Конструкторско-технологические особенности каландровых линий
В настоящее время технология производства полимерных пленок, в том числе и поливинилхлоридных, методами экструзии через кольцевую и щелевую головку является широко распространенной благодаря достаточно высокой производительности при относительно более низких (по сравнению с процессом каландрования) капитальных затратах. Однако во многих случаях, обусловленных, например, типом пленочного материала, повышенными требованиями к качеству его поверхности, а также ассортиментной программой выпуска, альтернативным по отношению к экструзии и успешно конкурирующим с ним является метод каландрования. Особенно распространена данная технология в области производства пленок из композиций на основе поливинилхлорида (ПВХ).
1. Общая характеристика производства ПВХ-пленок каландрованием.
2. Состав современной универсальной каландровой линии.
3. Процессы, протекающие на универсальной каландровой линии.
3. 1. Подготовка сырья и приготовление композиции.
3.2. Пластикация композиции.
3.3. Дополнительная пластикация.
3.4. Каландрование.
3.5. Послекаландровый процесс.
4. Основные отличия каландровых линий для производства жестких и мягких ПВХ-пленок.
3.5. Послекаландровый процесс
Задачами послекаландрово го процесса являются съем пленки с последнего валка каландра, термическая обработка пленочного полотна, охлаждение и намотка пленки. При необходимости проводится также доработка поверхности путем ее сатинирования для нанесения печати, тиснения или глянцевания. Деление послекаландрового процесса на стадии съема, термообработки и охлаждения является весьма условным, поскольку на всей послекаландровой линии в движущемся пленочном полотне протекает непрерывный деформационно-релаксационный процесс в управляемом температурносиловом поле или, другими словами, на послекаландровой линии осуществляется процесс продольной вытяжки пленки с одновременной усадкой при заданных температурно-скоростных параметрах. Разница в процессах съема, термообработки и охлаждения определяется только температурой их проведения, которая, в свою очередь, определяет кинетику деформационнорелаксационных процессов в пленке. С теоретической точки зрения, идеальным следует считать послекаландровый процесс, обеспечивающий полную релаксацию внутренних остаточных напряжений в пленке. Другими словами, был бы желателен термодинамически равновесный деформационный процесс, который, однако, потребовал бы слишком большой длины послекаландровой линии и (или) недопустимо малой скорости движения пленки для плавного снижения деформационных и тепловых нагрузок на всем пути прохождения пленки – от съема до намотки. На практике же реальная общая длина устройств послекаландровой линии для съема, термообработки и охлаждения пленки составляет 10–20 м.
Рассмотрим далее поэтапно послекаландровый процесс, протекающий на прецизионной каландровой линии.
1. Съем пленки с последнего валка каландра осуществляется валком, который входит в состав съемного устройства, состоящего из 1–5 валковых групп, каждая из которых оснащена индивидуальным приводом и собственным подводом теплоносителя. Температура валков съемных групп изменяется в диапазоне 80–200 °С. Деформационный процесс в пленке, проходящий на съемной группе, характерен тем, что скорость релаксации внутренних напряжений значительно выше скорости их роста при деформации пленочного полотна, что позволяет формировать толщину за счет его значительной вытяжки (от 30 до 100 %) практически без увеличения усадки. На валках съемного устройства материал пленочного полотна находится в переходной области между высокоэластическим и вязкотекучим физическими состояниями – так же как и на основных валках каландра.
2. Термообработка пленки осуществляется на устройстве, состоящем из 3–5 пар приводных валков (чем больше, тем лучше), каждая из которых имеет подвод теплоносителя с температурой от 20 до 150 °С. Деформационный процесс, протекающий в устройстве для термообработки («темперирующем» устройстве), характерен тем, что с понижением температуры материала скорость роста внутренних напряжений за счет деформации пленки приближается к скорости релаксационных процессов и может ее превысить, что проявится, в конечном счете, в виде таких дефектов, как повышенная усадка пленки и коробление ее поверхности. Диаметры валков съемного и термообрабатывающего устройств на современных каландрах составляют 65–125 мм. Валки малого диаметра на послекаландровой линии впервые стала использовать итальянская фирма Rodolfo Comerio, что позволило выйти на новый, более высокий уровень качества пленок, получаемых каландровым методом.
