Polymer calendering/pl

▼To jest strona tematyczna .Appropedia koncentruje się na oryginalnych badaniach , ale ta strona zapewnia użyteczny kontekst i ułatwia nawigację po serwisie. Możesz pomóc Appropedii, ulepszając tę ​​stronę .

Kalandr to urządzenie służące do przetwarzania stopionego polimeru w arkusz lub folię. Jest on używany od ponad stu lat i kiedy został opracowany po raz pierwszy, był używany głównie do przetwarzania gumy, ale obecnie jest powszechnie używany do produkcji arkuszy, powłok i folii termoplastycznych ^{W. [ 1 ]} Kalandr nigdy nie zyskał dużej popularności, kiedy został wynaleziony, głównie dlatego, że trudno było ustawić pożądany odstęp między rolkami; w konsekwencji trudno było uzyskać dokładną grubość arkusza. Proces ten zaczął zyskiwać popularność dopiero w latach 30. XX wieku, kiedy maszyny stały się łatwiejsze w regulacji. ^{[ 2 ]} Obecnie kalandry mogą osiągnąć tolerancje około±0,005 mm. ^{[ 2 ]}

Jak to działa

Koncepcja kalandra jest dość łatwa do zrozumienia. Podstawowym założeniem maszyny jest to, że zmiękczony cieplnie polimer jest ściskany pomiędzy dwoma lub więcej walcami (obszar ten nazywany jest dociskiem), aby utworzyć ciągły arkusz. Aby rozpocząć proces, polimer musi przejść przez mieszanie i topienie, zanim przejdzie przez kalandr. Mieszanie to proces, który tworzy pożądany polimer, a topienie podgrzewa i przetwarza ten zmieszany polimer, aby uzyskać konsystencję, którą kalandr może łatwiej obsługiwać. ^{[ 3 ]} Polimer jest wtedy gotowy do przejścia przez kalandr i pozostawi go z grubością zależną głównie od odstępu pomiędzy dwoma ostatnimi walcami. Ostatni zestaw walców dyktuje również wykończenie powierzchni; na przykład może wpływać na połysk i teksturę powierzchni. ^{[ 1 ]} Jedną z rzeczy dotyczących kalandrowania polimerów jest to, że arkusz przechodzący przez walce ma tendencję do podążania za szybciej poruszającym się walcem z dwóch, z którymi ma kontakt, a także bardziej przykleja się do gorętszych walców. Dlatego kalandry zazwyczaj kończą się mniejszym walcem o wyższej prędkości, służącym do odklejania arkusza. Z tego samego powodu środkowy walec jest zazwyczaj chłodniejszy, co zapobiega przyklejaniu się arkusza do pozostałych wałków, a także jego pękaniu w wyniku przyklejenia się do obu wałków, co może się zdarzyć. ^{[ 4 ]} To zjawisko pękania zmusiło operatorów kalandrów do wymagania wysokiego współczynnika tarcia między dwoma walcami, który waha się od 5/1 do 20/1. ^{[ 4 ]}

Użyj

• płytka podłogowa
• ciągła podłoga
• odzież przeciwdeszczowa
• zasłony prysznicowe
• obrusy
• taśma samoprzylepna
• tapicerka samochodowa i meblowa
• okładziny ścienne
• świetliste sufity
• znaki i wyświetlacze
• itd. ^{[ 3 ]}

specyfikacje materiałów

Najlepszymi polimerami do kalandrowania są tworzywa termoplastyczne. Jednym z powodów jest to, że miękną w temperaturach znacznie niższych od ich temperatury topnienia, co zapewnia szeroki zakres temperatur roboczych. Dobrze przylegają również do rolek, umożliwiając im dalsze przemieszczanie się przez łańcuch, ale nie przylegają zbyt dobrze i przyklejają się do rolki. Ostatnim powodem jest to, że stopione tworzywa termoplastyczne mają dość niską lepkość, ale są wystarczająco wytrzymałe, aby trzymać się razem i nie rozpływać się. Materiały wrażliwe na ciepło również doskonale nadają się do kalandrów, ponieważ kalandry wywierają ogromne ciśnienie na materiały, aby je obrabiać, i dlatego nie wymagają tak wysokich temperatur do ich obróbki, ograniczając ryzyko degradacji termicznej. Dlatego kalandrowanie jest często wybieraną metodą do przetwarzania PVC. ^{[ 2 ]} Ze względu na charakter procesu polimery muszą mieć spójną historię ścinania i termiczną na całej szerokości arkusza. ^{[ 5 ]}

