CN108995069B - 混炼装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混炼装置，其课题在于通过直接测定混炼材料的物性，得到与材料状态相关的数据，并将其应用于混炼质量的稳定化。本发明的混炼装置将分散质分散于高分子材料中，该混炼装置具有：分散度检测部(10c)，检测分散质在高分子材料中的分散度；及运行控制部(10a)，根据分散度检测部(10c)所检测出的分散度，控制对高分子材料进行混炼的转子的转速、施加于高分子材料的加压力及高分子材料的温度中的至少一个。

Description

混炼装置

本申请主张基于2017年6月6日申请的日本专利申请第2017-111684号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种使具有导电性的分散质分散于高分子材料中的混炼装置。

背景技术

作为将塑料、橡胶等粘稠的材料进行混炼的装置，已知有密封式混炼机。例如，专利文献1中记载有一种密封式混炼机，其具备容纳混炼材料的外壳、封闭该外壳的上部的加压盖及安装于外壳内的一对转子。

专利文献1：日本专利第3574618号说明书

在使用密封式混炼机进行混炼时，为了确保搅拌的再现性，将混炼时间、混炼材料的温度、累积电力及它们的组合到达规定的值作为结束混炼的条件的情况较多。但是，混炼时间、混炼材料的温度及累积电力并不是直接表示材料状态的数据，而是间接的数据。例如，外壳内的材料的位置会改变施加于转子的负载。其结果，有时会产生驱动转子的累积电力和实际的材料状态并不相关的情况。即，基于累积电力等间接数据的控制难以使混炼的质量稳定。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，通过直接测定混炼材料的物性，得到与材料状态相关的数据，并将其应用于混炼质量的稳定化。

〔结构1〕

为了实现上述目的，混炼装置的特征性结构如下。

即，一种混炼装置，其将分散质分散于高分子材料中，该混炼装置具有：

分散度检测部，检测所述分散质在所述高分子材料中的分散度；及

运行控制部，根据所述分散度检测部所检测出的所述分散度，控制对所述高分子材料进行混炼的转子的转速、施加于所述高分子材料的加压力及所述高分子材料的温度中的至少一个。

根据上述特征性结构，由分散度检测部检测出分散度，由运行控制部根据检测出的分散度控制混炼装置，因此能够通过直接测定混炼材料的物性，检测出分散度，从而使混炼的质量稳定化。通过直接测定混炼材料的物性，例如测定混炼材料的电阻值(或者电流)或观测混炼材料的表面状态等来进行分散度的检测。

〔结构2〕

本发明所涉及的混炼装置的另一特征性结构如下。

即，所述运行控制部根据所述分散度检测部所检测出的分散度与分散度的目标值之差，反馈控制对所述高分子材料进行混炼的转子的转速、施加于所述高分子材料的加压力及所述高分子材料的温度中的至少一个。

根据上述特征性结构，混炼装置根据检测出的分散度与分散度的目标值之差进行反馈控制，因此混炼装置以使分散度接近目标值的方式得到控制，混炼的质量得到进一步提高。

〔结构3〕

本发明所涉及的混炼装置的另一特征性结构如下。

即，所述运行控制部在所述分散度检测部所检测出的分散度达到了规定的阈值之后或者所述分散度检测部所检测出的分散度的时间变化率成为了规定的阈值以下之后，结束混炼或者开始下一个混炼工序。

根据上述特征性结构，根据检测出的分散度或其时间变化率来结束混炼，因此能够在更加恰当的时间结束混炼或者开始下一个混炼工序，混炼的质量得到进一步提高。下一个混炼工序是指，与进行至此的混炼不同的工序的混炼，例如为条件(温度、速度等)不同的混炼工序或追加材料后进行的混炼工序等。

附图说明

图1是表示混炼装置的概略结构的俯视图。

图2是表示混炼装置的概略结构的剖视图。

图3是表示混炼装置的概略结构的框图。

图4是表示在混炼装置中进行的处理的概要的流程图。

图5是表示在混炼装置中进行的处理的概要的流程图。

图6是表示在混炼装置中进行的处理的概要的流程图。

图7是表示在混炼装置中进行的处理的概要的流程图。

图中：1-混炼装置，2-外壳，2a-底部，2b-圆筒状部，2c-侧壁部，2d-盖部，3-转子，3a-轴部，3b-叶片部，3c-调温流路，4-电极部，10-控制装置，10a-运行控制部，10b-电压施加部，10c-分散度检测部，20-转子驱动机构，30-盖部移动机构，40-温度调节机构，R-旋转轴。

