ворсового покрова в процессе электрофлокирования с учетом влияния объемного заряда 68
2.1. Построение модели процесса формирования ворсового покрова с учетом влияния заряженного ворса в зоне флокирования 69
2.2. Обоснование модели формирования ворсового покрова на основе экспериментальных результатов 72
3. Процесс контактной зарядки ворса в технологии электрофлокирования 80
3.1. Распределение заряда по длине биполярно - заряженного волокна в электрическом поле 81
3.2. Максимальная величина зарядов на волокнах 85
3.3. Механизм приобретения волокнами избыточного заряда 86
3.4. Расчет сил, действующих на биполярно заряженное волокно на поверхности электрода 88
3.5. Анализ модели зарядки ворса на основе результатов экспериментальных исследований 90
3.5.1. Зарядка ворса при различном межэлектродном расстоянии 92
4. Исследование процесса осаждения заряженного ворса в технологии электрофлокирования 94
4.1. Исходные положения для построения модели осаждения ворса 96
4.2. Модель процесса нанесения ворса с учетом его свойств и технологических параметров процесса 97
4.2.1. Анализ процесса флокирования на основе энергетического подхода к его математическому описанию 98
4.2,2. Анализ процесса флокирования на основе кинематического подхода кописанию движения потока ворса 104
4.3. Методика измерения технологических характеристик процесса флокирования при однонаправленном движении заряженного ворса 113
4.3.1. Оценка электрофизических параметров ворса : 118
4.4. Сравнение теоретических расчетов параметров процесса флокирования с результатами эксперимента 122
4.4.1 Измерение коэффициента зарядки на основе модели осаждения ворса 130
4.5. Анализ процессов в межэлектродном пространстве при однонаправленном движении заряженного ворса 132
4.5.1. Величина объемного заряда ворса между электродами 132
4.5.2. Распределение объемного заряда ворса в зоне флокирования 135
4.5.3. Влияние объемного заряда на структуру электрического поля в объеме флокатора 138
4.5.4. Распределение ворсинок по скоростям в зоне флокирования 142
4.6. Анализ процесса флокирования при ограниченной скорости подачи ворса 145
4.7. Анализ процесса электрофлокирования при встречном движении раз-нополярно заряженного ворса 151
4.8. Экспериментальная оценка параметров процесса флокирования при встречном движении ворса и сравнение с результатами расчетов 158
5. Ориентация ворса на флокированных материалах 162
5.1. Анализ распределения ворсинок по углам наклона к вертикали 163
5.2. Экспериментальное исследование распределения ворсинок по углам наклона к вертикали 166
5.3. Ориентация ворса на цилиндрической поверхности 169
5.4. Модель процесса внедрения нового ворса, в структуру ранее нанесенного ворсового покрова при их последовательном осаждении 172
5.4.1. Экспериментальное исследование процесса внедрения нового ворса в структуру ранее нанесенного ворсового покрова 174
5.5. Методика оценки цветовых переходов ворсовых узоров на основе мо дели проникновения ворсов при их последовательном нанесении 176
5.6. Методика компьютерного анализа зоны цветового перехода 177
5.6.1. Исследование распределения плотности ворса для случая параллельных ворсовых полос 179
5.6.2. Оценка влияния напряженности поля и свойств ворса на размер зоны цветового перехода 182
6. Неоднородное электрическое поле параллельных проводников и его применение в технологии флокирования 185
6.1. Поле одного цилиндрического проводника между плоскими электродами 185
6.2. Анализ электрического поля ряда параллельных проводников междузаряженными плоскими электродами 192
6.3. Применение неоднородного электрического поля для сокращения вылета ворса из зоны флокирования 196
7. Оптимизация технологического режима нанесения ворса на текстильные материалы 204
7.1. Оптимизация скорости выпуска рулонных флокированных материалов 205
7.2. Увеличение максимальной скорости подачи ворса 207
7.3. Оптимизация процесса осаждения ворса для обеспечения его максимальной прочности закрепления 210
8. Основные принципы технологии производства флокированных нитей 215
8.1. Выбор схемы подключения электродов для нанесения ворса на нити 217
8.2. Выбор режима флокирования нитей на основе описания поля параллельных проводников 221
8.3. Влияние электропроводности нити с клеевым слоем на процесс блокирования 225
8.3.1. Модель влияния проводимости нити с клеевым слоем на скорость изменения плотности ворса на нити 226
8.3.2. Экспериментальная оценка влияния проводимости клеевого слоя на динамику возрастания плотности ворса на нитях 230
8.4. Влияние основных технологических параметров на процесс локирования нитей 235
8.4.1. Методика измерения плотности ворса на нитях 235
8.4.2. Экспериментальное исследование влияния технологических параметров на получаемую плотность ворса на нитях 237
8.5. Конструктивное решение узла нанесения ворса на нити в процессе их производства 242
8.6. Нанесение клеевого слоя при производстве флокированных нитей .248
8.6.1. Конструкция узла для нанесения клея на нити 249
8.6.2. Влияние основных технологических параметров на процесс нанесения клея на нити 250
