Вальцевание и каландрование

Вальцевание – это метод переработки полимеров заключающийся в многократном пропускании материала через зазор между нагретыми металлическими валками, которые вращаются навстречу друг другу(рис.1.а). Под действием температуры и механических усилий в зазоре между вальцами материал переходит из твердого состояния (стеклообразного) в вязкотекучее, при этом он подвергается деформационым усилиям, размягчается, смешивается и гомогенизируется. В процессе вальцевания материала происходит его сжатие сопровождающееся деформацией сдвига. Значительные сдвиговые напряжения в рабочем зазоре, приводят к механодеструкции (уменьшению молекулярной массы макромолекул).

В зависимости от температуры вальцевания макрорадикалы, что образуются вследствие механохимических процессов, могут либо дезактивироваться, что приведет к снижению молекулярной массы полимера, либо рекомбинироваться, давая при этом блок- и привитые сополимеры. Это явление широко используется в технологии переработки пластмасс.

Рис 1 Схема вальцевания (а) и каландрования (б)


Процесс вальцевания используют для смешения игредиентов с полимерами, совмещения полимеров с пластификатором, для получения листов и пленок, для подогрева и размягчения готовых полимеров, для получения блок- и привитых сополимеров.

Для увеличения интенсивности деформирования вальцы вращаются с разными скоростями. При этом скорость вращения заднего валка w2 больше скорости вращения переднего (рабочего) валка w1. Отношение w2/w1 называют коэффициентом фрикции или просто фрикцией. Чаще всего величина коэффициента фрикции составляет 1,1 - 1,4. Вальцы могут работать в периодическом или непрерывном режиме.

Каландрование – это метод переработки полимерных материалов, который применяют для непрерывного формования различных пленочных или листовых изделий, нанесения на поверхность листовых материалов рельефного рисунка, дублирования предварительно отформованных ленточных заготовок, армирования полимерных материалов тканями или сеткой при температуре выше температуры текучести или температуры плавления. Каландрование осуществляют на агрегатах непрерывного действия, основной частью которых является многовалковый каландр (рис 1.б).

В отличие от вальцевания при каландровании полимерный материал проходит через зазор только один раз. Чтобы получить пленку калиброванной толщины, он должен пройти несколько зазоров, образованных вальцами каландра. Поэтому каландры имеют три и больше валков.

Валки каландра вращаются со значительно большей скоростью, чем при вальцевании.

В зазор первой пары валков подается горячий гомогенизированный и пластифицированный материал. Вдоль поверхности вальцов слои материала двигаются со скоростью, что приравнивается к линейной скорости вальцов. Внутренние слои материала вначале движения поддаются силе выталкивания, а потом втягиваются в зазор между валками вследствие сил трения. Разница скоростей отдельных слоев материала вызывает деформацию сдвига и улучшает пластикацию материала. При приближении к зазору скорость средних слоев резко увеличивается и в момент его прохождения достигает максимального значения, а потом уменьшается и падает до скорости вальцев.

Рис. 2 Схема линии формования пленки методом каландрования:
1 – экструдер; 2 – валки каландра; 3 – охлаждающие валки; 4 – тянущее устройство; 5 – наматывающее устройство; 6 – экструзионная головка

Тоесть, течение расплава в межвалковом зазоре происходит с изменением скорости и с изменяемым градиентом давления.

Такое большое изменение скорости течения по глубине канала вызывает развитие высоких напряжений сдвига, что, с одной стороны, улучшает гомогенизацию, а с другой – при високой частоте оборотов валков, напряжение сдвига обуславливает сильную ориентацию макромолекул в направлении течения. Этот эффект усиливается еще и тем, что температура расплава на валках невысокая (рассмотрим ниже), и после каландра расплав быстро охлаждается на валках (охлаждающих), из-за этого релаксация напряжений – маловероятна.

Направленое течение полимерного расплава с высокой вязкостью при прохождении по валкам каландра приводит к ориентации макромолекул в направлении каландрования. Это является причиной анизотропии механических свойств и усадки готовой пленки: прочность пленки и усадка в продольном направлении (в направлении каландрования) является више, чем в поперечном. Это явление имеет название «каландровый эффект» и является нежелательным. Предварительной пластикацией массы и повышением температуры вальцев уменьшают каландровый эффект и влияние высокоэластической деформации при формовании пленок методом каландрования.

Температура каландрования существенно влияет на качество погонажного изделия. Главным образом она определяет степень ориетации полимеров – и чем выше температура, тем меньше степень ориетации. Чисто технологически температура определяется условиями снятия пленки с валка каландра. Она должна находится в пределах температуры текучести (Тт) перерабатываемого материала, а пленка снимаемая с каландра не должна прилипать к нему, а также терять свою заданную форму. Следут также учитывать, что врезультате вязкоупругих свойств расплава, при его прохождении через зазор между валками, возникают сильные распорные усилия, которые приводят в первую очередь диссипации энергии (выделение энергии в виде тепла) вследствии особенностей процессов происходящих в зазоре которые были описаны выше, и соответственно к изгибанию валков, которого достаточно для проявления такого дефекта как разнотолщиность пленки. В результате распорных усилий валков – полотно в центральной части имеет утолщение. Возникающее давление растет с увеличением скорости оборотов валков и вязкости расплава.

Рис. 3 Форма и схема размещения валков


Для интенсификации процесса скорость оборотов валков поддерживают на довольно высоком уровне, в результате чего прогиб валков неизбежен. Для устранения разнотолщиности применяют разные способы, среди которых такие как: валки изготавливают с «бомбировкой» тоесть в утолщением при смещении к центру вдоль его оси; расположение валков по перекрестной схеме (небольшое перекрещивание осей валков). При производстве современного оборудования валкового типа используют комбинированые методы решение данной задачи.

Вследствии высокой консентрации ориентационных напряжений у пленки во избежание последующего ее коробления, к температуре предьявляются высокие требования, а именно равномерность прогрева рабочих поверхностей (отсутствии резкого градиента), а также равномерное ее охлаждение на охлаждающих валках.

На сегодняшний день валковые машины используются для получения листов и пленок из винипласта, поливинилхлоридного пластиката, при производстве ацетилцэлюлозных этролов, фенольных пресс-материалов.

Все термопласты, имеющие ярко выраженную область плавления и достаточно высокую вязкость, могут быть переработаны на каландре, например: ПВХ с пластификатором и без него, сополимеры винилхлорида, ударопрочный полистирол (УПС) и акрилонитрил-бутадиенстирол (АБС); сложный эфир целлюлозы; полиолефины.

Наиболее часто каландровой технологией перерабатывают непластифицированный и пластифицированный ПВХ, а также сополимеры винилхлорида. Основная причина такого положения состоит в том, что ни один другой метод не позволяет добиться такой рентабельности при изготовлении пленки (листов) из ПВХ.

Поверхность валков в зависимотсти от назначения продукции может быть либо идеально гладкой, либо текстурной, однако в обоих случаях она должна быть: износостойкой, иметь очень низкую шероховатость поверхности (для уменьшения прилипания материала) что достигается хромированием с последующей шлифовкой и полировкой.

Верхний «несущий» слой валка должен быть изготовлен из стали имеющей большую твердость и прочность, что обеспечит долговечность, а также создаст возможность для восстановления рабочей поверхности при ее полном или частичном износе.