Polymer calendering/es

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Una calandria es un dispositivo que se utiliza para procesar polímeros fundidos y convertirlos en láminas o películas. Se ha utilizado durante más de cien años y, cuando se desarrolló inicialmente, se utilizaba principalmente para procesar caucho, pero hoy en día se usa comúnmente para producir láminas, recubrimientos y películas termoplásticas ^{W. [ 1 ]} La calandria nunca se popularizó cuando se inventó, principalmente debido a la dificultad para ajustar la separación deseada entre rodillos; en consecuencia, era difícil obtener un espesor de lámina preciso. El proceso no comenzó a popularizarse hasta la década de 1930, cuando las máquinas se volvieron más fáciles de ajustar. ^{[ 2 ]} Hoy en día, las calandrias pueden alcanzar tolerancias de aproximadamente±0,005 mm. ^{[ 2 ]}

Cómo funciona

El concepto de calandria es bastante fácil de entender. La idea básica de la máquina es aplastar un polímero ablandado por calor entre dos o más rodillos (esta área se llama nip) para formar una lámina continua. Para comenzar el proceso, el polímero debe pasar por una mezcla y un fundente antes de pasar por la calandria. La mezcla es un proceso que crea el polímero deseado y el fundente calienta y trabaja este polímero mezclado para que tenga una consistencia más fácil de manejar para la calandria. ^{[ 3 ]} El polímero está entonces listo para pasar por la calandria y la dejará con un espesor que depende principalmente del espacio entre los dos últimos rodillos. El último juego de rodillos también dicta el acabado de la superficie; por ejemplo, pueden influir en el brillo y la textura de la superficie. ^{[ 1 ]} Una cosa acerca de los polímeros que se calandran es que la lámina que pasa por los rodillos tiende a seguir el rodillo de movimiento más rápido de los dos con los que está en contacto y también se adhiere más a los rodillos más calientes. Por eso, las calandrias suelen tener un rodillo más pequeño a mayor velocidad para despegar la hoja. También es la razón por la que el rodillo central se mantiene más frío para que la hoja no se pegue a los demás rodillos ni se parta al adherirse a ambos, lo cual puede ocurrir. ^{[ 4 ]} Este fenómeno de partimiento ha obligado a los operadores de calandrias a buscar una alta relación de fricción entre dos rodillos, que oscila entre 5/1 y 20/1. ^{[ 4 ]}

Usos

• baldosas de suelo
• suelo continuo
• ropa impermeable
• cortinas de ducha
• manteles
• cinta sensible a la presión
• tapicería de automóviles y muebles
• revestimientos de paredes
• techos luminosos
• señales y exhibiciones
• etc. ^{[ 3 ]}

Especificaciones de materiales

Los mejores polímeros para calandrado son los termoplásticos. Una razón para esto es que se ablandan a temperaturas mucho más bajas que su temperatura de fusión, lo que proporciona un amplio rango de temperaturas de trabajo. También se adhieren bien a los rodillos, lo que les permite continuar bien a través de la cadena, pero no se adhieren demasiado bien y se atascan en el rodillo. La última razón es que las masas fundidas termoplásticas tienen una viscosidad bastante baja, pero aún son lo suficientemente fuertes como para mantenerse unidas y no escurrirse por todas partes. Los materiales sensibles al calor también son excelentes para las calandras porque estas ejercen enormes presiones sobre los materiales para trabajarlos y, por lo tanto, no necesitan temperaturas tan altas para procesarlos, lo que limita las posibilidades de degradación térmica. Es por esto que el calandrado es a menudo el método de elección para procesar PVC. ^{[ 2 ]} Debido a la naturaleza del proceso, los polímeros deben tener un historial térmico y de cizallamiento consistente en todo el ancho de la lámina. ^{[ 5 ]}

