- •Технология пластмасс
- •©Павлодарский государственный университет им. С.Торайгырова, 2006 утверждаю
- •Введение
- •1 Физико-химические основы процесса
- •1.1Структура полимеров
- •1.2 Особенности строения кристаллизующихся и аморфных полимеров
- •1.3 Влияние условий переработки на структуру и свойства полимеров
- •2 Свойства полимеров
- •3 Пластические массы
- •3.1 Классификация пластмасс
- •3.2 Технологические свойства пластмасс
- •3.3 Физико-химические основы переработки пластмасс
- •3.4 Марочный ассортимент полимеров
- •4 Способы изготовления деталей из пластмасс
- •4.1 Классификация методов изготовления пластмасс и формование
- •4.2 Подготовка полимеров к переработке
- •4.3 Сушка полимеров - удаление влаги испарением
- •4.4 Таблетирование пластмасс
- •5 Способы механической обработки
- •5.1 Особенности механической обработки
- •6 Метод экструзии
- •6.1 Технология производства труб методом экструзии
- •7 Изготовление изделий из термопластов литьем под давлением
- •7.1 Технология литья под давлением
- •7.2 Впрыск расплава
- •7.3 Выдержка под давлением
- •7.4 Охлаждение изделия
- •7.5 Раскрытие формы и извлечение изделия
- •8 Влияние технологических параметров на качество изделий
- •8.1 Изготовление изделий каландрованием
- •8.2 Смешение компонентов и нагревание композиции
- •8.3 Формование полотна
- •8.4Охлаждение и намотка полотна
- •9 Получение пластмасс
- •9.1 Взаимное превращение новолачных и резольных смол
- •9.2 Полимеризация винилхлорида
- •Литература
- •Содержание
8.4Охлаждение и намотка полотна
Полученное полотно охлаждается при помощи валков, внутрь которых подается вода. В зависимости от конструкции устройства процесс охлаждения может быть односторонним или двухсторонним. При производстве пленки или листов из полиэтилена, полипропилена и ряда других полимеров необходимо обеспечивать прижим пленки к поверхности охлаждаемого барабана или валка Охлаждение полотна из кристаллизующихся полимеров следует проводить при равномерной температуре поверхности валка или барабана, поскольку от этого зависит однородность структуры и степень кристалличности. Для достижения этих условий на внутренней поверхности охлаждающих валков не должно быть ребер, а охлаждающая жидкость должна распределяться равномерно.
Температуру охлаждающих валков обычно выбирают с учетом обеспечения заданной степени кристалличности или других свойств, предъявляемых к пленке. Длина дуги валка, охватываемой расплавом S, и число валков т рассчитывают, исходя из времени охлаждения и скорости движения пленки:
, (28)
где v — скорость движения пленки;
tохл — время охлаждения, рассчитываемое по уравнению двухсторонней нестационарной теплопередач.
Пленка наматывается в виде рулонов на трубчатые бобины. При намотке создается определенное усилие, чтобы исключить образование в рулоне гофров или складок. Перед намоточным агрегатом обычно установлены ножи, обрезающие боковые утолщенные кромки, и толщиномеры, измеряющие толщину пленки по ширине. После намотки полотна в полимере продолжают протекать релаксационные процессы, сопровождаемые изменением линейных размеров, поэтому, чтобы исключить деформацию пленки, через определенное время необходимо перемотать ее на новые бобины и ослабить внутреннее натяжение полотна. Иногда эту операцию совмещают с термообработкой. В тех случаях, когда пленка поставляется в виде отдельных отрезков, ее разрезают (с помощью гильотинных ножей) и укладывают в виде пакетов.
Закономерности движения расплава полимера в зазоре между валками.
Рассмотрим изотермическое течение, когда цилиндрические валки радиусом R вращаются с различной угловой скоростью и ,рисунок 39. Как видно из рисунка, масса поступает в зазор и образует на входе запас материала, когда расстояние между валками равно 2 ,. Минимальный зазор между валками равен 2 , а на выходе пленки, где происходит отрыв расплава от одного из валков, он равен 2 . Для указанных точек координаты по оси z равны zs, 0 и zB.
