JP3868757B2 - ゴム系組成物の混練装置および混練方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴムの素練りやゴムと各種配合剤などを混合したゴム系組成物を混練する混練装置および混練方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ゴムと各種の配合剤からなるゴム系組成物の混練物を製造する際、所定量の原料を１回ずつ断続的に混練処理するバッチ式がよく用いられる。しかし、生産性向上の観点から連続的に混練処理するゴム系組成物の混練方法も提案されている（特開平１１−２６２９４５号公報）。これは、ゴム系組成物の代表的な混練機である２軸押出し機を用いるものであって、該２軸押出し機にゴム投入口を設け、そこにゴム供給用押出し機をさらに接続し、連続的にゴム系組成物を供給しながら、該２軸押出し機にて連続混練を行うものである。
【０００３】
しかし、特開平１１−２６２９４５号公報に記載された連続式混練方法は、高粘性のゴム系組成物を対象とするものではなく、該公報における実施例１の記載のように、ムーニー粘度値（１００℃）が４７程度の低粘性のゴム系組成物に対して連続混練化を図ることを目的とするものである。
【０００４】
ムーニー粘度値（１００℃）が、１００を超えるような高粘性のゴム系組成物（例えば、天然ゴムを主成分とし、カーボンを３０部以上加えたものなど）の混練物を製造する場合、各種配合剤の分散度を向上させる目的に加え、該ゴム系組成物の粘度を押出し成形などの後工程での加工に適した粘度にまで低下させることを目的として混練処理が施される。これは、機械的剪断によるゴム分子鎖の切断による粘度低下を狙って行われるものであるが、粘度が高いほど、ゴムに付与される機械的剪断力による発熱量が多くなり、あまり高温になってしまうとゴムの物性が変化し、ゴムとしての性能が劣化してしまう。一般的には、１６０℃を超えると、ゴムとしての性能上、支障をきたすレベルになってしまう。また、低温で混練を行うほど、ゴムの粘度が高いため、機械的剪断による分子鎖の切断効果を発揮しやすく、混練効率の面からも好ましい。実際に、高粘性のゴム系組成物の混練を行う場合、ゴムの物性確保の面から要求される温度範囲を超えないように、混練対象物を低温に維持したままで、所定の粘度低下および配合剤の分散度を得ることは極めて困難である。そのため、バッチ式混練機にて混練を行い、混練中に１６０℃付近に達すると、一旦混練対象物を混練機から取り出し、シートに成形後常温まで冷却し、再度、粘度低下のために、混練を行っている。この、再混練は、レミル工程と呼ばれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法によって、高粘性のゴム系組成物の混練物を製造する場合、所望の粘度に低下するまで上記のレミル工程を複数回繰り返すのが通常であり、５回程度までレミルが行われることもよくある。このため、バッチ式混練機での混練と冷却を繰り返すことに伴う生産性の低下は避けがたく、また、熱履歴が加わるに従って、ゴムの変質も生じやすくなるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、高粘性のゴム系組成物に対して、レミルを繰り返し行うことなく、連続混練処理を可能にし、生産性の飛躍的向上を図るゴム系組成物の混練装置および混練方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明の具体的手段及び請求項２に記載の発明に対応した第1の発明のゴム系組成物の混練装置は、ゴムと各種配合剤などを混合したゴム系組成物を流動させるとともに剪断力を与えて混合および分散させ、所望の混練状態の混練物とするゴム系組成物の混練装置であって、（１）筒状の空洞部であるチャンバを有したバレルと、該チャンバ内で回転することで、混練対象物を回転により軸方向に押出す一対のスクリュ―セットであって、螺旋翼のスクリュ部及び前記チャンバ内壁とのクリアランスで混練対象物を流動させるとともに剪断力を付与する１以上の混練翼部を有するスクリュ―セットと、を有する混練押出機と、（２）該バレルに設けたゴム投入口に、略一定体積速度または一定重量速度でゴム系組成物を搬入するゴム定量フィード機と、（３）前記バレルの１箇所以上に設けられ、注水ポンプなどと接続されてチャンバ内に注水が可能な注水機構（前記バレルの１箇所以上に設けられ、チャンバ内に、混練中の混練対象物から気化熱を奪うことのできる液体の抜熱媒体を注入する機構）と、（４）チャンバ内にて混練対象物と一旦混合された水分を該混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する１以上の脱水機構（前記バレルの１箇所以上に設けられ、チャンバ内にて混練対象物と一旦混合された前記抜熱媒体を該混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する機構）と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成は、ゴム系組成物を定量的に混練押出機に供給しながら、連続的に混練を行い、合わせて、チャンバ内への注水と、チャンバ外への排水も連続的に行うものである。