8.6.3. Модель процесса нанесения клея 252
8.6.4. Оценка влияния линейной плотности нити и диаметра вала, наносящего клей, на величину массы клея на единице длины нити 258
8.6.5. Оценка технических параметров узла нанесения клея для линии флокирования нитей 260
8.7. Разработка способа термофиксации связующего в технологии производства флокированных нитей 262
8.7.1. Принцип использования параболического отражателя и ИК - излучателя, смещенного из оси фокуса отражателя 264
8.7.2. Методика измерения интенсивности ИК-излучения 273
8.7.3. Влияние расположения ИК-лампы и формы отражателя на распределение интенсивности ИК- излучения 276
8.8. Оценка технико-экономических показателей производства локированных нитей 281
9. Применение неоднородного электрического поля в технологии отделки материалов многоцветными ворсовыми рисунками 285
9.1. Обоснование возможности создания ворсовых узоров в неоднородном электрическом поле 285
9.2. Влияние потенциала промежуточного электрода на ширину ворсовых полос 291
9.3. Влияние основных технологических параметров флокирования на ворсовый рисунок 295
9.4. Технологический процесс и схемы подключения электродов для полу чения многоцветных ворсовых узоров 308
9.5. Применение стандартного оборудования для реализации технологии получения многоцветных ворсовых узоров 313
9.6. Конструктивное решение модуля для нанесения ворсовых узоров в неоднородном электрическом поле 322
9.7. Технология получения многоцветных ворсовых узоров на объемных изделиях 325
9.8. Оценка технико-экономической эффективности отделки текстильных изделий многоцветными флокированными рисунками 331
10. Измерение плотности ворсового покрова на флокированных мате
риалах методом оптического пропускания 334
10.1. Обоснование возможности измерения плотности ворсового покрова методом оптического пропускания 335
10.2. Погрешности при определении средней плотности ворса на флокированных материалах методом оптического пропускания 339
10.3. Влияние ориентации ворса на флокированном материале на точность измерения плотности ворсового покрова 346
10.4. Разработка конструктивных решений для реализации метода измерения
плотности ворсового покрова методом оптического пропускания 349
10.5. Обоснование возможности измерения плотности ворса на (^локирован
ных нитях методом оптического пропускания 359
Выводы 365
Библиографический список
- Основные виды сырья, применяемые в технологии электрофлокирования
- Обоснование модели формирования ворсового покрова на основе экспериментальных результатов
- Механизм приобретения волокнами избыточного заряда
- Анализ процесса флокирования на основе энергетического подхода к его математическому описанию
Введение к работе
Актуальность темы. Одно из важных направлений современной техники и технологии это использование взаимодействия полей и зарядов для управления потоком заряженных частиц. Такие технологии называют электронно-ионными. Для них характерно то, что весь арсенал воздействия прикладывается к каждой частице в потоке независимо от количества частиц.
Технологию, реализующую ориентированное осаждение заряженных волокон в электрическом поле, называют технологией электрофлокирования. В ее рамках осуществляют покрытие ворсом различных материалов и изделий. Широкие возмолшости этой технологии применяют в разных отраслях промышленности и, в первую очередь, это текстильная промышленность, в рамках которой выпускают искусственную замшу и бархат, обивочные материалы, декоративные материалы с (^локированными рисунками, (^локированные нити, напольные покрытия, осуществляют отделку одежды, скатертей, салфеток, портьер, рюкзаков и т.п. флокированными рисунками.
Для совершенствования технологических процессов флокирования и создания новых направлений этой технологии необходимо дальнейшее развитие теоретических моделей процесса осаждения заряженного ворса и его ориентации на материале при электрофлокировании. При этом в разрабатываемых моделях должны быть учтены, с одной стороны, геометрические и электрофизические параметры ворса, а, с другой стороны, условия зарядки и параметры осаждения ворса на поверхность основы.
Таким образом, для повышения экономической эффективности производства флокированных материалов необходимо решение научной проблемы: создать теорию, связывающую свойства перерабатываемого сырья (волокон) и параметры электрического поля со скоростью протекания технологического процесса и віоіючающую анализ структуры ворсового покрова, которая определяет качество флокированных материалов.
Важность создания таких обобщенных моделей заключается в том, что это позволит совершенствовать технологию путем обоснованного выбора режимов производства, прогнозировать допустимую скорость выпуска материала и его характеристики. Это важно для повышения производительности оборудования и улучшения качества выпускаемого материала. При этом полученные закономерности будут применимы для самых разных направлений технологии и открывают путь к грамотному управлению существующими технологическими процессами и созданию новых направлений технологии.
