JP2007113984A - ブローポイントの測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブローポイントの特定と同時に、サンプルゴムに歪み入力を与えて粘弾性特性を求めることができ、しかも、実際のゴム製品を製造する条件下でのブローポイントを高精度に推定することのできるブローポイント測定方法を提供する。
【解決手段】一定容積のキャビティ内に加圧・封入した板状のサンプルゴムを、その一方の面に回転剪断歪みを入力しながら加硫し、加硫中のサンプルゴムの圧縮応力と、前記回転剪断歪みによって他方の面から出力されるトルクと、前記サンプルゴムの加硫度とを経時的に測定し、前記トルクの時間変化を表すトルク曲線からゴムの粘弾性特性を求めるとともに、前記圧縮応力の時間変化を表す圧縮応力曲線が最初の極小値を経て極大値に達したときの加硫度をブローポイントとするブローポイントの測定方法において、前記サンプルゴムの一方の面に入力する前記剪断歪みの最大値を、0.01%〜0.1%とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ゴム材料のブローポイントを特定する方法に関し、特に、サンプルゴムに歪み入力を与えて粘弾性特性を求めると同時にブローポイントを特定することができ、しかも、実際の加硫工程におけるブローポイントを高精度に推定することができるものに関する。

ここでブローポイントとは、ゴム材料を加圧下で加硫する場合において、加硫を終了するために非加圧状態にした時点で、ゴム材料の内部に、加硫過程で発生する泡が存在しなくなるのに必要な最低限の加硫度、つまり限界加硫度を意味する。
また加硫度は、実験的には、アレニウスの式に従って

として表わされる反応状態を示す尺度であり、加硫温度(T) と加硫時間(t) との関数となる。

ゴム材料を加圧下で加硫するに際し、ゴム材料の特に中心部が一定加硫度に達しないまま、その加圧加硫を終了したときは、加硫後のそのゴム材料の中心部が発泡（ブローン）状態となることから、通常は、ゴム材料内でのそのような泡の存在を完全に防止すべく加硫度を決定している。従って、加硫時間を十分短くし、しかも泡が全く存在しない製品を製造するための適正加硫度の決定には、ゴム材料のブローポイントを特定することが極めて重要となる。

ところで、このブローポイントは、ゴム配合物の組成、練り方式、練り条件等によって大きく相違するので、ゴム材料の品質管理、ゴム組成物の開発等を行うに際しては、ブローポイントの特定作業を極めて頻繁に行うことなり、これを効率的に行うことが必要になるとともに、ブローポイントを、高い精度で特定することが要求される。

そこで出願人は、先に、特許文献１に示すブローポイント測定方法を提案した。このブローポイント測定方法は、一定容積のキャビティ内に加圧・封入した板状のサンプルゴムを、その一方の面に回転剪断歪み入力しながら加硫し、加硫中のサンプルゴムの圧縮応力と、前記回転剪断歪みによって他方の面から出力されるトルクと、前記サンプルゴムの加硫度とを経時的に測定し、前記トルクの時間変化を表すトルク曲線からゴムの粘弾性特性を求めるとともに、前記圧縮応力の時間変化を表す圧縮応力曲線が最初の極小値を経て極大値に達したときの加硫度をブローポイントとするものであり、これによれば、ブローポイントを容易に特定することができ、しかも、ブローポイントを特定する試験と、ゴムの粘弾性特性を求める試験とを同時に同じ装置で行うことができるので、非常に効率的な方法であった。

特開平９−２５１０２０号公報

しかしながら、上記の従来方法に基づいて特定したゴム材料のブローポイントと、そのゴム材料を用いて実際のゴム製品、例えば、自動車用タイヤや免震ゴム等を加硫する際加硫度ごとにそれらのゴム製品の中心部で泡（ブローン）が消えているか否かをチェックして求めたブローポイントとを比較した結果、これらのブローポイントの間にずれがあり、従来の方法によって、実際の加硫条件下でのブローポイントを精度良く推定することがむつかしいことが分かった。

発明者がその要因を鋭意調査した結果、従来の方法では、ゴムの粘弾性特性を求めるために入力する回転剪断歪みによって、サンプルゴムの弾性率が、剪断歪み入力のない実際の加硫条件下でのそれとは異なってしまい、この弾性率の差が、試験条件と実際の条件とにおける圧縮応力曲線のずれを生じさせ、これが、ブローポイントの差となって現れることを突き止めた。

