JP2023154578A - ゴム材料の混練方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】目標品質の混練ゴムをより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】原料ゴムＧと配合剤Ｎとからなるゴム材料Ｒをバッチ毎に、密閉型混練機２により混練する際に、予め設定された所定時間Ｔでゴム材料Ｒを所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇまで昇温させる昇温過程でのゴム材料Ｒの目標昇温速度Ｖｇを、目標温度Ｍｇから所定温度Ｍ１を差し引いた値を所定時間Ｔで除して設定し（Ｖｇ＝（Ｍｇ－Ｍ１）／Ｔ）、昇温過程でのゴム材料Ｒの温度を温度センサ１４により逐次検知して、この検知データを用いて演算装置１３により算出したゴム材料Ｒの実測昇温速度Ｖｒと目標昇温速度Ｖｇとの差異Ｄの大きさに基づいて制御装置１２がロータ３の回転速度を制御してこの差異Ｄを減少させる。【選択図】図３

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、目標品質の混練ゴムをより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には未加硫の混練ゴムが使用されている。例えば、ゴム材料として、原料ゴム、カーボンブラック、フィラー、オイル等の非加硫系配合剤を、密閉型混練機によって混練することで一次混練ゴムが製造される。その後、一次混練ゴムに硫黄等などの加硫系配合剤を混練することで最終混練ゴムが製造される。

これら混練ゴムを製造する混練工程では、回転するロータによってゴム材料に対してせん断力を付与しつつ、配合剤を原料ゴムに分散させる。目標品質の混練ゴムを得るには、原料ゴムに配合剤を十分に分散させるとともに適度な粘度にする。目標品質の混練ゴムを得るための混練方法は種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１で提案されている混練方法では、密閉型混練機を用いてゴム材料の温度を制御しながら混練が行われる。

混練されているゴム材料の温度の経時変化（熱履歴）は、材料の反応具合などに密接に関連するので混練する際の重要な指標となる。混練工程の終了時のゴム材料の温度は開始時の温度よりも高くなるので、混練工程にはゴム材料を昇温させる過程が存在する。予め設定された所定時間の昇温過程では、ゴム材料を所定温度から目標温度まで上げる昇温速度がバラつくとゴム材料の熱履歴が変化するので、混練ゴムの品質がばらつく要因になる。特許文献１の混練方法で用いられているように混練しているゴム材料の温度を目標温度にするためにロータの回転速度をＰＩＤ制御すると、混練しているゴム材料の温度と目標温度との差異をより早く小さくしようとする。その結果、昇温過程の終了時よりも前の時点でゴム材料は目標温度に到達し、その後、昇温過程の終了時まで目標温度が維持されることになる。そして、ゴム材料が目標温度に到達するまでに要する時間は、逐次検知されるゴム材料の温度に依存するのでバラつき易く、これに伴って、予め設定された所定時間の昇温過程でのゴム材料の熱履歴にもバラつきが生じる。したがって、このようなゴム材料の温度制御では目標品質の混練ゴムを安定して製造するには不十分であり改善の余地がある。

特開２０２０－１００１１６号公報

本発明の目的は、目標品質の混練ゴムをより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に内設されたロータを回転させることにより混練するゴム材料の混練方法において、予め設定された所定時間Ｔで前記ゴム材料を所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇまで昇温させる昇温過程での前記ゴム材料の目標昇温速度Ｖｇを下記（１）式によって設定し、前記昇温過程で逐次検知した前記ゴム材料の実測昇温速度Ｖｒと前記目標昇温速度Ｖｇとの差異の大きさに基づいて前記ロータの回転速度を制御することにより、前記差異を減少させることを特徴とする。
目標昇温速度Ｖｇ＝（目標温度Ｍｇ－所定温度Ｍ１）／所定時間Ｔ・・・（１）

