JP2017077649A - 密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】混練のばらつき程度を一段と精度よく把握できる密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法を提供する。【解決手段】原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料Ｒを密閉式ゴム混練機１によって混練する際に、その混練機１により混練材料Ｒに付与されたエネルギＥの大きさと、付与されたエネルギＥのうち混練に利用されなかったエネルギの大きさＥ２との関係に基づいて、混練の安定性を示す安定性指標ＳＩを導出し、この安定性指標ＳＩに基づいて混練の安定性を評価する。【選択図】 図６

Description

本発明は、密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法に関し、さらに詳しくは、混練のばらつき程度を一段と精度よく把握できる密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法に関するものである。

タイヤやゴムホース等のゴム製品を製造する際には、例えば、原料ゴムと、カーボンブラック等の各種配合材料とを含む混練材料を、密閉式ゴム混練機に所定量投入して混練する。この混練により、各種配合材料を原料ゴム中に均一に分散させるとともに、混練材料を一定の粘度に低下させるようにしている。密閉式ゴム混練機は、平行に並置された２本のロータをチャンバーに備えており、これらロータを回転させて混練材料を混練する。混練材料はロータ軸を中心にして回転されることにより、ロータとチャンバーの内壁面との間でせん断力が付与されて混練される。

このような密閉式ゴム混練機の混練効率を評価する方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の評価方法によれば、例えば、仕様の異なる混練機の同一条件下での混練効率を比較することができる。

ところで、同じ混練機によって同一条件下で混練しても、混練バッチどうしの間で混練状態がばらつくことがある。この混練状態のばらつきは、例えば、それぞれの混練バッチにおける混練機のロータの回転駆動に要した積算電力量を比較することにより、ある程度は把握することができる。しかしながら、さらに精度よく混練状態のばらつきを把握するには改善の余地があった。

特開２０１３−１６９６６７号公報

本発明の目的は、混練のばらつき程度を一段と精度よく把握できる密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法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密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法は、原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を混練する際の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法であって、前記混練機により前記混練材料に付与されたエネルギの大きさと、この付与されたエネルギのうち混練に利用されなかったエネルギの大きさとの関係に基づいて、混練の安定性を示す安定性指標を導出し、この安定性指標に基づいて、混練の安定性を評価することを特徴とする。

本発明によれば、原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を密閉式ゴム混練機によって混練する際に、前記混練機により前記混練材料に付与されたエネルギの大きさと、この付与されたエネルギのうち混練に利用されなかったエネルギの大きさとの関係に基づいて混練の安定性を示す安定性指標を導出する。前記付与されたエネルギのうち混練に利用されたエネルギの大きさを直接把握することは困難であるが、前記付与されたエネルギの大きさと前記混練に利用されなかったエネルギの大きさは、比較的に容易に精度よく把握できる。そして、前記付与されたエネルギの大きさは、前記混練に利用されたエネルギの大きさと利用されなかったエネルギの大きさとの和になる。それ故、前記付与されたエネルギの大きさと前記混練に利用されなかったエネルギの大きさに基づいて、混練に利用されたエネルギを間接的に精度よく把握することができる。したがって、この安定性指標に基づいて混練の安定性を評価することで、混練のばらつき程度を一段と精度よく把握することが可能になる。

ここで、例えば、前記安定性指標として、任意の混練経過時間における前記付与されたエネルギの大きさと前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとの比を用いる。または、前記安定性指標として、前記混練に利用されなかったエネルギの大きさが予め設定された所定値に達した時点における前記付与されたエネルギの大きさと前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとの比を用いることもできる。或いは、前記安定性指標として、前記付与されたエネルギの大きさが予め設定された所定値に達した時点における前記付与されたエネルギの大きさと前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとの比を用いることもできる。

前記付与されたエネルギの大きさとして、例えば、前記混練機のロータの回転駆動に要した積算電力量を用いる。または、前記付与されたエネルギの大きさとして、前記積算電力量を混練材料の質量で除して求めたユニットワークを用いることもできる。或いは、前記付与されたエネルギの大きさとして、前記ユニットワークを、前記ロータが前記混練材料に与えるせん断速度を混練時間で積算して求めた総せん断量で除して算出した混練指標を用いることもできる。

