JP2013169667A - 密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法 - Google Patents

密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法 Download PDF

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Abstract

【課題】簡便に精度よく混練機の混練効率の程度を把握できる密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法を提供する。
【解決手段】原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料Ｒを密閉式ゴム混練機１によって混練する際に、その混練機１のロータ駆動部１０によって回転駆動されるロータ８が混練材料Ｒに与えるせん断速度γを混練時間Ｔで積算して求めた総せん断量Ｊと、そのロータ駆動部１０の瞬時電力ｐを混練時間Ｔで積算した積算電力量Ｗを混練材料Ｒの質量Ｍで除して求めたユニットワークＵＷとに基づいて演算装置１１によって評価指数Ｅを算出し、ユニットワークＵＷ／総せん断量Ｊで算出される評価指数Ｅの大小によって、その混練機１の混練効率の程度を評価する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法に関し、さらに詳しくは、簡便に精度よく混練機の混練効率の程度を把握できる密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法に関するものである。
タイヤやゴムホース等のゴム製品を製造する際には、例えば、原料ゴムと、カーボンブラック等の各種配合材料とを含む混練材料を、密閉式ゴム混練機に所定量投入して混練する。この混練により、各種配合材料を原料ゴム中に均一に分散させるとともに、混練材料を一定の粘度に低下させるようにしている。密閉式ゴム混練機は、平行に並置された２本のロータをチャンバーに備えており、これらロータを回転させて混練材料を混練する。混練材料はロータ軸を中心にして回転されることにより、ロータとチャンバーの内壁面との間でせん断力が付与されて混練される。
ところで、密閉式ゴム混練機には、ロータ、ロータ駆動モータ、チャンバーなどの各仕様が異なる様々な混練機が存在している。効率的な混練を行なうには、混練材料に適した混練機を選定して使用し、或いは、既存のゴム混練機を用いる場合は混練材料に適した条件で混練を行なうことが望ましい。
密閉式ゴム混練機の混練状態を評価する手段としては、混練機の電力−時間曲線を用いる方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、この文献の方法は、ある時点の混練状態を把握すること等を主眼にしていて、密閉式ゴム混練機の混練効率を評価するものではなかった。
したがって、ある混練材料を効率よく混練するにはどのような仕様の混練機が適しているのか、或いは、どのような条件であれば効率よく混練できるか等については、非特許文献１は直接の参考にはならない。それ故、密閉式ゴム混練機の混練効率を簡便に精度よく評価できる方法が要望されていた。
西本一夫・占部誠亮・秋山鐡夫、日本ゴム協会誌、１９９２年、第６５巻、第８号、「電力−時間曲線のスペクトル解析」、Ｐ４６５〜４７２
本発明の目的は、簡便に精度よく混練機の混練効率の程度を把握できる密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法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密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法は、原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を混練する際の密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法であって、前記混練機のロータが混練材料に与えるせん断速度を混練時間で積算して求めた総せん断量と、前記ロータの回転駆動に要する瞬時電力を混練時間で積算した積算電力量を混練材料の質量で除して求めたユニットワークとに基づいて算出した評価指数の大小によって、その混練機の混練効率を評価することを特徴とする。
本発明は、原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を密閉式ゴム混練機によって混練する際に、その混練機のロータが混練材料に与える総せん断量と、ユニットワークと、に基づいて算出した評価指数の大小によって、その混練機の混練効率を評価する。総せん断量は、ロータによるせん断速度を混練時間で積算して求めた値であり、言わば、混練の際に入力した仕事量である。総せん断量は、ロータ外径、チャンバー内径、ロータ回転数および混練時間によって精度よく近似して求めることができる。
また、ユニットワークは、ロータの回転駆動に要する瞬時電力を混練時間で積算した積算電力量を混練材料の質量で除して求めた値であり、言わば、混練の際に出力した仕事量である。ユニットワークは、実測して把握することができる。
そして、混練効率は混練の際に入力した仕事量に対する出力した仕事量であり、これら仕事量は上記のとおり容易に把握できるので、本発明によれば、簡便に精度よく混練機の混練効率の程度を把握できる。
ここで、例えば、仕様の異なる複数の混練機によって同一の混練材料を同一の条件で同一の状態に混練した際の前記評価指数を比較することにより、より具体的には接線式や噛合い式等のロータ配置、羽根の数等のロータ形状が異なっていても、これら複数の混練機の混練効率を比較することもできる。同一仕様の混練機によって同一の混練材料を異なる複数の条件で同一の状態に混練した際の前記評価指数を比較することにより、これら複数の条件での混練効率を比較することもできる。或いは、同一仕様の混練機によって配合の異なる複数の混練材料を同一の条件で同一の状態に混練した際の前記評価指数を比較することにより、これら複数の混練材料についての混練効率を比較することもできる。また、本発明では、前記評価指数を逐次算出することにより、混練効率の時系列変化を把握することもできる。
混練材料を混練している密閉式ゴム混練機の内部を例示する縦断面図である。 図１の密閉式ゴム混練機の内部構造を例示する縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 複数の混練機の評価指数を例示するグラフ図である。 複数の混練機の混練材料の充填率と評価指数との関係を例示するグラフ図である。 ある混練機の混練材料の充填率に対する評価指数、混練時間との関係を例示するグラフ図である。 ある混練機の評価指数の時系列変化を例示するグラフ図である。 別の混練機の評価指数の時系列変化を例示するグラフ図である。
以下、本発明の密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。
図１〜図３に例示するように密閉式ゴム混練機１（以下、混練機１という）は、ケーシング２の上下方向中途に材料投入口３を有し、ケーシング３の下部にロータ８を収容するチャンバー７および材料排出口４を有している。
チャンバー７には、平行に並置された２本のロータ８が設けられている。並置された２本のロータ８は、平行に並置されたそれぞれのロータ軸９を中心にして互いに反対方向に回転駆動される。ロータ８の形式は特に限定されず、接線式や噛合い式等、様々な形式を採用することができる。このロータ８はそれぞれ２枚羽根ロータになっているが、羽根の数、形状は適宜決定される。
ロータ８の上部には、上下移動する加圧ウエイト６が設けられている。加圧ウエイト６は混練材料Ｒがケーシング２の内部に投入される際には、混練材料Ｒの投入を邪魔しない上方の待機位置に配置されている。混練材料Ｒがケーシング２の内部に投入された後は、待機位置から下方移動して、ロータ８の上部を覆ってチャンバー７をほぼ密閉する位置に配置される。混練材料Ｒは原料ゴムおよびカーボンブラックを含み、その他にカーボンブラック以外の補強剤、充填剤、老化防止剤、加工助剤、軟化剤、可塑剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤等の各種配合材料が適宜配合される。
