Составление энергетического баланса ленточной машины и определение количества азота, необходимого для высушивания плёнки

Рис. 1. Схематическое  изображение типов микроструктур  технических пленок,

А-изотропная, б-анизотропная, в-анизотропная устойчивая, г-плоскостноориентированная неустойчивая, д-плоскостноориентированная устойчивая.

 Исследования показали, что существует по меньшей мере пять типов микроструктур технических пленок. Возможные типы  структур технических пленок показаны на рис.60. Схема г характеризует структуру эфироцеллюлозной пленки, полученной на твердой поверхности при быстро наступающем переходе раствора в стеклообразное состояние. В результате испарения растворителей уменьшается толщина нанесенного на поверхность пленкообразующего раствора. Это приводит к плоскостной ориентации макромолекул полимеры и к растягиванию их в различных направлениях. Вместе с испарением растворителей протекают релаксационные процессы, осуществление которых возможно только до того, как система перейдет в стеклообразное состояние.

В зависимости от условий  пленкообразования можно получать пленки с плоскостноориентированной структурой, макромолекулы которых в различной степени подверглись релаксации. Так, при быстром удалении растворителей из формующейся пленки, когда до стеклования системы макромолекулы не успевают в достаточной степени отрелаксировать, образуется неустойчивая плоскостноориентированная структура. Медленное же высушивание приводит к возникновению более устойчивой  плоскостноориентированной структуры, так как в этом случае релаксационные процессы успевают пройти более полно (рис.60 ,схема д). при создании условий, способствующих релаксации (набухание, тепловая обработка) , можно получить из структуры г структуру д.

Пленки с плоскостноориентированной структурой обладают значительной прочностью при растяжении, одинаковой во взаимно перпендикулярных направлениях. Естественно, что прочность при растяжении зависит от степени ориентации молекул и уменьшается в случае более полно отрелаксированной системы. Кроме того, такие пленки при набухании одинаково увеличивают свои плоскостные размеры в различных направлениях. В цитируемых работах было показано, что пленки, характеризующиеся структурой, показанной на рис. 62,г, отличаются от пленок со структурой типа д более значительной усадкой. Явление усадки полимерных пленок впервые было объяснено Каргиным и Штединг на основании опытов по длительному выдерживанию их при комнатной температуре или при нагревании. Оказалось, что кроме испарения летучих компонентов большую роль в возникновении усадки играют релаксационные процессы, отражающие сущность явления.

Пленки с плоскостноориентированной структурой не обнаруживают двулучепреломления при прохождении поляризованного луча перпендикулярно их плоскости, и распознавание такой структуры оптическим методом возможно только при пропускании луча в срез пленки. При получении пленки не на твердой поверхности или высушенной в ненатянутом состоянии процессы релаксации должны быть осуществлены наиболее полно и пленка должна обладать изотропией свойств во всех направлениях. Пленка с такой структурой была получена на поверхности ртути, которая вследствие своей подвижности не препятствует уменьшению объема образующейся пленки по всем направлениям и более полной релаксации. Этот тип структуры показан на рис.60,а. Пленки обладающие такой структурой изотропны, мало прочны и мало усадочны, причем усадка в этом случае вызывается только испарением из пленки летучих компонентов и сближением макромолекул полимера или их агрегатов.

Схема б(рис.60) характеризует анизотропную неустойчивую структуру. Она может быть получена при растяжении пленки в одном направлении и соответствует предельному случаю ориентации молекул полимера. В этом направлении пленка весьма прочна, так как для ее разрыва необходимо преодолеть преимущественно силы химического сродства. Вместе с тем в этом же направлении такая пленка обладает повышенной усадкой, что объясняется высокой степенью ориентации макромолекул и осуществлению ими при благоприятных условиях внутримолекулярных релаксационных процессов.

На схеме в показана анизотропная устойчивая структура пленки. Она представляет собой частный случай структуры б, когда при сохранившейся ориентации макромолекул относительно друг друга достаточно полно прошла внутримолекулярная релаксация. Такое сочетание делает пленку с анизотропной устойчивой структурой наиболее целесообразной для технического использования. Действительно, ориентация макромолекул в одном направлении обеспечивает ей высокие прочностные свойства в этом направлении, а дезориентированное расположение сегментов по отношению друг к другу снимает основной фактор, вызывающий усадку.

