JP2007203616A - シリカ配合ゴム材料の混練システム - Google Patents

シリカ配合ゴム材料の混練システム Download PDF

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Abstract

【課題】シリカ配合ゴム材料を生産性よく得ることができるとともに、この優れた生産性を低下させないように、加硫系配合剤が混練されたシリカ配合ゴム材料から発生した端材を、混練中の新たなシリカ配合ゴム材料に良好に分散させるようにしたシリカ配合ゴム材料の混練システムを提供する。
【解決手段】シリカとシランカップリング剤とのカップリング反応の促進に必要な高温条件で混練する反応促進混練機５の下流側に配置された粘度低下用混練機１７に、加硫系配合剤Ｑを含んだ最終混練ゴムＲＦから発生した端材ゴムＲａを、二軸押出機１６で加温した後、計量コンベヤ１６ｂによって投入し、新たな二次混練ゴムＲ２と混練し、下流側の最終混練機１９により最終混練を行なって最終混練ゴムＲＦを得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリカ配合ゴム材料の混練システムに関し、さらに詳しくは、シリカ配合ゴム材料を生産性よく混練することができるとともに、この優れた生産性を低下させないように、加硫系配合剤が混練されたシリカ配合ゴム材料から発生した端材を、混練中の新たなシリカ配合ゴム材料に良好に分散させるようにしたシリカ配合ゴム材料の混練システムに関するものである。
タイヤのトレッドゴム等では、シリカを配合したシリカ配合ゴムを用いることによって、タイヤの低燃費性やウエットグリップ性を向上させるようにしている。しかし、シリカは粒子どうしが凝集しやすいため、ゴム材料に対する分散性が悪く、シランカップリング剤を配合してシリカとカップリング反応させることによって、分散性を向上させるようにしている。
シランカップリング剤によりシリカの分散性を良好にするには、カップリング反応を完了させる必要があり、そのために必要な熱量を付与しながら混練しなければならない。
このようなシリカ配合ゴム材料を、生産性よく混練するために、種々提案されているような（例えば、特許文献１参照）、バンバリーミキサと呼ばれる密閉型混練機で予備混練した後に、オープン構造のロール混練機で目標粘度になるまで混練を行なう場合、通常のロール混練機では、混練中にゴム温度が低下し易く、カップリング反応を促進させるために必要な熱量を短時間で付与することが困難となる。そのため、生産性を十分に向上させることができない。
そこで、ロール混練機での混練中のゴム温度を高温に設定して、反応促進混練機として機能させることにより、カップリング反応を短時間で完了させることができ、生産性の向上が可能になる。
ところで、従来、加硫系配合剤が混練された最終混練ゴムを、後工程で加工等することにより発生した端材ゴムは、密閉型混練機に再投入して新たなゴム材料と混練を行なっていたが、上記したように、カップリング反応を促進させるような高温で混練を行なうロール混練機を、密閉型混練機の下流側に配置すれば、端材ゴムの加硫反応が進み、混練ゴムの品質が低下するため、再投入できないという問題あった。
特開平５−３０５６１２号公報
本発明の目的は、シリカ配合ゴム材料を生産性よく得ることができるとともに、この優れた生産性を低下させないように、加硫系配合剤が混練されたシリカ配合ゴム材料から発生した端材を、混練中の新たなシリカ配合ゴム材料に良好に分散させるようにしたシリカ配合ゴム材料の混練システム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シリカ配合ゴム材料の混練システムは、原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とを混練する１台の密閉