Матвеев А.Т., Афанасов И.М. - Получение нановолокон методом электроформирования (1040990), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Его собственноеэлектрическое поле, складываясь с внешним, во-первых, влияет на скорость дрейфажидких нитей и, следовательно, на их тепломассообмен со средой и, в конечном счете,на скорость их отверждения. Во-вторых, это поле ослабляет величину такового вблизидозирующего сопла, то есть в зоне формирования первичной струи прядильногораствора, и для компенсации этого эффекта требуется соответствующее увеличениенапряжения на сопле. Роль пространственного заряда в процессе ЭФВ полностьюидентична таковой во внешней области униполярного коронного разряда.

Отличиеможет быть только в электрической подвижности носителей заряда.2.4.3. Вольтамперная характеристикаРассмотренныевэлектрогазодинамическиеразделах2.3компонентыи2.4электрогидродинамическиемеханизмапроцессаЭФВипозволяютсконструировать для него важную в практическом плане обобщенную вольтампернуюхарактеристику - функцию I(V). Единственное формальное неудобство, как и в случаевольтамперной характеристики коронного разряда, состоит в невозможности получить 35 выражение для тока процесса в явном виде. Однако, если сделать несколькоприемлемыхдопущений, то можно получить приближенную вольтампернуюхарактеристику (рис. 2.10):(20)I~V2Рис. 2.10.

Экспериментальные вольтамперные характеристики ЭФВ-процесса: 1 перхлорвиниловая смола в дихлорэтане, подача сверху, 2 - то же, но подача снизу, 3 фенольная смола с поливинилбутиралем, подача сверху, 4 - то же, но подача снизу,Vнач - напряжение начала процесса2.4.4. Образование волокнистого слояМеханизмформированияволокнистогослояявляетсяэлектрогазо-динамическим.

По сравнению с другими предшествующими стадиями процесса ЭФВ,рассматриваемая стадия является наиболее трудно осуществимой, воспроизводимой иуправляемой. В то же время, эта стадия является решающей, так как именно в нейдолжны обеспечиваться заданные свойства конечной продукции процесса ЭФВ волокнистых материалов различного назначения. Следует констатировать, чтомеханизм формированияволокнистогослоя,36 определяющий возможностииэффективность этой технологии, остается мало изученным. Главной причиной такогоположения является сложность происходящих при этом явлений и несовершенствонеобходимой для их теоретического описания общей фундаментальной базы: теории имеханизма несамостоятельного электрического газового разряда в тонкослойныхпористых материалах.Сформулируем,вначале,самыеосновныетребованиякполучаемомуволокнистому материалу, ибо они определяют как условия, так и механизмы егоформирования.

Для подавляющего большинства применений волокнистых материаловтаких требований два: однородность их микроструктуры и равномерность по толщине.Для волокнистых структур с двумерным беспорядком, каковыми являются материалы,получаемые в процессе ЭФ, например, фильтрующие материалы, первое требованиесводится, в основном, к минимально возможной вариации расстояний междуволокнами в элементарном слое, к отсутствию их слипания и образования узлов сповышенной плотностью упаковки, а также к воспроизводимости статистическиххарактеристик микроструктуры и плотности упаковки волокон по всей поверхностиобразца.

Второе требование – очевидно. Все остальные требования к волокнистомуматериалу, такие как толщина, средняя плотность упаковки, спектр диаметровволокон, прочность, проницаемость и др., определяющие качество и сферыприменения материала, являются дополнительными.Все получаемые в процессе ЭФВ полимерные волокнистые материалыявляются хорошими диэлектриками с четко выраженной анизотропией. Их удельнаяобъемная электропроводность вдоль слоя порядка таковой для волокнообразующегополимера, умноженной еще на плотность упаковки волокон, и составляет обычновеличину менее 10-12 Ом-1·см-1, а поперек слоя, из-за ограниченной площади контактаволокон, - не менее чем еще на несколько порядков ниже. Это, с одной стороны,позволяет получать на осадительном электроде сильно прижатые электрическимисилами прочные волокнистые слои, а с другой, - позволяет удерживать при ихдлительном хранении остаточный электрический заряд, обеспечивающий им в течениенескольких часов последующей эксплуатации (например, в респираторах одноразовогодействия) повышенные фильтрующие свойства.Рассмотрим теперь подробно процесс образования такого волокнистого слоя наосадительном электроде.

Очевидно, что накопление на осадительном электроде 37 заряженных непроводящих волокон приводит к изменению характера распределениянапряженностиэлектрическогоНапряженностьполявполяинакапливаемомпотенциаласлоерастет,междуавоэлектродами.всемостальноммежэлектродном пространстве падает. Соответственно возрастает и приходящаяся наэтот слой доля общей разности потенциалов. При его неограниченном накоплении изза порогового характера процесса ЭФВ последний должен был бы, в конце концов,прекратиться.

Тем не менее, опыт и простые оценки показывают, что он продолжаетсяв течение времени во много раз большего, чем необходимо для накопления наосадительном электроде запирающего заряда. При этом отчетливо прослушиваются, ав темноте легко наблюдаются случайно распределенные по времени и поверхностиволокнистого слоя искровые газовые разряды, замыкающие электрическую цепьпроцесса ЭФ и поддерживающие в нем зарядовый баланс. Подобный механизмпереноса электрических зарядов типичен для многих процессов электронно-ионнойтехнологиисприменениемвысокихнапряжений:ионноготравления,электрофильтрации, нанесения защитных и декоративных покрытий в электрическомполе, электрофлокирования, электросепарации порошковых материалов и др.

