Polymer calendering/ko

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캘린더는 고분자 용융물을 시트나 필름으로 가공하는 데 사용되는 장치입니다. 100년 이상 사용되어 왔으며, 처음 개발되었을 때는 주로 고무 가공에 사용되었지만, 오늘날에는 열가소성 시트, 코팅 및 필름 생산에 널리 사용됩니다 ^. [ ^{1 ] 캘린더} 는 처음 발명되었을 당시 롤러 사이의 간격을 원하는 대로 조절하기 어려워 정확한 시트 두께를 얻기가 힘들었기 때문에 널리 보급되지 못했습니다. 1930년대에 기계의 조정이 용이해지면서 비로소 널리 사용되기 시작했습니다. ^{[ 2 ]} 오늘날 캘린더는 약 100mm의 정밀도를 달성할 수 있습니다.±0.005mm. ^{[ 2 ]}

작동 방식

캘린더의 개념은 이해하기 비교적 쉽습니다. 이 기계의 기본 아이디어는 열로 연화된 폴리머를 두 개 이상의 롤러(이 부분을 닙이라고 함) 사이에 압착하여 연속적인 시트를 형성하는 것입니다. 공정을 시작하기 전에 폴리머는 캘린더를 통과하기 전에 블렌딩 및 플럭싱 과정을 거쳐야 합니다. 블렌딩은 원하는 폴리머를 생성하는 공정이고, 플럭싱은 블렌딩된 폴리머를 가열하고 가공하여 캘린더에서 다루기 쉬운 점도로 만드는 공정입니다. ^{[ 3 ]} 그런 다음 폴리머는 캘린더를 통과할 준비가 되며, 마지막 두 롤러 사이의 간격에 따라 두께가 결정됩니다. 마지막 롤러 세트는 표면 마감에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 표면의 광택과 질감에 영향을 줄 수 있습니다. ^{[ 1 ]} 캘린더링된 폴리머의 한 가지 특징은 롤러를 통과하는 시트가 접촉하는 두 롤러 중 더 빠르게 움직이는 롤러를 따라가는 경향이 있고, 더 뜨거운 롤러에 더 잘 달라붙는다는 것입니다. 이것이 바로 캘린더가 일반적으로 시트를 벗겨내기 위해 더 빠른 속도로 회전하는 작은 롤러로 끝나는 이유입니다. 또한 시트가 다른 롤러에 달라붙지 않고 두 롤러에 모두 달라붙어 갈라지는 것을 방지하기 위해 중간 롤러는 일반적으로 더 차갑게 유지됩니다. ^{[ 4 ]} 이러한 갈라짐 현상으로 인해 캘린더 작업자는 두 롤러 사이의 마찰비가 5/1에서 20/1에 이르는 높은 값을 원하게 되었습니다. ^{[ 4 ]}

사용법

• 바닥 타일
• 연속 바닥재
• 비옷
• 샤워 커튼
• 테이블 커버
• 압력 감지 테이프
• 자동차 및 가구 실내 장식
• 벽지
• 빛나는 천장
• 표지판 및 디스플레이
• 기타 ^{[ 3 ]}

재료 사양

캘린더링에 가장 적합한 폴리머는 열가소성 수지입니다. 그 이유는 열가소성 수지가 용융 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 연화되어 넓은 작업 온도 범위를 제공하기 때문입니다. 또한 롤러에 잘 접착되어 체인을 따라 잘 진행되지만, 너무 잘 접착되어 롤러에 달라붙지는 않습니다. 마지막으로, 열가소성 수지 용융물은 점도가 상당히 낮지만, 여전히 충분히 강하여 흘러내리지 않고 형태를 유지합니다. 열에 민감한 재료 또한 캘린더링에 적합합니다. 캘린더링은 재료에 엄청난 압력을 가하여 가공하기 때문에 높은 온도가 필요하지 않아 열 분해 가능성을 줄이기 때문입니다. 이것이 바로 캘린더링이 PVC 가공에 자주 사용되는 이유입니다. ^{[ 2 ]} 공정의 특성상 폴리머는 시트의 폭 전체에 걸쳐 전단 및 열 이력이 균일해야 합니다. ^{[ 5 ]}

