Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОСНОВНЫХ
ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭЛЕКТРОГРАФИИ .
1.1. АНАЛИЗ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ РАБОТ ПО БАЗОВЫМ
ПРОЦЕССАМ ЭЛЕКТРОГРАФИИ .
1.2. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ КОРОННОГО РАЗРЯДА
И ПРОЦЕССОВ КСЕРОГРАФИИ .
1.3. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО
ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ В ГАЗЕ И ЖИДКОСТИ .
1.4. ОБРАТНАЯ КОРОНА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕССЫ В
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ.
1.5. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.
ВЫВОДЫ.
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВНЕШНЕЙ ЗОНЫ
УНИПОЛЯРНОГО КОРОННОГО РАЗРЯДА В ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ
ЭЛЕКТРОГРАФИИ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОДОВ.
2.1. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УНИПОЛЯРНОГО
КОРОННОГО РАЗРЯДА И РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОГО МЕТОДА
РАСЧЕТА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК.
2.2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ХАРАКТЕРА ПОДВИЖНОСТИ
ИОНОВ И ОСОБЕННОСТЕЙ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ.
2.3. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ ПРИ
РАСЧЕТАХ ХАРАКТЕРИСТИК УНИПОЛЯРНОГО КОРОННОГО
РАЗРЯДА В УСТРОЙСТВАХ ЭЛЕКТРОГРАФИИ.
2.4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПОЛЯ И ЗАРЯДКИ
ФОТОСЛОЕВ ПРИ УНИПОЛЯРНОМ КОРОННОМ РАЗРЯДЕ. Q3
выводы. 114
Г Л А В А 3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОННОГО РАЗРЯДА В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ.
3.1. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ПРИБЛИЖЕННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ
ФОРМУЛ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ И
ПЛОТНОСТИ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА.
3.2. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОННОГО РАЗРЯДА В
ТИПОВЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОДОВ.
3.3. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ
ЭЛЕКТРОДНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
ВЫВОДЫ.
ГЛАВА 4.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАТНОГО КОРОННОГО РАЗРЯДА С ЦЕЛЬЮ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ
ЭЛЕКТРОГРАФИИ,
4.1. ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОГО КОРОННОГО РАЗРЯДА НА РАБОТУ
ЭЛЕКТРОГРАФИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.
4.2. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОБРАТНОГО КОРОННОГО
РАЗРЯДА- 179
4.3.ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И
МЕТОДА РАСЧЕТА БИПОЛЯРНОГО КОРОННОГО РАЗРЯДА- j 80
4.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РЕКОМБИНАЦИИ В УСЛОВИЯХ БИПОЛЯРНОГО КОРОННОГО
РАЗРЯДА. 195
4.5 ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
МЕЖДУ КОАКСИАЛЬНЫМИ ЦИЛИНДРАМИ ПРИ НАЛИЧИИ
ОБРАТНОЙ КОРОНЫ. j 9?
4.6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ИЗОБРАЖЕНИЯ С
ФОТОСЛОЯ НА БУМАГУ, 203
выводы. 212
ГЛАВА 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОСАЖДЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
ПРОЯВИТЕЛЯ ИЗ ЖИДКОЙ И ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ. 2 j
5.1. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ЖИДКОСТНОГО
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПРОЯВЛЕНИЯ ЗАРЯДНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ.
5.2. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ
ЧАСТИЦ. 226
5.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПРОЯВИТЕЛЕЙ.
5.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ ТОНЕРА
НА ЗАРЯДНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ПЕЧАТИ. . . 0
5.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ ТОНЕРА
НА ЗАРЯДНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРИ МИКРОФИЛЬМИРОВАНИИ, 2?2
5.6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ ТОНЕРА
ПРИ АЭРОЗОЛЬНОМ ПРОЯВЛЕНИИ. 27?
выводы, 281
ГЛАВА 6.
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРОЦЕССОВ
ЭЛЕКТРОКАПЛЕСТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ С ЦЕЛЬЮ ИХ
ИНТЕНСИФИКАЦИИ. 283
6.1. НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ЭЛЕКТРОКАПЛЕСТРУЙНОМ
СПОСОБЕ ПЕЧАТИ. 283
6.2. ЗАРЯДКА И ДВИЖЕНИЕ КАПЕЛЬ В ПОЛЕ С ОБЪЕМНЫМ
ЗАРЯДОМ КАК ОСНОВА ЭЛЕКТРОКАПЛЕСТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ. 2g?
