Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Химия arrow Технология полуфабрикатов полимерных материалов

Заряжение в поле униполярного коронного разряда

Этот метод заряжения во внешнем электрическом ноле является наиболее распространенным в технологии препрегов. Его сущность состоит в том, что под влиянием неоднородного электрического поля, возникающего в межэлектродном пространстве, происходит ионизация воздуха и адсорбция понов на частицах полимера [9]. Типичная вольт-амперная характеристика газового разряда в воздухе представлена на рис. 9.5. Зона I является областью протекания несамостоятельного разряда, ток которого возникает благодаря действию посторонних ионизирующих агентов (в частности, в псевдоожиженном слое таким агентом может явиться статическая электризация). При увеличении потенциала происходит увеличение тока разряда, который не зависит от других источников ионов и протекает самостоятельно (зона II — зона коронного разряда). Момент возникновения короны зависит от многих факторов: характеристик межэлектродного пространства, формы электродов, величины потенциала, а также концентрации частиц полимера в межэлектродном промежутке.

В наиболее простом случае, нередко встречающемся на практике, когда электродная система состоит из проволоки и параллельной ей плоскости (проволока — коронирующий электрод, плоскость — заземленный осадительный электрод, он же подложка), начальную напряженность ноля Е0 < у, кВ/м, в момент возникновения короны можно найти с помощью формулы Пика [11:

где для положительной короны а = 3370, Ь = 0,242; для отрицательной короны а = 3102, Ь = 0,308; г — радиус коронирующего электрода, мм.

Вольт-амперная характеристика газового разряда в воздухе [9]

Рис. 9.5. Вольт-амперная характеристика газового разряда в воздухе [9]

Выражением (9.3) можно воспользоваться для ориентировочного выбора основных параметров электродной системы (при атмосферном давлении и температуре 300 К), поскольку оно дает величину напряженности поля короны в отсутствие частиц полимера в межэлектродном пространстве. С вводом в него частиц и увеличением их концентрации начальное напряжение коронного разряда (КР) будет сдвигаться в область более высоких значений [1].

Заряжение частиц диэлектрика в поле КР осуществляется в основном посредством переноса ионов на поверхность частицы во внешнем электрическом поле. При этом поверхностная плотность заряда характеризуется значениями локальной плотности, которая определяется количеством ионов, осажденных в той или иной точке поверхности. Величина заряда зависит от геометрических характеристик частиц п в первую очередь от их формы и дисперсности. Значительное влияние оказывает концентрация частиц в поле коронного разряда [1].

Для изолированной сферической частицы диэлектрика величину заряда можно найти по известной формуле Потенье [1]:

где ? — относительная диэлектрическая проницаемость полимера; п — концентрация ионов на поверхности частицы; к — подвижность ионов; е() — абсолютная диэлектрическая проницаемость; Е — напряженность поля коронного разряда; а — радиус частицы; т — время захвата ионов.

Процессы заряжения в зоне КР протекают очень интенсивно. Максимальную величину заряда можно оценить по формуле [1]

Анализируя выражение (8.5), нетрудно заметить, что электрофизические характеристики полимера оказывают незначительное влияние на величину заряда. В частности, изменение е в пределах 2-12 (в этом диапазоне располагается е почти всех дисперсных полимеров) сопровождается увеличением <у менее чем в 2 раза. Изменение же размера частиц на ту же величину ведет к увеличению <7тах на два порядка [1].

Выражения (9.4) и (9.5) могут быть использованы для оценки величины заряда в условиях незначительной концентрации частиц в поле КР. Однако в реальных процессах имеет место коллективное движение частиц и учет влияния их концентрации необходим, поскольку могут меняться как условия заряжения за счет перераспределения объемного заряда ионов, так и условия перемещения частиц в результате их взаимодействия (электрического и гидродинамического) [1]. Эти эффекты приняты во внимание для случаев, когда концентрация частиц в межэлектродном пространстве не превышает 200 г/м3 (такие концентрации имеют место в процессах газоочистки в электрофильтрах). Уже при таких концентрациях происходит перераспределение поля, напряженность которого возрастает у осадительного и уменьшается у коронирующего электродов. Помимо этого, может произойти значительное уменьшение тока КР вплоть до его частичного или полного запирания [1].

В работе [9] изучали эффективность КР по его вольт-амперной характеристике (ВАХ) в псевдоожиженном слое дисперсного полимера. Исследования проводили следующим образом. В камере вибровихревого устройства с псевдоожиженным слоем дисперсного полимера создавали электрическое ноле между нижним электродом (в виде иглы), установленным на пористую перегородку, п верхним (осадительным) электродом, который одновременно являлся коллектором заряда. Для выделения ионного тока т коллектор закрывали металлической сеткой, непрозрачной для порошка и достаточно прозрачной для ионного тока. Во всех режимах ток на коллекторе, закрытом сеткой, составлял 20-40% тока г, регистрируемого коллектором без сетки.

