压延机是一种将聚合物熔体加工成片材或薄膜的设备。它已经使用了一百多年，最初开发时主要用于加工橡胶，但现在通常用于生产热塑性塑料W片材、涂层和薄膜。[1]压延机在刚发明时并没有变得很流行，主要是因为很难调整辊之间的所需间隙；因此，很难获得准确的片材厚度。直到 20 世纪 30 年代，当机器变得更容易调整时，该工艺才开始流行起来。[2]如今，压延机可以实现大约±{\displaystyle \pm}
内容
工作原理
压延机的概念相当容易理解。该机器的基本原理是将热软化的聚合物挤压在两个或多个辊之间（此区域称为辊隙），以形成连续的片材。要开始该过程，聚合物在通过压延机之前必须经过混合和熔化。混合是一种产生所需聚合物的过程，熔化加热并加工该混合聚合物，使其具有压延机更容易处理的稠度。[3]然后，聚合物就可以通过压延机了，其厚度主要取决于最后两个辊之间的间隙。最后一组辊还决定了表面光洁度；例如，它们可以影响表面的光泽度和纹理。[1]聚合物压延的一个特点是，通过辊的片材往往会跟随与其接触的两个辊中移动速度更快的辊，并且它也会更多地粘在更热的辊上。这就是为什么压延机通常以较小的辊和更高的速度结束以剥离片材。这也是为什么中间的辊通常保持较低的温度，这样纸张就不会粘在其他辊上，也不会因为粘在两个辊上而分裂（这种情况可能发生）。[4]这种分裂现象迫使压延机操作员希望两个辊之间的摩擦比较高，范围从 5/1 到 20/1。[4]
用途
- 地砖
- 连续地板
- 雨衣
- 浴帘
- 桌布
- 压敏胶带
- 汽车和家具装潢
- 墙面覆盖物
- 发光天花板
- 标志和展示
- 等[3]
材料规格
最适合压延的聚合物是热塑性塑料。其中一个原因是它们在比熔点低得多的温度下会软化，因此工作温度范围很广。它们也能很好地粘附在滚筒上，使它们能够很好地穿过链条，但它们粘附得不是太好，会卡在滚筒上。最后一个原因是热塑性熔体的粘度相当低，但它们仍然足够坚固，可以粘在一起，不会到处流动。热敏材料也非常适合压延机，因为压延机对材料施加巨大的压力来加工它们，因此不需要太高的温度来加工它们，从而限制了热降解的可能性。这就是为什么压延通常是加工 PVC 的首选方法。[2]由于工艺的性质，聚合物必须具有在整个片材宽度上一致的剪切和热历史。[5]
优点
现今质量最好的塑料片材都是由压延机生产的。事实上，在片材成型方面唯一能与压延机相媲美的工艺就是挤出W。压延机还非常适合处理热敏感聚合物，因为它几乎不会产生热降解W。压延的另一个优势是，它非常适合混合含有大量固体添加剂的聚合物，这些添加剂无法很好地混合或熔化。这是因为与挤出相比，压延机相对于输入的机械能可以产生很大的熔化速率。[6]因此，公司能够在塑料中添加更多的填充产品，并节省原材料成本。压延机是一种用途非常广泛的机器，这意味着可以很容易地更改设置，例如辊隙的大小。
缺点
尽管压延工艺生产的产品比挤压工艺更好，但也有几个缺点。一个缺点是该工艺的成本更高，这对许多公司来说是一个主要障碍。压延工艺在厚度过高或过低时效果也不好。如果厚度低于 0.006 英寸，则片材中容易出现针孔和空隙。[4]如果厚度大于约 0.06 英寸，则片材中可能会有空气滞留的风险。[7]不过，在该范围内的任何所需厚度，使用压延工艺都会好得多。
类型
压延机主要有三种类型：I型、L型和Z型
我输入
如图 1 所示，I 型压光机多年来一直是使用的标准压光机。它也可以再增加一个辊筒。但这种设计并不理想，因为在每个压区都有向外的力将辊筒推离压区。
L 型
L 型与图 2 中所示相同，但垂直镜像。这两种设置都很流行，因为有些辊与其他辊成 90 度角，所以它们的辊分离力对后续辊的影响较小。L 型压延机通常用于加工硬质乙烯基，而倒置 L 型压延机通常用于加工软质乙烯基。[8]
Z 型
Z 型压延机将每对辊子与链条中的下一对辊子成直角放置。这意味着每个辊子上单独作用的辊分离力不会影响任何其他辊子。[5] Z 型压延机的另一个特点是它们在纸张中损失的热量较少，因为如图 3 所示，纸张仅经过辊子周长的四分之一即可到达辊子之间。[9]大多数其他类型的压延机，这个数字约为辊子周长的一半。
压延物理学
流体力学
可以使用牛顿分析来模拟该过程。建立这些方程需要做出以下假设：[5]
- 两个滚筒之间的流动是对称的
- 流动处于稳定状态且为层流
- 不可压缩流体
- 流体和滚轮之间无滑动
- 滚筒的半径比滚筒之间的间隙大得多，因此可以假设流动发生在平行板之间。
流体/熔体撞击滚筒的速度：[5]
五d=Rω{\displaystyle V_{d}=R\omega \,}
- R 是滚子的半径
- ω{\displaystyle \omega }
是滚轮的角速度，单位为 rad s -1