その対応策の一つは、サンプルゴムの圧縮応力曲線からブローポイントを特定する際ゴムの粘弾性特性を同時に求めようとせず、これらの試験を別々に行うことであり、このようにすれば、回転剪断歪みがない条件下で圧縮応力を求めることができ、試験条件と実際の条件とでの弾性率の差がなくなるので、ブローポイントがずれることもなくなる。しかしながら、この場合、ブローポイントと粘弾性特性との測定を同時に行うことによって得られた効率性を犠牲にしてしまうことになり、好ましくない。

本発明は、このような経緯を経て考案されたものであり、ブローポイントの特定と同時に、サンプルゴムに歪み入力を与えて粘弾性特性を求めることができ、しかも、実際のゴム製品を製造する条件下でのブローポイントを高精度に推定することのできるブローポイント測定方法を提供することを目的とする。

＜１＞は、一定容積のキャビティ内に加圧・封入した板状のサンプルゴムを、その一方の面に回転剪断歪みを入力しながら加硫し、加硫中のサンプルゴムの圧縮応力と、前記回転剪断歪みによって他方の面から出力されるトルクと、前記サンプルゴムの加硫度とを経時的に測定し、前記トルクの時間変化を表すトルク曲線からゴムの粘弾性特性を求めるとともに、前記圧縮応力の時間変化を表す圧縮応力曲線が最初の極小値を経て極大値に達したときの加硫度をブローポイントとするブローポイントの測定方法において、
前記サンプルゴムの一方の面に入力する前記剪断歪みの最大値を、0.01%〜0.1%とすることを特徴とするブローポイントの測定方法である。

＜２＞は、＜１＞において、前記圧縮応力を、検出面がキャビティ面に表出するように配置された圧力センサで測定した圧力値とするブローポイントの測定方法である。

＜３＞は、＜１＞もしくは＜２＞において、前記加硫度を、加硫中のサンプルゴムの温度を経時的に測定し、測定した温度をアレニウスの式に代入して求めるブローポイントの測定方法である。

＜１＞によれば、サンプルゴムの一方の面に入力する前記剪断歪みの最大値を、0.01%〜0.1%とするので、入力する剪断歪みの大きさを小さく抑え、剪断歪みによってブローポイントの特定が実施の条件下のものとずれるのを防止することができる。

＜２＞によれば、圧縮応力を、検出面がキャビティ面に表出するように配置された圧力センサで測定するので、簡易にかつ高精度な検出を可能にすることができる。

＜３＞によれば、加硫中のサンプルゴムの温度を経時的に測定し、測定した温度をアレニウスの式に代入して加硫度を求めるので、加硫度の経時的測定を簡易に行うことができる。

本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。本発明は、一定容積のキャビティ内に加圧・封入した板状のサンプルゴムを、その一方の面に回転剪断歪み入力しながら加硫し、加硫中のサンプルゴムの圧縮応力と、前記回転剪断歪みによって他方の面から出力されるトルクと、前記サンプルゴムの加硫度とを経時的に測定し、前記トルクの時間変化を表すトルク曲線からゴムの粘弾性特性を求めるとともに、前記圧縮応力の時間変化を表す圧縮応力曲線が最初の極小値を経て極大値に達したときの加硫度をブローポイントとするブローポイントの測定方法に関するものであり、まず、この測定方法に用いる応力測定装置について説明する。

図１は、以上に述べたようにしてブローポイントを特定するに当って用いることができる、ゴム材料の応力測定装置の一例を示す要部縦断面図であり、図中１は上部ダイを、２は下部ダイをそれぞれ示す。ここで、上部ダイ１は、ダイホルダ３に取付けたリング状固定部材４と、このリング状固定部材４の中央部にシール材を介して配置した上部ダイ本体５とを主要構成部とし、この上部ダイ本体５は、装置をムーニー粘度測定装置として用いる場合は一方向に回転駆動できるものとし、レオメータとしても用いる場合は往復方向に回動駆動できるものとする。

また下部ダイ２は、ダイホルダ６に取付けたリング状固定部材７と、このリング状固定部材７の中央部にシール材を介して配置した下部ダイ本体８とを主要構成部とする。ここで、下部ダイ本体８は、装置をムーニー粘度測定装置またはレオメータとしても用いる場合は応力検出部としても機能する。

図に示すところでは、下部ダイ本体８にかかる機能をも発揮させるべく、ダイホルダ６を、剛性フレーム９に強固に固定した状態の下で、下部ダイ本体８に断熱材10を介して連結した軸部材11の下端部にトルクアーム12の一端部を締付け固定するとともに、水平に延びるそのトルクアーム12の他端部を、ダイホルダ６にブラケット13によって連結されて水平面内に位置し、上下方向には変形するも、捩りトルクに対しては変形しない支持板14に、他のブラケット15を介して連結し、そして、そのトルクアーム12の中間部にトルクセンサ16を配設する。

