Характеристика процесса каландрования.

Семинар 4.
Технология получения полимерных изделий каландровым методом.
Каландровый метод нашел широкое применение в производстве различных
полимерных материалов, пленок, полимерных покрытий, линолеума, искусственной кожи
и т.д. Методом каландрования получают пленочные материалы на основе жесткого и
пластифицированного ПВХ, ацетатов целлюлозы, ударопрочного полистирола, а также
эластомеров. С использованием каландрового метода получают многослойные и
комбинированные материалы.
Основное сырье для производства материалов каландровым методом это ПВХ
(80% ПВХ-пленок в России). Каландрованием получают различные материалы из
эластомеров. Полимерный материал для переработки методом каландрования
должен обладать следующими свойствами:
1. Широким температурным интервалом текучести (пластичности).
2. Достаточно высокая вязкость расплава.
3. Обеспечить получение однородной, гладкой, равнотолщинной пленки.
4. Обеспечивать снятие ее с валков каландра без разрушения и растяжения.
Эти требованиям наиболее полно обеспечивает композиции на основе ПВХ и его
сополимеров, а также резиновые смеси (композиции на основе эластомеров).
Каландрование используются в следующих случаях:
1. Для непрерывного формования тонких полимерных изделий (к ним относятся
пленки и листы).
2. Для нанесения слоя полимерного материала (покрытия) на основу (ткань, бумага,
картон, фольга и тд.).
3. Для дублированя предварительно сформированных полимерных пленок, листов.
4. Для промазывания основы полимерным связующим (например, при получении
прорезиненных материалов и искусственной кожи).
Несмотря на преимущества экструзии каландрования не утрачивает свои позиции и
используются для получения пленок толщиной 0,4 – 1 мм.
Преимущества каландрового метода
1. Осуществляется формования при относительно невысоких температурах.
2. Получение пленочных материалов с достаточно большой толщиной (до 1 мм) при
ширине до 4,5 м.
3. Изготовление не только гладких пленок, но и материалов с тиснением (с
рисунком).
4. Возможность нанесения полимерных материалов на основу и дублирование
полимерных материалов.
Характеристика процесса каландрования.
Каландрования – процесс получения плоского полотна определенной толщины и
ширины, осуществляемый за счет деформации расплава полимера в зазоре между
вращающимися валками. Каландр – многовалковая махина, основным элементом
который является параллельно расположенные и вращающиеся навстречу друг другу
металлические цилиндры (валки). Ширина пленки или листа зависят от длины валков
каландра, а толщина изменяется в зависимости от межвалкового зазора. В зависимости
от конструкции каландра пленка движется через несколько межвалковых зазоров (2 –
4). По мере перехода с одной пары валков на другой зазор уменьшается, а ширина
полотна увеличивается. Зазоры между валками каландра и скорость регулируется
таким образом, чтобы из последнего зазора пленка выходила заданной ширины и
толщины. Формование на каландрах происходит в переходной области между ВЭ и ВТ
состоянием.
Конструкция валков каландра.
Валки каландра обычно изготавливают из высококачественного чугуна и рабочую
поверхность полируют до зеркального блеска. Каландры предназначены для работы до
230 0С, вследствие этого валки обогревают паром или теплоносителем, который
подводится по специальным каналам, либо используют электрообогрев. Скорость
вращения валков регулируется. Обычно она находится в интервале 8 – 50 м/мин (до
100 м/мин). Каландрование обычно проводят при наличии фрикции (υ 2/υ1=Кф –
коэффициент фрикции Кф=1,05 – 1,3 чаще всего Кф=1,06 – 1,1). Длина 4 – 4,5 м.
Диаметр =800 – 850 мм.
Основная сложность конструкция подшипников, на которых вращаются валки.
Отличия процессов каландрования и вальцевания.
1. Каландрования – непрерывный процесс, а вальцевание периодический.
2. Каландрование – процесс формования изделий, а вальцевание – процесс
смешения.
3. Полимеры при каландровании проходят межвалковый зазор один раз, а при
вальцевании много раз.
4. Скорость вращения валков при вальцевание больше.
5. Кф при вальцевании (1,2 – 1,4) больше, чем при каландровании (1,05 -1,3).
1.
2.
3.
4.
Стадии технологического процесса
Смешение компонентов и нагревание композиции.
