JP6996248B2 - ゴム材料の混練方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ゴム材料の混練方法および装置に関し、さらに詳しくは、密閉型混練機を用いて、粉状の配合剤を過剰に圧縮することなく、より均等に原料ゴムに分散させることができるゴム材料の混練方法および装置に関するものである。
タイヤ等のゴム製品を製造する際には、様々なゴム部材が使用されている。ゴム部材の材料となるゴム材料を混練する設備として、密閉型混練機（いわゆる、バンバリーミキサー）が知られている。密閉型混練機には、混練室の内部に一組のロータが噛み合うように配置された噛み合い式ロータを備えた仕様がある（例えば、特許文献１参照）。
混練室に投入された原料ゴムおよび粉状の配合剤は、混練室の上端開口を塞いだ状態にしたラムによって下方に押圧されながら、回転するそれぞれのロータによって混練される。噛み合い式ロータの場合、一組のロータの回転による位相によって、互いのロータ間の隙間および互いのロータ間上方の受入空間の容積が比較的大きく変動する。そのため、互いのロータの間の隙間が狭くなった際にラム圧力を大きくすると、粉状の配合剤がロータの間で過剰に圧縮されることがある。これに伴い、粉状の配合剤が強固に固まって壊れにくい塊になり、原料ゴムに均等に分散させることができないという不具合が生じる。噛み合い式ロータでなくても、一組のロータの回転による位相によって、互いのロータ間の隙間および互いのロータ間上方の受入空間の容積の変動が比較的大きい場合は同様の不具合が生じる。
本発明の目的は、密閉型混練機を用いて、粉状の配合剤を過剰に圧縮することなく、より均等に原料ゴムに分散させることができるゴム材料の混練方法および装置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材料の混錬方法は、原料ゴムと粉状の配合剤とを含む混錬物を、混錬室の内部に配置された一組のロータと、前記混錬室の上方を上下移動して前記混錬室の上端開口を塞ぐことが可能なラムとを備えた密閉型混錬機を用いて混錬するゴム材料の混錬方法において、前記一組のロータの回転による位相データを制御部に入力し、前記位相データに基づいて前記制御部により前記一組のロータ間の上面視での隙間の面積を逐次算出し、前記逐次算出した前記隙間の面積の大きさに基づいて、前記ラムに作用するラム圧力を前記制御部により調整しながら、前記混錬室に投入された前記混錬物を回転する前記一組のロータにより混錬し、前記逐次算出した前記隙間の面積が増加状態にある場合に前記ラム圧力を増加させ、前記逐次算出した前記隙間の面積が減少状態にある場合に前記ラム圧力を減少させる調整を行うことを特徴とする。
本発明のゴム材料の混錬装置は、原料ゴムと粉状の配合剤とを含む混錬物が投入される混錬室と、この混錬室の内部に配置された一組のロータと、前記混錬室の上方を上下移動して前記混錬室の上端開口を塞ぐことが可能なラムとを備えた密閉型混錬機を有するゴム材料の混錬装置において、前記一組のロータの回転による位相データが入力される制御部と、前記ラムに作用するラム圧力を検知する圧力センサとを有し、前記位相データに基づいて前記制御部により前記一組のロータ間の上面視での隙間の面積が逐次算出されて、前記逐次算出された前記隙間の面積の大きさに基づいて、前記圧力センサにより検知されるラム圧力が前記制御部により調整されつつ、前記混錬室に投入された前記混錬物が回転する前記一組のロータにより混錬される構成にして、前記逐次算出した前記隙間の面積が増加状態にある場合に前記ラム圧力を増加させ、前記逐次算出した前記隙間の面積が減少状態にある場合に前記ラム圧力を減少させる調整を行う設定にしたことを特徴とする。
本発明によれば、一組のロータの回転による位相データに基づいて、制御部により一組のロータ間の上面視での隙間の面積を逐次算出し、この逐次算出された隙間の面積の大きさに基づいてラム圧力を適切に調整できる。これにより、隙間の面積が小さい時には、混練物に付与するラム圧力を小さくして、ロータ間に混練物を通過させることができる。そのため、狭くなったロータ間で粉状の配合剤が過剰に圧縮されることがなく、強固に固まった塊になることを抑制できる。これに伴い、粉状の配合剤をより均等に原料ゴムに分散させるには有利になる。