前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとして、例えば、前記混練材料の温度を用いる。または、前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとして、前記混練材料の瞬時発熱量を混練時間で積算した過剰発熱量を用いることもできる。

混練材料を混練している密閉式ゴム混練機の内部を例示する縦断面図である。 図１の密閉式ゴム混練機の内部構造を例示する縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 混練材料に付与されたエネルギの大きさと、混練に利用されなかったエネルギの大きさの経時変化を模式的に例示するグラフ図である。 混練機のロータの回転駆動に要した瞬時電力の経時変化を例示するグラフ図である。 混練材料に付与されたエネルギの大きさと混練に利用されなかったエネルギの大きさとの関係を例示するグラフ図である。 各混練ステップ終了時における混練指標のばらつきを例示するグラフ図である。

以下、本発明の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図３に例示するように密閉式ゴム混練機１（以下、混練機１という）は、ケーシング２の上下方向中途に材料投入口３を有し、ケーシング２の下部にロータ８を収容するチャンバー７および材料排出口４を有している。

チャンバー７には、平行に並置された２本のロータ８が設けられている。並置された２本のロータ８は、平行に並置されたそれぞれのロータ軸９を中心にして互いに反対方向に回転駆動される。ロータ８の形式は特に限定されず、接線式や噛合い式等、様々な形式を採用することができる。このロータ８はそれぞれ２枚羽根ロータになっているが、羽根の数、形状は適宜決定される。

ロータ８の上部には、上下移動する加圧ウエイト６が設けられている。混練材料Ｒがケーシング２の内部に投入される際には、加圧ウエイト６は混練材料Ｒの投入を邪魔しない上方の待機位置に配置されている。混練材料Ｒがケーシング２の内部に投入された後、加圧ウエイト６は待機位置から下方移動して、ロータ８の上部を覆ってチャンバー７をほぼ密閉する位置に配置される。混練材料Ｒは原料ゴムおよびカーボンブラックを含み、その他にカーボンブラック以外の補強剤、充填剤、老化防止剤、加工助剤、軟化剤、可塑剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤等の各種配合材料が適宜配合される。

混練材料Ｒを混練する際には材料排出口４は、排出口フラップ５によって閉口されている。混練された混練材料Ｒを材料排出口４から排出する際には、排出口フラップ５は、混練材料Ｒの排出を邪魔しない待機位置に移動して材料排出口４を開口する。加圧ウエイト６および排出口フラップ５の構造は、例示した構造に限定されるものではない。いわゆるニーダー構造の混合機であってもよい。

ロータ軸９を回転駆動するロータ駆動部１０としては、例えば、駆動モータ等が採用される。ロータ駆動部１０には、回転計１０ａおよび電力計１０ｂが設けられている。回転計１０ａはロータ８（ロータ軸９）の回転数Ｎを検知し、電力計１０ｂはロータ８の回転駆動に要する瞬時電力ｐを検知する。

チャンバー７の内壁面７aには温度センサ１２が設置されている。この温度センサ１２は、チャンバー７の内部にある混練材料Ｒの温度Ｔｐを検知する。

回転計１０ａ、電力計１０ｂおよび温度センサ１２により検知されたデータは、ロータ駆動部１０に接続された演算装置１１に入力される。コンピュータ等で構成される演算装置１１には、ロータ８の外径Ｄ、ロータ８の外径位置とチャンバー７の内壁面７ａとのクリアランスＨのデータも入力されている。

混練機１では、密室状態になるチャンバー７内部でロータ８が回転することにより混練材料Ｒに力が加えられ、その際の抗力に応じてロータ８を回転駆動させるために電力が消費される。一方、混練材料Ｒに加えられた力は、混練材料Ｒを移動させるとともに、せん断力として混練材料Ｒに付与される。その結果、混練材料Ｒに加えられた力の一部は混練に伴う混練材料Ｒの化学的および物理的変化（内部エネルギの増加＋仕事）に利用される。また、混練材料Ｒに加えられた力は、熱エネルギに変化し、放熱しきれない熱エネルギが混練材料Ｒの温度を上昇させる。