混練材料Ｒを混練する際には、ロータ８の下方位置に設けられた材料排出口４は、排出口フラップ５によって閉口されている。混練された混練材料Ｒを材料排出口４から排出する際には、排出口フラップ５は、混練材料Ｒの排出を邪魔しない待機位置に移動して材料排出口４を開口する。加圧ウエイト６および排出口フラップ５の構造は、例示した構造に限定されるものではない。いわゆるニーダー構造の混合機であってもよい。
ロータ軸９を回転駆動するロータ駆動部１０としては、例えば、駆動モータ等が採用される。ロータ駆動部１０には、回転計１０ａおよび電力計１０ｂが設けられている。回転計１０ａはロータ８（ロータ軸９）の回転数Ｎを検知し、電力計１０ｂはロータ８の回転駆動に要する瞬時電力ｐを検知する。
回転計１０ａおよび電力計１０ｂにより検知されたデータは、ロータ駆動部１０に接続されたコンピュータ等で構成される演算装置１１に入力される。演算装置１１には、ロータ８の外径Ｄ、ロータ８の外径位置とチャンバー７の内壁面７ａとのクリアランスＨのデータも入力されている。
混練材料Ｒを混練する際に、演算装置１１によって下記（１）式に示す総せん断量Ｊが算出される。即ち、回転駆動されるロータ８が混練材料Ｒに与えるせん断速度γを、混練時間Ｔで積算することにより総せん断量Ｊが算出される。
総せん断量Ｊ＝∫（γ）ｄｔ・・・（１）
ここで、せん断速度γ＝せん断係数Ｋ×ロータ回転数Ｎ、せん断係数Ｋ＝π×ロータ外径Ｄ／クリアランスＨである。
また、演算装置１１によって下記（２）式に示すユニットワークＵＷが算出される。即ち、ロータ８の回転駆動に要する瞬時電力ｐを、混練時間Ｔで積算した積算電力量Ｗを混練材料Ｒの質量Ｍで除すことによりユニットワークＵＷが算出される。
ユニットワークＵＷ＝積算電力量Ｗ／混合材料質量Ｍ・・・（２）
ここで、積算電力量Ｗ＝∫（ｐ）ｄｔである。
そして、下記（３）式に示すように、演算装置１１によって、ユニットワークＵＷを総せん断量Ｊで除すことにより評価指数Ｅが算出される。
評価指数Ｅ＝ユニットワークＵＷ／総せん断量Ｊ・・・（３）
総せん断量Ｊは、言わば、混練の際に入力した仕事量である。そして、総せん断量Ｊは、ロータ外径Ｄ、クリアランスＨ（或いはチャンバー７の内径）、ロータ回転数Ｎおよび混練時間Ｔを（１）式に代入することより、精度よく近似して求めることができる。また、ユニットワークＵＷは、言わば、混練の際に出力した仕事量である。ユニットワークＵＷは、電力計１０ｂによって実測して把握することができる。
したがって、評価指数Ｅの値は、混練の際の入力した仕事量に対する出力した仕事量である。ここで、総せん断量Ｊは近似して算出した仮想の値であり、実際の総せん断量Ｊｒは、Ｊｒ＝混練効率β×総せん断量Ｊである。混練効率βはロータ８の仕様等によって変化する値であり０超〜１以下となる。そして、（３）式を変形すると以下の（４）式となる。
評価指数Ｅ＝混練効率β×（ユニットワークＵＷ／実際の総せん断量Ｊｒ）・・・（４）
混練材料Ｒの配合が同じであれば、所定の入力の混練によって得られる混練後の混練材料Ｒは同じものとなるので、「ユニットワークＵＷ／実際の総せん断量Ｊｒ」の値は、混練材料Ｒの配合によって一定（固有値）になると考えられる。それ故、評価指数Ｅは、混練効率の程度を示し、数値が大きい程、混練効率が良いことを意味する。この評価指数Ｅは、上記（１）式、（２）式、（３）式によって容易に算出できるので、混練機１の混練効率の程度を簡便に精度よく把握することが可能になる。
この混練機１を用いて混練材料Ｒを混練する手順は以下のとおりである。
まず、所定量の原料ゴムおよびカーボンブラック等の各種配合材料を材料投入口３を通じてケーシング２の内部に投入する。そして、加圧ウエイト６を待機位置から下方移動させてロータ８の上部を密閉して覆うように配置する。
