JP2019202415A - ゴム材料の混練方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】混練機の違いに起因する品質のばらつきを抑制しつつ、所定品質の混練ゴムを安定して製造することができるゴム材料の混練方法およびシステムを提供する。【解決手段】ゴム材料Ｒをバッチ毎に密閉型混練機１の混練室５ａで、ロータ２を回転させて混練して目標物性の混練ゴムＲＦを製造する際に、ロータ軸２ｃの回転トルクデータをロータ軸２ｃの変形に基づいてトルクセンサ１５により逐次検知して演算部１３に入力し、混練工程の開始から終了までの期間を１つの評価期間又は分割された複数の評価期間として、各評価期間において目標物性の混練ゴムＲＦを製造するために必要な回転トルクデータＴｒを積算した積算目標値を予め設定しておき、逐次検知した各評価期間での回転トルクデータＴｒを積算した実測積算値と、この実測積算値に対応する積算目標値との比較に基づいて演算部１３により混練状態を把握する。【選択図】図５

Description

本発明は、ゴム材料の混練方法およびシステムに関し、さらに詳しくは、所定品質の混練ゴムを安定して製造することができ、混練機の違いに起因する品質のばらつきも抑制することができるゴム材料の混練方法およびシステムに関するものである。

タイヤやゴムホース等のゴム製品は、未加硫ゴム材料を用いて成形された成形体を加硫することにより製造される。未加硫ゴム材料を製造するには例えば、原料ゴムと、カーボンブラック、フィラー、オイル等の非加硫系の配合剤とを、密閉型混練機によって混練することでまず一次混練ゴムを製造する。その後、一次混練ゴムに硫黄等などの加硫系の配合剤を混合して混練することで最終混練ゴムを製造し、これが未加硫ゴム材料として使用される。

混練工程では、ゴム材料は回転するロータによってせん断力が付与されることにより混練される。従来、混練状態を把握するために、ロータを回転駆動するために要する電力量等を検知している（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、検知される電力量には、ロータを回転駆動させる駆動モータでの損失が含まれている。また、駆動モータとロータとの間には変速機等が介在しているため、このような介在する機構の損失も検知される電力量に含まれている。それ故、ロータによってゴム材料に付与されたせん断力を精度よく把握することが困難になっていて所定品質の混練ゴムを安定して製造するには改善の余地がある。また、同仕様のゴム材料に対して同じ混練条件に設定した混練工程であっても、使用する混練機が異なると検知される電力量に違いが生じるため、混練ゴムの品質にばらつきが生じることが懸念される。

特開２００５−２４６７８５号公報

本発明の目的は、所定品質の混練ゴムを安定して製造することができ、混練機の違いに起因する品質のばらつきも抑制することができるゴム材料の混練方法および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ゴム材料の混練方法は、原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料をバッチ毎に密閉型混練機の混練室で、前記混練室に内設されたロータを回転させることにより混練して目標物性の混練ゴムを製造するゴム材料の混練方法において、前記ゴム材料の混練工程での前記ロータを構成するロータ軸の回転トルクデータを前記ロータ軸の変形に基づいて逐次検知し、この検知した前記回転トルクデータに基づいて前記ゴム材料の混練状態を把握することを特徴とする。

本発明のゴム材料の混練システムは、原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料が投入される混練室と、この混練室に配置されたロータと、このロータを回転駆動させる駆動モータと、前記ロータと前記駆動モータとの間に介在する変速機とを備えた密閉型混練機と、前記密閉型混練機の動きを制御する制御部とを備えたゴム材料の混練システムにおいて、前記ロータを構成するロータ軸の回転トルクデータを前記ロータ軸の変形に基づいて逐次検知するトルクセンサと、前記回転トルクデータが逐次入力される演算部とを有し、前記回転トルクデータに基づいて前記演算部により前記ゴム材料の混練状態が判断される構成にしたことを特徴とする。

本発明によれば、ゴム材料の混練工程でのロータ軸の回転トルクデータをロータ軸の変形に基づいて逐次検知する。逐次検知した回転トルクデータには、駆動モータでの損失、駆動モータとロータとの間に介在する変速機等での損失が含まれていない。それ故、この回転トルクデータに基づいてゴム材料の混練状態をより精度よく把握することが可能になるため、所定品質の混練ゴムを安定して製造するには有利になる。また、この回転トルクデータを用いることでゴム材料の混練状態に対する混練機の違いによる影響を概ね排除できるので、混練機の違いに起因する混練ゴムの品質のばらつきを抑制することが可能になる。