Формирование полотна (каландрование).
Охлаждение.
Намотка и резка полотна.
1 стадия.
Смешение процесс многостадийный. Для этого применяют смесители различного
типа, в зависимости от характера от вводимых компонентов. Сначала проводят
смешение на макроуровне. Далее массу подают на вальцы или двух шнековый
смеситель (или экструдер), где происходит окончательное смешение, нагревание и
гомогенизация композиции. По мере передвижения с одной ступени смешения на
другую температура полимерной композиции повышается и перед подачей на каландр
она близка к температуре текучести полимера. Полимерная композиция подается на
каландр в виде жгута или ленты пленки.
Для подачи композиции на каландр применяется поворотное загрузочное
устройство
(качающийся
транспортер),
что
способствует
равномерному
распределению массы по ширине валков. Для предотвращения охлаждения полимера
используют ИК – нагреватель.
Существует несколько современных вариантов технологических схем каландрового
метода:
1. Пластикация смеси на червячных прессах (микструдеры) с последующей
подачей на четырех или пяти валковый каландр. →
2. Смеситель закрытого типа → питающие вальцы → четырех валковый каландр.
3. Непрерывный смеситель → разогревательные вальцы →стрейнер-экструдер →
четырех валковый каландр.
4. Экструдер планетарного типа и трех валковый каландр.
Основные производители: «Бусс», «Краус-Маффей», «Берсдорф».
Основные типы каландров.
Существует 9 основных типов каландров:
1. Двухвалковый – предназначен для изготовления толстых пленок и для нанесения
рисунков на поверхность.
2. Трех валковый – предназначен для изготовления листовых или пленочных
материалов из ПВХ, толстых пленок из эластомеров для осуществления
дублирования.
3. Четырех валковый – для изготовления жестких ПВХ пленок, листовой резины,
одно- и двухстороннего нанесения полимерных покрытий на основу.
4. и 5. Наиболее распространенные конструкции – четырех валковые каландры с Гобразным расположением валков. Предназначены для изготовления мягких
пластифицированных ПВХ-материалов и для дублирования.
6. и 7. Четырех и пяти валковые каландры с L-образным расположением валков.
Предназначены для получения жестких ПВХ-материалов.
8. и 9. Универсальные четырех валковые каландры с Z- и S- образным
расположением валков. Предназначены для производства ПВХ-пленок, листовой
резины и нанесения покрытий на различную основу.
Механизм процесса каландрования.
При вращении попарно расположенных валков масса за счет сил адгезии
затягивается в сужающийся межвалковый зазор, где приобретают форму бесконечного
полотна. Рабочие зоны каландра ограничены дугами захвата АВ и А1В2 с радиусом
равным радиусу валка. Наружные слои материала движутся со скоростью движения
валков V1 и V2; при попадание меж валковый зазор материал сначала подвергается
действию сил выталкивания, а затем вовлекается в зону валков благодаря силам трения.
Разность скоростей движения отдельных слоев материала вызывает значительную
деформацию сдвига, что способствует пластикации полимера. Скорость слоев материала
max в момент прохождения межвалкового зазора, а затем снижается до скорости валков.
Вследствие этого толщина полотна, выходящего из зазора, увеличивается. Это
связано:
1. С уменьшением скорости материала на выходе из зазора;
2. С обратимой ВЭ-ной деформацией, которая зависит от реологических свойств
полимера.
Для характеристики движения материала в межвалковом зазоре используют
следующие показатели:
1. Величина дуги захвата АВ;
2. Линейное обжатие материала (hн-hк) – разность толщины слоев.
Эти показатели во многом зависят от коэффициента трения материала о поверхность
валка.
Особенности каландрования.
При формовании полотна происходит 2 противоположных процесса:
1. прохождение полимера через межвалковый зазор. На этом этапе в полимере в
результате деформаций возникают напряжения;
2. Связан с релаксацией напряжений в полимере при движении его по свободной
поверхности валка. Поэтому для характеристики процесса каландрования
используют такой показатель, как суммарный угол охвата валков каландра – угол
движения материала по свободной поверхности валка.
Чем больше суммарный угол охвата валков, тем больше время пребывания
полимера на каландре, тем полнее протекание релаксационных процессов, тем выше
качество пленки (полотна).
