JP2011201311A

JP2011201311A - 連続混練装置

Info

Publication number: JP2011201311A
Application number: JP2011126005A
Authority: JP
Inventors: Takashi Moribe; 高司森部; Koji Shintani; 幸司新谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】被混練物の押出し能力を確保しつつ剪断性を上げて混練品質の向上が図れる連続混練装置を提供する。
【解決手段】バレル２内のスクリューセット３に組み込まれチャンバ内壁面との間の間隙で剪断を付与し被混練物の混練を行う混練ロータ７を備えた二軸混練押出機１において、前記混練ロータ７は、ロータ本体１１の外周に、押出方向へ連続的に捻れた長翼１２とロータ本体軸端より延びる一個以上の短翼１３ａ，１３ｂとを備えると共に、前記短翼１３ａ，１３ｂの長さをロータ本体１１の長さの１／２よりも短くしてなると共に、前記混練ロータ７の上流あるいは下流側の少なくとも一方に、不連続に断面形状が変化するニーディングディスク１５Ａ，１５Ｂを配置した。
【選択図】図７

Description

本発明は、ゴムやプラスチック等の物性を向上させるため、一軸（単軸）あるいは二軸混練押出機等により連続的に押出しつつ対象材料（被混練物）を混練する連続混練装置に関する。

ゴム等の被混練物を混練する装置としては、主としてバッチ式の混練機が知られている。例えばゴムを混練する場合には、原料ゴムと配合剤等をバッチ式混練機に投入して混練するが、混練作用による発熱が過剰となるとゴム品質の劣化を招く。

そこで、現状の混練作業では、混練中の被混練物の温度を監視して、その温度が被混練物を劣化させる前の所定の温度（例えば、ゴムにおいては約１５０℃）まで上昇した時点で混練機から被混練物を排出し、その被混練物を冷却した後、再び混練機に投入するという作業を適当な回数、繰り返すようにしている。

この繰り返し行われる混練工程を再練（リミル）工程と呼ぶが、本工程は多大の時間を要するので、タイヤ等の製品の生産性を低下させる要因になる。このため、被混練物の発熱量が小さく、一方良好な混練性能、分散性能を有する混練装置が要望されている。

これに対して、下記特許文献１や特許文献２に記載された技術は、樹脂や高粘性のゴム等の被混練物を連続して混練することができる一軸及び二軸混練押出機等の連続混練装置に関するものである。

例えば、二軸混練押出機は、二本の回転シャフトの外周に、混練ロータやニーディングディスク、スクリュー等のセグメントが１個又は複数個、組み合わされて構成されたもので、これらを筒状のチャンバ内で同方向あるいは異方向に回転させることにより、連続的に供給されたゴムや樹脂等の被混練物を搬送及び混練する装置である。

この二軸混練押出機を用いて、ゴム等の混練を行う場合には、先ず、ゴムあるいは各種配合剤などを添加したゴム組成物からなる被混練物を二軸混練押出機のフィード部へ供給する。フィード部では、被混練物は軸方向の下流側にある混練部へ加熱、押出しされる。

次に、混練部において、混練ロータ等により剪断力を付与されて混練される。混練ロータは、そのロータ本体の外表面に翼部を備え、この翼部の先端とチャンバ内壁面との間に形成される間隙、いわゆるチップクリアランスで被混練物に強い剪断力を付与する。

そして、混練部の下流側に位置する押出部において相対向するスクリューによって混練済みの材料が次工程に搬出される。

特願２００３−３８１８８７号特願２００４−２０６８２６号

しかしながら、上述した連続混練装置では、ゴム等の高粘性混練物は剪断発熱が大きく、連続混練装置の冷却性能が十分でないため高温になり、混練性能が低下してゴム品質の劣化等を招来するという虞があった。