この状態で、投入された混練材料Ｒは、チャンバー７の内壁面７ａ、排出口フラップ５および加圧ウエイト６で囲まれたスペースにおいて、回転駆動される２つのロータ８によって混練される。また、例えば、最初に原料ゴムを素練した後、順次、軟化剤や可塑剤、カーボンブラックをケーシング２の内部（チャンバー７）に投入して混練する。混練材料Ｒが所定の状態に混練されて混練が完了した後は、排出口フラップ５を待機位置に移動させることにより材料排出口４を開口して、混練材料Ｒを混練機１の外部へ排出する。
混練材料Ｒが混練開始される時点から混練が完了する時点まで、回転計１０ａによりロータ８（ロータ軸９）の回転数Ｎが逐次検知され、電力計１０ｂによりロータ８の回転駆動に要する瞬時電力ｐが逐次検知される。回転計１０ａおよび電力計１０ｂにより検知されたデータは演算装置１１に入力される。そして、演算装置１１によって評価指数Ｅが逐次算出される。
図４は、仕様の異なる８種類の混練機１（Ｃ１機〜Ｃ８機）によって同一の混練材料Ｒを同一の条件で同一の状態に混練した際の評価指数Ｅを示している。尚、同一の条件とは、それぞれの混練機１のチャンバー７の容量に対する混練材料Ｒの体積が占める割合を示す充填率が同じであり、混練材料の投入順序、タイミングが同じことを意味する。図４のそれぞれの混練機１における充填率は略６０％である。
図４の結果から、８種類の内でＣ３機の混練機１が最も混練効率が良く、Ｃ８機の混練機が最も混練効率が悪いことが把握できる。この結果から、混練効率のみを重視して混練機１を選択する場合は、Ｃ３機を選択することになる。
図５は、仕様の異なる２種類の混練機１（Ｃ７機、Ｃ８機）によって同一の混練材料Ｒを、同一の投入順序、タイミングで、充填率を異ならせて同一の状態に混練した際の評価指数Ｅを示している。図５の結果から、Ｃ７機およびＣ８機の混練機１では、充填率の違いに起因して評価指数Ｅが大きく変化することはなく、ほぼ一定の範囲になることが把握できる。そして、Ｃ７機の混練機１がＣ８機の混練機１よりも混練効率が良いことが把握できる。
図６は、ある混練機１（Ｃ１０機）によって、ある混練材料Ｒを異なる充填率で所定の状態に混練した際の評価指数Ｅ（曲線ａ）を示している。曲線ｂは、その際の充填率と混練時間Ｔとの関係を示している。
この評価指数Ｅを比較することにより、ある混練機１における複数の充填率での混練効率を比較できる。即ち、同一仕様の混練機１によって同一の混練材料Ｒを異なる充填率で同一の状態に混練した際に、最も効率よく混練できる充填率を把握できる。このＣ１０機の混練機１では、充填率を５０％程度に設定すると混練に要する時間を最小限にすることができ、最も混練効率が良くなることが把握できる。
図７は、ある混練機１（Ｃ１０機）によって、ある混練材料Ｒをある充填率（６０％）で所定の状態に混練した際の評価指数Ｅの時系列変化を示している。また、その際の瞬時電力ｐ、積算電力量Ｗ、混練材料Ｒの温度ＴＰの時系列変化も示している。図７の混練工程では、混練開始から混練完了までに各種配合材料の投入や加圧ウエイト６の操作などのため、間欠的に５回の混練作業が行われているが、最初の混練作業は、すべての配合材料が投入れていない状態での予備的な混練である。そのため、本発明では、２回以降の混練作業（すべての配合材料が投入された混練作業）を対象にする。
図７の結果から、Ｃ１０機の混練機１による混練では、評価指数Ｅが混練完了まで増大し続けていて、長時間にわたって混練材料Ｒがゆっくりと混練され、混練効率が良くないことが分かる。また、混練時の混練材料Ｒの発熱は少ないことが分かる。
図８は、ある混練機１（Ｃ１１機）によって、ある混練材料Ｒをある充填率（５０％）で所定の状態に混練した際の評価指数Ｅの時系列変化を示している。また、その際の瞬時電力ｐ、積算電力量Ｗ、混練材料Ｒの温度ＴＰの時系列変化も示している。図８の混練工程では、混練開始から混練完了までに各種配合材料の投入や加圧ウエイト６の操作などのため、混練開始から混練完了まで間欠的に３回の混練作業が行われている。最初の混練作業は、すべての配合材料が投入れていない状態での予備的な混練である。そのため、本発明では、２回以降の混練作業（すべての配合材料が投入された混練作業）を対象にする。
