РАСЧЕТ ВЕЛИЧИН ЗАРЯДОВ ВОЛОКОН ПРИ

УДК 677.027. 65
РАСЧЕТ ВЕЛИЧИН ЗАРЯДОВ ВОЛОКОН ПРИ ЭЛЕКТРОФЛОКИРОВАНИИ
В. А СЕМЕНОВ
(Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна)
При
моделировании
процессов
электрофлокирования возникает потребность
определения величин зарядов волокон,
например,
при
прогнозировании
вида
ворсового покрова на предметах сложной
формы, процесс нанесения ворса на которые
происходит в неоднородных электрических
полях. При этом возможно создание
текстильной
ворсовой
поверхности
на
упаковках для оптических приборов, для
изделий
ювелирной,
парфюмерной,
галантерейной промышленности и др.
В существующей научно-технической
литературе сведения о зарядах волокон носят
описательный характер. Как правило, они
основываются на косвенных измерениях без
вскрытия механизмов возникновения зарядов
и способов прогнозирования их величины. В
работе [1] заряды волокон измерялись
емкостным методом, разработанным НА.
Бородовским. Этот метод был использован в
[2]
при
измерении
зарядов
волокон
одинакового диаметра (d62 мкм), но разной
длины, подвергнутых одинаковой химической
обработке. В [3] заряд оценивался по
расстоянию, пройденному волокном против
силы тяжести, а в [4] для измерения зарядов
использовался емкостный датчик. В [5]
предлагается теоретическая оценка заряда
волокон, полученная в предположении, что
волокно, оторвавшись от электрода, уносит с
собой поверхностный заряд, располагавшийся
на нем до этого. Эта оценка заряда Q
выражается формулой, имеющей вид
где ɛ1 - диэлектрическая постоянная воздуха;
ɛ08,8510-12
Ф/м
абсолютная
диэлектрическая постоянная вакуума; Е напряженность электрического поля; S площадь, занимаемая волокном на электроде.
Целью настоящей работы является
получение формул для расчета величин
зарядов
волокон,
а
также
проверка
возможности использования формулы (1) для
вычисления зарядов волокон, приобретаемых
ими при электрофлокировании.
Для решения поставленной задачи был
использован экспериментальный материал из
[2], [4] и [6]. Поскольку в [4] отмечается
различие в зарядах при флокировании по
способу снизу-вверх и сверху-вниз, то и
экспериментальные данные проанализированы
отдельно для этих двух случаев. В случаях,
когда
результаты
измерений
были
представлены в графическом виде ([1...4] и
[6]), они вновь переводились в цифровую
форму. Проанализируем сначала результаты
измерений зарядов волокон при флокировании
снизу-вверх.
Таблица 1
l=2,5 MM; d=50 мкм
Заряд Q,
10-12К
4,83
5,46
6
7,24
7,62
7,87
Заряд по (l), 10-12
Напряженность
К
электрического поля E,
кВ/см
0,33
2,98
0,385
3,48
0,439
3,97
0,555
5,02
0,620
5,6
0,664
6
Оценки зарядов капроновых волокон,
проведенные
в
соответствии
с
[4],
представлены в табл. 1. Там же приведены
оценки заряда Q, выполненные по формуле
(1), в предположении, что площадь S
определяется произведением длины l волокна
на его диаметр d.
Данные в табл. 1 показывают, что чем
l=0,65 MM; d=20 мкм
Заряд Q,10-12 K
3,87
4,32 .
5,08
5,97
6,98
Напряженность
Заряд по (1), 10-12
электрического поля
К
Е, кВ/см
0,0457
3,97
0,052
4,52
0,0578
5,02
0,0637
5,54
0,0690
6
больше напряженность электрического поля,
тем больше заряд волокон. Следует отметить
существенное различие между реально
измеряемыми зарядами волокон и их оценкой
по формуле (1). Это обстоятельство связано с
тем, что волокна уносят с собой не только тот
заряд,
который
располагался
на
их
поверхности, когда они находились на
электроде, но и в случае отрыва от него на
волокна перетекает достаточно большой
дополнительный заряд. Как и ожидалось,
заряд волокон повышается с увеличением
геометрических размеров последних. Однако
следует отметить то обстоятельство, что
несмотря
на
большое
различие
в
геометрических размерах двух типов волокон,
их заряды отличаются незначительно.
Предварительные расчеты показали, что
экспериментальные данные в табл. 1 хорошо
описываются моделью вида
где a=(aS+bE}, а и b- искомые коэффициенты.
С использованием анализа пакета
STATGRAPHICS из [7] коэффициенты модели
(2) представляются выражениями
при коэффициенте корреляции R=0,963. Здесь
и в последующем погрешности в определении
коэффициентов
соответствуют
95
%
вероятности попадания искомой величины в
указанный интервал.
Далее
проанализируем
результаты
измерений зарядов волокон при флокировании
сверху-вниз.
В [2] проведено измерение зарядов
одинаковым образом химически обработанных
капроновых
волокон
разной
длины.
Результаты измерения приведены в табл.2.