장점

오늘날 최고 품질의 플라스틱 시트는 캘린더로 생산됩니다. 실제로 시트 성형에서 캘린더와 경쟁할 수 있는 유일한 공정은 압출입니다 ^. 캘린더는 열에 민감한 폴리머를 처리하는 데에도 매우 효과적이며 열 분해가 거의 발생하지 않습니다 ^. 캘린더링의 또 다른 장점은 혼합이나 플럭스 처리가 잘 되지 않는 고형 첨가제가 다량 함유된 폴리머를 혼합하는 데에도 탁월하다는 것입니다. 이는 압출에 비해 캘린더가 투입된 기계적 에너지 대비 용융 속도가 훨씬 빠르기 때문입니다. ^{[ 6 ]} 이러한 이유로 기업들은 플라스틱에 더 많은 충전제를 첨가할 수 있고 원자재 비용을 절감할 수 있습니다. 캘린더는 롤러 간격과 같은 설정을 쉽게 변경할 수 있는 매우 다용적인 기계입니다.

단점

캘린더링 공정은 압출 공정보다 더 나은 제품을 생산하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 한 가지 단점은 공정 비용이 더 많이 든다는 점인데, 이는 많은 회사에게 큰 부담이 됩니다. 또한 캘린더링 공정은 두께가 너무 두껍거나 너무 얇을 경우 품질이 떨어집니다. 두께가 0.006인치 미만이면 시트에 핀홀이나 기포가 생길 가능성이 있습니다. ^{[ 4 ]} 반면 두께가 약 0.06인치 이상이면 시트에 공기가 혼입될 위험이 있습니다. ^{[ 7 ]} 하지만 이 범위 내의 원하는 두께라면 캘린더링 공정을 사용하는 것이 훨씬 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.

유형

달력에는 크게 I형, L형, Z형 세 가지 유형이 있습니다.

I Type

그림 1에서 볼 수 있는 I형은 오랫동안 표준 캘린더로 사용되었습니다. 스택에 롤러를 하나 더 추가하여 제작할 수도 있지만, 이 설계는 이상적이지 않았습니다. 왜냐하면 각 니프(nip) 지점에서 바깥쪽으로 밀어내는 힘이 발생하기 때문입니다.

L 유형

L형은 그림 2에서 보이는 것과 동일하지만 수직으로 대칭입니다. 이 두 가지 구성이 모두 인기를 얻었으며 일부 롤러가 다른 롤러에 대해 90 ^° 로 되어 있기 때문에 롤 분리력이 후속 롤러에 미치는 영향이 적습니다. L형 캘린더는 경질 비닐을 가공하는 데 자주 사용되며 역L형 캘린더는 일반적으로 연질 비닐에 사용됩니다. ^{[ 8 ]}

Z 타입

Z형 캘린더는 체인에서 각 롤러 쌍을 다음 롤러 쌍과 직각으로 배치합니다. 이는 각 롤러에 개별적으로 작용하는 롤러 분리력이 다른 롤러에 영향을 미치지 않음을 의미합니다. ^{[ 5 ]} Z형 캘린더의 또 다른 특징은 그림 3에서 볼 수 있듯이 시트가 롤러 사이를 통과하기 위해 롤러 원주의 1/4만 이동하기 때문에 시트의 열 손실이 적다는 것입니다. ^{[ 9 ]} 대부분의 다른 유형은 롤러 원주의 약 절반을 이동합니다.

달력의 물리학

유체역학

뉴턴 분석을 사용하면 프로세스를 모델링할 수 있습니다. 이러한 방정식을 개발하기 위해 필요한 가정은 다음과 같습니다. ^{[ 5 ]}

1. 두 롤러 사이의 흐름은 대칭적입니다.
2. 흐름은 정상 상태이며 층류입니다.
3. 비압축성 유체
4. 유체와 롤러 사이에는 미끄러짐이 없습니다.
5. 롤러의 반지름이 롤러 사이의 간격보다 훨씬 크기 때문에 유동이 평행한 판 사이에서 발생한다고 가정할 수 있습니다.

롤러에 대한 유체/용융물의 속도: ^{[ 5 ]}

다섯디=아르 자형ω(1)

• R은 롤러의 반지름입니다.
• ω롤러의 각속도는 rad s⁻¹입니다 ^.

