книги / Технология производства проводов

3.4.3. Условия образования газообразных включений на стадии удаления растворителя

Газообразные включения на стадии удаления растворителя появляются в изоляции в том случае, если давление паров растворителя на лаковую пленку превышает давление растворителя внутри лаковой пленки. С одной стороны, давление паров растворителя на лаковую пленку снижается с уменьшением концентрации растворителя в лаке. С другой стороны, давление паров растворителя повышается с увеличением температуры проволоки. При эмалировании проводов на стадии удаления растворителя одновременно происходит как увеличение температуры, так и уменьшение концентрации. Кривая образования пузырей в лаках показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Кривая образования пузырей в лаках

При концентрации растворителя менее 10–12 % температура, при которой образуются газообразные пузыри, резко повышается, точке перегиба соответствует критическая температура tкр и критическая концентрация Скр (табл. 3.3). Ниже Скр независимо от температуры материала газовые пузыри в изоляции образовываться не будут.

81

Если зависимость концентрации от температуры не пересекает кривую образования пузырей (1), то газообразные включения не образуются. Если эта зависимость пересекает (кривые 2, 3), то газообразные включения образуются.

Если при t ≥ tкр С ≤ Скр, то газообразные включения в эмалированной пленке не образуются. Минимальная скорость эмалирования, при которой газообразные включения образовываться не будут, называется оптимальной скоростью эмалирования на стадии удаления растворителя.

3.5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ПЛЕНКООБРАЗОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭМАЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ

На второй стадии тепловой обработки провода в эмальпечи происходит образование поперечных химических связей между макромолекулами полимера. Частота образования химических связей определяет физико-механические и электрические свойства изоляции эмалированных проводов. Этот процесс называется процессом пленкообразования.

Пленкообразование при эмалировании чаще всего происходит в результате реакции поликонденсации, при которой выделяются побочные низкомолекулярные продукты. Эти продукты должны быть удалены из лаковой пленки, иначе в изоляции будут образовываться газообразные включения.

82

Для количественного описания процесса пленкообразования вводится понятие степени пленкообразования (СПО) – степени завершенности реакции пленкообразования. СПО представляет собой отношение поперечных химических связей, которые образовались к данному моменту в единице объема, к количеству химических связей, которые могут образоваться в изоляции:

A = N1 = N0 − N ,

N0 N0

где N1 – количество связей, которые образуются; N0 – количест-

во связей, которые могут образоваться; N – количество связей, которые еще могут образоваться после данного момента времени.

Для реакции пленкообразования справедливо основное уравнение химической кинетики:

dN1 = −k1N n , dt

где k1 – скорость реакции пленкообразования; n – порядок реакции пленкообразования.

Для ряда эмаль-лаков порядок реакции n = 1 (реакция первого порядка).

Тогда

83

Перепишем последнюю формулу в виде

Скорость реакции пленкообразования k1 изменяется в зависимости от температуры по закону Аррениуса:

где k0 – константа скорости реакции пленкообразования; ψ – энергия активации реакции пленкообразования; k – постоянная Больцмана, К; T – абсолютная температура.

Для небольшого интервала температур

где k01 и β1 – коэффициенты, характеризующие реакцию пленкообразования и зависящие от типа лака; τ – температура проволоки, °С.

Подставим выражение (3.20) в (3.19):

Предположим, что температура проволоки изменяется по линейному закону:

84

Подставим (3.22) в (3.21) и проинтегрируем получившееся выражение:

Так как температура проволоки изменяется не по линейному закону, то разобьем реальную температурную кривую на n линейных участков, тогда

Степень пленкообразования изменяется по проходам. Первый слой эмалированной пленки будет иметь большую степень пленкообразования, так как он проходит через эмаль-печь большее количество раз, а последний – меньшую, так как он проходит лишь один раз, следовательно,

где j – номер прохода; k – общее количество проходов.