1.
2.
1.
2.
3.
4.
Преимущества каландров с Г- и L-образным положением валков:
Эти конструкции имеют высокое значение суммарного угла охвата валков (540°,
630°).
Наличие выносного валка, что позволяет избежать пульсации материала и
поддерживать избыток полимера в первом межвалковом зазоре.
Основные параметры процесса каландрования:
Температура валков.
Величина межвалкового зазора.
Скорость вращения валков.
Коэффициент фрикции.
Производительность каландра вычисляется по следующей формуле:
N = δBwρα,
где δ – толщина полимерного полотна,
В – ширина полотна,
w – скорость движения полотна,
ρ – плотность,
α – коэффициент использования каландра.
Условия движения материала по каландру.
Чтобы обеспечить прохождение материала от загрузочного до калибровочного
зазора необходимо:
1. Последовательно повышать температуру валков каландра;
2. Последовательно увеличивать скорость вращения валков каландра.
Например, при получении пластифицированных ПВХ-материалов температура 1 и 2
валков составляет 150-170 С, 3 и 4 – 160-180 С.
Коэффициент фрикции в каждом отдельном случае определяют экспериментально исходя
из свойств материала, скорости процесса и толщины пленки.
Методы компенсации прогиба валков каландра.
При движении расплава между валками возникают значительные распорные усилия
(от 7 до 70 МПа), за счет которых происходит изгиб валков и толщина пленки в
центральной части увеличивается. Это приводит к разнотолщинности пленки.
Конструкция валков каландра предусматривает механизм компенсации прогиба валков.
Основные способы компенсации прогиба:
1. Бомбировка;
2. Перекрещивание валков;
3. Контризгиб валков.
1. Бомбировка – валки имеют не строго цилиндрическую формы, а несколько
бочкообразную. Величина бомбировки невелика и составляет 0,3-0,4 мм.
2. Перекрещивание валков – повышает зазор по краям в горизонтальной плоскости.
Недостаток данного метода – возможность смещения формуемого полотна.
3. Контр-изгиб – искусственно создают изгибающий момент, противоположный по
знаку распорному усилию. Для этого к концам валка прикладывают внешнюю силу
с помощью специальной гидравлической системы.
В современных конструкциях используют сочетание всех 3-х способов компенсации
изгиба валков.
Факторы, влияющие на качество пленки:
1. Качество обработки поверхностей валков.
2. Температура расплава полимера – она должна быть такой, чтобы в межвалковом
зазоре не возникало большого давления. При высокой Т вязкость полимера
уменьшается и это затрудняет съем пленки на выходе из каландра.
3. Характер перехода расплава полимера с валка на валок. Чем больше скорость
последующего валка, тем меньше шероховатость полученной пленки.
4. Характер съема пленки с валков каландра. При съеме растягивающие напряжения
должны быть минимальными.
Устройства, расположенные в технологической схеме после каландра
Пленка, сходя с каландра, проходит ряд устройств и агрегатов, оказывающих
существенное влияние на ее качество.
1.Съемный валок, или многовалковое съемное устройство. Обеспечивает съем
пленки с последнего валка каландра без растяжения и разрушения.
2.Гладильное устройство ( или теснильные валки). Гладильное устройство это валки
с хромированной поверхностью с высокой степенью обработки для придания поверхности
изделия высокого качества. Тиснильные валки применяются для нанесения рисунка на
полотно.
3.Роликовый конвеер. Способствует дальнейшей релаксации пленки от напряжений
и повышает ее качество.
4.Охлаждающее валковое устройство.
5.Измерительная станция – изменяет профиль и толщину пленки и может
производиться автоматическая регулировка толщины путем воздействия на величину
межвалкового зазора каландра.
6.Узел резки. Предназначен для обрезки кромок пленки.
7.Компенсаторное устройство. Обеспечивает выравнивание скорости отбора пленки
и сматывания ее в рулон. Здесь происходит дополнительная релаксация напряжений в
пленке.
8.Намоточная станция с узлом отрезания. Обеспечивает безнатяжное равномерное
сматывание материала в рулон.
Формование изделий из листовых материалов
Формование изделий из листовых материалов представляет собой процесс, при
котором лист из термопластичного полимера, нагретый до температуры размягчения,
подвергается вытяжке, с приданием ему необходимой конфигурации, а затем,
охлаждается.
