Развитие теории и технологии производства электрофлокированных текстильных материалов

На правах рукописи

Иванов Олег Михайлович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОФЛОКИРОВАННЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.19.02 – Технология и первичная обработка текстильных

материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт – Петербург

2007

Работа выполнена на кафедре технологии прядения и нетканых материалов Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

ЧЕЛЫШЕВ Анатолий Михайлович

Доктор технических наук, профессор

КАПИТАНОВ Анатолий Федорович

Доктор технических наук, профессор

РОНЖИН Владимир Иванович

Ведущая организация: ОАО Научно-производственный комплекс «ЦНИИШЕРСТЬ»

Защита состоится «08» апреля 2008 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.236.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна», аудитория № 241.
Адрес: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна».
Автореферат разослан «07» марта 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Е. Рудин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 коротких заряженных волокон в электрическом поле, называют технологией электрофлокирования. В ее рамках осуществляют покрытие ворсом (флоком) различных материалов и изделий. Широкие возможности 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 флокированными рисунками, флокированные 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 разрабатываемые модели должны, с одной стороны, учитывать геометрические и электрофизические характеристики ворса, а, с другой стороны, включать условия процесса зарядки и осаждения ворса на поверхность основы.

Таким образом, для повышения экономической эффективности производства флокированных материалов необходимо решение научной проблемы: развить теорию, связывающую характеристики перерабатываемого сырья (волокон) и параметры электрического поля со скоростью протекания технологического процесса и включающую анализ структуры ворсового покрова, которая определяет качество флокированных материалов.

Важность создания обобщенных моделей процесса заключается в том, что это позволит совершенствовать технологию путем обоснованного выбора режимов производства, рассчитывать допустимую скорость выпуска материала и его характеристики. Это важно для повышения производительности оборудования и улучшения качества выпускаемых материалов и изделий. При этом полученные закономерности 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 модели процесса осаждения заряженного ворса и его ориентации на флокированном материале, основанные на четко сформулированных исходных положениях, позволяющие рассчитать плотность тока, создаваемого движением заряженного ворса, 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.

Исследования позволили создать технологию флокированния нитей, оптимизировать режим работы и предложить конструкцию узла флокированния, разработать новый способ 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.

Цель работы состоит в развитии представлений технологии электрофлокирования на основе создания обобщенных математических моделей процесса, связывающих свойства ворса и условия его нанесения с параметрами, определяющими производительность и качество флокироаанных материалов. Для этого необходимо: определить факторы, ограничивающие производительность процесса; выбрать определяющий параметр ворса и характеристики, связанные со скоростью его нанесения; разработать математические модели осаждения потока заряженного ворса и его ориентации на материале; предложить методы измерения основных характеристик процесса для экспериментального обоснования моделей. Результаты могут быть использованы как для совершенствования технологии, так и создания ее новых направлений и методов измерения.

Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования явились классические и современные представления, 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 развитии теории процесса электрофлокирования на основе анализа влияния объемного заряда и ориентации ворса на поверхности материала, а также экспериментальном обосновании полученных теоретических результатов, куда входят:

математическая модель поведения потока заряженного ворса в процессе его осаждения в электрическом поле, основанная на анализе влияния объемного заряда, находящегося между электродами, которая позволила получить взаимосвязь плотности тока, создаваемого движущимся заряженным ворсом, и скорости его подачи, с условиями флокирования и параметрами ворса;
аналитическое выражение для прогнозирования предельного значения скорости подачи ворса в диапазоне 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 оптимизации условий нанесения ворса для минимизации времени получения требуемой плотности ворса или максимизации прочности закрепления, основанная на созданной модели осаждения заряженного ворса;
соотношение, подтвержденное экспериментально, описывающее процесс нанесения связующего в технологии производства флокированных нитей;
способ формирования равномерного поля ИК-облучения при производстве флокированных нитей и плоских материалов.