На рис. 9.6 представлены типичные ВАХ газового разряда в псевдоожиженном слое дисперсного полимера. В зависимости от высоты слоя с/ над электродом ВАХ имеет две разновидности. У одной из них (а) наблюдается излом (в логарифмических координатах), который характеризует переход от несамостоятельного газового разряда к самостоятельному (КР) при увеличении потенциала на электроде. Другая разновидность (в) имеет экстремальную зависимость, что может свидетельствовать об отсутствии КР. В этом случае увеличение высоты псевдоожиженного слоя сопровождается уменьшением как полного тока газового разряда, так п его ионной составляющей. Таким образом, высота псевдоожиженного слоя (т. е. в общем случае распределение частиц в межэлектродном пространстве) определяет возможность возникновения КР в псевдоожиженном слое [9].

ВАХ псевдоожиженных слоев [9]

Рис. 9.6. ВАХ псевдоожиженных слоев [9]: а — ПСФ, с1 = 25 мм, / = 60 мм; б — ПСФ, б = 25 мм, /= 110мм; в — ПВБ, 6 = 35 мм,/= 60 мм; г— ПТП, 6 = 35 мм, /= 110 мм; 1 — ионный ток; 2 — полный ток (6 — высота псевдоожиженного слоя; / — межэлектродное расстояние)

Межэлектродное расстояние не меняет вида ВАХ, но оказывает значительное влияние на напряжение возникновения КР: с его увеличением пробойное напряжение смещается в область более высоких значений. Знак КР практически не влияет ни на ВАХ, ни на пробойное напряжение. На рис. 9.7 приведены для сравнения ВАХ псевдоожиженного слоя полимера положительного и отрицательного КР при прочих равных параметрах. Видно, что ток положительного КР на 10-30% ниже, что можно связать с меньшей подвижностью положительных ионов по сравнению с отрицательными.

Выяснение роли природы исследуемых полимеров в процессах протекания газового разряда и их псевдоожиженных слоях показало, что изменение их электрофизических свойств (е в диапазоне 2,1-3,4 и р в диапазоне 1012-10и Ом м) не оказывает существенного влияния на анализируемые процессы.

ВАХ псевдоожиженного слоя ПВБ [9]

Рис. 9.7. ВАХ псевдоожиженного слоя ПВБ [9]: 1,3— в отрицательном КР; 2,4 — в положительном; 1, 2 — / = 60 мм; 3, 4 — 160 мм

Экспериментами установлено [9], что на ВАХ разряда в псевдоожиженном слое сильно влияет дисперсность материала. Изменение диаметра частиц от 60 до 315 мкм (т. с. в 5-6 раз) приводит к падению тока КР примерно на три порядка (табл. 9.1), причем пробойное напряжение меняется незначительно.

Кинетические зависимости тока КР в псевдоожиженном слое имеют следующий вид: после подачи потенциала ток достигает своего максимального значения, а затем уменьшается до некоторой постоянной величины, которая иа один-два порядка меньше максимума. Величина максимума снижается с увеличением размера частиц и уменьшением напряженности поля в межэлектродном пространстве.

Таблица 9.1. Некоторые характеристики ВАХ в псевдоожиженном слое ПСФ [9]

Размер частиц, мкм

Пробойное напряжение, кВ

Ток КР, А

63-100

29

4,0-10 9

315-400

31

2,7-10 12

Установленный видВАХ КР, а также величина тока разряда при наличии псевдоожиженного слоя в межэлектродном пространстве свидетельствуют о возможности использования и несамостоятельного разового разряда, при этом униполярное заряжение частиц в этой области обусловлено существованием следующих ионизационных эффектов: а) разрядных процессов (микроразрядов) между заряженными частицами и ограничивающими их поверхностями при контактном взаимодействии; 6) разрядных процессов между частицами и высоковольтными электродами, обусловленных неоднородностью электрического ноля и приграничных зонах; в) обратного коронного разряда в слое заряженных частиц, элек- троосажденных на поверхности высоковольтных электродов [9].

Заряжение частиц в псевдоожиженном слое носит сложный характер, включает взаимовлияние различных механизмов заряжения и взаимосвязано с последующими стадиями процесса электромассонереноса.

Схематично процесс униполярного заряжения частиц н псевдоожиженном слое можно представить следующим образом [9]. Наложение внешнего электрического ноля на псевдоожиженный слой сопровождается разделением частиц по знаку заряда, который они приобрели в результате статической электризации: отрицательно заряженные переносятся на осадительный электрод, положительно заряженные — на высоковольтный, который находится в слое частиц. И на верхнем, и на нижнем электродах происходит осаждение частиц н накопление заряда, причем на высоковольтном электроде этот процесс протекает достаточно быстро вследствие большой концентрации частиц в псевдоожиженном слое. При достижении в электроосажденном слое на высоковольтном электроде напряженности ноля, превышающей пробойную прочность воздуха, в нем начинается «обратная корона». В результате образуются ионы обоих знаков, из которых положительные движутся под действием поля к высоковольтному электроду, подзаряжая по ходу движения частицы, находящиеся на нем, а отрицательные — к осадительному, проходя через псевдоожиженный слой и осаждаясь на частицах полимера, т. е. подзаряжают частицы зарядами отрицательного знака. 11енрерывность процесса обратного корон ирования поддерживается за счет постоянного электроосаждения на осадительный электрод частиц, имеющих избыточный отрицательный заряд.

Эффективность описанного механизма униполярного заряжения в псевдоожиженном слое, а также время до возникновения обратной короны на электроде зависят как от характеристик частиц, так и от параметров процесса электромассонереноса (напряженности поля и потенциала на электроде) [9].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы