폴리머 캘린더링

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그림 1: 일반적인 'I' 유형 캘린더의 롤러 설정

캘린더는 폴리머 용융물을 시트나 필름으로 가공하는 데 사용되는 장치입니다. 100년 이상 사용되어 왔으며 처음 개발 당시 주로 고무 가공에 사용되었으나 현재는 열가소성 ^W 시트, 코팅 및 필름 생산에 일반적으로 사용됩니다. ^[1] 캘린더는 처음 발명되었을 때 롤러 사이의 원하는 간격을 조정하는 것이 어려웠기 때문에 그다지 인기가 없었습니다. 결과적으로 정확한 시트 두께를 얻는 것이 어려웠습니다. 이 공정은 기계 조정이 더 쉬워진 1930년대까지 대중화되지 않았습니다. ^[2] 요즘 캘린더는 다음과 같은 허용 오차를 달성할 수 있습니다.±{\디스플레이스타일 \pm }0.005mm. ^[2]

작동 원리

캘린더 개념은 이해하기 매우 쉽습니다. 기계의 기본 아이디어는 두 개 이상의 롤러(이 영역을 닙이라고 함) 사이에서 열 연화 폴리머를 압착하여 연속 시트를 형성하는 것입니다. 공정을 시작하려면 폴리머가 캘린더를 통과하기 전에 혼합 및 플럭싱을 거쳐야 합니다. 블렌딩은 원하는 폴리머와 플럭싱 열을 생성하고 이 블렌딩된 폴리머를 작동시켜 캘린더가 처리하기 더 쉬운 일관성을 만드는 과정입니다. [3] ^그런 다음 폴리머는 캘린더를 통과할 준비가 되어 일정한 두께로 남게 됩니다. 주로 마지막 두 롤러 사이의 간격에 따라 달라집니다. 마지막 롤러 세트도 표면 마감을 결정합니다. 예를 들어 표면의 광택과 질감에 영향을 미칠 수 있습니다. ^[1]캘린더링되는 폴리머의 한 가지 점은 롤러를 통과하는 시트가 접촉하고 있는 두 롤러 중 더 빠르게 움직이는 롤러를 따라가는 경향이 있으며 더 뜨거운 롤에 더 많이 달라붙는다는 것입니다. 그렇기 때문에 캘린더는 일반적으로 시트를 떼어내기 위해 더 빠른 속도의 더 작은 롤러로 끝납니다. 이는 시트가 다른 롤러에 달라붙지 않거나 두 롤러에 달라붙어 갈라지는 일이 발생하지 않도록 중간 롤러를 일반적으로 더 차갑게 유지하는 이유이기도 합니다. ^[4] 이러한 분할 현상으로 인해 캘린더 작업자는 두 롤러 사이의 5/1에서 20/1 범위의 높은 마찰비를 원하게 되었습니다. ^[4]

용도

• 바닥 타일
• 연속 바닥재
• 비옷
• 샤워 커튼
• 테이블 커버
• 감압성 테이프
• 자동차 및 가구 장식품
• 벽지
• 빛나는 천장
• 표지판 및 디스플레이
• 등 ^[3]

재료 사양

캘린더링에 가장 적합한 폴리머는 열가소성 수지입니다. 그 이유 중 하나는 용융 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 연화되어 광범위한 작동 온도를 제공하기 때문입니다. 또한 롤러에 잘 접착되어 체인을 잘 통과할 수 있지만 너무 잘 접착되지 않아 롤러에 달라붙습니다. 마지막 이유는 열가소성 수지 용융물은 점도가 상당히 낮지만 여전히 서로 결합할 수 있을 만큼 강하고 여기저기로 흐르지 않는다는 것입니다. 열에 민감한 재료는 캘린더에 적합합니다. 캘린더는 재료를 작업하기 위해 엄청난 압력을 가하므로 열 분해 가능성을 제한하면서 처리하는 데 높은 온도가 필요하지 않기 때문입니다. 이것이 PVC 가공을 위해 캘린더링이 종종 선택되는 이유입니다. ^[2]공정의 특성으로 인해 폴리머는 시트 폭 전체에 걸쳐 일관된 전단 및 열 이력을 가져야 합니다. ^[5]

