Polymer calendering/pt

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Uma calandra é um dispositivo usado para processar um polímero fundido em uma folha ou filme. Ela está em uso há mais de cem anos e, quando foi desenvolvida pela primeira vez, era usada principalmente para processar borracha, mas hoje em dia é comumente usada para produzir folhas, revestimentos e filmes termoplásticos ^{W. [ 1 ]} A calandra nunca se tornou muito popular quando foi inventada, principalmente porque era difícil ajustar a folga desejada entre os rolos; consequentemente, era difícil obter uma espessura de folha precisa. O processo não começou a se tornar popular até a década de 1930, quando as máquinas se tornaram mais fáceis de ajustar. ^{[ 2 ]} Hoje em dia, as calandras podem atingir tolerâncias em torno de±0,005 mm. ^{[ 2 ]}

Como funciona

O conceito da calandra é bastante fácil de entender. A ideia básica da máquina é que ela espreme um polímero amolecido pelo calor entre dois ou mais rolos (essa área é chamada de nip) para formar uma folha contínua. Para iniciar o processo, o polímero deve passar pela mistura e pelo fluxo antes de passar pela calandra. A mistura é um processo que cria o polímero desejado e o fluxo aquece e trabalha esse polímero misturado para torná-lo uma consistência mais fácil para a calandra manusear. ^{[ 3 ]} O polímero está então pronto para passar pela calandra e o deixará com uma espessura dependente principalmente da folga entre os dois últimos rolos. O último conjunto de rolos também determina o acabamento da superfície; por exemplo, eles podem influenciar o brilho e a textura da superfície. ^{[ 1 ]} Uma coisa sobre polímeros sendo calandrados é que a folha que passa pelos rolos tende a seguir o rolo de movimento mais rápido dos dois com os quais está em contato e também adere mais aos rolos mais quentes. É por isso que as calandras normalmente possuem um rolo menor, em velocidade mais alta, para remover a folha. É também por isso que o rolo do meio normalmente é mantido mais frio, para que a folha não grude nos outros rolos nem se parta ao grudar em ambos os rolos, o que pode acontecer. ^{[ 4 ]} Esse fenômeno de divisão forçou os operadores de calandra a desejar uma alta taxa de atrito entre os dois rolos, que varia de 5/1 a 20/1. ^{[ 4 ]}

Usos

• ladrilho de chão
• piso contínuo
• capa de chuva
• cortinas de chuveiro
• toalhas de mesa
• fita sensível à pressão
• estofamento automotivo e de móveis
• revestimentos de parede
• tetos luminosos
• placas e displays
• etc. ^{[ 3 ]}

Especificações do material

Os melhores polímeros para calandragem são os termoplásticos. Uma razão para isso é porque eles amolecem em temperaturas muito mais baixas do que sua temperatura de fusão, proporcionando uma ampla faixa de temperaturas de trabalho. Eles também aderem bem aos rolos, permitindo que continuem bem pela corrente, mas não aderem muito bem e ficam presos no rolo. A última razão é que os derretimentos termoplásticos têm uma viscosidade bastante baixa, mas ainda são fortes o suficiente para se manterem juntos e não escorrerem por todo o lugar. Materiais sensíveis ao calor também são ótimos para calandras porque as calandras colocam imensas pressões sobre os materiais para trabalhá-los e, portanto, não precisam de temperaturas tão altas para processá-los, limitando as chances de degradação térmica. É por isso que a calandragem costuma ser o método de escolha para o processamento de PVC. ^{[ 2 ]} Devido à natureza do processo, os polímeros devem ter um histórico de cisalhamento e térmico consistente em toda a largura da folha. ^{[ 5 ]}

Vantagens

As folhas de plástico de melhor qualidade hoje são produzidas por calandras; na verdade, o único processo que compete com a calandra na conformação de folhas é a extrusão ^W . A calandra também é muito boa no manuseio de polímeros sensíveis ao calor, pois causa muito pouca degradação térmica ^W . Outra vantagem da calandragem é que ela é boa na mistura de polímeros que contêm grandes quantidades de aditivos sólidos que não são misturados ou fundidos muito bem. Isso é verdade porque, em comparação com a extrusão, a calandra produz uma grande taxa de fusão para a quantidade de energia mecânica que é colocada. ^{[ 6 ]} Devido a isso, as empresas podem adicionar mais produto de enchimento aos seus plásticos e economizar dinheiro em matérias-primas. As calandras são máquinas muito versáteis, o que significa que é muito fácil alterar configurações como o tamanho da folga do rolo.

Desvantagens

Embora o processo de calandragem produza um produto melhor do que o processo de extrusão, há algumas desvantagens. Uma desvantagem é que o processo é mais caro para executar, o que é um grande impedimento para muitas empresas. O processo de calandragem também não é tão bom em calibres muito altos ou muito baixos. Se a espessura for inferior a 0,006 polegadas, há uma tendência para furos e vazios aparecerem nas folhas. ^{[ 4 ]} Se a espessura for maior do que cerca de 0,06 polegadas, há um risco de aprisionamento de ar na folha. ^{[ 7 ]} Qualquer espessura desejada dentro dessa faixa, no entanto, seria muito melhor usando um processo de calandragem.

