Развитие теории и технологии производства электрофлокированных текстильных материалов

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4

Рис. 2 . Схема метода измерения параметров процесса флокирования

Так как емкость С системы, включая емкость конденсатора 8, емкость измерительного электрода 5 и подводящих проводов, известна, то, измеряя напряжение U на емкости с помощью вольтметра 7, определяют суммарный заряд ворса Q₀ = C U. Ячейку с электролитом взвешивают на аналитических весах с ворсом и без, определяя массу ворсинок М. Зная массу одной ворсинки m вычисляют ее средний заряд q:

(24)

Одновременно определяют скорость подачи ворса:

(25)

где S – площадь сетки, подающего бункера, м²; t – время подачи, с.

Вычисляют и значение плотности тока:

(26)

Таким образом, метод позволяет измерять технологические параметры процесса флокирования. С его помощью осуществляли сравнение расчетов с данными эксперимента. Измерения и расчеты проводили для разного ворса: 1. ПA, l = 1 мм; T = 3,3 дтекс; k = 5,8 10^-18Кл м/В; P₀ = 46,8 г/м²с;

2. ПA, l = 2 мм; T = 22 дтекс; k = 9,1 10^-18 Кл м/В; P₀ = 156 г/м².

Описание процесса флокирования с использованием двух соотношений (17), (20) для плотности тока и скорости подачи (18), (21) показало достаточно хорошее совпадение расчетов и экспериментальных данных (рис. 3, 4).

Рис. 3. Влияние напряженности на плотность тока

1

2

3

4

1, 2 – расчетные зависимости (17) и (20) для ворса 1; 3, 4 – для ворса 2.

Для реального производства флокированных материалов важен случай ограниченной скорости подачи ворса, т.е. меньше максимального значения (18). На основе развитой теории проведен анализ распределения объемного заряда, напряженности и скорости ворса в межэлектродном пространстве при различной скорости подачи ворса. Характер изменения и количественные значения этих характеристик подтверждают адекватность теории. На графике (рис. 5) показано как изменяется напряженность поля у поверхности заряжающего электрода, а на рис. 6 - заряд ворса при увеличении скорости подачи ворса от 0 до максимального значения. На рис. 7, представлено распределения напряженности в зоне флокирования при разной скорости подачи.

3, 4

1, 2

Рис. 4. Влияние напряженности электрического поля на скорость подачи ворса

1, 2 – расчетные зависимости (18) и (21) для ворса 1; 3, 4 – для ворса 2.

Рис.5.Влияние скорости подачи на

напряженность у электрода

Рис. 6.Влияние скорости подачи на

заряд ворса

4

3

2

1

Рис. 7. Распределение напряженности между электродами

при разной скорости подачи ворса

Таким образом, в данной главе представлена обобщенная модель процесса осаждения заряженного ворса, ее экспериментальное обоснование и анализ структуры поля и распределения объемного заряда.

Пятая глава посвящена другой стороне процесса флокирования - ориентации ворса на флокированных материалах. Анализ структуры ворсового покрова основан на предположении о распределении ворсинок по углам наклона по закону Гаусса, подтвержденном экспериментально.

Проинтегрировав площадь, перекрываемую ворсинками, получен ряд важных соотношений и, в частности, связь дисперсии функции распределения с величиной предельной плотности ворса.

. (27)

Подобное соотношение получено и для ворса на цилиндрической поверхности. Оно описывает структуру ворсового покрова на флокированных нитях.

Модель ориентации ворса имеет практические выходы: позволяет сравнивать ориентацию ворса разных геометрических размеров; анализировать процесс осаждения ворса на поверхность, занятую ранее другим ворсом (это важно для технологии получения многоцветных и рельефных ворсовых узоров). Получено соотношение, определяющее максимальную плотность второго ворса, если известна плотность первого и ориентация (σ, n_max) обоих ворсов.

Экспериментальные исследования подтвердили теоретические результаты. Использование модели связано с новой технологией создания многоцветных ворсовых узоров и разработкой метода компьютерного анализа контрастности цветовых переходов. Методика включает сканирование образца и сопоставление каждой точке вдоль прямой, перпендикулярной границе перехода, «цветовых координат» R, G, B, определяемых в программе «Photoshop». Затем изучают зависимость расстояния S в «пространстве цвета» от координаты на образце.

, (28)

где С – асимптота функции при х →∞; а – координата, соответствующая значению функции С/2; R,G,B – координата в пространстве цвета, соответствующая точке х на образце; k_n – параметр, определяющий скорость изменения цвета. Пример зависимости показан на графике (рис. 8). Зная вид зависимости (28) и имея данные S(x) можно определить коэффициент и ширину зоны цветового перехода. Например, между значениями 0,2С и 0,8С ширина равна . Изучение влияния условий формирования узора на ширину зоны цветового перехода позволяет управлять характеристиками узора, а именно контрастностью цветовых переходов.

