книги из ГПНТБ / Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент
.pdfK S
.БРАГИНСКИЙ ТИМОФЕЕВ
Г. И. БРАГИНСКИЙ, Е. Н. ТИМОФЕЕВ
ТЕХНОЛОГИЯ
МАГНИТНЫХ
ЛЕНТ
Под редакцией 3. К. АВЕРБУХА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ» Ленинградское отделение • 1974
УДК 62-418 : 534.852 Б 87
Брагинский Г. И., Тимофеев Е. Н.
Б87 * Технология магнитных лент. Л., «Химия», 1974.
352 стр., 127 рис., 7 табл.
В книге впервые в отечественной литературе описана технология магнитных лент, используемых в звукозаписи, вычислительной технике и телевидении. Основное внимание уделено приготовлению суспензии магнитного порошка в растворе связующего полимера, а также нанесе нию суспензии на полимерную основу.
Рассмотрена технология полимерной основы. Описан процесс из готовления магнитных порошков.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, занятых производством и применением магнитных лент. Она может быть использована также как учебное пособие для студентов химико технологических вузов и учащихся техникумов.
© Издательство «Химия», 1974
ОТ АВТОРОВ
Среди носителей магнитной записи электрических сигналов наи большее применение находят магнитные ленты. Их используют в про цессах записи звука и видеозаписи, при эксплуатации электронновычислительных машин, для записи результатов измерений и сиг налов управления и во многих других областях науки, техники и культуры. В связи с этим перед химическими предприятиями нашей страны стоит задача улучшения качества, увеличения количества и расширения ассортимента выпускаемых магнитных лент. Строятся новые заводы, реконструируются действующие предприятия. Рас ширяется круг лиц, соприкасающихся с использованием магнитных лент.
В последние годы появилось значительное число монографий, в которых подробно рассмотрены физические основы магнитной за писи. Имеется много публикаций, касающихся вопросов исследования магнитной системы записи, взаимодействия носителей записи с аппа ратурой. Более того, в достаточной степени освещены физико-ме ханические свойства и рабочие характеристики магнитных лент. Однако до настоящего времени Д мировой литературе нет книги, посвященной химии и технологии магнитных лент. Это объясняется тем, что массовое производство магнитныхлент .существует всего несколько десятилетий, а также, по-видимому, строгим соблюдением производственных секретов конкурирующими капиталистическими фирмами..
Вместе с тем потребность в такой книге очевидна. Она необходима для подготовки инженерно-технического персонала и может быть использована не только технологами, производящими магнитные ленты, но и все возрастающим числом специалистов, применяющих ленты в различных отраслях народного хозяйства.
В предлагаемой книге сделана попытка систематизировать сведе ния о процессе изготовления магнитных лент и представить этот процесс как единое целое. Мы считали, что основное внимание должно быть уделено вопросам приготовления суспензии магнитного порошка в растворе связующего полимера и нанесения суспензии на полимерную основу, так как именно эти вопросы меньше всего отражены в периодической литературе и исследованы на практике. Что касается технологии полимерных пленок, используемых в ка честве основы магнитных лент, то она достаточно подробно описана в отечественной литературе, и мы сочли возможным привести только
те материалы, |
без которых было бы невозможно последовательно |
1* |
3 |
изложить и понять технологию магнитных лент во всем ее многооб разии.
Отдельный раздел посвящен описанию процессов изготовления железоокисных магнитных порошков, приведены сведения о перспек тивных магнитных порошках из модифицированной двуокиси хрома.
Достаточно подробно рассмотрены физико-механические свой ства магнитных лент и их измерение. Вопросы же измерения магнит ных свойств и рабочих характеристик магнитных лент не затраги ваются, а также не приводится сравнение большого числа различных лент, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью. Это является предметом теории и техники магнитной записи и вы ходит за рамки настоящей книги. Книга была бы неполной без хотя бы краткого описания процессов отделки магнитных лент и мероприятий по созданию условий особой чистоты, в которых ленты должны изготовляться. Это сделано в той мере, в какой позволил ограниченный объем книги.
Особое место занимает раздел, связанный с описанием физиче ских основ магнитной записи, магнитных и рабочих характеристик магнитных лент. Несмотря на то, что для технологии эти вопросы являются вспомогательными, мы сочли полезным рассмотреть их в объеме доступном и необходимом инженеру-химику. Раздел «Ос новные понятия о ферромагнетизме и магнитной записи» помещен в начале с тем, чтобы приступая к чтению глав, посвященных тех нологии и ее теоретическим обоснованиям, читатель был подготовлен к встрече с не совсем обычными для него понятиями и терминами, без которых описание сущности технологических процессов изгото вления магнитных лент невозможно. Большой труд по написанию этого раздела взяла на себя доцент 3. В. Цирулина.
