Polymer calendering/ar

▼هذه صفحة موضوع .يركز موقع Appropedia على الأبحاث الأصلية ، لكن هذه الصفحة توفر سياقًا مفيدًا وتساعد في تصفح الموقع. يمكنك مساعدة Appropedia من خلال تحسين هذه الصفحة .

آلة الكالندر هي جهاز يُستخدم لمعالجة مصهور البوليمر وتحويله إلى صفائح أو أغشية. وقد استُخدمت لأكثر من مئة عام، وعند تطويرها لأول مرة، كان استخدامها الرئيسي في معالجة المطاط، ولكنها تُستخدم اليوم على نطاق واسع لإنتاج صفائح وأغشية وطلاءات من اللدائن الحرارية ^. [ ^{1 ] لم} تحظَ آلة الكالندر بشعبية كبيرة عند اختراعها، ويعود ذلك أساسًا إلى صعوبة ضبط المسافة المطلوبة بين البكرات؛ وبالتالي، كان من الصعب الحصول على سُمك دقيق للصفائح. ولم تبدأ هذه العملية بالانتشار إلا في ثلاثينيات القرن العشرين عندما أصبحت الآلات أسهل في الضبط. ^{[ 2 ]} أما اليوم، فتستطيع آلات الكالندر تحقيق دقة تصل إلى حوالي±0.005 مم. ^{[ 2 ]}

كيفية عمل

مفهوم آلة الكالندر سهل الفهم نسبيًا. تقوم فكرة الآلة الأساسية على ضغط بوليمر مُليّن بالحرارة بين أسطوانتين أو أكثر (تُسمى هذه المنطقة "منطقة التلامس") لتشكيل صفيحة متصلة. لبدء العملية، يجب أن يمر البوليمر بعمليتي المزج والصهر قبل دخوله إلى آلة الكالندر. المزج هو عملية تُنتج البوليمر المطلوب، بينما تعمل عملية الصهر على تسخين هذا البوليمر الممزوج وتشكيله ليصبح قوامه أسهل على آلة الكالندر. ^{[ 3 ]} يصبح البوليمر جاهزًا بعد ذلك لدخول آلة الكالندر، ويخرج منها بسماكة تعتمد بشكل أساسي على المسافة بين الأسطوانتين الأخيرتين. كما تُحدد المجموعة الأخيرة من الأسطوانات أيضًا تشطيب السطح؛ فعلى سبيل المثال، يمكنها التأثير على لمعان السطح وملمسه. ^{[ 1 ]} من خصائص البوليمرات التي يتم تشكيلها بالكالندر أن الصفيحة التي تمر بين الأسطوانات تميل إلى اتباع الأسطوانة الأسرع حركة من بين الأسطوانتين اللتين تلامسها، كما أنها تلتصق أكثر بالأسطوانات الأكثر سخونة. لهذا السبب، تنتهي آلات التقويم عادةً بأسطوانة أصغر تعمل بسرعة أعلى لفصل الورقة. ولهذا السبب أيضًا، تُحفظ الأسطوانة الوسطى عادةً في درجة حرارة منخفضة حتى لا تلتصق الورقة بالأسطوانات الأخرى، ولا تنقسم نتيجة التصاقها بالأسطوانتين معًا، وهو أمر وارد الحدوث. ^{[ 4 ]} وقد دفعت ظاهرة الانقسام هذه مشغلي آلات التقويم إلى السعي للحصول على نسبة احتكاك عالية بين الأسطوانتين، تتراوح بين 5:1 و20:1. ^{[ 4 ]}

الاستخدامات

• بلاط الأرضيات
• أرضيات متصلة
• ملابس ضد المطر
• ستائر الحمام
• أغطية الطاولات
• شريط لاصق حساس للضغط
• تنجيد السيارات والأثاث
• أغطية الجدران
• أسقف مضيئة
• اللافتات والعروض
• إلخ. ^{[ 3 ]}