Различая в структурах б и в были обнаружены при одновременном использовании рентгеноструктурного и оптического методов исследования. Так, структура б характеризуется высоким значением двулучепреломления и наличием текстуры на рентгенограммах. В структуре в исчезает текстура, что свидетельствует о прохождении релаксации сегментов, но сохраняется высокое значение двулучепреломления, отражающее ориентированное состояние макромолекул по отношению друг к другу.

Пленки в зависимости  от условий процесса пленкообразования  могут также иметь различную  макроструктуру. Характер макроструктуры тесно связан с таким нежелательным  явлением, как повышенная скручиваемость пленок, и поэтому в технологии ему должно быть уделено самое серьезное внимание.

Кроме того, в пленках  возникают слои, различающиеся по микроструктуре. В пленках существуют в основном три различных слоя(рис.61): верхний- с плотной упаковкой макромолекул(а), нижний- с плоскостноориентированными макромолекулами(в) и глубинный – с рыхлой упаковкой макромолекул (б).

Рис.2. Схематическое  изображение микроструктры слоев пленки 
а-плоская упаковка макромолекул, б-рыхлая упаковка, в- простотноориентированные макромолекулы.

Возникновение верхнего, плотно упакованного слоя обязано тому, что составляющие его молекулярные цепи наиболее полно подверглись  релаксационным процессам, чему способствует диффузия молекул растворителя из глубинных  слоев пленки на ее поверхность. Нижний слой, связанный с твердой поверхностью, имеет наиболее  напряженную микроструктуру, вызывающую повышенную усадку и скручиваемость пленки в процессе ее эксплуатации в следствие тенденции макромолекул к релаксации. Промежуточные слои находятся в наиболее благоприятных условиях для осуществления макромолекулами релаксационных процессов, однако в них всегда содержится значительное количество растворителей, препятствующих плотной упаковке свернутых молекулярных цепей.

Эти представления  позволяют объяснить изменение  свойств пленок в зависимости от различных условий и рационально решать вопросы технологии. Изменяются технологические приемы, позволяющие частично избежать нежелательных явлений, возникающих вследствие неоднородности микроструктуры пленки по слоям. 
 
 

3.Оборудование для изготовления пленок из растворов полимеров.

Получение широкой  полосы пленки длиной в несколько  сот метров может быть обеспечено только применением машин непрерывного действия.

На европейском  континенте широкое распространение  получила ленточная машина. Это устройство, состоящее из двух массивных металлических  барабанов, на которые натянута бесконечная  металлическая лента, служащая поверхностью для нанесения пленкообразующего  раствора.

Ленточные машины различаются  по длине и ширине бесконечной  ленты, по системе циркуляции в сушильных  каналах теплоносителя и некоторым  другим показателям. На рис.1 показана принципиальная схема ленточной  машины.

Рис.3. Схема ленточной  машины:1-барабан, 2—бесконечная лента, 3-крепление верхнего корпуса сушильного канала, 4-распорная труба, 5-каркас машины, 6-предохранительный клапан, 7-натяжное устройство,8-нож для очитки поверности барабана.

Барабаны 1 диаметром  и длиной 1.5 метра, изготовленные  из чугуна или стали, обхватываются  бесконечной туго натянутой металлической  лентой толщиной около 1 мм. Подшипники барабанов укреплены на общем  массивном каркасе машины 5. Один из барабанов – ведущий – приводится во вращение электродвигателем, второй – ведомый (направляющий) – вращается  за счет трения о его поверхность  бесконечной ленты.

Ведущий барабан установлен на роликовых подшипниках и состоит  из цилиндрического корпуса с  двойными стенками и двух торцевых крышек, крепящихся к корпусу при  помощи болтов. Вал барабана имеет  осевые отверстия, через которые  в пространство между его стенками поступает охлаждающая вода. Вал ведомого барабана вращается также в роликовых подшипниках, однако их направляющие салазки можно поступательно перемещать при помощи натяжного винтового устройства 7, смещая ось ведомого барабана по отношению к оси ведущего. Барабаны снабжены ножами 8, которые очищают их поверхность от случайных загрязнений. Медь – наиболее распространенный материал для изготовления бесконечных лент,но можно использовать и серебро, и никель, и нержавеющую сталь.

