Verfahren zur Herstellung von Walzen für Kalander aus Kunststoff auf der Basis der Polymerisationsprodukte durch Schleudern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Walzen für Kalander aus Kunststoff auf der Basis der Polymerisationsprodukte durch Schleuden in einer hohlzylindrischen Form.
In den letzten Jahren sind vielfach Versuche gemacht worden, um die bekannten Papier- und Baumwollwalzen in Kalandern für die Textil- und Papierindustrie durch Walzen aus Kunststoff zu ersetzen.
Bei diesen Versuchen wurden meistens Walzen aus Kunststoff auf der Basis der Polymerisationsprodukte verwandt, zu denen auch die Polyamide bzw. Superpolyamide gehören, weil Walzen aus solchen Kunststoffen besonders gute Glätteigenschaften besitzen. Da es sich bei diesen Walzen um Walzen mit verhältnismässig grossen Abmessungen handelt, z. B. Walzen von 3-4 Metern Länge mit Durchmessern bis zu 600 mm, erfolgte die Herstellung der Walzen entweder durch Vergiessen unter Anwendung der Blockpolymerisation, d.h. in einer Form wird der monomere Ausgangsstoff unter Zugabe eines Katalysators chemisch zur Reaktion, d.h. zur Polymerisation, gebracht oder aus noch flüssigem Polyamidmaterial, d.h. aus flüssigem bereits polymerisierten Kunststoff, welches unmittelbar vom Extruder in eine Schleuderform eingegeben wird.
Es sind auch schon Versuche gemacht worden, Gra- nulate als Ausgangsmaterial zu verwenden und dieses Material unter Temperatureinwirkung im geschmolzenen Zustand zu Rohren zu schleudern.
Für den praktischen Betrieb werden im allgemeinen keine massiven Walzen, sondern Rohrwalzen hergestellt, welche dann als Walzenüberzüge, die aufgeschrumpft werden, oder als Manchons, d.h. als rohrförmige Hohlkörper, die zwischen zwei Walzen arbeiten, Verwendung finden.
Zur Herstellung solcher Rohrwalzen ist das einfachste Verfahren die Blockpolymerisation. Bei diesem Verfahren werden mehrere Komponenten von Netzkatalysatoren mit dem Ausgangsstoff gemischt und bei verhältnismässig geringen Temperaturen vergossen. Die Formen sind hierbei geheiat. Die Temperaturen leiten die Polymerisation ein. Der Vorgang verläuft exotherm, wodurch die Gewähr gegeben ist, dass das gesamte Flüssigkeitsvolumen mehr oder weniger schnell polymerisiert, auch wenn zunächst nur ein Teil der Moleküle mit der erwärmten Form in Berührung kommen.
Alle Arbeitsversuche mit Walzen, welche nach diesem Verfahren hergestellt wurden, verliefen jedoch negativ, da die auf diese Art hergestellten Walzen beim Arbeitseinsatz unter der Belastung von Druck und Temperatur keine Formbeständigkeit zeigten.
Untersuchungen haben ergeben, dass die mangelnde Formbeständigkeit auf innere Spannungen in den Kunststoffrohren zurückführen ist. Diese Spannungen können durch eine nachträgliche Wärmebehandlung verringert, aber nicht gänzlich aufgehoben werden. Die Ursache der Spannungen ist darin zu suchen, dass alle unter Anwendung der Blockpolymerisation und des Nylongusses hergestellten Walzen und auch die mit aus dem Extruder kommenden Material und in flüssigem Zustand geschleuderten Rohrwalzen ausser der normalen Schrumpfung, welche den Wärmedehnungsfaktor zur Ursache hat, einen Polymerisationsschrumpf aufweisen. Dieser Schrumpf ist beträchtlich und kann je nach der Härteeinstellung zwischen 31/2 bis 4% betragen.
Da die Polymerisation, über das ganze Füllvolumen einer Guss- oder Schleuderform betrachtet, nicht vollkommen gleichmässig verläuft, sind die grossen Spannungseinlagerungen im Werkstück verständlich.