장점

오늘날 최고 품질의 플라스틱 시트는 캘린더를 통해 생산됩니다. 실제로 시트 성형에서 캘린더와 경쟁하는 유일한 공정은 ^W를 압출하는 것 입니다 . 캘린더는 또한 열 분해를 거의 일으키지 않기 때문에 열에 민감한 폴리머를 처리하는 데 매우 적합 ^합니다 . 캘린더링의 또 다른 장점은 잘 혼합되거나 융화되지 않는 다량의 고체 첨가제를 포함하는 폴리머를 혼합하는 데 효과적이라는 것입니다. 이는 압출에 비해 캘린더가 투입된 기계적 에너지의 양에 비해 높은 용융 속도를 생성하기 때문에 사실입니다. ^[6]이로 인해 회사는 플라스틱에 더 많은 필러 제품을 추가하고 원자재 비용을 절약할 수 있습니다. 캘린더는 매우 다재다능한 기계이므로 롤러 간격 크기와 같은 설정을 변경하는 것이 매우 쉽습니다.

단점

캘린더링 공정은 압출 공정보다 더 나은 제품을 생산하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 한 가지 단점은 프로세스를 수행하는 데 비용이 더 많이 든다는 점인데, 이는 많은 기업의 주요 방해 요소입니다. 캘린더링 공정은 게이지가 너무 높거나 너무 낮은 경우에도 좋지 않습니다. 두께가 0.006인치 미만이면 시트에 핀홀과 빈 공간이 나타나는 경향이 있습니다. ^[4] 두께가 약 0.06인치보다 크면 시트에 공기가 들어갈 위험이 있습니다. ^[7] 해당 범위 내에서 원하는 두께는 캘린더 프로세스를 사용하면 훨씬 더 좋아질 것입니다.

유형

캘린더에는 I형, L형, Z형의 3가지 주요 유형이 있습니다.

나는 타자를 친다

그림 1: 일반적인 'I' 유형 캘린더의 롤러 설정

그림 1에 표시된 I 유형은 수년 동안 표준 캘린더로 사용되었습니다. 또한 스택에 롤러를 하나 더 추가하여 제작할 수도 있습니다. 하지만 각 닙에는 롤러를 닙에서 밀어내는 바깥쪽으로 힘이 있기 때문에 이 디자인은 이상적이지 않았습니다.

L형

그림 2: 일반적인 반전된 'L' 유형 캘린더의 롤러 설정

L 유형은 그림 2와 동일하지만 수직으로 미러링됩니다. 이 두 가지 설정 모두 대중화되었으며 일부 롤러는 다른 롤러에 대해 90o에 있기 때문에 ^롤 분리력이 후속 롤러에 미치는 영향이 적습니다. L형 캘린더는 단단한 비닐을 처리하는 데 자주 사용되며 역L형 캘린더는 일반적으로 유연한 비닐을 처리하는 데 사용됩니다. ^[8]

Z 유형

그림 3: 일반적인 'Z' 유형 캘린더의 롤러 설정

z 유형 캘린더는 각 롤러 쌍을 체인의 다음 쌍에 직각으로 배치합니다. 이는 각 롤러에 개별적으로 가해지는 롤 분리력이 다른 롤러에 영향을 미치지 않음을 의미합니다. ^[5] Z형 캘린더의 또 다른 특징은 그림 3에서 볼 수 있듯이 시트가 롤러 사이에 들어가기 위해 롤러 원주의 1/4만 이동하기 때문에 시트에서 열 손실이 적다는 것입니다. ^[9] 대부분의 다른 유형은 롤러 원주의 약 절반입니다.