다음 방정식을 사용하면 롤러 사이의 어느 곳에서든 속도를 찾을 수도 있습니다. ^{[ 5 ]}

다섯(엑스)=다섯디−12η디피디엑스(시간2−와이2)(2)

• h는 두 롤러 사이 거리의 절반이고 x는 떨어져 있는 거리입니다(그림 4 참조).
• dP/dx는 압력 기울기입니다.
• y는 속도를 계산하는 롤러 사이의 중간 지점으로부터의 거리입니다.
• η점도는

위 방정식에서 알 수 있듯이, 유동의 속도는 롤러에 가까워질수록 롤러의 속도에 근접합니다. 또한 두 롤러의 중간 지점에서는 속도가 가장 느려집니다. 용융물의 속도가 롤러의 속도에 근접하려면 점도가 높고 압력 구배가 낮아야 합니다.

체적 유량은 다음과 같이 모델링할 수 있습니다: ^{[ 5 ]}

큐=2시간*W다섯디(3)

• W는 생산되는 판재의 너비입니다.

이 방정식은 제품이 얼마나 빨리 생산될지를 직접적으로 보여줍니다.

최대 압력은 다음을 통해 찾을 수 있습니다: ^{[ 5 ]}

피중에이엑스=15ηλ3다섯디2시간0아르 자형2시간0(4)

• h ₀ 는 롤러들이 가장 가까이 있을 때 롤러 사이 거리의 절반입니다(그림 4 참조).
• λh ^* 에서의 p는 (방정식 6 참조)입니다 (그림 4 참조).

따라서 최대 압력은 속도, 점도 또는 롤러 반경을 줄이거나 롤러 간격을 늘리면 감소합니다.

다음 방정식은 유체에 의해 발생하여 두 롤러를 분리하는 힘에 대한 것입니다. ^{[ 5 ]}

에프=3η다섯디아르 자형W4시간0에프(피,λ)(5)

• p는 방정식 6에서 정의됩니다.

롤 분리력을 최대한 낮추는 것이 매우 중요합니다. 위 방정식에서 알 수 있듯이, 이를 위해서는 점도, 유속, 롤러 반경 및 판재 폭을 줄이고 롤러 간격을 늘려야 합니다.

p는 다음과 같이 정의됩니다: ^{[ 5 ]}

피2=엑스22아르 자형시간0(6)

• x는 h=0에서 0 _이고 오른쪽으로 갈수록 증가합니다.

두 롤러에 대한 총 전력 입력: ^{[ 6 ]}

피W=3ηW다섯디22아르 자형시간0에프(λ)(7)

힘과 압력을 줄여 동력을 감소시키려면 점도, 롤러 속도, 폭, 롤러 반경을 줄이고 롤러 간격을 늘려야 합니다. 방정식에서 알 수 있듯이 동력 입력은 속도에 가장 크게 의존하므로 동력 입력을 줄이는 가장 효과적인 방법은 롤러 속도를 줄이는 것입니다. 비록 이렇게 하면 생산량이 감소하겠지만, 방정식 3을 보면 출력은 동력 변화보다 속도 변화에 덜 영향을 받는다는 것을 알 수 있습니다.

방정식 5와 7의 두 함수는 다음과 같습니다: ^{[ 6 ]}

에프(λ)=(1−λ2)[탠 껍질−1λ−탠 껍질−1피나]−[(λ−피나)(1−피나λ)1+피나2](8)

에프(피,λ)=(λ−피나1+피나2)[−피나−λ−5λ5(1+피나2)+(1−3λ2)[λ탠 껍질−1λ−피나탠 껍질−1피나](9)

• p _i는 용융물이 처음으로 압축되기 시작하는 지점(용융물이 두 롤러와 접촉하는 지점)입니다.

온도 영향

용융 유체의 온도는 롤러 부분에서 가장 높은 것으로 나타났습니다. 이는 두 가지 이유 때문입니다.

1. 층류에서는 전단력이 측면에서 가장 높으므로 마찰과 열 또한 그곳에서 가장 높습니다.
2. 열은 롤러를 통해 시스템에 추가되고 유체는 이를 잘 전도하지 않습니다 ^{[ 6 ].}

이러한 효과는 유체의 점성이 높을수록 더욱 커지는 경향이 있습니다. 롤링 온도를 높이면 위의 유체 역학에 변화가 생깁니다. 점성이 감소하고 결과적으로 유체의 동력 입력, 압력 및 롤 분리력이 감소합니다. 또한 유체의 균열 발생 가능성이 낮아지고 표면 마감이 더 좋아지지만 이 모든 것은 열적 열화 가능성을 높이는 대가를 치러야 합니다. ^{[ 5 ]}

