Stan mieszania gumy w walcarce dwuwalcowej.

Walcarka do gumy to maszyna wykorzystywana w procesie wytwarzania i przetwarzania mieszanek gumowych. Główne podzespoły walcarki to dwa stalowe chromowane i polerowane walce, które wirują w przeciwnych kierunkach, tworząc szczelinę, przez którą przeprowadza się gumę. Dzięki regulacji odległości między walcami można dokładnie kontrolować grubość i homogenizację mieszanki. Silniki napędzają walce i umożliwiają kontrolę prędkości obrotowej walców. System termostatowania utrzymuje odpowiednią temperaturę, aby zapobiec przegrzewaniu się gumy.

Walcarki laboratoryjne dwuwalcowe są narzędziem w badaniach nad właściwościami materiałów, szczególnie w obszarach związanych z inżynierią materiałową i przetwórstwem gumy oraz tworzyw sztucznych. Urządzenia te umożliwiają przeprowadzenie procesów mieszania poprzez odkształcania plastyczne w warunkach kontrolowanych, co pozwala na badanie struktury i właściwości materiałów po wymieszaniu.

Laboratoryjne walcarki dwuwalcowe składają się z dwóch głównych walców, które obracają się w przeciwnych kierunkach. Podstawowa zasada działania polega na przepuszczaniu próbki materiału pomiędzy walcami, co powoduje jej odkształcenie i mieszanie w wyniku działania sił ściskających. Proces ten może odbywać się w warunkach na zimno, na ciepło lub na gorąco, w zależności od badanego materiału i celów eksperymentu.

Stan mieszania gumy w walcarce dwuwalcowej.

Najważniejsze cechy laboratoryjnych walcarek dwuwalcowych to precyzja, wszechstronność i bezpieczeństwo. Dzięki nim urządzenia te mogą być z powodzeniem stosowane w badaniach szerokiego spektrum materiałów. Kluczową rolę odgrywają zaawansowane technologie kontroli parametrów, które umożliwiają symulację procesów przemysłowych oraz prowadzenie badań w ściśle kontrolowanych warunkach. Walcarki laboratoryjne są używane w bliskim kontakcie z operatorem, dlatego muszą spełniać najwyższe standardy bezpieczeństwa.

Jednym z podstawowych zastosowań walcarek dwuwalcowych w badaniach polimerów jest mieszanie składników gumy lub silikonu oraz polimerów. Proces ten pozwala na równomierne rozprowadzenie dodatków, takich jak:

• Wypełniacze (np. sadza, krzemionka).
• Plastyfikatory.
• Stabilizatory termiczne.
• Barwniki.
• Dodatki procesowe

Rysunek 1. Stan mieszania gumy w walcarce dwuwalcowej oraz przykładowy rozkład temperatur:

A: Sekcja, w której wybrzuszenie (bank) gumy jest rozciągnięte w kierunku szczeliny między walcami i zaczyna się szybko poruszać.
B: Sekcja, w której zebrana mieszanka gumy jest wciągana przez tylny walec w tym samym czasie co guma w sekcji A.
C: Przekrój, w którym prędkość gumy jest najwyższa, wzrost temperatury jest duży, a ciepło jest przenoszone na walce.
D-E: Przedział, w którym temperatura gumy stopniowo spada.
F: Przekrój, w którym temperatura gumy zaczyna rosnąć na skutek mieszania.

Rysunek pokazuje stan gumy w procesie mieszania oraz punkty, które należy odnotować w procesie mieszania. Jeśli temperatura walcowania, regulacja szczeliny i inne operacje nie są odpowiednie, złożone składniki mieszanki nie zostaną całkowicie rozprowadzone w każdej części i stwardnieją w małe grudki. Uważa się, że wzrost temperatury gumy jest spowodowany wytwarzaniem ciepła w wyniku mieszania dodatków i gumy w obracającym się banku w wyniku tarcia między gumową taśmą pokrywającą walec a bankiem oraz wytwarzaniem ciepła w wyniku szybkiego wydłużania gumy. Guma taśmy na przednim walcu jest chłodzona przez powierzchnię walca, który jest termostatowany.