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をバッチ毎に混練する密閉型混練機と、前記密閉型混練機の混練室に内設されたロータの回転速度を制御する制御装置とを備えたゴム材料の混練システムにおいて、前記ロータを回転させることにより前記ゴム材料を混練する混練工程の予め設定された所定時間Ｔで前記ゴム材料を所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇまで昇温させる昇温過程での前記ゴム材料の目標昇温速度Ｖｇが下記（１）式によって設定されて、前記昇温過程での前記ゴム材料の温度を逐次検知する温度センサと、この温度センサによる検知データが逐次入力される演算装置とを有し、前記検知データを用いて前記演算装置により前記昇温過程での前記ゴム材料の実測昇温速度Ｖｒが逐次算出されるとともに、この実測昇温速度Ｖｒと前記目標昇温速度Ｖｇとの差異の大きさが逐次算出され、前記差異の大きさに基づいて前記制御装置が前記ロータの回転速度を制御することにより前記差異を減少させる構成にしたことを特徴とする。
目標昇温速度Ｖｇ＝（目標温度Ｍｇ－所定温度Ｍ１）／所定時間Ｔ・・・（１）

本発明によれば、混練工程の昇温過程でのゴム材料の目標昇温速度Ｖｇを、予め設定された所定時間Ｔの間でゴム材料の温度が一様に上昇する一定値に設定する。そして、昇温過程でのゴム材料の実測昇温速度Ｖｒを目標昇温速度Ｖｇに一致させるように前記ロータの回転速度を制御することで実測昇温速度Ｖｒを目標昇温速度Ｖｇに近づけるので、昇温過程の全期間でのゴム材料の熱履歴のバラつきが抑制されて熱履歴を一定化し易くなる。その結果、目標品質の混練ゴムをより安定して製造するには有利になる。

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Ａ－Ａ断面図である。 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。 混練工程でのゴム材料の温度の経時変化の代表例を模式的に示すグラフ図である。 実施形態による昇温過程でのゴム材料の目標昇温速度（温度の経時変化）を模式的に例示するグラフ図である。 昇温過程でゴム材料の目標温度と検知したゴム材料の温度との差異を減少させるようにロータの回転速度をＰＩＤ制御した場合のゴム材料の温度の経時変化を模式的に例示するグラフ図である。

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に例示するゴム材料の混練システム１の実施形態では、原料ゴムＧと配合剤Ｎとからなるゴム材料Ｒを混練することで所定品質の混練ゴムＲｎが製造される。この混練システム１は、加硫系配合剤が配合されていない一次混練ゴムＲｎ１を製造する場合、加硫系配合剤が配合されている最終混練ゴムＲｎ２を製造する場合のいずれにも適用することができる。一次混練ゴムＲｎ１は、原料ゴムＧと非加硫系配合剤Ｎ１とを混練することで製造される。最終混練ゴムＲｎ２は、一次混練ゴムＲｎ１と加硫系配合剤Ｎ２とを混練することで製造される。

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、公知の種々のゴム種が使用される。原料ゴムＧは１種単独でまたは２種以上を組合せて使用される。非加硫系配合剤Ｎ１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、ステアリン酸等の公知の種々の配合剤の中から適宜、必要なものが使用される。加硫系配合剤Ｎ２としては例えば、硫黄、加硫促進剤、加硫促進助剤、加硫遅延剤等の公知の配合剤の中から適宜必要なものが使用される。

この混練システム１は、密閉型混練機２（以下、混練機２という）と、混練機２の動きを制御する制御装置１２と、演算装置１３と、温度センサ１４とを備えている。演算装置１３は、様々なデータが入力されて種々の演算処理を行う。制御装置１２と演算装置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。温度センサ１４と演算装置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２は公知の種々のタイプを用いることができる。この混練機２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３（３Ａ、３Ｂ）と、ラム室５ｂを上下移動可能に配置されたラム６とを有している。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３Ａ、３Ｂは、ロータ軸３ｃとロータ軸３ｃに突設された撹拌羽根３ｄとを有している。それぞれのロータ３Ａ、３Ｂ（ロータ軸３ｃ）は対向配置されて、それぞれのロータ軸３ｃは変速機４ａを介して駆動モータ４に接続されている。それぞれのロータ３Ａ、３Ｂ（ロータ軸３ｃ）は、駆動モータ４によって互いに反対方向に回転駆動される。ロータ３Ａ、３Ｂ（ロータ軸３ｃ）の回転駆動および停止、回転速度は制御装置１２により制御される。