В настоящей диссертационной работе удалось разработать модель процесса осаждения заряженного ворса и модель ориентации ворса на (^локированном материале, основанные на четко сформулированных исходных положениях, и позволяющие рассчитать плотность тока, создаваемого заряженным ворсом, и максимальную скорость подачи ворса, определяющую производительность процесса. Важность создания таких моделей в том, что они позволяют оптимизировать технологические режимы, прогнозировать максимальную скорость выпуска рулонных флокированных материалов, повышать их качество и управлять технологическим процессом.
Проведенные исследования позволили создать технологию и конструкцию узла флокированния нитей, а также определить режим эффективной работы, разработать новые способы получения многоцветных ворсовых узоров на плоских и объемных изделиях и конструктивное решение установки, обосновать возможность измерения плотности ворса методом оптического пропускания и разработать метод компьютерного анализа цветовых переходов на флокированных узорах.
Целью работы является развитие представлений о процессе осаждения заряженных волокон на поверхность основы, которые позволят связать параметры, определяющие производительность, с условиями нанесения ворса и его характеристиками, а также изучение структуры ворсового покрова на поверхности материала. Математическая модель процесса позволит определить характер влияния основных технологических параметров на плотность тока и
скорость подачи ворса, что откроет путь для грамотного управления технологией. Важно разработать экспериментальную методику одновременного определения ключевых характеристик процесса, которая позволит объективно оценить основные положения созданной теории. Понимание основных закономерностей процесса флокирования позволит предложить пути совершенствования существующих технологий и предложить новые технологические процессы.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования явились классические и современные представления физики, разработки и положения, применяемые в электронно-ионной технологии и технологии электрофлокирования с применением методов математического моделирования, дифференциальных уравнений, теории поля, численных методов, методов вычислительной математики, информатики и др. Кроме того, разработан новый способ комплексного определения параметров процесса электрофлокирования, позволяющий одновременно и независимо измерять плотность тока, скорость подачи и заряд, движущегося между электродами ворса.
Научная новизна работы состоит в изучении закономерностей процесса осаждения заряженного ворса в электрическом поле и его ориентации на поверхности материала, а также экспериментальном обосновании полученных теоретических результатов и создании новых технологий, куда входят положения, разработанные автором:
математическая модель поведения заряженного ворса в электрическом поле при его осаждении на поверхность материала, основанная на анализе влияния объемного заряда ворса с учетом механизма его зарядки, которая позволила получить взаимосвязь плотности тока, создаваемого движущимся заряженным ворсом, и скорости его подачи, с условиями флокирования и параметрами ворса;
аналитическое выражение, позволяющее прогнозировать предельное значение скорости подачи ворса в области рабочих значений напряженности электрического поля, подтвержденное экспериментально;
экспериментальный метод одновременного и независимого измерения основных параметров процесса осаждения ворса в электрическом поле: плотности тока, скорости подачи ворса и его заряда;
взаимосвязь дисперсии распределения ворсинок по углам наклона на флокированной поверхности с величиной предельной плотности ворса, и на ее основе показана возможность измерения плотности ворсового покрова методом оптического пропускания;
методика компьютерного анализа цветовых переходов на поверхности с ворсовым рисунком из разноокрашенного ворса, основанная на взаимосвязи ориентации ворса с величиной его предельной плотности;
математическое описание неоднородного электрического поля ряда параллельных цилиндрических проводников, которое в сочетании с теорией процесса флокирования, позволяет анализировать влияние структуры поля узла флокирования на процесс нанесения ворса на нити и выбирать наиболее эффективный режим флокирования, а также обосновать способ получения многоцветных ворсовых узоров на плоских и объемных изделиях;
зависимость плотности ворса на поверхности флокируемой нити от длительности процесса, учитывающая электропроводность клеевого слоя, условия осаждения и параметры ворса, дающая возможность выбирать режим флокирования;
методика определения условий нанесения ворса, обеспечивающих минимальное время получения требуемой плотности ворса, основанная на созданной модели осаждения заряженного ворса;
соотношение, обоснованное экспериментально, описывающее процесс нанесения связующего в технологии производства флокированных нитей;
способ создания равномерного поля ИК-облучения при производстве флокированных нитей и плоских материалов.