3. Охлаждение предназначено для фиксации пленки в том виде, в котором она сформирована во всех предыдущих процессах, и для того, чтобы свести к минимуму действие механической деформации на материал за счет снижения температуры с соответствующим увеличением напряжения при деформации. Устройство состоит из 2–5 пар валков диаметром 125–200 мм с подводом хладагента, как правило, с температурой 20°С для первых 1–4 пар валков и 8–10°С – для последней пары. При необходимости к любой паре валков можно подвести хладагент заданной температуры, в качестве которого обычно используется вода. Валки съемного, термообрабатывающего и охлаждающего устройств часто (а на современных каландровых линиях повсеместно) располагаются на одном уровне (в ряд) и имеют систему подъема (через один валок) для облегчения заправки пленки.
4. Намотка пленки. Все намоточные устройства (намоточные машины, намотчики) по типу процесса делятся на два вида – для центральной намотки (иначе – намотки в зазоре) и для периферийной намотки (намотки в контакте). При центральной намотке между ведущим валком намотчика и рулоном имеется зазор, и крутящий момент от привода на рулон передается на штангу (шпулю) для намотки, а ведущий вал намотчика принимает на себя силу натяжения пленочного полотна. При периферийной намотке наматываемый рулон находится в контакте с ведущим валком намотчика, который и передает рулону крутящий момент. В настоящее время современные каландровые линии комплектуются в основном устройствами для центральной намотки.
Намоточные машины центрального типа отличаются высокой линейной скоростью намотки пленки – до 300 м/мин (в намоточных машинах периферийного типа скорости намотки значительно ниже) – и имеют, в зависимости от веса наматываемых рулонов, разные варианты конструктивного исполнения, которые отличаются по числу узлов привода (позиций) на шпулю. На практике используют двух- и трехпозиционные намоточные устройства центрального типа. Для намотки так называемых «больших» рулонов – весом более 300 кг – целесообразней использовать двухпозиционные намоточные устройства центрального типа (см. фото). Намотчики для больших рулонов позволяют наматывать рулоны весом до 1500 кг. Большие рулоны, как правило, не являются товарной продукцией, а подлежат перемотке на перемоточных машинах на «товарные» рулоны. В настоящее время большие рулоны получили наибольшее распространение, так как процесс их намотки с последующей перемоткой на «товарные» рулоны считается более технологичным, чем намотка последних непосредственно на каландровой линии.
Трехпозиционные намоточные устройства центрального типа целесообразней использовать при частой смене рулонов небольшого веса, которые являются «товарными» и не требуют перемотки. Существуют также намоточные машины центрального типа, которые позволяют производить выбор режима намотки («зазор» или «контакт»). В режиме «контакт» реализуется вариант центрально-периферийной намотки, в котором на намоточную штангу передается крутящий момент, но поверхность рулона находится в контакте с поверхностью ведущего валка намотчика. Смена рулонов и резка на намотчиках центрального типа осуществляются автоматически.
Намотчики периферийного типа используются до настоящего времени и предлагаются в основном китайскими производителями оборудования. Намотчики этого типа имеют одну или две позиции намотки и предназначены только для намотки «больших» рулонов. Интересно, что по виду наматываемого рулона можно определить ряд дефектов, причиной которых служат неполадки, возникшие в ходе технологического процесса. Например, эффект так называемого «бычьего лука» (увеличение диаметра рулона по краям, затем – по направлению к центру – уменьшение диаметра и вновь увеличение в центре рулона) говорит о неправильной настройке устройств для компенсации прогиба валков, эффект «поршневых колец» отражает неверную настройку межвалковых запасов, эффект «бочки» также отражает неверную настройку последнего формующего зазора в каландре, а эффект «телескопа» (пленка «съезжает» на одну сторону) говорит о значительной разнице в толщине пленки у правого и левого краев рулона. Утолщение краев рулона в сочетании с шероховатым торцом «напоминает» о том, что пора поточить ножи холодной резки. Неправильный выбор режима намотки, а также усилия натяжения при намотке приводят к дефектам в виде «складок» и «бористости», особенно при получении мягких ПВХ-пленок.
