JP2007216471A - シリカ配合ゴム材料の混練システム - Google Patents

Abstract

【課題】シリカの分散性を向上させて品質の安定化を図るとともに、短時間で目標粘度のゴムを得ることができる生産性に優れたシリカ配合ゴム材料の混練システムを提供する。
【解決手段】密閉型混練機１から最終混練機１９により最終混練ゴムＲＦを得るまでの工程を連続して行ない、オープン構造のロール混練機に構成した反応促進混練機５では、シリカとカップリング剤とのカップリング反応によって発生するアルコール等の生成成分を外部に発散させながら一次混練ゴムＲ１を混練しつつ、外気に曝される一次混練ゴムＲ１にヒータ７で必要な熱量を付与しながら混練を行なうことによりカップリング反応を促進させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリカ配合ゴム材料の混練システムに関し、さらに詳しくは、シリカの分散性を向上させて品質の安定化を図るとともに、短時間で目標粘度のゴムを得ることができる生産性に優れたシリカ配合ゴム材料の混練システムに関するものである。

タイヤのトレッドゴム等では、シリカを配合したシリカ配合ゴムを用いることによって、タイヤの低燃費性やウエットグリップ性を向上させるようにしている。しかし、シリカは粒子どうしが凝集しやすいため、ゴム材料に対する分散性が悪く、シランカップリング剤を配合してシリカとカップリング反応させることによって、分散性を向上させるようにしている。

シランカップリング剤によりシリカの分散性を良好にするには、カップリング反応を完了させる必要があり、そのために必要な熱量を付与しながら混練しなければならない。

このようなシリカ配合ゴム材料をバンバリーミキサと呼ばれる密閉型混練機により、混練する場合は、混練中の摩擦で発生する発熱等により、過度にゴム温度が上昇するため、ゴム材料の上限温度の制約から１回の混練操作だけでは目標粘度に低下させることが困難であった。そのため、一度混練して取出したゴム材料を冷却させた後に、再度投入して、混練操作を複数回繰り返し行なう必要があり、生産性が悪いという問題があった。

また、カップリング反応により発生するアルコール等の生成成分が、密閉型混練機の外部に発散しにくいため、これらの生成成分がカップリング反応を抑制して、反応を完了させるには混練時間が長くなるという問題があった。

ゴム材料の混練方法としては、その他に密閉型混練機で予備的に混練した後に、オープン構造のロール混練機で混練するようにして生産性を向上させる方法が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、シリカ配合ゴム材料をオープン構造のロール混練機で混練することにより、アルコール等の生成成分が外部に発散するので、反応生成成分によるカップリング反応の抑制を防止することができる。しかしながら、ゴム材料が外気に曝されるので、混練中にゴム温度が低下し易く、カップリング反応完了させるための十分な熱量を付与することが難しくなり、シリカを良好に分散させて品質の安定化を図ることが困難になるという問題があった。
特開平５−３０５６１２号公報

本発明の目的は、シリカの分散性を向上させて品質の安定化を図るとともに、短時間で目標粘度のゴムを得ることができる生産性に優れたシリカ配合ゴム材料の混練システムを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のシリカ配合ゴム材料の混練システムは、原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とを混練する１台の密閉型混練機と、該密閉型混練機から排出された一次混練ゴムを混練する１台の反応促進混練機と、該反応促進混練機から排出された二次混練ゴムを混練する少なくとも１台の混練機を配置した少なくとも１列の混練ラインと、該混練ラインから排出された三次混練ゴムと加硫系配合剤とを混練する１台の最終混練機とを順に、搬送手段で接続するように配置し、前記反応混練機および前記混練ラインに配置する混練機を、一対の混練ロールと、該一対の混練ロールの下方位置から再び上方位置に至る循環経路を形成するコンベヤとを備えたオープン構造のロール混練機に構成し、かつ前記反応混練機に、混練している一次混練ゴムを加温する加温手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明のシリカ配合ゴム材料の混練システムによれば、密閉型混練機で混練された一次混練ゴムを、オープン構造の反応促進混練機で混練することにより、シリカとカップリング剤とのカップリング反応によって発生するアルコール等の生成成分を外部に発散させながら混練できるので、これらの生成成分によりカップリング反応が抑制されることを防止できる。

また、反応促進混練機では、外気に曝されるゴム材料に加温手段で必要な熱量を付与しながら混練を行なうことによりカップリング反応を促進させることができる。

以上のような混練を行なうことにより、短時間でカップリング反応を完了させて、迅速かつ良好にシリカをゴム材料に分散させて品質の安定化を図ることができる。

また、反応促進混練機による混練の後に、その下流側にある別のオープン構造のロール混練機を配置した混練ラインにより、二次混練ゴムを目標粘度まで低下させて三次混練ゴムを得て、次いで最終混練機により最終混練ゴムを得るまでの工程を連続して行なうことができ、目標粘度の１バッチ分の混練ゴムを短時間で得ることができる。