型混練機と、該密閉型混練機から排出された一次混練ゴムを混練する１台の反応促進混練機と、該反応促進混練機から排出された二次混練ゴムを混練する少なくとも１台の粘度低下用混練機と、該粘度低下用混練機から排出された三次混練ゴムと加硫系配合剤とを混練する１台の最終混練機とを順に、搬送手段で接続するように配置し、前記反応促進混練機および前記粘度低下用混練機を、一対の混練ロールと、該一対の混練ロールの下方位置から再び上方位置に至る循環経路を形成するコンベヤとを備えたオープン構造のロール混練機に構成し、かつ前記反応促進混練機に、混練している一次混練ゴムを加温する加温手段を設け、前記最終混練機から排出された最終混練ゴムから発生した端材ゴムを押出す押出機を前記粘度低下用混練機または前記最終混練機に接続するように配置したことを特徴とするものである。
本発明のシリカ配合ゴム材料の混練システムによれば、反応促進混練機において、加温手段で一次混練ゴムを高温に加温して混練することにより、シリカとシランカップリング剤とのカップリング反応を促進させることができ、迅速かつ良好にシリカを一次混練ゴムに分散させることができる。また、その下流側にある別のオープン構造の粘度低下用混練機と最終混練機により、最終混練ゴムを得るまでの工程を連続して行なうことができ、目標粘度の１バッチ分の最終混練ゴムを短時間で得ることができる。また、この連続的な混練工程を所定のタイムサイクルで順次行なうことができ、生産性よく目標粘度の最終混練ゴムを得ることができる。
また、加硫系配合剤を含んでいるこの最終混練ゴムから発生した端材ゴムを再投入して混練を行なう際には、シリカとシランカップリング剤とのカップリング反応の促進に必要な高温条件で混練する反応促進混練機の下流側に配置された、より低温で混練する粘度低下用混練機または最終混練機に投入するので、端材ゴムの加硫反応を抑制しながら、新たなゴム材料との混練を行なうことができ、品質の低下を防ぐことができる。
また、端材ゴムを投入する際には、押出機で加温して粘度低下させ、混練中の新たなゴム材料との粘度差を小さくして投入できるので、端材ゴムを短時間で良好に分散させて混練することができる。これにより、優れた生産性を低下させることなく安定した品質の混練ゴムを得ることができる。
また、様々な形状の端材ゴムを、連続的に押出された一定の断面形状の状態で、新たなゴム材料に投入できるので、安定した分散性を確保でき、投入量の管理も容易になる。
以下、本発明のシリカ配合ゴム材料の混練システムを図に示した実施形態に基づいて説明する。
図１に例示するように、実施形態の混練システムは、１台の密閉型混練機１の下流側に順に、反応促進混練機５、粘度低下用混練機１７、最終混練機１９となるオープン構造のロール混練機をそれぞれ１台配置している。
密閉型混練機１と反応促進混練機５とは、搬送コンベヤ３および計量コンベヤ４で接続されるように配置されている。反応促進混練機５と粘度低下用混練機１７、粘度低下用混練機１７と最終混練機１９は、それぞれ搬送コンベヤ１５、２０で接続されるように配置されている。
反応促進混練機５は、図２に例示するように、対向する一対の混練ロール６、６の一方側に、混練ロール６、６の下方位置から上方位置に至る循環経路を形成するように受け渡しコンベヤ１３と練り返しコンベヤ１４とを配置して構成されている。一対の混練ロール６、６は、互いに反対方向に油圧もしくは電動の駆動モータ８、８によって回転し、一方の混練ロール６はアクチュエータ９により移動してロールギャップが変更可能となっている。混練ロール６の下方にはロールギャップセンサ１１が配置され、受け渡しコンベヤ１３と練り返しコンベヤ１４の上方にはゴム温度を検知する温度センサ１０が配置されている。また、受け渡しコンベヤ１３と練り返しコンベヤ１４にはヒータ７が内設されている。
駆動モータ８、８の電力レベルＰ（駆動トルク）、ロール表面速度、ロールギャップ、ゴム温度の各データは、制御装置１２に送信されるように構成されている。