Основные положения, выносимые на защиту. Разработана обобщенная модель, описывающая процесс осаждения заряженных волокон в электрическом поле с учетом влияния основных технологических параметров и свойств ворса, позволяющая совершенствовать существующие технологические процессы и создавать новые, которая включает:
взаимосвязь плотности тока, создаваемого движением заряженного ворса,, и скорости подачи ворса, определяющей производительность, с условиями флокирования и параметрами ворса;
аналитическое выражение для оценки максимального значения скорости подачи ворса в диапазоне рабочих значений напряженности электрического поля, подтвержденное экспериментально для различного ворса;
соотношение, связывающее ориентацию ворса, на ^локированной поверхности с величиной его предельной плотности, основанное на представлении о распределении наклона ворсинок по нормальному закону и позволившее разработать компьютерный метод анализа цветовых переходов на ворсовых рисунках и способ измерения плотности ворсового покрова методом оптического пропускания;
методику выбора режима процесса флокирования рулонных материалов и нитей, основанную на разработанной модели процесса осаждения заряженного ворса, для достижения максимальной производительности или прочности закрепления ворса;
высокопроизводительную технологию производства флокированных нитей, куда входят: схема подключения электродов, взаимосвязь производительности с величиной электропроводности клеевого слоя, способ нанесения клея и термофиксации клеевой композиции (получено 4 патента и авторских свидетельства);
конструктивные решения основных узлов линии для выпуска флокированных нитей (нанесения клея, электрофлокирования, сушки, мягкой намотки) и, подготовленное на их основе, техническое задание на изготовление установки, основанное на технических решениях 6 патентов;
' 13
новую технологию получения многоцветных ворсовых узоров на плоских и объемных изделиях, основанную на использовании неоднородного электрического поля и модели ориентации ворса;
конструктивное решение установки для получения ворсовых узоров, на основе которого разработано техническое задание и создан прототип модуля для реализации технологии.
Практическая значимость и реализация результатов работы
- Разработана технология производства флокированных нитей, включающая
способ нанесения клея и нанесения ворса, камеру для термофиксации свя
зующего и узел намотки нитей, на которые получено 8 патентов и авторских
свидетельств, подтверждающих новизну технических и технологических ре
шений; применение созданных технических и технологических решений
обеспечивает большую скорость выпуска при высокой плотности и равно
мерности осаждения ворса на нити;
- Создана технология и установка для получения многоцветных ворсовых
рисунков, которая основана на технических и технологических решениях,
защищенных 3 патентами, открывающая новые возможности в отделке раз
личных материалов и изделий и позволяющая расширить ассортимент по
добных изделий;
Разработано конструктивное решение узла флокирования нитей, обеспечивающее высокую производительность, основанное на модели осаждения ворса с учетом объемного заряда и описании неоднородного электрического поля ряда цилиндрических проводников;
Предложен метод компьютерного анализа цветовых переходов на ворсовых узорах, основанный на представлении о распределении ворсинок по углам наклона и их взаимопроникновении при последовательном нанесении различных ворсов, который позволяет получать объективную количественную характеристику ширины цветового перехода, чтобы регулировать вид узора, получая контрастные или плавные цветовые переходы;
Разработан способ контроля плотности ворса и на его основе создан лабораторный прибор для измерения плотности ворсового покрова на свето-пропускающих основах методом оптического пропускания, базирующийся на модели распределения ворса по углам наклона к вертикали; В целом новизна технических и технологических решений, разработанных на основе теоретических представлений и результатах исследований, подтверждается получением 1 б патентов и авторских свидетельств;
Личный вклад соискателя состоит в выборе цели исследования, постановке задач, создании теоретических моделей технологических процессов, разработке методики экспериментов и их реализации, анализе и интерпретации полученных результатов. Изложенные в диссертации результаты отражают самостоятельные исследования автора и его работы, выполненные в соавторстве.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на междуна-родных, всероссийских и других научных симпозиумах, конференциях и семинарах, таких как: 4.Iternationales Techtextil Symposium fur technische Texti-lien und textilarmierte Werkstoffe (Frankfurt am Main, 2-4 Juni 1992), 48-я Научно-техническая конференция, посвященная дню Радио. Секция вычислительная техника. (С.-Петербург, 19-28 апреля 1993 г.), International Congress for the nonwowens and disposables industries. Index 93 (Geneva-Switzerland. 20 - 23 April 1993), Материалы научно-практической конференции. Перспективные материалы и изделия легкой промышленности (С.-Петербург, 1994 г.), 2-я Международная флок-конференция «Флок-96» (Санкт-Петербург 6-7 Мая 1996 г.), 7. Chemnitzer Textilmaschinen - Tagung (05 - 06 Oktober 1999. S. 8 -12), Международная конференция «Химволокно - 2000». Секция: Применение химических волокон в текстиле и композитах (Тверь, 16-19 мая 2000 г.), Материалы юбилейной научно-технической межвузовской конференции Ч. 3 (СПб. 23 - 24.11.2000. С. 39 - 43), I Международная научно-практическая конференция: Современное состояние и тенденции развития нетканых материалов (СПб.: СПГУТД, 17-18 мая 2001), II Международная научно-
практическая конференция: Современное состояние и тенденции развития нетканых материалов (5 - 6.06.2003. СПБ.: СПГУТД, 2003. - С. 93 - 99), Международная научная конференция: Актуальные проблемы науки, техники и экономики производства изделий из кожи (Витебск, 4-5 ноября 2004 г.), Международная научно-техническая конференция: Современные технологии и оборудование текстильной пром - ти. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 27 -28.11.07 г.