Ventajas

Las láminas de plástico de mejor calidad hoy en día se producen mediante calandrias; de hecho, el único proceso que compite con la calandria en la conformación de láminas es la extrusión ^W . La calandria también es muy buena para manipular polímeros sensibles al calor, ya que causa muy poca degradación térmica ^W . Otra ventaja del calandrado es que es bueno para mezclar polímeros que contienen altas cantidades de aditivos sólidos que no se mezclan o funden muy bien. Esto es cierto porque, en comparación con la extrusión, la calandria produce una gran tasa de fusión para la cantidad de energía mecánica que se aplica. ^{[ 6 ]} Debido a esto, las empresas pueden agregar más producto de relleno a sus plásticos y ahorrar dinero en materias primas. Las calandrias son máquinas muy versátiles, lo que significa que es muy fácil cambiar configuraciones como el tamaño del espacio entre rodillos.

Desventajas

Aunque el proceso de calandrado produce un producto de mejor calidad que el de extrusión, presenta un par de desventajas. Una de ellas es que es más costoso, lo cual constituye un importante obstáculo para muchas empresas. Además, el calandrado no es tan eficaz con espesores demasiado altos o demasiado bajos. Si el espesor es inferior a 0,006 pulgadas, existe la tendencia a la aparición de poros y huecos en las láminas. ^{[ 4 ]} Sin embargo, si el espesor es superior a aproximadamente 0,06 pulgadas, existe el riesgo de que quede aire atrapado en la lámina. ^{[ 7 ]} Sin embargo, cualquier espesor deseado dentro de ese rango resultaría mucho mejor utilizando un proceso de calandrado.

Tipos

Hay tres tipos principales de calendario: el tipo I, el tipo L y el tipo Z.

Yo escribo

El tipo I, como se muestra en la Figura 1, fue la calandria estándar durante muchos años. También se puede construir con un rodillo más en la pila. Sin embargo, este diseño no era ideal, ya que en cada contacto existe una fuerza externa que empuja los rodillos alejándolos del contacto.

Tipo L

El tipo L es el mismo que se muestra en la Figura 2, pero reflejado verticalmente. Ambas configuraciones se han popularizado y, dado que algunos rodillos están a 90 ^° de otros, sus fuerzas de separación tienen menos efecto en los rodillos subsiguientes. Las calandras tipo L se utilizan a menudo para procesar vinilos rígidos, mientras que las calandras tipo L invertida se utilizan normalmente para vinilos flexibles. ^{[ 8 ]}

Tipo Z

La calandra tipo Z coloca cada par de rodillos en ángulo recto con respecto al siguiente par de la cadena. Esto significa que las fuerzas de separación de los rodillos que actúan sobre cada rodillo individualmente no afectarán a los demás. ^{[ 5 ]} Otra característica de la calandra tipo Z es que pierde menos calor en la hoja, ya que, como se puede observar en la Figura 3, esta recorre solo un cuarto de la circunferencia del rodillo para pasar entre ellos. ^{[ 9 ]} En la mayoría de los otros tipos, esto es aproximadamente la mitad de la circunferencia del rodillo.

Física del calandrado

Mecánica de fluidos

Mediante un análisis newtoniano, se puede modelar el proceso. Las suposiciones que se hicieron para desarrollar estas ecuaciones son: ^{[ 5 ]}

1. El flujo es simétrico entre los dos rodillos.
2. El flujo está en estado estacionario y es laminar.
3. Fluido incompresible
4. No hay deslizamiento entre el fluido y los rodillos.
5. El radio del rodillo es mucho más grande que el espacio entre los rodillos, por lo que se puede suponer que el flujo se produce entre placas paralelas.