مواصفات المواد

تُعدّ البوليمرات الحرارية أفضل أنواع البوليمرات لعملية الكالندر. أحد أسباب ذلك هو أنها تلين عند درجات حرارة أقل بكثير من درجة انصهارها، مما يتيح نطاقًا واسعًا من درجات حرارة التشغيل. كما أنها تلتصق جيدًا بالأسطوانات، مما يسمح لها بالتحرك بسلاسة عبر سلسلة الكالندر، ولكنها لا تلتصق بقوة كافية لتلتصق بالأسطوانة. والسبب الأخير هو أن مصهورات البوليمرات الحرارية تتميز بلزوجة منخفضة نسبيًا، ولكنها مع ذلك قوية بما يكفي للحفاظ على تماسكها ومنعها من الانتشار. تُعدّ المواد الحساسة للحرارة مثالية أيضًا للكالندر، لأن هذه العملية تُطبّق ضغوطًا هائلة على المواد لتشكيلها، وبالتالي لا تتطلب درجات حرارة عالية لمعالجتها، مما يحدّ من احتمالية التحلل الحراري. لهذا السبب، غالبًا ما تُختار عملية الكالندر لمعالجة البولي فينيل كلوريد (PVC). ^{[ 2 ]} نظرًا لطبيعة هذه العملية، يجب أن تتمتع البوليمرات بتاريخ قصّ وحراري متجانس على امتداد عرض الصفيحة. ^{[ 5 ]}

المزايا

تُنتج أفضل أنواع صفائح البلاستيك اليوم باستخدام آلات الكالندر؛ في الواقع، العملية الوحيدة التي تُنافس الكالندر في تشكيل الصفائح هي البثق ^. كما تتميز آلة الكالندر بقدرتها الفائقة على معالجة البوليمرات الحساسة للحرارة، حيث تُسبب تحللاً حرارياً ضئيلاً للغاية ^. ومن مزايا الكالندر الأخرى كفاءتها في خلط البوليمرات التي تحتوي على كميات كبيرة من الإضافات الصلبة التي لا تمتزج أو تُدمج جيداً. ويعود ذلك إلى أن الكالندر، مقارنةً بالبثق، يُنتج معدل انصهار أعلى بكثير مقابل كمية الطاقة الميكانيكية المُستخدمة. ^{[ 6 ]} وبفضل ذلك، تستطيع الشركات إضافة المزيد من مواد الحشو إلى منتجاتها البلاستيكية وتوفير تكاليف المواد الخام. وتُعد آلات الكالندر آلات متعددة الاستخدامات، مما يُسهل تغيير الإعدادات، مثل حجم فجوة الأسطوانات.

العيوب

على الرغم من أن عملية الدرفلة تُنتج منتجًا أفضل من عملية البثق، إلا أن لها بعض العيوب. أحدها ارتفاع تكلفة العملية، وهو ما يُشكل عائقًا رئيسيًا أمام العديد من الشركات. كما أن عملية الدرفلة لا تُحقق نفس الكفاءة عند استخدام سماكات عالية جدًا أو منخفضة جدًا. فإذا كانت السماكة أقل من 0.006 بوصة، فهناك ميل لظهور ثقوب صغيرة وفراغات في الصفائح. ^{[ 4 ]} أما إذا كانت السماكة أكبر من 0.006 بوصة تقريبًا، فهناك خطر انحباس الهواء داخل الصفيحة. ^{[ 7 ]} مع ذلك، فإن أي سماكة مطلوبة ضمن هذا النطاق ستُحقق نتائج أفضل بكثير باستخدام عملية الدرفلة.

الأنواع

توجد ثلاثة أنواع رئيسية من التقاويم: النوع I، والنوع L، والنوع Z

أكتب

كان النوع I، كما هو موضح في الشكل 1، هو المعيار المستخدم في آلات التقويم لسنوات عديدة. ويمكن تصنيعه أيضاً بإضافة بكرة أخرى في المجموعة. إلا أن هذا التصميم لم يكن مثالياً، إذ توجد عند كل نقطة تلامس قوة خارجية تدفع البكرات بعيداً عن نقطة التلامس.