一方、温度上昇を防ぐため、回転シャフトの回転数を低下させたり、又は上述したバッチ式混練機のように、一旦ゴムを排出し再練りする等を行うと生産性が低下するという問題点がある。また、連続的に押出しつつ混練に必要な滞留時間を確保しようとすると必然的に装置の長さが大となる欠点もあった。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、被混練物の押出し能力を確保しつつ剪断性を上げて混練品質の向上が図れる連続混練装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係る連続混練装置は、
筒状のチャンバを有したバレルと、
前記チャンバ内で回転することで、被混練物を下流側に押し出すスクリューセットと、前記スクリューセットに組み込まれ、前記チャンバ内壁面との間の間隙で剪断を付与し被混練物の混練を行う混練ロータと、
を備えた連続混練装置において、
前記混練ロータは、ロータ本体の外周に押出方向へ連続的に捻れた長翼とロータ本体軸端より延びる一個以上の短翼とを備え、前記短翼の長さをロータ本体の長さの１／２よりも短くしてなると共に、前記混練ロータの上流あるいは下流側の少なくとも一方に、不連続に断面形状が変化するニーディングディスクを配置したことを特徴とする。

また、
前記ニーディングディスクは被混練物の押出能力のない中立翼を有することを特徴とする。

本発明に係る連続混練装置によれば、混練ロータは、ロータ本体の外周に、押出方向へ連続的に捻れた長翼とロータ本体軸端より延びる一個以上の短翼とを備えると共に、前記短翼の長さをロータ本体の長さの１／２よりも短くしてなるので、被混練物の押出し能力を確保しつつ剪断性を上げて混練品質の向上が図れると共に、前記混練ロータの上流あるいは下流側の少なくとも一方に、不連続に断面形状が変化するニーディングディスクを配置したので、ニーディングディスクによる被混練物の非送り作用や戻し作用で混練ロータの機能がフルに発揮され、混練部における混練性能がより一層向上されるので、装置長さを短縮でき、省スペース化及び低コスト化が図れる。

本発明の実施例１を示す混練ロータの展開図である。翼捻れ角と軸方向圧力勾配との関係を示すグラフである。二軸混練押出機の平断面図である。本発明の実施例２を示す混練ロータの展開図である。本発明の実施例３を示す混練ロータの展開図である。本発明の実施例４を示すロータ軸／翼径比とゴム温度（冷却性能）との関係を示すグラフである。本発明の実施例５を示す二軸混練押出機の平断面図である。本発明の実施例６を示す一軸混練押出機の平断面図である。従来技術と本発明の分散度改善効果を比較したグラフである。

以下、本発明に係る連続混練装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１を示す混練ロータの展開図、図２は翼捻れ角と軸方向圧力勾配との関係を示すグラフ、図３は二軸混練押出機の平断面図である。

図３に示すように、二軸混練押出機１は、バレル２の内部に平行する一対のスクリューセット３を有する。このスクリューセット３は、ゴム又はゴム系組成物等の被混練物の供給側より、回転シャフト４の外表面にスクリュー（フィン）５を備えた押出部６（一端部）と、回転シャフト４の外表面に複数個（図示例では４個）の混練ロータ７を備えた混練部８（中間部）と、回転シャフト４の外表面にスクリュー（フィン）９を備えた押出部１０（他端部）とから構成されている。

従って、二軸混練押出機１においては、押出部６の相対向するスクリュー５は、図示しないホッパから投入された被混練物を下流方向に搬送して、混練部８に供給する。この混練部８では、回転シャフト４の外表面に備えられた複数個の混練ロータ７の噛み合いによって、また、この混練ロータ７の翼部先端とバレル２の内壁面との間に発生する剪断力によって被混練物を混練する。そして、混練済みの材料は、混練部８の下流側に位置する押出部１０において相対向するスクリュー９によって次工程に搬出される。

図１に示すように、前記混練ロータ７は、ロータ本体１１の外周に、押出方向へ連続的に捻れた長翼１２とロータ本体軸端の押出方向上流側と下流側より延びる二個（一個又は三個以上でも良い）の短翼１３ａ，１３ｂとを備えると共に、これら短翼１３ａ，１３ｂの長さＬａ，Ｌｂをロータ本体の長さＬの１／２よりも短くしてなる。