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の温度を逐次検知できればよいので、排出扉１１に限らず別に位置（ロータ軸３ｃ、撹拌羽根３ｄ、混練室５ａの内壁、ラム室５ｂの下面など）に設置することができる。温度センサ１４により検知された検知データ（ゴム材料Ｒの温度）は演算装置１３に逐次入力される。

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）は制御装置１２により制御される。ラム６が図３に例示する下限位置まで下方移動すると混練室５ａの上端開口が塞がれて混練室５ａは密閉状態になる。図３では待機位置にあるラム６が二点鎖線で記載されている。混練工程ではラム６を適宜上下移動させることにより、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。

制御装置１２には回転計１２ａおよび電力計１２ｂが付設されている。回転計１２ａはロータ３の回転速度を逐次検知して、その検知データは演算装置１３に逐次入力される。電力計１２ｂは、ロータ３を回転駆動させるために要した瞬時電力量Ｐ１を逐次検知して、その検知データは演算装置１３に逐次入力される。演算装置１３により、瞬時電力量Ｐ１を積算した積算電力量Ｐが算出され、任意の混練期間おけるロータ３を回転駆動させるために要した積算電力量Ｐを把握することができる。

制御装置１２、演算装置１３としてはコンピュータが用いられる。この実施形態では制御装置１２と演算装置１３とが別々に設けられているが、制御装置１２を演算装置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装置１２および演算装置１３として機能させる構成にすることもできる。

図４に例示するように、１バッチのゴム材料Ｒの混練工程は、主に、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。混練工程では、混練されているゴム材料Ｒの温度は図４に例示するように変化する（変化させる）。

ゴム素練り段階（Ｓ１）では、図１に例示するようにラム６をラム室５ｂ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の下限位置に下方移動させる。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３を回転駆動して原料ゴムＧとオイルとを混練する。ゴム素練り段階（Ｓ１）では、投入される原料ゴムＧやオイルの温度などに起因してゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）の温度が安定していない。

配合剤取り込み段階（Ｓ２）では、ラム６をラム室５ｂ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の下限位置に下方移動させる。この状態で図３に例示するようにロータ３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、ゴム材料Ｒを所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇに昇温させる。即ち、配合剤取り込み段階（Ｓ２）にはゴム材料Ｒの温度を上昇させる昇温過程がある。

図４では、１回目の昇温過程の後にゴム材料Ｒの温度が略一定になる短い期間があり、その後２回目の昇温過程がある。ゴム材料Ｒを所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇに昇温させるには１回の昇温過程を設定してもよく、複数回（２回～３回）の昇温過程を設定してもよい。２回の昇温過程を設定する場合は、例えば、１回目と２回目の昇温過程の混練時間を同じにするとともに、１回目の終了時のゴム材料Ｒの目標温度は、所定温度Ｍ１と目標温度Ｍｇとの略中間の温度にする。

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、図３に例示するようにロータ３を回転駆動してゴム材料Ｒを混練しつつ、ゴム材料Ｒの温度を概ね一定に維持する。

この実施形態では、予め設定された所定時間Ｔでゴム材料Ｒを所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇまで昇温させる昇温過程でのゴム材料Ｒの目標昇温速度Ｖｇが下記（１）式によって設定される。
目標昇温速度Ｖｇ＝（目標温度Ｍｇ－所定温度Ｍ１）／所定時間Ｔ・・・（１）

即ち、図５に右上がりのリニアな直線で例示するように、昇温過程でのゴム材料Ｒの目標昇温速度Ｖｇは、予め設定された所定時間Ｔの間でゴム材料Ｒの温度が所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇに一様に上昇する一定値に設定される。演算装置１３にはこの目標昇温速度Ｖｇが入力されている。尚、複数回の昇温過程を設定する場合は、それぞれの昇温過程で同様に目標昇温速度Ｖｇを設定する。基本的には、それぞれの昇温過程での目標昇温速度Ｖｇは同じにする。

次に、この混練システム１を用いてゴム材料を混練する手順の一例を説明する。

混練工程では、図１に例示するように混練機２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、配合剤Ｎ）が投入される。次いで、図３に例示するようにロータ３を回転させることによりゴム材料Ｒを混練して、図４に例示する一連の段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を経て混練ゴムＲｎを製造する。

