Файл: Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент.pdf

8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ЛЕНТ

Физико-механические свойства магнитных лент, так же как их магнитные свойства и рабочие характеристики, непрерывно со­ вершенствуются, что заставляет довольно часто повышать предъ­ являемые к ним технические требования. В настоящее время эти требования регламентируются Государственны!! стандартом

17204-71.

Здесь мы кратко рассмотрим принципы, на которых основы­ ваются способы оценки некоторых физико-механических свойств магнитных лент.

Оценивая физико-механические свойства магнитной ленты, последнюю следует рассматривать как систему, состоящую из двух полимерных пленок, связанных между собой собственными силами адгезии или адгезионными силами, вызванными специальной поверх­ ностной обработкой основы.

Независимо от характера основы обычно толщина магнитных лент равна — 12—60 мкм, толщина рабочего слоя 6—20 мкм. Для перфорированной магнитной ленты, применяющейся в кинематогра­ фии, толщина основы значительно больше и достигает 120—130 мкм.

Таким образом, физико-механические свойства магнитной ленты ■определяются главным образом свойствами основы, однако всегда следует учитывать тенденцию напряженных макромолекул связу­ ющего полимера рабочего слоя ленты к осуществлению релакса­ ционных процессов и возникающее вследствие этого напряжение всей системы в целом.

Применение магнитных лент для той или иной цели в значитель­ ной степени обусловлено тесной взаимосвязью между их физико­ механическими свойствами и рабочими характеристиками. Такие свойства ленты, как кривизна полосы (сабельность), способность к удлинению при растяжении, шероховатость поверхности, недоста­ точная пластичность, могут явиться причиной помех, вызываемых нарушением контакта между лентой и головкой записи или вос­ произведения.

При перемещении ленты по лентопротяжным трактам записыва­ ющих и воспроизводящих сигналы аппаратов она подвергается воздействию значительных растягивающих усилий. Эти усилия приобретают большие величины при запуске и остановке перематы­ вающего механизма в особенности при высоких скоростях движения ленты. Если речь идет о перфорированной магнитной ленте, то к ука­ занным усилиям прибавляются напряжения, возникающие на меж­

314

перфорационных перемычках и приводящие к их деформации. Вслед­ ствие большей жесткости таких лент, обусловленной их большей толщиной, затрудняется создание надежного контакта между рабо­ чим слоем ленты и магнитной головкой. Кроме того, из-за трения рабочего слоя ленты о магнитные головки происходит их взаимный износ, вызываемый абразивными свойствами магнитного порошка и способностью его частиц отделяться от поверхности слоя.

Для правильной эксплуатации магнитных лент большое значение имеет точное соответствие их геометрических характеристик требо­ ваниям Государственных стандартов. К таким характеристикам относятся толщина и ширина ленты, равномерность толщины, а также

разрушающее напряжение при растяжении (статическое нагру­ жение); статическая нагрузка, соответствующая пределу текучести; деформируемость при растяжении, характеризующая изменение длины ленты при заданной статической нагрузке; остаточная де­ формация, характеризующая необратимые изменения длины ленты при заданной статической нагрузке;

работа ударного разрушения, характеризующая прочность ленты при динамическом нагружении; остаточная деформация после удар­ ного разрушения, характеризующая необратимые изменения ленты после динамического нагружения;

адгезионная прочность, характеризующая прочность сцепления рабочего слоя ленты с основой;

абразивность, характеризующая износ магнитных головок и дру­ гих деталей лентопротяжного механизма, с которыми лента сопри­ касается при движении;

гладкость поверхности ленты; теплостойкость и влагостойкость, характеризующие изменение

длины ленты при изменении температуры и влажности окружающего воздуха в заданных пределах.

Кривизна края ленты (сабелыюсть). Причиной возникновения кривизны края ленты могут явиться отклонения в режиме технологи­ ческого процесса ее изготовления, разнотолщинность основы и не­ равномерность распределения надмолекулярных образований, воз­ никающая при двухосной ориентации широкого полотна полиэтилентелефталатной пленки.