При одинаковой толщине эмалированного слоя, наносимого за каждый проход,

Aср = A1 + A2 + ... + Ak ,

k

где А1, А2, …, Аk – СПО по 1, 2 и k-му проходам. Экспериментально установлено, что изоляция эмалиро-

ванных проводов соответствует ГОСТу, если Аср ≥ 0,75. Слипание изоляции на катушках исключается, если сте-

пень пленкообразования последнего прохода Аk ≥ 0,5.

85

При тепловой обработке проволоки кроме пленкообразования происходит термоокислительная деструкция (ТОД), т.е. разрушение связей.

Степень деструкции можно рассчитать аналогично, так как разрушение связей подчиняется тем же законам, что и их образование:

где β2, k02 – коэффициенты, характеризующие деструкцию.

Bср = B1 + B2 + ... + Bk .

k

Экспериментально установлено, что изоляция будет соответствовать требованиям ГОСТа, если Вср ≤ 0,15.

для реакции пленкообразования, когда n ≠ 1.

3.6. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА СТАДИИ ПЛЕНКООБРАЗОВАНИЯ

Часто реакция пленкообразования является реакцией поликонденсации, поэтому наряду с образованием поперечных связей происходит выделение низкомолекулярных побочных продуктов, которые должны полностью удаляться из лаковой пленки, иначе образуются газообразные включения.

Для описания этого процесса справедливо уравнение диффузии

86

где D – коэффициент диффузии побочных продуктов в окружающую среду; W – концентрация побочных продуктов в лаковой пленке; I – количество побочных продуктов, которые выделяются в единицу времени в единице объема.

Левая часть уравнения – количество продуктов, выделившихся в единицу времени. Количество побочных продуктов, которое выделяется при прохождении реакции, пропорционально числу образовавшихся химических связей N1 = N0 – N.

где W0 – количество побочных продуктов, которое выделилось бы, если бы образовались все возможные химические связи (N0).

Из (3.24) имеем

87

2W = d 2W , dy2

Найдем наиболее допустимую температуру, при которой не образуются газовые включения:

Т = Тн, W = Wдоп, t = 0,

где Wдоп – допустимая концентрация побочных продуктов, при которой еще не образуются газовые включения; Тн – температура начала образования газообразных включений; t – время образования газообразных включений.

88

exp − U1 + φ = 2D01Wдоп .

kT k W 2

н 01 0

Преобразуем это выражение:

Тогда

U1 = ln (P 2 ) . bkTн

Отсюда

Tн = U1 2 . bk ln(P )

Это и есть температура образования газообразных включений на стадии пленкообразования. U1, b и Р для некоторых эмаль-лаков имеют числовые значения (табл. 3.4).

Таблица 3 . 4

Значения коэффициентов U1, b и Р для некоторых типов эмаль-лаков

89

Таким образом, для исключения образования пузырей в изоляции эмалированных проводов на стадии пленкообразования необходимо, чтобы максимальная температура провода в процессе эмалирования Тпр max не превышала температуру образования газообразных включений при реакциипленкообразованияТн:

Тпр.max ≤ Тн .

3.7.РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭМАЛИРУЕМОЙ ПРОВОЛОКИ

Тепло к проволоке в эмаль-печи передается путем конвективного теплообмена от воздуха и путем лучеиспускания от стенок печи и нагревателей. Поступившее к проволоке тепло идет на нагрев медной проволоки и изоляции. Исходя из этого, можно написать уравнение теплового баланса:

где dQк – тепло, которое передается проволоке от воздуха эмальпечи путем конвекции; dQиз – тепло, которое передается проволоке от стенок эмаль-печи путем излучения; dQм – тепло, которое идет на нагрев медной проволоки; dQпл – тепло, которое идет на нагрев лаковой пленки.

Тепло, идущее на нагрев проволоки в единицу времени,

dQм = γм См F dT,

где γм – плотность меди, кг/м3; См – теплоемкость меди, Дж/(кг·°С); F – площадь поперечного сечениямедной проволоки.

dQпл пропорционально dQм и учитывается через коэффи-

циент η = 1,03…1,11.

90