Stan mieszania gumy w walcarce dwuwalcowej – zachowanie materiału i parametry procesu

Walcarka dwuwalcowa umożliwia kontrolowane mieszanie, mastykację i formowanie mieszanek gumowych poprzez wielokrotne przeprowadzanie materiału przez regulowaną szczelinę pomiędzy dwoma przeciwbieżnymi walcami. O zachowaniu gumy decydują równocześnie temperatura materiału i walców, wielkość szczeliny, prędkości powierzchniowe obu walców i ich wzajemny stosunek, wielkość wsadu, czas procesu oraz właściwości lepkosprężyste konkretnego kauczuku lub mieszanki.
Najintensywniejsza deformacja materiału występuje w obszarze szczeliny, określanym jako nip, natomiast rolling bank przed szczeliną i pasmo gumy na walcu uczestniczą w ciągłym zawracaniu materiału do kolejnych cykli mieszania. Obserwację tych zjawisk można uzupełnić pomiarem temperatury, prędkości walców, momentu obrotowego, siły i rzeczywistej szczeliny, przechodząc od oceny operatora do mierzalnego i powtarzalnego procesu laboratoryjnego.

Co oznacza stan mieszania gumy na walcarce?

Podczas pracy walcarki właściwości mieszanki nie pozostają stałe. Materiał nagrzewa się lub oddaje ciepło do walców, jest wielokrotnie deformowany, zmienia swoją lepkość, odpowiedź sprężystą oraz sposób przylegania do powierzchni roboczych. W konsekwencji może zmieniać się sposób jego wciągania do szczeliny, kształt banku materiału i stabilność pasma tworzonego na walcu.

Określenie stan mieszania używane w tym artykule odnosi się przede wszystkim do obserwowanego zachowania materiału podczas walcowania. Nie jest ono bezpośrednią miarą stopnia homogenizacji ani jakości dyspersji składników. Te właściwości wymagają odrębnej oceny gotowej mieszanki.

Guma przed usieciowaniem jest materiałem lepkosprężystym. Podczas deformacji część dostarczonej energii może być magazynowana w sposób sprężysty, a część jest rozpraszana w postaci ciepła. Relacja pomiędzy tymi mechanizmami zależy między innymi od temperatury, szybkości deformacji, rodzaju kauczuku, formulacji i historii wcześniejszego przetwarzania.

Nip, rolling bank i pasmo gumy na walcu

W procesie walcowania można wyróżnić trzy funkcjonalnie powiązane obszary: zwężającą się szczelinę pomiędzy walcami, czyli nip, obracający się zasób materiału znajdujący się przed szczeliną, określany jako rolling bank, oraz pasmo gumy pozostające na powierzchni jednego z walców.

Nip jest strefą szczególnie intensywnej deformacji materiału. Występują w nim jednocześnie składowe ścinające, ściskające i wydłużeniowe wynikające ze zbieżnej geometrii przepływu. Powstające naprężenia uczestniczą w uplastycznianiu gumy, mieszaniu składników oraz, przy odpowiednich właściwościach mieszanki i warunkach procesu, w rozbijaniu aglomeratów napełniaczy.

Rolling bank nie jest tylko przypadkowym nagromadzeniem gumy. Stanowi dynamiczny zasób materiału zasilający szczelinę. Jego wielkość, temperatura i stabilność wpływają na sposób prowadzenia procesu. Zbyt mały lub niestabilny bank może powodować nierównomierne zasilanie nipu, natomiast nadmierna ilość materiału może pogarszać prawidłową recyrkulację i utrudniać kontrolę procesu.

Po przejściu przez szczelinę guma może utworzyć ciągłe pasmo na powierzchni jednego z walców. Zjawisko to określa się również jako banding. Walec, na którym utrzymuje się pasmo, zależy między innymi od prędkości powierzchniowych, temperatur obu powierzchni, warunków adhezji i właściwości lepkosprężystych konkretnej mieszanki.

Rysunek 1. Obieg materiału, rolling bank i przykładowe zmiany temperatury pasma gumy podczas walcowania.