Публикация результатов. Основные результаты диссертационной работы изложены в 43 печатных работах, включая монографию, 5 статей в журнале Известия вузов, 4 статьи в журнале «Электронная обработка материалов» при Академии наук Молдавской ССР, 16 авторских свидетельств и патентов, статьи в научных сборниках и доклады на международных и российских конференциях.
Основные виды сырья, применяемые в технологии электрофлокирования
Технология электрофлокирования имеет очень широкий спектр применения, кратко уже изложенный выше [4], [20]. При этом количество основных сырьевых для изделий разного ассортимента включает ворс и адгезив.
Конкретные характеристики этих компонентов могут очень сильно отличаться в зависимости от вида и назначения материала или изделия. 1.2.1 Ворс и требования, предъявляемые к нему
Ключевым компонентом технологии флокирования является ворс (флок). Он представляет собой короткие волокна одинаковой длины, окрашенные и обработанные специальными химическими препаратами. Химическая обработка ворса необходима, прежде всего, для придания изначально непроводящим волокнам достаточно высокой электропроводности.
В качестве ворса используют различные волокна, имеющие разное качество и свойства: - ворс из вискозного волокна хорошо окрашивается, химическая обработка достаточно проста, но для получаемого ворсового покрова характерна сми-наемость под действием нагрузки. В настоящее время производство такого ворса резко сократилось из-за значительного сокращения объемов выпуска вискозного волокна. - ворс из полиамидного волокна хорошо окрашивается, обладает высокой упругостью, вследствие чего ворсовое покрытие легко восстанавливается после снятия нагрузки. Обладает высокой износостойкостью. Химическая обработка не представляет значительной сложности. В настоящее время это самый распространенный вид ворса. - ворс из полиэфирного волокна обладает высокой стойкостью к истиранию и высокой стойкостью к воздействию УФ — излучения. Обработка таких волокон более сложная. Значительную трудность представляет окраска, следствием чего является сравнительно бедный выбор цветов. - ворс из ацетатного волокна обладает меньшей износостойкостью. Под нагрузкой сминается. Использование весьма ограничено.
Различный ассортимент требует ворса не только разной длины, но и разной линейной плотности. Соотношение длины и диаметра ворса влияет на его жесткость. Тонкий и длинный ворс образует комки волокон, короткий и толстый - формирует жесткое покрытие, не всегда желаемое для текстиль ных материалов. Примерное соотношение длины и линейной плотности ворса приведено в таблице.
Для использования ворса в технологии флокирования он должен обладать рядом необходимых свойств [2], [3], [21]: - равномерность резки по длине, которая необходима для получения качественного ворсового покрытия, определяется коэффициентом вариации; - разделяемость или сыпучесть ворса, определяющая способность ворсинок отделяться друг от друга при его подаче в зону флокирования; - электропроводность ворса, определяющая скорость приобретения им заряда в электрическом поле; - влажность ворса связана с его электропроводностью и также важна для приобретения заряда;
Для измерения перечисленных и других свойств ворса существует специальный комплекс приборов [22], принятый европейской ассоциацией фло-кировщиков, работа с которыми будет рассмотрена ниже. Предварительный контроль за его параметрами, конечно, особенно важен в производстве рулонных флокированных материалов. Использование некачественного ворса ведет здесь к ухудшению качества флокированного покрытия и снижению производительности процесса, т.е. к большим экономическим потерям.
Технология производства ворса [3], [21] включает операции, придающие диэлектрическому волокну необходимые свойства и, в первую очередь, электропроводность и разделяемость. Производство ворса начинается с формирования жгута необходимой линейной плотности из многих бобин. Созданный жгут для повышения эффективности резки пропитывают определенным составом и подают на ворсорезательную машину. Нарезанный ворс сначала отмывают от пропитывающих препаратов и замасливателя. Затем следует крашение и его химическая обработка для повышения электропроводности и сыпучести. Обработанный мокрый ворс сначала отжимают в центрифуге, а затем высушивают в аэродинамической камере. После этого ворс просеивают на механическом сите и упаковывают во влагонепроницаемые мешки.
В настоящее время качественный ворс изготавливают фирмы во многих странах мира: Borchert + Moller KG (Германия), REO Flock + Faser GmbH (Германия), Velutex Flock S.A. (Испания), Le Flockage (Франция), Formosa Flock Industrial Co. Ltd (Тайвань), Wing On Trading Company (Гонконг), Sven-ska Rayon AB (Швеция). В России представлен как импортный ворс, так и отечественный, хотя пока в не очень значительных объемах.