La velocidad del fluido/masa fundida contra los rodillos: ^{[ 5 ]}

Vd=Rω(1)

• R es el radio de los rodillos
• ωes la velocidad angular de los rodillos en rad s ^-1

La velocidad también se puede encontrar en cualquier lugar entre los rodillos utilizando la siguiente ecuación: ^{[ 5 ]}

V(incógnita)=Vd−12ηdPAGdincógnita(h2−y2)(2)

• h es la mitad de la distancia entre los dos rodillos x la distancia de separación (ver Figura 4)
• dP/dx es el gradiente de presión
• y es la distancia desde la mitad del camino entre los rodillos para la que se calcula la velocidad
• ηes la viscosidad

De la ecuación se desprende que la velocidad del flujo se aproxima a la de los rodillos a medida que se acerca a ellos. También muestra que en el punto medio de los dos rodillos la velocidad será menor. Solo con una viscosidad alta y un gradiente de presión bajo, la velocidad de la masa fundida podría aproximarse a la velocidad de los rodillos.

El flujo volumétrico se puede modelar mediante: ^{[ 5 ]}

Q=2h*OVd(3)

• W es el ancho de la lámina que se está produciendo

Esta ecuación muestra directamente qué tan rápido se producirá el producto.

La presión máxima se puede encontrar con: ^{[ 5 ]}

PAGmetroaincógnita=15ηla3Vd2h0R2h0(4)

• h ₀ es la mitad de la distancia entre los rodillos cuando están más cerca uno del otro (ver Figura 4)
• laes p (ver ecuación 6) en h ^* (ver Figura 4)

Por lo tanto, la presión máxima se reduce disminuyendo la velocidad, la viscosidad o el radio del rodillo o aumentando el espacio entre rodillos.

La siguiente ecuación es para la fuerza, causada por el fluido, que actúa para separar los dos rodillos: ^{[ 5 ]}

F=3ηVdRO4h0F(pag,la)(5)

• p se define en la ecuación 6

Es fundamental que esta fuerza de separación de los rodillos sea lo más baja posible. De la ecuación se desprende que, para lograrlo, es necesario reducir la viscosidad, la velocidad, el radio del rodillo y el ancho de la lámina, y aumentar la holgura entre rodillos.

p se define por: ^{[ 5 ]}

pag2=incógnita22Rh0(6)

• x = 0 en h ₀ y aumenta hacia la derecha

La potencia total absorbida por ambos rodillos: ^{[ 6 ]}

PAGw=3ηOVd22Rh0F(la)(7)

Al igual que para que la fuerza y ​​la presión disminuyan la potencia, es necesario reducir la viscosidad, la velocidad, el ancho y el radio del rodillo, y aumentar la holgura entre rodillos. La ecuación muestra que la potencia de entrada depende principalmente de la velocidad; por lo tanto, para disminuirla, la manera más efectiva es disminuir la velocidad del rodillo. Si bien esto reducirá la producción, la ecuación 3 muestra que la salida se ve menos afectada por un cambio en la velocidad que por la potencia.

Las dos funciones en las ecuaciones 5 y 7 son: ^{[ 6 ]}

F(la)=(1−la2)[broncearse−1la−broncearse−1pagi]−[(la−pagi)(1−pagila)1+pagi2](8)

F(pag,la)=(la−pagi1+pagi2)[−pagi−la−5la5(1+pagi2)+(1−3la2)[labroncearse−1la−pagibroncearse−1pagi](9)

• p _i es p donde la masa fundida inicialmente comienza a comprimirse (donde la masa fundida hace contacto con ambos rodillos)

Efectos de la temperatura

Se ha descubierto que la temperatura del fluido fundido es más alta en los rodillos. Esto se debe a dos razones:

1. En el flujo laminar, el cizallamiento es mayor en los lados y, por lo tanto, la fricción y el calor también son mayores allí.
2. El calor se añade al sistema a través de los rodillos y el fluido no lo conduce muy bien ^{[ 6 ]}

Los efectos de esto tienden a aumentar en magnitud cuanto más viscoso sea el fluido. Si se elevara la temperatura de laminación, se producirían cambios en la mecánica de fluidos mencionada anteriormente. Esto disminuiría la viscosidad, lo que a su vez disminuiría la potencia de entrada, la presión y las fuerzas de separación de los rodillos en el fluido. También reduciría la probabilidad de fractura en el fluido y mejoraría el acabado superficial, pero todo esto tiene un precio y aumenta la probabilidad de degradación térmica. ^{[ 5 ]}