Na schemacie widoczny jest obieg materiału pomiędzy bankiem, szczeliną i powierzchnią walca. Pokazane wartości temperatury, około 100°C, 81°C, 77°C, 74°C i 71°C, przedstawiają konkretny przykład przebiegu cieplnego. Nie należy traktować ich jako uniwersalnego profilu temperatury dla każdej gumy i każdych parametrów walcowania.

Temperatura walca nie jest temperaturą gumy

Temperatura mieszanki jest wynikiem bilansu pomiędzy energią mechaniczną rozpraszaną w materiale a wymianą ciepła z powierzchniami walców i otoczeniem. W obszarze intensywnej deformacji część energii mechanicznej jest przekształcana w ciepło. Po opuszczeniu szczeliny pasmo pozostaje przez pewien czas w kontakcie z termostatowanym walcem i może oddawać do niego lub pobierać z niego ciepło.

Oznacza to, że temperatura nastawiona w układzie termostatowania nie musi odpowiadać rzeczywistej temperaturze gumy. Różnica zależy od rodzaju materiału, jego właściwości reologicznych, prędkości walców, szczeliny, wielkości wsadu, grubości pasma i czasu procesu.

W badaniach R&D niezależny pomiar temperatury walcowanego materiału może dostarczać informacji, których nie daje sam pomiar temperatury walców. Jest to szczególnie istotne przy formulacjach wrażliwych termicznie oraz mieszankach zawierających składniki układu sieciującego.

Prędkości walców i friction ratio

Prędkość obrotowa walca nie opisuje w pełni jego oddziaływania na materiał. Istotna jest prędkość powierzchniowa. Jeżeli średnica walca D podana jest w milimetrach, a prędkość obrotowa n w obr/min, prędkość powierzchniową można zapisać jako:

v [m/min] = π · D [mm] · n [min^-1] / 1000

Dla dwóch walców pracujących z różnymi prędkościami stosuje się parametr określany w technologii gumy jako friction ratio:

FR = v_szybszy / v_wolniejszy

Friction ratio jest stosunkiem prędkości powierzchniowych walców i nie powinien być utożsamiany z fizycznym współczynnikiem tarcia materiału o powierzchnię walca. Jeżeli oba walce mają tę samą średnicę, FR odpowiada stosunkowi ich prędkości obrotowych. Przy różnych średnicach należy posługiwać się rzeczywistymi prędkościami powierzchniowymi.

Zmiana FR wpływa na warunki kinematyczne w nipie, zachowanie banku materiału i sposób prowadzenia pasma. Nie istnieje jedna uniwersalna wartość odpowiednia dla wszystkich kauczuków i formulacji. W badaniach porównawczych szczególnie ważna jest możliwość dokładnego zadania, utrzymania i ponownego odtworzenia obu prędkości.

W laboratoryjnych walcarkach do gumy SiTech3D oba walce mają niezależnie sterowane napędy, dzięki czemu prędkości oraz friction ratio mogą być dobierane do badanego procesu.

Mastykacja oraz mieszanie dyspersyjne i dystrybucyjne

Mastykacja i mieszanie nie oznaczają tego samego zjawiska. Mastykacja jest mechaniczną obróbką surowego kauczuku prowadzącą do zmiany jego przetwarzalności. W przypadku niektórych materiałów, szczególnie kauczuku naturalnego, intensywna obróbka mechaniczna może prowadzić do obniżenia lepkości i zmian struktury makrocząsteczkowej. Mechanizmu tego nie należy jednak automatycznie przenosić na wszystkie elastomery.

Mieszanie dotyczy natomiast wprowadzania i rozmieszczania składników formulacji. Warto przy tym rozróżnić dwa mechanizmy:

• mieszanie dyspersyjne - rozbijanie aglomeratów i skupisk składników pod wpływem odpowiednio dużych naprężeń,
• mieszanie dystrybucyjne - rozmieszczanie składników w możliwie całej objętości materiału.

Materiał może być dobrze rozprowadzony, a jednocześnie zawierać niedostatecznie rozbite aglomeraty. Z drugiej strony duża lokalna intensywność deformacji nie gwarantuje równomiernej dystrybucji w całej objętości wsadu.

