JP4887673B2 - ゴム組成物の混練方法及び混練設備 - Google Patents

ゴム組成物の混練方法及び混練設備 Download PDF

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Description

本発明は、シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を混練するための方法及び設備に関し、さらに詳しくは、ミキサーの稼働効率を高めると共に、設備コストの増大を抑制しながらシランカップリング剤の反応を効率的に行うことを可能にしたゴム組成物の混練方法及び混練設備に関する。
近年、ゴム補強用充填材として、カーボンブラックの替わりにシリカが使用されるようになっている。また、シリカをゴム組成物に配合するに際し、ゴム中へのシリカ粒子の分散を良くするためにシランカップリング剤を添加するのが一般的である。このようなシリカ配合のゴム組成物を混練する場合、シランカップリング剤の反応制御が重要である（例えば、特許文献１参照）。
ところで、ゴム組成物の混練設備として、一対のローターを備えた密閉式のミキサーが広く普及している（例えば、特許文献２参照）。そのため、シリカ配合のゴム組成物の混練にも密閉式のミキサーが使用可能であることが望ましい。そこで、シランカップリング剤の反応を十分に行うために、密閉式のミキサーのローター速度を可変にし、温度を一定に保つようにローター速度を調整したり、或いは、密閉式のミキサーを使用しつつ分散用の混練ステップと反応用の混練ステップとを組み合わせることが行われている。しかしながら、密閉式のミキサーでは、内部温度の測定精度が低く、しかも温度分布が不均一であることから、ローター速度に基づく温度調整が極めて困難である。また、密閉式のミキサーにおいて分散用の混練ステップと反応用の混練ステップとを組み合わせた場合、混練時間が長くなり、シリカ配合のゴム組成物の生産コストが増加してしまう。
これに対して、分散用の混練ステップを密閉式のミキサーで行う一方で、反応用の混練ステップを他のミキサー、押出機、温調室内ロール等の装置で行うことにより、分散用の混練ステップを行うミキサーの稼働効率を高めながら、シランカップリング剤の反応を効率的に行うことが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、反応用の混練ステップを行うために、他のミキサーを用意したり、押出機や温調室内ロール等を用いた場合、設備コストが大幅に増大するという問題がある。そのため、安価な設備でシランカップリング剤の反応を効率的に行うことが望まれている。
特開平１０−１７５２０８号公報 特開平１０−７１６１３号公報 特開２００４−３５２８３１号公報
本発明の目的は、シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を混練するにあたって、ミキサーの稼働効率を高めると共に、設備コストの増大を抑制しながらシランカップリング剤の反応を効率的に行うことを可能にしたゴム組成物の混練方法及び混練設備を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明のゴム組成物の混練方法は、シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を混練するためのミキサーと、該ミキサーで混練されたゴム組成物を自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持する機能を持つ一対の混練ロールと、これら混練ロールのギャップを通過した前記ゴム組成物のシートを再び混練ロールに戻す循環経路を形成する複数のコンベヤと、前記混練ロールから排出されるゴム組成物のシートの温度を測定するための第１の温度計と、前記混練ロールに戻るゴム組成物のシートの温度を測定するための第２の温度計と、前記第１及び第２の温度計の検知結果に基づいて前記混練ロールの速度及びギャップ量を制御する制御回路とを備える混練設備を用いたゴム組成物の混練方法であって、
シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を前記ミキサーにより１６０℃以下の温度で混練した後、該ミキサーで混練されたゴム組成物を１２０℃以上の温度に保ちながら前記一対の混練ロールの上に搬送し、これら混練ロールから与えられる剪断力で前記ゴム組成物を自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持し、前記混練ロールのギャップを通過した前記ゴム組成物のシートを前記複数のコンベヤを介して前記混練ロールの上に戻し、前記第１及び第２の温度計の検知結果に基づいて前記混練ロールの速度及びギャップ量を制御し、前記シートが混練ロールから排出されてから再び混練ロールに戻るまでの該シートの温度低下を１０℃以下にすることを特徴とするものである。