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Ｒｎを排出させる。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。

混練工程では、混練されているゴム材料Ｒの温度を温度センサ１４により逐次検知する。温度センサ１４による検知データが逐次入力される演算装置１３は、この検知データを用いて昇温過程でのゴム材料Ｒの実測昇温速度Ｖｒを逐次算出する。そして、逐次算出した実測昇温速度Ｖｒと目標昇温速度Ｖｇとの差異Ｄの大きさを逐次算出する。

制御装置１２は、逐次算出された差異Ｄの大きさに基づいて、ロータ３の回転速度を制御することによりこの差異Ｄを減少させる。基本的に、ロータ３の回転速度を速くするに連れてゴム材料Ｒの昇温速度が速くなり、ロータ３の回転速度を遅くするに連れてゴム材料Ｒの昇温速度は遅くなる。したがって、実測昇温速度Ｖｒが目標昇温速度Ｖｇに対して速い場合はロータ３の回転速度を遅くする制御を行い、実測昇温速度Ｖｒが目標昇温速度Ｖｇに対して遅い場合はロータ３の回転速度を速くする制御が行われる。

このようにゴム材料Ｒの昇温過程を予め設定された所定時間Ｔにして、ゴム材料Ｒの昇温速度を指標として差異Ｄを減少させる。即ち、この実施形態では、ゴム材料Ｒの実測昇温速度Ｖｒを、図５に例示する右上がりのリニアな直線の傾斜で示される目標昇温速度Ｖｇに一致させるようにロータ３の回転速度が制御される。このように実測昇温速度Ｖｒを目標昇温速度Ｖｇに近づけるので、昇温過程でのゴム材料Ｒの温度の経時変化は概ね図５に例示するようになる。

図５に例示する右上がりのリニアな直線を昇温過程の所定時間Ｔで積分すると、この昇温過程でのゴム材料Ｒの熱履歴になる。したがって、この実施形態によれば、昇温過程の全期間でのゴム材料Ｒの熱履歴のバラつきが抑制されて熱履歴を一定化し易くなる。即ち、予め設定された所定時間Ｔで必要な熱履歴を過不足なくゴム材料Ｒに付与するには有利になる。その結果、目標品質の混練ゴムＲｎをより安定して製造するには有利になる。

一方、ゴム材料Ｒの昇温過程で、ゴム材料Ｒの目標温度Ｍｇと逐次検知したゴム材料Ｒの温度との差異を減少させるようにロータ３の回転速度をＰＩＤ制御した場合は、ゴム材料Ｒの温度の経時変化は図６に例示するようになる。図６には３種類のゴム材料Ｒを混練した場合のデータ（３つのデータ）が太線の実線、太線の破線、太線の一点鎖線で記載されている。

図６に例示するように、ゴム材料Ｒの目標温度Ｍｇと逐次検知したゴム材料Ｒの温度との差異を減少させるようにすると、逐次検知したゴム材料Ｒの温度と目標温度Ｍｇとの差異をより早く小さくしようとするので、昇温過程の終了時よりも前の時点でゴム材料Ｒは目標温度Ｍｇに到達し、その後、昇温過程の終了時まで目標温度Ｍｇが維持される。図６に例示するように、ゴム材料Ｒが目標温度Ｍｇに到達するまでに要する時間は、逐次検知されるゴム材料Ｒの温度に依存するのでバラつき易い。そして、図６に例示するゴム材料Ｒの温度データを昇温過程の所定時間Ｔで積分すると、この昇温過程でのゴム材料Ｒの熱履歴になる。したがって、この方法では、予め設定された所定時間Ｔの昇温過程でのゴム材料Ｒの熱履歴にもバラつきが生じ易く、上述した実施形態に比して目標品質の混練ゴムＲｎを安定して製造するには不利になる。

この実施形態で差異Ｄを減少させるようにロータ３の回転速度を制御する際には、差異Ｄの大きさに基づいて回転速度を比例制御（Ｐ制御）するとよい。即ち、差異Ｄの大きさに所定係数Ｋ１を乗じた値に応じて回転速度を制御する。これにより、差異Ｄが大きい程、回転速度を急激に変化させ、差異Ｄが小さい程、回転速度をゆっくりと変化させてより円滑に差異Ｄを減少させることができる。

