УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО НАНЕСЕНИЯ ВОРСОВЫХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1996 года по МПК D04H11/00 

Изобретение относится к технике нанесения ворса в электростатическом поле и может быть использовано при нанесении рулонных покрытий (ворсовых или других квазидиэлектрических частиц, например мелкодисперсных порошковых структур, при создании изолирующих покрытий, лакокрасочных покрытий, абразивных материалов и т.п.) методом электрофлокирования, а также при решении вопросов повышения качества такого покрытия (повышения поверхностной плоскости покрытия) или повышения производительности технологического оборудования, применяемого при электрофлокировании плоских рулонных материалов.

Существует устройство для электрофлокирования по способу сверху-вниз, описанное в [1] включающее нижний электрод (плоский, горизонтальный), по верхней поверхности которого движется клеевая основа, верхний плоский горизонтальный электрод, в роли которого выступает сетчатое дно бункера, в котором находится наносимый ворс, высоковольтный выпрямитель, напряжение с которого подается на бункер с ворсом (нижний электрод заземлен). Просыпающийся ворс заряжается при касании сетки, ориентируется в однородном электрическом поле, создаваемом электродами, и внедряется в ориентированном положении в клеевую основу, после чего полученное ворсовое покрытие высушивается в сушильной камере и наматывается на рулон.

Хотя такая схема электрофлокирования широко используется в производстве, такое устройство обладает существенными недостатками:
невозможность получения на таких устройствах качественных покрытий, отличающихся высокой плотностью и прочностью связи ворса с клеевой подложкой, что обусловлено неоднородностью зарядки волокон, малой величиной среднего заряда каждого волокна, что вызвано малым временем контакта волокон с сеткой и различными условиями зарядки различных волокон. Действие сил отталкивания между заряженными волокнами приводит к тому, что при нанесении ворса в однородном поле невозможно создать высокую плотность заряженного ворса вблизи клеевой основы, что необходимо для получения высокой плотности ворсового покрытия, как показано в [2] что обусловлено действием эффекта полегания заряженного ворса в клеевую основу при внедрении, обнаруженного автором в [3]
трудности, возникающие при эксплуатации устройства, в котором массивный бункер находится под высоким напряжением 40-100 кВ, в частности с техникой безопасности.

Описано устройство [4] по способу нанесения ворса сверху вниз, включающее заземленный бункер с ворсом, заземленный нижний электрод, вдоль которого сверху движется в горизонтальном направлении клеевая основа, высоковольтный выпрямитель, напряжение с которого подается на горизонтальный сетчатый электрод, находящийся между сетчатым дном бункера и нижний электрод, а также специальные била, трясущие клеевую основу для освобождения вакантных мест за счет стряхивания незакрепившихся в клее волокон. В устройстве предусмотрен также отсос незакрепившихся волокон перед поступлением ворсового материала в сушильную камеру.

