2785.Теоретические основы переработки полимеров

женное описание процесса раздува цилиндрической заготовки с по­ стоянным радиусом R t и толщиной Л* до размеров R 0 и Л0. При этом

были использованы следующие допущения: а) течение представляет

из экспериментальных данных, приведенных на рис. 15.15 для ПИБ, вязкость при плоском растяжении f\pl при очень малых скоростях

С помощью выражения (15.5-9) можно в любой момент времени рассчитать радиус при любом значении постоянного или завися­ щего от времени давления. Например, при Р = const время раздува

заготовки равно:

мера возможно только, если скорость растяжения ниже критичес­

Тем не менее в выдувных изделиях (контейнерах) в направлении О обнаруживается значительная ориентация, из чего следует, что нужно принимать в расчет и высокоэластические деформации, возникающие в процессе растяжения.

Охлаждение заготовки

Проблема охлаждения заготовки и связанного с ним удлинения продолжительности цикла выдувного формования возникает глав­ ным образом тогда, когда конечная толщина заготовки слишком велика. При изготовлении тонкостенных выдувных изделий форму открывают тогда, когда затвердевает и легко отделяется от изделия «подвижный знак». Поэтому затвердевание подвижного знака может служить контрольным моментом стадии охлаждения изделия. Важно отметить, что при быстром раздуве даже очень тонкостенных изде­

— гораздо более подходящий для выдувного формования материал, нежели аморфные некристаллизующиеся полимеры.

Для охлаждения толстостенных выдувных изделий требуется продолжительное время. Поэтому важно так вести процесс раздува и так подбирать давление, чтобы все участки изделия, требующие охлаждения, плотно прилегали к холодным стенкам формы, обеспе­ чивая интенсивный отвод тепла. Кроме того, можно охлаждать с помощью газа, используемого для раздува. Если раздутую заго­ товку представить в виде неограниченной плоской пластины, то для расчета температурного поля можно воспользоваться методами, описанными в разд. 9.4.

Затвердевание цилиндрических выдувных изделий происходит при преимущественной молекулярной ориентации в 0 -направлении. Если ориентация слишком велика, то можно ожидать образования зародышей кристаллизации в z-направлении. В толстостенных

ров, в частности бутылей. Технология изготовления таких изделий состоит в следующем: цилиндрическую заготовку сначала растяги­ вают, а затем быстро раздувают в радиальном направлении. При этом важно соблюсти продольную температурную однородность, иначе может произойти разрыв стенки. Кроме того, температура (средняя по толщине заготовки) может лишь на несколько градусов превышать Tg для аморфных полимеров, используемых обычно для этих целей.

Времена релаксации расплава при такой низкой температуре больше времени, необходимого для охлаждения материала, в результате чего происходит принудительная ориентация и структурирование полимера. Таким образом, используя способность полимеров к структурированию в процессе переработки, удается изготавливать легкие ударопрочные бутыли.

15.G. Vassilatos, «On the Stability of Drawdown of Polymer Melts», Paper presented at the 68th Annual Meeting of the American Institute of Chemical Engineers, Los Angeles, 1975.

16.J. R. A. Pearson and Y T. Shah,«On the Stability of Isothermal and Nonisothermal Fiber Spinning of Power Law Fluids», Ind. Eng. Chem. Fufidam., 13, 134 (1974).

17.J. R. A. Pearson and C. J. S. Petrie, «The Flow of a Tubular Film. Part. I. Formal Mathematical Representation», J. Fluid Mech., 40, 1 (1970).

18.C. J. S. Petrie, «А Comparison of Theoretical Predictions with Published Expe­ rimental Measurements on the Blown Film Process», Am. Inst. Chem. Eng. J., 21, 275 (1975).

19.W. Ast, «Der Abkahlvorgang bein Herstellen von Blasfolien aus Polyathylen

Niedriger Dichte», Kunststoffe, 63, 427 (1973).

20.C. D. Han and J. Y Park, «Studies on Blown Film Extrusion. II. Analysis of the Deformation and Heat Transfer Processes», J. Appl. Polym. Sci., 19, 3277 (1975).

21.C. D. Han and J. Y Park, «Studies on Blown Film Extrusion. I. Experimental Determination of Elongational Viscosity», J. Appl. Polym. Sci., 19, 3257 (1975).