Zalety

Najlepszej jakości arkusze plastiku są obecnie produkowane przez kalandry; w rzeczywistości jedynym procesem, który konkuruje z kalandrem w formowaniu arkuszy jest wytłaczanie ^W . Kalandr jest również bardzo dobry w obsłudze polimerów wrażliwych na ciepło, ponieważ powoduje bardzo małą degradację termiczną ^W . Inną zaletą kalandrowania jest to, że dobrze miesza polimery, które zawierają duże ilości stałych dodatków, które nie mieszają się lub nie są dobrze topione. Dzieje się tak, ponieważ w porównaniu do wytłaczania kalandr wytwarza dużą szybkość topienia w stosunku do ilości włożonej energii mechanicznej. ^{[ 6 ]} Dzięki temu firmy są w stanie dodać więcej wypełniacza do swoich tworzyw sztucznych i zaoszczędzić pieniądze na surowcach. Kalandry to bardzo wszechstronne maszyny, co oznacza, że ​​bardzo łatwo jest zmienić ustawienia, takie jak rozmiar szczeliny wałków.

Wady

Chociaż proces kalandrowania daje lepszy produkt niż proces wytłaczania, ma kilka wad. Jedną z wad jest to, że proces jest droższy w wykonaniu, co jest główną przeszkodą dla wielu firm. Proces kalandrowania nie jest również tak dobry w przypadku zbyt wysokich lub zbyt niskich grubości. Jeśli grubość jest poniżej 0,006 cala, istnieje tendencja do pojawiania się dziurek i pustych przestrzeni w arkuszach. ^{[ 4 ]} Jeśli grubość jest większa niż około 0,06 cala, istnieje ryzyko uwięzienia powietrza w arkuszu. ^{[ 7 ]} Każda pożądana grubość w tym zakresie okaże się jednak znacznie lepsza w przypadku procesu kalandrowania.

typy

Istnieją 3 główne rodzaje kalendarzy: typ I, typ L i typ Z

typ

Typ I, jak widać na rysunku 1, przez wiele lat był standardowym kalandrem. Można go również zbudować z jednym dodatkowym walcem w stosie. Ta konstrukcja nie była jednak idealna, ponieważ w każdym docisku działa siła skierowana na zewnątrz, która odpycha walce od docisku.

typ L

Typ L jest taki sam, jak na rysunku 2, ale odbity lustrzanie w pionie. Oba te układy zyskały popularność, a ponieważ niektóre walce są ustawione pod kątem 90 ^° do innych, siły rozdzielające ich walce mają mniejszy wpływ na kolejne walce. Kalandry typu L są często używane do obróbki sztywnych winyli, a kalandry odwrócone typu L są zazwyczaj używane do obróbki elastycznych winyli. ^{[ 8 ]}

typ Z

Kalander typu Z umieszcza każdą parę rolek pod kątem prostym do następnej pary w łańcuchu. Oznacza to, że siły rozdzielające rolki działające na każdą rolkę z osobna nie będą miały wpływu na żadne inne rolki. ^{[ 5 ]} Inną cechą kalandera typu Z jest to, że traci on mniej ciepła w arkuszu, ponieważ, jak widać na rysunku 3, arkusz pokonuje tylko jedną czwartą obwodu rolki, aby dostać się między rolki. ^{[ 9 ]} W przypadku większości innych typów jest to około połowa obwodu rolki.

Fizyka kalandrowania

mechanikę płynów

Proces ten można modelować, stosując analizę newtonowską. Założenia, które należało przyjąć, aby opracować te równania, to: ^{[ 5 ]}

1. Przepływ jest symetryczny pomiędzy dwoma rolkami
2. Przepływ jest ustalony i laminarny
3. Płyn nieściśliwy
4. Nie ma poślizgu między płynem a rolkami
5. Promień rolki jest znacznie większy od odstępu między rolkami, dlatego można założyć, że przepływ odbywa się między równoległymi płytami.

