JP2017077649A - 密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
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)
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)
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。
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)
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
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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JP2015205888A JP2017077649A (ja) | 2015-10-19 | 2015-10-19 | 密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法 |
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---|---|---|---|
JP2015205888A JP2017077649A (ja) | 2015-10-19 | 2015-10-19 | 密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法 |
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JP2015205888A Pending JP2017077649A (ja) | 2015-10-19 | 2015-10-19 | 密閉式ゴム混練機の混練安定性の評価方法 |
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JPWO2019008727A1 (ja) * | 2017-07-06 | 2020-03-26 | 三菱重工機械システム株式会社 | 混練機制御装置、混練機制御方法、プログラム |
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2015
- 2015-10-19 JP JP2015205888A patent/JP2017077649A/ja active Pending
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