本発明の混練システムを、密閉型混練機を縦断面視にして例示する説明図である。 図１の密閉型混練機を平面視で例示する説明図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 回転トルクデータの経時変化を例示するグラフ図である。 図１の混練システムを用いてゴム材料を混練している状態を例示する説明図である。

以下、本発明のゴム材料の混練方法およびシステムを、図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図３に例示する本発明のゴム材料の混練システムの実施形態は、密閉型混練機１（以下、混練機１という）と、混練機１の動きを制御する制御部１２と、所定のデータが入力されて演算処理を行う演算部１３とを備えている。制御部１２と演算部１３とは有線または無線により通信可能に接続されている。

混練機１は未加硫のゴム材料Ｒを混練する。ゴム材料Ｒは原料ゴムＧと複数種類の非加硫系の配合剤Ｎとからなり、混練されることで原料ゴムＧに配合剤Ｎを均等に分散させるようにして目標物性の混練ゴムＲＦが製造される。この目標物性としては粘度を例示できる。

原料ゴムＧとしては、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、１，２−ポリブタジエン、クロロプレンゴム、ブチルゴム、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（アクリルニトリルゴム、水素化ニトリルゴム）、エチレンプロピレンジエンゴム等を例示できる。これらを１種単独でまたは２種以上を組合せて使用する。非加硫系の配合剤Ｎとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ、シランカップリング剤、酸化亜鉛、ステアリン酸等の中から適宜、必要なものが使用される。

混練機１は、混練室５ａと、混練室５ａの上端開口に接続されて上方に延在するラム室５ｂと、混練室５ａに配置された一対のロータ２（２Ａ、２Ｂ）と、ラム室５ｂに配置されたラム６を有している。混練室５ａには油投入部７が接続され、ラム室５ｂにはゴム投入部８および配合剤投入部１０が接続されている。配合剤投入部１０の上端にはホッパ９が接続されている。

それぞれのロータ２Ａ、２Ｂは、ロータ軸２ｃとロータ軸２ｃに突設された撹拌羽根２ｄとを有している。それぞれのロータ２Ａ、２Ｂ（ロータ軸２ｃ）は対向配置されて、それぞれのロータ軸２ｃは変速機４を介して駆動モータ３（３Ａ、３Ｂ）に接続されている。それぞれのロータ軸２ｃは、駆動モータ３Ａ、３Ｂによって回転駆動される。それぞれのロータ軸２ｃが同じ１つの駆動モータ３によって回転駆動される構成にすることもできる。ロータ２Ａ、２Ｂ（ロータ軸２ｃ）の回転駆動および停止、回転速度等は制御部１２により制御される。

また、それぞれのロータ軸２ｃの内側または外側にはトルクセンサ１５が設置されている。トルクセンサ１５と演算部１３とは有線または無線により通信可能に接続されている。トルクセンサ１５は、ロータ軸２ｃの変形に基づいて混練工程の開始から終了までのロータ軸２ｃに生じる回転トルクを検知する。混練工程は図４に例示するように、ゴム素練り段階（Ｓ１）、配合剤取り込み段階（Ｓ２）、均一分散段階（Ｓ３）で構成される。混練工程での回転トルクデータＴｒは図４に例示するように逐次変化する。

トルクセンサ１５としては、ロータ軸２ｃの回転歪み（捩じり歪み）を検知する歪ゲージ等を用いることができる。トルクセンサ１５により検知された回転トルクデータＴｒは逐次、演算部１３に入力される。尚、この実施形態では制御部１２と演算部１３が別々に設けられているが、制御部１２を演算部１３として用いることもできる。即ち、１台のコンピュータを制御部１２および演算部１３として機能させる構成にすることもできる。

混練室５ａの底面には開閉する排出扉１１が設けられている。また、排出扉１１には温度センサ１４がその先端部を混練室５ａに露出して設けられている。温度センサ１４は混練室５ａで混練されているゴム材料Ｒの温度を逐次検知する。温度センサ１４により検知された温度データＴｍは制御部１２に逐次入力される。

制御部１２には電力計１２ａおよび回転計１２ｂが付設されている。ロータ２を回転駆動させるために要した瞬時電力量が電力計１２ａにより逐次検知される。電力計１２ａにより検知された瞬時電力量データＰ１は制御部１２に入力される。制御部１２では瞬時電力量を積算した積算電力量が算出されて、任意の混練期間おけるロータ２を回転駆動させるために要した積算電力量データＰ２を把握することができる。ロータ２の回転数は回転計１２ｂにより逐次検知されて制御部１２に入力される。