Prędkość cieczy/stopu względem rolek: ^{[ 5 ]}

VD=Rω(1)

• R to promień rolek
• ωjest prędkością kątową rolek w rad s ^-1

Prędkość można również obliczyć w dowolnym miejscu pomiędzy rolkami, korzystając z następującego równania: ^{[ 5 ]}

V(X)=VD−12ηDPDX(H2−y2)(2)

• h to połowa odległości między dwoma rolkami x odległość (patrz rysunek 4)
• dP/dx to gradient ciśnienia
• y to odległość od połowy drogi między rolkami, dla której obliczana jest prędkość
• ηjest lepkość

Z równania wynika, że ​​prędkość przepływu zbliża się do prędkości rolek w miarę zbliżania się do nich. Pokazuje to również, że w środku między rolkami prędkość będzie najwolniejsza. Tylko przy wysokiej lepkości i niskim gradiencie ciśnienia prędkość stopu może zbliżyć się do prędkości rolek.

Przepływ objętościowy można modelować za pomocą: ^{[ 5 ]}

Q=2H*WVD(3)

• W to szerokość produkowanego arkusza

To równanie bezpośrednio pokazuje, jak szybko zostanie wyprodukowany produkt.

Maksymalne ciśnienie można znaleźć za pomocą: ^{[ 5 ]}

PMAX=15ηλ3VD2H0R2H0(4)

• h ₀ to połowa odległości między rolkami, gdy znajdują się najbliżej siebie (patrz rysunek 4)
• λjest p (patrz równanie 6) przy h ^* (patrz rysunek 4)

Maksymalne ciśnienie zmniejsza się zatem poprzez zmniejszenie prędkości, lepkości lub promienia rolki, bądź poprzez zwiększenie szczeliny między rolkami.

Następne równanie dotyczy siły wytworzonej przez płyn, która powoduje rozdzielenie dwóch rolek: ^{[ 5 ]}

F=3ηVDRW4H0F(P,λ)(5)

• p jest zdefiniowane w równaniu 6

Kluczowe jest, aby siła rozdzielająca walce była jak najniższa. Z równania wynika, że ​​aby to osiągnąć, należy zmniejszyć lepkość, prędkość, promień walca i szerokość arkusza, a także zwiększyć szczelinę między walcami.

p jest zdefiniowane przez: ^{[ 5 ]}

P2=X22RH0(6)

• x = 0 przy h ₀ i wzrasta w prawo

Całkowita moc wprowadzona do obu rolek: ^{[ 6 ]}

Pw=3ηWVD22RH0F(λ)(7)

Podobnie jak w przypadku siły i ciśnienia, aby zmniejszyć moc, należy zmniejszyć lepkość, prędkość wałka, szerokość i promień wałka, a także zwiększyć szczelinę między wałkami. Równanie pokazuje, że moc wejściowa jest najbardziej zależna od prędkości, więc aby ją zmniejszyć, najskuteczniejszym sposobem jest zmniejszenie prędkości wałka. Chociaż spowoduje to zmniejszenie produkcji, to patrząc na równanie 3, widać, że zmiana prędkości ma mniejszy wpływ na wydajność niż na moc.

Dwie funkcje w równaniach 5 i 7 to: ^{[ 6 ]}

F(λ)=(1−λ2)[dębnik−1λ−dębnik−1PI]−[(λ−PI)(1−PIλ)1+PI2](8)

F(P,λ)=(λ−PI1+PI2)[−PI−λ−5λ5(1+PI2)+(1−3λ2)[λdębnik−1λ−PIdębnik−1PI](9)

• pi _to p, w którym materiał roztopiony zaczyna się początkowo kompresować (w miejscu, w którym materiał roztopiony styka się z obydwoma rolkami)

Efekty temperatury

Stwierdzono, że temperatura stopionego płynu jest najwyższa na rolkach. Dzieje się tak z dwóch powodów:

1. ścinanie jest najwyższe po bokach w przepływie laminarnym, dlatego też tarcie i ciepło są tam również najwyższe
2. ciepło jest dodawane do układu poprzez rolki, a płyn nie przewodzi go zbyt dobrze ^{[ 6 ]}

Efekty tego zjawiska mają tendencję do narastania wraz ze wzrostem lepkości cieczy. Podniesienie temperatury walcowania spowodowałoby zmiany w powyższej mechanice cieczy. Zmniejszyłoby to lepkość, a w konsekwencji zmniejszyłoby moc wejściową, ciśnienie i siły rozdzielające walce w cieczy. Zmniejszyłoby to również ryzyko pęknięcia cieczy i poprawiło wykończenie powierzchni, ale wszystko to ma swoją cenę i zwiększa ryzyko degradacji termicznej. ^{[ 5 ]}