このことによれば、上下の両ダイ１，２間に画成される一定容積のキャビティ17内に加圧下で封じ込められたサンプルゴム18に対し、たとえば、上下の両ダイ１，２の加熱状態で、上部ダイ本体５によって、回転もしくは往復回動トルクを加えて歪みを入力した場合に、そのサンプルゴム18の物性に応じたトルクが、下部ダイ本体８および軸部材11を経てトルクアーム12に伝達され、そこで、トルクセンサ16によって検出されることになる。

なおこの場合において、下部ダイ本体８、ひいては、軸部材11が上下方向の変位を受けることがあっても、その変位は、支持板14の変形によって吸収されるので、その上下方向変位がトルクの検出に影響を及ぼすことはない。

上下のダイ１，２のこのような構成の下で、ここでは、キャビティ17内に加圧下で封入したサンプルゴム18を、上下のそれぞれのダイ１，２に埋込み配置したヒータ19, 20によって加熱して加硫する場合の、そのサンプルゴム18の圧縮応力の変化を測定すべく、いずれか一方のダイ本体、図では下部ダイ本体８の、キャビティ17の画成に寄与する平坦面内に先端面を有する圧力センサ21をその下部ダイ本体８内に配設し、この圧力センサ21を、剛性フレーム９に連結されて、軸部材11および断熱材10に貫通するバックアップロッド22によって剛固に支持する。

ここにおける圧力センサ21はたとえば、内径が３〜６mmで、深さが10mm程度の筒体内に水銀を充填するとともにその筒体の開口を0.1mm 前後の厚さのＳＵＳ材シートで封止したものを用いることきができ、かかる圧力センサ21によれば、水銀圧力がバックアップロッド22の剛固な支持の下で、キャビティ内のサンプルゴム18の内圧に対応して直接的に変化するので、その水銀圧力を、水銀溜り下に設けられた導管を介して、その下に取付けられたロードセルに作用させて電気的に変換することで、サンプルゴム内圧、ひいては、それの圧縮応力を高い精度で求めることができる。

従って、この圧力センサ21をもって、加硫中のサンプルゴム18の圧縮応力を経時的に測定することにより、圧縮応力曲線を十分正確に求めることができ、その圧縮応力曲線が、極大値に達したときの加硫度を算出することで、ブローポイントを、簡易迅速に、かつ高い精度で特定することができる。

なお、図に示すところからは明らかではないが、上下のダイ１，２のいずれか一方には、加硫度の算出に必須となる加硫温度(T) の検知のための温度センサ、好ましくは、サンプルゴム18の内部温度を検知する温度センサを設けることはもちろんである。

ところで、ここにおける圧力センサとしては、ダイヤフラムを用いることもでき、そのダイヤフラムの変形力をロードセルにて検出することによって、サンプルゴムの圧縮応力を求めることも可能である。

図２は測定装置の他の例を示す図であり、これは、軸部材11をラジアル軸受け23、24によって支持するとともに、その下端に、スラスト軸受25を介して、荷重計もしくはひずみ計とすることができる重量センサ26を配設したものである。ここで、重量センサ26の下端は剛性フレーム９によって剛固に支持される。

かかる構成によれば、重量センサ26にて検出される重量が、キャビティ17内のサンプルゴム内圧、ひいては、サンプルゴム18の圧縮応力に応じて変化するので、それを求めることで、圧縮応力曲線を得ることができ、従って、この場合もまた、圧縮応力曲線が極大値に達したときの加硫度を算出することによって、ブローポイントを簡易迅速に、かつ十分正確に特定することができる。

図３は、例えば、図１の応力測定装置を用い、サンプルゴムについて経時的に測定する各測定項目の時間変化の典型例を表すグラフであり、曲線Ａはキャビティ内サンプルゴムの圧縮応力の時間的変化を、曲線Ｂはそのサンプルゴムの加硫度の時間的変化を、そして曲線Ｃは、サンプルゴムの回転剪断歪みに対する伝達トルクの時間的変化をそれぞれ示す。