以下、本発明のゴム材料の混練方法および装置を、図に示した実施形態に基づいて説明する。
図１～図３に例示する本発明のゴム材料の混練装置１（以下、混練装置１という）は、原料ゴムＧと配合剤Ｎとを含む混練物Ｒを混練する。この混練工程によって原料ゴムＧに配合剤Ｎを均等に分散させて、適度な粘度にした未加硫のゴム材料が製造される。
原料ゴムＧおよび配合剤Ｎは、製造するゴム材料の種類（特性）に応じて、適切な材料が選択される。原料ゴムＧとしては、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、１，２－ポリブタジエン、クロロプレンゴム、ブチルゴム、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（アクリルニトリルゴム、水素化ニトリルゴム）、エチレンプロピレンジエンゴム等を例示できる。これらが１種単独でまたは２種以上を組合せて用いられる。配合剤Ｎとしては、シリカおよびシランカップリング剤、カーボンブラック等の充填剤、酸化亜鉛、ステアリン酸等の非加硫系の配合剤Ｎが適宜選択して用いられる。配合剤Ｎとしてオイルも用いられる。
この混練装置１は密閉型混練機２を有している。密閉型混練機２は、原料ゴムＧと配合剤Ｎとを含む混練物Ｒが投入される混練室５と、混練室５の内部に配置された一組のロータ３と、混練室５の上端開口５ａを塞ぐことが可能なラム６と、制御部１２と、圧力センサ１４とを備えている。制御部１２には一組のロータ３の回転による位相データおよび圧力センサ１４による検知データが入力される。制御部１２はロータ３の回転駆動を制御する。
混練室５の側部には油投入部７、底面には開閉する排出扉１１が設けられている。混練室５の上端開口５ａにはラム室６ａが連接されて上方に延在している。ラム６は、ラム室６ａの内部を上下移動して混練室５内の混練物Ｒに圧力（ラム圧力Ｐ）を付与する。ラム６は下方移動することで混練室５の上端開口５ａを塞ぐことができる。ラム室６ａの側部には、搬送コンベヤ等を有する投入機構８と、非加硫系の配合剤Ｎがホッパ９から投入される配合剤投入部１０とが設けられている。投入機構８は、制御部１２により制御されて原料ゴムＧを混練室５に投入する。
この実施形態の混練装置１はさらに温度センサ１３を有している。温度センサ１３は混練室５に先端部を露出して設けられている。温度センサ１３は混練室５で混練されている混練物Ｒ（原料ゴムＧ）の温度を逐次検知し、その検知データは制御部１２に入力される。
ラム６に設置されている圧力センサ１４は、混練室５で混練物Ｒ（原料ゴムＧ）を混練している際にラム６に作用する圧力を逐次検知し、その検知データは制御部１２に入力される。混練室５内の混練物Ｒに作用する圧力が反作用としてラム６に作用するので、圧力センサ１４による検知データは混練室５内の混練物Ｒに付与される圧力となる。
制御部１２には電力計１２ａが付設されている。ロータ３の回転駆動に要した瞬時電力Ｐが電力計１２ａにより逐次検知され、その検知データは制御部１２に入力される。制御部１２では瞬時電力を積算した積算電力量が算出され、任意の混練期間おけるロータ３の回転駆動に要した電力量（ロータ３に作用する負荷）を把握することができる。制御部１２にはロータ３の回転数（回転速度）等も入力され、ロータ３の回転数やラム圧力Ｐ（ラム６の上下移動）等は制御部１２によって制御される。
それぞれのロータ３は、互いに平行配置された回転軸４ａと、回転軸４ａの外周面に突設された撹拌羽根４ｂとを有している。そして、互いのロータ３の外周面が噛み合うように配置された、いわゆる噛み合い式のロータ３になっている。それぞれのロータ３の外周面の仕様（外周面の形状など）は、混練物Ｒの種類等によって適宜設定される。
上述した位相データとは、それぞれのロータ３の回転角度（回転した位置）のデータである。それぞれのロータ３が１回転（３６０°回転）すると、図４に例示するように、ロータ３間上方の受入空間５ｂの容積Ｖ（実線で示す曲線Ｖ）およびロータ３間の上面視での隙間５ｃの面積Ｓ（破線で示す曲線Ｓ）が変動する。受入空間５ｂの容積Ｖおよび隙間５ｃの面積Ｓの変動は、それぞれのロータ３の１回転毎に繰り返されることになる。