すなわち、これによると、チャンバ内へと注入された水が、混練により発熱しているゴム系組成物と一旦混合されて十分に接触することで抜熱を行い、さらに、その水は、チャンバ外へと排出されていくため、効率よく混練中のゴム系組成物の抜熱処理を行うことができる。したがって、高粘性のゴム系組成物においても、高温状態を生じさせずに所望の粘度まで低下させる混練処理を行うことが可能になる。つまり、高粘性のゴム系組成物に対して、レミルを繰り返し行うことなく、連続混練処理を可能にし、生産性の飛躍的向上を図ることができる。なお、この構成によると、注水機構と脱水機構の位置や数、注水量を任意に選択することが自在にできるため、ゴム系組成物と押出し機の特性に応じて適切に冷却能力を調整することも可能である。
そして、例えば、ゴム系組成物が高温で供給された場合、あるいはゴム定量フィード機を通過させることによってゴム系組成物の温度が上昇し、混練効果が低下する場合には、混練押出機中で外部から供給された水と接触させ、ゴム系組成物を主として水の顕熱で冷却し、バレルに設けたスリットなどの脱水機構から冷却に使用した水を外部に排出することによりゴム系組成物の冷却を促進し、さらに後段の混練工程へと送ることもできる。
【０００９】
なお、バッチ式混練機において、水を添加して混練を行うものとして、特開平７−２２７８４５号公報に記載されたものが知られている。これは、発泡率や寸度などで規格を満足しなかった未加硫のタイヤ用発砲ゴムの再利用方法に係るものであって、バッチ式の密閉式ミキサーに未加硫の発砲ゴムとともに少量の水を添加して混練することで、発砲剤を分解除去するものである。すなわち、特開平７−２２７８４５号公報に係る未加硫発砲ゴム再利用方法は、本発明とは、解決しようとする課題、および発明の構成ともに異なるものである。
【００１０】
請求項１に記載した発明の具体的手段としての第２の発明のゴム系組成物の混練装置は、第1の発明において、前記脱水機構（前記バレルの１箇所以上に設けられ、チャンバ内にて混練対象物と一旦混合された前記抜熱媒体を該混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する機構）の構成要素が、前記スクリュ部が位置するチャンバ内を減圧吸引可能に接続される真空ポンプであることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成は、減圧下にあるスクリュ部にゴム系組成物とともに押出された水を、蒸発させて真空ポンプに吸引することで、混練対象物をチャンバ外へと排出してしまうことなく、水のみを効率よく排出するものである。すなわち、これによると、混練対象物から水を分離する際に、水が混練対象物から気化熱を奪い、水の気化熱は水の温度上昇熱に対して格段に大きいため、少量の水で効率のよい冷却手段を与えることができる。そして、蒸発によって混練対象物から水分を除去してしまうため、混練後のゴム系組成物に水分を残存させにくく、脱水性の良好な脱水機構を与えるものである。また、両混練翼部で挟まれたスクリュ部を減圧吸引するため、混練翼部に充満した混練対象物によるシール効果を発揮することができ、水分を蒸発させるために十分な減圧空間を現出することができる。
なお、この抜熱媒体は水以外のものであってもよく、同様の効果を得られる。
【００１２】
参考発明である第３の発明のゴム系組成物の混練装置は、第１または第２の発明において、前記脱水機構の構成要素として、前記スクリュ部が位置する部分のバレルに形成されたスリットを有することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、冷却水量が多く必要な場合でも、効率よく脱水が可能となる。そして、簡易な設備構成で脱水機構を実現できる。また、混練押出機に供給されるゴム系組成物が高温の状態であっても、混練処理に入る前に、効率よく冷却することも可能である。
【００１４】
参考発明である第４の発明のゴム系組成物の混練装置は、第１〜第３の発明において、前記混練翼部のゴム押出し側出口にスクリューセットを挟むように設けられ、該スクリュ―セットとの間に形成されるギャップを調整可能な１以上のギャップ調整機構を有していることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、混練翼部出側のギャップ、すなわち、混練対象物の通過面積を変更することで、押出される混練対象物に対して絞りを加え、混練対象物の流動抵抗を変化させることができ、混練押出機中の材料滞留時間を調整できる。すなわち、混練翼部における混練対象物の充満度を調整でき、所望の混練条件に調整することが容易になる。
【００１６】