Рис. 8. Распределение параметра цвета S от координаты.

В шестой главе представлено математическое описание неоднородного электрического поля для одного и для ряда параллельных цилиндрических проводников радиуса r₀ между заряженными плоскостями на расстоянии 2h.

Используя метод конформных отображений и перейдя затем из комплексной плоскости к вещественной функции потенциала, получены обе составляющих напряженности электрического поля для этой системы электродов:

Математическое описание поля имеет ряд практических применений: для выбора режима флокирования нитей и в расчете движения заряженного ворса при формировании узора в неоднородном поле.

Завершена глава анализом применения неоднородного поля для сокращения вылета ворса из зоны нанесения. Показан путь повышения эффективности процесса флокирования плоских материалов и нитей за счет применения дополнительных электродов. Это также снижает потери ворса и гарантирует флокирование крайних нитей без коронного разряда. Способ защищен патентом.

Седьмая глава посвящена оптимизации режима флокирования на основе развитой теории осаждения заряженного ворса и его ориентации на материале.

Предложена методика выбора режима флокирования рулонных материалов, обеспечивающего максимальную производительность. Скорость флокирования определяется временем достижения требуемой плотности ворсового покрова. Оно зависит от скорости подачи ворса (Р) и его ориентации (n_max). В главе 4 показано, что скорость подачи ворса ограничена и не зависит от напряженности. Влиять на производительность можно только путем повышения ориентации ворса, увеличивая напряженность поля. Это ведет и к росту кинетической энергии ворса в момент внедрения в клеевой слой. Поэтому, можно рекомендовать максимальную напряженность, допустимую для данного оборудования.

Другой вариант оптимизации – получение максимальной стойкости ворсового покрова к истиранию. Конечно, она определяется качеством связующего и режимом сушки, но здесь речь идет о выборе условий флокирования, обеспечивающих наибольшую глубину внедрения ворса. Развитая теория позволяет выбрать условия нанесения (U, h), при заданной напряженности, которые дают наибольшую скорость и кинетическую энергию ворса. Показана связь условий флокирования с принятыми критериями качества флокированных материалов.

В восьмой главе, изложена технология производства флокированных нитей, опирающаяся в значительной степени на модели электрофлокирования. Такие нити представляют собой стержневую нить, покрытую тонким слоем клея, в котором радиально с высокой плотностью закреплен ворс. Ткани, в которых использована такая нить, имеют хорошую воздухопроницаемость и низкую теплопроводность. Это, при высокой износостойкости и широких возможностях в дизайне, делает ее привлекательной для обивки сидений автомобилей, лайнеров, мебели и т.п. При этом скорость выпуска на установках, созданных в Германии, составляет лишь 15 м/мин.

На основе анализа подключения электродов к потенциалам высокого напряжения (рис. 9), показано, что перспективными следует считать варианты «b» и «d». Вариант «b» обеспечивает, согласно теории и экспериментам, максимальный диапазон регулирования скорости подачи ворса. В варианте «d» все силовые линии замыкаются на нити, что обеспечивает равномерность нанесения ворса по окружности нити и высокую плотность ворсового покрова.

Рис. 9. Варианты подключения напряжения к электодам.

Разработанное конструктивное решение для узла флокирования нитей совмещает преимущества обоих вариантов. Схема лабораторного стенда представлена на рис. 10.

В первой зоне верхний электрод и нити заземлены, что дает максимальную скорость подачи ворса, достаточную для обеих зон нанесения, а напряжение устанавлено ниже порога возникновения коронного разряда. После начала флокирования возрастает «эффективный» диаметр нити и во второй зоне установлено более высокое напряжение для ускорения процесса. Во второй зоне электроды подключены к одинаковому потенциалу высокого напряжения, что дает поле с силовыми линиями, замкнутыми на нити. Установка предусматривает дополнительные электроды параллельно крайним нитям, которые одновременно сокращают вылет ворса из зоны флокирования и исключают возникновение коронного разряда с крайних нитей. Предлагаемая конструкция защищена 3 патентами. Лабораторный стенд с длиной зон флокирования 0,6 м, обеспечил плотность ворса выше, чем на нитях фирмы «Flockgarn GmbH», при скорости до 16 м/мин. Скорость выпуска при длине зоны флокирования 1 м составит более 25 м/мин. Созданная пилотная установка подтвердила выводы, полученные на лабораторном стенде.