Tipos

Existem 3 tipos principais de calendário: o tipo I, o tipo L e o tipo Z

Eu digito

O tipo I, como visto na Figura 1, foi por muitos anos a calandra padrão utilizada. Também pode ser construído com mais um rolo na pilha. Este projeto não era o ideal, pois a cada aperto há uma força externa que empurra os rolos para longe do aperto.

tipo L

O tipo L é o mesmo visto na Figura 2, mas espelhado verticalmente. Ambas as configurações se tornaram populares e, como alguns rolos estão a 90 ^° em relação a outros, suas forças de separação dos rolos têm menos efeito sobre os rolos subsequentes. Calandras do tipo L são frequentemente usadas para processar vinis rígidos, enquanto calandras do tipo L invertido são normalmente usadas para vinis flexíveis. ^{[ 8 ]}

Tipo Z

A calandra tipo Z posiciona cada par de rolos em ângulos retos em relação ao próximo par na corrente. Isso significa que as forças de separação dos rolos que atuam individualmente em cada rolo não afetarão nenhum outro rolo. ^{[ 5 ]} Outra característica da calandra tipo Z é que ela perde menos calor na folha porque, como pode ser visto na Figura 3, a folha percorre apenas um quarto da circunferência do rolo para passar entre os rolos. ^{[ 9 ]} Na maioria dos outros tipos, isso equivale a cerca de metade da circunferência do rolo.

Física da Calandragem

Mecânica dos Fluidos

Utilizando uma análise newtoniana, o processo pode ser modelado. As suposições que tiveram que ser feitas para desenvolver essas equações são: ^{[ 5 ]}

1. O fluxo é simétrico entre os dois rolos
2. O fluxo está em estado estacionário e é laminar
3. Fluido incompressível
4. Não há deslizamento entre o fluido e os rolos
5. O raio do rolo é muito maior que a folga entre os rolos, o que permite supor que o fluxo esteja ocorrendo entre placas paralelas.

A velocidade do fluido/fusão contra os rolos: ^{[ 5 ]}

Vd=Rω(1)

• R é o raio dos rolos
• ωé a velocidade angular dos rolos em rad s ^-1

A velocidade também pode ser encontrada em qualquer lugar entre os rolos usando a próxima equação: ^{[ 5 ]}

V(x)=Vd−12ηdPdx(h2−e2)(2)

• h é a metade da distância entre os dois rolos x distância (veja a Figura 4)
• dP/dx é o gradiente de pressão
• y é a distância da metade do caminho entre os rolos para a qual a velocidade está sendo calculada
• ηé a viscosidade

A equação demonstra que a velocidade do fluxo se aproxima da velocidade dos rolos à medida que se aproxima deles. Isso também demonstra que a velocidade será mais lenta no meio dos dois rolos. Somente com alta viscosidade e baixo gradiente de pressão a velocidade do fundido poderia se aproximar da velocidade do rolo.

O fluxo volumétrico pode ser modelado por: ^{[ 5 ]}

P=2h*CVd(3)

• W é a largura da folha que está sendo produzida

Esta equação mostra diretamente a rapidez com que o produto será produzido.

A pressão máxima pode ser encontrada com: ^{[ 5 ]}

Pmumx=15ηλ3Vd2h0R2h0(4)

• h ₀ é metade da distância entre os rolos quando eles estão mais próximos (ver Figura 4)
• λé p (ver equação 6) em h ^* (ver Figura 4)

A pressão máxima é, portanto, diminuída pela diminuição da velocidade, da viscosidade ou do raio do rolo ou pelo aumento da folga do rolo.

A próxima equação é para a força, causada pelo fluido, que atua para separar os dois rolos: ^{[ 5 ]}

F=3ηVdRC4h0f(p,λ)(5)

• p é definido na equação 6

É fundamental que essa força de separação dos rolos seja a menor possível. A partir da equação, pode-se observar que, para isso, a viscosidade, a velocidade, o raio do rolo e a largura da folha precisam ser reduzidos, e a folga entre os rolos precisa ser aumentada.

p é definido por: ^{[ 5 ]}

p2=x22Rh0(6)

• x = 0 em h ₀ e aumenta para a direita

A potência total de entrada em ambos os rolos: ^{[ 6 ]}

Pc=3ηCVd22Rh0f(λ)(7)

Assim como para que a força e a pressão reduzam a potência, a viscosidade, a velocidade, a largura e o raio do rolo precisam ser reduzidos, e a folga entre os rolos precisa ser aumentada. A equação mostra que a potência aplicada depende principalmente da velocidade; portanto, para reduzir a potência aplicada, a maneira mais eficaz é diminuir a velocidade do rolo. Embora isso reduza a produção, a análise da equação 3 mostra que a saída é menos afetada por uma mudança na velocidade do que a potência.