参考発明である第５の発明のゴム系組成物の混練装置は、第１〜第４の発明において、前記ゴム定量フィード機は、前記バレルに設けたゴム投入口に接続しているギヤポンプまたはスクリュ押出し機であることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、ゴム定量フィード機として、ギヤポンプまたはスクリュ押出し機を用いることで、安定して、ゴム系組成物を定量的に混練押出機に供給することができる。これによって、当該混練装置によって、混練される混練物の品質のばらつきを抑制することができる。また、原料となるゴム系組成物の形態についても、ブロック、ベール、シート、リボン等とくに制約もなく、幅広い形態を選択することが可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明に対応した第６の発明のゴム系組成物の混練装置は、第1〜第５の発明において、前記チャンバ内の混練対象物の温度を測定可能な温度測定部と、該温度測定値に基づき、前記チャンバ内に注入する注水量、または前記スクリュ―セットの回転速度を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、混練中のゴム系組成物の温度に応じて、混練押出機の運転条件や冷却条件を変更することが可能になる。すなわち、混練中の発熱状況は常時変化するが、その状況の変化に応じて、常に、最も効率のよい混練条件を実現できるように、適切な冷却条件と回転速度に変更することができる。
【００２０】
請求項３に記載した発明の具体的手段としての第７の発明のゴム系組成物の混練方法は、スクリュ―セットをチャンバ内で回転可能に有した混練押出機に対して、ゴムと各種配合剤などを混合したゴム系組成物である混練対象物を前記チャンバ内に略一定体積速度又は一定重量速度で供給するゴム供給工程と、前記混練押出機にて、前記スクリュ―セットに設けた混練翼と前記チャンバ内壁とのクリアランスで混練対象物を流動させるとともに剪断力を与えて混合および分散させながら前記チャンバ内を移動させる混練工程と、前記チャンバ内に水を注入し、前記混練中若しくは混練前の状態の混練対象物を水と混合する注水工程（前記チャンバ内に、混練中の混練対象物から気化熱を奪うことのできる液体の抜熱媒体を注入し、前記混練中若しくは混練前の状態の混練対象物を抜熱媒体と混合する工程）と、前記チャンバ内にて混練対象物と一旦接触された水分を混練対象物と分離してチャンバ外へと排出する脱水工程（前記チャンバ内にて混練対象物と一旦接触された抜熱媒体を混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する工程）と、を備えていることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、混練押出機で連続的にゴム系組成物の混練を行うとともに、混練中の抜熱も同時に行うことができる。そのため、高粘性のゴム系組成物であっても、高温状態を生じさせずに所望の粘度まで低下させる混練処理を行うことが可能になる。すなわち、高粘性のゴム系組成物に対して、レミルを繰り返し行うことなく、連続混練処理を可能にし、生産性の飛躍的向上を図ることができる。
【００２２】
請求項３に記載した発明の具体的手段としての第８の発明のゴム系組成物の混練方法は、第７の発明において、前記脱水工程（前記チャンバ内にて混練対象物と一旦接触された抜熱媒体を混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する工程）が、前記スクリュ―セットにおける混練翼部以外を構成しているスクリュ部が位置するチャンバ内を減圧吸引することからなることを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、スクリュ部にゴム系組成物とともに押出された水を蒸発させて、そのまま前記チャンバの外へと排出することが可能になる。そのため、水分のみを排出することができるとともに、蒸発時の気化熱によっても、混練対象物からの抜熱を図ることができ、効率よく冷却を行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施形態例１）
本発明の実施の形態を図１に基づいて以下に説明する。図１は、本実施形態に係るゴム系組成物の混練装置の側面からみた断面模式図であり、この混練装置は、一般的な同方向回転噛合型２軸混練押出機１を有している。そして、２軸混練押出機１には、ゴム定量フィード機２が接続しており、さらに、注水機構を構成する注水ポンプ３、４と、脱水機構を構成する真空ポンプ５、６が接続している。また、２軸混練押出機１の先端は、大気開放とし、塊状でゴム系組成物を排出するものである。
【００２５】
２軸混練押出機１は、一対のスクリュ―セット７と、このスクリューセット７が回転するための筒状の空洞部であるチャンバ８を有したバレル９とを備えている。一対のスクリューセット７は、図１の側面図において重なるように、軸心同士が平行となって配置されているものであり、チャンバ８内に投入される混練対象物を回転によりそれぞれ軸方向に押出すものである。そして、螺旋翼を有したスクリュ部７ａ（第１）、７ｃ（第２）、７ｅ（第３）、７ｇ（第４）と、チャンバ８の内壁とのクリアランスで混練対象物を流動させるとともに剪断力を付与する混練翼部７ｂ（第１）、７ｄ（第２）、７ｆ（第３）、７ｈ（第４）とを軸方向に交互に有している。また、両スクリューセット７は、図１において図示しない駆動機構に連結され、この駆動機構により回転駆動されるようになっているものである。