Die Gleichmässigkeit des Schrumpfens in drei Ebenen ist dann ausgeschlossen, wenn sich zur gleichen Zeit beim Polymerisationsvorgang mehr oder weniger bereits verfestigte Molekülanhäufungen neben noch flüssigen Molekülansammlungen befinden. Da die Initialzündung zu der Poymerisation von der erwärmten Form ausgehen muss und darüber hinaus noch eine Reaktionswärme auftritt, welche von aussen her nicht mehr gesteuert werden kann, kann mit einer gleichen Polymerisation des gesamten Füllvolumens zu einem gleichen Zeitpunkt nicht gerechnet werden. Die verbleibenden Spannungen werden in dem fertiggestellten Körper um so grösser, je grösser das Füllvolumen ist. Mit anderen Worten, je grösser die Walzenrohrkörper sind.
Es konnte nachge wiesen werden, dass bei kleinsten und kleinen Walzen das Freiwerden der Spannungen, als die Deformationen, während des Betriebes nicht oder nur geringfügig auftreten, während bei grösseren Walzenlängen und -durchmessern die Formbeständigkeit so absinkt, dass diese Walzen in der Praxis nicht zu verwenden sind.
Weder die Wärmebehandlung über mehrere Tage konnte hier eine Abhilfe schaffen, noch vermochten die Versuche, durch thermische und mechanische Belastung der Walzen der Formveränderungen zunächst durch Freimachen der Spannungen zu erzwingen und durch anr schliessende mechanische Nacharbeit die Formänderungen wieder zu beseitigen, dieses Problem zu lösen.
Durch jede mechanische Nacharbeit werden die Ringspannungen an den Walzenoberflächen teilweise abgebaut. Damit werden wieder andere Spannungen bzw.
Spannungsdifferenzen frei, welche bei nochmaliger thermischer und mechanischer Belastung erneut zu Formver änderungen führen.
Es ist nun gefunden worden, dass die Formbeständigkeit der Rohrkörper wesentlich grösser wird, wenn die Rohrkörper bzw. die Walzenkörper durch Blockpolymerisation in der Schleuderform während deren schleuderndem Drehen gebildet und hierbei die Schleuderform mit einer solchen Drehzahl umläuft, dass die Zentrifugalbeschleunigung an der Oberfläche der entstehenden Walze mehr als 500 g beträgt. Bei dieser Art der Herstellung wird das Material derart in die endgültige Form gezwungen, dass die Schrumpfkraft aus dem Polymerisationsvorgang nicht mehr in der Lage ist, die Form, welche der Schleuderdurchmesserform entspricht, zu ändern.
Der Körper enthält, im Querschnitt gesehen, eine Ringspannung, welche in ihrer Grössenordnung Dehnspannungen, die sich aus dem ungleichen Schrumpfprozess der Polymerisation ergeben, weit überlagert ist. Dar über hinaus wird eine wesentlich gleichmässigere Gefügeortientierung erreicht, als mit Schleuderprozessen, die mit wesentlich kleinerer Normalbeschleunigung arbeiten, möglich ist. Je kleiner die Schleuderkräfte sind, um so mehr verschieben sich die in der Polymerisation befindlichen Partien in Umfangsrichtung der Schleuderform zueinander. Es konnte beobachtet werden, dass bei den in gebräuchlicher Weise im Schleuderverfahren hergestellten Rohren eine Unzahl von Überlappungen auftreten, die nach der Mitte des Rohres in ihrer Häufigkeit zunehmen.
Die jeweilige Veschiebung von mehr oder weniger in der Polymerisationsphase befindlichen Molekülanhäufungen muss aber zwangsläufig zu einer partiell ungleichen Schrumpfung und damit zu mehr oder weniger latenten Spannungen führen. Bei späterer Belastung der Rohrwalze, besonders bei thermischer Belastung, Iösen sich diese Spannungen und führen dabei zu Formveränderungen.
Rohrwalzen, welche im Schleuderverfahren bei grosser Normalbeschleunigung hergestellt werden, zeigen ein wesentlich besseres Verhalten hinsichtlich der Formbeständigkeit als alle Walzen, welche mit den bisher üblichen Normalbeschleunigungen hergestellt worden sind.