Книга рассчитана на читателя, знакомого с основными положе ниями науки о полимерах, с реологией полимерных растворов и рас плавов, а также с современными взглядами на строение вещества. Некоторые теоретические сведения, непосредственно касающиеся отдельных стадий технологии магнитных лент, изложены в соответ ствующих разделах. Без этого было бы невозможно понять сущность процессов формования основы магнитной ленты и ее рабочего слоя.
Мы благодарим Н. Г. Ушомирского за внимательный просмотр рукописи и ряд существенных замечаний.
Книга не могла бы быть написана без большой помощи сотруд ников Шосткинского химического комбината, Шосткинского фили ала Госниихимфотопроекта, Переелавского химического завода и Ле нинградского института киноинженеров, за что авторы им весьма признательны.
В такой многоплановой работе, выполняемой впервые, несомненно имеются отдельные упущения, указания на которые будут приняты с благодарностью.
Г. И. Брагинский, Е. Н. Тимофеев
1» ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНИТНЫХ ЛЕНТАХ
1.1.ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНЫХ ЛЕНТ
Технология двухслойных магнитных лент зародилась и развивалась на основе кинопленочного и лакокрасочного произ водств, имеющих многолетнюю историю, высокоразвитую техниче скую базу и оснащенных современным оборудованием.
Производство магнитных лент возникло на кинопленочных пред приятиях, и в настоящее время многие из них выпускают ленты раз личного назначения. Это объясняется прежде всего тем, что одним из первых потребителей лент для магнитной записи была кинемато графия. Кроме того, технология двухслойных магнитных лент очень близка по своему характеру к технологии кинопленок, существу ющей уже с конца прошлого столетия [1]. Первую магнитную запись осуществил в 1898 г. Паульсен, который в качестве носителя записи использовал стальную проволоку [2]. Большой вес проволоки, низ кое качество записи на ней- и другие недостатки ограничивали как развитие самого процесса записи, так и дальнейшее совершенство вание звукозаписывающей аппаратуры.
В последующие годы в качестве носителей записи применяли, а иногда применяют и теперь, ленты из нержавеющей стали, биметал лические ленты, диски и барабаны, имеющие на поверхности ферро магнитное покрытие. Огромное значение для дальнейшего развития звукозаписи имели предложения Крейчмана [3] и Пфлеймера [41, которые впервые высказали совершенно новую идею о нанесении слоя ферромагнитного материала на гибкую основу. Некоторое время в качестве основы применяли бумагу, однако низкие физико-механи ческие свойства магнитных лент на бумажной основе делали невоз можным их широкое использование.
Вместе с тем уже в 1905 г. был разработан процесс получения цел лита — вторичного ацетата целлюлозы, растворимого в ацетоне [5]. Из этого продукта вырабатывали так называемый «целлитфильм Байер» — пленку, получаемую нанесением ацетонового раствора цел лита на бесконечную движущуюся ленту с последующим испарением растворителей и высушиванием пленки [6]. Это позволило немецкой фирме Badische Anilin und Soda Fabrik (BASF) в 1932 г. исполь зовать в качестве основы магнитной ленты пленку из вторичного ацетата целлюлозы и способствовало быстрому развитию магнитной записи.
С этого времени в технологии магнитных лент производство основы, т. е. полимерной пленки, поверхность которой покрывают рабочим слоем, обладающим магнитными свойствами, занимает особое место.
5
Толщина такой пленки составляет 75—80% толщины всей магнит ной ленты. Поэтому физико-механические показатели ленты опре деляются главным образом свойствами основы.
Наличие магнитной ленты на основе из вторичного ацетата, обла давшей по тем временам удовлетворительными свойствами, привело к созданию в 1934 г. магнитофона, разработанного немецкой фирмой
Allgemeine Elektrische Gesellschaft (AEG), а в 1935 г. — к замене стеряшевых магнитных головок современными кольцевыми [71. В свою очередь усовершенствование аппаратов для магнитной записи,
в частности применение высокочастотного подмагничивания |
[8—10] |
и многодорожечной записи [11], требовало от химической |
науки |
и технологии повышения качества магнитных лент. |
|
Необходимость в этом стала особенно очевидной, когда магнит ную ленту начали широко применять не только для записи звука, но и для электронно-вычислительных машин, аппаратов точной записи, видеомагнитофонов, в оборонной технике и для других целей. В дальнейшем физико-механические свойства магнитных лент улуч шались путем замены основы из вторичного ацетата целлюлозы более совершенными пленками, а также в результате применения новых связующих полимеров и магнитных порошков.