より好ましくは、差異Ｄの大きさに基づいて回転速度を比例・積分制御（ＰＩ制御）するとよい。即ち、比例制御に加えて、差異Ｄの大きさの累積に所定係数Ｋ２を乗じた値に応じて回転速度を制御する。これにより、差異Ｄの定常偏差を抑制することができる。尚、ゴム材料Ｒの昇温速度は短時間ではバラつきが大きいため、回転速度をＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）すると、回転速度の変動が過大になる。それ故、差異Ｄを減少させるためにロータ３の回転速度を制御する際には、ＰＩＤ制御は行わないことが望ましい。

本発明は、ゴム材料Ｒの昇温過程での目標温度Ｍｇを厳守することが要求される場合に非常に有効である。例えば、混練するゴム材料Ｒが、加硫系配合剤が配合されていない未加硫ゴムであり、配合剤Ｎとしてシリカおよびシランカップリング剤を含む場合は、目標温度Ｍｇを厳守することが非常に重視されるため、本発明を適用することが特に好ましい。

１ 混練システム
２ 密閉型混練機
３（３Ａ、３Ｂ） ロータ
３ｃ ロータ軸
３ｄ 撹拌羽根
４ 駆動モータ
４ａ 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 制御装置
１２ａ 回転計
１２ｂ 電力計
１３ 演算装置
１４ 温度センサ
Ｇ 原料ゴム
Ｎ（Ｎ１、Ｎ２） 配合剤
Ｒ ゴム材料
Ｒｎ（Ｒｎ１、Ｒｎ２） 混練ゴム

Claims (5)

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に内設されたロータを回転させることにより混練するゴム材料の混練方法において、
   予め設定された所定時間Ｔで前記ゴム材料を所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇまで昇温させる昇温過程での前記ゴム材料の目標昇温速度Ｖｇを下記（１）式によって設定し、前記昇温過程で逐次検知した前記ゴム材料の実測昇温速度Ｖｒと前記目標昇温速度Ｖｇとの差異の大きさに基づいて前記ロータの回転速度を制御することにより、前記差異を減少させるゴム材料の混練方法。
   目標昇温速度Ｖｇ＝（目標温度Ｍｇ－所定温度Ｍ１）／所定時間Ｔ・・・（１）
2. 前記配合剤が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であり、前記ゴム材料は加硫系配合剤が非配合の未加硫ゴムである請求項１に記載のゴム材料の混練方法。
3. 前記差異の大きさに基づいて前記回転速度を比例制御する請求項１または２に記載のゴム材料の混練方法。
4. 前記差異の大きさに基づいて前記回転速度を比例・積分制御する請求項１または２に記載のゴム材料の混練方法。
5. 原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料をバッチ毎に混練する密閉型混練機と、前記密閉型混練機の混練室に内設されたロータの回転速度を制御する制御装置とを備えたゴム材料の混練システムにおいて、
   前記ロータを回転させることにより前記ゴム材料を混練する混練工程の予め設定された所定時間Ｔで前記ゴム材料を所定温度Ｍ１から目標温度Ｍｇまで昇温させる昇温過程での前記ゴム材料の目標昇温速度Ｖｇが下記（１）式によって設定されて、
   前記昇温過程での前記ゴム材料の温度を逐次検知する温度センサと、この温度センサによる検知データが逐次入力される演算装置とを有し、
   前記検知データを用いて前記演算装置により前記昇温過程での前記ゴム材料の実測昇温速度Ｖｒが逐次算出されるとともに、この実測昇温速度Ｖｒと前記目標昇温速度Ｖｇとの差異の大きさが逐次算出され、前記差異の大きさに基づいて前記制御装置が前記ロータの回転速度を制御することにより前記差異を減少させる構成にしたゴム材料の混練システム。
   目標昇温速度Ｖｇ＝（目標温度Ｍｇ－所定温度Ｍ１）／所定時間Ｔ・・・（１）

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