具体实施方式

＜第1实施方式＞

以下，参考图1～图3对本实施方式所涉及的混炼装置1进行说明。在本实施方式中，对根据所测定的电极部4的电流进行分散度的检测的例子进行说明。

如图1及图2所示，混炼装置1具备：外壳2，在其内部容纳高分子材料与分散质；一对转子3，配置于外壳2的内部；及电极部4，配置于外壳2。而且，如图3所示，混炼装置1还具备控制装置10、转子驱动机构20、盖部移动机构30及温度调节机构40。另外，以下，有时将外壳2内部的高分子材料与分散质统称为“混炼材料”或者“材料”。

外壳2是在内部容纳高分子材料与分散质并进行混炼的槽状部件。外壳2的内部呈将中心轴彼此平行的一对圆柱配置成其一部分侧面彼此重叠的状态的形状。而且，一对转子3以其中心轴与圆柱的中心轴一致并且能够旋转的方式配置于外壳2的内部。

外壳2构成为具有底部2a、圆筒状部2b、侧壁部2c及盖部2d。底部2a是外壳2的底部部位。圆筒状部2b是外壳2的覆盖一对转子3的周围的部位。侧壁部2c是以与转子3的旋转轴R正交的方式配置的外壳2的侧壁。盖部2d是外壳2的盖子的部位。

盖部2d以通过盖部移动机构30(省略图示)的驱动而能够上下移动的状态配置于外壳2。在将盖部2d移动至上方而开放外壳2的上部的状态下，向外壳2投入混炼材料(高分子材料与分散质)。之后，使盖部2d向下方移动，从上方对所投入的混炼材料进行加压，并且使转子3旋转从而对混炼材料进行混炼。具体而言，盖部移动机构30构成为具有电动马达、气缸等致动器。

转子3具有轴部3a及以螺旋状形成在轴部3a的表面上的叶片部3b。叶片部3b从轴部3a的两侧端部朝向另一端侧形成至轴部3a的大致中央为止。而且，叶片部3b采用在彼此对置的一对转子3之间叶片部3b彼此不重叠的切线方式。转子3通过转子驱动机构20(省略图示)的驱动绕旋转轴R进行转动。具体而言，转子驱动机构20构成为具有电动马达。

转子3在其内部具有调温流路3c。调温流路3c是使冷却水在内部流通的流路，其形成于转子3的轴部3a及叶片部3b的内部。调温流路3c连接于温度调节机构40(省略图示)，温度调节机构40向调温流路3c供给冷却水。在利用混炼装置1对混炼材料进行混炼时，混炼材料会在剪切或变形等的作用下发热，但是，由于转子3被流过上述调温流路3c的冷却水冷却，因而与转子3接触的混炼材料得到冷却。即，通过温度调节机构40来控制转子3的温度及混炼材料的温度。具体而言，温度调节机构40构成为具有向调温流路3c输送冷却水的电动泵。

电极部4配置于外壳2，并与外壳2内部的混炼材料接触。电极部4构成为具有一对电极。电极部4连接于控制装置10，控制装置10的电压施加部10b向电极部4施加规定的测定用电压。而且，控制装置10的分散度检测部10c测定电极部4的一对电极之间的电流，从而检测分散质在高分子材料中的分散度(以下，有时简称为“分散度”)。

电极部4配置于外壳2的底部2a、圆筒状部2b、侧壁部2c及盖部2d中的至少一处。例如，如图1及图2所示，电极部4可以配置于外壳2的底部2a、圆筒状部2b、侧壁部2c及盖部2d，也可以配置于这些部位中的1个部位。