Efectos de la velocidad en el producto final

La calandra puede producir láminas de polímero a gran velocidad. Puede producir láminas a una velocidad de entre 0,1 y 2,0 ms ^{^-1} . ^{[ 2 ]} Sin embargo, aumentar la velocidad tiene efectos negativos en el proceso, además de los mencionados en la sección de Mecánica de Fluidos. Al aumentar la velocidad, el calor tiene menos tiempo para distribuirse por el fluido desde los rodillos, lo que provoca una variación de temperatura aún mayor. También provoca un aumento de las fuerzas de corte en el fluido en los rodillos, lo que aumenta la probabilidad de defectos superficiales como fracturas. ^{[ 5 ]} Es evidente que la velocidad debe seleccionarse con mucho cuidado para producir un producto de calidad.

Doblado de rodillos

Durante el calandrado, los rodillos se someten a altas presiones, que pueden alcanzar hasta 41 MPa en la línea de contacto final. Las presiones son máximas en la parte media del ancho del rodillo, lo que provoca su deflexión. Esta deflexión provoca que la chapa que se fabrica sea más gruesa en el centro que en los laterales. Se han desarrollado tres métodos para compensar esta deflexión:

1. Coronación de rollos
2. Doblado de rodillos
3. Cruce de rollos

El coronamiento de rodillos utiliza un rodillo de mayor diámetro en su centro para compensar su deflexión. La flexión de rodillos implica la aplicación de momentos a ambos extremos de los rodillos para contrarrestar las fuerzas de la masa fundida sobre ellos. Al cruzar los rodillos, estos se colocan ligeramente en ángulo, lo que aumenta la fuerza de los rodillos sobre la masa fundida en el centro, donde se encuentran más superpuestos, y disminuye en los bordes, donde no se encuentran directamente superpuestos. ^{[ 9 ]}

Eficiencia energética

La eficiencia es la relación entre la energía de entrada y la energía de salida. La salida se define principalmente por la ecuación 7 y la energía de entrada se conoce como el consumo de energía. Por lo tanto, para aumentar la eficiencia, se debe reducir la energía de entrada o aumentar la energía de salida. Muchos factores influyen en la energía de entrada que no contribuyen en absoluto a la salida. Antes de fabricar cualquier producto, se necesitan de una a dos horas para poner en funcionamiento una calandra cuando está fría. ^{[ 4 ]} Debido a esto, la eficiencia se vuelve dependiente del tiempo y, por lo tanto, la eficiencia solo aumenta cuanto más tiempo produce la máquina, y las calandras solo se pueden considerar eficientes si funcionan durante mucho tiempo. Se puede perder tiempo de muchas maneras, incluyendo el cambio de hojas enrolladas y el ajuste de la configuración de la calandra. Si se puede configurar un sistema con dos rodillos para recoger las hojas terminadas y la calandra se puede cambiar rápidamente para descargar las hojas en el segundo cuando el primero esté lleno, se puede ahorrar tiempo allí. Para el segundo punto, esto se puede acelerar con mejores controles automatizados para la configuración. Si el proceso debe hacerse manualmente, es necesario detener los rodillos y enfriarlos, pero hoy en día la mayoría de las calandrias pueden hacerlo mediante controles hidráulicos. Como se mencionó anteriormente, la calandria produce altas tasas de fusión para la cantidad de energía mecánica utilizada. Esto significa que la temperatura de los rodillos puede mantenerse por debajo de la necesaria para extruir la lámina, ahorrando así energía térmica. Para controlar mejor la temperatura de los rodillos y ahorrar tiempo al calentarlos, estos se fabrican con orificios perforados axialmente. Esto permite que el fluido utilizado para calentar los rodillos se caliente externamente con mayor facilidad y luego circule a través de ellos.

Referencias