Основные положения, выносимые на защиту. Разработана комплексная модель, описывающая процесс осаждения волокон в электрическом поле с учетом влияния основных технологических параметров, позволяющая совершенствовать существующие технологические процессы и создавать новые и включающая в себя:

взаимосвязь плотности тока, создаваемого движением заряженного ворса и скорости подачи ворса, определяющей производительность, с условиями флокирования и параметрами ворса, основанная на анализе влияния объемного заряда ворса, находящегося между электродами и с учетом модели его зарядки;
обоснование наличия ограничения для скорости подачи ворса и получение аналитического выражения для ее расчета в диапазоне рабочих значений напряженности электрического поля, подтвержденное экспериментально для различного ворса;
получение взаимосвязи ориентации ворса на флокированной поверхности с величиной его предельной плотности, основанной на представлении о распределении ворсинок по нормальному закону, позволившей разработать компьютерный метод анализа цветовых переходов на ворсовых рисунках и способ измерения плотности ворсового покрова методом оптического пропускания;
способ выбора режимов процесса флокирования рулонных материалов и нитей, основанный на модели процесса осаждения ворса, для достижения максимальной производительности или прочности закрепления ворса;
высокопроизводительную технологию получения флокированных нитей, включающую выбор и обоснование структуры поля, электропроводности клеевого слоя и способа термофиксации клеевой композиции, на которые получено 8 патентов и авторских свидетельств;
конструктивные решения основных узлов линии для выпуска флокированных нитей и, подготовленное на их основе, техническое задание на изготовление установки, основанное на технических решениях 6 патентов;
новую технологию получения многоцветных ворсовых узоров на плоских и объемных изделиях, основанную на математическом описании неоднородного электрического поля и ориентации ворса;
конструктивные решения 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 связующего и узел намотки нитей, на которые получено 8 патентов и авторских свидетельств, подтверждающих новизну технических и технологических решений; применение созданных технических и технологических решений обеспечивает большую скорость выпуска при высокой плотности и равномерности осаждения ворса на нити;

- создана новая технология и установка для получения многоцветных ворсовых рисунков, которая основана на технических и технологических решениях, защищенных 3 патентами, открывающая новые возможности в отделке различных материалов и изделий и позволяющая расширить ассортимент подобных 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 светопропускающих 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 16 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 международных, всероссийских и других научных симпозиумах, конференциях и семинарах, таких как: 4.Iternationales Techtextil Symposium für technische Textilien 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.).

Публикация результатов. Основные результаты диссертационной работы изложены в 43 печатных работах, включая монографию, 5 статей в журн. Изв. вузов, 4 статьи в журн. «Электронная обработка материалов» при Академии наук Молдавской ССР, 16 авторских свидетельств и патентов, статьи в научных сборниках и доклады на международных и российских конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 385 страницах и состоит из введения, десяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 184 наименований, содержит 134 рисунка и 27 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту, обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

Теория технологического процесса электрофлокирования должна определять предельные значения основных характеристик процесса, определяющих его производительность. Это связывает теорию процесса с реальной технологией, т.к. позволит расчетным путем прогнозировать скорость выпуска рулонных флокированных материалов или изделий с флокированным покрытием.

Модель, связывающая характеристики ворса и условия протекания процесса с его производительностью, а также модель ориентации ворса и описание неоднородного поля, позволяет, как создавать новые направления технологии, так и совершенствовать существующие технологические процессы.

Первая глава посвящена обзору научной литературы по тематике диссертации. Изложены взгляды, относящиеся к теории осаждения заряженного ворса в электрическом поле и, в первую очередь, к вопросам, рассмотренным в работе. В работах Бершева Е.Н., показано, что динамику роста плотности ворсового покрова n в процессе флокирования определяют скорость подачи ворса P и его предельная плотность n_max. Эта функция Семеновым В.А. была обобщена для скорости подачи, зависящей от времени. Рассмотрены представления об ориентации ворса, его максимальной плотности и процессе образования ворсового покрова на основе работ Бершева Е.Н., Семенова В.А. и других ученых. Представления о механизме зарядки волокон в электрическом поле изложены на основе работ Попкова В.И., Глазова М.И., Наги-Заде А.Т, а также Шляхтенко П.Г.

Рассмотрено движение заряженных волокон в электрическом поле и, показанное в работах Семенова В.А., влияние объемного заряда ворса на параметры электрического поля в объеме флокатора. Развитие это направление получило в работах автора, где впервые получена связь плотности тока j и скорости подачи ворса P с его свойствами и условиями нанесения. Было учтено влияние объемного заряда на напряженность поля при зарядке E₀ и заряд ворса q, а также рассмотрен кинематический подход к анализу процесса. Такое описание позволило оценивать технологические характеристики процесса.