ラム室５ｂの内部を上下移動するラム６は、所定位置まで下方移動すると混練室５ａの上端開口を塞ぐことができる。ラム６は、油圧シリンダ等の昇降機構によって上下移動される。ラム６の上下移動（上下位置）が制御部１２により制御されることで、混練室５ａに投入されているゴム材料Ｒに対してラム６によって付与されるラム圧力が調整される。

目標物性の混練ゴムＲＦを製造するには、それぞれのロータ２によってゴム材料Ｒに対して所定量のせん断力を付与する必要がある。そして、それぞれのロータ２によってゴム材料Ｒに付与されるせん断力による仕事量は、それぞれのロータ軸２ｃに生じる回転トルクに対応する。したがって、混練工程において、目標物性の混練ゴムＲＦを得るための回転トルクデータＴｒの必要量の目標値が判明している。

そこで、混練工程の開始から終了までの期間を１つの評価期間または分割された複数の評価期間として、それぞれの評価期間において目標物性の混練ゴムＲＦを製造するために必要な回転トルクデータＴｒを積算した積算目標値ＭＴを予め設定しておく。この積算目標値ＭＴは演算部１３に入力、記憶されている。即ち、検知された回転トルクデータＴｒの積算値（実測積算値ＭＲ）が積算目標値ＭＴに到達するように混練を行うことで、目標特性の混練ゴムＲＦを得ることができる。

混練工程の開始から終了までの期間を１つの評価期間にする場合は、混練開始から終了までの積算目標値ＭＴが設定される。混練工程の開始から終了までの期間を分割された複数の評価期間にする場合は、例えば、ゴム素練り段階（Ｓ１）、配合剤取り込み段階（Ｓ２）、均一分散段階（Ｓ３）のそれぞれの段階に対応させた３つの評価期間にする。即ち、それぞれの段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３での積算目標値ＭＴが設定される。

予め設定された積算目標値ＭＴに対する許容範囲ＡＴも演算部１３に入力、記憶されている。実測積算値ＭＲが積算目標値ＭＴに対して許容範囲ＡＴ内であれば、目標特性の許容範囲内の混練ゴムＲＦを得ることができる。尚、積算目標値ＭＴおよび許容範囲ＡＴは事前に混練工程を行うことにより把握されている。許容範囲ＡＴは例えば積算目標値ＭＴの±５％程度である。

次に、本発明のゴム材料の混練方法によりゴム材料Ｒを混練する手順の一例を説明する。

混練工程では、図１の混練機１の混練室５ａに所定量の１バッチ分のゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ、非加硫系の配合剤Ｎ、オイル等）が投入され、目標物性（積算目標値ＭＴ）にするように所定の混練条件で（例えば、ロータ２の回転速度、ラム圧、混練時間などが制御されて）混練することで混練ゴムＲＦが製造される。

ゴム素練り段階（Ｓ１）においては、図１に例示するようにラム６をラム室５ｂの上端部の待機位置に保持した状態で、予め設定された所定量の原料ゴムＧを、ゴム投入部８を通じて混練室５ａに投入する。その後、ラム６をラム室５ｂの下端まで下方移動させる。この状態で、油投入部７を通じてオイルを混練室５ａに投入しながらロータ２を回転駆動して原料ゴムＧとオイルとを混練する。

配合剤取り込み段階（Ｓ２）では、ラム６をラム室５ｂの上端部の待機位置に移動させて、予め設定された種類の所定量の配合剤Ｎ（充填剤など）をホッパ９から配合剤投入部１０を通じて混練室５ａに投入する。その後、ラム６をラム室５ｂの下端まで下方移動させる。この状態で図５に例示するようにロータ２を回転駆動してゴム材料Ｒを混練する。

配合剤取り込み段階（Ｓ２）では、ゴム素練りした原料ゴムＧの上に載った配合剤Ｎを大きくかき混ぜて、徐々に小さなゴムの固まりが形成される。次いで、小さなゴムの固まりが徐々に大きくなり、最後には一塊りになる。配合剤取り込み段階（Ｓ２）では、ラム６を数回、ラム室５ｂの上端部に上昇させた状態にしてロータ２を回転させることによりゴム材料Ｒの上下を反転させるラム反転を行う。