受入空間５ｂは、ロータ３間の上方に位置していて、混練室５に投入された混練物Ｒが最初に配置される空間である。図２で例示するように、混練室５の上端開口５ａとそれぞれのロータ３の外周面とで囲まれたロータ３間上方の空間が受入空間５ｂとなる。
ロータ３間の上面視での隙間５ｃの面積Ｓとは、混練室５でのそれぞれのロータ３の外周面どうしに挟まれた上面視の面積である。図３ではこの隙間５ｃの面積Ｓが斜線部で例示されている。
この実施形態では図４に例示するように、それぞれのロータ３がある位置から９０°回転した時に受入空間５ｂの容積Ｖが最小値Ｖｎ（最小容積）になり、１８０°回転した時に受入空間５ｂの容積Ｖが最大値Ｖｘ（最大容積）になる。隙間５ｃの面積Ｓは、それぞれのロータ３がある位置から３０°回転した時に最大値Ｓｘ（最大面積）になり、１１０°回転した時に最小値Ｓｎ（最小面積）になる。それぞれのロータ３の回転により受入空間５ｂの容積Ｖが最大値Ｖｘになった時、隙間５ｃの面積Ｓは増加状態にあり、その後に最大面積になる。このような容積Ｖおよび面積Ｓの変動が、それぞれのロータ３が１／２回転（１８０°回転）毎に繰り返す。尚、受入空間５ｂの容積Ｖおよび隙間５ｃの面積Ｓの変動は、それぞれのロータ３の外周面の仕様によって異なるので、図４に例示したものに限らない。本発明は容積Ｖおよび面積Ｓが、図４に例示した以外の様々に変動する場合にも適用することができる。
それぞれのロータ３の仕様（外周面形状など）は既知なので、それぞれのロータ３の位相が判明すれば、任意の時点の受入空間５ｂの容積Ｖおよび隙間５ｃの面積Ｓを把握することができる。そこで、本発明では、一組のロータ３の回転による位相データを制御部１２に入力し、入力された位相データに基づいて制御部１２によって隙間５ｃの面積Ｓを逐次算出する。また、この実施形態では、入力された位相データに基づいて制御部１２によって受入空間５ｂの容積Ｖを逐次算出する。
位相データを取得する手段は特に限定されない。例えば、それぞれのロータ３の回転軸４ａの回転数（回転位置）を公知のセンサ等で検知し、この検知データに基づいて位相データを得る（算出）することができる。
以下、本発明のゴム材料の混練方法の一例を説明する。
図１に例示するように、原料ゴムＧと粉状の配合剤Ｎとを混練室５に投入して、混練物Ｒを混練する場合、ラム６をラム室６ａの上端部の待機位置に保持した状態で、予め設定された所定量の原料ゴムＧを、投入機構８を用いて混練室５に投入する。予め設定された種類の所定量の配合剤Ｎ（充填剤など）は、ホッパ９から配合剤投入部１０を通じて混練室５に投入する。また、油投入部７を通じてオイルを適宜、混練室５に投入する。
その後、図５に例示するようにラム６をラム室６ａの下方に移動させて上端開口５ａを塞いだ状態にする。この状態で、それぞれのロータ３を回転駆動して、ラム６の上下位置、ロータ３の回転数等を調整し、混練物Ｒの温度、ラム圧力Ｐ、電力量を検知しながら混練物Ｒを混練する。これにより、原料ゴムＧに配合剤Ｎを均等に分散させて、適度な粘度にした未加硫のゴム材料が製造される。製造された未加硫のゴム材料は、開口した排出扉１１から密閉型混練機２の外部に排出する。排出されたゴム材料は、次工程において、硫黄や加硫促進剤等の加硫系配合剤が所定割合で配合されて混練される。
本発明では混練物Ｒを混練する際に、回転している一組のロータ３の位相データを逐次検知して制御部１２に入力する。制御部１２は、入力された位相データに基づいてロータ３間の上面視での隙間５ｃの面積Ｓを逐次算出する。制御部１２には、圧力センサ１４により検知されたラム圧力Ｐが逐次入力されている。そこで、逐次算出した隙間５ｃの面積Ｓの大きさに基づいて、ラム６に作用するラム圧力Ｐ（圧力センサ１４による検知圧力）の大きさを制御部１２により調整しながら混練物Ｒを混練する。
図４には、調整されたラム圧力Ｐの変動が一点鎖線Ｐによって例示されている。図４に例示するように、逐次算出した隙間５ｃの面積Ｓが増加状態（図４の曲線Ｓが右上がりの状態）にある場合には、ラム６を下方移動させてラム圧力Ｐを増加させる調整を行う。一方、逐次算出した隙間５ｃの面積Ｓが減少状態（図４の曲線Ｓが右下がりの状態）にある場合には、ラム６を上方移動させてラム圧力Ｐを減少させる調整を行う。