Wymiana materiału w kierunku osiowym walców jest ograniczona w porównaniu z intensywną deformacją w nipie. Dlatego w klasycznej pracy operator wykonuje cięcia, składanie i przekładanie pasma. W układzie z automatem mieszającym operacje te mogą być realizowane mechanicznie i według powtarzalnego cyklu.

Parametry walcarki mogą opisywać przebieg procesu, ale nie zastępują oceny gotowej mieszanki. Moment, siła, temperatura czy energia są sygnałami diagnostycznymi, natomiast końcową jakość dyspersji należy weryfikować metodami właściwymi dla badanego materiału.

Cztery regiony zachowania gumy podczas walcowania

Klasyczne badania przeprowadzone przez Noboru Tokitę i Jamesa L. White wykazały, że podczas walcowania nieusieciowanego elastomeru można obserwować cztery charakterystyczne regiony zachowania mechanicznego. Zależą one przede wszystkim od temperatury materiału oraz intensywności deformacji w nipie.

Nie należy traktować ich jako czterech obowiązkowych i kolejnych etapów każdego procesu. Są to charakterystyczne obszary zachowania, w których materiał może się znaleźć zależnie od właściwości elastomeru oraz aktualnych warunków walcowania.

Rysunek 2. Cztery charakterystyczne regiony zachowania elastomeru podczas walcowania.

Stan 1 - materiał zbyt sztywny do stabilnego wciągania

Przy niskiej temperaturze lub dużej sztywności materiał może ślizgać się po powierzchni walca i nie być stabilnie wciągany do szczeliny. Po wymuszonym wprowadzeniu może pękać lub rozpadać się zamiast utworzyć ciągłe pasmo.

W tym regionie zachowanie materiału jest silnie związane z jego odpowiedzią sprężystą, modułem oraz zdolnością do przenoszenia dużej deformacji bez utraty spójności.

Stan 2 - stabilne pasmo i aktywny bank materiału

Po osiągnięciu korzystniejszych warunków guma łatwo wchodzi do szczeliny, tworzy stabilne pasmo na walcu i aktywny rolling bank. Materiał zachowuje jednocześnie wystarczającą spójność i zdolność do przenoszenia naprężeń.

Dla wielu operacji mieszania jest to szczególnie korzystny obszar pracy. Materiał może wielokrotnie przechodzić przez nip, zachowując stabilne prowadzenie i warunki umożliwiające skuteczne oddziaływanie mechaniczne na składniki mieszanki.

Stan 3 - niestabilne pasmo

Przy dalszej zmianie temperatury i właściwości lepkosprężystych pasmo może utracić stabilność, zwisać, rozdzielać się lub zmieniać sposób przylegania do walców.

Stan ten można traktować jako obszar przejściowy, w którym udział odpowiedzi sprężystej i lepkiej staje się porównywalny. Stabilne prowadzenie materiału może być wtedy wyraźnie trudniejsze.

Stan 4 - dominacja zachowania lepkiego

Przy dalszym wzroście temperatury materiał może wykazywać mniejszy odzysk sprężysty, większą podatność na przepływ i silniejszą tendencję do pokrywania powierzchni walca.

Łatwiejszy przepływ nie oznacza automatycznie lepszej dyspersji. Jeżeli lepkość i związane z nią naprężenia stają się zbyt małe, skuteczność rozbijania aglomeratów napełniacza może ulec pogorszeniu.

Lepkosprężystość łączy temperaturę z zachowaniem materiału

Przejścia pomiędzy opisanymi regionami wynikają z lepkosprężystego charakteru gumy. Część energii deformacji może być chwilowo magazynowana i odzyskiwana, natomiast część jest nieodwracalnie rozpraszana. Temperatura oraz szybkość deformacji wpływają na relację pomiędzy tymi mechanizmami.

Dlatego ta sama mieszanka może przy jednej konfiguracji tworzyć stabilne pasmo, a po zmianie temperatury, szczeliny lub prędkości walców przejść do zachowania niestabilnego. Stan materiału zależy także od jego wcześniejszej historii mechanicznej i cieplnej.