即ち、混練工程におけるエネルギ収支は下記のとおりとなる。
混練材料Ｒに付与されたエネルギＥの大きさ＝混練に利用されたエネルギＥ１の大きさ＋混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさ
混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさ＝熱に変化したエネルギの大きさ＋その他に要したエネルギの大きさ
その他に要したエネルギの大きさとしては、チャンバー７内部での混練材料Ｒの移動に要したエネルギの大きさ等が例示できる。

ここで、混練に利用されたエネルギＥ１の大きさを直接、把握することは困難である。そして、その他に要したエネルギの大きさは、相対的に小さいので無視すると、同一の混練材料Ｒ、混練条件であれば、付与されたエネルギＥの大きさに対して、混練に利用されたエネルギＥ１の大きさは一定であるべきである。即ち、混練に利用されたエネルギＥ１と熱に変化したエネルギの大きさとの比率は一定であり、それ故、混練材料Ｒに付与されたエネルギＥの大きさと混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさとの比も一定になるべきものと言える。

そこで本発明では、混練機１により混練材料Ｒを混練する際に、混練機１により混練材料Ｒに付与されたエネルギＥの大きさと、この付与されたエネルギＥのうち混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさとの関係に基づいて、混練の安定性を示す安定性指標ＳＩを導出する。上述したとおり、付与されたエネルギＥの大きさは、混練に利用されたエネルギＥ１の大きさと混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさとの和になる（エネルギＥの大きさ＝エネルギＥ１の大きさ+エネルギＥ２の大きさ）。したがって、本発明では、実質的には、混練に利用されたエネルギＥ１の大きさに基づいて安定性指標ＳＩを導出することになる。そして、導出した安定性指標ＳＩに基づいて、混練材料Ｒの混練状態のばらつき（混練の安定性）を評価する。尚、安定性指標ＳＩは数値だけでなくグラフなどの場合もある。

混練工程におけるエネルギＥ、Ｅ１およびＥ２の大きさとの関係の経時変化を、図４に模式的に例示する。横軸が経過時間を示し、縦軸が混練開始からの経過時間におけるエネルギの大きさを示す。

安定性指標ＳＩの具体例としては、任意の混練経過時間ｔにおける付与されたエネルギＥの大きさと混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさとの比を用いる。図４では、安定性指標ＳＩは例えば、Ｅ２ｔ／Ｅｔとなる。

混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさとして予め所定値Ｅ２ａを設定しておき、エネルギＥ２の大きさが所定値Ｅ２ａに達した時点における、エネルギＥ２の大きさとエネルギＥの大きさの比を、安定性指標ＳＩとして用いることもできる。図４では、安定性指標ＳＩは例えば、Ｅ２ａ／Ｅａとなる。

付与されたエネルギＥの大きさとして予め所定値Ｅｂを設定しておき、エネルギＥの大きさが所定値Ｅｂに達した時点におけるエネルギＥの大きさとエネルギＥ２の大きさとの比を、安定性指標ＳＩとして用いることもできる。図４では、安定性指標ＳＩは例えばＥ２ｂ／Ｅｂとなる。

付与されたエネルギの大きさＥとしては、例えば、ロータ８の回転駆動に要した積算電力量Ｗを用いる。積算電力量Ｗは下記（１）式のとおり、電力計１０ａにより検知された瞬時電力ｐを混練時間Ｔで積算して算出される。
積算電力量Ｗ＝∫（ｐ）ｄｔ・・・（１）

付与されたエネルギの大きさＥとしては、その他にユニットワークＵＷを用いることもできる。ユニットワークＵＷは、下記（２）式のとおり、積算電力量Ｗを混練材料Ｒの質量Ｍで除すことにより算出される。
ユニットワークＵＷ＝積算電力量Ｗ／混練材料質量Ｍ・・・（２）