22.C. D. Han and J. Y Park, «Studies on Blown Film Extrusion. III. Bubble

24.L. R. Schmidt and J. F. Carley, «Biaxial Stretching of Heat Softened Plastic Sheets: Experiments and Results», Polym. Eng. Sci., 15, 51—62 (1975).

25.T. Alfrey, Jr., «Fabrication of Thermoplastic Polymers», Appl. Polym. Symp. No. 17, 3—24 (1971).

29.N. Rosenzweig, «Process Simulation of Thermoplastic Sheet Forming», M. S. thesis, Department of Chemical Engineering, Technion -Israel Institute of Te­ chnology, Haifa, 1975. See also N. Rosenzweig, M. Narkis and Z. Tadmor, «Wall

Thickness Distribution in Thermoforming», Submitted to Polym. Eng. Sci., 1978. 30. M. A. Sherysheu et al., Sov. Plast., No. 11, 33 (1970).

31. C. D. Denson and R. J. Gallo, «Measurements on the Biaxial Extension Visco­ sity of Bulk Polymers: The Inflation of a Thin Sheet», Polym. Eng. Sci., 11, 174 (1971).

34.J. C. Miller, «А Rheological Product Problem in Blow Molding», Trans. Soc. Rheol., 19, 341 (1975).

35.J. S. SchaulyM .J. Hannon, and К. F. Wissbrun, «Analysis of Factors Deter­ mining Parison Properties in High Shear Rate Blow Molding», Trans. Soc. Rheol., 19, 351 (1975).

36.G.,M. Fehn, «Steady-State Drawing of Polvmer Melts», J. Polymer Sci., 6, 247 (1938).

39.C. D. Denson, «Implications of Extensional Flows in Polymer Fabrication Pro­ cesses», Polym. Eng. Sci. 13, 125 (1973).

Г л а в а 16

КАЛАНДРОВАНИЕ

16.1. Процесс каландрования

Краткое описание процесса каландрования приведено в разд. 1.1. Число валков каландра определяется особенностями перерабаты­ ваемого материала и видом изделия. Резины обычно каландруются на двухвалковых каландрах. Четырехвалковые каландры приме­ няют для двухсторонней обкладки ткани (рис. 16.1, а ) . При каландровании термопластов для получения листов с гладкой поверхностью также используют четырехвалковые каландры (рис 16.1, б и в ) . В последнем случае полимер проходит через три межвалковых за­ зора. Проходя через первый зазор, материал поступает на каландр; второй зазор осуществляет дозирование полимера, а в третьем за­ зоре формируется каландруемый лист и происходит его калибровка и отделка [1 ]. Используются также и пятивалковые каландры с раз­ личным расположением валков. Переход каландруемого полимера с одного валка на другой осуществляется за счет подбора разности окружных скоростей, температур и полировки поверхностей валков [2]. Если окружная скорость валков одинакова, ширина листа увеличивается после каждого зазора пропорционально уменьшению толщины листа.

Производительность каландрового агрегата, если ее не лими­ тирует мощность смесительного и питающего оборудования, опре­ деляется в основном размерами и требованиями к качеству поверх­ ности каландруемого изделия, а также характеристиками полимера [1]. Толстые пленки (толщиной 0,25 мм) можно без особых затруд­ нений получить при линейной скорости 60 м/мин. Если пленки подвергаются последующей обработке (например, покрытию, гра­ вировке), то скорость можно увеличить еще больше. Однако при выпуске жестких листов с полированной поверхностью приходится

Рис. 16.1. Схема каландров:

а — ч е т ы р е х в а л к о в ы й н а к л о н н ы й Z - о б р а з н ы й к а л а н д р д л я д в у с т о р о н н е й о б к л а д к и ш и н н о г о к о р д а ( / — г и д р а в л и ч е с к и й ц и л и н д р ; 2 — в е р х н и й в н е ш н и й в а л о к ; 3 — з а п а с р е з и н о в о й с м е с и ; 4 — н и ж н и й в н е ш н и й в а л о к ; 5 — н и ж н е е п о л о т н о ; 6 — н и ж н и й в н у т р е н н и й в а л о к ; 7 — п о д ­ л е ж а щ и й о б к л а д к е к о р д ; 8 — в е р х н е е п о л о т н о ; 9 — к о р д , о б л о ж е н н ы й р е з и н о й с д в у х с т о ­ р о н ) ; б — ч е т ы р е х в а л к о п ы й п е р е в е р н у т ы й L - о б р а з н ы й к а л а н д р ; в — ч е т ы р е х в а л к о в ы й Z -

о б р а э н ы й к а л а н д р .