また、１バッチ分のゴム材料を混練している間に、その上流側の混練機では、別の１バッチ分のゴム材料の混練を開始することができ、生産性よく目標粘度の混練ゴムを得ることができる。

以下、本発明のシリカ配合ゴム材料の混練システムを図に示した実施形態に基づいて説明する。図１に例示するように、実施形態の混練システムは、１台の密閉型混練機１の下流側に順に、１台の反応促進混練機５、４列の混練ライン１６、１台の最終混練機１９を配置している。

密閉型混練機１と反応促進混練機５とは、搬送コンベヤ３および計量コンベヤ４で接続されるように配置されている。反応促進混練機５と混練ライン１６とは振り分けコンベヤ１５で接続され、混練ライン１６と最終混練機１９とは搬送コンベヤ２０で接続されるように配置されている。

反応促進混練機５は、図２に例示するようなオープン構造のロール混練機であり、対向する一対の混練ロール６、６の一方側に、混練ロール６、６の下方位置から上方位置に至る循環経路を形成するように受け渡しコンベヤ１３と練り返しコンベヤ１４とを配置して構成されている。一対の混練ロール６、６は、互いに反対方向に油圧もしくは電動の駆動モータ８、８によって回転し、一方の混練ロール６はアクチュエータ９により移動してロールギャップが変更可能となっている。混練ロール６の下方にはロールギャップセンサ１１が配置され、受け渡しコンベヤ１３と練り返しコンベヤ１４の上方にはゴム温度を検知する温度センサ１０が配置されている。また、受け渡しコンベヤ１３と練り返しコンベヤ１４にはヒータ７が内設されている。

駆動モータ８、８の電力レベルＰ（駆動トルク）、ロール表面速度、ロールギャップ、ゴム温度の各データは、制御装置１２に送信されるように構成されている。

それぞれの混練ライン１６には、図３に例示するような１台のオープン構造のロール混練機１７が配置されている。このロール混練機１７は、図２に例示した反応促進混練機５とほぼ同じ構造であるが、ヒータ７に替えて冷却ファン１８を受け渡しコンベヤ１３の上方に備えている。尚、図３では図２と同じ構成要素については、図２と同じ符号を用いている。

また、受け渡しコンベヤ１３と練り返しコンベヤ１４とで形成される循環経路の長さを反応促進混練機５と比較すると、反応促進混練機５の方が短く設定されていて、反応促進混練機５では混練中にゴム材料の温度が低下しにくくなるように構成している。

最終混練機１９も図３と基本構造を同じにしたオープン構造のロール混練機になっていて、さらに加硫系配合剤投入装置２１が接続されている。

以下、この混練システムによるシリカ配合ゴム材料の混練工程について説明する。尚、密閉型混練機１から排出されたゴム材料を一次混練ゴムＲ１、反応促進混練機５から排出されたゴム材料を二次混練ゴムＲ２、混練ライン１６から排出されたゴム材料を三次混練ゴムＲ３、最終混練機１９から排出されたゴム材料を最終混練ゴムＲＦとして説明する。

シリカ配合ゴム材料のカップリング反応を完了させるには、所定の熱量を付与する必要があり、この熱量は付与した熱量とその熱量の付与時間を乗じた熱履歴量として規定され、予め、試験練りすることにより、把握、決定されている。

また、カップリング反応の完了に必要な熱履歴量から密閉型混練機１で付与される熱履歴量を差引いた反応促進混練機５により付与する目標熱履歴量が、予め設定されていて、制御装置１２には、そのデータが入力されている。

密閉型混練機１では、原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とが予備的に混練され、カップリング反応完了に必要な熱履歴量の中途の熱量が付与される。密閉型混練機１から排出時の一次混練ゴムＲ１の温度は、例えば、１５０℃程度である。

次いで、一次混練ゴムＲ１は、シーティングロール２によりシート状に成形されて、搬送コンベヤ３と計量コンベヤ４とにより反応促進混練機５に搬送される。計量コンベヤ４では一次混練ゴムＲ１の重量が計量され、この計量された重量に応じた量の加硫系配合剤Ｑが後述する加硫系配合剤投入装置２１により投入される。一次混練ゴムＲ１を計量することができれば、計量コンベヤ４に替えて、他の計量手段を用いてもよい。

反応促進混練機５では、受け渡しコンベヤ１３および練り返しコンベヤ１４により、一次混練ゴムＲ１が繰り返し混練ロール６、６に供給され、混練ロール６、６間を通過することにより、せん断力が付与されて混練が行なわれる。