النوع L

النوع L هو نفسه الموضح في الشكل 2، ولكنه معكوس رأسيًا. وقد شاع استخدام كلا النوعين، ولأن بعض البكرات بزاوية 90 ^درجة بالنسبة للأخرى، فإن قوى فصلها تكون أقل تأثيرًا على البكرات اللاحقة. تُستخدم آلات الكالندر من النوع L غالبًا لمعالجة الفينيل الصلب، بينما تُستخدم آلات الكالندر من النوع L المعكوس عادةً لمعالجة الفينيل المرن. ^{[ 8 ]}

من النوع Z

في آلة التقويم من النوع Z، يكون كل زوج من البكرات متعامدًا مع الزوج التالي في السلسلة. وهذا يعني أن قوى فصل البكرات المؤثرة على كل بكرة على حدة لا تؤثر على البكرات الأخرى. ^{[ 5 ]} ومن مميزات آلة التقويم من النوع Z أيضًا أنها تفقد حرارة أقل في الصفيحة، لأنه كما هو موضح في الشكل 3، تقطع الصفيحة ربع محيط البكرة فقط للوصول إلى ما بين البكرات. ^{[ 9 ]} في معظم الأنواع الأخرى، تكون هذه المسافة حوالي نصف محيط البكرة.

التقويم

ميكانيكا الموائع

يمكن نمذجة العملية باستخدام تحليل نيوتني. الافتراضات التي كان لا بد من وضعها لتطوير هذه المعادلات هي: ^{[ 5 ]}

1. يكون التدفق متناظرًا بين الأسطوانتين
2. يكون التدفق في حالة مستقرة وهو تدفق صفائحي
3. سائل غير قابل للانضغاط
4. لا يوجد انزلاق بين السائل والبكرات
5. إن نصف قطر الأسطوانة أكبر بكثير من الفجوة بين الأسطوانات، مما يسمح بافتراض أن التدفق يحدث بين لوحين متوازيين.

سرعة السائل/المصهور مقابل البكرات: ^{[ 5 ]}

Vد=Rω(1)

• R هو نصف قطر البكرات
• ωهي السرعة الزاوية للبكرات بوحدة راديان/ ^ثانية

ويمكن أيضًا إيجاد السرعة في أي مكان بين البكرات باستخدام المعادلة التالية: ^{[ 5 ]}

V(x)=Vد-12ηدPدx(ح2-y2)(2)

• h هي نصف المسافة بين البكرتين x المسافة بينهما (انظر الشكل 4)
• يمثل dP/dx تدرج الضغط
• يمثل y المسافة من منتصف المسافة بين البكرات التي يتم حساب السرعة عندها
• ηاللزوجة

يتضح من المعادلة أن سرعة التدفق تقترب من سرعة البكرات كلما اقتربت منها. كما تُظهر أن السرعة تكون في أدنى مستوياتها بين البكرتين. ولا يمكن أن تقترب سرعة المصهور من سرعة البكرات إلا في حالة اللزوجة العالية وتدرج الضغط المنخفض.

يمكن نمذجة التدفق الحجمي بواسطة: ^{[ 5 ]}

سؤال=2ح*دبليوVد(3)

• W هو عرض الورقة التي يتم إنتاجها

توضح هذه المعادلة بشكل مباشر مدى سرعة إنتاج المنتج.

يمكن إيجاد أقصى ضغط باستخدام: ^{[ 5 ]}

Pمأx=15ηλ3Vد2ح0R2ح0(4)

• h ₀ هو نصف المسافة بين البكرات عندما تكون أقرب ما يكون إلى بعضها البعض (انظر الشكل 4).
• λهل p (انظر المعادلة 6) عند h ^* (انظر الشكل 4)

وبالتالي، يتم تقليل أقصى ضغط عن طريق تقليل السرعة أو اللزوجة أو نصف قطر الأسطوانة أو عن طريق زيادة فجوة الأسطوانة.