Основа из вторичного ацетата целлюлозы сбладает существенными недостатками, главными из которых являются: значительная водонабухаемость, изменение геометрических размеров во времени и не достаточная прочность при растяжении. Указанные недостатки при вели к тому, что некоторые зарубежные фирмы стали применять в ка честве основы магнитных лент пленки из поливинилхлорида, поли стирола, фторпроизводных этилена. Однако ленты на основе из этих полимеров также не могли удовлетворить требованиям магнитной записи, области применения которой все расширяются. Так, пленки из поливинилхлорида и полистирола имеют низкую температуру размягчения, что не позволяет использовать магнитную ленту на их основе в некоторых аппаратах записи и воспроизведения, где она сильно нагревается. Пленки из политетрафторэтилена обладают низ кой динамической прочностью. Общим недостатком перечисленных пленок является анизотропия физико-механических свойств, вызван ная одноосной ориентацией, характерной для технологического процесса их получения.
Как уже говорилось, в первые годы развития магнитной записи в качестве основы магнитных лент использовали пленки из вторич ного ацетата целлюлозы, содержащего около 55% связанной уксус ной кислоты. Усовершенствование процессов получения триаце тата целлюлозы и значительное улучшение качества триацетатцеллюлозных пленок, достигнутое в последние годы, позволили использовать для этой цели также пленки из частично омылен ного (содержащего 60—61% связанной уксусной кислоты) триаце
тата.
Основу из вторичного и частично омыленного ацетатов целлюлозы до настоящего времени используют для изготовления некоторых типов магнитных лент.
6
Наиболее подходящим синтетическим полимером для изготовле ния основы оказался полиэтилентерефталат. Пленки из этого поли эфира обладают высокой влагостойкостью и теплостойкостью. Их механическая прочность значительно превышает таковую для пленок из ацетатов целлюлозы, поливинилхлорида и полистирола. Отсут ствие в составе полиэтилентерефталатной основы пластификатора обеспечивает ее размероустойчивость и постоянство физико-механи ческих свойств во времени. Весьма ценным свойством является ее морозостойкость, что позволяет использовать изготовленные на ней магнитные ленты в интервале температур от —60° С до +60° С при относительной влажности до 98%.
Хорошие физико-механические свойства полиэтилентерефталат ной пленки делают возможным изготовление очень тонких магнит ных лент, за счет чего увеличивается длина ленты в рулоне стандарт ного диаметра, а следовательно, и объем информации, которая мо жет быть записана на одном рулоне. Наряду с совершенствованием полимерной основы, благодаря расширению сферы применения маг нитной записи, улучшались также свойства применяемых магнитных порошков и связующих полимеров для изготовления рабочих слоев магнитных лент. Можно отметить следующие наиболее важные изме нения, происшедшие в технологии за последние годы. Если для пер вых двухслойных лент в качестве магнитного носителя применяли порошок карбонильного железа, то в настоящее время широкое рас пространение получили порошки гамма-окиси железа с игольчатой формой частиц. Особый интерес представляет разработанный совет скими исследователями [12] игольчатый порошок гамма-окиси же леза высокой степени дисперсности, обеспечивающий возможность изготовления лент с хорошей частотной характеристикой и низким уровнем шума. Отечественные предприятия изготавливают тонко дисперсный порошок для магнитных лент специального назначения, тонкодисперсный порошок феррита кобальта с частицами сфериче ской формы (применяемый ограниченно), крупнодисперсную гаммаокись и тонкодисперсную игольчатую гамма-окись железа [13—15]. Некоторое применение находят порошки из сплавов железа, кобальта и никеля [16, с. 39—51, 17]. В последние годы получают распрост ранение магнитная двуокись хрома [18—20] и гамма-окись железа, модифицированная кобальтом.
Еще одно направление, по которому шло улучшение свойств маг нитных лент, — это применение более совершенных связующих полимеров для приготовления суспензий магнитных порошков. В качестве одного из первых связующих служил нитрат целлюлозы, содержащий 10—12% связанного азота. В настоящее время наиболее перспективными связующими следует считать сополимеры винило вых соединений и полиуретаны, способные при соответствующих условиях образовывать рабочие слои, которые обладают высокой износостойкостью и не нарушают эластичности магнитной ленты. Вместе с тем до настоящего времени нитрат целлюлозы находит применение в качестве связующего при изготовлении некоторых ти пов магнитных лент. Большим шагом вперед в развитии технологии
7
магнитных лент явилось создание высокопроизводительных ма шин, позволяющих наносить суспензию магнитного порошка на готовую основу.