Во всехэтих процессах первопричиной разрядов является наличие или накопление наосадительных электродах сравнительно рыхлых или пористых слоев материалов свысоким удельным электрическим сопротивлением. Однако, повышение тем или инымспособом проводимости осажденных волокон неизбежно приводит к перезарядкеосажденного слоя, что сразу же приводит к вспуханию и разлохмачиванию этого слоя.Отдельные пряди волокон слоя приподнимаются и вытягиваются навстречудрейфующим, спутываются с ними и вновь прижимаются к слою.

Приподнятые прядигенерируют обратную корону, разряжающую дрейфующие навстречу волокна, сгусткикоторыхвтягиваютсяполяризационнымисиламивзонысповышеннойнапряженностью поля и осаждаются на выступающих кромках оборудования и дажена инжекторы прядильного раствора, образуя во всем пространстве установкиволокнистую структуру типа паутины. Одним словом, нарушаются, отмеченные выше,основные требования к качеству волокнистого материала: микроструктура самойволокнистойпродукциирезкоухудшается,возникаетинарастаетеемакронеоднородность по толщине. Для непроводящих волокон подобные осложненияпроцесса ЭФВ становятся заметными лишь в сравнительно толстых слоях, прочностькоторых уже достаточна для съема готовой продукции с осадительных электродов безповреждений, а необходимая, в тех или иных изделиях большая толщина, достигается 38 соответствующим числом слоев.

Таким образом, импульсный искровой механизмпереноса электрического заряда от волокнистого слоя на осадительный электродостается, по-видимому, единственно возможным способом обеспечения нормальноготехнологического режима в процессе ЭФВ, а понимание этого механизма иэффективное управление им является необходимым условием обеспечения высокогокачества его волокнистой продукции.Механизм переноса электрических зарядов в накапливаемом на осадительномэлектроде волокнистом слое и характер развития разрядов во времени вызывает целыйряд практически важных для процесса ЭФВ последствий.

Во-первых, необходимо,чтобы электрическое сопротивление волокнистого слоя было бы больше, чем дляпроцесса в целом, а последнее обычно составляет величину не менее 1010 Ом на 1м2рабочей площади осадительного электрода. Иначе нормальный для процесса ЭФВимпульсный режим разряда волокон подменяется омической перезарядкой наэлектроде, разрядкой их в межэлектродном пространстве ионами обратной короны исопровождаетсяописаннымивышенарушениямиоднородностимикро-имакроструктуры слоя. Это накладывает определенные требования к полнотевысыхания волокон и вызывает ограничения на содержание примесей в исходномполимере и растворителе, повышающих их электропроводность, в том числе иразличных необходимых модифицирующих добавок. Могут возникнуть такжеограничения и к содержанию влаги в воздухе, особенно в случае получениягидрофильных волокон.

Во-вторых, необходимо учитывать последствия того, чтонакапливаемый и уже частично разрядившийся волокнистый слой продолжаетподвергаться воздействию многочисленных разрядов, генерирующих ударные волны,способные к смещению волокон из их первоначального случайного расположения идаже может приводить к их механическим повреждениям. Кроме того, возможно итепловое отрицательное воздействие на микроструктуру слоя и даже его сквозноепроплавление, т.к. с ростом энергии разрядов (возрастающей с толщиной осажденногослоя) температура в канале стримера может достигать величины порядка 10000оС.

Втретьих, характер развития разрядного процесса в слое создает положительнуюобратную связь, усиливающую тенденцию к развитию возникшей тем или иным путемнеравномерности его толщины, так как ее рост приводит к уменьшению необходимойдля пробоя напряженности электрического поля, а сам пробой стимулируетпоступление на разрядившийся участок новых заряженных волокон и, следовательно, 39 в свою очередь стимулирует рост толщины слоя на этом участке. Избежать этогоможно лишь в результате непрерывного смещения осадительного электродаотносительно инжекторов прядильного раствора.

Таким образом, при росте толщиныосажденного слоя, растет мощность единичных электрических разрядов в слое, чтоприводит к возникновению и накапливанию микро- и макро- дефектов, заметноухудшающих функциональные свойства электроформованного материала.2.5. Тепломассообмен и фазовые превращения в процессе ЭФПроисходящие на второй стадии процесса ЭФВ тепломассообмен и фазовыепревращения, в результате которых жидкая нить прядильного раствора становитсятвердым полимерным волокном, включают молекулярную диффузию растворителя кповерхности жидкой нити прядильного раствора, испарение растворителя с этойповерхности, его конвективную диффузию в окружающее пространство, образованиетвердой фазы волокнообразующего полимера, а также, обусловленный тепловымиэффектами фазовых превращений, конвективный теплообмен отверждаемой жидкойнити с окружающим газом и, наконец, молекулярный теплообмен внутри самой нити.Оценим и сравним характерные времена диффузии растворителя внутрижидкой нити, его испарения и последующего удаления паров из пучка образующихсяволокон и рабочего пространства установки.

Характеристики

Список файлов книги