粘度低下用混練機１７は、図３に例示するように、図２に例示した反応促進混練機５とほぼ同じ構造であるが、ヒータ７に替えて冷却ファン１８を受け渡しコンベヤ１３の上方に備えている。尚、図３では図２と同じ構成要素については、図２と同じ符号を用いている。
また、受け渡しコンベヤ１３と練り返しコンベヤ１４とで形成される循環経路の長さを反応促進混練機５と比較すると、反応促進混練機５の方が短く設定されていて、反応促進混練機５では混練中にゴム材料の温度が低下しにくくなるように構成している。
最終混練機１９は、図３と基本構造を同じにしたオープン構造のロール混練機になっていて、さらに加硫系配合剤投入装置２１が接続されている。
この混練システムによるシリカ配合ゴム材料の混練工程について説明する。尚、密閉型混練機１から排出されたゴム材料を一次混練ゴムＲ１、反応促進混練機５から排出されたゴム材料を二次混練ゴムＲ２、粘度低下用混練機１７から排出されたゴム材料を三次混練ゴムＲ３、最終混練機１９から排出されたゴム材料を最終混練ゴムＲＦ、最終混練ゴムＲＦから発生した端材を端材ゴムＲａをとして説明する。
シリカ配合ゴム材料のカップリング反応を完了させるには、所定の熱量を付与する必要があり、この熱量は付与した熱量とその熱量の付与時間を乗じた熱履歴量として規定され、予め、試験練りすることにより、把握、決定されている。
密閉型混練機１では、原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とが予備的に混練され、カップリング反応完了に必要な熱履歴量の中途の熱量が付与される。密閉型混練機１から排出時の一次混練ゴムＲ１の温度は、例えば、１５０℃程度である。
次いで、一次混練ゴムＲ１は、シーティングロール２によりシート状に成形されて、搬送コンベヤ３と計量コンベヤ４とにより反応促進混練機５に搬送される。計量コンベヤ４では一次混練ゴムＲ１の重量が計量される。一次混練ゴムＲ１を計量することができれば、計量コンベヤ４に替えて、他の計量手段を用いてもよい。
反応促進混練機５では、受け渡しコンベヤ１３および練り返しコンベヤ１４により、一次混練ゴムＲ１が繰り返し混練ロール６、６に供給され、混練ロール６、６間を通過することにより、せん断力が付与されるとともに、ヒータ７で加温されてカップリング反応が促進されながら混練される。したがって、短時間で多量の熱量が付与され目標熱履歴量に達し、シリカを迅速、かつ良好にゴム材料に分散させることができる。ヒータ７は、一次混練ゴムＲ１を必要な温度に加温できるものであればよく、種々の加温手段を用いることができる。
また、一次混練ゴムＲ１がシート状に表面積を広くして循環し、カップリング反応により発生するアルコール等の生成成分を外部に効率的に発散させることができ、これらの成分によりカップリング反応が抑えられることを防ぐことができる。
制御装置１２は、温度センサ１０の検知によるゴム温度データと混練時間とに基づいて、反応促進混練機５で付与された熱履歴量を逐次算出し、この算出した熱履歴量と目標熱履歴量とを比較して、前者と後者が一致するように反応促進混練機５での混練操作を制御する。
所定時間に目標熱履歴量になるように熱量を付与するために、制御装置１２は、ヒータ７の加温温度、混練ロール６、６の表面速度および両コンベヤ１３、１４の搬送速度、ロールギャップの少なくともいずれかを制御し、精度よく、カップリング反応を促進、完了させ、シリカの分散を良好にして品質が安定化される。例えば、ロールギャップ３〜１５ｍｍ、ゴム温度９０〜１６０℃で混練を行なう。
次いで、中途を回動させて延ばした受け渡しコンベヤ１３により反応促進混練機５から排出された二次混練ゴムＲ２は、搬送コンベヤ１５により、粘度低下用混練機１７に搬送される。