ここでは、一次混練ゴムＲ１がシート状に表面積を広くした状態になって循環するので、カップリング反応により発生するアルコール等の反応抑制成分を外部に効率的に発散させることができ、カップリング反応が抑えられることを防ぐことができる。

また、一次混練ゴムＲ１は、外気に曝されながらも、混練中にヒータ７で加温されることにより、付与熱量を多くすることができ、カップリング反応が促進される。したがって、目標熱履歴量になるように残りの熱量を短時間で付与しながら混練することができ、シリカを迅速、かつ良好にゴム材料に分散させることができる。

ヒータ７は、一次混練ゴムＲ１を必要な温度に加温できるものであればよく、種々の加温手段を用いることができる。

制御装置１２は、温度センサ１０の検知によるゴム温度データと混練時間とに基づいて、反応促進混練機５で付与された熱履歴量を逐次算出し、この算出した熱履歴量と目標熱履歴量とを比較して、前者と後者が一致するように反応促進混練機５での混練操作を制御する。

所定時間に目標熱履歴量になるように熱量を付与するために、制御装置１２は、ヒータ７の加温温度、混練ロール６、６の表面速度および両コンベヤ１３、１４の搬送速度、ロールギャップの少なくともいずれかを制御する。このように制御して混練を行なうことにより、精度よく、カップリング反応を促進、完了させて、シリカの分散を良好にして品質を安定させることができる。例えば、ロールギャップ３〜１５ｍｍ、ゴム温度９０〜１６０℃で混練を行なう。

次いで、一次混練ゴムＲ１に必要な熱量を付与した二次混練ゴムＲ２は、受け渡しコンベヤ１３の中途を回動させて振り分けコンベヤ１５に接続するようにし、振り分けコンベヤ１５に移載される。

振り分けコンベヤ１５は、混練ライン１６の列数に応じた数の振り分け可動部１５ａを有し、各振り分け可動部１５ａは、すき間を開閉するように可動する。二次混練ゴムＲ２は、選択した混練ライン１６に対応する振り分け可動部１５ａが開いたすき間を通過して、その選択された１つの混練ライン１６に搬送される。尚、二次混練ゴムＲ２を選択的に一つの混練ライン１６に振り分ける手段は、上記したものに限らず他の構成を用いることができる。

二次混練ゴムＲ２が搬送された混練ライン１６では、ロール混練機１７により、所定の時間で目標粘度になるように二次混練ゴムＲ２を混練する。混練ライン１６では、粘度低下を主目的とするので、反応促進混練機５よりも低温で混練が行なわれる。その際に、冷却ファン１８の作動、混練ロール６、６の表面速度および両コンベヤ１３、１４の搬送速度、ロールギャップの少なくともいずれかを制御する。例えば、ロールギャップ１〜１０ｍｍ、ゴム温度４０〜１００℃で混練を行なう。

混練ライン１６は４列に限定されず、１列でもその他の複数列でもよい。複数の混練ライン１６を設けることにより、次々搬送されていくる１バッチ分の二次混練ゴムＲ２を、順次、空いている混練ライン１６に搬送して混練を行なうことができ、一層、生産性を向上させることができる。

また、混練ライン１６は、複数台のロール混練機１７を直列に連結するように配置して構成してもよい。粘度低下しにくい二次混練ゴムＲ２の場合は、直結した複数台のロール混練機１７で順次混練することにより、一台のロール混練機１７での混練時間を短くして、短いタイムサイクルで１バッチ分の混練を行なうことができ、生産性を高めることができる。

二次混練ゴムＲ２を混練して目標粘度になった三次混練ゴムＲ３は、受け渡しコンベヤ１３により混練ライン１６から排出され、搬送コンベヤ２０により最終混練機１９に搬送される。ここで、加硫系配合剤投入装置２１により、硫黄、加硫促進剤等の加硫系配合剤Ｑが投入されて三次混練ゴムＲ３とともに混練される。加硫系配合剤Ｑは、粉体では飛散するので、別に用意したゴム材に予め混合した状態で投入される。

最終混練が終了した後は、最終混練機１９から排出された最終混練ゴムＲＦが搬送コンベヤ２２により、シーティングロール２３に搬送され、ここで、シート状ゴムとなり、サンプリング装置２４を中途に設置した搬送コンベヤ２５によって冷却装置２６に搬送され、次工程で使用されるまで所定の場所で保管される。

このように、本発明の混練システムでは、１バッチ分のシリカ配合ゴム材料にカップリング反応の完了に必要な熱量を付与して混練を行ない、加硫系配合剤Ｑを混練する最終混練工程まで連続的に行なって短時間で目標粘度の最終混練ゴムＲＦを得ることができる。