Выбор режима намотки определяется в основном толщиной и жесткостью пленки. Например, для качественной намотки тонких пленок (толщиной менее 100 мкм) и твердостью по Шору «А» менее 80 ед. предпочтительней использовать режим «контакт». Намотчики центрального типа позволяют также производить различные варианты намотки – «лицевой поверхностью внутрь» или «лицевой поверхностью наружу», что важно, например, при производстве пленок с «зеркальной» поверхностью. Важным элементом намоточной машины является система управления «по кромке», состоящая из:
• пневмо- или светового датчика (его называют также «кромочным сенсором»), с помощью которого определяется смещение края пленки от заданного положения и, в зависимости от направления и величины этого смещения, подается сигнал на электронный регулятор;
• электронного регулятора, который преобразует сигнал и передает его на исполнительный механизм;
• исполнительного механизма в виде гидро- или пневмоцилиндра, шток которого воздействует на механизм намоточной машины и перемещает его в поперечном (относительно движения пленочного полотна) направлении на заданную величину. Такая система позволяет добиться ровного торца рулона при намотке. Для обеспечения непрерывности процесса намотки рулонов часто используют компенсатор, который создает запас пленки порядка 30 м при переходе на новый рулон с поворотом коромысла намоточного устройства.
5. «Холодная» резка. Устройства для «холодной» резки предназначены для обрезки кромок пленки или для продольной резки пленочного полотна на заданную ширину. Применяют несколько видов резки:
• резку на кромке (двумя встречными ножами) по принципу ножниц;
• резка на вращающемся валу вращающимися дисковыми ножами;
• резка неподвижным ножом (лезвием) движущегося пленочного полотна.
Наиболее эффективны и просты в обслуживании последние два вида резки, так как позволяют производить быструю смену ножей. В случае резки непосредственно на валке следует иметь в виду, что валок должен иметь твердость минимум в 1,14 раза больше, чем у режущей кромки дискового ножа; в противном случае на поверхности валка образуются прорези.
Устройства холодной резки снабжаются механизмом передвижения ножей по ширине пленочного полотна. Обрезанные кромки после «холодной» резки являются возвратными отходами и транспортируются для переработки на вальцы при помощи пневмотранспорта или специальных тянущих устройств. Обрезанная кромка может также поступать на дробилки, находящиеся в непосредственной близости от узла холодной резки. От них «дробленка» по линиям пневмотранспорта подается к смесителю композиции, где в определенном соотношении через дозировочные устройства добавляется к основной массе композиции. Такой процесс реализуется чаще всего в производстве жестких ПВХ-пленок.
6. «Горячая» резка. Устройство для «горячей» резки предназначено для обрезки кромок на последнем валу каландра. Его режущим элементом являются дисковые ножи, изготовленные из бронзы или термостойкого полимерного материала. Обрезанные «горячие» кромки также транспортируются на вальцы. Следует подчеркнуть, что от надежной работы устройств для «холодной» и «горячей» резки, а также устройств для транспортировки кромок в большой степени зависит работа всей линии. Сбой в работе этих устройств приводит к выпуску большого количества брака и, как следствие, к материальным потерям.
Работа универсальной прецизионной каландровой линии требует ее оснащения тепловыми и холодильными станциями, а также вспомогательными устройствами. Тепловые станции предназначены для приготовления перегретой воды (с максимальной температурой Т = 230 °C), предназначенной для обогрева валков каландра и послекаландровой линии. Вода приготавливается с помощью перегретого пара или электрообогрева. Теплоноситель в тепловых станциях разделяется на контуры «горячей» (Т = 230 °С) и условно «холодной» воды (Т = 80 °С).
Каждый валок (или группа валков) имеет также свой контур обогрева, в который по мере необходимости (в зависимости от заданной температуры) подмешивается «холодная» ли «горячая» вода. Циркуляция воды в контурах воды и валков осуществляется с помощью насосов. При использовании в качестве теплоносителя масла принцип работы теплостанций остается таким же, однако недостатками масла по сравнению с перегретой водой являются:
• опасность возгорания;
• более высокая стоимость (в частности, специальных масел с пониженной горючестью и повышенной теплопроводностью);
• более низкие теплопроводность и теплоемкость, что определяет и более высокую инерционность процесса регулирования температуры.