В этом устройстве снята проблема, связанная с трудностями работы с бункером под высоким напряжением (бункер заземлен). Однако это сделано за счет меньшей плотности подаваемого в зону флокирования заряженного ворса, а главное меньшего среднего заряда на ворсинках, т.к. нижнего электрода достигают в первую очередь волокна, движущиеся в ориентированном положении от сетчатого дна бункера, имеющие малый заряд знака, противоположного знаку, подаваемому от выпрямителя на промежуточную сетку. Эти волокна движутся после прохождения сетки в тормозящем электрическом поле и могут достичь основы только в том случае, если полученная при движении между дном бункера и промежуточной сеткой кинетическая энергия больше, чем работа электрических бил по торможению этих частиц в промежутке промежуточный электрод основа. Очевидно, что при любом знаке заряда на волокне работа электрических сил по разгону волокна в сужаемом устройстве в точности равна тормозящей работе этих же сил, т. е. разница обусловлена только работой сил гравитационного поля. Эта работа мала, но только она и обуславливает глубину внедрения этих волокон в клей, а следовательно, и определяют прочность связи этих волокон клеем. Кроме этих волокон, работают также волокна, перезарядившиеся на промежуточной сетке и просеянные этой сеткой к основе. Эти волокна внедряются в клей также, как и в устройстве, описанном выше [1] Волокна движущиеся от бункера сквозь промежуточную сетку и потерявшие часть заряда на этой сетке, внедряются в клей с несколько большими скоростями, чем первые. Таким образом, очевидно, что разброс заряда на волокнах в устройстве по способу [4] значительно больше, чем по способу [1] что приводит к выводу о том, что прочность связи ворса с основой у устройства [4] уже, чем у устройства [1] Все остальные недостатки, перечисленные выше для устройства [1] характерны и для устройства [4]
Описано устройство по способу [5] включающее сферический горизонтальный электрод и плоский горизонтальный электрод, высоковольтный выпрямитель, которое в лабораторных условиях позволяло получать ворсовые покрытия рекордной плотности в зависимости от геометрии использованного ворса, в несколько раз (в 2-10) превышающей максимальные значения поверхностной плотности, получаемые как у нас, так и за рубежом на стандартном оборудовании. Суть эффекта, обнаруженного и использованного в [5] автором настоящего изобретения, состоит в том, что волокна, заряженные контактно на электроде (криволинейном), движутся в неоднородном осесимметричном электрическом поле, отклоняясь в сторону более слабого электрического поля, т.е. к оси симметрии (вертикальной) устройства. Если на противоположный электрод поместить клеевую основу, то из-за имеющегося эффекта фокусировки волокон вблизи центра этого электрода их концентрация вблизи клеевой основы в несколько раз возрастает (резко увеличивается) плотность обстрела клеевой поверхности ворсом, в результате чего получаются покрытия, плотность (поверхностная) которых приближается к предельной.

К недостаткам описанного в [5] устройства можно отнести:
Невозможность его использования для флокирования рулонных материалов.

Примененный в [5] способ нанесения с помощью вогнутых электродов, симметричных относительно вертикальной оси (сферических), в принципе может быть использован для нанесения рулонных узких лент, и так как для его использования по приведенному способу требуется большая ширина полосы ворса, заполняющая поверхность вогнутого (сферического) электрода, значительно большая по размерам, чем размеры наносимого покрытия, возникают трудности конструирования соответствующего оборудования, позволяющего производить этот процесс в непрерывном режиме нанесения, связанные в основном с необходимостью равномерного заполнения ворсом в этом режиме поверхности сферического элемента, до настоящего времени, насколько нам известно, не преодолены.

В [6] описано устройство для электрофлокирования рулонных материалов по способу снизу вверх, наиболее близкое к предлагаемому решению. Устройство включает заземленный бункер с ворсом, просеивающий его сквозь сетчатое дно на движущуюся проводящую ленту транспортера, являющуюся нижним электродом, верхнего плоского горизонтального заземленного электрода, вдоль которого движется основа с покрытой клеем поверхностью, ящик для сбора неприклеившихся ворсинок, высоковольтный выпрямитель и промежуточный сетчатый электрод, расположенный горизонтально, между горизонтально расположенными верхним и нижними электродами, на которые подается высокое напряжение от выпрямителя. Движение рабочей части ленты транспортера происходит в направлении, противоположном движению клеевой основы в зоне флокирования.

К недостаткам этого устройства относятся все недостатки, характерные для систем с промежуточным электродом, описанные выше а именно, большой разброс в величинах зарядов на отдельных ворсинках, приводящий к ухудшению связи их с клеем, невозможность реализации в устройстве большой плотности заряженного ворса в зоне флокирования, приводящая к невозможности получения покрытий высокой поверхностной плотности, т.е. качественных покрытий.

К достоинству устройства [6] характерному для всех устройств, работающих по способу снизу вверх можно отнести то, что излишек ворса, который попадает на ткань (основу) и не закрепляется в ней (застревает между закрепившимися волокнами, не достигая клея), легко отделяется и падает вниз, особенно, если снова слегка вибрирует.