均一分散段階（Ｓ３）では、配合剤Ｎを原料ゴムＧの全体に渡り均一に分散させる。この段階では当初、回転トルクは大きいが徐々に低下する。

均一分散段階（Ｓ３）が終了し、１バッチ分のゴム材料Ｒの混練工程が終了すると、排出扉１１を開いて混練室５ａの底面から混練ゴムＲＦが排出される。その後、順次、新たな１バッチ分のゴム材料Ｒに対して同様の混練工程が行われて、複数バッチ分のゴム材料Ｒが連続的に混練される。

Ｓ１〜Ｓ３の一連の混練工程では、トルクセンサ１５により回転トルクデータＴｒが逐次検知され、検知されたデータは演算部１３に逐次入力されて記憶される。演算部１３では逐次入力された回転トルクデータＴｒを設定されたそれぞれの評価期間で積算した実測積算値ＭＲを算出する。そして、それぞれの実測積算値ＭＲと、それぞれの実測積算値ＭＲに対応する評価期間の積算目標値ＭＴとの比較に基づいてゴム材料Ｒの混練状態を把握する。

例えば、実測積算値ＭＲが積算目標値ＭＴに対して許容範囲ＡＴ内であれば、混練状態は良好である（この時点でゴム材料Ｒは十分に混練されている）と演算部１３により判断される。一方、実測積算値ＭＲが積算目標値ＭＴの許容範囲ＡＴから外れていれば、混練状態は不良である（この時点でゴム材料Ｒは十分に混練されていない）と演算部１３により判断される。評価期間が複数に分割されている場合は、例えば、混練状態が不良であると判断された評価期間が１つでも存在していれば、その１バッチ分の混練工程は混練状態が不良であると判断される。

混練工程での回転トルクデータＴｒをロータ軸２ｃの変形に基づいて逐次検知すると、逐次検知した回転トルクデータＴｒには、駆動モータ３での損失、駆動モータ３とロータ２との間に介在する変速機４等での損失が含まれていない。したがって、この回転トルクデータＴｒは、ロータ２によってゴム材料Ｒに付与されたせん断力に概ね対応すると見なすことができる。それ故、回転トルクデータＴｒに基づいてゴム材料Ｒの混練状態をより精度よく把握することが可能になる。これに伴い、ゴム材料Ｒが良好な混練状態になったことを見極めることが容易になり、所定品質の混練ゴムＲＦを安定して製造するには有利になる。

また、この回転トルクデータＴｒを用いることでゴム材料Ｒの混練状態に対する混練機１の違いによる影響を概ね排除できる。そのため、混練機１の違いに起因する混練ゴムＲＦの品質のばらつきを抑制することも可能になる。尚、回転トルクデータＴｒとしては、例えば、それぞれのロータ軸２ｃに生じる平均値を採用することも、いずれか高い一方のデータを採用することもできる。

さらに、実測積算値ＭＲが、この実測積算値ＭＲに対応する積算目標値ＭＴの許容範囲ＡＴ内になるように混練条件を制御部１２により制御することもできる。即ち、混練工程のそれぞれの評価期間において、実測積算値ＭＲが積算目標値ＭＴに対して許容範囲ＡＴ内になるように、ロータ２の回転速度、ラム圧、混練時間などを制御して、目標特性の混練ゴムＲＦを製造する。

この実施形態では、回転トルクデータＴｒだけを用いて実測積算値ＭＲを算出しているが、温度データＴｍや電力量データＰの少なくとも一方を用いて実測積算値ＭＲを補正して算出することもできる。混練工程では、温度センサ１４により逐次検知された温度データＴｍおよび電力計１２ａにより逐次検知された電力量データＰも制御部１２に逐次入力されて記憶される。そして、回転トルクデータＴｒは、温度データＴｍや電力量データＰに対してある程度の相関関係（依存性）を有している。そこで、これらの相関関係（依存性）を予め把握しておくと、温度データＴｍや電力量データＰを用いて実測積算値ＭＲを補正することができる。

同じ混練機１を用いて同じ仕様のゴム材料Ｒを複数バッチ連続して混練する際には、目標物性の混練ゴムＦＲが製造されたバッチでの混練条件を、次のバッチでの混練工程においてフィードバックして用いることもできる。

ゴム材料Ｒと同じ仕様のゴム材料Ｒを同じ混練機１を用いて混練する際に、この同じ混練機１を用いて目標物性の混練ゴムＲＦが製造された直近の所定バッチ数ｉの混練工程での混練条件を、フィードフォワードして用いることもできる。この所定バッチ数ｉは、例えば１０〜６０にすることが好ましく、より好ましい所定バッチ数ｉは２０〜４０程度である。所定バッチ数ｉが１０未満であるとそれぞれのバッチにおけるばらつきを十分に均すことができない。一方、所定バッチ数ｉが６０超であると、直近に混練されたバッチであっても今回混練する１バッチ分のゴム材料Ｒとは、雰囲気環境（温度や湿度）等の条件が変化している可能性が高くなる。