粘度低下用混練機１７では、反応促進混練機５に比べてゴム温度を低温にし、より大きなせん断力を与えて所定の時間で目標粘度になるように二次混練ゴムＲ２を混練する。その際に、冷却ファン１８の作動、混練ロール６、６の表面速度および両コンベヤ１３、１４の搬送速度、ロールギャップの少なくともいずれかを制御して混練を行なう。
この二次混練ゴムＲ２を混練する際に、最終混練ゴムＲＦから発生した端材ゴムＲａを二軸押出機１６により加温してから投入するので、加硫反応が進行しないように、例えば、ロールギャップ１〜１０ｍｍ、ゴム温度４０〜１００℃で混練を行なう。詳細は後述する。
次いで、中途を回動させて延ばした受け渡しコンベヤ１３により粘度低下用混練機１７から排出された三次混練ゴムＲ３は、搬送コンベヤ２０により、最終混練機１９に搬送される。ここでは、加硫系配合剤投入装置２１により、硫黄、加硫促進剤等の加硫系配合剤Ｑが投入されて三次混練ゴムＲ３とともに混練される。加硫系配合剤Ｑは、粉体では飛散するので、別に用意したゴム材に予め混合した状態で投入される。
最終混練の終了後、最終混練機１９から排出された最終混練ゴムＲＦは、搬送コンベヤ２２により、シーティングロール２３を通過してシート状ゴムとなり、サンプリング装置２４を中途に設置した搬送コンベヤ２５によって冷却装置２６に搬送され、次工程で使用されるまで所定の場所で保管される。尚、サンプリング装置２４は、必ずしも搬送コンベヤ２５に設置しなくてもよい。
このように、本発明の混練システムでは、１バッチ分のシリカ配合ゴム材料にカップリング反応の完了に必要な熱量を短時間で付与して混練を行ない、加硫系配合剤Ｑを混練する最終混練工程まで連続的に行なって、短時間で目標粘度の最終混練ゴムＲＦを得ることができる。
また、１バッチ分のゴム材料の混練をしている間に上流側の工程では、新たな１バッチ分のゴム材料の混練を行なうことができる。したがって、一定のタイムサイクルで順次、新たなバッチのゴム材料の混練を行なうことにより、生産性よく最終混練ゴムＲＦを得ることができる。
ところで、最終混練ゴムＲＦは、次工程において、例えば押出成形機により所定形状に押出されて成形部材となる。その際に、押出開始直後などには、形状が安定せずに、端材ゴムＲａが発生する。このような端材ゴムＲａは、その他、種々の後工程において発生する。
この端材ゴムＲａは、形状は様々であるが、配合等は適正な仕様であるので、再び新たなゴム材料と混練することで再利用することができる。しかし、この端材ゴムＲａには、加硫系配合剤Ｑが混練されているので、加硫反応が進行するような高温条件で混練すれば、得られる最終混練ゴムＲＦの品質が悪くなる。
本発明の混練システムでは、反応促進混練機５において、カップリング反応を促進させるために高温で混練を行なっているが、反応促進混練機５の下流側となる粘度低下用混練機１７または最終混練機１９に端材ゴムＲａを投入して混練を行なって、端材ゴムＲａの加硫反応を抑制して、最終混練ゴムＲＦの品質低下を防ぐようにしている。
そこで、図１に示すように、二軸押出機１６を計量コンベヤ１６ｂを介して粘度低下用混練機１７に接続するように配置している。搬送コンベヤ１６ａにより二軸押出機１６に搬送された端材ゴムＲａは、二軸押出機１６によって加温され、先端部のダイスから連続的に押し出される。押出された端材ゴムＲａは、計量コンベヤ１６ｂにより計量されて粘度低下用混練機１７に搬送、投入される。この二軸押出機１６は、ケーシングを円錐形状にした所謂、二軸コニカルスクリューフィーダ構造となっている。
ここで計量された端材ゴムＲａの重量と、反応促進混練機５の上流側に配置された計量コンベヤ４を通過する際に計量された一次混練ゴムＲ１の重量とに応じた量の加硫系配合剤Ｑが加硫系配合剤投入装置２１により投入されることになる。このように、外部からの投入系統に、それぞれ計量コンベヤ４、１６ｂを設け、投入するゴム材料の重量を把握することにより、その重量に適正な加硫系配合剤Ｑを投入することができ、精度よく品質の安定した最終混練ゴムＲＦを得ることができる。