また、上記目的を達成するための本発明のゴム組成物の混練設備は、シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を混練するためのミキサーと、該ミキサーで混練されたゴム組成物を自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持する機能を持つ一対の混練ロールと、これら混練ロールのギャップを通過した前記ゴム組成物のシートを再び混練ロールに戻す循環経路を形成する複数のコンベヤと、前記混練ロールから排出されるゴム組成物のシートの温度を測定するための第１の温度計と、前記混練ロールに戻るゴム組成物のシートの温度を測定するための第２の温度計と、前記第１及び第２の温度計の検知結果に基づいて前記混練ロールの速度及びギャップ量を制御する制御回路とを備えることを特徴とするものである。
本発明では、シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を混練するミキサーの次工程に、シランカップリング剤の反応を制御するための装置として一対の混練ロールと複数のコンベヤを設置する。そして、混練ロールから与えられる剪断力でゴム組成物を自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持し、混練ロールのギャップを通過したゴム組成物のシートを複数のコンベヤを介して混練ロールの上に戻し、更にはシートが混練ロールから排出されてから再び混練ロールに戻るまでの該シートの温度低下を１０℃以下にすることで、シランカップリング剤の反応を効率的に行うようにする。
このように一対の混練ロールと複数のコンベヤから構成される装置は、ゴム組成物の自己発熱を利用して温度調節を行うことが可能であり、大掛かりな温調設備を必要としないので、その設備コストが比較的安価である。従って、分散用の混練ステップを担持するミキサーの稼働効率を高めることに加えて、設備コストの増大を抑制しながらシランカップリング剤の反応を効率的に行うことが可能になる。
本発明のゴム組成物の混練方法において、ゴム組成物のミキサーから混練ロールまでの搬送時間は９０秒以下にすることが好ましい。また、ゴム組成物をミキサーから混練ロールまで搬送する過程で該ゴム組成物を厚さ４ｍｍ〜２０ｍｍのシート状の中間体に加工することが好ましい。
本発明のゴム組成物の混練設備において、ミキサーの容量は７０Ｌ〜６２０Ｌであることが好ましい。混練ロールの長さは１０００ｍｍ〜２４００ｍｍであり、混練ロールの直径は４００ｍｍ〜８００ｍｍであることが好ましい。循環経路の長さは３ｍ〜３０ｍであることが好ましい。混練ロール上でゴム組成物のストック領域を規定する一対のストックガイドの間隔を可変とし、混練ロールのギャップ量を２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で可変とすることが好ましい。
以下、本発明の構成について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態からなるゴム組成物の混練設備を示すものである。図１において、密閉式のミキサー１は、混練部２内に一対のローター３，３を備えている。混練部２の上部にはゴム組成物の投入口があり、該投入口がラム４で閉塞されるようになっている。一方、混練部２の下部には混練されたゴム組成物の排出口があり、該排出口に開閉自在の蓋５が設けられている。ミキサー１から排出される混練後のゴム組成物Ｒは、一対の混練ロール６ａ，６ｂの上に搬送される。
一対の混練ロール６ａ，６ｂは、回転軸が互いに平行となるように水平方向に配設され、不図示の駆動手段によりゴム組成物Ｒを巻き込むように互いに反対方向に回転し、その剪断力によりゴム組成物Ｒを自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持する機能を有している。混練ロール６ａ，６ｂのギャップは、混練ロール６ａの回転軸に連結された位置制御装置７により調整されるようになっている。
これら混練ロール６ａ，６ｂのギャップを通過したゴム組成物Ｒのシートは、複数のコンベヤ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄによって形成された循環経路を介して再び混練ロール６ａ，６ｂに戻るようになっている。即ち、コンベヤ８ａは混練ロール６ａ，６ｂの下方位置でゴム組成物Ｒのシートを受け取り、コンベヤ８ｂ，８ｃはコンベヤ８ａで移送されたゴム組成物Ｒのシートを挟み込んで上方に送り出し、コンベヤ８ｄはコンベヤ８ｂ，８ｃで移送されたゴム組成物Ｒのシートを混練ロール６ａ，６ｂの上に落下させるようになっている。
混練ロール６ａの周辺には、混練ロール６ａ，６ｂから排出されるゴム組成物Ｒのシートの温度を測定するための温度計９ａと、混練ロール６ａ，６ｂに戻るゴム組成物Ｒのシートの温度を測定するための温度計９ｂとが設置されている。これら温度計９ａ，９ｂの検知結果は制御回路１０に入力される。制御回路１０は、温度計９ａ，９ｂの検知結果に基づいて混練ロール６ａ，６ｂの速度やギャップ量等を制御する。
