книги / Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов)

ломки валков на концах регулировочных винтов установлены пре­ дохранительные шайбы, срезающиеся при перегрузке.

Валки вальцов обычно устанавливаются в подшипниках сколь­ жения. Смазка подшипников циркуляционная (от специального на­ соса или от лубрикатора). Для отвода тепла корпус подшипника снабжен рубашкой, охлаждаемой водой.

Для предотвращения попадания вальцуемого материала в под­ шипники на концах валков устанавливают профильные пласти­ ны 10, называемые «ограничительными стрелками», каждая из ко­ торых состоит из двух половин, укрепленных соответственно на подшипнике переднего и заднего валков. На одной из половин стрелки установлена стальная планка, перекрывающая зазор, об­ разующийся между стрелками при раздвижении валков.

В большинстве случаев привод осуществляется от электродвига­ теля переменного тока. Привод может быть групповым и индиви­ дуальным. Специфическая особенность работы привода вальцов состоит в широком диапазоне изменения потребляемой вальцами мощности. Так, при пластикации натурального каучука на промыш­

асинхронного электродвигателя, соединенного с ведущим валом че­ рез редуктор. Групповой привод позволяет снизить установленную мощность и способствует увеличению cos ср агрегата. В случае ин­ дивидуального привода используют двигатель, опрокидывающий момент которого рассчитывается по максимальной нагрузке. Это требует примерно 1,5-кратного запаса по сравнению со средним значением мощности, потребляемой в течение рабочего цикла. За­ вышение установочной мощности приводит к уменьшению cos ср агрегата. Поэтому на крупных предприятиях индивидуальный при­

вод почти не применяется.

Регулируемый привод обеспечивает возможность изменения ча­ стоты вращения валков (от 6,3 до 25 м/мин) и фрикции (от 1 1 До 1 4); он применяется только на лабораторных вальцах. Верх­ ний предел частоты вращения переднего валка обусловлен требо­ ваниями техники безопасности; поэтому окружная скорость перед­ него валка может составлять не более 38 м/мин, скорость заднего валка, как правило, выше.

Для мгновенной остановки вальцов в случае попадания в них Руки рабочего служит устройство, называемое аварийным остано­ вом, которое состоит из коромысла, соединенного с аварийным вы­ ключателем, и троса (или цепи) 9, протянутого вдоль переднего и заднего валков на такой высоте, чтобы оператор, обслуживающий вальцы, мог привести его в действие с любого места. Время оста­ новки вальцов при незагруженных валках не должно превышать Г5 2,0 с. Аварийный останов при индивидуальном приводе отклю­ чает двигатель и приводит в действие колодочный тормоз, установ­ ленный на валу двигателя. При групповом приводе аварийный

останов отключает соединительную муфту. В этом случае управле­ ние муфтой обычно осуществляется механически.

На вальцах старых конструкций оператор для улучшения одно­ родности смешения периодически вручную подрезал слой материа­ ла, обволакивающий передний валок, скручивал его в рулон и вновь направлял в зазор. Современные вальцы снабжены ножом для механического подрезания, укрепленным на суппорте, который совершает возвратно-поступательное перемещение по установлен­ ному вдоль валка ходовому винту. Иногда на вальцах предусма­ тривают дополнительный привод для поперечного движения ножа, который в этом случае совершает сложное движение, имитирую­ щее операции, производимые вальцовщиком: нож подводится к поверхности валка, выстаивает в течение некоторого времени и подрезает полосу массы, затем продвигается вдоль валка и от­ ходит от него (в этот момент срезанная масса вновь затягивается в зазор).

На некоторых моделях лабораторных вальцов, применяемых в экспериментальных и исследовательских лабораториях, устанавли­ вается специальная контрольно-измерительная аппаратура, предна­ значенная для снятия параметров режима вальцевания. Замер распорных усилий производится посредством месдоз, устанавли­ ваемых на концах винтов, регулирующих зазор. Температура вальцуемого материала замеряется встроенной в валок термопа­ рой. Частота вращения переднего и заднего валков определяется по показаниям тахометра (устанавливается только на вальцы с регулируемой частотой вращения валков).

Сложное комплексное воздействие, которому подвергается валь­ цуемый материал, позволяет реализовать посредством вальцева­ ния ряд технологических процессов, связанных с перемешиванием, гомогенизацией, размягчением и пластикацией полимерных материлов.