Для формования используются полимерные материалы, имеющие ярко
выраженную область ВЭ состояния (аморфные полимеры). Наиболее легко формуются
изделия из следующих полимеров: ПВХ, полистирол, полиакрилаты; несколько
сложнее из кристаллических полимеров: ПП, ПЭт.
Методом формования изготавливают изделия различной конфигурации и имеющие
одинаковую толщину всех стенок. Особенно широко применяется при изготовлении
крупногабаритных изделий, например, для изготовления ванн, или, панелей для
холодильника. Применяют для изготовления тонкостенных изделий: разовой посуды,
упаковочной тары (поддонов).
Данный метод применяется, когда метод литья под давлением неприменим, или
экономически невыгоден. Метод используется в мелкосерийном производстве, т.к.
технологическая оснастка этого метода проще и дешевле чем при литье под
давлением.
Отличие метода формования от метода литься под давлением
1. Отсутствие сдвигового течения расплава.
2. Придание изделию конфигурации в ВЭ состоянии, при температурах,
обычно не превышающих температуру текучести полимера.
3. Формование за счет растяжения полимера.
Три основных метода формования:
1. Штампование
2. Пневмоформование
3. Вакуумформование.
Основные стадии процесса:
1. Закрепление листовой заготовки.
2. Нагревание
3. Предварительная выдержка.
4. Формование.
5. Охлаждение
6. Извлечение изделия.
Лист полимера зажимается в зажимной раме. К листу подводиться нагреватель и
производиться нагрев до температуры формования. Перед формование производиться
вытяжка изделия. Вытяжка осуществляется пуансоном (поршнем) – который закреплен на
подвижном поддоне. Затем включается вакуум или создается давление, которое
прижимает лист к формующей поверхности пуансона. После того как лист примет
необходимую конфигурацию, он охлаждается формующей поверхностью, а затем
извлекается из формы. Для этого через нижний патрубок подается сжатый воздух.
Известны методы формования с помощью толкателя. Но эта схема считается общей.
Нагревание осуществляется в шкафу, электромагнитным полем высокой частоты, или
ИК – нагревателями. Наиболее часто применяют ИК - нагреватели.
Формование осуществляется при температуре нижней стороны листа, близкой к
температуре текучести или температуре плавления полимера. Толстые листы обычно
нагревают с двух сторон.
Предварительная вытяжка – используется при изготовлении глубокодонных изделий,
для того чтобы снизить разнотолщинность. Предварительную вытяжку проводят
толкателем (пуансоном). При движении толкателя сначала происходит вытяжка боковых
стенок, а затем, под действием сжатого воздуха или вакуума происходит вытяжка листа
по днищу. При формовании без толкателей лист вытягивается преимущественно по
днищу, и изделие имеет значительную разнотолщинность. При изготовлении изделий
небольшой глубины, предварительная вытяжка не производиться.
Формование изделия производиться вследствии вытяжки листа под действием пресса,
сжатого воздуха или вакуума. Скорость деформации листовой заготовки определяеся
скоростью преремещения пресса или определяеся давлением ( в методе вакуумного и
пневмоформовании). В каждом случае выбирается в зависимости от свойств полимера,
температуры формования, температуры формы, толщины стенок изделия.
Процесс формования оценивается по коэффициенту вытяжки, который зависит от
конфигурации и габаритов изделия:
К В   л  и 1,
где δл – толщина листа, δи – толщина изделия.
В момент формования мужду поршнем и формующей поверхностью находится воздух,
для его удаления в форме делают каналы диаметром 1-2 мм. В случае вакуума отводами
служат каналы для отсасывания воздуха из формы.
Охлаждение осуществляется за счет:
 Отвода теплоты стенками формы.
 Путем обдува сжатым воздухом.
 Комбинированным способом.
Охлаждение может быть одно и двух сторонним. Продолжительность охлаждения
зависит от: толщины изделия, температуры формы, теплопроводности полимера. При
резком охлаждении может произойти корабление изделия, и так же искажение
оформления ребер и острых углов изделия.
Методы формования
1. Штампование
Формование изделия из листовых заготовок методом штампования производиться на
прессах с помощью которых создается необходимое давление. Различают три способа
штампования:
1) Штампование между матрицей и пуансоном.