المعادلة التالية هي للقوة الناتجة عن السائل والتي تعمل على فصل الأسطوانتين: ^{[ 5 ]}

F=3ηVدRدبليو4ح0و(ص،λ)(5)

• تم تعريف p في المعادلة 6

من الضروري أن تكون قوة فصل الأسطوانات هذه في أدنى مستوى ممكن. يتضح من المعادلة أنه لتحقيق ذلك، يجب تقليل اللزوجة والسرعة ونصف قطر الأسطوانة وعرض الصفيحة، وزيادة الفجوة بين الأسطوانات.

يتم تعريف p بواسطة: ^{[ 5 ]}

ص2=x22Rح0(6)

• x = 0 عند h ₀ وتزداد باتجاه اليمين

إجمالي الطاقة المدخلة إلى كلا الأسطوانتين: ^{[ 6 ]}

Pw=3ηدبليوVد22Rح0و(λ)(7)

لتقليل الطاقة، كما هو الحال مع القوة والضغط، يجب تقليل اللزوجة وسرعة الأسطوانة وعرضها ونصف قطرها، وزيادة الفجوة بين الأسطوانات. توضح المعادلة أن مدخلات الطاقة تعتمد بشكل كبير على السرعة، لذا فإن الطريقة الأكثر فعالية لتقليل مدخلات الطاقة هي تقليل سرعة الأسطوانة. على الرغم من أن هذا سيؤدي إلى انخفاض الإنتاج، إلا أن المعادلة 3 تُظهر أن الناتج يتأثر بتغير السرعة بدرجة أقل من تأثر الطاقة.

الدالتان في المعادلتين 5 و 7 هما: ^{[ 6 ]}

و(λ)=(1-λ2)[لون برونزي-1λ-لون برونزي-1صأنا]-[(λ-صأنا)(1-صأناλ)1+صأنا2](8)

و(ص،λ)=(λ-صأنا1+صأنا2)[-صأنا-λ-5λ5(1+صأنا2)+(1-3λ2)[λلون برونزي-1λ-صأنالون برونزي-1صأنا](9)

• النقطة p _i هي النقطة التي يبدأ عندها الانصهار بالانضغاط في البداية (حيث يتلامس الانصهار مع كلا الأسطوانتين).

تأثيرات درجة الحرارة

وُجد أن درجة حرارة السائل المنصهر تكون أعلى ما يمكن عند البكرات. ويعود ذلك لسببين:

1. تكون قوى القص في أعلى مستوياتها على الجوانب في التدفق الصفائحي، وبالتالي يكون الاحتكاك والحرارة في أعلى مستوياتهما هناك أيضًا.
2. تتم إضافة الحرارة إلى النظام من خلال البكرات، ولا يقوم السائل بتوصيلها بشكل جيد للغاية ^{[ 6 ].}

تزداد تأثيرات ذلك كلما زادت لزوجة السائل. فإذا رُفعت درجة حرارة الدرفلة، ستطرأ تغييرات على ميكانيكا الموائع المذكورة أعلاه. سيؤدي ذلك إلى انخفاض اللزوجة، وبالتالي انخفاض الطاقة المُدخلة والضغط وقوى فصل الدرفلة في السائل. كما سيقلل من احتمالية حدوث تشققات في السائل ويُحسّن من جودة السطح، ولكن كل هذا يأتي على حساب زيادة احتمالية التدهور الحراري. ^{[ 5 ]}

تأثيرات السرعة على المنتج النهائي

تستطيع آلة الكالندر إنتاج صفائح البوليمر بسرعة عالية، تتراوح بين 0.1 و2.0 متر ^/ثانية . ^{[ 2 ]} مع ذلك، فإن زيادة السرعة لها آثار سلبية على العملية، بالإضافة إلى الآثار المذكورة في قسم ميكانيكا الموائع. فزيادة السرعة تقلل من الوقت المتاح للحرارة للانتشار في السائل من البكرات، مما يؤدي إلى تباين أكبر في درجة الحرارة. كما أنها تزيد من قوى القص في السائل عند البكرات، مما يزيد من احتمالية حدوث عيوب سطحية مثل الكسور. ^{[ 5 ]} من الواضح أنه يجب اختيار السرعة بعناية فائقة لإنتاج منتج عالي الجودة.