Die Normalbeschleunigung ist durch die Formel rw v2 bzw. - in m/sec2 bestimmt und wird häufig als ein r Vielfaches der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/sec2 angegeben. Hierbei bedeuten r den Radius, w die Winkelgeschwindigkeit und v die Geschwindigkeit. Es ergeben sich beispielsweise für verschiedene Umdrehungszahlen n und Durchmesser nachstehende Werte von g: nlmin /mm rw2/m/s-
450 1000 g
2000 350 780 g
250 560 g
450 550 g
1500 350 430 g
250 300 g
450 250 g
1000 350 195 g
250 140 g
450 60 g
500 350 47 g
250 33 g
Walzen, welche mit 550 g hergestellt wurden, zeigten eine gute Formbeständigkeit bei Temperaturen von etwa 600 C, eine Arbeitsgeschwindigkeit von 250 m/min und bei Drücken zwischen 200 und 300 kg/cm Walze länge.
Bei Walzen, welche mit 1000 g hergestellt wurden, konnte die Belastung bis auf 600 C bei 400 m/min Arbeitsgeschwindigkeit und Drücken zwischen 200 und 300 kg/cm Walzenlänge gesteigert werden, ehe Form änderungen auftraten.
Bei allen Walzen, welche nach den bisher üblichen Methoden des Giessens oder Schleuderns unter den bisher gebräuchlichen Bedingungen hergestellt wurden, ist die Belastbarkeit bis zum Eintreten der Oberflächendeformation ganz wesentlich geringer.
Selbstverständlich müssen bei einem Schleudervorgang mit einer sehr grossen Normalbeschleunigung alle Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, welche sich insbesondere auf die statische und dynamische Auswuchtung des Schleuderkörpers und die Fundamentierung beziehen. Ohne diesen Aufwand ergeben sich keine Walzen mit genügender Formbeständigkeit.
Process for the manufacture of rolls for calenders made of plastic on the basis of the polymerisation products by centrifugation
The invention relates to a process for the production of rolls for calenders made of plastic on the basis of the polymerisation products by centrifuging in a hollow cylindrical shape.
In recent years, many attempts have been made to replace the known paper and cotton rolls in calenders for the textile and paper industry with rolls made of plastic.
In these tests, rolls made of plastic based on polymerisation products were mostly used, which also include polyamides or superpolyamides, because rolls made of such plastics have particularly good smoothness properties. Since these rollers are rollers with relatively large dimensions, e.g. B. rolls of 3-4 meters in length with diameters up to 600 mm, the production of the rolls was done either by casting using block polymerization, i.e. in one form the monomeric starting material is chemically reacted with the addition of a catalyst, i. polymerized, or made of still liquid polyamide material, i. made of liquid already polymerized plastic, which is fed directly from the extruder into a centrifugal mold.
Attempts have also been made to use granules as the starting material and to throw this material into pipes under the influence of temperature in the molten state.
For practical operation, in general, tubular rolls are not produced, but rather tubular rolls, which are then used as roll covers that are shrunk on, or as manchons, i.e. as tubular hollow bodies that work between two rollers, use.
The simplest method for producing such tubular rolls is block polymerization. In this process, several components of network catalysts are mixed with the starting material and cast at relatively low temperatures. The forms here are secret. The temperatures initiate the polymerization. The process is exothermic, which guarantees that the entire volume of liquid polymerizes more or less quickly, even if only some of the molecules initially come into contact with the heated mold.
However, all work tests with rolls produced by this method had a negative result, since the rolls produced in this way did not show any dimensional stability when used under pressure and temperature.
Investigations have shown that the lack of dimensional stability is due to internal stresses in the plastic pipes. These tensions can be reduced by subsequent heat treatment, but not completely eliminated. The cause of the tensions is to be found in the fact that all rollers manufactured using block polymerization and nylon casting and also the pipe rollers that are thrown out of the extruder and in a liquid state show polymerization shrinkage in addition to normal shrinkage, which is caused by the thermal expansion factor . This shrinkage is considerable and can be between 31/2 to 4% depending on the hardness setting.