Ранее, когда в качестве пленкообразующего вещества использо вали только вторичный ацетат целлюлозы, суспензию наносили на слой пленкообразующего раствора, переход которого в стеклооб разное состояние только начинался. Процесс осуществляли на лен точных машинах [1], причем устройства для нанесения пленкооб разующего раствора и суспензии размещались на небольшом рас стоянии друг от друга. Такой способ не мог обеспечить высокую про изводительность, ограничивал ассортимент основы и затруднял создание оптимального режима формования и высушивания различ ных по составу и толщине пленок основы и рабочего слоя. Недоста точная однородность рабочего слоя и качество его поверхности также не удовлетворяли возрастающим требованиям к магнитным лентам. Поэтому такой способ в настоящее время используют ограниченно, хотя он и позволяет объединить две стадии технологического про цесса.
Чрезвычайно быстрые темпы развития отечественной химической промышленности в послевоенные годы позволили организовать в 1954 г. производство магнитных лент на Шосткинском химическом комбинате, а в 1964 г. — увеличить их выпуск более чем в четыре раза. В 1960 г. в Советском Союзе было освоено крупное производ ство полиэтилентерефталата [21], а в 1965 г. Шосткинский химиче ский комбинат начал выпуск лент на основе из этого полимера. В настоящее время комбинат производит более 65 типов магнитных лент различного назначения [22], имеющих марку «Свема», уже хорошо известную во всем мире. В 1971 г. вступили в строй новые цеха, производящие магнитные ленты, на Казанском и Переславском химических заводах.
В качестве наиболее развитых зарубежных предприятий, произ водящих магнитные ленты, можно назвать следующие: ЗМ (Minnesota Mining and Manufacturing Corporation), Audio deveis, Ampex, So undkraft, American Tape — США; EMI (Electronic Musical Industry) —
Англия; |
ORVO (Original |
Volfen) — ГДР; BASF (Badische |
Anilin |
und Soda |
Fabrik) —ФРГ; |
объединенная германо-бельгийская фирма |
|
AGFA (Aktion Gesellshaft |
für Anilinfarbenstoffen) — Gevert; |
Sonny |
|
Corporation, Fugy Film Company —Япония.
Темпы развития магнитной записи настолько велики, что удовлет ворение потребностей различных отраслей ее использования требует непрерывного увеличения производства, расширения ассортимента- и улучшения физико-механических и магнитных свойств, а также рабочих характеристик магнитных лент. Вместе с тем нельзя не отме тить, что в последние годы совершенствование качества магнитных лент происходило главным образом в направлении улучшения струк туры рабочего слоя, свойств основы, уменьшения их общей толщины, повышения однородности по толщине и устойчивости к резким и зна чительным колебаниям температуры. Что же касается порошковых материалов, определяющих в основном магнитные свойства и рабо
8
чие характеристики лент, то число их невелико и вряд ли такое поло жение сохранится в будущем. В производстве постоянных магнитов, имеющем много общего с технологией магнитных порошков, уже применяют металлические сплавы, металлические и оксидные по рошки, весьма перспективные в отношении улучшения магнитных свойств и рабочих характеристик носителей записи [23]. Это позво ляет надеяться на расширение номенклатуры магнитных материалов в ближайшем будущем, а также на улучшение таких рабочих харак теристик магнитных лент, как их чувствительность, допустимая плот ность записи, нелинейные искажения.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ ЛЕНТ
1.2.1. Области применения магнитных лент
Многообразие выпускаемых в настоящее время магнит ных лент характеризуется различными не связанными друг с другом признаками. К таким признакам относятся, например: химическая природа полимера, из которого изготовлена основа ленты, принцип технологического процесса нанесения суспензии магнитного порошка в растворе полимера на основу, химическая природа связующего полимера, применяемого для приготовления суспензии магнитного порошка, характер магнитного порошка, обусловливающий, в итоге, свойства магнитной ленты, и другие.
Перечисленные показатели, не говоря уже о размерах лент, настолько многочисленны и разнообразны, что не позволяют одно значно подразделить магнитные ленты на самостоятельные группы. Этому способствует все возрастающее число типов магнитных лент, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными предприяти ями, а также отсутствие унификации в их маркировке. Поэтому пока единственным целесообразным способом классификации маг нитных лент следует считать разделение их по областям применения. Такая техническая классификация является условной, так как в от дельных случаях одни и те же ленты могут быть применены для различных целей.
Таким образом, в настоящее время нет строгой классификации магнитных лент по определенному комплексу свойств, характеризу ющему их общность. Разделение магнитных лент в основном связано только с характером их использования независимо от указанных признаков. Требования к рабочим характеристикам и физико-механи ческим свойствам магнитных лент определяются разнообразием областей их применения. Наряду с рабочими характеристиками и фи зико-механическими свойствами возможность использования маг нитных лент определяется такими их показателями, как толщина
иширина лент, длина их в рулоне, на катушке или в кассете. Можно сформулировать ряд требований, которым должна удо
влетворять магнитная лента независимо от области ее применения: высокая продольная, поверхностная и объемная плотность
записи;
9