このようにして、逐次算出した隙間５ｃの面積Ｓが大きいほどラム圧力Ｐを高くして、逐次算出した隙間５ｃの面積Ｓが小さいほどラム圧力Ｐを低くする制御を行う。これにより、逐次算出した隙間５ｃの面積Ｓが最大面積Ｓｘの時はラム圧力Ｐを最大にして、逐次算出した隙間５ｃの面積Ｓが最小面積Ｓｎの時はラム圧力Ｐを最小にする。
本発明によれば、位相データに基づいて制御部１２により一組のロータ３間の上面視での隙間５ｃの面積Ｓを逐次算出することで、この逐次算出された隙間５ｃの面積Ｓの大きさに基づいてラム圧力Ｐを適切に調整できる。これにより、隙間５ｃの面積Ｓが小さい時には、混練物Ｒに付与するラム圧力Ｐを小さくして、ロータ３間に混練物Ｒを通過させることができる。
したがって、狭くなったロータ３間で粉状の配合剤Ｎが過剰に圧縮されることが防止されて、粉状の配合剤Ｎが強固に固まった塊になることを抑制できる。これに伴い、粉状の配合剤Ｎをより均等に原料ゴムＧに分散させるには有利になる。
一方、隙間５ｃの面積Ｓが大きい時には、混練物Ｒに付与するラム圧力Ｐをより大きくして、ロータ３間に混練物Ｒを通過させることができる。そのため、ロータ３間で粉状の配合剤Ｎが過剰に圧縮されることなく、粉状の配合剤Ｎをより均等に原料ゴムＧに分散させる混練をより短時間で行うは有利になる。
狭くなったロータ３間に通過させる混練物Ｒに付与するラム圧力Ｐをより小さくすることで、回転駆動されるロータ３に作用する負荷を低減させることができるメリットもある。これに伴い、ロータ３の回転駆動に要する電力量を削減するには有利になる。
製造ラインで混練物Ｒを混練する前には試験練りを行って、ロータ３間を通過する粉状の配合剤Ｎが強固に固まった塊になることを防止できるラム圧力Ｐと、隙間５ｃの面積Ｓの大きさとの相関関係を把握しておくとよい。そして、混練物Ｒを混練して未加硫のゴム材料を量産する際には、把握したこの相関関係を用いて制御部１２によりラム圧力Ｐを調整することが望ましい。
一組のロータ３が噛み合い式の場合は、互いのロータ３間の隙間５ｃおよび互いのロータ３間上方の受入空間５ｂの容積Ｖの変動が比較的大きいので、本発明は特に有益である。ただし、一組のロータが非噛み合い式であっても、一組のロータの回転による位相によって、互いのロータ間の隙間および互いのロータ間上方の受入空間の容積の変動が比較的大きい場合は、本発明を適用することができる。
粉状のシリカは嵩密度が小さいため密閉型混練機２では過剰に圧縮され易く、また、過剰に圧縮されると強固に固まって壊れにくい塊になり易い。そのため、混練物Ｒに粉状の配合剤Ｎとしてシリカが含まれている場合は、本発明は特に有益である。
本発明は、予め素練された原料ゴムＧと配合剤Ｎとを一緒に投入して混練する場合にも適用できる。また、本発明は、原料ゴムＧに非加硫系配合剤Ｎが混練された混練物Ｒに、加硫系配合剤Ｎを混練する場合にも適用することができる。
図１～図５に例示した密閉型混練機と同様の装置を用いて、原料ゴムおよび所定量の粉状のシリカを一緒に混練室に投入して混練した。原料ゴムおよびシリカの混練物に付与するラム圧力の調整の有無のみを表１に示すように２通り（ケース１、２）に異ならせて、シリカの分散性、回転するロータに作用する負荷の大きさを確認した。ケース１は図４に例示したように、ロータ間の上面視での隙間の面積が増加状態にある場合にラム圧力を増加させ、この面積が減少状態にある場合にラム圧力を減少させる調整を行った。この面積が最大値の時にラム圧力を所定の最大値にした。ケース２は、ラム圧力の調整を行わずに常に所定の最大値に維持し続けた。
シリカの分散性は、混練した後で原料ゴム中での強固に固まって塊になったシリカの数を確認し、表１では、ケース１を基準の指数１００として指数評価した。指数の数値が小さい程、シリカの塊の数が少なく、シリカが均等に分散していて分散性に優れていることを示す。
ロータに作用する負荷の大きさは、表１では、ケース１を基準の指数１００として指数評価した。指数の数値が小さい程、負荷が小さいことを示す。