Как уже отмечалось, величины зарядов
волокон, рассчитанные по формуле (1),
оказываются на порядок меньше, чем
измеряемые
экспериментально.
Статистическая обработка данных табл. 2 для
модели (2) позволила получить следующие
значения коэффициентов:
при R=0,968.
В [4] приводятся данные о величинах
зарядов капроновых волокон, двигающихся
сверху-вниз (табл. 3).
Таблица 2
Заряд Q,
10-12 К
0,5
0,75
1,17
2,08
2,33
2,67
3
3,5
l=1,36 мм
l=2,75 мм
Напряженность
Напряженность
Заряд по (l), 10Заряд Q, 10-12
электрического поля Е,
электрического поля Заряд по (l), 10-12 K
12
К
К
кВ/см
E, кВ/см
1
1,2
0,09
1,2
0,179
1,6
0,119
2,17
1,6
0,239
2,0
0,149
2,33
1,6
0,239
3,9
0,291
4
3,9
0,582
3,9
0,291
4,8
3,9
0,582
4,4
0,328
5,83
4,4
0,657
4,4
0,328
6,3
4,4
0,657
4,0
0,358
7,17
4,4
0,657
7,17
4,8
0,716
Таблица 3
Заряд Q,
10-12K
2,16
2,67
3,11
3,24
3,81
4
/-^2,5 MM; d=50 MR
Напряженность
Заряд по (1),
электрического поля
-12
10 K
E, кВ/см
0,33
2,98
0,385
3,48
0,439
3,97
0,555
5,02
0,620
5,6
0,664
6
Измерения проводились при отражении
волокон от верхнего электрода после
предшествующего движения снизу-вверх. В
этом состояло отличие условий зарядки
волокон от условий, описанных в [2], когда
волокна проходили сквозь сетчатый электрод,
/=0,65 мм; d=20 MKN'
Заряд Q,
10-12 К
Заряд по (1), 10-12 K
0,44
0,7
0,83
1,02
1,27
1,84
1,9
0,035
0,039
0,04
0,043
0,046
0,057
0,061
Напряженность
электрического поля
Е, кВ/см
3,05
3,35
3,48
3,72
3,97
4,95
5,26
являющийся бункером флокатора.
При использовании формулы (2) для
аппроксимации данных табл. 3 получаем
следующие значения коэффициентов:
при R=0,977.
Легко убедиться, что для большинства
реально используемых в электрофлокировании
волокон и напряженностей электрического
поля коэффициент а, определенный по
формулам (4), больше, чем по формулам (5),
что является, вероятно, свидетельством более
эффективной зарядки волокон при их
прохождении сквозь сетчатый электрод, чем
при отражении от него.
ВЫВОДЫ
1. Установлено, что формула (1) для
оценки зарядов волокон, приобретаемых ими
при электрофлокировании, дает результат на
порядок
меньший,
чем
получаемый
экспериментально.
Это
обстоятельство
является косвенным свидетельством того, что
при отрыве волокна от электрода происходят
сложные процессы перетекания на него заряда,
дополнительного по сравнению с тем, который
они приобрели ранее, когда волокна
располагались на электроде.
2. При вычислении заряда волокон
можно пользоваться соотношением (2), в
котором коэффициенты а и b вычисляются по
следующим формулам: а) (3) - для волокон
длиной от 0,5 до 2,5 мм и диаметром от 20 до
50 мкм, взлетевших с нижнего электрода при
напряженности электрического поля от 3 до 6
кВ/см; б) (4) - для волокон длиной от 1,3 до 2,7
мм и диаметром около 60 мкм, прошедших
сквозь верхний сетчатый электрод и
двигающихся
в
электрическом
поле
напряженностью от 1 до 5 кВ/см, в) (5) -для
волокон длиной от 0,5 до 2,5 мм и диаметром
от 20 до 50 мкм, отразившихся от верхнего
электрода при напряженности электрического
поля от 3 до 6 кВ/см.
3. При прохождении через сетчатый
электрод в направлении сверху-вниз заряд
волокон оказывался большим, чем при
отражении от верхнего электрода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Никифорова Н.В., Бершев Е.Н.
Электронная обработка материалов. - 1975, №2.
II
2. Бершев Е.Н., Семенов В. А., Лисовская Г.
П. II Электронная обработка материалов. - 1979,
№1. С. 42...44.
3. Шляхтенко П.Г., Бершев Е.Н. // Изв.
вузов. Технология текстильной промышленности. 1980. №6. С. 34...36.
4. Шляхтенко П.Г. II Изв. вузов. Технология
текстильной промышленности. - 1987, №1. С.
42...47.
5. Bayer Farben Review Edition. Special
Edition. №2. Leverkusen, Germany.
6. Семенов В.А. Теория и практика
электрофлокирования. - ВЗПИ, 1992.
7. Григорьев С. Г. и др. STATGRAPHICS на
персональном компьютере. - СП-б, 1992.
Рекомендована кафедрой механической
технологии волокнистых материалов. Поступила
01,10.97.