上述したゴム組成物の混練設備を用いて混練作業を行う場合、先ず、シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物Ｒをミキサー１で混練した後、該ミキサー１で混練されたゴム組成物Ｒを混練ロール６ａ，６ｂ及びコンベヤ８ａ〜８ｄから構成される反応制御装置に移し、この反応制御装置においてシランカップリング剤の反応を行うようにする。
ミキサー１においては、シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を１６０℃以下の温度で混練する。ミキサー１内の温度が１６０℃を超えるとシリカ配合のゴム組成物が持つ物性が損なわれる。ミキサー１による混練後、ゴム組成物Ｒを１２０℃以上の温度に保ちながら一対の混練ロール６ａ，６ｂの上に搬送する。ゴム組成物Ｒの温度が１２０℃未満になると温度回復時間が必要以上に長くなる。温度を維持するために、ゴム組成物Ｒのミキサー１から混練ロール６ａ，６ｂまでの搬送時間は９０秒以下にすると良い。但し、防風用のカバー等を設置すれば搬送時間を延長することも可能である。
また、ゴム組成物Ｒをミキサー１から混練ロール６ａ，６ｂまで搬送する過程で該ゴム組成物Ｒを厚さ４ｍｍ〜２０ｍｍのシート状の中間体Ｒｍに加工しても良い。シート状の中間体Ｒｍは、混練ロール６ａ，６ｂに直接投入しても良く、或いは、コンベヤ８ａ〜８ｄからなる循環経路の途中に導くようにしても良い。
混練ロール６ａ，６ｂにおいては、剪断力によりゴム組成物Ｒを自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持する。この温度範囲を維持することでシランカップリング剤の反応を効率的に行うことが可能になる。また、混練ロール６ａ，６ｂのギャップを通過したゴム組成物Ｒのシートを複数のコンベヤ８ａ〜８ｄを介して混練ロール６ａ，６ｂの上に戻すので、ゴム組成物Ｒの中でシランカップリング剤の反応に伴って生成されるガスを系外に効率的に排出することができる。更に、ゴム組成物Ｒのシートが混練ロール６ａ，６ｂから排出されてから再び混練ロール６ａ，６ｂに戻るまでの該シートの温度低下は１０℃以下にする。つまり、ゴム組成物Ｒのシートが混練ロール６ａ，６ｂに戻る直前の温度は１３０℃〜１５０℃とする。これにより、シランカップリング剤の反応を効率的に行うことが可能になる。
上記混練設備において、ミキサー１の容量は７０Ｌ〜６２０Ｌであると良い。ミキサー１の容量が小さ過ぎると混練されるゴム組成物からの放熱が大きくなるため自然発熱で１４０℃〜１６０℃の温度を維持することが困難となり、逆に容量が大き過ぎると混練ロール６ａ，６ｂとの組み合わせが困難になる。
混練ロール６ａ，６ｂの長さは１０００ｍｍ〜２４００ｍｍであり、その直径は４００ｍｍ〜８００ｍｍであると良い。このような寸法を有する混練ロール６ａ，６ｂは、比較的大きなバンクを形成するので、ゴム組成物Ｒを比較的高い温度に維持する上で有利である。
ゴム組成物Ｒの循環経路の長さは３ｍ〜３０ｍであることが好ましい。この循環経路の長さが３ｍ未満であるとゴム組成物Ｒの中で発生するガスを系外に排出する上で不利であり、逆に３０ｍを超えるとゴム組成物Ｒのシートが過度に冷却されるため混練ロール６ａ，６ｂ上のゴム組成物Ｒを自己発熱により１４０℃以上に保つことが困難になる。なお、循環経路の長さとはゴム組成物Ｒのシート部分の長さである。また、コンベヤ８ａ〜８ｄによる移送速度は３０ｍ／分〜６０ｍ／分に設定すると良い。
混練ロール６ａ，６ｂ上には、一般的な混練ロールと同様に、ゴム組成物Ｒのストック領域を規定する一対のストックガイド１１が配設されるが、これらストックガイド１１の間隔は可変とすることが望ましい。ストックガイド１１の間隔を調整することで、混練ロール６ａ，６ｂのバンク量を調整し、ゴム組成物Ｒの温度を調整することができる。一般的にはバンク量を多くすることでゴム組成物Ｒの温度を上昇させることが可能である。
混練ロール６ａ，６ｂのギャップ量は２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で可変とすることが望ましい。ギャップ量は２ｍｍ未満であるとゴム組成物Ｒのシートの冷却が過度になるため混練ロール６ａ，６ｂ上でのゴム組成物Ｒの温度を１４０℃以上に保つことが困難になり、逆に１０ｍｍを超えるとゴム組成物Ｒの昇温に多大な時間を要し、しかもゴム組成物Ｒからのガスの排出が非効率的となる。
上記以外の制御として、ゴム組成物Ｒの温度を連続的に測定し、混練の進行に伴う粘度低下による温度低下を感知し、混練ロール６ａ，６ｂの表面速度やギャップ量を調整し、ゴム組成物Ｒの温度を所定の範囲に維持することも有効である。これにより、外部に加熱装置を設けることなく、混練ロール６ａ，６ｂ上のゴム組成物Ｒの温度を１４０℃〜１６０℃に制御することができる。