Целью настоящего изобретения является увеличение качества ворсового покрытия.

Поставленная цель достигается тем, что проводящая лента транспортера имеет на рабочей поверхности три последовательных геометрически сопряженных участка: первый плоский, развернутый относительно плоскости сетчатого дна бункера на угол α, второй вогнутый цилиндрический радиуса R, третий плоский горизонтальный, причем проводящая лента транспортера соединена с незаземленным полюсом высоковольтного выпрямителя и в устройство введена проводящая заземленная диафрагма, плоскость которой совпадает с плоскостью сетчатого дна бункера, закрывающая клеевую поверхность основы от проникновения в нее волокон на участке от бункера до места внедрения в клеевую основу ворса, движущегося к ней от вогнутой части транспортера. Дно бункера, диафрагма и верхний горизонтальный электрод имеет вогнутые по направлению к ленте транспортера проводящие заземленные закраины радиуса R_к, сопряженные с соответствующими рабочими плоскостями этих частей устройства на границах, определяемых шириной клеевой поверхности основы, причем значение R_к в каждом поперечном сечении совпадает с расстоянием от соответствующей рабочей поверхности до ленты транспортера.

Существенными отличиями заявляемого решения являются:
Проводящая лента транспортера имеет на рабочей поверхности три последовательных геометрически сопряженных участка: первый плоский, развернутый относительно плоскости сетчатого дна бункера на угол α, второй вогнутый цилиндрический радиуса R, третий плоский горизонтальный, причем проводящая лента транспортера соединена с незаземленным полюсом высоковольтного выпрямителя и в устройство введена проводящая заземленная диафрагма, плоскость которой совпадает с плоскостью сетчатого дна бункера, закрывающая клеевую поверхность основы от проникновения в нее волокон на участке от бункера до места внедрения в клеевую основу ворса, движущегося к ней от вогнутой части транспортера.