Ciśnienie bezpośrednio po oddzieleniu obu walców po przejściu przez szczelinę między walcami jest niższe niż ciśnienie atmosferyczne i wytwarzane jest podciśnienie, uważa się, że zachodzi zjawisko kawitacji. Dlatego substancje zawarte w mieszaninie gumy o niskiej temperaturze wrzenia ulatniają się do atmosfery, a temperatura powierzchni gumy spadła znacznie o około 20 °C między strefami C a D.

Wzorce walcowania gumy w walcarce dwuwalcowej.

Wzorce walcowania zostały sklasyfikowane przez Tokita i White w czterech regionach przetwarzalności walcarki, patrz rysunek 2.

Rysunek 2. Wzorce walcowania gumy w walcarce dwuwalcowej.

Kiedy kawałek gumy jest ładowany do walcarki a guma jest zbyt sztywna i zimna, ślizga się na walcu i nie wchodzi do szczeliny walcarki. Jeśli guma zostanie wepchnięta w szczelinę, rozpada się na kawałki, spadając pod walcami, zamiast opasać się wokół rolki; to jest stan-1. Gdy guma jest wystarczająco miękka, łatwo wchodzi w szczelinę młyna i tworzy pasmo wokół walca. Gdy guma z paskiem jest wystarczająco elastyczna i działa tak, jakby ściskała walec, jest to stan-2.

Gdy guma jest jeszcze bardziej miękka i ciepła, wchodzi w szczelinę młyna, tworząc opaskę, ale taśma nie ma elastycznego naprężenia i ma tendencję do zwisania i rozdzierania jest to stan-3. Dalszemu zmiękczaniu gumy towarzyszy rozwój przyczepności do walca, przy czym nie występuje naprężenie elastyczne stan-4.

Gdy zachowanie gumy znajduje się w stanie-1, operator musi zebrać połamane kawałki gumy i załadować je ponownie na walce. Szczelina jest stopniowo zwężana a guma jest wielokrotnie przepuszczana przez szczelinę. Guma staje się cieplejsza, w wyniku czego jej zachowanie zmienia się na zachowanie ze stanu-2. Zachowanie kauczuku w stanie-2 jest preferowane, nie tylko ze względu na przeżuwanie, ale także ze względu na wprowadzanie i dyspersję wypełniacza wzmacniającego, takiego jak sadza lub krzemionka.

W stanie-3 operator czasami dociska gumę do rolki, próbując ustanowić ciasną taśmę, ale często jest to działanie mało skuteczne. Co więcej, guma czasami przylega do tylnego walca , który obraca się z nieco większą prędkością. Są chwile, kiedy tylko część gumy trafia do tylnego walca, a reszta pozostaje na przednim walcu. Operator stara się w jak największym stopniu unikać zachowań związanych ze stanem-3. W stanie-4 nie ma problemu z wprowadzeniem wypełniacza, ale dyspersja nie jest skuteczna, ponieważ naprężenia przenoszone z maszyny do aglomeratu wypełniacza nie są wystarczająco duże, aby go rozbić. Wysoka lepkość gumy również utrudnia proces mieszania.

Interpretacja przetwarzalności walcarki dwuwalcowej.

W poprzednim akapicie wyjaśniono zachowanie gumy w walcarce w odniesieniu do czterech typowych zachowań, tj. czterech stanów przetwarzalności. W przypadku niektórych kauczuków walcowanie rozpoczyna się w stanie-1, a kończy w stanie-2, a inne kauczuki pozostają w stanie-2 przez cały okres walcowania. Począwszy od stanu-2, czasami kauczuki trafiają do stanu-3 lub stanu-4. Niemniej jednak cztery stany zachowania są w zasadzie wspólne dla wszystkich gum.

Wyjaśnienie czterech regionów zachowania przetwarzalności jest następujące.