Вследствие этого вопросы, связанные с технологией и рецептурами обработки ворса в данной работе не рассматривались. Серьезное внимание было уделено выбору параметра ворса, который наиболее подходит для создания теории процесса его осаждения в электрическом поле расчета технологических характеристик, а также разработке методики измерения этого параметра.
Обоснование модели формирования ворсового покрова на основе экспериментальных результатов
Таким образом, необходимо решить принципиальный вопрос: меняется ли скорость подачи ворса с ростом плотности ворса на материале. Для этого необходимо выбрать критерий и методику сравнения. В качестве критерия выбора зависимости, более точно отражающей результаты эксперимента, была использована сумма квадратов отклонений расчетных и экспериментальных данных. Методика сравнения заключалась в следующем:
1. Экспериментально измеряли плотность ворса на образцах при постоянной скорости подачи и напряжении и различном времени нанесения. Измерение плотности ворса осуществляли по привесу [2], [3], время нанесения устанавливали таймером.
2. Для каждой экспериментальной серии вычисляли, с заданной точностью, параметры зависимостей (2.2) и (2.7), обеспечивающие min суммы квадратов отклонений расчетных и экспериментальных значений.
Было проведено четыре серии измерений плотности ворса от времени нанесения для двух видов ворса, определены оптимальные значения параметров и величина суммы квадратов отклонения для каждого варианта. Результаты всех экспериментов и расчетов сведены в таблицы 2.1— 2.4, где пэ -экспериментальные результаты, п0 - расчет по формуле (2.2), щ — по формуле (2.7), и для наглядности приведены в виде графиков (рисунки 2.1 - 2.4). Приведенные значения скорости подачи ворса Р0, измерены без напряжения.
Как хорошо видно из всех приведенных графических зависимостей (рисунки 2.1 - 2.4) оба варианта достаточно хорошо описывают получаемые экспериментальные данные. По «внешнему виду» выбрать лучший вариант зависимости представляется затруднительным. Это, однако, не значит, что малые отличия не имеют значения. Изменение скорости выпуска рулонных флокированных материалов даже на несколько процентов может либо достаточно существенно увеличить объем производства и прибыль, либо плотность ворса на материале будет недостаточной, т. е. более точная модель позволит более точно прогнозировать производительность линии для данного ворса и задавать оптимальные условия нанесения.
Для выбора наилучшей модели необходимо воспользоваться критерием, о котором говорилось ранее, т. е. величиной суммы квадратов отклонений расчетных и экспериментальных значений S (ш = 11).
Кроме этого для всех вариантов было вычислено значение среднего отклонения 5, полученное следующим образом: (2.9)
Этот параметр выбран дополнительно лишь для того, чтобы можно было более наглядно сравнить две модели. Для этого, если обозначить параметр соответствующий вычислению по модели (2.2) через 50, а параметр, использующий выражение (2.7), - 5Ь вычисляли их относительное отклонение
А =Важнейшим выводом из представленной таблицы является то, что для всех экспериментальных серий адекватность новой модели выше, причем для некоторых вариантов — существенно выше. Это позволяет сделать вывод о том, что исходное положение об изменении скорости подачи ворса по мере изменения плотности ворса на материале соответствует действительности.
По-видимому, верно и то, что изменение скорости подачи - результат взаимодействия двух тенденций: с одной стороны, происходит снижение объемного заряда в межэлектродном пространстве, из-за чего скорость подачи должна возрастать, с другой стороны, встречный поток ворса с зарядом противоположного знака замедляет процесс зарядки основного потока ворса и снижает скорость подачи. Колебания коэффициента ко находятся в широком диапазоне: от - 0,47 до +1,8.
Другая важная зависимость — это связь максимальной плотности ворса (раздел 1.3) с напряжением флокирования (рисунок 2.5). Эти графики были получены в работе [41] и фактически показывают влияние напряжения и напряженности поля на ориентацию ворса.
Таким образом, важным следствием представленных результатов исследования можно считать хотя и косвенное, но достаточно убедительное подтверждение влияния объемной плотности заряда в зоне флокирования на скорость подачи ворса. Несмотря на то, что количественные отличия двух представленных выражений, казалось бы, не велики, при объемах производ ства достигающих десятков миллионов метров в год речь идет о сотнях тысяч метров: либо скорость флокирования, для ворса с известными свойствами, можно увеличить и выпустить дополнительное количество материала, либо требуемая плотность ворса при данных условиях флокирования не достигается и эти условия необходимо скорректировать.
Важнейшими параметрами для обеих моделей являются начальная скорость подачи ворса Ро и предельная или максимальная плотность ворса nmax. Оба параметра отвечают за скорость процесса нанесения ворса, т. е. за производительность, причем второй связан с ориентацией ворса на материале. Поэтому основными направлениями дальнейших исследований должно стать изучение факторов, определяющих скорость подачи ворса, и ориентацию ворса на флокированном материале, связанную с предельной плотностью ворса. Однако первым этапом должен стать анализ процесса зарядки ворса, поскольку объемный заряд в зоне флокирования складывается из зарядов отдельных ворсинок, а заряд ворсинки связан с напряженностью электрического поля около заряжающего электрода. Таким образом, в первую очередь, необходимо обосновать характер взаимосвязи заряда с напряженностью.