控制装置10是控制混炼装置1的整体动作的装置。在本实施方式中，控制装置10构成为具有运行控制部10a、电压施加部10b及分散度检测部10c。具体而言，控制装置10构成为具有HDD(Hard Disk Drive/硬盘驱动器)或不挥发性RAM(Random Access Memory/随机存取存储器)等存储设备、CPU(Central Processing Unit/中央处理器)、用于向电极部4施加电压的电源装置、用于测定流于电极部4的一对电极之间的电流的测定装置等。而且，控制装置10与电极部4、转子驱动机构20、盖部移动机构30及温度调节机构40连接，进行电流测定及各个机构的控制。

运行控制部10a根据后述的由分散度检测部10c检测出的分散度，控制混炼装置1的动作。具体而言，运行控制部10a控制转子驱动机构20，从而控制转子3的转速。并且，运行控制部10a控制盖部移动机构30，从而控制盖部2d按压外壳2内部的混炼材料的加压力。并且，运行控制部10a控制温度调节机构40，从而控制外壳2内部的混炼材料的温度。

详细而言，运行控制部10a在分散度检测部10c所检测出的分散度到达规定的阈值之后，控制转子驱动机构20使转子3停止，从而结束混炼动作。

并且，运行控制部10a根据分散度检测部10c所检测出的分散度与分散度的目标值之差，控制混炼装置1的动作。分散度的目标值例如为混炼期间的各个时刻的分散度的目标值。例如，在某一时刻t检测出的分散度低于该时刻t的分散度的目标值的情况下，为了使分散度更大幅地增加，例如增加转子的转速。例如，在某一时刻t检测出的分散度大于该时刻t的分散度的目标值的情况下，为了抑制分散度的增加，例如减少转子的转速。即，运行控制部10a根据检测出的分散度与分散度的目标值之差，对混炼装置1的动作进行反馈控制。

以下，参考图4的流程图对在混炼装置1中进行的基于分散度的控制进行说明。图4是表示从混炼动作开始至结束为止的控制的流程图。

在步骤S101中，开始运行混炼装置1。运行控制部10a控制转子驱动机构20而使转子3旋转。运行控制部10a控制盖部移动机构30而对盖部2d施力，使其按压外壳2内部的混炼材料。运行控制部10a控制温度调节机构40而使冷却水流向转子3的调温流路3c。之后，进入步骤S102。

在步骤S102中，开始对混炼装置1的动作进行监控。例如，开始监控转子驱动机构20中的消耗电力及混炼材料的温度。之后，进入步骤S103。

在步骤S103中，执行反馈控制。关于反馈控制的内容将后述。之后，进入步骤S104。

在步骤S104中，检测分散度C。具体而言，由电压施加部10b向电极部4施加测定用电压，由分散度检测部10c测定流于电极部4的电流从而检测分散度。之后，进入步骤S105。

在步骤S105中，对在步骤S104中检测出的分散度C的大小与判定阈值A的大小进行比较。当分散度C为判定阈值A以上时(步骤S105中“是”)，进入步骤S106。当分散度C小于判定阈值A时(步骤S105中“否”)，进入步骤S103。

在步骤S106中，对持续时间D进行加法运算。详细而言，对持续时间D加上规定的值。

在步骤S107中，对在步骤S106中进行了加法运算后的持续时间D的大小与时间阈值B的大小进行比较。当持续时间D为时间阈值B以上时(步骤S107中“是”)，进入步骤S108。当持续时间D小于时间阈值B时(步骤S107中“否”)，进入步骤S103。

在步骤S108中，结束混炼动作。具体而言，运行控制部10a控制转子驱动机构20而使转子3停止。运行控制部10a控制盖部移动机构30而停止盖部2d对混炼材料的按压。运行控制部10a控制温度调节机构40而停止冷却水流向转子3的调温流路3c。

接着，对在混炼装置1中进行的反馈控制进行说明。图5是基于检测出的分散度进行反馈控制的流程图。

在步骤S201中，检测在时刻t的分散度C。具体而言，由电压施加部10b向电极部4施加测定用电压，由分散度检测部10c测定流于电极部4的电流，从而检测分散度。之后，进入步骤S202。

在步骤S202中，对在步骤S201中检测出的在时刻t的分散度C的大小与目标值E的大小进行比较。目标值E是时刻t的分散度的目标值。当分散度C为目标值E以上时(步骤S202中“是”)，进入步骤S204。当分散度C小于目标值E时(步骤S202中“否”)，进入步骤S203。