また、前記長翼１２のロータ本体軸線に対する捻れ角θＬを３０〜６０°に設定すると共に、押出方向上流側の短翼（第１短翼）１３ａのロータ本体軸線に対する捻れ角θＳも３０〜６０°に設定している。尚、押出方向下流側の短翼（第２短翼）１３ｂにおいてもその捻れ角を３０〜６０°に設定しても良い。

このように構成されるため、二軸混練押出機１における混練部８においては、相対向する一対のロータ本体１１は、互いに１８０°の位相差をもって配置されているので、それらの回転時には、一方のロータ本体１１の長翼１２が他方のロータ本体１１の短翼１３ａと短翼１３ｂの間をそれらと噛み合いながら通過していくことになる。

これにより、被混練物の押出し能力を確保しつつ剪断性を上げて混練品質の向上が図れる。

また、本実施例では、混練ロータ７における長翼１２のロータ本体軸線に対する捻れ角θＬを３０〜６０°に設定すると共に、押出方向上流側の短翼（第１短翼）１３ａのロータ本体軸線に対する捻れ角θＳも３０〜６０°に設定しているので、被混練物の温度上昇が抑制される。以下に、その理由について図３のグラフを用いて説明する。

図３のグラフから明らかなように、翼捻れ角θＬ，θＳが４５°のとき最大の圧力勾配が得られ、このときに被混練物の軸方向流れが最も良好となり、配合剤の混合及び分散性も最も良好となる。そして、翼捻れ角θＬ，θＳが３０〜６０°では、必要な剪断力を維持した状態で良好な軸方向流動性が確保されることになる。このような良好な軸方向流動性が確保されれば、被混練物の温度上昇が抑制されることになる。

尚、上記実施例において、混練ロータ７はスクリューセット４上に、一個又は複数個宛、断続的に複数箇所配置されても良い。

図４は本発明の実施例２を示す混練ロータの展開図である。

これは、実施例１における混練ロータ７において、長翼１２Ａのロータ本体軸端側を切欠き、該長翼切欠き部の軸方向長さＬｃ，Ｌｄより短翼１３ａ，１３ｂの長さＬａ，Ｌｂを長くした例である。その他の構成は実施例１と同様なので、図１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

これによれば、実施例１と同様の作用・効果に加えて、長翼切欠き部にて被混練物の流れを分岐することで、長翼１２Ａでの軸方向流動性がより一層向上されるという利点がある。

図５は本発明の実施例３を示す混練ロータの展開図である。

これは、実施例１及び２における混練ロータ７において、押出方向下流側の短翼１３ｂの捻れ角を反転させた、つまり押出方向上流側に向けて短翼１３ｂの角度を外側に拡げた例である。その他の構成は実施例１と同様なので、図１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

これによれば、実施例１と同様の作用・効果に加えて、混練ロータ７において被混練物を押し出しつつ反転させた短翼１３ｂにより混練滞留時間が増加されて、混練品質の向上がより一層図れるという利点がある。

図６は本発明の実施例４を示すロータ軸／翼径比とゴム温度（冷却性能）との関係を示すグラフである。

これは、実施例１乃至３における混練ロータ７（図１，図４及び図５参照）において、ロータ本体外径（ロータ軸）Ｄ１と翼径Ｄ２との比であるＤ１／Ｄ２が０．３５以上、好ましくは０．５以上に設定した例であり、その他の構成は実施例１乃至３と同様なので、図１，図４及び図５と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

これによれば、実施例１乃至３と同様の作用・効果に加えて、混練ロータ７における冷却性能（伝熱能力）がより一層向上されるという利点がある。

即ち、前記Ｄ１／Ｄ２の設定により、混練ロータ７とバレル２（図３参照）との間の被混練物の厚みを伝熱能力の面から適正化でき、バレル２内部の冷却水による冷却機構の冷却作用を十分に発揮させられて混練部８（図３参照）の冷却性能が高められることから、図６に示す実験結果でも判るように、冷却時間（被混練物の滞留時間）が短くても温度低下の効果が期待でき、被混練物の材料に左右されない汎用性の高い二軸混練押出機１（図３参照）を提供することができるのである。