В [7] автором настоящего изобретения экспериментально было показано, что величина заряда, получаемого при контактной зарядке короткого ворса на проводящем электроде значительно (более, чем на порядок) превосходит средний заряд ворса (волокон), получаемый ими при зарядке в поле коронного разряда на сетке. Поэтому представлялось естественным использовать такой вид зарядки для сообщения заряда волокнам при создании электрофлокатора. При зарядке волокон на нижнем электроде время зарядки волокон определяется геометрией волокон, их массой и величиной напряженности электрического поля в месте зарядки [7] Время зарядки этих же волокон на верхнем электроде и заряд, приобретаемый ими, значительно меньше [7] поэтому представлялось естественным выбрать способ нанесения снизу вверх. Анализ многочисленных аналогов устройства по способу снизу вверх, приведенных в обзорах [1, 4, 6] показал, что основной причиной того, что при нанесении покрытий этим способом выбирается схема с промежуточным электродом, ликвидирующим основное преимущество контактной зарядки ворса на нижнем электроде (большая величина заряда и малый разброс зарядов на различных волокнах одной геометрии), является то обстоятельство, что ворс на пути своего движения по ленте транспортера от бункера до зоны флокирования часто комкуется и в отсутствие промежуточной сетки (см. прототип) эти комки, зарядившись, на ленте, в виде комка закреплялись бы в клеевой основе, что приводило бы к резкому снижению качества покрытий (браку). Поэтому в прототипе (хотя это и не единственная причина) и введена промежуточная сетка, которая не пропускает комки. Работа с минифлокатором, моделирующим основные процессы на лаб. столе, показала, что эти комки легко рассасываются, если дать возможность ворсу до внедрения в клеевую основу подвигаться между проводящими горизонтальными электродами, на которые подана разность потенциалов от высоковольтного источника. С другой стороны, в [8] при экспериментальном и теоретическом исследовании движения коротких волокон в неоднородном электрическом поле, образованном двумя металлическими развернутыми относительно друг друга на угол α электродами, на которые подано высокое напряжение от выпрямителя, было установлено, что в этом случае волокна, перезаряжаясь на электродах, движутся по направлению от оси пересечения этих электродов. Поэтому в настоящее устройство введена диафрагма, развернутая относительно первого плоского геометрического участка ленты транспортера на угол α, что решает две задачи: разбиваются комки ворса и ворс в виде одиночных волокон движется по направлению к зоне флокирования независимо от движения ленты транспортера, направленного в ту же сторону. Второй участок лента транспортера проходит по криволинейному пути. На этом участке она представляет собой циклическую поверхность (участок этой поверхности) радиусом R, причем ось симметрии этой поверхности проходит вблизи клеевой поверхности основы, движущейся в ту же сторону, что и лента транспортера, открытой диафрагмой для проникновения ворса, движущегося от этого криволинейного участка ленты транспортера, в клеевую основу. В [5] автором было показано, а в [8] обосновано теоретически, что заряженный при контакте с проводящей поверхностью короткий ворс движется практически по касательной к направлению вектора начальной скорости при отрыве от этой поверхности, практически совпадающей с направлением силовых линий вектора напряженности электрического поля в месте старта волокон, т.е. приблизительно перпендикулярно поверхности электрода в месте старта. Далее направление траектории меняется мало, что обусловлено большой величиной (по сравнению с весом волокна) сил зеркального отображения [9] Таким образом, волокна, движущиеся от криволинейной части транспортера, концентрируются вблизи клеевого слоя, создавая концентрацию ворса в этой зоне, значительно превышающую значения, достижимые на любом другом устройстве для электрофлокирования рулонных материалов, причем в предлагаемой конструкции это происходит в узкой полосе вдоль всей ширины флокируемого материала. В [2] автором было показано, что покрытия максимальной поверхностной плотности вследствии действия эффекта полегания заряженных волокон на клеевую основу при их внедрении в клей [3] можно получить только, если концентрация в первые моменты образования покрытия максимальная. Если она мала в первые моменты, что как долго ни наносить ворс в дальнейшие моменты времени, плотного покрытия уже не получить. Другими словами при концентрированном нанесении ворса на клей в первые моменты времени сразу образуется достаточно плотная ворсовая структура и необратимого полегания ворса в клей не происходит (время полегания порядка секунд), т.к. волокна натыкаются на одноименно заряженные соседние волокна, отклоняясь от осевого направления на малые углы. После перезарядки они снова отталкиваются от соседей и выпрямляются. После чего можно уже, неторопясь, доводить покрытие до максимальных плотностей, что и делается на третьем горизонтальном участке, образованном соответствующим участком ленты транспортера и клеевой основой с нанесенным ранее ворсовым покрытием (начальным) во второй зоне. Естественно, что для выполнения желаемого алгоритма последовательности нанесения ворса движения клеевой основы должно происходить в том же направлении, что и движение ленты транспортера. Последнее не внесено в формулу изобретения, так как относится к способу, но представляет ноу-хау.

Дно бункера, диафрагма и верхний горизонтальный электрод имеют вогнутые по направлению к ленте транспортера проводящие заземленные закраины радиуса R_к, сопряженные с соответствующими рабочими плоскостями этих частей устройства на границах, определяемых шириной клеевой поверхности основы, причем значение R_к в каждом поперечном сечении совпадает с расстоянием от соответствующей рабочей поверхности до ленты транспортера.

Во всех конструкциях электрофлокаторов имеет место поперечное рассеивание ворса, связанное с электростатическим отталкиванием одноименно заряженных частиц. Если в устройствах по способу сверх вниз в роли таких волокон выступают незакрепившиеся волокна, движущиеся между сетчатым дном бункера и основой, то в предлагаемом устройстве это в основном волокна, движущиеся между диафрагмой и лентой транспортера, так как их значительно больше. Эти волокна оседают на изоляторах и засоряют окружающее флокатор пространство. В существующих конструкциях электрофлокаторов эти выбывшие из игры волокна не возвращаются в технологический процесс и составляют запланированные потери. Предлагаемое техническое решение позволяет практически всем волокнам вернуться в рабочую зону, после чего они либо внедряются в клей, либо собираются в ящике на выходе транспортера. Указанные в формуле значения радиусов кривизны закраин и их сопряжение дают возможность вернуть эти волокна на края ленты транспортера, не меняя существенно распределение концентрации ворса вдоль ширины зоны флокирования, определяемой шириной клеевой основы.