在步骤S203中，增加转子3的转速。具体而言，运行控制部10a控制转子驱动机构20而增加转子3的转速。之后，进入步骤S201。

在步骤S204中，对在步骤S201中检测出的时刻t的分散度C的大小与目标值E的大小进行比较。当分散度C为目标值E以下时(步骤S204中“是”)，结束反馈控制的处理。当分散度C大于目标值E时(步骤S204中“否”)，进入步骤S205。

在步骤S205中，减少转子3的转速。具体而言，运行控制部10a控制转子驱动机构20而减少转子3的转速。之后，进入步骤S201。

电压施加部10b向电极部4所具有的一对电极之间施加规定的测定用电压。规定的测定用电压例如为预先设定的恒定的电压(例如3V、8V或25V)。

例如，电压施加部10b可以根据分散度检测部10c所测定的电极部4的电流的大小而改变规定的测定用电压。例如，也可以使分散度检测部10c改变测定用电压，以使流过电极部4的电流成为适于测定的大小。

在将具有导电性的分散质(例如，碳)分散于高分子材料(例如，丙烯酸酯橡胶)中的情况下，混炼材料的电阻值会增大到50GΩ左右。因此，测定用电压优选为3V以上，更优选为8V以上，进一步优选为25V以上。并且，测定用电压优选为1000V以下。

可以构成为电压施加部10b根据分散度检测部10c所检测出的分散度而改变测定用电压。在将具有导电性的分散质(例如，碳)分散于高分子材料(例如，丙烯酸酯橡胶)中的情况下，随着混炼的进行分散度会上升，导致混炼材料的电阻也会随之增加。因此，例如，电压施加部10b优选构成为使测定用电压随着分散度的增加而增加。

电压施加部10b构成为在盖部2d未在规定的位置上时不向电极部4施加测定用电压。规定的位置例如为盖部2d下降而关闭外壳2的位置。具体而言，电压施加部10b利用盖部移动机构30来检测出盖部2d的位置，并在盖部2d位于比规定的高度(外壳2被关闭的高度)更靠上方位置时，不向电极部4施加测定用电压。

电压施加部10b构成为在转子3不旋转时不向电极部4施加测定用电压。具体而言，电压施加部10b监控运行控制部10a或转子驱动机构20而检测出转子3是否旋转，并在转子3未进行旋转时，不向电极部4施加测定用电压。

分散度检测部10c测定流于电极部4的一对电极之间的电流，并根据测定出的电流检测出分散质在高分子材料中的分散度。在将具有导电性的分散质(例如，碳)分散于高分子材料(例如，丙烯酸酯橡胶)中的情况下，随着混炼的进行分散度会上升，导致混炼材料的电阻也会随之增加。因此，通过测定流于电极部4的电流，能够检测出分散度。

分散度是指分散质在高分子材料中的分散程度，例如其可以为数值，也可以为百分比，还可以为阶段性的指标(例如，分散度低、分散度中、分散度高)。

例如，可以将测定出的电流值直接作为分散度。若将电压施加部10b施加于电极部4的测定用电压设为在混炼期间中恒定，则能够将测定出的电流值作为分散度(表示分散度的指标)。

例如，也可以用测定出的电流值除以此时的测定用电压来计算出电阻值，并将该电阻值作为分散度。

分散度检测部10c也可以构成为根据在电极部4测定的电流与分散度之间的关系计算出外壳2内部的分散质在高分子材料中的分散度。电流与分散度之间的关系例如可以由数式来表示，也可以以记载有对应的数值的表格的形式来表示。关系例如可以通过如下方式确定，即，使用各种分散度的材料测定电流，并且调查电流与分散度之间的关系。例如，也可以将混炼开始时的电流值(或电阻值)设为零且将判断混炼结束的电流值(或电阻值)设为100，并且通过比例计算来计算出与测定出的电流值(或电阻值)相对应的分散度。

分散度检测部10c还可以构成为从测定出的电流值中去掉不在规定范围内的值后检测分散度。例如，分散度检测部10c可以构成为，将规定范围设为电极部4的一对电极均与混炼材料接触的情况下的电流值的±30％以内，并从测定出的电流值去除不在该规定范围内的值(电流值)后检测分散度。