通常、端材ゴムＲａの温度は、常温程度となっているが、二軸押出機１６で加温することにより、粘度低下用混練機１７で混練されている相対的に高温の二次混練ゴムＲ２との温度差、粘度差が小さくなる。これにより、短時間で端材ゴムＲａを新たな二次混練ゴムＲ２に分散よく混練することができ、品質を安定させるとともに、この混練システムの優れた生産性を低下させることなく、最終混練ゴムＲＦを得ることができる。
また、押出された端材ゴムＲａは、一定の断面形状で連続した帯状となるので、様々な形状で投入するよりも、はるかに安定して分散させることができ、また、投入量の管理も容易となる。
二軸押出機１６での端材ゴムＲａの加温温度は、加硫反応が進行しない範囲で粘度低下用混練機１７における二次混練ゴムＲ２のゴム温度に近づけるようにし、例えば、４０〜１００℃とする。
端材ゴムＲａを所定温度に加温して押し出すことができれば、実施形態で示した二軸押出機１６に限らず、その他の二軸、一軸押出機を用いることができるが、二軸コニカルスクリューフィーダ構造にすることで、冷えて粘度の高い端材ゴムＲａを確実に噛み込み、安定して押し出すことができる。
尚、加硫系配合剤投入装置２１は、最終混練機１９に替えて、図４に示すように粘度低下用混練機１７に接続するようにして配置してもよい。このように配置した場合、粘度低下用混練機１７で混練している二次混練ゴムＲ２に、端材ゴムＲａと加硫系配合剤Ｑとを投入して予備的に混練を行なった後、最終混練機１９に搬送する。最終混練機１９では、搬送されたこの三次混練ゴムＲ３を混練して、予備的に混練された加硫系配合剤Ｑを十分に分散させた後、最終混練ゴムＲＦとして排出する。
このように、加硫系配合剤Ｑを粘度低下用混練機１７に投入することにより、粘度低下用混練機１７から最終混練機１９に搬送する間でゴム温度が低下する前に加硫系配合剤Ｑを予備的に混練できるので、最終混練機１９での混練時間を短縮することができ、より短時間で目標粘度の最終混練ゴムＲＦを得ることが可能となる。
また、図４の二軸押出機１６の配置を変えて、図５に示すように、最終混練機１９に接続するように配置することもできる。この配置にして、最終混練機１９で混練している三次混練ゴムＲ３に端材ゴムＲａを投入するようにする。図５の混練システムにおいても、加硫系配合剤投入装置２１を最終混練機１９に接続するように配置することもできる。
図６に図４の混練システムにおける粘度低下用混練機１７を複数配置した場合の変形例を示す。尚、図６では、密閉型混練機１から反応促進混練機５までの構成が、図４と同じ構成であるため、その部分を省略している。
この混練システムでは、粘度低下用混練機１７を１台配置した混練ラインＬを複数列（図６では４列）並設し、上流側の反応促進混練機５と接続する搬送手段を振り分けコンベヤ１５ａとしている。
振り分けコンベヤ１５ａは、混練ラインＬの列数に応じた数の振り分け可動部１５ｂを有し、各振り分け可動部１５ｂは、すき間を開閉するように可動する。新たな二次混練ゴムＲ２は、選択した混練ラインＬに対応する振り分け可動部１５ｂが開いたすき間を通過して、その選択された１つの混練ラインＬに搬送される。
その後、選択された混練ラインＬの粘度低下用混練機１７により、二次混練ゴムＲ２を混練し、目標粘度に近づいた、もしくは目標粘度になった後に、加硫系配合剤Ｑおよび端材ゴムＲａを振り分けコンベヤ１５ａを介して同様にその混練ラインＬの粘度低下用混練機１７に投入して予備的に混練を行なう。予備混練が終了した後は、この三次混練ゴムＲ３を搬送コンベヤ２０に排出して、最終混練機１９により最終混練を行なって最終混練ゴムＲＦを得る。
このように、複数の混練ラインＬを設けることにより、次々搬送されていくる１バッチ分の新たな二次混練ゴムＲ２を、順次、空いている混練ラインＬに搬送して混練を行なうことができ、一層、生産性を向上させることができる。