上述したゴム組成物の混練方法及び混練装置によれば、ゴム組成物Ｒの自己発熱を利用して温度調節を行うことが可能であり、大規模な温調設備を必要としないので、その設備コストが比較的安価である。従って、分散用の混練ステップを担持するミキサーの稼働効率を高めることに加えて、設備コストの増大を抑制しながらシランカップリング剤の反応を効率的に行うことが可能になる。
本発明の実施形態からなるゴム組成物の混練設備を概略的に示す断面図である。
符号の説明
１ ミキサー
６ａ，６ｂ 混練ロール
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ コンベヤ
１１ ストックガイド
Ｒ ゴム組成物

Claims (12)

  1. シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を混練するためのミキサーと、該ミキサーで混練されたゴム組成物を自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持する機能を持つ一対の混練ロールと、これら混練ロールのギャップを通過した前記ゴム組成物のシートを再び混練ロールに戻す循環経路を形成する複数のコンベヤと、前記混練ロールから排出されるゴム組成物のシートの温度を測定するための第１の温度計と、前記混練ロールに戻るゴム組成物のシートの温度を測定するための第２の温度計と、前記第１及び第２の温度計の検知結果に基づいて前記混練ロールの速度及びギャップ量を制御する制御回路とを備える混練設備を用いたゴム組成物の混練方法であって、
    シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を前記ミキサーにより１６０℃以下の温度で混練した後、該ミキサーで混練されたゴム組成物を１２０℃以上の温度に保ちながら前記一対の混練ロールの上に搬送し、これら混練ロールから与えられる剪断力で前記ゴム組成物を自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持し、前記混練ロールのギャップを通過した前記ゴム組成物のシートを前記複数のコンベヤを介して前記混練ロールの上に戻し、前記第１及び第２の温度計の検知結果に基づいて前記混練ロールの速度及びギャップ量を制御し、前記シートが混練ロールから排出されてから再び混練ロールに戻るまでの該シートの温度低下を１０℃以下にすることを特徴とするゴム組成物の混練方法。
  2. 前記ゴム組成物の前記ミキサーから前記混練ロールまでの搬送時間を９０秒以下とする請求項１に記載のゴム組成物の混練方法。
  3. 前記ゴム組成物を前記ミキサーから前記混練ロールまで搬送する過程で該ゴム組成物を厚さ４ｍｍ〜２０ｍｍのシート状の中間体に加工する請求項１又は請求項２に記載のゴム組成物の混練方法。
  4. 前記ミキサーの容量が７０Ｌ〜６２０Ｌである請求項１〜３のいずれかに記載のゴム組成物の混練方法。
  5. 前記混練ロールの長さが１０００ｍｍ〜２４００ｍｍであり、前記混練ロールの直径が４００ｍｍ〜８００ｍｍである請求項１〜４のいずれかに記載のゴム組成物の混練方法。
  6. 前記循環経路の長さが３ｍ〜３０ｍである請求項１〜５のいずれかに記載のゴム組成物の混練方法。
  7. 前記混練ロール上で前記ゴム組成物のストック領域を規定する一対のストックガイドの間隔を可変とし、前記混練ロールのギャップ量を２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で可変とした請求項１〜６のいずれかに記載のゴム組成物の混練方法。
  8. シリカ及びシランカップリング剤を配合してなるゴム組成物を混練するためのミキサーと、該ミキサーで混練されたゴム組成物を自己発熱させて１４０℃〜１６０℃の温度を維持する機能を持つ一対の混練ロールと、これら混練ロールのギャップを通過した前記ゴム組成物のシートを再び混練ロールに戻す循環経路を形成する複数のコンベヤと、前記混練ロールから排出されるゴム組成物のシートの温度を測定するための第１の温度計と、前記混練ロールに戻るゴム組成物のシートの温度を測定するための第２の温度計と、前記第１及び第２の温度計の検知結果に基づいて前記混練ロールの速度及びギャップ量を制御する制御回路とを備えることを特徴とするゴム組成物の混練設備。
  9. 前記ミキサーの容量が７０Ｌ〜６２０Ｌである請求項８に記載のゴム組成物の混練設備。
  10. 前記混練ロールの長さが１０００ｍｍ〜２４００ｍｍであり、前記混練ロールの直径が４００ｍｍ〜８００ｍｍである請求項８又は請求項９に記載のゴム組成物の混練設備。
  11. 前記循環経路の長さが３ｍ〜３０ｍである請求項８〜１０のいずれかに記載のゴム組成物の混練設備。
  12. 前記混練ロール上で前記ゴム組成物のストック領域を規定する一対のストックガイドの間隔を可変とし、前記混練ロールのギャップ量を２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で可変とした請求項８〜１１のいずれかに記載のゴム組成物の混練設備。
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