캘린더링 물리학

유체 역학

그림 4: 다음 방정식에 사용된 매개변수

뉴턴 분석을 사용하여 프로세스를 모델링할 수 있습니다. 이러한 방정식을 개발하기 위해 만들어진 가정은 다음과 같습니다: ^[5]

1. 흐름은 두 롤러 사이에서 대칭입니다.
2. 흐름은 정상상태이고 층류이다.
3. 비압축성 유체
4. 유체와 롤러 사이에 미끄러짐이 없습니다.
5. 롤러의 반경은 롤러 사이의 간격보다 훨씬 커서 평행판 사이에서 유동이 발생한다고 가정할 수 있습니다.

롤러에 대한 유체/용해물의 속도: ^[5]

V디=아르 자형Ω{\displaystyle V_{d}=R\omega \,}(1)

• R은 롤러의 반경입니다.
• Ω{\디스플레이스타일\오메가 }는 롤러의 각속도(rad s ^{-1) 입니다.}

속도는 다음 방정식을 사용하여 롤러 사이 어디에서나 찾을 수 있습니다. ^[5]

V(엑스)=V디-12에타디피디엑스(시간2-와이2){\displaystyle V(x)=V_{d}-{\frac {1}{2\eta }}{\frac {dP}{dx}}(h^{2}-y^{2})}(2)

• h는 두 롤러 사이의 절반 거리 x 거리입니다(그림 4 참조).
• dP/dx는 압력 구배입니다.
• y는 속도가 계산되는 롤러 사이의 중간 지점으로부터의 거리입니다.
• 에타{\디스플레이스타일\eta }점도는

방정식에서 흐름의 속도는 롤러에 가까워질수록 롤러의 속도에 접근한다는 것이 분명합니다. 또한 두 롤러의 중간에서 속도가 가장 느려지는 것을 보여줍니다. 점도가 높고 압력 구배가 낮은 경우에만 용융 속도가 롤러 속도에 근접할 수 있습니다.

체적 흐름은 다음과 같이 모델링할 수 있습니다. ^[5]

큐=2시간*여V디{\displaystyle Q=2h^{*}WV_{d}\,}(삼)

• W는 생산되는 시트의 너비입니다.

이 방정식은 제품이 얼마나 빨리 생산되는지 직접적으로 보여줍니다.

최대 압력은 다음을 통해 확인할 수 있습니다. ^[5]

피중ㅏ엑스=15에타λ삼V디2시간0아르 자형2시간0{\displaystyle P_{max}={\frac {15\eta \lambda ^{3}V_{d}}{2h_{0}}}{\sqrt {\frac {R}{2h_{0}}}} }(4)

• h ₀ 은 롤러가 서로 가장 가까울 때의 롤러 사이 거리의 절반입니다(그림 4 참조).
• λ{\디스플레이스타일\lambda }^{h *} 에서 p(식 6 참조)입니다 (그림 4 참조).

따라서 최대 압력은 속도, 점도 또는 롤러 반경을 감소시키거나 롤러 간격을 증가시킴으로써 감소됩니다.

다음 방정식은 두 개의 롤러를 분리하는 데 작용하는 유체로 인해 발생하는 힘에 대한 것입니다. ^[5]

에프=삼에타V디아르 자형여4시간0에프(피,λ){\displaystyle F={\frac {3\eta V_{d}RW}{4h_{0}}}f(p,\lambda )}(5)

• p는 방정식 6에서 정의됩니다.

이 롤 분리력을 가능한 한 낮추는 것이 중요합니다. 방정식에서 이를 수행하려면 점도, 속도, 롤러 반경 및 시트 폭을 줄여야 하고 롤러 간격을 늘려야 함을 알 수 있습니다.

p는 다음과 같이 정의됩니다: ^[5]

피2=엑스22아르 자형시간0{\displaystyle p^{2}={\frac {x^{2}}{2Rh_{0}}}}(6)

• x = 0이고 h ₀ 에서 오른쪽으로 증가합니다.