ثني اللفة

في عملية الدرفلة، تتعرض الأسطوانات لضغوط هائلة، قد تصل إلى 41 ميجا باسكال عند نقطة التلامس النهائية. وتكون الضغوط في أعلى مستوياتها في منتصف عرض الأسطوانة، مما يؤدي إلى انحرافها. يتسبب هذا الانحراف في أن تكون الصفيحة المصنعة أكثر سمكًا في مركزها مقارنةً بجوانبها. وقد طُوّرت ثلاث طرق للتعويض عن هذا الانحراف:

1. التتويج باللف
2. ثني اللفائف
3. معبر المشاة

تستخدم عملية تقويس الأسطوانة أسطوانة ذات قطر أكبر في مركزها لتعويض انحرافها. أما عملية ثني الأسطوانة فتتضمن تطبيق عزم دوران على طرفي الأسطوانات لموازنة القوى المؤثرة على الأسطوانة في المعدن المنصهر. في عملية تقاطع الأسطوانات، توضع الأسطوانات بزاوية طفيفة بالنسبة لبعضها البعض، ونتيجة لذلك، تكون قوة تأثيرها على المعدن المنصهر أعلى في المنتصف حيث تكون الأسطوانات متراكبة بشكل أكبر، بينما تقل القوة المطبقة على الحواف حيث لا تكون الأسطوانات متراكبة بشكل مباشر. ^{[ 9 ]}

كفاءة الطاقة

الكفاءة هي نسبة الطاقة المُدخلة إلى الطاقة المُخرجة. تُحدد الطاقة المُخرجة بشكل أساسي بالمعادلة 7، بينما تُعرف الطاقة المُدخلة باستهلاك الطاقة. لذا، لزيادة الكفاءة، يجب خفض الطاقة المُدخلة أو زيادة الطاقة المُخرجة. هناك عوامل عديدة تؤثر على الطاقة المُدخلة دون أن تُساهم في الطاقة المُخرجة. قبل بدء إنتاج أي منتج، يستغرق تشغيل آلة التقويم من ساعة إلى ساعتين وهي باردة. ^{[ 4 ]} ونتيجة لذلك، تُصبح الكفاءة مُرتبطة بالوقت، وبالتالي تزداد الكفاءة فقط مع زيادة مدة تشغيل الآلة، ولا يُمكن اعتبار آلات التقويم ذات كفاءة عالية إلا إذا تم تشغيلها لفترة طويلة. يُمكن أن يُهدر الوقت بطرق عديدة، منها تغيير الصفائح الملفوفة وضبط إعدادات آلة التقويم. إذا أمكن إعداد نظام بأسطوانتين لجمع الصفائح الجاهزة، بحيث يُمكن تحويل آلة التقويم بسرعة لتفريغ الصفائح على الأسطوانة الثانية بعد امتلاء الأولى، يُمكن توفير الوقت. بالنسبة للنقطة الثانية، يُمكن تسريع هذه العملية من خلال تحسين أنظمة التحكم الآلي للإعدادات. إذا كان لا بد من القيام بذلك يدويًا، فيجب إيقاف الأسطوانات وتبريدها، ولكن معظم آلات التقويم الحديثة قادرة على القيام بذلك من خلال أنظمة تحكم هيدروليكية. وكما ذكرنا سابقًا، تُنتج آلة التقويم كميات كبيرة من المعدن المنصهر مقابل كمية الطاقة الميكانيكية المُدخلة. وهذا يعني إمكانية الحفاظ على درجة حرارة الأسطوانات أقل من درجة الحرارة اللازمة لبثق الصفيحة، مما يوفر الطاقة الحرارية. وللتحكم بشكل أفضل في درجة حرارة الأسطوانات وتوفير الوقت في تسخينها، تُصنع بفتحات محورية. يسمح هذا بتسخين السائل المستخدم لتسخين الأسطوانات بسهولة أكبر من الخارج، ثم تدويره عبرها.

المراجع