Вальцевание. Каландры.

Вальцеванием называется метод переработки полимерных материалов, который состоит в многократном прохождении сырья сквозь зазор между подогретыми металлическими валками, совершающими вращательные движения на встречу друг другу. Температура и прилагаемые механические усилия действуют так, что полимер из твердого материала превращается в вязкотекучий. Полимер становится мягким, перемешивается и, наконец, гомогенизируется, под действием деформационных усилий. Процесс вальцевания подразумевает сжатие материала, которое сопровождается деформацией сдвига и, как следствие, уменьшением молекулярной массой макромолекул.

Показатель температуры во время вальцевания влияет на макрорадикалы, которые возникают в результате механико-химических процессов. Макрорадикалы могут:

• Дезактивироваться, что приведет к сокращению молекулярной массы полимера.
• Рекомбинироваться, что даст блок- либо привитые сополимеры. Данное явление широко распространено в технологии переработки пластмасс.

Ниже находится схема, описывающая процессы вальцевания и каландрования.

Вальцевание применяется с целью:

• Смешения необходимых компонентов с полимерами (в результате использования данного технологического процесса, получают листы и пленки);
• Нагрева и размягчения готовых полимерных материалов;
• Получения блок- и привитых сополимеров.

Для повышения уровня интенсивности деформирования, вальцы совершают вращательные движения с разной скоростью. При этом, скорость с которой вращается задний валок (w2), выше скорости вращения переднего валка (w1). Отношение скоростей заднего и переднего валка называется фрикцией (либо коэффициентом фрикции). Как правило, данный коэффициент составляет от 1.1 до 1.4. Вальцы способны функционировать в двух режимах: периодическом или непрерывном.

Каландрование является методом непрерывной переработки полимерного сырья. Данная технология используется в области:

• Изготовления листовых или пленочных изделий;
• Нанесения на поверхность листов рельефных материалов;
• Дублирования заранее приготовленных ленточных заготовок;
• Армирования полимерного сырья тканями либо сеткой, при показателе температуры выше температуры текучести или плавления.

Метод каландрования применяется на машинах способных работать непрерывно, основным элементом таких агрегатов является многовалковый каландр. В процессе каландрования полимер пропускается через зазор только один раз, в отличие от процесса вальцевания. Для получения пленки калиброванной толщины, полимер должен пройти сквозь несколько зазоров, которые образует вальцы каландра. Каландры оснащаются тремя или более валками, которые совершают вращательные движения со значительно большей скоростью, чем в процессе вальцевания. Сначала в зазор, который образует первая пара валков, подается горячий гомогенизированный и пластифицированный материал. Слои материала движутся вдоль поверхности вальцов со скоростью, которая равна линейной скорости вальцов. Вначале движения, внутренние слои материала подвергаются силе выталкивания, а затем в результате сил трения, втягиваются в зазор между валками. Слои материала двигаются с разной скоростью, что обеспечивает улучшенную пластификацию материала и вызывает деформацию сдвига. По мере того, как материал приближается к зазору, скорость средних слоев резко растет. В момент, когда слой проходит через зазор, скорость достигает максимальных значений. После того, как зазор пройден, скорость постепенно уменьшается и падает до скорости вальцов.

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

Таким образом, в зазоре между валками, расплав течет с изменением скорости и градиентом давления. Значительный перепад скоростей течения по глубине канала способствует высокому напряжению сдвига, который улучшает гомогенизацию, но вызывает сильную ориентацию макромолекул по направлению течения. Данный эффект усиливается тем, что на валках температура расплава невысока и расплав быстро охлаждается после каландра. Благодаря этому, маловероятна релаксация напряжений.

Ориентация макромолекул по направлению каландрования, является результатом направленного течения высоковязкого полимера по валкам. Результатом данного процесса является анизотропия механических свойств, а также усадка пленки, т.е. «каландровый эффект». Данный эффект, а также высокоэластичную деформацию уменьшают путем предварительной пластификации массы и увеличением уровня температуры вальцов.

На качество погонажного изделия влияет температура каландрования, которая определяет степень ориентации полимеров. Уровень температуры должен находиться в рамках температуры текучести перерабатываемого полимера, а снимаемая с каландра пленка не должна к нему прилипать и терять свою форму. Нужно отметить, что в результате прохождения расплава между валками возникают распорные усилия, которые могут привести к изгибу валков. Результатом изгиба валком является производство пленки с неравномерной толщиной.

Для устранения проблемы разнотолщинности, применяют различные способы:

• Использование валков с утолщением при смещении к центру вдоль его оси;
• Расположение валков по перекрестной схеме;
• Комбинированный способ.