Выводы по главе 2.
Показано наличие реального влияния объемного заряда ворса на динамику изменения плотности ворсового покрова;
Значение скорости подачи ворса при флокировании, определенное на основе обработки экспериментальной зависимости, существенно меньше скорости подачи ворса без напряжения, что также косвенно подтверждает факт влияния объемного заряда, ограничивающего скорость нанесения ворса;
Получено соотношение (2.7), более точно описывающее динамику роста плотности ворса от времени флокирования по сравнению с полученным ранее выражением (1.1).
Механизм приобретения волокнами избыточного заряда
В работах [31], [41], [43], [44], [7] и, достаточно подробно, в подразделах 1.6, 1.7 данной работы было рассмотрено влияние объемного заряда ворса, существующего в межэлектродном пространстве, на технологические параметры процесса флокирования и получена вольтамперная характеристика — зависимость плотности тока, переносимого ворсом, от напряжения, межэлектродного расстояния и других параметров.
Рассмотренные ранее, в подразделе 1.7, модели не в полной мере учитывали исходные положения, приведенные в подразделе 4.1 и, кроме этого, все они не учитывали одного фактора, неизбежно влияющего на движение ворса, а значит и на распределение объемного заряда. Речь идет об аэродинамическом сопротивлении движению ворса. Все имеющиеся данные, как расчетные, так и экспериментальные, показывают: скорость ворсинок при флокировании такова, что сила аэродинамического сопротивления является соизмеримой с другими действующими силами и должна оказывать существенное влияние на процесс движения ворса. В свою очередь, распределение объемной плотности заряда и скорости ворсинок непосредственно связано с величиной плотности тока и скорости подачи ворса, являющимися уже тех нологическими характеристиками процесса. Поэтому дальнейшее развитие этого вопроса требует создания модели, учитывающей влияние аэродинамического сопротивления на движение потока ворса [41], [7], [182]. Получение соотношений для плотности тока и скорости подачи ворса, при этих условиях, позволит вывести более адекватные соотношения для предельно достижимой скорости нанесения ворса на материал в зависимости от напряжения, межэлектродного расстояния, заряда ворса и т. д.
Анализ процесса флокирования на основе энергетического подхода к его математическому описанию
При разработке данной модели были использованы исходные положения, представленные выше в подразделе 4.1, кроме положения 4. Считаем малым влияние веса волокна, поскольку даже при напряженности электрического поля 2 кВ/см и малом заряде волокон равном 10"13Кл, сила электростатического взаимодействия примерно в 7 раз больше веса волокна (полиамид, / = 1 мм, d = 0,02 мм).
Используем уравнение закона сохранения энергии для ворсинки с зарядом q, движущейся между электродами с разностью потенциалов U (4.6). В точке с координатой х выполняется соотношение ти2(х) + \Cu(x)dx = qU(x), , о где m - масса ворсинки, я)(х) - скорость ворсинки в (.) х, U(x) - потенциал электрического поля в (.) X. Продифференцировав это уравнение дважды, получаем: d_ dx (4.8) ( do „ Л d2U ти bC-o V dx J dx
Как было показано в работах [7], [41], при движении ворса во флокато-ре с учетом его объемного заряда выполняется соотношение, обусловленное двумя положениями (4.3) и (4.4). d2U = j dx2 0v(x) Следовательно, уравнение (4.8) можно переписать в виде qj (4.9) то— + Си dx\ dx d ( dv J є0о(х) Поиск решения этого дифференциального уравнения в виде и — А х позволил получить его в виде fax ЄаС (4Л)
Имея распределение ворсинок по скоростям вдоль оси «х», легко получить и распределение потенциала в зоне флокирования. Воспользуемся выражением закона сохранения энергии (4.7) и формулой для скорости ворсинки в произвольной точке между электродами (4.10). Распределение потенциала в зоне флокирования будет выглядеть следующим образом: jm 2 2JC Теперь можно получить выражение для плотности тока в зависимости от параметров процесса. Для этого воспользуемся граничными условиями задачи. U(x = 0) = 0, U(x = h) = U0. Решая полученное уравнение относительно величины плотности тока j, легко получить искомое соотношение, характеризующее процесс флокирования, т. е. зависимость плотности тока от разности потенциалов и других параметров. 2єЖ3 ґ " V (4.12) v , 2h2C2 \ J =- .2 9m q Как уже было сказано выше, это исключительно важная технологическая характеристика, определяющая величину заряда, переносимого ворсинками, через площадь 1 м2 за 1 секунду. Исключительно важно то, что плотность тока напрямую связана с максимально достижимой при данных усло p _ j m/ виях скоростью подачи ворса к флокируемому материалу (1.2): " — /„