また、１バッチ分のゴム材料の混練をしている間に上流側の工程では、新たな１バッチ分のゴム材料の混練を行なうことができる。したがって、一定のタイムサイクルで順次、新たなバッチのゴム材料の混練を行なうことにより、生産性よく最終混練ゴムＲＦを得ることができる。

加硫系配合剤投入装置２１は、図４に示すように、振り分けコンベヤ１５に接続するように配置することもできる。尚、図４では振り分けコンベヤ１５の上流側は、図１と同じなので省略している。この配置にして、加硫系配合剤Ｑを混練ライン１６に投入し、ほぼ目標粘度に近づいた二次混練ゴムＲ２、もしくは目標粘度になった三次混練ゴムＲ３に加硫系配合剤Ｑを予備的に混練する。この予備的な混練は加硫反応が進行しないような温度で行なう。

このように、混練ライン１６から最終混練機１９に搬送する間でゴム温度が低下する前に加硫系配合剤Ｑを予備的に混練しておくことにより、最終混練機１９での混練時間を短縮することができ、より短時間で目標粘度の最終混練ゴムＲＦを得ることができる。

本発明の混練システムを例示する全体構成図である。 図１の反応促進混練機を例示する側面図である。 図１の混練ラインを構成するロール混練機を例示する側面図である。 図１の混練システムの変形例を示す一部構成図である。

符号の説明

１ 密閉型混合機
２ シーティングロール
３ 搬送コンベヤ
４ 計量コンベヤ
５ 反応促進混練機
６ 混練ロール
７ ヒータ
８ 駆動モータ
９ アクチュエータ
１０ 温度センサ
１１ ロールギャップセンサ
１２ 制御装置
１３ 受け渡しコンベヤ
１４ 練り返しコンベヤ
１５ 振り分けコンベヤ １５ａ 振り分け可動部
１６ 混練ライン
１７ ロール混練機
１８ 冷却ファン
１９ 最終混練機
２０ 搬送コンベヤ
２１ 加硫系配合剤投入装置
２２ 搬送コンベヤ
２３ シーティングロール
２４ サンプリング装置
２５ 搬送コンベヤ
２６ 冷却装置
Ｒ１ 一次混練ゴム Ｒ２ 二次混練ゴム
Ｒ３ 三次混練ゴム ＲＦ 最終混練ゴム
Ｑ 加硫系配合剤

Claims (6)

1. 原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とを混練する１台の密閉型混練機と、該密閉型混練機から排出された一次混練ゴムを混練する１台の反応促進混練機と、該反応促進混練機から排出された二次混練ゴムを混練する少なくとも１台の混練機を配置した少なくとも１列の混練ラインと、該混練ラインから排出された三次混練ゴムと加硫系配合剤とを混練する１台の最終混練機とを順に、搬送手段で接続するように配置し、前記反応混練機および前記混練ラインに配置する混練機を、一対の混練ロールと、該一対の混練ロールの下方位置から再び上方位置に至る循環経路を形成するコンベヤとを備えたオープン構造のロール混練機に構成し、かつ前記反応混練機に、混練している一次混練ゴムを加温する加温手段を設けたシリカ配合ゴム材料の混練システム。
2. 予め決定した前記シリカおよびシランカップリング剤のカップリング反応完了に必要な熱履歴量を、前記密閉型混練機と前記反応促進混練機とで付与するように設定し、該設定した反応促進混練機により付与する目標熱履歴量と、前記反応促進混練機で付与した熱履歴量を比較するとともに、該比較結果に基づいて、前記目標熱履歴量を予め設定された時間で付与するように前記反応促進混練機の混練操作を制御する制御装置を設けた請求項１に記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。
3. 前記反応促進混練機に混練中の一次混練ゴムの温度を検知する温度センサを設け、該温度センサの検知信号を前記制御装置に送信するように構成し、該検知信号による一次混練ゴムの温度とその温度での混練時間とにより、前記反応促進混練機で付与した熱履歴量を算出するように構成した請求項２に記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。
4. 前記制御装置が、前記反応促進混練機の前記加温手段による加温温度、前記混練ロールのロール表面速度およびコンベヤ搬送速度、前記混練ロールのロールギャップの少なくとも１つを制御して混練を行なうように構成した請求項２または３に記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。
5. 前記混練ラインを複数列設けるとともに、該複数の混練ラインのいずれか１つの混練ラインに前記反応促進混練機から排出された二次混練ゴムを振り分ける振り分け手段を設けた請求項１〜４のいずれかに記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。
6. 前記混練ラインに前記加硫系配合剤を投入するように設定し、該加硫系配合剤と二次混練ゴムとを予備練りした三次混練ゴムを前記最終混練機に搬送するように構成した請求項１〜５のいずれかに記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。

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