6.3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ С УЧЕТОМ
АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА , 2gQ
6.4. СПОСОБЫ ИТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ
КАПЛЕОБРАЗОВАНИЯ. _00
выводы, 301
основные выводы, 302
ЛИТЕРАТУРА. 305
Введение к работе
Актуальность исследуемых проблем. Современное состояние науки и техники характеризуется быстрым развитием электротехнологий, являющихся достижением в области физических наук. Наиболее наукоемкими электротехнологиями являются плазменные технологии, одна из которых есть электронно-ионная технология. Она основана на взаимодействии сильных электрических полей с материалами, помещенными или вносимыми в эти поля. В качестве таких материалов могут выступать газы и их смеси со всей совокупностью ионизационных и плазмохимических явлений, аэродисперсные системы, суспензии, заряженные жидкости и т.д. При этом открывается возможность тонкого регулирования движением потоков заряженных частиц, что, в конечном итоге, определяет практическую реализацию указанных технологий. Подавляющее большинство процессов электронно-ионной технологии характеризуется высокими значениями пространственно-распределенного электрического заряда, создающего такое сильное поле, что оно существенно изменяет первоначальное поле, влияет на динамику процесса, а в ряде случаев, и на граничные условия.
Не претендуя на исчерпывающее перечисление, можно указать, что электронно-ионная технология включает: электрографию, электрогазоочистку, электроокраску, электрораспыление, нанесение полимерных покрытий, модификацию поверхностных свойств материалов, получение новых химических материалов и пр.
В основе этих технологий лежат общие базовые электротехнологические процессы. В данной работе рассматриваются эти базовые процессы применительно к наиболее распространенной в современном мире, но недостаточно изученной в научном плане технологии - электрографии. К ней относятся: копировально-множительная техника, выводные устройства ЭВМ, принтеры, графопостроители, регистрирующие и маркирующие устройства, электростатическая печать, микрофильмирование, бессеребряные способы фотографии и т.д.
Основными базовыми процессами указанных технологий являются:
- процессы в униполярном коронном разряде, используемом для зарядки больших коллективов частиц и силового воздействия на них, а также для
5 зарядки диэлектрических и полупроводниковых слоев, что в ряде случаев
сопровождается возникновением обратной короны, снижающей эффективность
технологических процессов;
- процессы поведения в сильных электрических полях гетерогенных систем, состоящих из электронов, ионов, атомов, молекул, микрочастиц и частиц субмикронного диапазона, взвешенных в жидкой или газовой среде.
Цель работы. Главная цель настоящей работы состоит в создании теории базовых физических процессов (на примере электрографии), в том числе физико-математических моделей и методов их решения, для получения закономерностей, обеспечивающих наилучшую организацию данных технологических процессов.
Для выполнения этой цели в диссертации созданы научные основы и разработаны физико-математические модели процессов электрографии обобщенных в рамках единого явления базовых процессов взаимодействия сильных электрических полей с гетерогенными системами, помещенными в эти поля.
В работе впервые:
- разработаны методы численного решения уравнений, описывающих
униполярный коронный разряд для областей и граничных условий, соответст
вующих устройствам электрографии, позволяющие с нужной точностью находить
распределения напряженности электрического поля, плотности объемного заряда и
плотности тока;
разработана методика задания граничных условий для плотности объемного заряда у поверхности коронирующего электрода, необходимых при расчетах характеристик коронного разряда, а также предложен способ ускорения сходимости последовательных итераций при численных расчетах;
разработана методика учета влияния переменного характера подвижное ту ионов на параметры коронного разряда на основе анализа экспериментальных данных и установленной связи между значениями средней подвижности ионов и их подвижностью в данной точке поля, получены аппроксимационные формулы, с помощью которых можно просто оценить указанное влияние;
- получены приближенные аналитические выражения для распределений
напряженности поля, плотности объемного заряда и вольт-амперных характери
стик для конкретных систем электродов с коронным разрядом, применяемых в
электрографической аппаратуре и определено влияние краевых эффектов на од
нородность электрического поля;
на основе анализа процессов накопления и стекания заряда с высокоомных и полупроводниковых слоев определены условия возникновения обратного коронного разряда, что позволило установить предельные режимы работы электрографических устройств с использованием коронного разряда;
обоснована математическая модель и на ее основе предложен метод расчета поля при обратной короне, с помощью которой доказано, что величина напряженности поля у поверхности коронирующего электрода снижается в случае обратной короны, не более чем на 20% по сравнению с начальной напряженностью коронного разряда;
разработана методика, позволяющая на основании зондовых исследований биполярного коронного разряда, получать экспериментальную зависимость коэффициента объемной рекомбинации от подвижности ионов и обосновать ее аппроксимацию;
установлены закономерности процессов зарядки (очувствления) фотопроводниковых слоев и переноса изображения с фотослоя на бумагу при работе электрографических аппаратов;
построены математические модели и разработаны методы расчета процесса осаждения частиц из потоков жидкости и газа на поверхность носителя информации в сильных электрических полях;
разработана обобщенная методика анализа процесса жидкостного проявления зарядового изображения при электростатической печати и микрофильмировании, получены пространственные и пространственно-временные характеристики и закономерности данных процессов.