或いは、付与されたエネルギの大きさＥとして混練指標ＭＩを用いることもできる。混練指標ＭＩは、下記（３）式のとおり、ユニットワークＵＷを総せん断量Ｊで除して算出される。
混練指標ＭＩ＝ユニットワークＵＷ／総せん断量Ｊ・・・（３）
総せん断量Ｊは、ロータ８が混練材料Ｒに与えるせん断速度γを混練時間で積算して、下記（４）式により算出される。
総せん断量Ｊ＝∫（γ）ｄｔ・・・（４）
ここで、せん断速度γ＝せん断係数Ｋ×ロータ回転数Ｎ、せん断係数Ｋ＝π×ロータ外径Ｄ／クリアランスＨである。

積算電力量Ｗ、ユニットワークＵＷおよび混練指標ＭＩは、入力されたデータに基づいて演算装置１１により算出される。

混練に利用されなかったエネルギの大きさＥ２として、具体的には、混練材料Ｒの温度Ｔｐを用いることができる。温度Ｔｐは、温度センサ１２により演算装置１１に逐次入力される。

混練に利用されなかったエネルギの大きさＥ２としては、その他に過剰発熱量Ｑを用いることもできる。過剰発熱量Ｑは、下記（５）式のとおり、混練材料Ｒの瞬時発熱量ｑを混練時間Ｔで積算して算出される。過剰発熱量Ｑは、温度センセ１２が逐次検知した温度Ｔｐに基づいて演算装置１１により算出される。
過剰発熱量Ｑ＝∫（ｑ）ｄｔ・・・（５）

この混練機１を用いて混練材料Ｒを混練する手順（ステップ１〜ステップ５）は以下のとおりである。図５は、混練工程においてロータ８の回転駆動に要した瞬時電力ｐの経時変化を例示している。図５では、同仕様の混練材料Ｒを同じ混練条件設定で混練した場合の６バッチ（第１混練バッチ〜第６混練バッチ）のデータを例示している。

まず、ステップ１として、所定量の原料ゴムを材料投入口３を通じてケーシング２の内部に投入する。そして、加圧ウエイト６を待機位置から下方移動させてロータ８の上部を密閉して覆うように配置する。この状態で、原料ゴムを、チャンバー７の内壁面７ａ、排出口フラップ５および加圧ウエイト６で囲まれたスペースにおいて、回転駆動される２つのロータ８によって混練（素練）する。ステップ１での混練材料Ｒは実質的には原料ゴムである。

次いで、ステップ２として、素練した原料ゴムにオイル分を添加して混練する。ステップ２では、オイル分によって生じる混練材料Ｒとロータ８との間に滑りに起因して、瞬時電力ｐが非常に小さくなる。

次いで、ステップ３として、カーボンブラック等の各種配合材料を添加して原料ゴムを混練する。ステップ３以降の混練材料Ｒは、原料ゴム、オイル分および各種配合材料の混合物になる。

次いで、ステップ４として、加圧ウエイト６を上昇させて、チャンバー７内での混練材料Ｒの位置を大きく移動させてから、再度、加圧ウエイト６を下方移動させて混練を行う。

次いで、ステップ５として、加圧ウエイト６を再度上昇させて、チャンバー７内での混練材料Ｒの位置を大きく移動させてから、加圧ウエイト６を下方移動させて、混練を行って混練工程を完了させる。ステップ５では、混練が進むに連れて混練材料Ｒの粘度が徐々に上昇して瞬時電力ｐが上昇する。その後、混練材料Ｒの温度Ｔｐが上昇して粘度が低下することにより、瞬時電力ｐの上昇は止まって安定する。

図５に例示するように、それぞれのバッチ（第１混練バッチ〜第６混練バッチ）において混練に要した瞬時電力ｐにはあまり差異がない。そのため、バッチ間で混練状態にばらつきがなく安定しているように見える。