Wpływ prędkości na produkt końcowy

Kalander jest w stanie produkować arkusze polimerowe z dużą szybkością. Może produkować arkusze z szybkością od 0,1 do 2,0 ms ^{^-1} . ^{[ 2 ]} Zwiększenie prędkości ma jednak negatywny wpływ na proces, oprócz efektów wymienionych w sekcji Mechanika płynów. Zwiększenie prędkości sprawia, że ​​ciepło ma jeszcze mniej czasu na rozprzestrzenienie się w płynie z rolek, powodując jeszcze większe wahania temperatury. Powoduje to również wzrost sił ścinających w płynie na rolkach, co zwiększa ryzyko wad powierzchniowych, takich jak pęknięcia. ^{[ 5 ]} Prędkość musi być wyraźnie dobrana bardzo ostrożnie, aby uzyskać produkt wysokiej jakości.

gięcie rolkowe

Podczas kalandrowania walce poddawane są dużym naciskom, które w końcowym docisku mogą sięgać nawet 41 MPa. Naciski są najwyższe w środkowej części wałka, co powoduje ich ugięcie. To ugięcie powoduje, że arkusz jest grubszy w środku niż na bokach. Opracowano trzy metody kompensacji tego ugięcie:

1. Koronowanie rolki
2. Gięcie walcowe
3. Przejście przez rolkę

W procesie gięcia walców stosuje się wałek o większej średnicy w środku, aby skompensować ugięcie walca. Gięcie walców polega na przyłożeniu momentów do obu końców walców, aby przeciwdziałać siłom działającym na walec w stopie. Podczas gięcia walców w układzie skrzyżowanym, walce są ustawione pod niewielkim kątem względem siebie, dzięki czemu siła wywierana przez walce na stop jest większa w środku, gdzie walce znajdują się bliżej siebie, a mniejsza siła jest przyłożona na krawędziach, gdzie walce nie znajdują się bezpośrednio nad sobą. ^{[ 9 ]}

Efektywność energetyczna

Wydajność to stosunek energii wejściowej do energii wyjściowej. Wydajność jest zdefiniowana głównie przez równanie 7, a energia wejściowa jest znana jako zużycie energii. Dlatego, aby zwiększyć wydajność, należy obniżyć energię wejściową lub zwiększyć energię wyjściową. Wiele czynników wpływa na energię wejściową, które w ogóle nie przyczyniają się do wydajności. Przed wytworzeniem jakiegokolwiek produktu potrzeba od jednej do dwóch godzin, aby uruchomić kalandr do pracy, gdy jest zimny. ^{[ 4 ]} Z tego powodu wydajność staje się zależna od czasu, a zatem wydajność wzrasta tylko wraz z długością produkcji maszyny, a kalandry można uznać za mające dobrą wydajność tylko wtedy, gdy są używane przez długi czas. Czas można stracić na wiele sposobów, w tym na zmianę zwiniętych arkuszy i regulację ustawień kalandra. Jeśli system można skonfigurować z dwoma rolkami do zbierania gotowego arkusza, a kalandr można szybko przełączyć na rozładowywanie arkuszy na drugim, gdy pierwszy jest pełny czas, można tam zaoszczędzić. W drugim punkcie można to przyspieszyć, mając lepszą automatyczną kontrolę ustawień. Jeśli trzeba to zrobić ręcznie, należy zatrzymać rolki i schłodzić je, ale obecnie większość kalandrów może to zrobić za pomocą sterowania hydraulicznego. Jak wspomniano wcześniej, kalandr zapewnia dużą wydajność topienia w stosunku do ilości wprowadzonej energii mechanicznej. Oznacza to, że temperaturę rolek można utrzymać niższą niż temperatura potrzebna do wytłaczania arkusza, oszczędzając w ten sposób energię cieplną. Aby zapewnić lepszą kontrolę nad temperaturą rolek i zaoszczędzić czas na nagrzewaniu, rolki są wykonane z otworami wywierconymi osiowo. Pozwala to na łatwiejsze nagrzewanie cieczy, używanej do nagrzewania rolek, od zewnątrz, a następnie na jej cyrkulację między rolkami.

odniesienia