2) Штампование в матрицу эластичным пуансоном.
3) Формование толкателем.
1.1. Штампование между матрицей и пуансоном. Лист закрепляется в зажимной
раме, нагревается и укладывается на матрицу. При опускании пресса лист деформируется
и приобретает форму матрицы. Зажимная рама по размеру несколько больше чем матрица,
поэтому вытяжка происходит по всей поверхности листовой заготовки, что обеспечивает
разнотолщинность изделия. В конце формования заготовка пережимается прескантами
пресса и изделие вырубается по контуру формы.
Данный метод применяется для формования изделий сложной формы, т.к. с помощью
пресса можно создать большое давление.
«-» метода:
 Высокая стоимость формы.
 Необходимость точного соответствия размеров матрицы и пуансона.
1.2. Штампование в матрицу эластичным пуансоном. Данный метод применяется
для изготовления не глубоких и несложных изделий.
В качестве эластичного пуансона используют губчатую резину или резиновую
диафрагму. Под действием давления губчатая резина деформируется и производит
вытяжку заготовки, плотно прижимая ее к матрице. Если используется резиновая
диафрагма, то ее закрепляют на поддоне. Между поддоном и диафрагмой находится
жидкость, которая распределяет давление по всей поверхности матрицы.
1.3. Формование толкателем. Применяется для изготовления изделий простой
конфигурации в виде усеченного конуса, пирамиды или их разновидностей. Формование
изделия зависит от зажимной рамы и толкателя.
«-» метода: Процесс охлаждения протекает достаточно медленно следствии того, что
заготовка соприкасается с формой ре по всей поверхности.
2. Пневмоформование
В данном методе вытяжка листа при формовании осуществляется за счет усилия
создаваемого сжатым воздухом. Существует несколько вариантов.
1) Свободное выдувание
2) Пневмоформование в матрицу
3) Пневмоформование в матрицу с вытяжкой заготовки толкателем
2.1.Свободное выдувание. Лист закреплен на поддоне рамой. Заготовка нагревается.
Через отверстие в поддоне подается сжатый воздух. Под действием сжатого воздуха
лист вытягивается и образует изделие в виде полусферы. Высота изделия регулируется
давлением воздуха. Охлаждение производится за счет обдува струей воздуха. Для
получения изделий одинаковой высоты используют ограничитель, при касании
которого с заготовкой подача воздуха автоматически прекращается.
2.2.Пневмоформование в матрицу. Разогретую заготовку укладывают на матрицу и
закрепляют к поддону. Через отверстие в поддоне подается сжатый воздух. Лист
вытягивается и прижимается к охлаждающим стенкам матрицы. Данный способ
применяется для изготовления изделий с большой толщиной стенок.
2.3.Формование в матрицу с предварительной вытяжкой толкателем. Данный
способ применяют для изготовления глубоких изделий. Заготовку укладывают на
матрицу, закрекрепляют
поддоном. Затем опускают толкатель. Происходит
предварительная вытяжка изделия. Затем через отверстие в толкателе подается сжатый
воздух, происходит окончательное формование изделия.
3. Вакуумформование
Наиболее простой и распространенный способ формования из листовых заготовок т.к.:

Применяемые формы менее сложной конструкции, чем в других методах,

За вытяжкой можно наблюдать визуально.
1) Процесс осуществления вытяжки под действием вакуума имеет несколько
разновидностей:
2) Вакуум формование в матрицу.
3) Вакуум формование на пуансоне.
4) Вакуум формование на пуансоне с предварительной вытяжкой сжатым воздухом
5) Комбинированное вакуум формование.
Формование на поточных линиях
«-» метода формования из листовых заготовок:
1. Высокие отходы производства
2. Длительность технологического цикла.
При массовом производстве изделий экономичности достигают за счет:
 Применения многогнездных форм – при одновременном формовании нескольких
изделий используется одна зажимная рама.
 Совмещение процессов экструзии листовой заготовки и формования изделия. То
есть, расплав полимера, после выхода из щелевой головки частично охлаждается до
температуры формования, а затем поступает на стадию формования из листовых
заготовок.
Таким образов формование на поточных линиях с использование многогнездных форм
позволяет уменьшить расход полимера, уменьшить трудоемкость процесса и потребление
энергии.