Величину сабельности определяют на образце магнитной ленты длиной 1,5 м, свободно уложенном на плоскую полированную поверх­ ность или между двумя зеркальными стеклами, зазор между кото­ рыми в несколько раз превышает толщину ленты. К вогнутому краю ленты на длине 1 м подводят линейку из прозрачного материала со шкалой и измеряют величину стрелы отклонения. За величину сабельности принимают наибольшее расстояние между краем ленты и линейкой, выраженное в миллиметрах на 1 м длины ленты. Отсчет производят с точностью до 0,5 мм при помощи второй линейки или измерительного микроскопа.

315

Прочность и деформируемость магнитных лент при растяжении.

Прочность является одним из важнейших физико-механических свойств, она определяет возможность использования магнитных лент.

Под прочностью магнитной ленты понимают ее способность про­ тивостоять разрушению под воздействием растягивающей силы. Количественной характеристикой прочности служит значение на­ пряжения, при котором в данных условиях происходит разрыв ленты. Эту величину называют разрушающим напряжением при растяжении или пределом прочности.

В отличие от таких свойств материалов, как плотность, тепло­ емкость, модуль эластичности и другие, прочность представляет собой так называемое структурно-чувствительное свойство. Это значит, что на прочность влияют даже весьма малые изменения структуры материала, например поверхностные дефекты в виде

основе, а также в рабочем слое ленты приводит к уменьшению проч­ ности при растяжении всей системы. Такой же эффект вызывается омылением эфира целлюлозы, в результате которого нарушается регулярность строения его макромолекул. На прочность рабочего слоя влияет также количество магнитного порошка, содержащегося в нем. Известно, что при переработке наполненных полимеров воз­ никают трудности, заставляющие иногда отказываться от повышения степени наполнения [327].

На величину прочности при статическом нагружении влияют химические характеристики исходного полимера основы и связу­ ющего полимера рабочего слоя, например степень полимеризации, степень разветвленности макромолекул и химическая природа эле­ ментарных атомных групп. Разрушающее напряжение в значитель­ ной степени зависит от температуры окружающей среды и времени действия нагрузки. Поэтому об изменениях, возникающих в маг­ нитных лентах, можно объективно судить только при испытании их в условиях близких к условиям эксплуатации. Так, при эксплу­ атации перфорированных магнитных лент основную нагрузку испы­ тывают межперфорационные перемычки, воспринимающие периоди­ ческую сложную нагрузку от деталей лентопротяжных устройств. Эта нагрузка вызывает сложное напряженное состояние двухслойной системы, вследствие чего обычное определение разрушающего на­ пряжения с помощью статической нагрузки в этом случае оказы­ вается мало приемлемым. Поэтому целесообразно наряду с опре­ делением прочности иметь данные о поведении перфорированной магнитной ленты в аппаратах записи и воспроизведения сигналов.

Определение разрушающего напряжения и предела текучести магнитных лент при статическом нагружении проводят на разрывной машине при плавном повышении нагрузки с постоянной скоростью,

316

отношение усилия Р, действовавшего на образец в последний момент перед разрывом, к начальному сечению образца F 0:

а— Р_

*’о

Нагрузку, при которой проявляется текучесть, определяют по замедлению движения указателя машины или по кривой зависимости деформации от нагрузки. Относительное удлинение при разрыве е

На рис. 119 представлена кривая, характеризующая поведение магнитной ленты на эфироцеллюлозной, т. е. обладающей аморфной структурой, основе. При увеличении нагрузки, приложенной к образцу, он вначале деформируется мало, причем удлинение строго пропорционально приложенной нагрузке. При снятии нагрузки форма образца пленки возвращается к исходной, что указывает на обратимость деформации на этой стадии растяжения (участок /). При дальнейшем возрастании растягивающего усилия, когда меха­ нические силы становятся соизмеримыми с величиной межмолеку­ лярных сил, становится возможной сегментальная подвижность, обусловленная нагрузкой и приводящая к возникновению больших деформаций практически без дальнейшего увеличения внешней нагрузки (участок II). Эти деформации после снятия нагрузки не исчезают, т. е. являются остаточными. Однако они обратимы и воз­ вращение длины образца к первоначальной может произойти

