Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов)

температура несколько снижается и сохраняется в дальнейшем примерно на одном уровне. Это объясняется снижением диссипа­ тивных тепловыделений в сечении максимального давления (на­ пряжения сдвига равны нулю) и некоторым выравниванием тем­ пературного поля вследствие теплопроводности. В основной массе каландруемого материала профиль температурного поля опреде­ ляется процессом конвективного переноса тепла.

Неравномерный характер распределения температур следует учитывать при выборе режимов каландрования термочувствитель-

7Qcarw a 3 i3 К; П =5,2; 6 =*0,01 К- 1 ; Ро равно:

/ —0,2*; г —ода; 3 — 0,51 МПас'/я.

ных полимеров (например, склонных к подвулканизации ре­ зиновых смесей). Расчетные и экспериментальные данные пока­ зывают, что локальные прираще­ ния температуры в сечении каландруемого листа при высоких скоростях каландрования высо­ ковязких смесей могут достигать нескольких десятков градусов. Можно полагать, что именно ло­ кальный разогрев является при­ чиной таких видов наблюдающе­ гося при каландровании брака, как пористость и пузыри, являю­ щиеся следствием преждевремен­ ной локальной вулканизации

(или термодеструкции) резиновых смесей и лимитирующие мак­ симальную скорость каландрования.

ВЛИЯНИЕ НА ПРОФИЛЬ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ВАРИАЦИИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРА

Исследование влияния реологических и теплофизических характе­ ристик на профиль температур проводили численным методом, варьируя в определенных пределах один из параметров при фикси­ рованных значениях всех остальных. Рассчитанные таким образом для трех разных значений |io профили температурного поля в сече­ нии минимального зазора приведены на рис. X. 13. Из рисунка видно, что увеличение коэффициента консистенции сопровождается ростом разогрева, достигающего 9 К при р0 = 0,512 МПа-с1/5’12 При этом зависимость прироста температуры от коэффициента кон­

Влияние теплофизических характеристик. Влияние вариации теплофизических характеристик на профиль температур исследо­ вали аналогичным способом. Установлено, что увеличение коэффи­ циента теплопроводности приводит к сглаживанию температурного поля При этом локальный разогрев заметно уменьшается, макси­ мумы температуры в поперечном сечении смещаются в глубь ли­ ста, а температура центральной части возрастает. Увеличение удельной температуры материала приводит к снижению разогрева и смещению максимумов температуры к поверхности.

ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ В ОБЛАСТИ ДЕФОРМАЦИИ

В качестве характеристики температурного поля воспользуемся максимальным приращением температуры в сечении минимального зазора. Результаты теоретического и экспериментального исследо­ ваний приращения температуры в зависимости от величины ха­ рактеризующей величину запаса, при изменении ее в диапазоне

Для тРех полимерных материалов представлены на рис. X. 16. Как видно из рисунка, приращение температуры прямо пропорционально координате входа.

Увеличение окружной скорости валков также вызывает пример­ но пропорциональный рост разогрева (рис. X. 17). Значение про­ изводной dhT/dkU определяется реологическими и теплофизиче­

ную форму. Диаметр средней части такого валка делают несколько большим, чем на его концах, а профиль поверхности выполняют по параболе. Применение бомбировки позволяет полностью скомпен­ сировать прогиб валка только для одного определенного значения Распорного усилия, соответствующего для каждого материала оп­ ределенным значениям параметров процесса (h0i С/, Т). Изменение любого из этих параметров, и прежде всего толщины каландруемого изделия, сопровождается изменением распорного усилия и, следовательно, изменением прогиба валка. Поэтому одна бом­ бировка Никогда не может обеспечить полной компенсации про­ гиба валка при всех рабочих режимах [4, с. 117; 15; 18; 21—23].

Перекрещивание валков —это метод, при котором внешний ка­ либрующий валок поворачивается в горизонтальной плоскости во­ круг вертикальной оси, проходящей через середину валка. Вслед­ ствие поворота зазор на краях валка оказывается больше, чем в середине. Изменение зазора между валками, достигаемое при пере­ крещивании, можно определить из выражения:

Выражение (X. 17) — это уравне­ ние равнобочной гиперболы. Сопо­ ставление его с уравнением (X. 16), описывающим линию прогиба вал­ ка, показывает, что метод перекре­ щивания не обеспечивает полной компенсации прогиба по всей длине валка. Даже если подобрать вели­

то и в этом случае сечение каландруемого листа не будет иметь пра­ вильной прямоугольной формы. До­ стигаемая при этом степень компен­ сации приведена на рис. X. 21, а, б и с [3]. Несмотря на неполноту ком­ пенсации, преимущество метода пе­ рекрещивания очевидно, поскольку, изменяя величину перекрещива­ ния, можно подбирать нужную сте­ пень компенсации в зависимости от

свойств материала и толщины пленки.