15 7

2 8

6 3

17

1 5

16

9 12 14 13 10 11 4

Рис. 10. Конструктивное решение узла флокирования нитей.

1– флокируемая нить; 2 – верхний электрод второй зоны; 3 – сетчатое дно подающего бункера; 4 – транспортер; 5 – первая зона флокирования; 6 – вторая зона флокирования; 7 – подающий бункер; 8 – электродвигатель подающего бункера; 9 – электродвигатель транспортера; 10 – металлические элементы транспортера; 11 – нижний электрод первой зоны флокирования; 12 – нижний электрод второй зоны флокирования; 13 – било; 14 – электродвигатель била; 15 – корпус установки; 16 – бункер для сбора оставшегося на транспортере ворса; 17 – дополнительные боковые электроды.

Далее изложен способ выбора режима флокирования нитей, с учетом порога возникновения коронного разряда с них, на основе описания неоднородного электрического поля. Он состоит в определении напряжения и межэлектродного расстояния, обеспечивающих максимум напряженности на поверхности заряжающего электрода, при напряженности на поверхности нитей ниже порога возникновения коронного разряда. Методика использована при разработке технического задания на изготовление установки для флокирования нитей.

Изучено влияние электропроводности нити с клеевым слоем на процесс флокирования. Заземление подключают к клеевому слою через узел нанесения клея. Толщина клеевого слоя составляет 0,1 - 0,2 мм, а линейное сопротивление для разных видов клея варьируется от 10⁴ до 10⁹ Ом/см. Падение напряжения на нити за счет протекания тока, принесенного заряженным ворсом, при этих условиях может быть соизмеримо с напряжением на электродах, что влияет на скорость нанесения и ориентацию ворса на нитях.

В работе предложена математическая модель процесса. Линейное сопротивление нити γ определяется проводимостью и толщиной клеевого слоя. При флокировании к нити поступает заряженный ворс, вследствие чего вдоль нее протекает ток I(x) и, соответственно, возникает распределение потенциала φ(х) вдоль нити. Исходные положения выглядят следующим образом.

Закон Ома для участка нити dx: (29)
Скорость роста плотности ворса на нити пропорциональна числу «вакантных» мест на единице длины нити и разности потенциалов между данной точкой нити и электродами флокатора: (30)

где n(x) – плотность ворса в (.)х; n_max – максимальная плотность ворса, U₀ – напряжение на электродах флокатора, k_н – коэффициент пропорциональности.

С ростом потенциала нити φ(х) уменьшается прирост тока (поступление заряженного ворса) на участке нити dx: (31)

где α – коэффициент пропорциональности.

В результате решение системы дифференциальных уравнений имеет вид:

(32)

Зависимость плотности ворса n(x) от длины зоны флокирования х, полученная решением уравнения (30), выглядит следующим образом.

(33)

где l₁ – расстояние от узла нанесения клея до начала зоны флокирования, φ₀ – падение напряжения на участке нити l₁.

При малом линейном сопротивлении (φ₀ U₀) соотношение (33) выглядит так.

(34)

Экспериментальная проверка модели проведена для двух видов клея с разным линейным сопротивлением (γ₁ = 5 10⁴ Ом см^-1; γ₂ = 10⁹ Ом см^-1). Расчетные результаты соответствуют реальному процессу флокирования нитей.

Анализ модели показал, что высокое линейное сопротивление клеевого слоя ведет к возрастанию времени флокирования и снижению производительности. Зависимость плотности ворса на нити от длины зоны нанесения при различном напряжении на электродах показано на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость плотности ворса на нити от координаты

1 – U₀ = 20 кВ; 2 - U₀ = 30 кВ; 3 - U₀ = 40 кВ; 4 - U₀ = 50 кВ.

Далее рассмотрен процесс нанесения клеевого состава на нить. Использование выходных отверстий для нитей исключено ввиду их сокращения по мере высыхания клея по периметру.

Предложено устройство для нанесения клея на нити, показанное на рис. 12. Оно включает вал с канавками для прохождения нитей, частично погруженный в емкость с клеем, двигатель с редуктором для вращения вала с регулируемой скоростью и специальный нож для снятия излишков клея. Нить движется в канавках вала, который вращается навстречу её движению. Данное устройство не имеет выходных отверстий для нитей, а поскольку вал погружен в клей и вращается, то клей на нём не высыхает. Регулируя скорость вращения вала, изменяют толщину клеевого слоя.

1 – стержневая нить,

2 – вал для нанесения клея на нить,

3 – клей,

4 – емкость для клея.

V

Blog

Развитие теории и технологии производства электрофлокированных текстильных материалов

Рис. 2 . Схема метода измерения параметров процесса флокирования