В настоящее время валковые машины применяют для изготовления пленок и листов из таких материалов как винипласт, пластификат ПВХ, фенольные пресс-материалы, а также ацетилцеллюлозные этролы. Поверхность валков может быть гладкой либо текстурной, в зависимости от производимого изделия. В тоже время поверхность валка должна быть стойкой к износу и иметь низкий уровень шероховатости. Верхний слой валка производится из высокопрочной стали, что обеспечивает долговечную работу.

Валковыми машинами называют оборудование, которое применяется в процессах переработки полимеров и производства изделий. Вальцеванием называют группу процессов по переработке полимерного сырья. Оборудование, которое производит готовые изделия или полуфабрикаты из полимера называется каландрами, соответствующая группа процессов носит название каландрования.

Вальцы и каландры подвергают полимер механическому воздействию в области зазора между валками. Механические процессы в данном случае являются основными технологическими эффектами.

Валковые машины являются одним из наиболее часто применяемых видов оборудования в области переработки резиновых смесей и пластмасс. Вальцы и каландры являются разновидностями валкового оборудования. Каландры применяются для изготовления пленок и листов (в том числе с рисунком), а также для нанесения полимерного покрытия на тканевую или другую основу. Вальцы активно используются при смешении, гомогенизация компонентов, пластикации, дроблении, перетирании и прочих технологических операциях. Процессы переработки полимеров на каландрах и вальцах во многом аналогичны.

Ключевые рабочие органы вальцов представлены двумя полыми цилиндрическими валками, которые совершают вращательные движения навстречу друг другу и имеют различные окружные скорости. Оси валок располагаются в горизонтальной плоскости. Количество валков может составлять от 2 до 5 единиц, они образуют пары с противоположным направлением вращения.

Схемы обработки массы на валковых машинах

Перерабатываемый полимер затягивается с поверхности валков в область зазора благодаря воздействию сил зацепления, после чего деформируется или разрушается.

Вальцы способны производить множество технологических операций, но конструктивно просты и оснащены следующими элементами:

• Литой фундаментной плитой с ребрами жесткости;
• Двумя станинами, стянутыми поперечинами;
• Двумя полыми цилиндрическими валками;
• Неподвижными корпусами подшипников заднего валка;
• Подвижными корпусами подшипников переднего валка;
• Механизмами регулировки зазора, ограничительными стрелками;
• Системой охлаждения/нагрева валков;
• Системой смазки тормозного и аварийного устройства.

В машинах, оснащенных одной парой валков, полимер проходит сквозь один зазор. В машинах, оснащенных более чем двумя валками, полимер проходит последовательно через несколько зазоров между валками.

Основными рабочими органами валковых машин являются вальцы. Вальцы оснащены двумя литыми станинами (располагающимися на фундаменте) и двумя валками. В станинах есть два окна, где монтируются два корпуса с подшипниками для валков. Корпуса подшипников переднего валка могут перемещаться, корпуса заднего – неподвижны. Станины закрываются сверху траверсами. Передняя пара подшипников двигается посредством двух механизмов регулировки зазора, которые обеспечивают возможность создания рабочего зазора между валками.

Детали валковой машины:
1 - электродвигатель привода; 2 - подшипники; 3 - устройство для аварийного останова; 4 - механизм регулирования зазора; 6 - станина; 7 - ограничительная стрела; 8 - поддон; 9 - фундаментная плита; 10 - валки.

Нажимные винты (регулировочные) активируются индивидуальными электродвигателями посредством двухступенчатых червячных редукторов (автоматически) либо посредством маховичка (вручную). Механизмы регулировки зазора располагаются на станине со стороны переднего валка. Конечные выключатели ограничивают раздвижку валков и в случае аварийного состояния выключают приводы электрических двигателей. Ограничительные стрелы не позволяют вальцуемой смеси перемещаться за пределы рабочей поверхности валков. Поддон под валками собирает крошки материала.

Кинематическая схема вальцов представлена на Изображении 6. Трансмиссионный вал состоит из стандартных звеньев, соединяющихся посредством дисковых муфт и располагается под вальцами. Электрический двигатель и редуктор сообщают крутящий момент:

1. трансмиссионному валу;
2. заднему валу;
3. переднему валу (через фрикционную пару).

Групповой привод оснащен асинхронными тихоходными электрическими двигателями.

Кинематическая схема агрегата подогревательных вальцов из трех машин:

1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - трансмиссионный вал; 4 - соединительные муфты; 5 - вальцы

Выбор привода вальцов зависит от экономических факторов. Если привод индивидуальный, то мощность электрического двигателя должна соответствовать максимальному уровню нагрузки в начальный момент работы вальцов. Далее двигатель функционирует с недогрузкой. Чтобы избежать перегрузки двигателя, в моменты максимального расхода электроэнергии, показатель его мощности должен превышать средний от 1.5 до 2 раз. Нагрузка на двигатель выравнивается, если используются вальцы со сдвоенным или групповым двигателем. Причина состоит в том, что начало загрузки сырья на одни вальцы смещено относительно других.