На фиг. 1 приведена одна из возможных схем устройства.

Ворс 1 из бункера 2 сквозь сетчатое дно просыпается на движущуюся ленту транспортера 3, на которую подается напряжение от высоковольтного выпрямителя 4. Диафрагма 5 закрывает пространство от бункера до места проникновения волокон, зарядившихся на криволинейном участке транспортера 3. Плоский участок транспортера (первый) развернут относительно дна бункера и заземленной диафрагмы 5 на угол α. Волокна, перезаряжаясь на первом участке ленты транспортера и диафрагме 5, движутся по направлению ко второму участку ленты, согнутой в виде участка цилиндрической поверхности радиусом R. Зарядившись на этом участке, они летят по направлению к клеевой основе 6, формируемой раклей 7, которая заземлена, где создается повышенная концентрация волокон, которые образуют на клеевой основе начальный слой повышенной по сравнению с прототипом концентрации. Комки ворса на транспортере отсутствуют, так как они рассосались при движении между лентой транспортера на первом участке и диафрагмой 5. Основа движется направо. Поэтому непрерывно образуется начальный слой повышенной концентрации, который потом на третьем горизонтальном участке рабочей поверхности ленты растет за счет волокон, зарядившихся на этом участке ленты, движущихся нормально к основе, заполняя вакантные места. Излишек волокон собирается в ящике 9. Основа 6 движется вдоль верхнего электрода 8 (горизонтального, заземленного, снимающего заряд с основы. Сечение AA, BB, CC показывают форму закраин соответственно на диафрагме, третьем участке ленты (верхнем электроде и дне бункера, которые препятствуют рассеиванию волокон в поперечном направлении, возвращая отклонившиеся и вышедшие на закраины волокна на края ленты транспортера.

На фиг. 2 показана схема электрофлокатора включающая технические решения, известные до настоящего изобретения, которые полезно включить в рабочую схему устройства. Ворс 1 с помощью вращающихся шнеков протирается сквозь сетчатое дно бункера 2 и попадает на первый участок ленты транспортера 4, составляющей с диафрагмой 8 угол α, 5 второй участок ленты, 6 третий. На транспортер подается напряжение от высоковольтного выпрямителя 7 с помощью вращающегося проводящего ролика. Основа с рулона 9 проходит через раклю 10, наносящую на нее равномерный слой клея, и движется вдоль верхнего электрода с вмонтированными в него билами 11, удаляющими с покрытия незакрепившиеся излишки ворса, падающие на участок ленты транспортера 6. В конце зоны флокирования установлено поперек покрытия отсасывающее сопло 12, которое через шланг 13 переносит излишки ворса с помощью вентиляторного насоса 14 в бункер 2. На фиг. 2 показано одно из возможных технических решений реализации движения ленты транспортера на втором участке. В заземленном гладком цилиндрическом электроде 5, вдоль которого скользит лента, на этом участке создано пониженное давление с помощью воздухопровода, соединенного шлангом с системой пониженного давления на входе насоса 14, 15 проводящая насадка (заземлена), снимающая трибозаряды с отсасыванием ворса, 16 сушильная камера, 17 рулон с готовым материалом, 18 ящик с остаточным ворсом, который отсасывается тем же насосом и возвращается в бункер 2. Электроды 4-6, вдоль которых скользит лента транспортера, соединены с высоковольтным полюсом выпрямителя.