Применение неоднородных электрических полей в технологии относится, прежде всего, к производству флокированных нитей, реализованному в Германии и развиваемому в России Бершевым Е.Н., Челышевым А.М. и автором данной работы. Кратко изложена технология получения флокированных рисунков, которой занимались Бершев Е.Н., Лобова Л.В. и Семенов В.А. В заключение описаны требования к качеству флокированных материалов и методы контроля ворса и ворсового покрова, которым посвятил ряд работ проф. Шляхтенко П.Г.

Основной вывод раздела, это необходимость создания обобщенной теории, позволяющей связать свойства ворса и условия его нанесения с параметрами, определяющими производительность процесса и характеристиками, получаемого ворсового покрова. Такая теория позволит повысить эффективность существующих технологических процессов и создавать новые технологии.

Вторая глава посвящена анализу зависимости плотности ворса от времени нанесения. Cкорость роста плотности ворсового покрова пропорциональна доле свободной площади и скорости подачи ворса. Величина и распределение объемного заряда изменяется с ростом плотности ворса на поверхности. Это ведет к изменению скорости подачи ворса. С учетом этого, решение дифференциального уравнения для плотности ворса от времени имеет следующий вид.

, (1)

где P₀ = P(n = 0, t = 0) – скорость подачи ворса в начальный момент времени, t - время нанесения, k₀ - коэффициент, определяющий диапазон изменения скорости подачи ворса.

Результаты экспериментов подтвердили большую точность соотношения (1) во всех сериях измерений, а значит и факт влияния объемного заряда на протекание процесса. Важно, что значение скорости подачи ворса во всех случаях значительно меньше величины, измеренной без напряжения на электродах. Это подтверждает влияние объемного заряда, т.к. именно он ограничивает скорость подачи ворса.

В третьей главе обоснован выбор критерия, определяющего электрофизические свойства ворса – это коэффициент пропорциональности между зарядом и напряженностью электрического поля. Показана их линейная взаимосвязь. Коэффициент определяет заряд отдельной ворсинки и суммарный заряд между электродами. Анализ проведен на основе взаимодействия волокна, имеющего распределенный заряд с полем и с его зеркальным отражением на электроде. Отрыв волокна происходит в момент равновесия сил, после стекания части заряда на электрод. Аналогичный подход использован в работе Шляхтенко П.Г. для изучения распределения заряда вдоль волокна. В данной главе обоснован характер связи избыточного заряда волокна с напряженностью электрического поля, что и подтверждено экспериментально.

Основным следствием раздела является теоретическое и экспериментальное обоснование линейной зависимости избыточного заряда ворса от напряженности электрического поля в рабочем диапазоне значений.

Четвертая глава является ключевой для всей работы. Она посвящена созданию теоретической модели, связывающей параметры ворса (длина, диаметр, коэффициент зарядки) и условия его осаждения (напряжение, расстояние между электродами, напряженность) с основными технологическими характеристиками процесса – плотностью тока, создаваемого заряженным, движущимся ворсом и скоростью его подачи, т.е. количеством ворса, поступающего к единице площади поверхности материала за 1 секунду.

Целью создания модели является определение предельного значения скорости осаждения ворса, которая связана с максимальной производительностью процесса. В начале раздела сформулированы основные положения, на которых базируется модель:

Рассматриваем процесс между бесконечными плоскостями. Распределение потенциала U в зоне флокирования зависит только от координаты x:

В зоне флокирования с учетом п. 1 выполняется уравнение Пуассона:

(2)

где ρ(х) – объемная плотность заряда, находящегося в межэлектродном пространстве, ε₀ – диэлектрическая постоянная.

Рассматриваем однонаправленное движение ворса между электродами вдоль оси «х», т. е. начальный этап флокирования. Плотность тока j, создаваемого заряженным ворсом, движущимся от верхнего электрода к нижнему, будет

(3)

где - скорость ворса в точке «х».

Напряженность электрического поля E₀ около заряжающего электрода с учетом заряда ворса между электродами, имеющего поверхностную плотность Q_Σ .

(4)

Заряд всех ворсинок q одинаков и определяется напряженностью у поверхности заряжающего электрода: q = k E₀ , (5)

где k – «коэффициент зарядки» ворса, Кл м/В.

Закон сохранения энергии с учетом работы силы сопротивления:

где C = 1,11 l (d – 9,3 10^-6) – коэффициент пропорциональности для силы аэродинамического сопротивления движению ворсинки l – длина ворсинки, м; d – диаметр ворсинки, м; m – масса ворсинки, кг.