表１の結果から、ケース１はケース２に比して、シリカの分散性に優れていることが分かる。また、ケース１はケース２に比して、回転するロータに作用する負荷が小さくてエネルギの低減に有効であることが分かる。
１ 混練装置
２ 密閉型混練機
３ ロータ
４ａ 回転軸
４ｂ 撹拌羽根
５ 混練室
５ａ 上端開口
５ｂ 受入空間
５ｃ 隙間
６ ラム
６ａ ラム室
７ 油投入部
８ 投入機構
９ ホッパ
１０ 配合剤投入部
１１ 排出扉
１２ 制御部
１２ａ 電力計
１３ 温度センサ
１４ 圧力センサ
Ｇ 原料ゴム
Ｎ 配合剤
Ｒ 混練物
２ 密閉型混練機
３ ロータ
４ａ 回転軸
４ｂ 撹拌羽根
５ 混練室
５ａ 上端開口
５ｂ 受入空間
５ｃ 隙間
６ ラム
６ａ ラム室
７ 油投入部
８ 投入機構
９ ホッパ
１０ 配合剤投入部
１１ 排出扉
１２ 制御部
１２ａ 電力計
１３ 温度センサ
１４ 圧力センサ
Ｇ 原料ゴム
Ｎ 配合剤
Ｒ 混練物
Claims (6)
- 原料ゴムと粉状の配合剤とを含む混錬物を、混錬室の内部に配置された一組のロータと、前記混錬室の上方を上下移動して前記混錬室の上端開口を塞ぐことが可能なラムとを備えた密閉型混錬機を用いて混錬するゴム材料の混錬方法において、
前記一組のロータの回転による位相データを制御部に入力し、前記位相データに基づいて前記制御部により前記一組のロータ間の上面視での隙間の面積を逐次算出し、前記逐次算出した前記隙間の面積の大きさに基づいて、前記ラムに作用するラム圧力を前記制御部により調整しながら、前記混錬室に投入された前記混錬物を回転する前記一組のロータにより混錬し、前記逐次算出した前記隙間の面積が増加状態にある場合に前記ラム圧力を増加させ、前記逐次算出した前記隙間の面積が減少状態にある場合に前記ラム圧力を減少させる調整を行うことを特徴とするゴム材料の混錬方法。 - 前記一組のロータが、互いの外周面が噛み合うように配置された噛み合い式ロータである請求項１に記載のゴム材料の混錬方法。
- 前記配合剤に少なくともシリカが含まれる請求項１または２に記載のゴム材料の混錬方法。
- 原料ゴムと粉状の配合剤とを含む混錬物が投入される混錬室と、この混錬室の内部に配置された一組のロータと、前記混錬室の上方を上下移動して前記混錬室の上端開口を塞ぐことが可能なラムとを備えた密閉型混錬機を有するゴム材料の混錬装置において、
前記一組のロータの回転による位相データが入力される制御部と、前記ラムに作用するラム圧力を検知する圧力センサとを有し、前記位相データに基づいて前記制御部により前記一組のロータ間の上面視での隙間の面積が逐次算出されて、前記逐次算出された前記隙間の面積の大きさに基づいて、前記圧力センサにより検知されるラム圧力が前記制御部により調整されつつ、前記混錬室に投入された前記混錬物が回転する前記一組のロータにより混錬される構成にして、前記逐次算出した前記隙間の面積が増加状態にある場合に前記ラム圧力を増加させ、前記逐次算出した前記隙間の面積が減少状態にある場合に前記ラム圧力を減少させる調整を行う設定にしたことを特徴とするゴム材料の混錬装置。 - 前記一組のロータが、互いの外周面が噛み合うように配置された噛み合い式ロータである請求項４に記載のゴム材料の混錬装置。
- 前記配合剤として少なくともシリカが含まれている請求項４または５に記載のゴム材料の混錬装置。
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| JP2017128071A (ja) | 2016-01-22 | 2017-07-27 | 横浜ゴム株式会社 | ゴム材料の混練方法および装置 |
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| JP3062374B2 (ja) * | 1993-07-06 | 2000-07-10 | 株式会社神戸製鋼所 | バッチ式ミキサー |
-
2017
- 2017-11-20 JP JP2017223048A patent/JP6996248B2/ja active Active
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