7 Практическая значимость работы.
В результате выполненных исследований созданы научные основы для выбора и оптимизации конструктивных параметров и режимов работы электрографических устройств. Появилась возможность выработать на базе расчетных и экспериментальных данных обоснованную систему рекомендаций и правил по эксплуатации аппаратуры и улучшению их конструктивных особенностей.
Так, для копировально-множительных аппаратов ЭР-12-Р1 и ЭР-12-Р2 выявлены резервные возможности использования в них коронирующих зарядных устройств, что позволило заменить трехпроводные устройства на более энергоэкономичные, с меньшим количеством коронирующих проводов.
Предложен способ улучшения процесса переноса изображения с фотослоя на бумагу при ее высокой влажности путем просушивания лишь поверхностного слоя бумаги. Предложено для указанных аппаратов изменить конструкцию так, чтобы использовать часть световой энергии лампы экспонирования для просушки наружных слоев бумаги и, тем самым, обеспечить возможность работы аппаратов в сырых помещениях и при высокой влажности.
Для электростатического способа печати с помощью разработанной методики определены электрофоретические параметры жидких проявителей четырех цветов: тонер 113 - черный, тонер 130 - желтый, тонер 128 - красный и тонер голубой на основе фталоцианинового пигмента. Предложено улучшение электростатических печатающих устройств ЭСПУ 2108, ЭСПУ 4408 и ЭСПУ 8608Г за счет применения:
импульсного давления жидкости проявителя;
вибрирующего и осесмещенного вращающегося контрэлектрода;
дополнительных и наведенных потенциалов на секционированном контрэлектроде;
изменяющегося электрического поля, усиливающего явление диэлектро-фореза;
Указанные практические рекомендации нашли отражения в полученных 14 авторских свидетельствах на изобретения.
8 Главные результаты диссертации могут быть полезны и использованы при
решении технологических задач в смежных электротехнологиях, таких как
электрогазоочистка, электроокраска, электрораспыление, нанесение полимерных
покрытий и др. Использование осуществлялось при выполнении хоздоговорных
работ в рамках данной тематики.
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на международных и отечественных научных конференциях, проходивших в Москве, Милане, Лондоне, Будапеште, Тбилиси, Кишиневе, Вильнюсе, Юрмале, Киеве, Одессе, Челябинске, Суздале, Иваново, Звенигороде и по тематике:
электрография;
информационные технологии в печати;
электронно-ионная технология;
физика плазмы;
газовый разряд;
физика дисперсных систем;
электростатические поля;
высоковольтная техника;
бессеребряные способы печати;
электрическая очистка газов и др.
Выполнение работы начиналось в рамках Общесоюзной научно-технической программы ГКНТ СССР 0.80.20 «Репрография», задание 02.09.И «Исследование электрофотографического формирования изображения в процессе изготовления многоцветных копий с микрофильмированием и цветоделением» и было продолжено по гранту Министерства промышленности, науки и технологий РФ № 06.250/40-150 на 2001 г. по финансированию приоритетных направлений науки и техники по статье 130150 «Субвенции» по Департаменту фундаментальных и поисковых исследований. В рамках настоящей диссертации проведено восемь хоздоговорных работ с годовым экономическим эффектом, подтвержденным по форме Р-10 - 410,7 тыс. руб.
9 Результаты данной работы были отмечены медалью ВДНХ в 1989 г.
Материалы диссертации неоднократно обсуждались на научных семинарах МГУ, МГУП, МЭИ, МСХА, ИЭУ, докладывались на заседаниях Ученого совета «Сильные электрические и магнитные поля в технологических процессах -электронно-ионная технология» Министерства промышленности, науки и технологий (ГКНТ).
Результаты работы получили внедрение в учебном процессе в виде УИРС, лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования, докладов студентов на научно-практических конференциях.
Публикации. Основной материал и результаты диссертации опубликованы в 84 статьях, материалах конференций, в т.ч. 14 авторских свидетельствах.