При переработке полимерных материалов вальцевание может проводиться с одной из следующих целей: 1) смешение отдельных ингредиентов с полимером (гомогенизация готовой смеси) с целью получения однородной массы; при этом полимер, как правило, пе­ реводится в вязкотекучее или пластическое состояние; 2) совмеще­ ние полимера (термопласта) с пластификатором с целью ускорения взаимного проникновения и набухания при повышенной температу­ ре; 3) перевод материала в состояние (разогрев и механическая пластикация), облегчающее его дальнейшую переработку; в этом случае вальцевание представляет собой одну из операций (пита­ ние каландров, экструдеров) в ряду последовательных стадий пе­ реработки материала; 4) изготовление полуфабрикатов: листов, пленки и т. п.; 5) получение блок- (или привитых) сополимеров при совместном вальцевании двух и более полимеров в результате протекания механохимических процессов; 6) охлаждение горячего материала после смесителя и придание ему формы, облегчающей дальнейшую переработку (лист, лента); 7) пропитка расплавом

инициирования окислительных процессов и облегчают протекание термоокислительной и термической де­ струкции. Под влиянием механических напряжений в зазоре может происходить механохимический крекинг полимера, особенно активно протекающий при умеренных и низких температурах. Этот процесс носит радикальный характер, что подтверждается соответствием степени деструкции полимера по молекулярной массе и степени расхода акцепторов свободных радикалов. Об­ разующиеся макрорадикалы могут рекомбинировать или взаимо­ действовать с другими макромолекулами (с образованием блок- и

привитых сополимеров, пространственно-структурированных поли­ меров) или дизактивироваться в результате реакции с ингиби­ тором.

В некоторых случаях при вальцевании может иметь место так называемое химическое течение, состоящее в разрыве цепей й меж­ молекулярных связей (в том числе пространственной сетки) под воздействием механических напряжений, перемещении образовав­ шейся системы макрорадикалов и их рекомбинации [6].

Преобладание тех или иных процессов деструкции и структури­ рования определяется химическим строением полимера, его моле­

от продолжительности вальцевания. При низких температурах пре­ имущественно протекают процессы деструкции (рис. IX. 2, а). С по­ вышением температуры преобладающее значение приобретают про­ цессы структурирования (рис. IX. 2, б) . Поэтому пластикация кау­ чука проводится при низкой температуре (с охлаждением валков), а процессы гомогенизации и пластикации полимеров проводят при повышенной температуре.

IX. 2. КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ СУЩНОСТИ ПРОЦЕССА ВАЛЬЦЕВАНИЯ

Рассмотрим движение полимера в зоне между двумя вращающи­ мися валками (рис. IX. 3). Будем исходить из того, что вследствие прилипания наружный слой материала движется вместе с поверх­ ностью валка. Из-за наличия сил внутреннего трения наружный слой увлекает прилегающие к нему слои, и вся масса материала начинает втягиваться в зазор.

Поскольку площадь поперечного сечения зазора по мере удале­ ния от входного сечения (поверхность А — А) все время умень­ шается, а обрабатываемый материал практически несжимаем, скорости движения слоев материала, расположенных на разных расстояниях от поверхности валка, оказываются различными. Распределение скоростей в зазоре между валками для сечений, расположенных на разном расстоянии от входа в зазор, показано на рис. IX. 4.

Всю рабочую зону можно разделить на две области: область Л, в пределах которой центральная часть потока движется в напра­ влении, противоположном направлению движения валков, и об­ ласть В, в которой весь находящийся в зазоре материал движется в одном направлении, однако при этом скорость движения мате­ риала по мере удаления от поверхности валка увеличивается.

Существование переменной по расстоянию скорости приводит к возникновению в транспортируемом через зазор материале дефор­ мации сдвига. При этом скорость деформации зависит как от ве­ личины зазора, увеличиваясь с его уменьшением, так и от окруж­

Р и с . I X . 5 . Р а с п р е д е л е н и е с к о р о с т е й с д в и г а п о д л и н е з а з о р а .

женин поверхностей раздела вследствие циркуляционного течения в области А и существования областей разноориентированных де­ формаций сдвига.