Рисунок 39 - Изменения размеров и распределения давления в межвалковом зазоре
Давление в точке с координатой z -= zs равно нулю, а затем достигает максимального значения при z = zм, где глубина канала равна 2hм. В месте отрыва расплава от одного из валков давление вновь становится равным нулю. Таким образом, рост и падение давления обусловлены профилем зазора. Когда зазор на входе уменьшается, давление резко возрастает, затем рост его замедляется. При подходе к самому узкому сечению для продавливания массы между валками требуется дополнительная затрата внешней силы, поэтому часть давления расходуется на преодоление вязкого течения. Исходя из этого, в точке с координатой z=zм градиент давления меняет знак, и при последующем течении происходит уменьшение давления. Постепенно к выходу расстояние между валками возрастает и градиент давления уменьшается. В связи с таким профилем распределения давления в точке z=zм оно достигает максимального значения и dp/dz = 0. Межзалковый зазор h изменяется в зависимости от координаты z:h = R + h0- . Это легко доказывается, если рассмотреть треугольник, рисунок 39, у которого гипотенуза равна R, а один из катетов z.
При анализе процесса течения расплава принимаем, что скольжение на поверхности валков отсутствует. Вследствие того что угловая скорость валков во времени не меняется, инерционными силами пренебрегаем. Считаем, что реологические свойства описываются степенным реологическим уравнением, а гравитационные силы по сравнению с силами вязкости сравнительно малы. На основании принятых допущений из уравнения движения находим:
, (29)
Интегрируя данное уравнение, для фиксированного значения координаты г получаем:
, (30)
Постоянную интегрирования C1 находим при следующих граничных условиях: при у = 0 скорость сдвига в середине зазора, обусловленная перепадом давления, равна нулю.
Напряжение сдвига будет зависеть только от разности окружных скоростей валков и зазора между ними
, (31)
где V1 и V2 — окружные скорости валков, V1= ω1R, V2= ω1R = ω1fR.
При отсутствии фрикции валков f = 1 и С1 = 0.
Подставив в уравнение выше найденное значение С1 и значения V1 и V2, имеем
, (32)
Для нахождения скорости потока используем реологическое уравнение состояния:
Решая совместно уравнения получаем
, (33)
Интегрируя уравнение, находим
, (34)
Постоянную интегрирования определяем с учетом следующих граничных условий
у= h, = , тогда
, (35)
Подставив это значение С2, в уравнение скорости, имеем:
(36)
Эпюры распределения скорости по глубине зазора в различных сечениях показаны на рисунке 37. Как видно из рисунка, при положительном градиенте давления скорость движения расплава, обусловленная вращением валков, не совпадает со скоростью, вызванной градиентом давления, поэтому при большом значении dp/dz в середине межвалкового зазора появляется поток, направленный в противоположную сторону. При отрицательном градиенте давления составляющие скорости суммируются, поэтому эпюра скорости становится выпуклой, и обратный поток исчезает.
Объемный расход расплава, проходящего через межвалковый зазор, можно определить, воспользовавшись выражением
, (37)
С учетом уравнения выше имеем
, (38)
В полученные уравнения входит неизвестная величина — градиент давления. Для нахождения ее воспользуемся законом сохранения массы, согласно которому расходы на входе и на выходе должны быть равны. Исходя из этого, имеем
, (39)
где hB — размер зазора в месте отрыва расплава от второго валка.
, (40)
где Кв — коэффициент вытяжки пленки при отводе;
— толщина пленки.
Таким образом, решая совместно уравнения , находим градиент давления dp/dz, а затем рассчитываем напряжение сдвига, скорость и производительность с учетом длины валков каландров
, (41)
где - длина валков каландров.
Для определения давления необходимо проинтегрировать уравнение градиента давления
, (42)
С3 находят с учетом граничных условий: z = zs, p = О, так как давление на входе равно нулю.
Координату zs определяют по объему запаса расплава Vs, создаваемого на входе в межвалковый зазор
, (43)
где S — площадь сегмента высотой hs — h0.
, (44)
где .
Подставив полученные равенства в выражение находим
, (45)
Таким образом, полученная система уравнений описывает закономерности изотермического течения расплава в межвалковом зазоре. Поскольку обычно температура валков отличается от температуры расплава, который к тому же дополнительно нагревается вследствие диссипации энергии вязкого течения, то течение расплава следует рассматривать в неизотермических условиях с учетом уравнения энергии
(46)
при следующих начальных и граничных условиях: у=0, dT/dy= 0, Т = Т(t); у=±h,T=Тв; z=zs., Т = T0. Здесь Тв— температура валков; То — начальная температура массы; ср, , и р — удельная теплоемкость, теплопроводность и плотность расплава. Рассмотрение процесса каландрования с учетом неизотермических условий течения позволяет определить все параметры, однако выполнить точное решение уравнений можно только с использованием ЭВМ.