As duas funções nas equações 5 e 7 são: ^{[ 6 ]}

f(λ)=(1−λ2)[bronzeado−1λ−bronzeado−1peu]−[(λ−peu)(1−peuλ)1+peu2](8)

f(p,λ)=(λ−peu1+peu2)[−peu−λ−5λ5(1+peu2)+(1−3λ2)[λbronzeado−1λ−peubronzeado−1peu](9)

• pi _é p onde o material fundido inicialmente começa a ser comprimido (onde o material fundido faz contato com ambos os rolos)

Efeitos da temperatura

Constatou-se que a temperatura do fluido fundido é mais alta nos rolos. Isso ocorre por dois motivos:

1. o cisalhamento é maior nas laterais do fluxo laminar e, portanto, o atrito e o calor também são maiores ali
2. o calor é adicionado ao sistema através dos rolos, e o fluido não o conduz muito bem ^{[ 6 ]}

Os efeitos disso tendem a crescer em magnitude ainda mais quanto mais viscoso for o fluido. Se a temperatura de laminação fosse aumentada, haveria mudanças na mecânica dos fluidos acima. Isso diminuiria a viscosidade; consequentemente, diminuiria a potência de entrada, a pressão e as forças de separação de rolagem no fluido. Também diminuiria as chances de uma fratura no fluido e tornaria o acabamento da superfície melhor, mas tudo isso tem um preço e aumenta as chances de degradação térmica. ^{[ 5 ]}

Efeitos da velocidade no produto final

The calender is able to produce the polymer sheeting at a fast rate. It can produce sheeting at a rate between 0.1 - 2.0 m s^{^-1}.^[2] Increasing the speed though has negative effects on the process, apart from the effects mentioned in the Fluid Mechanics section. By increasing the speed the heat has even less time to spread throughout the fluid from the rollers causing an even greater temperature variation. It also causes an increase in shear forces in the fluid at the rollers, which increases the chances of surface defects like fractures.^[5] The speed clearly needs to be chosen very carefully in order to produce a quality product.

Roll Bending

In calendering the rollers are under great pressures, which can reach up to 41MPa in the final nip. The pressures are highest in the middle of the width of the roller and due to this the rollers get deflected. This deflection causes the sheet being made to be thicker in its center than it is at its sides. There are three methods that have bee developed to compensate for this bending:

1. Roll crowning
2. Roll bending
3. Roll crossing

Roll crowning uses a roller that has a bigger diameter in its center to compensate for the deflection of the roller. Roll bending involves applying moments to both ends of the rollers to counteract the forces in the melt on the roller. With roll crossing the rollers are put at a slight angle to each other and because of this the force of the rollers on the melt is higher in the middle where the rollers are on top of eachother more, and less force is applied on the edges where the rollers are not directly over top of each other.^[9]

Energy Efficiency

A eficiência é uma relação entre a energia de entrada e a energia de saída. A saída é definida principalmente pela equação 7 e a energia de entrada é conhecida pelo consumo de energia. Portanto, para aumentar a eficiência, é necessário diminuir a energia de entrada ou aumentar a energia de saída. Muitas coisas influenciam a energia de entrada que não contribuem em nada para a saída. Antes de fabricar qualquer produto, leva de uma a duas horas para inicializar uma calandra em condições de trabalho quando está fria. ^{[ 4 ]} Devido a isso, a eficiência se torna dependente do tempo e, portanto, a eficiência só aumenta quanto mais tempo a máquina estiver produzindo e as calandras só podem ser consideradas como tendo uma boa eficiência se forem executadas por um longo período. O tempo pode ser perdido de muitas maneiras, incluindo a troca de folhas enroladas e o ajuste das configurações da calandra. Se um sistema puder ser configurado com dois rolos para coletar as folhas acabadas e a calandra puder ser rapidamente alternada para descarregar as folhas no segundo depois que o primeiro estiver cheio, o tempo pode ser economizado. Para o segundo ponto, isso pode ser acelerado por meio de melhores controles automatizados para as configurações. Se tiver que ser feito manualmente, os rolos precisam ser parados e resfriados, mas hoje em dia a maioria das calandras pode fazer isso por meio de controles que operam sistemas hidráulicos. Como mencionado anteriormente, a calandra produz altas taxas de fusão para a quantidade de energia mecânica de entrada. Isso significa que a temperatura dos rolos pode ser mantida abaixo da temperatura que seria necessária para executar uma extrusão da folha, economizando energia térmica. Para manter melhor controle sobre a temperatura do rolo e economizar tempo no aquecimento dos rolos, eles são feitos com furos perfurados axialmente. Isso permite que o fluido, usado para aquecer os rolos, seja aquecido mais facilmente externamente e, em seguida, circule através dos rolos.

Referências