두 롤러에 입력되는 총 전력: ^[6]

피승=삼에타여V디22아르 자형시간0에프(λ){\displaystyle P_{w}=3\eta WV_{d}^{2}{\sqrt {\frac {2R}{h_{0}}}}f(\lambda )}(7)

동력을 감소시키기 위한 힘 및 압력과 마찬가지로 점도, 롤러 속도, 폭 및 롤러 반경을 줄여야 하며 롤러 간격을 늘려야 합니다. 방정식은 동력 입력이 속도에 가장 크게 좌우된다는 것을 보여줍니다. 따라서 동력 입력을 줄이는 가장 효과적인 방법은 롤러 속도를 줄이는 것입니다. 이로 인해 생산량이 감소하더라도 방정식 3을 보면 출력이 출력보다 속도 변화에 의해 덜 영향을 받는다는 것을 알 수 있습니다.

방정식 5와 7의 두 함수는 다음과 같습니다. ^[6]

에프(λ)=(1-λ2)[탠 껍질-1⁡λ-탠 껍질-1⁡피나]-[(λ-피나)(1-피나λ)1+피나2]{\displaystyle f(\lambda )=(1-\lambda ^{2})[\tan ^{-1}\lambda -\tan ^{-1}p_{i}]-[{\frac {(\ 람다 -p_{i})(1-p_{i}\lambda )}{1+p_{i}^{2}}}]}(8)

에프(피,λ)=(λ-피나1+피나2)[-피나-λ-5λ5(1+피나2)+(1-삼λ2)[λ탠 껍질-1⁡λ-피나탠 껍질-1⁡피나]{\displaystyle f(p,\lambda )=({\frac {\lambda -p_{i}}{1+p_{i}^{2}}})[-p_{i}-\lambda -5\lambda ^{5}(1+p_{i}^{2})+(1-3\lambda ^{2})[\lambda \tan ^{-1}\lambda -p_{i}\tan ^{-1}p_{i}]}(9)

• p _i 는 용융물이 처음에 압축되기 시작하는 지점(용융물이 두 롤러 모두와 접촉하는 지점)입니다.

온도 영향

유체 용융물의 온도는 롤러에서 가장 높은 것으로 밝혀졌습니다. 이는 두 가지 이유로 발생합니다.

1. 층류 흐름의 측면에서 전단력이 가장 높으므로 마찰과 열도 측면에서 가장 높습니다.
2. 열은 롤러를 통해 시스템에 추가되고 유체는 잘 전도되지 않습니다. ^[6]

이 효과는 유체의 점성이 높을수록 그 규모가 더욱 커지는 경향이 있습니다. 압연 온도를 높이면 위의 유체 역학에 변화가 발생합니다. 점도가 감소합니다. 결과적으로 유체의 동력 입력, 압력 및 롤 분리력이 감소합니다. 또한 유체 균열 가능성을 낮추고 표면 마감을 더 좋게 만들지만, 이 모든 것은 대가를 치르고 열적 저하 가능성을 높입니다. ^[5]

최종 제품에 대한 속도 효과

캘린더는 빠른 속도로 폴리머 시트를 생산할 수 있습니다. ^{0.1 - 2.0 ms ^-1} 사이의 속도로 시트를 생성할 수 있습니다 . ^[2] 속도를 높이면 유체 역학 섹션에서 언급한 효과를 제외하고 프로세스에 부정적인 영향을 미칩니다. 속도를 높이면 열이 롤러에서 유체 전체로 퍼지는 시간이 훨씬 짧아져 온도 변화가 더욱 커집니다. 또한 롤러에서 유체의 전단력이 증가하여 균열과 같은 표면 결함이 발생할 가능성이 높아집니다. ^[5] 고품질의 제품을 생산하려면 속도를 매우 신중하게 선택해야 합니다.