Вместе с тем имеются и относительные преимущества применения масляного теплоносителя, среди которых:
• низкое давление в системе циркуляции теплоносителя, что исключает необходимость специального обслуживания в соответствии с требованиями, предъявляемыми к сосудам, работающим под давлением свыше 0,7 атм;
• отсутствие коррозионного износа и отложения солей в насосах, трубопроводах и каналах нагрева валков.
Холодильные станции (чиллеры) предназначены для приготовления охлаждающей воды с температурой около 8 °С для валков охлаждающей группы и представляют собой по сути фреоновые холодильники. К вспомогательным устройствам относятся:
• ИК-нагреватели для обогрева краев рабочих поверхностей валков каландра;
• ИК-нагреватели (с зонным обогревом) на валках каландра;
• металлоискатель;
• просмотровый экран;
• устройство для создания коронного разряда для ионизации воздуха и снятия статического заряда с поверхности пленки;
• ширительные валы;
• штанги для бесшпульной номотки.
Ширительные валы широко применяются при получении пластифицированных ПВХ-пленок и устанавливаются перед намоточным устройством. Известны следующие их конструкции:
• валок типа «банан» (с регули-
руемым профилем оси);
• вакуумный вал (пневмовал);
• нарезной вал.
Современный технологический процессор позволяет управлять процессом каландрования на всех его стадиях, обеспечивая работу отдельных систем автоматического регулирования (САР) и блокировок (САБ) процесса и их взаимосвязь. Суть управления заключается в том, что при наладке задаются предварительные технологические установки (настройки параметров), которые корректируются в ручном режиме, и определяются те установки, которые приводят к лучшим результатам по качеству и производительности для каждого рецептурного состава. Найденные оптимальные установки являются исходными для работы каландровой линии в запрограммированном автоматическом режиме.
К наиболее важным составляющим процесса, между которыми процессор осуществляет взаимосвязь, относятся температурные и скоростные режимы каландрования, величина запасов, толщина, ширина и поперечный профиль пленки. Одной из важнейших функций технологического процессора является поддержание заданной толщины и профиля пленки с помощью САР. Простейшая САР толщины пленки предназначена для поддержания ее постоянного заданного значения путем регулирования величины последнего (калибрующего) межвалкового зазора.
САР толщины пленки включают в себя:
• датчики, которые устанавливаются стационарно таким образом, чтобы можно было измерять толщину пленки по краям или по краям и в центре. На современных установках применяется система сканирования толщины, в которой датчик или несколько датчиков перемещаются в поперечном направлении относительно хода движения пленки. В этих целях применяются радиоизотопные, ультразвуковые и пневматические датчики, которые вырабатывают сигнал в зависимости от толщины пленки и передают его на электронный регулятор;
• электронный регулятор, который преобразует сигнал датчика и передает его на исполнительный механизм;
• два исполнительных механизма, один из которых расположен «со стороны обогрева», а другой – «со стороны привода каландра». Они представляют собой приводы устройства для перемещения последнего валка (механизм подачи валка) в плоскости, перпендикулярной плоскости входа каландруемого материала в последний межвалковый зазор. Для I-, L- и F-образных каландров плоскостью, в которой перемещается механизм подачи валка, является вертикальная плоскость.
В зависимости от того, с какой стороны имеет место отклонение толщины пленки от заданного значения, а также какой характер имеет отклонение (в сторону уменьшения или увеличения от заданного значения), включается соответствующий исполнительный механизм на «раздвижение» или на «сдвижение» валков. Существуют также системы, способные к распознаванию поверхностных дефектов пленки и их идентификации.
4. Основные отличия каландровых линий для производства жестких и мягких ПВХ-пленок Отличия аппаратурного оформления линий для получения жестких и мягких ПВХ-пленок определяются следующими факторами.