図５のデータを、本発明では図６に例示するように、混練材料Ｒに付与されたエネルギＥの大きさと混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさとの関係を示す安定性指標ＳＩとして表示する。図６では、混練に利用されなかったエネルギＥ２の大きさ（縦軸）として混練材料Ｒの温度Ｔｐを採用し、混練材料Ｒに付与されたエネルギＥの大きさ（横軸）として上述した混練指標ＭＩを採用している。混練指標ＭＩには時間要素が含まれているので、データは概ね、横軸の右側から左側に向かって経時変化していると見ることができる。

図６のデータ（安定性指標ＳＩ）からは、バッチ間で混練状態にはある程度ばらつきがあることが分かる。換言すれば、同じ混練材料Ｒを単純に同じ混練条件で混練するだけでは、混練状態にばらつきが生じるので、混練状態のばらつきを一段と小さくするには、混練バッチ毎に混練条件を変更する余地があることが分かる。

図７に例示するデータは、同仕様の混練材料Ｒを同じ混練条件設定で混練した際に、混練のそれぞれのステップ（ステップ１〜ステップ５）終了時における混練指標ＭＩの値の分布を示すヒストグラムである。横軸は混練指標ＭＩを所定の大きさで区分した範囲を示し、縦軸はそれぞれの区分した範囲の混練指標ＭＩになった頻度(発生頻度)を示していて、１２バッチ分のデータを示している。

図７のデータ（安定性指標ＳＩ）からは、概ね、混練のステップが進むに連れて、混練指標Ｍ１が狭い範囲に収斂することがわかる。即ち、混練のステップが進むと混練バッチ間での混練状態のばらつきが小さくなることが分かる。このように安定性指標ＳＩを用いることで、一段と詳細に混練状態のばらつきを把握することが可能になる。

１ 密閉式ゴム混練機
２ ケーシング
３ 材料投入口
４ 材料排出口
５ 排出口フラップ
６ 加圧ウエイト
７ チャンバー
７ａ 内壁面
８ ロータ
９ ロータ軸
１０ ロータ駆動部
１０ａ 電力計
１０ｂ 回転計
１１ 演算装置
１２ 温度センサ
Ｒ 混練材料

Claims (9)

1. 原料ゴムおよびカーボンブラックを含む混練材料を混練する際の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法であって、前記混練機により前記混練材料に付与されたエネルギの大きさと、この付与されたエネルギのうち混練に利用されなかったエネルギの大きさとの関係に基づいて、混練の安定性を示す安定性指標を導出し、この安定性指標に基づいて、混練の安定性を評価することを特徴とする密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。
2. 前記安定性指標として、任意の混練経過時間における前記付与されたエネルギの大きさと前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとの比を用いる請求項１に記載の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。
3. 前記安定性指標として、前記混練に利用されなかったエネルギの大きさが予め設定された所定値に達した時点における前記付与されたエネルギの大きさと前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとの比を用いる請求項１に記載の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。
4. 前記安定性指標として、前記付与されたエネルギの大きさが予め設定された所定値に達した時点における前記付与されたエネルギの大きさと前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとの比を用いる請求項１に記載の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。
5. 前記付与されたエネルギの大きさとして、前記混練機のロータの回転駆動に要した積算電力量を用いる請求項１〜４のいずれかに記載の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。
6. 前記付与されたエネルギの大きさとして、前記混練機のロータの回転駆動に要した瞬時電力を混練時間で積算した積算電力量を混練材料の質量で除して求めたユニットワークを用いる請求項１〜４のいずれかに記載の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。
7. 前記付与されたエネルギの大きさとして、前記混練機のロータの回転駆動に要した瞬時電力を混練時間で積算した積算電力量を混練材料の質量で除して求めたユニットワークを、前記ロータが前記混練材料に与えるせん断速度を混練時間で積算して求めた総せん断量で除して算出した混練指標を用いる請求項１〜４のいずれかに記載の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。
8. 前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとして、前記混練材料の温度を用いる請求項１〜７のいずれかに記載の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。
9. 前記混練に利用されなかったエネルギの大きさとして、前記混練材料の瞬時発熱量を混練時間で積算した過剰発熱量を用いる請求項１〜７のいずれかに記載の密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法。

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