롤 벤딩

캘린더링 시 롤러는 최종 닙에서 최대 41MPa에 도달할 수 있는 큰 압력을 받습니다. 압력은 롤러 폭의 중간 부분에서 가장 높으며 이로 인해 롤러가 편향됩니다. 이러한 편향으로 인해 시트의 측면보다 중앙이 더 두꺼워집니다. 이러한 굽힘을 보상하기 위해 개발된 세 가지 방법이 있습니다.

1. 롤 크라우닝
2. 롤 벤딩
3. 롤 크로싱

롤 크라우닝은 롤러의 편향을 보상하기 위해 중앙의 직경이 더 큰 롤러를 사용합니다. 롤 벤딩에는 롤러의 양쪽 끝에 모멘트를 적용하여 롤러에 가해지는 용융물에 가해지는 힘에 대응하는 작업이 포함됩니다. 롤 교차의 경우 롤러는 서로 약간의 각도로 배치되며 이로 인해 용융물에 대한 롤러의 힘은 롤러가 서로 겹쳐진 중앙에서 더 높고 가장자리에는 더 적은 힘이 가해집니다. 롤러가 서로 바로 위에 있지 않습니다. ^[9]

에너지 효율

효율은 입력 에너지와 출력 에너지의 비율입니다. 출력은 주로 방정식 7로 정의되며 입력 에너지는 전력 소비로 알려져 있습니다. 따라서 효율을 높이려면 입력 에너지를 낮추거나 출력 에너지를 늘려야 합니다. 출력에 전혀 기여하지 않는 많은 요소가 입력 에너지에 영향을 미칩니다. 제품을 만들기 전에 날씨가 추울 때 캘린더를 작동 상태로 시작하는 데 1~2시간이 걸립니다. ^[4]이러한 효율성으로 인해 효율성은 시간에 따라 달라지므로 기계가 생산되는 시간이 길어질수록 효율성은 증가하며 캘린더는 오랫동안 작동하는 경우에만 효율성이 좋다고 간주될 수 있습니다. 롤업된 시트를 변경하고 캘린더 설정을 조정하는 등 여러 가지 방법으로 시간을 낭비할 수 있습니다. 완성된 시트를 수집하기 위해 두 개의 롤러로 시스템을 설정할 수 있고 캘린더를 신속하게 전환하여 첫 번째 롤러가 풀타임이 된 후 두 번째 시트를 언로드할 수 있는 경우 거기에 저장할 수 있습니다. 두 번째 지점에서는 설정에 대한 자동화된 제어 기능을 향상시켜 속도를 높일 수 있습니다. 손으로 수행해야 하는 경우 롤러를 중지하고 냉각해야 하지만 요즘 대부분의 캘린더는 유압 장치를 작동하는 제어 장치를 통해 이를 수행할 수 있습니다. 앞서 언급한 바와 같이 캘린더는 투입된 기계적 에너지 양에 비해 높은 용융 속도를 생성합니다. 이는 롤러의 온도를 시트 압출을 수행하는 데 필요한 온도보다 낮게 유지하여 열에너지를 절약할 수 있음을 의미합니다. 롤러 온도를 더 잘 제어하고 롤러 가열 시간을 절약하기 위해 롤러에는 축 방향으로 구멍이 뚫려 있습니다. 이를 통해 롤러를 가열하는 데 사용되는 유체가 외부에서 더 쉽게 가열된 다음 롤러를 통해 순환할 수 있습니다. 롤러 온도를 더 잘 제어하고 롤러 가열 시간을 절약하기 위해 롤러에는 축 방향으로 구멍이 뚫려 있습니다. 이를 통해 롤러를 가열하는 데 사용되는 유체가 외부에서 더 쉽게 가열된 다음 롤러를 통해 순환할 수 있습니다. 롤러 온도를 더 잘 제어하고 롤러 가열 시간을 절약하기 위해 롤러에는 축 방향으로 구멍이 뚫려 있습니다. 이를 통해 롤러를 가열하는 데 사용되는 유체가 외부에서 더 쉽게 가열된 다음 롤러를 통해 순환할 수 있습니다.

참고자료