1. Напряжения сдвига при переработке непластифицированных ПВХ-смесей в 1,5–2,5 раза больше, чем при переработке пластифицированных композиций, что требует более высокой прочности валков, повышенной мощности привода и влечет за собой необходимость изготовления более мощной, металлоемкой и тяжелой конструкции в целом. Это, в свою очередь, вызывает затруднения в обеспечении надежности конструкции каландра для получения жестких ПВХ-пленок с верхней загрузкой (т. е. с S-, Z- или F-образным расположением валков) – из-за относительно высоко расположенного центра тяжести, что может приводить к вибрации всей конструкции каландра и негативно сказываться на качестве пленки.
2. Вышеприведенные обстоятельства приводят к необходимости L-образного расположения валков «жесткого» (для жестких ПВХ-пленок) каландра, что позволяет, с одной стороны, уменьшить материалоемкость установки, а с другой стороны, обеспечить дополнительные технологические возможности. Кроме того, L-образное расположение валков обеспечивает более короткий путь «вальцы – каландр», что уменьшает теплопотери.
3. L-образное расположение валков приводит, в свою очередь, к другим конструктивным отличиям, а именно: съемное, нагревательное и охлаждающее устройства (или некоторые из этих устройств) располагаются вверху – на специальной площадке, а не на уровне пола, как в случае каландра с верхней загрузкой.
4. В случае «мягкого» каландра достаточно применения валков из отбеленного ковкого чугуна, «жесткие» каландры требуют использования легированной стали.
5. Диаметр валков съемной группы «мягкого» каландра должен быть больше, чем у «жесткого», что определяется различными адгезионными свойствами материалов (мягкая ПВХ-пленка легче «захлестывается» при малом диаметре валка). У «жестких» валков диаметр может составлять 125–140 мм, а у «мягких» – 180–250 мм при длине валков 2000–2500 мм.
6. Физическое состояние, в котором находится пленочное полотно в процессе намотки, определяет отличие в способах поперечной резки и закладки пленки при переходах с рулона на рулон. При намотке жесткой ПВХ-пленки возможен вариант бесшпулевой намотки с применением валка с эластичной вкладкой и пневмонаддувом. При намотке жесткой ПВХ-пленки на шпули, как правило, требуется применение липкой ленты для обмотки шпули и обеспечения захвата начала нового рулона.
При намотке жесткой ПВХ-пленки при поперечной резке применяется ударный зазубренный или гильотинный ножи. При намотке мягкой ПВХ-пленки не требуется применение липких лент и исключается применение бесшпулевой намотки. Следует отметить некоторые особенности технологического процесса каландрования при изготовлении декоративных пленок с глянцевой, иногда даже «зеркальной» поверхностью. Так, в настоящее время широкое распространение получили мягкие декоративные ПВХ-пленки, предназначенные для устройства натяжных потолков, защиты поверхности кузова автомобиля и аппликаций, которые применяются для изготовления наружной и внутренней рекламы.
Эти виды пленок требуют особенно высокого качества поверхности, которого позволяют добиться некоторые конструкторско-технологические приемы. Одним из них является обработка пленки на так называемых устройствах «супер-финиша» (super finish), которые могут быть встроены в каландровую линию, а могут быть отдельной установкой. В заключение следует отметить, что все вышесказанное в отношении каландровых линий для производства мягких и жестких ПВХ-пленок относится к так называемому «высокотемпературному» методу, в котором используются суспензионный ПВХ или он же в смеси с эмульсионным. Жесткие ПВХ-пленки получают также низкотемпературным методом (методом «лувитерм»), основанным на способности ПВХ к вязкому течению при температурах ниже температуры плавления материала. Хотя этот процесс не рассматривался в рамках данной статьи, можно добавить, что при необходимости каландровую линию с нижней загрузкой (с L-образным расположением валков) можно реконструировать для процесса «лувитерм», установив дополнительную «лувитермическую» станцию (устройство), которая включает в себя «лувитермические» нагревательные валки, на которых пленка разогревается и приобретает глянец. Низкотемпературный метод более экономичен, поскольку им можно перерабатывать эмульсионный ПВХ, более дешевый по сравнению с суспензионным. Однако в России пока что нет ни одной каландровой линии, работающей по этому методу.
А. М. Машкович, заместитель директора ООО ПКФ «Поволжье» (г. Дзержинск, Нижегородская обл.)