Вся машина заключена  в кожух, образующий 2 сушильных канала – для верхней и нижней ветвей бесконечной ленты. В верхнем сушильном канале установлены валики, поддерживающие ленту во избежание ее провисания. Кожух обычно изготавливают из алюминия толщиной 2 мм. Между стенками кожуха прокладывают  слой тепловой изоляции, не образующей пыли, толщиной 120 мм. Расстояние между алюминиевыми стенками сушильных каналов 0.2-0.3 м. Для предупреждения или локализации возможных взрывов на кожухе имеются гидравлические затворы, крышки которых легко сбрасываются при резком повышении давления в сушильных каналах. Для создания соответствующего натяжения бесконечной ленты между ведущим и ведомым барабанами по обеим сторонам машины находятся распорные трубы 4 , упирающиеся в скользящие салазки подшипников ведомого барабана.

Влажность готовой  основы для светочувствительных  или магнитных слоев  должна составлять 2-3%. Высушивание эфироцеллюлозной пленки до такой влажности непосредственно  на ленте машины было бы нецелесообразным. Оно потребовало бы уменьшения скорости движения ленты, а следовательно, и производительности машины, и увеличения количества и температуры подаваемого в сушильные камеры теплоносителя. Пленку из триацетата целлюлозы снимают с ленты машины с влажностью 15-20 %, после чего направляют в сушильные шкафы для досушивания нагретым воздухом. Такие сушильные шкафы, называемые досушками, составляют вместе с ленточной машиной непрерывно действующий агрегат для получения пленки.

 Для нанесения слоя пленкообразующего раствора на зеркальную поверхность движущейся бесконечной ленты служит приспособление, называемое фильерой. В большинстве случаев фильера представляет собой корытообразный металлический сосуд, в нижней части которого имеется щель по всей его длине. На нижней части передней стенки расположена планка с отшлифованным нижнем краем. При движении лента увлекает пленкообразующий раствор, а высота подъема планки над зеркальной поверхностью ленты задает толщину наносимого на ленту слоя и, следовательно, толщину готовой пленки. Фильеры такого типа применяются при изготовлении пленок из растворов полимеров, вязкость которых при обычной температуре составляет 250 МПА*с и выше.  
Рис.4. Схема фильеры: 1-передняя стенка, 2-реглирующий болт, 3-ограничительная стенка, 4-задняя стенка.

   При получении тонких пленок или в некоторых особых случаях, когда неизбежно использование низковязких пленкообразующих  растворов, применяют фильеры с валиком. В фильерах с валиком толщина слоя раствора, поступающего на ленту машины, задается расстоянием поверхности валика от зеркальной поверхности и частотой его вращения. Ширину раскрытия щели фильеры регулируют микрометрическим винтом. Находят некоторое применение фильеры, работающие под давлением. Такие фильеры используют при работе с пленкообразующими растворами большой вязкости. При помощи дозирующего насоса в фильере создают избыточное давление 0.05-0.06 МПА.

  В настоящее  время используют принцип размещения  фильеры следующий: на расстоянии  около 1 м от ведущего барабана  под медную ленту устанавливают  отполированный валик диаметром  около 20 см. Размеры валика позволяют  в случае необходимости легко  и быстро его заменять, а также  точно устанавливать на стенках  машины. На оси валика имеется  эксцентрик, позволяющий его смещать  и тем самым регулировать величину  натяжения проходящей над ним  бесконечной ленты. Фильеру любого  из перечисленных выше типов  располагают над валиком, чем  достигают значительного увеличения  равномерности распределения пленкообразующего  раствора на поверхности ленты  и толщины образующейся пленки.

     Как  уже было сказано, из ленточной  машины пленка, содержащая значительное  количество растворителей, поступает  на досушивание. Чтобы обеспечить герметичность машины, в месте выхода из нее пленки устанавливают щелевые затворы или плоский канал, образующий лабиринт и соединяющий место выхода пленки из машины с местом входа ее в досушку. Для большей надежности лабиринтных затворов в пространство, образуемое их стенками, подают азот.