최종 결과물에 미치는 속도 효과

^{캘린더는 빠른 속도로 폴리머 시트를 생산할 수 있습니다. 0.1~ 2.0ms⁻¹} 의 속도로 시트를 생산할 수 있습니다 . ^{[ 2 ]} 그러나 속도를 높이면 유체 역학 부분에서 언급한 영향 외에도 공정에 부정적인 영향을 미칩니다. 속도가 증가하면 롤러에서 유체 전체로 열이 확산될 시간이 줄어들어 온도 변화가 더욱 커집니다. 또한 롤러에서 유체의 전단력이 증가하여 균열과 같은 표면 결함 발생 가능성이 높아집니다. ^{[ 5 ]} 따라서 고품질 제품을 생산하기 위해서는 속도를 매우 신중하게 선택해야 합니다.

롤 벤딩

캘린더링 공정에서 롤러는 최종 압착 시 최대 41MPa에 달하는 엄청난 압력을 받습니다. 압력은 롤러 폭의 중앙에서 가장 높으며, 이로 인해 롤러가 휘어집니다. 이러한 휘어짐 때문에 제작되는 판재는 중앙 부분이 측면보다 두꺼워집니다. 이러한 휘어짐을 보정하기 위해 세 가지 방법이 개발되었습니다.

1. 롤 크라운
2. 롤 벤딩
3. 롤 크로싱

롤 크라운은 롤러의 처짐을 보상하기 위해 중앙의 직경이 더 큰 롤러를 사용합니다. 롤 벤딩은 롤러에 작용하는 용융물의 힘에 대응하기 위해 롤러의 양쪽 끝에 모멘트를 가하는 것을 포함합니다. 롤 크로싱에서는 롤러가 서로 약간 각도를 이루도록 배치되므로 롤러가 서로 더 많이 겹쳐지는 중앙 부분에서 용융물에 가해지는 롤러의 힘이 더 크고 롤러가 서로 직접 겹쳐지지 않는 가장자리 부분에는 힘이 덜 가해집니다. ^{[ 9 ]}

에너지 효율

효율은 입력 에너지와 출력 에너지의 비율입니다. 출력은 주로 식 7로 정의되며, 입력 에너지는 전력 소비량으로 알 수 있습니다. 따라서 효율을 높이려면 입력 에너지를 줄이거나 출력 에너지를 늘려야 합니다. 입력 에너지에는 출력에 전혀 영향을 미치지 않는 많은 요소가 작용합니다. 제품을 생산하기 전에 캘린더가 차가운 상태에서 작동 상태로 가동되는 데 1~2시간이 걸립니다. ^{[ 4 ]} 따라서 효율은 시간에 따라 달라지며, 기계가 생산하는 시간이 길어질수록 효율도 증가합니다. 캘린더는 장시간 가동될 때에만 높은 효율을 발휘한다고 볼 수 있습니다. 롤 시트를 교체하거나 캘린더 설정을 조정하는 등 여러 가지 이유로 시간이 낭비될 수 있습니다. 완성된 시트를 모으는 롤러를 두 개로 구성하고 첫 번째 롤러가 가득 차면 두 번째 롤러로 시트를 빠르게 전환하여 배출할 수 있는 시스템을 구축하면 시간을 절약할 수 있습니다. 두 번째 전환은 설정에 대한 자동화 제어를 통해 더욱 빠르게 수행할 수 있습니다. 만약 수동으로 작업해야 한다면 롤러를 멈추고 식혀야 하지만, 요즘 대부분의 캘린더는 유압 제어 장치를 통해 이 작업을 수행할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 캘린더는 투입되는 기계적 에너지 대비 높은 용융 속도를 제공합니다. 이는 롤러 온도를 판재를 압출하는 데 필요한 온도보다 낮게 유지할 수 있어 열에너지를 절약할 수 있음을 의미합니다. 롤러 온도를 더욱 효과적으로 제어하고 롤러 가열 시간을 단축하기 위해 롤러에는 축 방향으로 구멍이 뚫려 있습니다. 이 구멍을 통해 롤러를 가열하는 데 사용되는 유체를 외부에서 더 쉽게 가열한 후 롤러를 통해 순환시킬 수 있습니다.

참고 자료