図７は本発明の実施例５を示す二軸混練押出機の平断面図である。

これは、実施例１乃至４における混練ロータ７（図示例では１個であるが図３のように複数個連接されていても良い）の上流側と下流側に（どちらか一方でも良い）ニーディングディスク１５Ａ，１５Ｂを配置した例であり、その他の構成は実施例１乃至４と同様なので、図３と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

前記ニーディングディスク１５Ａ，１５Ｂは不連続に断面形状が変化するものや被混練物の押出能力のない中立翼を有するものが選択される。

これによれば、実施例１乃至４と同様の作用・効果に加えて、ニーディングディスク１５Ａ，１５Ｂによる被混練物の非送り作用や戻し作用で混練ロータ７の機能がフルに発揮され、混練部８における混練性能がより一層向上されるので、装置長さを短縮でき、省スペース化及び低コスト化が図れるという利点がある。

尚、上記実施例において、前記混練ロータ７とニーディングディスク１５Ａ，１５Ｂの組合せは、スクリューセット４上に連続的あるいは断続的に複数箇所設置されても良い。

図８は本発明の実施例６を示す一軸混練押出機の平断面図である。

これは、実施例１乃至４における混練ロータ７を一軸混練押出機に適用した例であり、その他の構成は実施例１乃至４と同様なので、図３と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。これによるも二軸混練押出機と同様の作用・効果が得られる。

尚、図９は従来技術と本発明の分散度改善効果を比較したグラフである。

図中（１）は従来のスクリューのみの場合で、（２）は従来のスクリューの途中にニーディングディスクを配置した場合で、（３）はスクリューの途中に本発明の混練ロータを配置した場合で、（４）はスクリューの途中に本発明の混練ロータを配置すると共にその上流側に本発明のニーディングディスクを配置した場合で、（５）はスクリューの途中に本発明の混練ロータを配置すると共にその下流側に本発明のニーディングディスクを配置した場合で、（６）はスクリューの途中に本発明の混練ロータを配置すると共にその上流側と下流側に本発明のニーディングディスクを配置した場合である。

本グラフからも、本発明は従来技術よりも分散度改善効果が高いことが判る。

本発明に係る連続混練装置は、ゴムあるいは各種配合剤などを添加したゴムからなる被混練物に限らず、樹脂等からなる被混練物にも適用することができる。

１二軸混練押出機、２バレル、３スクリューセット、４回転シャフト、５スクリュー、６押出部、７混練ロータ、８混練部、９スクリュー、１０押出部、１１ロータ本体、１２長翼、１３ａ，１３ｂ短翼、１５Ａ，１５Ｂニーディングディスク、２０一軸混練押出機、θＬ長翼の捻れ角、θＳ短翼の捻れ角、Ｌａ，Ｌｂ短翼の長さ、Ｌｃ，Ｌｄ長翼切欠き部の長さ、Ｄ１ロータ本体外径、Ｄ２翼径。

Claims

筒状のチャンバを有したバレルと、
前記チャンバ内で回転することで、被混練物を下流側に押し出すスクリューセットと、前記スクリューセットに組み込まれ、前記チャンバ内壁面との間の間隙で剪断を付与し被混練物の混練を行う混練ロータと、
を備えた連続混練装置において、
前記混練ロータは、ロータ本体の外周に押出方向へ連続的に捻れた長翼とロータ本体軸端より延びる一個以上の短翼とを備え、前記短翼の長さをロータ本体の長さの１／２よりも短くしてなると共に、前記混練ロータの上流あるいは下流側の少なくとも一方に、不連続に断面形状が変化するニーディングディスクを配置したことを特徴とする連続混練装置。
前記ニーディングディスクは被混練物の押出能力のない中立翼を有することを特徴とする請求項１記載の連続混練装置。