В полном виде это выражение будет выглядеть следующим образом: ,2 2є0ИС3 ( л , і , 9mq тт Л _ о Р = 1 + J1 + rV o V , 2h2C2 \ (4.13)
Однако использование выражений (4.12), (4.13) непосредственно будет не вполне корректным, поскольку плотность тока зависит от среднего заряда ворса, который, в свою очередь, связан с величиной плотности тока. Дело в том, что, как было отмечено выше в подразделе 3.5, величина заряда ворса, согласно модели процесса зарядки и экспериментальным данным, пропорциональна напряженности электрического поля у поверхности заряжающего электрода Я. к Q , а эту напряженность легко определить из распределения потенциала в зоне флокирования (4.11):
Анализ процесса флокирования на основе энергетического подхода к его математическому описанию
Достаточно полная, комплексная теория должна отражать описываемый процесс в целом. Дело в том, что модели процесса флокирования, существовавшие до настоящего времени [2], [3], [5], позволяли рассчитать, например, движение заряженной ворсинки в электрическом поле, но не могли дать представления о максимально возможной скорости подачи ворса, плотности тока или изменениях, вносимых заряженным ворсом в параметры электрического поля в объеме флокатора. Это касается и большинства других моделей, все они отражают лишь какую-либо одну сторону процесса.
Теперь, после достаточно подробного экспериментального обоснования и подтверждения разработанной теории, можно с ее помощью рассмотреть вопросы, которые в настоящее время не поддаются экспериментальной проверке. Сюда входит, например, максимальная величина заряда ворса, одновременно находящегося между электродами, в процессе флокирования, распределение объемного заряда ворса, потенциала, напряженности и скорости ворсинок в межэлектродном пространстве. Все это не только позволит получить картину происходящих процессов, но и послужит дополнительным обоснованием теории, при получении достоверных результатов.
Одно из важнейших исходных положений теории, заключается в том, что значительное влияние на процесс осаждения заряженного ворса оказывает объемный заряд этого ворса. Однако, остается открытым вопрос о величине этого заряда. Поэтому в рамках разработанной теории, в первую очередь, представляет интерес вопрос о количестве объемного заряда ворса, находящегося в каждый момент в межэлектродном пространстве. Наиболее важным моментом здесь является анализ влияния условий процесса (напряжения и межэлектродного расстояния) на максимальное значение объемного заряда. Максимальный заряд в объеме флокатора понимается как заряд ворсинок, имеющихся между электродами площадью 1 м2 в данный момент времени при максимальной плотности тока и однонаправленном движении ворсинок. По сути это не объемный, а поверхностный заряд, но они связаны между собой простым соотношением.
В работе [7] получено соотношение для указанного заряда ворса. QI=JС учетом значения времени Т, необходимого ворсинкам для преодоления расстояния между электродами [182] Г = 1 Є- о). и выражения для напряженности электрического поля около поверхности заряжающего электрода (4.33) (4.39) значение суммарного заряда ворса, находящегося одновременно между электродами будет равно: & = ()— С4-40)
Полученная величина, строго говоря, является поверхностным зарядом, т.к. это заряд, находящийся между электродами площадью 1м2. Объемный заряд, т.е. заряд, отнесенный к объему флокатора.
Получен очень интересный результат. В монографии [7] было сделано предположение о том, что суммарный заряд ворса не зависит от напряженности и напряжения, подаваемого на электроды флокатора. Теперь это удалось обосновать на основе разработанной теории (4.40): суммарный заряд ворса в межэлектродном пространстве зависит-только от параметров ворса и расстояния между электродами. Конечно, как и все ранее изложенное, речь идет о рабочих значениях напряженности электрического поля (Е 2 кВ/см).
Теперь можно рассмотреть еще один вопрос, решение которого было бы сложно осуществить без комплексной модели процесса. Речь идет о количестве заряженных ворсинок одновременно находящихся в объеме флокато-ра. Эту величину можно получить, разделив суммарный заряд ворса (4.40) на средний заряд одной ворсинки (4.5). м — с l h. каЕ л/ km Теперь, зная массу одной ворсинки то, можно определить и массу ворса одновременно находящегося между электродами при однонаправленном движении заряженного ворса. M = m0N .
Для наглядности, количественно эти значения были оценены для волокон разных геометрических размеров, характеристики которых и условия флокирования приведены в подразделе 4.3: 1. / = 0,5 мм; Т = 0,33 текс; к = 1,65 10"18 Кл м/В; 2. / = 1,0 мм; Т = 0,33 текс; к = 5,8 10"18 Кл м/В; 3. / = 2,0 мм ; Т = 2,2 текс; к = 9,1 10"18 Кл м/В.