На фиг. 3 показана схема устройства по заявляемому решению, в которой диафрагма 5 и первый участок ленты транспортера развернуты на углы β и γ соответственно ( β + γ α ). В остальном конструкция аналогична изображенной на фиг. 4. В случае, когда угол β ≠0, как изображено на фиг. 3, как показано экспериментами и расчетом, приведенными в [8, 9] величина смещения ворса в направлении движения ленты транспортера после каждой перезарядки волокон на ленте и диафрагме 5 больше чем в случае, когда β=0 (фиг. 1). Это приводит к тому, что движение ворса в указанном направлении происходит быстрее, что увеличивает скорость поступления ворса от бункера. Это приводит к снижению скорости движения ленты (уменьшению мощности двигателя, приводящего в движение ленту транспортера) и может сказаться полезным фактором, увеличивающим производительность устройства. Как показали наши эксперименты со сферической системой электродов [2, 5] время образования качественного покрытия той же плотности, что и в существующих электрофлокаторах, производящих нанесение ворса в однородном электрическом поле, образованном горизонтальной системой плоских электродов, значительно меньше, чем в этих системах, что обещает значительное увеличение производительности устройства по рассматриваемому техническому решению (фиг. 1-3) при производстве покрытий той же плотности.

Все идеи, заложенные в предлагаемом устройстве экспериментально проверены на лабораторных макетах. Результаты этих экспериментов изложены в работах [2, 3, 5, 7, 8, 9] как указано выше. Эти эксперименты указывают на правильность идей, заложенных в заявляемое решение.

Таким образом, в сравнении с прототипом, заявляемое устройство дает возможность получать качественно ворсовое покрытие с поверхностной плотностью, значительно превышающий предельные значения, которые можно достигнуть на существующих электрофлокаторах, или увеличить производительность за счет уменьшения времени нанесения покрытия той же плотности.

Использование: изобретение относится к технике нанесения покрытий в электрическом поле и может быть использовано при нанесении рулонных покрытий, например ворсовых, методом электрофлокирования. Сущность изобретения: проводящая лента транспортера, на которую подается напряжение от высоковольтного выпрямителя, имеет на рабочей поверхности три последовательных геометрически сопряженных участка: первый - плоский, развернутый относительно дна бункера с наносимыми частицами на угол α, второй - вогнутый цилиндрический радиуса R, третий - плоский горизонтальный, в устройство введена проводящая диафрагма, закрывающая клеевую поверхность основы от проникновения в нее волокон на участке от бункера до места внедрения в клеевую основу частиц (волокон), движущихся к ней от вогнутой части транспортера, причем диафрагма заземлена. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО НАНЕСЕНИЯ ВОРСОВЫХ ПОКРЫТИЙ, содержащее заземленный бункер с сетчатым дном для просеивания ворса на ленту транспортера, являющегося нижним электродом, горизонтально размещенный над транспортером верхний плоский заземленный электрод, расположенные между электродами направляющие для перемещения основы с покрытой клеем поверхностью, ящик для сбора неприклеившихся ворсинок и высоковольтный выпрямитель, отличающееся тем, что, с целью повышения качества нанесения ворса, оно снабжено плоской проводящей заземленной диафрагмой, а лента транспортера имеет на рабочей поверхности три последовательных геометрически сопряженных участка: расположенный под углом к плоскости дна бункера плоский участок, вогнутый участок и плоский горизонтальный участок, при этом лента транспортера подсоединена к высоковольтному выпрямителю, а диафрагма расположена на уровне плоскости дна бункера, причем бункер и диафрагма размещены последовательно над участком транспортера, расположенным под углом к плоскости дна бункера. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения поперечного рассеивания заряженного ворса, дно бункера, диафрагма и верхний электрод имеют вогнутые по направлению к ленте транспортера проводящие заземленные закраины радиуса R_к, сопряженные с соответствующими рабочими плоскостями этих частей устройства на границах, определяемых шириной клеевой поверхности основы, причем значение R_к в каждом поперечном сечении совпадает с расстоянием от соответствующей рабочей поверхности до ленты транспортера.