也可以使用下列方程式在滚轮之间的任何位置找到速度：[5]
五（十）=五d−12ηd磷d十（时长2−是2）{\displaystyle V(x)=V_{d}\frac {1}{2\eta }}{\frac {dP}{dx}}(h^{2y^{2})}
- h 是两个滚轮之间距离的一半 x 距离（见图 4）
- dP/dx 是压力梯度
- y 是计算速度的滚轮中间点的距离
- η{\displaystyle \eta}
是粘度
从方程式可以看出，当熔体靠近滚筒时，其速度会接近滚筒的速度。方程式还表明，在两个滚筒的中间，熔体速度最慢。只有在粘度高、压力梯度低的情况下，熔体速度才能接近滚筒速度。
体积流量可用以下公式建模：[5]
问=2时长∗西五d{\displaystyle Q=2h^{*}WV_{d}\,}
- W 是所生产板材的宽度
这个等式直接显示了产品的生产速度。
最大压力可以用以下公式计算：[5]
磷米一个十=15ηλ3五d2时长0R2时长0{\displaystyle P_{max}={\frac {15\eta \lambda ^{3}V_{d}}{2h_{0}}}{\sqrt {\frac {R}{2h_{0}}}}}
- h 0是滚轮最靠近时两滚轮间距离的一半（见图 4）
- λ{\displaystyle \lambda}
为 p（见公式 6），位于 h *处（见图 4）
因此，通过降低速度、粘度或滚轮半径，或者增加滚轮间隙，可以降低最大压力。
下一个方程式表示由流体引起的使两个滚轮分离的力：[5]
F=3η五dR西4时长0f（页，λ）{\displaystyle F={\frac {3\eta V_{d}RW}{4h_{0}}}f(p,\lambda )}
- p 在公式 6 中定义
至关重要的是，辊分离力应尽可能低。从公式中可以看出，要做到这一点，需要降低粘度、速度、辊半径和片材宽度，并增加辊间隙。
p 定义为：[5]
页2=十22R时长0{\displaystyle p^{2}={\frac {x^{2}}{2Rh_{0}}}}
- x = 0 在 h 0处并向右增加
输入到两个滚筒的总功率：[6]
磷瓦=3η西五d22R时长0f（λ）{\displaystyle P_{w}=3\eta WV_{d}^{2}{\sqrt {\frac {2R}{h_{0}}}f(\lambda )}
和力和压力一样，为了降低功率，需要降低粘度、滚筒速度、宽度和滚筒半径，并增加滚筒间隙。该方程表明，功率输入最依赖于速度，因此，要降低功率输入，最有效的方法是降低滚筒速度。尽管这会降低产量，但从方程 3 可以看出，输出受速度变化的影响小于功率变化。
等式5和7中的两个函数为：[6]
f（λ）=（1−λ2）[棕褐色−1λ−棕褐色−1页我]−[（λ−页我）（1−页我λ）1+页我2]{\displaystyle f(\lambda )=(1-\lambda ^{2})[\tan ^{-1}\lambda -\tan ^{-1}p_{i}]-[{\frac {(\lambda -p_{i})(1-p_{i}\lambda )}{1+p_{i}^{2}}}]}![{\displaystyle f(\lambda )=(1-\lambda ^{2})[\tan ^{-1}\lambda -\tan ^{-1}p_{i}]-[{\frac {(\lambda -p_{i})(1-p_{i}\lambda )}{1+p_{i}^{2}}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d8569ac311769d7f649eb3ad7f4210229bdaf7df)
f（页，λ）=（λ−页我1+页我2）[−页我−λ−5λ5（1+页我2）+（1−3λ2）[λ棕褐色−1λ−页我棕褐色−1页我]{\displaystyle f(p,\lambda )=({\frac {\lambda -p_{i}}{1+p_{i}^{2}}})[-p_{i}-\lambda -5\lambda ^{5}(1+p_{i}^{2})+(1-3\lambda ^{2})[\lambda \tan ^{-1}\lambda -p_{i}\tan ^{-1}p_{i}]}![{\displaystyle f(p,\lambda )=({\frac {\lambda -p_{i}}{1+p_{i}^{2}}})[-p_{i}-\lambda -5\lambda ^{5}(1+p_{i}^{2})+(1-3\lambda ^{2})[\lambda \tan ^{-1}\lambda -p_{i}\tan ^{-1}p_{i}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6ba252761f7c6fbbc26e27f8bf582bb7dfff91c1)