Szersze podstawy dotyczące lepkości, ścinania i zachowania materiałów nienewtonowskich opisano w artykule Ciecze nienewtonowskie - charakterystyka, mechanizmy i zastosowania.

Jak kontrolować powtarzalność walcowania?

W badaniach laboratoryjnych sama informacja, że próbka została wymieszana, jest niewystarczająca. Jeżeli celem jest porównywanie formulacji, partii materiału lub kolejnych eksperymentów, warunki procesu powinny być możliwe do odtworzenia.

Do parametrów o szczególnym znaczeniu należą masa i skład wsadu, kolejność dodawania składników, rzeczywista szczelina, temperatura walców, prędkości obu walców, friction ratio, czas procesu, sposób cięcia i przekładania pasma oraz warunki termiczne pomiędzy kolejnymi próbami.

Znaczenie tych danych dobrze pokazują znormalizowane procedury przygotowania mieszanek gumowych. ISO 2393 porządkuje wymagania dotyczące wyposażenia i prowadzenia laboratoryjnego przygotowania, mieszania oraz wulkanizacji testowych mieszanek gumowych. W praktyce celem jest nie tylko wykonanie próbki, ale również możliwie dokładne odtworzenie warunków jej przygotowania.

W stanowisku badawczym warto rozszerzyć taki zestaw danych o informacje dostępne z systemu pomiarowego maszyny, na przykład rzeczywistą pozycję walców, moment napędów, siłę działającą na układ łożyskowy oraz temperaturę materiału, jeżeli jest mierzona niezależnie.

Moment, siła i energia jako sygnały diagnostyczne

Zmiana oporu stawianego przez materiał może być obserwowana poprzez zmianę momentu obrotowego napędów. Jeżeli dla każdego walca znamy moment M i odpowiadającą mu prędkość kątową ω, chwilową moc mechaniczną obu napędów można analizować jako:

P_mech = |M₁ · ω₁| + |M₂ · ω₂|

Zastosowanie wartości bezwzględnych jest istotne, ponieważ oba walce obracają się w przeciwnych kierunkach. Dla oceny obciążenia procesu interesuje nas suma mocy dostarczanej przez oba napędy, a nie algebraiczne odejmowanie wynikające z przyjętego zwrotu obrotów.

Całkowanie mocy po czasie pozwala określić energię mechaniczną dostarczoną przez napędy podczas analizowanego cyklu:

E_nap = ∫ P_mech dt

Po odniesieniu tej wartości do masy wsadu można otrzymać użyteczny wskaźnik porównawczy pomiędzy kolejnymi próbami. Nie jest on jednak bezpośrednio równy energii rozproszonej w gumie, ponieważ część mocy zużywana jest na straty w napędach, przekładniach, łożyskach i pozostałych elementach mechanicznych.

Podobnie pomiar tensometryczny siły działającej na łożyska walców jest wartościowym sygnałem procesu, ale nie stanowi bezpośredniego pomiaru lokalnego ciśnienia w nipie. Największą wartość diagnostyczną uzyskuje się przez wspólną analizę siły, szczeliny, temperatury, momentu i prędkości.

Typowe objawy podczas walcowania i możliwe przyczyny

Najważniejsze wnioski z obserwacji procesu

• temperatura walca i temperatura mieszanki nie są tą samą wielkością,
• friction ratio opisuje relację prędkości powierzchniowych walców, a nie współczynnik tarcia,
• stabilny rolling bank i pasmo są ważnymi wskaźnikami prowadzenia procesu, ale nie są automatycznym dowodem dobrej dyspersji,
• moment, siła i energia mogą być wykorzystywane jako sygnały diagnostyczne, jeżeli interpretuje się je razem z temperaturą, szczeliną i prędkościami,
• porównywalne badania wymagają odtwarzania nie tylko nastaw, ale również sposobu prowadzenia materiału i historii procesu.

Od obserwacji operatora do mierzalnego procesu R&D

Tradycyjna praca na walcarce w dużej mierze opiera się na doświadczeniu operatora: obserwacji banku materiału, stabilności pasma, przyczepności do walców i reakcji gumy na zmianę szczeliny lub temperatury. W laboratorium warto uzupełnić tę ocenę o dane procesowe.