また、混練ラインＬは、複数台の粘度低下用混練機１７を直列に連結するように配置して構成し、一台の粘度低下用混練機１７での混練時間を短くして、短いタイムサイクルで１バッチ分の混練を行なうようにして、生産性を高めるようにすることができる。
本発明の混練システムを例示する全体構成図である。 図１の反応促進混練機を例示する側面図である。 図１の粘度低下用混練機を例示する側面図である。 図１の混練システムの変形例を示す全体構成図である。 図４の混練システムの変形例を示す全体構成図である。 図４の混練システムの変形例を示す一部省略構成図である。
符号の説明
１ 密閉型混合機
２ シーティングロール
３ 搬送コンベヤ
４ 計量コンベヤ
５ 反応促進混練機
６ 混練ロール
７ ヒータ
８ 駆動モータ
９ アクチュエータ
１０ 温度センサ
１１ ロールギャップセンサ
１２ 制御装置
１３ 受け渡しコンベヤ
１４ 練り返しコンベヤ
１５ 搬送コンベヤ １５ａ 振り分けコンベヤ １５ｂ 振り分け可動部
１６ 二軸押出機 １６ａ 搬送コンベヤ １６ｂ 計量コンベヤ
１７ 粘度低下用混練機
１８ 冷却ファン
１９ 最終混練機
２０ 搬送コンベヤ
２１ 加硫系配合剤投入装置
２２ 搬送コンベヤ
２３ シーティングロール
２４ サンプリング装置
２５ 搬送コンベヤ
２６ 冷却装置
Ｒ１ 一次混練ゴム Ｒ２ 二次混練ゴム
Ｒ３ 三次混練ゴム ＲＦ 最終混練ゴム
Ｒａ 端材ゴム
Ｑ 加硫系配合剤

Claims (5)

  1. 原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とを混練する１台の密閉型混練機と、該密閉型混練機から排出された一次混練ゴムを混練する１台の反応促進混練機と、該反応促進混練機から排出された二次混練ゴムを混練する少なくとも１台の粘度低下用混練機と、該粘度低下用混練機から排出された三次混練ゴムと加硫系配合剤とを混練する１台の最終混練機とを順に、搬送手段で接続するように配置し、前記反応促進混練機および前記粘度低下用混練機を、一対の混練ロールと、該一対の混練ロールの下方位置から再び上方位置に至る循環経路を形成するコンベヤとを備えたオープン構造のロール混練機に構成し、かつ前記反応促進混練機に、混練している一次混練ゴムを加温する加温手段を設け、前記最終混練機から排出された最終混練ゴムから発生した端材ゴムを押出す押出機を前記粘度低下用混練機または前記最終混練機に接続するように配置したシリカ配合ゴム材料の混練システム。
  2. 前記押出機を二軸コニカルスクリューフィーダ構造とした請求項１に記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。
  3. 前記粘度低下用混練機に前記加硫系配合剤を投入するように設定し、該加硫系配合剤と二次混練ゴムとを予備練りした三次混練ゴムを前記最終混練機に搬送するように構成した請求項１または２に記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。
  4. 前記密閉型混練機と前記反応促進混練機との間に一次混練ゴムを計量する計量手段を設け、前記二軸押出機が押出した端材ゴムを計量する計量手段を設けた請求項１〜３のいずれかに記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。
  5. 前記粘度低下用混練機を少なくとも１台配置した混練ラインを複数列設けるとともに、該複数の混練ラインのいずれか１つの混練ラインに前記反応促進混練機から排出された二次混練ゴムを振り分ける振り分け手段を設けた請求項１〜４のいずれかに記載のシリカ配合ゴム材料の混練システム。
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