Технология каландрирования

Каландры были первоначально разработаны для переработки резины, а в настоящее время широко используются для переработки термопластов, в основном мягкого ПВХ. Каландрование заключается в заливке пластичной массы в щель между двумя валками, где она формуется в пленку, которая затем проходит через остальные валки.

Материал выходит в виде непрерывной пленки, толщину которой определяет зазор между последней парой валков. Поверхность пленки зависит от поверхности последнего валка и может быть блестящей, матовой или структурированной. После выхода из каландра лист охлаждается на охлаждающих валках и проходит через 3-радиоактивный толщиномер до подачи на намотку.

Пластичная смесь, подаваемая в каландр, может быть просто расплавом полимера (например, ПЭ); в случае ПВХ проводят большие подготовительные работы по составлению композиции, смешению, желатинизации, фильтрации. Кроме полимера вводят инертные минеральные наполнители (для снижения стоимости и модификации физических свойств), пигменты, технологические смазки, стабилизаторы и пластификаторы. Сухие компоненты, кроме пигментов, загружают в ленточный смеситель и интенсивно перемешивают для получения равномерной дисперсии. Если нужно вводить пластификаторы, их впрыскивают в порошковую смесь на начальной стадии смешения.

При получении дисперсной смеси требуемого качества смесь выгружают через клапан в днище смесительной камеры и взвешивают в порционной емкости. Если требуются пигменты, их вводят на этой стадии в каждую емкость отдельно. Эти емкости затем разгружают в первичный смеситель и перемешивают при 120-160 °С. Сочетание нагрева и смешения (смеситель типа «ко-кнетер») вызывает частичную желатинизацию смеси. Частично желатинизированный материал подают в двухвалковую мельницу, где он образует лист вокруг переднего вала. Его можно подавать непосредственно в каландр, но для пленок и тонких листов дополнительно вводят стренинг-процесс для удаления любых грубых частиц.

Типичный стренер состоит из одношнекового экструдера с фильтром непосредственно после шнека. Фильтр состоит из тонких сеток, изготовленных из нержавеющей стали, механически опирающихся на более редкую грубую сетку и решетник. Каландр может содержать от двух до пяти полых валков, снабженных паровым обогревом или водяным охлаждением, и характеризуется числом валков и их расположением, например I, Z, Г (наиболее типичное – Z или Г).

К валкам необходимо подводить очень большие усилия для формования полимера в тонкую пленку, что вызывает изгиб валков и получение листа, который толще в середине, чем по краям. Некоторые способы борьбы с этим эффектом: 1) валки могут быть бомбированы, т. е. их диаметр в центре больше, чем по краям; 2) валки могут быть слегка перекрещены, что увеличивает зазор по краям валков; 3) изгибающий момент может быть приложен к концам каждого валка установкой вторых подшипников на каждую щеку вала и их нагружением гидравлическими цилиндрами. Каландры типа Z имеют в этом отношении преимущества, потому что прогиб валка не влияет на щель, и, таким образом, разнотолщинность уменьшается. Это происходит потому, что противолежащие валки расположены под прямым углом, а не в линию.

Как уже упоминалось, толщину пленки или листа на выходе из каландра измеряют толщиномером. Он позволяет определить среднюю толщину по площади листа. Излучение от изотопа типа Таллий-204 проходит сквозь лист и собирается в ионизационной камере. Излучение, достигшее камеры, обратно пропорционально массе единицы площади измеряемого материала.

Каландры очень массивны из-за больших усилий, необходимых для продавливания пластической массы в тонкую щель. Они требуют высокой температуры с небольшим допуском по валу и высоких давлений, также с низким допуском. Требуется большая площадь пола из-за сопутствующих устройств типа миксеров, смесителей, систем контроля температуры, загрузки - выгрузки и т. д. Каландрование, поэтому капиталоемкий процесс, каландры стремятся создавать для широкоформатных пленок, не менее 1,8 м, так как цена их в этом случае пропорционально меньше.

Однако такие большие машины применяют только для пластифицированного ПВХ, потому что вязкость непластифицированного ПВХ значительно больше, что затрудняет работу на валках большой ширины. Для производства непластифицированных ПВХ пленок был разработан специальный процесс Лювитерм. ПВХ быстро нагревают до 220°С в контакте со специально сконструированными алюминиевыми валками и получаемую горячую пленку обычным образом сразу же ориентируют в высокотемпературной зоне.

Каландры уже, чем описанные выше большие машины, их производительность меньше. Используют специальные марки ПВХ (со специальной стабилизацией), а стадию компаундирования обычно проводят на экструдере, непосредственно запитывающем каландр. Каландрованные пленки обычно более однородны по сравнению с экструзионными. Это связано с многими причинами, одна из которых - продуманность конструкции каландров. Конечная толщина пленки очень сильно зависит от щели между последней парой валков, в то время как в процессе экструзии толщина зависит больше от коэффициента вытяжки в случае рукавной пленки или скорости приема в случае поливной пленки. Кроме того, в поперечном сечении экструзионной головки могут быть участки, где течение предпочтительно, что приводит к разнотолщинности.

В рукавном процессе имеются дополнительные усложняющие факторы, такие как конструкция, на которую опирается дорн головки. Они также влияют на течение расплава, приводя к разнотолщинности. Дополнительным преимуществом каландрования является лучшее смешение. Количество энергии, доступное в каландровой линии, много больше, чем в экструзионной. Поэтому каландрованная пленка менее зависима от однородности сырья. Главное преимущество экструзии ПВХ - намного меньшие капитальные затраты, что дает более быструю экономическую отдачу.

Основным оборудованием каландровой технологии является, естественно, каландр, то есть машина, состоящая из массивного корпуса, в котором вращаются валки – главный рабочий элемент. Валки приводятся в движение индивидуальным приводом или групповым, если они получают вращение от одного, общего, электродвигателя. Вращение передается на валки через универсальный редуктор и шарнирные муфты, допускающие смещение валков (регулировка зазоров, перекос). Станина каландров – сложное техническое устройство, которое должно обеспечивать предельную жесткость конструкции, отсутствие вибрации, минимум тепловых деформаций, размещение и успешное функционирование всех вспомогательных механизмов (регулировки зазоров, перекоса валков, теплорегулирования, загрузки, отвода готового изделия и пр.).

Стоимость станины составляет до 50% общей стоимости машины. Особые требования предъявляются к рабочим валкам – максимальная прочность и жесткость, обеспечивающие минимальный прогиб, вызываемый действием распорного усилия, отсутствие эксцентриситета бочки (наружной, рабочей поверхности валка) относительно ее оси вращения; термохимическая стойкость бочки и сохранение ею исходного класса чистоты поверхности (хромирование, полировка и др.), минимальная инерционность при терморегулировании.

В настоящее время чаще других используется теплорегулирование жидким теплоносителем (вода, острый пар, динил), которое позволяет активно влиять как на нагрев валка, так и на его охлаждение. В этом случае последнее требование реализуется максимальным приближением каналов с теплоносителем к рабочей поверхности (бочке) валка. Основные технические характеристики каландров включают число валков, их диаметр и длину и предельное распорное усилие, которое могут выдержать подшипниковые узлы валков.