- p i是熔体开始被压缩的位置（熔体与两个辊接触的位置）
温度效应
我们发现，流体熔体的温度在辊子处最高。出现这种情况的原因有两个：
- 层流中，剪切力在侧面最大，因此摩擦和热量也在那里最大
- 热量通过滚轮传送至系统，但流体的传导能力不佳[6]
流体越粘稠，其影响就越大。如果提高轧制温度，上述流体力学就会发生变化。这会降低粘度，从而降低流体中的功率输入、压力和辊分离力。这还会降低流体破裂的可能性，使表面光洁度更好，但这一切都是有代价的，会增加热降解的可能性。[5]
速度对最终产品的影响
压延机能够快速生产聚合物片材。它可以以 0.1 - 2.0 ms ^-1的速度生产片材。[2]除了流体力学部分提到的影响外，提高速度还会对工艺产生负面影响。通过提高速度，热量从滚筒传到流体的时间会更短，从而导致更大的温度变化。它还会导致滚筒处流体的剪切力增加，从而增加出现表面缺陷（如断裂）的可能性。[5]显然，为了生产出优质的产品，需要非常谨慎地选择速度。
卷板机
在压延过程中，辊子承受着巨大的压力，在最终压区压力可高达 41MPa。辊子宽度中间的压力最大，因此辊子会发生偏转。这种偏转会导致所制成的板材中心比侧面厚。目前已开发出三种方法来补偿这种弯曲：
- 轧辊凸度
- 弯辊
- 滚动交叉
辊冠加工使用中心直径较大的辊来补偿辊的偏转。辊弯曲涉及在辊的两端施加力矩，以抵消熔体对辊的力。辊交叉时，辊彼此略微倾斜，因此，辊对熔体的力在中间较大，因为辊彼此重叠较多；而在辊不直接重叠的边缘，施加的力较小。[9]
能源效率
效率是输入能量与输出能量的比率。输出主要由公式 7 定义，输入能量由功耗决定。因此，要提高效率，必须降低输入能量或增加输出能量。许多因素会影响输入能量，而这些因素对输出完全没有贡献。在生产任何产品之前，在冷态下启动压延机需要一到两个小时才能使其进入工作状态。[4]因此，效率取决于时间，因此机器生产时间越长，效率就越高，只有长时间运行的压延机才能被认为具有良好的效率。时间可能以多种方式浪费，包括更换卷起的纸张和调整压延机设置。如果可以设置一个系统，该系统有两个滚筒来收集成品片材，并且可以在第一个压延机满负荷后快速切换到第二个压延机上卸载片材，则可以节省时间。对于第二点，可以通过更好的自动设置控制来加快速度。如果必须手动操作，则必须停止并冷却滚筒，但如今大多数压延机都可以通过控制液压来实现这一点。如前所述，压延机产生的熔化速率与机械能输入量成正比。这意味着滚筒的温度可以保持在低于挤出片材所需的温度，从而节省热能。为了更好地控制滚筒温度并节省加热滚筒的时间，滚筒上都钻有轴向孔。这使得用于加热滚筒的流体更容易从外部加热，然后在滚筒中循环。
参考
- ↑跳至：1.0 1.1 Chanda, Manas 和 Roy, Salil。《塑料技术手册》。Taylor and Francis Group, LLC。2006 年。
- ↑跳至：2.0 2.1 2.2 2.3 Crawford,RJ 塑料工程第 3 版。Butterworth-Heinemann。1998 年
- ↑跳至：3.0 3.1 Schwartz，Mel。《材料、零件和饰面百科全书》，第 2 版。CRC Press LLC，2002 年。
- ↑跳至：4.0 4.1 4.2 4.3 Eighmy, G (1983). 涂层织物日历：技术、用途、比较、故障排除。《涂层织物杂志》第 12 卷。
- ↑跳至：5.00 5.01 5.02 5.03 5.04 5.05 5.06 5.07 5.08 5.09 5.10 Ryan, Anthony 和 Wilkinson, Arthur。“聚合物加工和结构开发”。Kluwer Academic Publishers，1998 年。
- ↑跳至：6.0 6.1 6.2 6.3 Gogos, Costas 和 Tadmor, Zehev。聚合物加工原理。John Wiley & Sons，1979 年。
- ↑ Nutter, James (1991)。工业织物的压延和挤压涂层。《涂层织物杂志》第 20 卷。
- ↑ Berins, ML (1991). SPI 塑料工程手册，美国塑料工业协会，第 5 版. Springer - Verlag。
- ↑跳至：9.0 9.1 Rosato, DV (1998). 挤出塑料 - 实用加工手册。Springer - Verlag。