対をなすダイにて画成される一定容積のキャビティ内に加圧下で封入したサンプルゴムを、それぞれのダイの加熱によって加硫させたとき、その加硫の開始初期には、ゴムの流動化によってサンプルゴムは柔らかくなってゆき、キャビティ内の圧力、すなわち、サンプルゴムの圧縮応力は減少するが、時間の経過とともにサンプルゴム中の配合剤や水分のガス化が生じ、そして発生したガスが泡となりそのガス圧力が、温度の上昇に伴って次第に上昇することに起因して、サンプルゴムの圧縮応力は上昇に転じるので、圧縮応力曲線は点Ｅで極小値をとる。さらに、加硫反応が進行して架橋密度が大きくなると、それらの泡は、架橋構造によって徐々に抑え込まれ、ついには、目視にては検知できないほどに縮小し、または消失し、このとき、泡による圧力上昇よりサンプルゴムの密度上昇に伴う圧力低下の方が勝り、圧縮応力曲線は点Ｄで極大値をとり、以降再び漸減にしてゆく。

このような考察にもとづき、圧縮応力曲線が最初の極小値を経て極大値に達したときの加硫度をブローポイントとする方法がすでに考案されていたが、剪断歪みの入力下でこの方法を用いて試験した場合には、実際の加硫条件でのブローポイントを精度よく推定できないことがわかったため、剪断歪み入力を0.01〜0.1%に限定するところに本発明の特徴がある。

剪断歪み入力を0.01%以上としたのは、これを0.01%未満とした場合には、歪み入力が小さすぎて実際上安定したトルク出力が得られずゴムの粘弾性測定ができなくなってしまうからである。また、これを0.1%以下としたのは、これを越えると、以下の実験から明らかなように試験条件の弾性率が実際の加硫条件での弾性率と大きくずれてしまい、このことに起因して、本試験条件で特定したブローポイントが、実際の加硫条件でのブローポイントとずれてしまうからである。

この実験は、上部ダイ１からサンプルゴム18に入力する剪断歪みを、表１に示した4段階のレベルで変化させ、そのときのブローポイントと弾性率とを求めル実験を行った。表１はその結果を示す。

表１において、（）内は、JIS K6301に従って測定した結果を示し、他の測定データは、図１に例示した測定装置を用いて先に説明した方法にもとづいて得た値、すなわち、弾性率は、入力した歪みと出力されたトルクとの比率から求め、ブローポイントの値は、圧縮応力曲線Ａにおける極大値を与える点Ｄにおける加硫度として求めたものである。ただし、ダイを加熱する際の設定温度を145℃として実験を行った。

なお、表中の指数は、対応する測定値を、入力剪断歪みが0%のときの値を100とした指数である。また、圧縮応力の測定に際しては、これを圧力センサ21により検出し、ブローポイントの値の基礎となる加硫度の測定は、温度計による測定したゴム温度をアレニウスの式に代入して求めた。

本発明は種々のゴム材料のブローポイントを測定するのに用いることができる。

発明装置の一の実施形態を示す、要部略線縦断面図である。 他の実施形態を示す図２と同様の縦断面図である。 圧縮応力、加硫度および伝達トルクの、時間に対する変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 上部ダイ
２ 下部ダイ
３、６ ダイホルダ
４、７ リング状固定部材
５ 上部ダイ本体
８ 下部ダイ本体
９ 剛性フレーム
10 断熱材
11 軸部材
12 トルクアーム
16 トルクセンサ
17 キャビティ
18 サンプルゴム
19、20 ヒータ
21 圧力センサ
22 バックアップロッド
23、 24 ラジアル軸受け
25 スラスト軸受け
26 重量センサ

Claims (3)

1. 一定容積のキャビティ内に加圧・封入した板状のサンプルゴムを、その一方の面に回転剪断歪みを入力しながら加硫し、加硫中のサンプルゴムの圧縮応力と、前記回転剪断歪みによって他方の面から出力されるトルクと、前記サンプルゴムの加硫度とを経時的に測定し、前記トルクの時間変化を表すトルク曲線からゴムの粘弾性特性を求めるとともに、前記圧縮応力の時間変化を表す圧縮応力曲線が最初の極小値を経て極大値に達したときの加硫度をブローポイントとするブローポイントの測定方法において、
   前記サンプルゴムの一方の面に入力する前記剪断歪みの最大値を、0.01%〜0.1%とすることを特徴とするブローポイントの測定方法。
2. 前記圧縮応力を、検出面がキャビティ面に表出するように配置された圧力センサで測定した圧力値とする請求項１に記載のブローポイントの測定方法。
3. 前記加硫度を、加硫中のサンプルゴムの温度を経時的に測定し、測定した温度をアレニウスの式に代入して求める請求項１もしくは２に記載のブローポイントの測定方法。

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