Для более эффективного смешения применяют вальцы с фрик­ цией, наличие которой интенсифицирует циркуляционное течение

вобласти А. Так как перемешивание материала происходит только

вплоскости, нормальной к оси валков, для выравнивания продоль­ ного распределения концентраций смешиваемых ингредиентов вальцуемый материал периодически снимается е поверхности вал­

ка, скручивается в рулон, который поворачивается иа 90°, и затем вновь пропускается в зазор между валками. Таким образом дости­ гается переориентация смешиваемого полимера относительно на­ правления деформации. Дальнейшее вальцевание обеспечивает вы­ равнивание концентраций в направлении, которое не охватывалось

в предыдущем цикле.

Возникновение в проходящем через зазор материале значитель­ ных напряжений сдвига позволяет кроме смешения осуществлять при вальцевании и операцию диспергирования. Вследствие эт°

вальцевание используют не только для смешения, но и для Дисп Р гирования в полимере твердых и жидких ингредиентов (сажа, ву канизующие группы, мягчители, пластификаторы, стабилизат JJ ,

красители и т. п.). Поскольку процесс диспергирования пР0ИСапря.

Описанные выше изменения в характере течения матеР*\чес’к0Г0 холящегося в зазоре, проявляются в изменении гиДР00™ полу-

ростей с эпюрой давления следует, что трансформация поля скоростей сопровождается увеличением дав­ ления, достигающим в какой-то точ­ ке максимума. Профиль скоростей в этом сечении имеет вид, изобра­ женный на рис. IX. 6 (сечение О—О). Такая форма профиля ско­ ростей показывает, что силы, воз­ никающие вследствие гидростати­ ческого давления и действующие с одной стороны сечения, полностью уравновешиваются аналогичными силами, действующими с другой стороны этого сечения. Следова­ тельно, напряжение сдвига в этом сечении равно нулю, и материал движется подобно твердой пробке,

не подвергаясь никаким деформациям сдвига. При дальнейшем движении материала это равновесие нарушается, и центральные слои начинают двигаться с большей скоростью, чем слои, приле­ гающие к поверхности валков. Максимальная разница достигается в минимальном сечении, расположенном на линии, соединяющей центры валков. Дальнейшее движение сопровождается торможе­ нием центральных слоев. Наконец, на выходе из зазора избыточ­ ное давление падает до нуля, а профиль скоростей вновь прини­ мает прямоугольную или трапециевидную форму.

Из изложенного выше очевидно, что вальцевание представляет собой политропический процесс деформации среды, обладающей как аномалией вязкости, так и высокоэластичностью. В то же вре­ мя известно, что все существующие математические модели вальце­ вания совершенно игнорируют процесс теплопередачи и построены в изотермическом приближении. Наиболее распространены гидро­ динамические теории, моделирующие вальцевание полимеров тече­ нием вязкой ньютоновской жидкости [И —16; 17, с. 227]. В ряде ра­ бот делается попытка рассмотреть течение аномально-вязкой жид­ кости [16]. Наконец, в работе [18] рассмотрено движение обобщен­ ной жидкости, способной к развитию эластических деформаций.

IX. 3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ВАЛЬЦЕВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ, ОБЛАДАЮЩИХ СВОЙСТВАМИ НЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ

Первые попытки создания математической теории вальцевания по­ лимеров, основанной на моделировании среды вязкой ньютонов­ ской жидкостью, можно найти уже в работах Ардичвили [13] и

В случае движения материала в зазоре между валками, вра­ щающимися с одинаковой скоростью t/i = t/2, задача становится осесимметричной. Следовательно, рху = 0 при у — О, отсюда С\ = = 0. При наличии фрикции нулевое сечение смещается в сторону валка, вращающегося с меньшей скоростью. При этом С, оказы­ вается равной:

C, = - U 0Xlh (IX. 6)

Если представить уравнение (IX. 5а) в виде:

dP

Рху — У Л- U оХ(Хо/h

и положить у = уо, определив уо как координату сечения, в кото­ ром рХу = 0, то после несложных преобразований получим:

Д[/0ц

(IX. 7)

h dPjdx

Следовательно, смещение сечения нулевых напряжений сдвига тем больше, чем больше X, т. е. чем выше фрикция.

Интегрируя уравнение (IX.5), получим для случая X = 0 (окружная скорость валков одинакова):

(IX. 8)

Если X ф 0, то имеем:

Постоянные интегрирования определим из условий прилипания

между валками представлено как сумма двух потоков: один по­ ток—это течение с прямоугольным распределением скоростей (вальцуемый материал движется как твердое тело со скоростью, равной окружной скорости валков); второй поток — это парабо­ лическое течение, направление которого зависит от знака гра­ диента давлений. На участке зазора, в пределах которого градиент