Продифференцировав дважды уравнение закона сохранения энергии и, используя уравнение Пуассона и соотношение для плотности тока (3), выведено

Решение объединенного уравнения было получено в виде зависимости скорости движения ворса υ от координаты х.

(7)

Возвращаясь к закону сохранения энергии, удалось получить функцию распределения потенциала между электродами (8), а используя граничные условия U(x = 0) = 0, U(x = h) = U₀ - выражение для плотности тока (9).

Соотношение для скорости подачи ворса выведено из уравнения плотности тока (9).

Далее важно было установить связь среднего заряда ворса с условиями протекания процесса. Напряженность поля около заряжающего электрода можно получить, взяв производную функции распределения потенциала (8) в точке х = 0. Зная напряженность, легко определить заряд ворса (12).

Плотность тока и скорость подачи ворса зависят от среднего заряда ворса, а он, в свою очередь, зависит от плотности тока. Из этой системы уравнений получено более простое выражение для плотности тока.

Сравнение полученных соотношений (рис. 1) показало их хорошее совпадение в рабочем диапазоне значений напряженности (Е > 2 кВ/см). Важное следствие модели это существование предела для скорости подачи ворса, который связан со свойствами ворса и не зависит от напряженности: .

Следующим этапом стало рассмотрение процесса на основе кинематических уравнений. Используя известные преобразования , дифференциальное уравнение (7) существенно упрощается:

. (14)

Рис. 1. Влияние напряженности электрического поля на плотность тока.

Интегрируя дифференциальное уравнение с использованием начальных и граничных условий получены временные зависимости движения ворса:

Система кинематических уравнений (15), описывающая движение потока заряженного ворса с учетом объемного заряда, аэродинамического сопротивления и условий его зарядки, показывает, как меняется ускорение, скорость и координата ворса от времени. Пока скорость подачи мала, мала и плотность тока, а величина напряженности Е₀ близка к напряженности поля без заряженного ворса E = U/h. При этом ускорение ворсинки максимально в начале () и снижается, стремясь в пределе к величине .

Возрастание скорости подачи ворса, и увеличение объемного заряда ведет к снижению начальной напряженности Е₀ и росту плотности тока j вплоть до . При этом ускорение ворсинки постоянно в процессе движения:

(16)

_{Такое значение плотности тока следует считать максимальным, что хорошо согласуется с результатами экспериментов.}

. (17)

Соответствующая скорость подачи равна: (18)

Эта скорость подачи ворса является максимальной в рабочем диапазоне напряженности и совпадает с выражением, полученным при «энергетическом» подходе. Далее, с учетом Q_Σ = j T, а также (5), получена связь времени движения ворса между электродами T с параметрами процесса: . Если подставить в уравнение (11) время Т и учесть, что x(T) = h, получаем:

(19)

Это соотношение включает все исходные условия, но трансцендентное уравнение можно анализировать только численно. Если применить разложение экспоненты в ряд Тейлора, то при использовании первых трех членов разложения, уравнение (19) преобразуется к виду, из которого легко получить взаимосвязь плотности тока с напряженностью электрического поля. Используя условие зарядки ворса (5) и вводя «относительную напряженность» электрического поля около заряжающего электрода , область изменения которой определена и неизменна , получаем:

. (20)

Аналогичное соотношение получено для скорости подачи ворса:

. (21)

Экспонента разложена в ряд в окрестности 0 ее показателя, поэтому следует определить область использования полученных выражений:

. (22)

При максимальной скорости подачи ворса Р диапазон изменения относительной напряженности определяется численно: Для этого диапазона изменения напряженности зависимость относительной напряженности около заряжающего электрода от напряженности внешнего поля E = U/h :

Для экспериментальной проверки модели разработана методика одновременного и независимого измерения плотности тока, скорости подачи и заряда ворса при его однонаправленном движении. Схема представлена на рис. 2.

Ворс поступает из бункера 1 с сетчатым дном, являющимся заряжающим электродом, и движется к нижнему электроду. Нижним электродом является электролит 6 в диэлектрической ячейке 5. Диаметр ячейки 5 таков, что весь ворс, вылетевший с верхнего электрода, попадает в ячейку с электролитом и не возвращается к верхнему электроду. Скорость подачи регулируется частотой вибрации бункера и размером ячеек сетки подающего бункера.