Поверхность валков может быть гладкой или рифленной. Валки производятся полыми. Во внутреннюю полость подается охлаждающая или нагревающая жидкость. В процессе работы с резиновыми смесями, существует необходимость охлаждать валки водой. При работе с пластмассами, валки, напротив, нагреваются посредством перегретого пара.

Схема обогрева может применяться, в том числе, для охлаждения валков. В кольцевом зазоре направляющей втулки и нажимной крышки устанавливается сальниковое уплотнение. Теплоноситель подается по трубе, которая расположена внутри валка. Схема охлаждения предполагает подвод воды по трубе, которая проходит во внутреннюю полость валка. Для того, чтобы вода выходила на внутреннем участке трубы, на рабочей части валка есть форсунки, сквозь которые распыляется вода со скоростью 6-12 м/с. После чего вода собирается внизу и заполняет полость валка. Вода проходит через отверстия в направляющей втулке и собирается в сливной воронке, после чего выбрасывается в канализацию.

Изображение 7. Схемы обогрева (а) и охлаждения (б) валков:

Подшипники вальцов для переработки эластомеров смазываются централизованно. Ручная станция густой смазки подает смазку к узлам посредством автоматических питателей. Система смазки является циркуляционной (масло перемещается по замкнутой системе с фильтром-холодильником и охлаждает подшипники). Специальный механизм устанавливает зазор между валками вальцов. Механизм представлен винтовой парой (неподвижно закрепленной в станине гайкой и винтом, который упирается в корпус подшипника переднего валка).

Чтобы обеспечить равномерный зазор по длине валков, некоторые конструкции механизма регулирования оснащены блокированием, которое также обеспечивает перемещение подшипников.

Чтобы вальцы не ломались, между винтом и опорной втулкой корпуса подшипника монтируется предохранительная шайба. В случаях перегрузки, шайба срезается, в результате чего зазор между валками резко увеличивается.

Валки являются основными рабочими органами валковых машин. Валковая машина может быть оснащена двумя или более валками. Оси валков располагаются горизонтально и параллельно друг другу. Валки вращаются в противоположных направлениях и образуют пары.

Изображение 9. Схемы переработки полимера на валковых машинах.

Перерабатываемая масса затягивается с поверхности валка в зазор и подвергается деформации. Если валковая машина оснащена одной валковой парой, она может осуществлять следующие варианты работы:

• Полимер подают в зазор, который образуют валки и удаляют после того, как материал однократно прошел сквозь него. Способ подачи материала может быть непрерывным или периодическим. (Изображение 9а).
• Полимер после прохождения зазора прилипает к валкам (одному или обоим) и возвращается в зону загрузки. Способ подачи материала периодический. Переработанный материал удаляется после того, как он многократно пройдет через зазор.
• Полимер проходит сквозь зазор многократно, но подача материала происходит непрерывно. Области удаления и подачи сырья смещены относительно друг друга по направлению осей валков.

В процессе обработки полимеров на валковых машинах, осуществляются следующие виды обработки материалов:

• Пластификация – повышение уровня текучести материала, как результат его деформации;
• Смешение – повышение качества однородности материала;
• Диспергирование – очищение от твердых включений большого размера;
• Подогрев материала перед тем, как он будет загружен в другие перерабатывающие машины;
• Рафинирование – очищение от твердых включений твердого размера;
• Дробление;
• Нанесение полимерных покрытий на основу;
• Профилирование заготовок – улучшение поверхности или тиснения рисунка на пленочных материалах.

Вальцы активно используются в следующих процессах:

• Смешение;
• Гомогенизация компонентов;
• Пластикация;
• Дробление;
• Перетирание;
• Прочие технологические операции.

Процессы переработки полимеров на каландрах и вальцах во многом аналогичны.

Вальцевые машины способны производить листы и пленки (в том числе многослойные), блок- и привитые сополимеры, наносить на поверхность изображения и рельефы, а также армировать полимерные материалы посредством тканей или сеток. Данное оборудование активно используется в химической и резиновой промышленности

Полимерное оборудование

Оборудование для переработки полимерных материалов
Оборудование и линии по переработке пластиковых бутылок
Прессовое оборудование для полимеров. Машины таблетирования
Процесс переработки полимерной пленки. Линии (оборудование) мойки (очистки) и сушки полимерной пленки
Термопластавтоматы (литьевые машины)
Экструдеры и экструзионные линии