Since the polymerisation does not proceed completely uniformly over the entire filling volume of a casting or centrifugal mold, the large amount of stress in the workpiece is understandable.
The uniformity of the shrinkage in three planes is excluded if at the same time during the polymerization process there are more or less already solidified molecule clusters next to still liquid molecule clusters. Since the initial ignition for the polymerization must come from the heated mold and, in addition, a heat of reaction occurs which can no longer be controlled from the outside, the same polymerization of the entire filling volume at the same point in time cannot be expected. The remaining stresses in the finished body are greater, the greater the filling volume. In other words, the larger the roller tube bodies are.
It has been shown that with the smallest and small rolls, the release of the stresses, as the deformations, does not occur or only slightly during operation, while with larger roll lengths and diameters the dimensional stability drops so that these rolls do not in practice are using.
Neither the heat treatment over several days could remedy this, nor were the attempts to force the shape changes through thermal and mechanical loading of the rollers by releasing the tensions and then to eliminate the shape changes again through subsequent mechanical reworking to solve this problem.
Every mechanical reworking process partially relieves the ring tensions on the roll surfaces. This again creates other tensions or
Stress differences free, which lead to changes in shape with repeated thermal and mechanical loading.
It has now been found that the dimensional stability of the tubular body is significantly greater if the tubular body or the roller body is formed by block polymerization in the centrifugal mold while it is spinning and the spinning mold rotates at such a speed that the centrifugal acceleration on the surface of the spinning mold Roller is more than 500 g. In this type of production, the material is forced into its final shape in such a way that the shrinkage force from the polymerisation process is no longer able to change the shape that corresponds to the centrifugal diameter shape.
When viewed in cross-section, the body contains a ring stress which, in terms of its magnitude, is largely superimposed on tensile stresses that result from the uneven shrinkage process of the polymerization. In addition, a much more even structure orientation is achieved than is possible with centrifugal processes that work with much lower normal acceleration. The smaller the centrifugal forces, the more the parts being polymerized are displaced relative to one another in the circumferential direction of the centrifugal mold. It could be observed that in the tubes produced in the customary manner in the centrifugal process, a myriad of overlaps occur, the frequency of which increases after the middle of the tube.
The respective shift of the more or less molecular clusters located in the polymerization phase must inevitably lead to a partially unequal shrinkage and thus to more or less latent stresses. When the tube roller is loaded later, especially when exposed to thermal stress, these tensions dissolve and lead to changes in shape.
Tube rolls, which are produced in the centrifugal process at high normal acceleration, show a significantly better behavior in terms of dimensional stability than all rolls which have been produced with the normal accelerations customary up to now.
The normal acceleration is determined by the formula rw v2 or - in m / sec2 and is often given as an r multiple of the acceleration due to gravity g = 9.81 m / sec2. Here r is the radius, w is the angular velocity and v is the velocity. For example, the following values of g result for different numbers of revolutions n and diameter: nlmin / mm rw2 / m / s-
450 1000 g
2000 350 780 g
250 560 g
450 550 g
1500 350 430 g
250 300 g
450 250 g
1000 350 195 g
250 140 g
450 60 g
500 350 47 g
250 33 g
Rolls which were produced with 550 g showed good dimensional stability at temperatures of about 600 ° C., an operating speed of 250 m / min and at pressures between 200 and 300 kg / cm roll length.
In the case of rolls made with 1000 g, the load could be increased up to 600 ° C. at 400 m / min working speed and pressures between 200 and 300 kg / cm roll length before changes in shape occurred.
In the case of all rollers which have been manufactured by the conventional methods of casting or centrifuging under the previously customary conditions, the load-bearing capacity until the surface deformation occurs is considerably lower.
Of course, in the case of a centrifugal process with a very high normal acceleration, all safety precautions must be taken, which relate in particular to the static and dynamic balancing of the centrifugal body and the foundation. Without this effort, there will be no rolls with sufficient dimensional stability.