Расположение валков каландра оказывает существенное влияние на распорное усилие и на фактический прогиб. Если сопоставить схемы на­ гружения L-образного и Z-образ-

ного каландров (рис. X. 22) и подсчитать действующие на валки суммарные нагрузки, предполагая, что режимы каландрования полностью идентичны, то окажется, что нагрузка на валки Z-образ- ного каландра примерно в 1,5 раза больше, чем на валки L-образ­ ного. Соответственно возрастает и подлежащая компенсации вели­ чина прогиба. Тем не менее Z-образный каландр обладает суще­ ственным преимуществом по сравнению с I- и L-образными ка­ ландрами. Это преимущество заключается в том, что при Z-образ- ном расположении можно независимо регулировать зазор каждой

пары валков.

Из рис. X. 22 видно, что для компенсации прогиба валков 2 и 3 можно повернуть в горизонтальной плоскости ось валка 2 относи­ тельно осп валка 3. Прогиб между валками 1>2У3 и 4 компенси­ руется поворотом в вертикальной плоскости осей валков 1 и 4. Кроме того, такое расположение валков оводит до минимума вза­ имное влияние распорных усилий, изменение которых вследствие изменения свойств материала или температурного режима приво­ дит к изменению прогиба и, следовательно, к изменению толщины листа [5].

Рис. X. 22. Схема нагружения валков L-образного (а) и Z-образного (б) каландров. На­

Контризгиб валков — метод компенсации прогиба, который со­ стоит в том, что к концам внешнего калибрующего валка прикла­ дываются усилия, создающие изгибающий момент, противополож­ ный по знаку моменту, возникающему под действием распорного

усилия.

Изменения профиля зазора, возникающие в результате контр­ изгиба, описываются выражением:

Если подобрать значение силы F так, чтобы полностью компен­ сировать прогиб в середине валка, то, как и при перекрещивании, компенсация не будет совершенной (см. рис. Х.21). Интересно, что степень компенсации, достигаемая при контризгибе валков, мало отличается от степени компенсации, достигаемой за счет перекре­ щивания валков.

Большая часть современных каландров оснащается как бомбированными валками, так и устройствами для перекрещивания или контризгиба валков. Комбинируя эти методы удается добиться компенсации прогиба, при которой максимальные отклонения тол­ щины пленки от номинального значения не превышают 1—2 мкм [21, 22].

Одной из часто встречающихся на практике задач является определение максимальной гарантированной точности профиля, ко­ торую можно обеспечить при каландровании тонких пленок. Распо­ лагая данными о реологических свойствах материала, а также све­ дениями о температурном и скоростном режимах, можно по фор­ муле (X. 15) рассчитать максимальный прогиб. Затем, подбирается величина, перекрещивания, причем, смещение валков рассчиты­ вается так, чтобы перемещение на краю равнялось удвоенному прогибу валка [см. уравнение (X. 17)].

В качестве примера рассмотрим следующую задачу. На калан­ дре с диаметром валков 910 мм и длиной 2330 мм производится выпуск пленки толщиной 0,05 мм из пластифицированного поливи­ нилхлорида. Температура валков 443 К, частота вращения вал­ ков— 2,1 об/с. Реологические свойства расплава поливинилхлори­ да при температуре переработки описываются степенным уравне­

рис. X. 21. Если величина перекрещивания валков определяется из условия полной компенсации прогиба в центре, то смещение конца валков должно составлять 11 мм. Изменение профиля зазора пока­ зано на рис. X. 21, а (кривая 2). Достигаемая при этом компенса­ ция определяется как разность значений прогиба и увеличения за­ зора (см. рис. X. 21,6). Видно, что отклонения профиля пленки от прямоугольного составляют в этом случае ±2,5 мкм.

ВЫВОДЫ

Современные теоретические представления о процессе калиброва­ ния основаны на анализе течения псевдопластичной несжимаемой жидкости в зазоре между двумя вращающимися валками.

Математические модели первого приближения рассматривают изотермическое течение и позволяют достаточно точно рассчиты­ вать основные кинематические характеристики течения (поле ско­ ростей, объемный расход).

Математические модели второго приближения построены на ре­ зультатах, полученных при численном исследовании неизотермиче­ ского течения. Эти модели позволяют учитывать существование температурной зависимости вязкости и теплообмен между каландруемым полимером и валками. Используя такие модели, удается правильно рассчитывать температуру каландруемого материала, а также более точно определить основные кинетостатические пара­ метры процесса (распорное усилие, давление в зазоре, мощность привода).