удается отделить от валка).

Диаметр валков современных каландров достигает 90 см, длина —

— 250 см, производительность — 4000 кг/ч.

Температура поверхности валков регулируется с высокой точ­ ностью. Для этого применяют валки с просверленными по перифе­ рии каналами, по которым циркулирует термостатирующая жид­

кость.

Каландрование обычно используют для формования пленки из термопластов с высокой вязкостью расплава. Этот процесс особенно удобен для переработки полимеров, склонных к термодеструкции или содержащих значительные количества твердых добавок. Такая возможность является следствием способности каландра транспор­ тировать большие количества расплава при незначительном уровне диссипации механической энергии (по сравнению с экструзией). Толщина каландруемого изделия должна быть одинаковой в про­ дольном и поперечном направлениях. Любые изменения зазора, возникающие вследствие неправильной геометрии зазора, обуслов­

Эксцентриситет поверхности валков относительно подшипни­ ковых цапф, вибрация валков и неравномерное питание приводят к возникновению продольной разнотолщинности. Если зазор между неподвижными валками имеет правильную прямоугольную форму, то при работе каландра этот зазор искажается в результате прогиба валков под действием распорных усилий. Каландруемое изделие при этом оказывается толще в середине и тоньше по краям (рис. 16.2). Для компенсации прогиба валков обычно применяют три метода: бомбировку, перекрещивание валков и контризгиб валков.

При бомбировке диаметр валка в центральной части делают нес­ колько большим диаметра его на краях. В принципе соответствую­ щим подбором диаметра валка можно полностью компенсировать

прогиб валка, но только для какого-то одного конкретного техноло­ гического режима.

Перекрещивание и контризгиб валков позволяют изменить сте­ пень компенсации. Перекрещивание валков обеспечивает увели­ чение зазора на концах валка и в какой-то мере аналогично приме­ нению валков с бомбировкой. При контризгибе к обоим концам валка прикладываются изгибающие моменты. С этой целью на каждом конце устанавливают дополнительный подшипник, на который дейст­ вует изгибающее усилие, изменяющееся в зависимости от величины распорных усилий. Влияние изменений степени перекрещивания и контризгиба валков на разнотолщинность каландруемой пленки

на сильную зависимость качества изделия от малых вариаций техно­ логических параметров. Неудивительно, что время выхода на устано­ вившийся режим каландровой линии может быть весьма значитель­ ным, достигая в отдельных случаях нескольких часов. Поэтому наилучшие результаты дает безостановочная эксплуатация каланд­ ровых линий в течение длительного времени.

16.2. Математическое моделирование каландрования

Исчерпывающая математическая модель процесса каландрования должна была бы состоять из описания гидродинамики движения расплава между валками при одновременном рассмотрении дефор­ мации валков под действием распорных усилий, описания теплопере­ дачи в каландруемом полимере и металлических валках и описания изменений в структуре материала под действием продольной вытяжки. С учетом реологических характеристик полимера, условий питания и технологических параметров (таких, как температура и частота вращения валков, величина зазора между валками, степень пере­ крещивания и контризгиба валков) такая модель позволила бы рас­ считать истинную картину течения в зазоре, определить изменение ширины каландруемого изделия при его прохождении через зазор, установить поперечную разнотолщинность изделия, рассчитать рас­ пределение температур в изделии и оценить влияние этих факторов как на переход каландруемой пленки к тому или иному валку, так и на возникновение нестабильных режимов работы.

Такая модель помогла бы конструктору в правильном выборе размера валков, величины максимального зазора, бомбировки вал­ ков, степени перекрещивания и контризгиба, а также способство­ вала бы корректному выбору технологических режимов, обеспечи­ вающих заданную производительность при высоком качестве из­ делия.