并且，也可以构成为对测定出的电流值中的规定范围内的值进行平均化处理从而检测分散度。例如，分散度检测部10c可以构成为，将规定范围设为电极部4的一对电极均与混炼材料接触的情况下的电流值的±20％以内，并对该规定范围内的值进行平均化处理(例如10期数移动平均)而检测分散度。

＜第2实施方式＞

在上述实施方式中，运行控制部10a在分散度检测部10c所检测出的分散度达到规定的阈值之后，控制转子驱动机构20以使转子3停止，从而结束混炼动作。关于混炼动作的结束，也可以采用如下各种方式。运行控制部10a在分散度检测部10c所检测出的分散度的时间变化率成为了规定的阈值以下之后，控制转子驱动机构20以使转子3停止，从而结束混炼动作。

以下，参考图6的流程图对在混炼装置1中进行的基于分散度的控制进行说明。图6是表示从混炼动作开始至结束为止的控制的流程图。

在步骤S301中，开始运行混炼装置1。运行控制部10a控制转子驱动机构20而使转子3旋转。运行控制部10a控制盖部移动机构30而对盖部2d施力，使其按压外壳2内部的混炼材料。运行控制部10a控制温度调节机构40而使冷却水流向转子3的调温流路3c。之后，进入步骤S302。

在步骤S302中，开始对混炼装置1的动作进行监控。例如，开始监控转子驱动机构20中的消耗电力及混炼材料的温度。之后，进入步骤S303。

在步骤S303中，执行反馈控制。之后，进入步骤S304。

在步骤S304中，检测分散度C。具体而言，由电压施加部10b向电极部4施加测定用电压，由分散度检测部10c测定流于电极部4的电流从而检测分散度。之后，进入步骤S305。

在步骤S305中，对在步骤S304中检测出的分散度C的时间导数Cd(分散度C的时间变化率)的大小与判定阈值A的大小进行比较。当时间导数Cd为判定阈值A以下时(步骤S305中“是”)，进入步骤S306。当时间导数Cd大于判定阈值A时(步骤S305中“否”)，进入步骤S303。

在步骤S306中，对持续时间D进行加法运算。详细而言，对持续时间D加上规定的值。

在步骤S307中，对在步骤S306中进行了加法运算后的持续时间D的大小与时间阈值B的大小进行比较。当持续时间D为时间阈值B以上使(步骤S307中“是”)，进入步骤S308。当持续时间D小于时间阈值B时(步骤S307中“否”)，进入步骤S303。

在步骤S308中，结束混炼动作。具体而言，运行控制部10a控制转子驱动机构20而使转子3停止。运行控制部10a控制盖部移动机构30而停止盖部2d对混炼材料的按压。运行控制部10a控制温度调节机构40而停止冷却水流向转子3的调温流路3c。

＜第3实施方式＞

在上述实施方式中，在反馈控制中对转子3的转速进行了增减。在本实施方式中，在反馈控制中，根据检测出的分散度，进行对转子3的转速的控制、对混炼材料的加压力的控制及对混炼材料的温度的控制。

下面，根据图7对本实施方式所涉及的反馈控制进行说明。图7是基于检测出的分散度进行反馈控制的流程图。

在步骤S401中，检测在时刻t的分散度C。具体而言，由电压施加部10b向电极部4施加测定用电压，由分散度检测部10c测定流于电极部4的电流，从而检测分散度。之后，进入步骤S402。

在步骤S402中，对在步骤S401中检测出的在时刻t的分散度C的大小与目标值E的大小进行比较。目标值E是时刻t的分散度的目标值。当分散度C为目标值E以上时(步骤S402中“是”)，结束反馈控制。当分散度C小于目标值E时(步骤S402中“否”)，进入步骤S403。

在步骤S403中，对温度检测值F与时刻t的温度的目标值G进行比较。温度检测值F是由设置于外壳2的内部的温度传感器检测出的混炼材料的温度。当温度检测值F为目标值G以下时(步骤S403中“是”)，进入步骤S405。当温度检测值F大于目标值G时(步骤S403中“否”)，进入步骤S404。

在步骤S404中，减少转子3的转速，并增加冷却水量。具体而言，运行控制部10a控制转子驱动机构20而减少转子3的转速。运行控制部10a控制温度调节机构40而使流向调温流路3c的冷却水的流量增加。之后，进入步骤S401。