本発明を適用できるのは、原料ゴムＧを非加硫系の配合剤Ｎとともに混練する場合だけに限らない。例えば、原料ゴムＧと非加硫系の配合剤Ｎ（硫黄や加硫促進剤など）とを混練して製造された混練ゴムＲＦと加硫系の配合剤Ｎとを混練して最終混練ゴムＲＦを製造する場合にも適用できる。

１ 密閉型混練機
２（２Ａ、２Ｂ） ロータ
２ｃ ロータ軸
２ｄ 撹拌羽根
３（３Ａ、３Ｂ） 駆動モータ
４ 変速機
５ａ 混練室
５ｂ ラム室
６ ラム
７ 油投入部
８ ゴム投入部
９ ホッパ
１０ 配合剤投入部
１１ 排出扉
１２ 制御部
１２ａ 電力計
１２ｂ 回転計
１３ 演算部
１４ 温度センサ
１５ トルクセンサ
Ｇ 原料ゴム
Ｎ 配合剤
Ｒ ゴム材料
ＲＦ 混練ゴム

Claims (8)

1. 原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料をバッチ毎に密閉型混練機の混練室で、前記混練室に内設されたロータを回転させることにより混練して目標物性の混練ゴムを製造するゴム材料の混練方法において、
   前記ゴム材料の混練工程での前記ロータを構成するロータ軸の回転トルクデータを前記ロータ軸の変形に基づいて逐次検知し、この検知した前記回転トルクデータに基づいて前記ゴム材料の混練状態を把握することを特徴とするゴム材料の混練方法。
2. 前記混練工程の開始から終了までの期間を１つの評価期間または分割された複数の評価期間として、それぞれの前記評価期間において前記目標物性の混練ゴムを製造するために必要な前記回転トルクデータを積算した積算目標値を予め設定しておき、逐次検知したそれぞれの前記評価期間での前記回転トルクデータを積算した実測積算値と、この実測積算値に対応する前記積算目標値との比較に基づいて前記ゴム材料の混練状態を把握する請求項１に記載のゴム材料の混練方法。
3. 前記実測積算値が、この実測積算値に対応する前記積算目標値の許容範囲内になるように混練条件を制御する請求項２に記載のゴム材料の混練方法。
4. 前記ゴム材料と同じ仕様のゴム材料を前記密閉型混練機を用いて複数バッチ連続して混練する際に、前記目標物性の混練ゴムが製造されたバッチでの混練条件を、次のバッチでの混練工程においてフィードバックして用いる請求項３に記載のゴム材料の混練方法。
5. 前記ゴム材料と同じ仕様のゴム材料を前記密閉型混練機を用いて混練する際に、前記密閉型混練機を用いて前記目標物性の前記混練ゴムが製造された直近の所定バッチ数の混練工程での前記混練条件を、フィードフォワードして用いる請求項３に記載のゴム材料の混練方法。
6. 原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料が投入される混練室と、この混練室に配置されたロータと、このロータを回転駆動させる駆動モータと、前記ロータと前記駆動モータとの間に介在する変速機とを備えた密閉型混練機と、前記密閉型混練機の動きを制御する制御部とを備えたゴム材料の混練システムにおいて、
   前記ロータを構成するロータ軸の回転トルクデータを前記ロータ軸の変形に基づいて逐次検知するトルクセンサと、前記回転トルクデータが逐次入力される演算部とを有し、前記回転トルクデータに基づいて前記演算部により前記ゴム材料の混練状態が判断される構成にしたことを特徴とするゴム材料の混練システム。
7. 前記混練工程の開始から終了までの期間を１つの評価期間または分割された複数の評価期間として、それぞれの前記評価期間において前記目標物性の混練ゴムを製造するために必要な前記回転トルクデータを積算した積算目標値が予め前記演算部に入力されていて、前記トルクセンサにより逐次検知されたそれぞれの前記評価期間での前記回転トルクデータを積算した実測積算値と、この実測積算値に対応する前記積算目標値との比較に基づいて前記演算部により前記ゴム材料の混練状態が判断される構成にした請求項６に記載のゴム材料の混練システム。
8. 前記実測積算値が、この実測積算値に対応する前記積算目標値の許容範囲内になるように前記制御部により混練条件が制御される請求項７に記載のゴム材料の混練システム。

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