W stanie-1 guma jest zbyt sztywna, co oznacza, że moduł jest zbyt wysoki. Jeśli guma zostanie wepchnięta w szczelinę młyna, rozpada się na kawałki, ponieważ naprężenie przy zerwaniu nie jest duże. W stanie-2 guma ma idealną miękkość co oznacza, że moduł jest niższy niż w stanie-1. Guma nie pęka i tworzy ciasną opaskę wokół walca, ponieważ jej naprężenie przy zerwaniu jest duże. Zarówno w stanie-1, jak i w stanie-2 czynnikiem kontrolującym proces walcowania jest elastyczność gumy.

Wysoka elastyczność gumy nie musi oznaczać wysokiego modułu. Jest to związane ze zdolnością gumy do regeneracji po odkształceniu. Chociaż elastyczność kontroluje stan-1 i 2, temperatura gumy może wzrastać wraz z kontynuacją mieszania. Wynika to z tarcia wewnętrznego. W związku z tym uznaje się, że zarówno lepkość, jak i elastyczność są czynnikami przyczyniającymi się do tego zjawiska. Kiedy pewna ilość energii mechanicznej jest przekazywana do gumy, część energii jest magazynowana jako energia sprężysta, a druga część jest rozpraszana w postaci ciepła. Część energii zamienionej na ciepło jest tracona. Tylko energia sprężystości jest skuteczna w odzyskiwaniu kształtu po odkształceniu. Gdy elastyczność kontroluje zachowanie stanu-1 i stanu-2, oznacza to, że stosunek energii zmagazynowanej do energii rozproszonej jest wysoki. W stanie-4 moduł jest niższy niż w stanie-2. Elastyczność staje się niska, co daje duże trwałe odkształcenie. Jest to stan płynny, który objawia się lepkością. W stanie-4 czynnikiem kontrolującym jest lepkość. Stan-3 jest granicą między stanami-2 i 4, gdzie elastyczność i lepkość konkurują ze sobą o kontrolę nad zachowaniem gumy.

Podsumowując rozważania nad stanem gumy podczas walcowania można sklasyfikować za pomocą modułu, odkształcenia przy zerwaniu oraz stosunku energii sprężystości do lepkości. Moduł i stosunek lepkosprężystości są tematami dotyczącymi odkształcenia i przepływu, tj. reologii. Odkształcenie przy zerwaniu jest związane z dużym odkształceniem i uszkodzeniem struktury. W ten sposób powstaje pomost między praktycznym doświadczeniem a metodologią naukową. Wzrost temperatury wynikający z walcowania kauczuku ma tendencję do zmiany zachowania się kauczuku w kierunku od stanu-1 do stanu-4. Zamiast wytwarzania ciepła, maszyna i guma mogą być podgrzewane i chłodzone zewnętrznie, aby spowodować tę samą zmianę. Oznacza to, że temperatura jest ważną (dynamiczną) zmienną stanu i w związku z tym powinna być precyzyjnie regulowana.

Kluczowe parametry walcarki laboratoryjnej do gumy i polimerów:

• Wysoka sztywność i stabilność mechaniczna konstrukcji jako całości.
• Stabilna i pewna regulacja szczeliny pomiędzy walcami podczas pracy z pełnym obciążeniem.
• Regulacja wielkości szczeliny i jej równoległości z poziomu panelu operatora za pomocą serwomechanizmów z rozdzielczością 0,05 mm pod pełnym obciążeniem w trakcie pracy.
• Kompensacja szczeliny pomiędzy walcami w funkcji zmieniającej się temperatury walców
• Niezależne termoregulatory dla każdego z walców, zapewniające wysoka stabilność zadanej temperatury.
• Wysoki moment obrotowy walców >4000Nm dla każdego z walców dla średnicy 250 mm.
• Niezależna precyzyjna kontrola prędkości walców 0-100%.
• Automatyczne mieszanie.
• Wysokiej klasy system bezpieczeństwa chroniący operatora.

Laboratoryjne walcarki dwuwalcowe stanowią element wyposażenia w badaniach materiałowych. Ich wszechstronność, precyzja i możliwość symulowania procesów przemysłowych sprawiają, że są one niezastąpionym narzędziem w naukach inżynieryjnych. Postęp technologiczny w tej dziedzinie obiecuje jeszcze większe możliwości badawcze w przyszłości.