図８の結果から、Ｃ１１機の混練機１による混練では、評価指数Ｅが途中の混練作業で急激に増大し、その後、ほぼ一定水準になっていて、短時間で混練材料Ｒが一気に混練され、混練効率が良いことが分かる。また、混練時の混練材料Ｒの発熱が多いことが分かる。
図７と図８の結果から、例えば、発熱が多くても品質に支障が生じ難い混練材料Ｒを混練する場合は、Ｃ１１機の混練機１を選択して混練することで、短時間で効率の良い混練が可能になる。一方、発熱が多いと品質に支障が生じ易い混練材料Ｒを混練する場合は、Ｃ１０機の混練機１を選択して混練することで、品質を低下させずに混練を完了させることができる。
発熱が多いと品質に支障が生じ易い混練材料ＲをＣ１１機の混練機１によって混練する場合は、例えば、発熱を抑えるためにロータ８の回転数Ｎを低減させて混練効率を低くする。即ち、評価指数Ｅが小さくなるように混練条件を設定する。このように評価指数Ｅを逐次算出して、混練効率の時系列変化を把握することで、最適な混練条件を設定し易くなる。
評価指数Ｅを用いた別の評価方法として、異なる混練バッチ（ロット）毎の評価指数Ｅを比較することもできる。この場合、同一仕様の混練機１によって同一の混練材料Ｒを同一の条件で同一の状態に混練した際の評価指数Ｅを混練バッチ（ロット）間で比較する。それぞれの混練バッチ（ロット）の評価指数Ｅを比較することにより、混練状態の安定性を把握することができる。即ち、それぞれの混練バッチ（ロット）の評価指数Ｅのばらつきが小さい程、混練バッチ（ロット）間で安定した混練が行なわれていると判断することができる。
また、同一仕様の混練機１によって同一の混練材料Ｒを同一の条件で同一の状態に混練した際の評価指数Ｅが著しく変化した場合は、混練機１に異常（故障）が生じていると判断することもできる。
１ 密閉式ゴム混練機
２ ケーシング
３ 材料投入口
４ 材料排出口
５ 排出口フラップ
６ 加圧ウエイト
７ チャンバー
７ａ 内壁面
８ ロータ
９ ロータ軸
１０ ロータ駆動部
１０ａ 電力計
１０ｂ 回転計
１１ 演算装置
Ｒ 混練材料

Claims (5)

  1. 原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を混練する際の密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法であって、前記混練機のロータが混練材料に与えるせん断速度を混練時間で積算して求めた総せん断量と、前記ロータの回転駆動に要する瞬時電力を混練時間で積算した積算電力量を混練材料の質量で除して求めたユニットワークとに基づいて算出した評価指数の大小によって、その混練機の混練効率を評価することを特徴とする密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法。
  2. 仕様の異なる複数の混練機によって同一の混練材料を同一の条件で同一の状態に混練した際の前記評価指数を比較することにより、これら複数の混練機の混練効率を比較する請求項１に記載の密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法。
  3. 同一仕様の混練機によって同一の混練材料を異なる複数の条件で同一の状態に混練した際の前記評価指数を比較することにより、これら複数の条件での混練効率を比較する請求項１に記載の密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法。
  4. 同一仕様の混練機によって配合の異なる複数の混練材料を同一の条件で同一の状態に混練した際の前記評価指数を比較することにより、これら複数の混練材料についての混練効率を比較する請求項１に記載の密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法。
  5. 前記評価指数を逐次算出することにより、混練効率の時系列変化を把握する請求項１〜４のいずれかに記載の密閉式ゴム混練機の混練効率の評価方法。
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