317

в результате его нагревания. Этим высокоэластическая деформация полимерного материала принципиально отличается от пластической деформации металлов. Горизонтальный участок кривой а = / (е) отвечает условию do/сіг = 0, а его высота определяет то напряжение, ниже которого наблюдается гуковская упругость. Участок I I (см. рис. 119) характеризует вынужденно эластические деформации, реализующиеся в ленте до того, как макромолекулы полимера пол­ ностью ориентируются в направлении действия напряжения. При дальнейшем возрастании нагрузки наступает третья стадия растя­ жения (участок III), заканчивающаяся разрывом ленты. На этой стадии удлинения сравнительно невелики, пропорциональны вели­ чинам приложенных напряжений и полностью обратимы. Они яв­ ляются следствием искажения валентных углов и межатомных

т

их как мгновенноупругие.

Деформируемость ленты при растяжении в основном обусловлена сегментальной подвижностью макромолекул пленкообразующего ве­ щества основы, носит релаксационный характер и в сочетании с вели­ чиной прочности имеет большое значение для характеристики свойств ленты.

Кристаллизация полиэтилентерефталата в процессе изготовления основы существенно повышает прочность при растяжении и умень­ шает величину удлинения при разрыве (рис. 120). Для аморфизованных пленок полиэтилентерефталата могут быть получены харак­ теристики, изображенные на кривой 1 [73]. Если же такую аморфизованную пленку подвергнуть двухосной ориентации и прогреть выше температуры стеклования с тем, чтобы в ней прошли кристал­ лизационные процессы в пачках цепей, ее прочность повышается почти в шесть раз, удлинения сокращаются почти в девять раз (см. рис. 120, кривая 2).

На рис. 121 приведена наиболее характерная динамометрическая кривая для закристаллизованной полимерной пленки для обычных

318

температурных условий при воздействии однооснорастягивающего усилия [72].

На первой стадии растяжения (участок кривой 1) напряжение прямо пропорционально относительному удлинению. На этом участке закон Гука не выполняется, так как значение модуля упругости заметно зависит от скорости деформации, а не является константой вещества. Следовательно, эта область деформации не будет типичной гуковской упругостью, т. е. не связана с протеканием релаксацион­ ных процессов при деформировании пленки.

Наличие точки а характеризует неоднородность растягиваемой пленки: в одном или нескольких местах она резко сужается, образуя шейку, с появлением которой осуществляется вторая стадия вытяжки закристаллизованной пленки (участок кривой II). Природа шейки, возникающей как в аморфных, так и в кристаллических полимерах, связана с релаксационными процессами [329, 330]. При темпера­ турах, когда релаксационные процессы замедлены, растягивающее усилие может вызывать в отдельных участках пленки медленно релаксирующие перенапряжения. В этих местах начинается растя­ жение пленки, которое сопровождается скачкообразной ориентацией структурных элементов, участвующих в процессе деформации, и, сле­ довательно, возникает шейка.

Прочность пленки в месте образовавшейся шейки, определяемая степенью ориентации, достаточно высока уже в самом начале раз­ вития деформации, и в дальнейшем процесс деформации протекает за счет перехода неориентированного полимера в шейку. Если шейка образуется в закристаллизованной пленке выше температуры стекло­ вания полимера, то при этом возникает явление механического «плавления» изотропно расположенных кристаллических структур и образуются новые кристаллические структуры, ориентированные

внаправлении приложенной нагрузки [331]. Если шейка образуется

взакристаллизованной пленке ниже температуры стеклования поли­ мера, т. е. когда рекристаллизация невозможна, то принудительная ориентация приводит к аморфизации полимера за счет механического плавления изотропных ориентированных кристаллических обра­ зований [113]. Третий случай наблюдается при образовании шейки при вынужденно эластической деформации и не сопровождается фазовыми превращениями. Во всех этих трех случаях возникнове­ нию шейки сопутствует скачкообразное появление оптической анизо­ тропии, указывающее на скачкообразную переориентацию над­

(участок кривой III) происходит обычное растяжение ориентирован­ ного полимера, не отличающееся от такового для анизотропного закристаллизованного полимера [72].

Значительное влияние на характер динамометрических кривых пленок из закристаллизованных полимеров оказывает степень поли­ меризации пленкообразующего вещества. Чем меньше степень поли­ меризации, тем при более низком значении относительного удлинения

319