在步骤S405中，增加盖部2d对混炼材料的加压力，并增加转子3的转速。具体而言，运行控制部10a控制盖部移动机构30而使盖部2d对混炼材料的加压力增加。运行控制部10a控制转子驱动机构20而使转子3的转速增加。

＜其他实施方式＞

＜1＞在上述实施方式中，对根据所测定的电极部4的电流进行分散度的检测的例子进行了说明。分散度的检测也可以利用其他方法来进行。例如，可以在外壳2上设置使电磁波(光)透过的透射窗，利用白色LED等灯向外壳2内部的混炼材料照射电磁波(光)，并观测来自混炼材料的电磁波(光)，从而检测分散度。具体而言，利用照相机拍摄外壳2内部的混炼材料的表面，观测所拍摄图像中出现的混炼材料的表面的凸部(分散质)，从而检测分散度。

＜2＞在上述实施方式中，关于混炼材料的温度控制，对在外壳2的内部设置温度传感器而测定混炼材料的温度并通过温度调节机构40调节流过转子3的调温流路3c的冷却水流量的例子进行了说明。关于温度测定，也可以采用测定转子3的温度的方式、测定外壳2的温度的方式及测定混炼装置1的温度的方式。关于温度控制，也可以采用使温水流过调温流路3c而对转子3进行加热的方式。还可以将供冷却水(或温水)流通的调温流路设置在外壳2或混炼装置1的其他部位。另外，也可以采用通过控制混炼装置1的温度来控制混炼材料的温度的方式。

＜3＞在上述实施方式中，运行控制部10a构成为，在分散度检测部10c所检测出的分散度达到规定的阈值之后，或者在分散度检测部10c所检测出的分散度的时间变化率成为规定的阈值以下之后，控制转子驱动机构20而使转子3停止，从而结束混炼动作。运行控制部10a也可以构成为，不结束混炼动作而开始下一个混炼工序。下一个混炼工序是指，与进行至此的混炼不同的工序的混炼，例如为条件(温度、速度等)不同的混炼工序或追加材料后进行的混炼工序等。

另外，对在上述实施方式(包括其他实施方式，以下相同)中公开的结构而言，只要不产生矛盾，则能够与其他实施方式中公开的结构组合使用。并且，在本说明书中公开的实施方式只是例示，本发明的实施方式并不限定于此，在不脱离本发明的目的的范围内能够进行适当改变。

Claims (6)

1.一种混炼装置，其将分散质分散于高分子材料中，该混炼装置的特征在于，具有：

分散度检测部，直到结束混炼动作之前多次检测所述分散质在所述高分子材料中的分散度；及

运行控制部，根据所述分散度检测部所检测出的所述分散度，控制对所述高分子材料进行混炼的转子的转速、施加于所述高分子材料的加压力及所述高分子材料的温度中的至少一个，

所述混炼装置还具备电压施加部，所述电压施加部向电极部施加测定用电压，

所述分散度检测部从由所述电压施加部施加电压的电极部的电极之间流过的电流检测出所述分散度，

所述电压施加部根据所述分散度检测部所检测出的所述分散度改变所述测定用电压。

2.根据权利要求1所述的混炼装置，其特征在于，

所述运行控制部根据所述分散度检测部所检测出的分散度与分散度的目标值之差，反馈控制对所述高分子材料进行混炼的转子的转速、施加于所述高分子材料的加压力及所述高分子材料的温度中的至少一个。

3.根据权利要求1或2所述的混炼装置，其特征在于，

所述运行控制部在所述分散度检测部所检测出的分散度达到了规定的阈值之后或者在所述分散度检测部所检测出的分散度的时间变化率成为了规定的阈值以下之后，结束混炼或者开始下一个混炼工序。

4.根据权利要求1所述的混炼装置，其特征在于，

当分散度低于规定值时，运行控制部使转子的转速增加。

5.根据权利要求1所述的混炼装置，其特征在于，

当分散度低于规定值时，运行控制部使加压力增加。

6.根据权利要求1所述的混炼装置，其特征在于，

当分散度低于规定值时，运行控制部使温度降低。

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