Первый шаг на пути создания такой модели (см. разд. 5.2) состоит в построении ясной количественной картины движения полимера между валками. Вязкоэластический полимер подается в первый за ­ зор в виде лент. Расплав собирается в центральной части зазора и

твердило наличие такого распределения давлений. Пространст­ венное распределение давлений в зазоре между валками показано на рис. 16.3. В результате в зазоре между валками возникает слож­ ное трехмерное течение, формирующее поток, свободную поверх­ ность которого трудно определить заранее. Поперечное течение существует во всем зазоре. Соответствующий расход по мере умень­

поперечном направлении.

По мнению Маршалла [2], поперечное течение фактически огра­ ничивается областью входа, простирающейся от входа в зазор до сечения максимального давления. Фактическое течение в области зазора оказывается еще сложнее из .за изменений площади зазора, вызванных бомбировкой, прогибом и контризгибом валков. Все эти факторы, вместе взятые, должны обеспечивать такое распреде­ ление потоков в зазоре, которое приводит к одинаковому удельному расходу по всей ширине валка. Даже самые незначительные изме­ нения в продольном распределении давлений приводят к заметным локальным изменениям толщины каландруемого полотна.

Эта качественная картина хорошо объясняет причину последних усовершенствований, проведенных в процессе каландрования. При­ менение питающего экструдера, на котором устанавливается про­ стая листовальная головка, позволяет равномерно подавать мате­ риал по всей ширине зазора питающей пары валков. Такая листо­ вальная головка, следовательно, играет роль первого зазора, ко­ торый при прежней системе питания распределял материал и пода­ вал его более или менее равномерно ко второму зазору.

Назначение второго и третьего зазоров состоит в дальнейшем уменьшении толщины и неравномерности расхода как в продольном, так и в поперечном направлении. Во всех зазорах вращающиеся запасы играют роль аккумуляторов, которые могут скомпенсиро­ вать и сгладить небольшие колебания расхода. Таким образом, четкое различие между назначением всех трех зазоров отсутствует. Каждый из зазоров «дозирует» объемный расход, уменьшает тол­

щину листа и сглаживает колебания по толщине. Ясно, что получить строгое описание такого трехмерного течения, учитывающего всю сложную геометрию потока (переменные размеры зазора в двух направлениях), для жидкостей, обладающих сложным реологи­ ческим поведением, далеко не просто. Насколько известно, таких исчерпывающих моделей до сих пор не только не было никем предло­

воспользоваться этой моделью, необходимо знать координату точки отрыва листа от валка Х г (Х г однозначно связано с координатой точки входа в зазор Х 2). Это равнозначно априорному знанию вели­

Однако одномерная модель не позволяет определить Wiy пос­

кольку она исходит из представления о валках бесконечной ширины. Поэтому, как отметил Мак-Келви, величину Х г (или Н х) надо опре­

делять из опыта [5]. Это, разумеется, существенно ограничивает предсказательную возможность модели. Для устранения этого огра­ ничения модель должна учитывать рассмотренное выше поперечное течение.

Этим, однако, не исчерпываются недостатки модели Гаскелла. Как уже отмечалось в разд. 10.5, она не в состоянии описать наблю­ даемую экспериментально картину течения в области входа, пос­ кольку в ней не учитывается влияние поступающего в зазор расплава на движение материала во вращающемся запасе. Модель не учиты­ вает также аномалию вязкости и нормальные напряжения. Вследст­ вие этого, как показали работы Бергена и Скотта, Инкюрса и др. [6,3], распределение давлений, которое предсказывает модель Га­ скелла, не совпадает с экспериментальными данными (см. разд. 10.5). Следуя методу Гаскелла, многие исследователи пытались усовер­ шенствовать его модель. В большинстве случаев эти усилия своди­ лись к введению в модель Гаскелла более реалистических урав­ нений состояния, точнее описывающих реологию полимерного рас­ плава, и к попыткам учета неизотермических эффектов. Гаскеллом рассмотрено два типа жидкостей: вязкая ньютоновская жидкость (не обладающая эластичностью или тиксотропией) и бингамовская вязкопластическая жидкость. Им же кратко рассмотрено несиммет­ ричное каландрование. Мак-Келви [5] и Бразинский [7] распростра­ нили модель на каландрование степенной жидкости (см. разд. 10.5); Олстон и Астил рассмотрели случай каландрования жидкости, реоло­ гические свойства которой описываются гиперболическими функ­ циями [8 ]. Модели каландрования вязкоэластической жидкости рассматривались Паслеем [9], Токитой и Уайтом [10], Чангом [11 ].