Laboratoryjne walcarki SiTech3D mogą umożliwiać, zależnie od konfiguracji, kontrolę szczeliny i jej równoległości, niezależne sterowanie prędkościami walców, pomiar prędkości i momentów napędów, pomiar siły działającej na łożyska oraz wielopunktowy pomiar temperatury walców. Dostępny może być również pirometryczny pomiar temperatury walcowanego materiału.

Dzięki temu ten sam proces można opisywać nie tylko jako zestaw czynności operatora, ale jako zdefiniowaną sekwencję parametrów i zmierzonych odpowiedzi materiału. Ma to znaczenie przy opracowywaniu formulacji, porównywaniu surowców, badaniu wpływu parametrów i przenoszeniu procedur pomiędzy kolejnymi seriami eksperymentów.

Jak dobrać walcarkę laboratoryjną do skali badań?

Dobór modelu powinien wynikać przede wszystkim z ilości materiału, wymaganej szerokości roboczej, przewidywanych obciążeń, zakresu temperatury i sposobu termostatowania. Nie ma potrzeby przewymiarowania stanowiska, jeżeli celem są niewielkie partie R&D, ale przy wymagających mieszankach istotny staje się dostępny moment i zdolność układu do utrzymania szczeliny pod obciążeniem.

Podane maksymalne momenty zależą od wariantu napędu. LM-150/320 wykorzystuje elektryczne ogrzewanie walców do 300°C i aktywne chłodzenie powietrzne. Modele LM-200/400 i LM-250/500 mogą być konfigurowane z wodnym układem grzewczo-chłodzącym do 140°C lub układem olejowym do 300°C.

Pełne zestawienie rodziny urządzeń znajduje się na stronie walcarki laboratoryjne do gumy.

Powiązanie walcowania z materiałem i dalszym procesem

Warunki prawidłowego walcowania zależą od rodzaju elastomeru, napełniaczy, plastyfikatorów oraz zastosowanego układu sieciującego. NR, SBR, NBR, EPDM czy kauczuki silikonowe mogą różnić się zarówno właściwościami reologicznymi, jak i zachowaniem na powierzchni walców. Charakterystykę podstawowych grup materiałów przedstawiono w artykule Rodzaje kauczuków i elastomerów - właściwości, różnice i zastosowania.

Po przygotowaniu mieszanki kolejnym etapem może być jej sieciowanie. Mechanizm oraz znaczenie układu siarkowego opisano szerzej w artykule Wulkanizacja kauczuku i elastomerów.

Literatura i kontekst metodyczny

Interpretacja zachowania gumy podczas walcowania opiera się na badaniach mechaniki i reologii nieusieciowanych elastomerów oraz na procedurach stosowanych w przygotowaniu laboratoryjnych mieszanek testowych.

• N. Tokita, J. L. White, Milling behavior of gum elastomers: Experiment and theory, Journal of Applied Polymer Science, 1966, DOI: 10.1002/app.1966.070100705.
• H. Ontsuka, M. Toh, Mill Behavior of Rubber on Two Roll Mill with Temperature, Nippon Gomu Kyokaishi, 2015, 88(4), 130-135, DOI: 10.2324/gomu.88.130.
• ISO 2393:2014, Rubber test mixes - Preparation, mixing and vulcanization - Equipment and procedures.
• ASTM D3182-21a(2025), Standard Practice for Rubber - Materials, Equipment, and Procedures for Mixing Standard Compounds and Preparing Standard Vulcanized Sheets.

Dobór stanowiska do konkretnego procesu

Powtarzalne walcowanie wymaga kontroli całego układu, a nie tylko jednej nastawy temperatury lub szczeliny. Przy stanowisku przeznaczonym do badań porównawczych warto równocześnie uwzględnić wielkość wsadu, geometrię walców, dostępny moment, zakres termostatowania, niezależne sterowanie prędkościami oraz zestaw parametrów, które mają być rejestrowane podczas eksperymentu.

Jeżeli walcarka ma odtwarzać określoną procedurę badawczą, pracować z nietypową formulacją albo stanowić element większego stanowiska laboratoryjnego, skonsultuj konfigurację z SiTech3D.