【００２６】
上記の各スクリュ部に形成される螺旋翼は、スクリュ―セット７の周方向に沿いながら、軸方向に進行するように形成されており、この螺旋翼の頂部が、スクリューセット７の軸中心から等距離に位置するように形成されている。そして、同一方向の螺旋翼を有した一対のスクリューセット７が、同一方向に回転することで、スクリュ部の回転とともに混練対象物を図１において右方向に移動させるものである。スクリュ部に設けられる螺旋翼は、必ずしも軸方向に均等間隔に螺旋を形成しているものでなく、螺旋翼が粗な部分と、密な部分を有するものであってもよい。例えば、後述するように混練対象物に冷却のために注水した場合に、混練対象物の押出し下流側の螺旋翼を密にして、混練対象物に充満圧縮作用を加えることによる脱水機能を持たせるようにしたり、また、チャンバ８内の一部の減圧吸引を行う場合に、該減圧吸引される空間の前後に位置する螺旋翼を密にして、あるいは混練対象物をせき止める効果のある螺旋翼や板を配置して、前記減圧吸引空間の前後を混練対象物で充満させるようにし、シール効果を発揮させるようにしてもよい。また、途中に逆方向の螺旋翼である逆ねじを一部設けたり、あるいはロータやニーディングディスクであって、逆方向の翼が形成されたものである戻しセグメント（Ｌセグメント）を一部設けることで、混練対象物の充満率を上げ、加圧状態を達成するようにしてもよい。
【００２７】
上記各スクリュ部に挟まれるように位置する各混練翼部は、スクリューセット７の周方向に１２０°等分配置され、混練に適した断面形状すなわち混練対象物に対する食込み角を備えた形状の３個の混練翼を有しており、各混練翼は、周方向に沿いながら軸方向に進行するゆるやかな螺旋状に形成されている。そして、各混練翼部の中間点において、螺旋方向を逆方向に転換するように形成されている。ここで、押し出し上流側の螺旋翼の螺旋方向を正方向、下流側の螺旋翼の方向を逆方向としておく。正方向と逆方向の螺旋翼から形成されている混練翼部に送られた混練対象物は、混練翼部内に滞留するように充満し、混練される。混練は、両スクリューセットの混練翼間と正方向および逆方向の混練翼間を混練対象物が流動するように行われる。混練翼部の断面形状については、図２にＡ−Ａ’線矢視断面図で示す。これは、チャンバ８の内壁と混練翼１０とのクリアランスで、混練対象物１１を混練している様子を表しているものである。Ａ−Ａ’線矢視断面においては、混練翼１０は、１２０°等配分された３個のチップ状に形成されており、食込み角αを備えている。なお、螺旋方向が逆転する中間点は、混練翼部のまさに中間に位置するものでなくてもよく、例えば、押出し下流側に位置して、混練対象物の移動を促しやすい構成を有していてもよい。
【００２８】
チャンバ８の構造については、図２の断面図に示すように、一対のスクリューセット７がそれぞれ回転するための筒状空洞部が並列に連通するように形成されている。そして、チャンバ８を形成するようにバレル９が構成される。バレル９は、各スクリュ部および各混練翼部毎に分離可能なユニットから構成される。これは、スクリュ部や混練翼部の種々の組み合わせを選択すること、あるいは、注水機構と脱水機構の数や位置を適宜選択することに対応するものである。
なお、バレル９の少なくとも１ユニットに冷却媒体を通す冷却ジャケットを内包的あるいは外包的に設けてもよい。
【００２９】
以上のように、２軸混練押出機１が構成される。そして、２軸混練押出機１の上流側に位置する第１スクリュ部７ａには、チャンバ９内にゴム系組成物を供給するためのゴム投入口１２が設けられている。このゴム投入口１２には、図１に示すように、２軸押出しスクリュを有したゴム定量フィード機２が接続している。この２軸押出しスクリュにより、原料となるゴム系組成物が連続的にチャンバ９内へ供給される。このゴム定量フィード機２によれば、原料ゴムの形態が、粉末状であっても塊状であっても、とくに制約となることなく定量的に連続供給が可能となる。なお、ゴム定量フィード機２としては、必ずしも２軸押出しスクリュタイプでなくてもよく、１軸スクリュや３軸以上のスクリュ、また、ギヤポンプからなるものであってもよい。これらいずれにおいても、原料ゴムの形態によらずに、定量的に連続供給が可能となる。
【００３０】
また、２軸混練押出機１には、注水ポンプ３および４が、それぞれ第２混練翼部７ｄおよび第３混練翼部７ｆが位置するバレル部分に設けられた注水口１３および１４に接続しており、これらの構成により注水機構が形成される。この注水ポンプ３および４から送水される水が、注水口１３および１４を通じてチャンバ９内に注水され、混練対象物と水が混合されることで、発熱している混練対象物から抜熱を行うことができる。
【００３１】
そして、第３スクリュ部７ｅおよび第４スクリュ部７ｇの位置するバレル部分には、該バレル部分に設けられた吸引口１５および１６を通じて真空ポンプ５および６が接続している。この真空ポンプ５および６によって第３スクリュ部７ｅと第４スクリュ部７ｇが位置する部分のチャンバ８内を減圧吸引することができる。このように減圧されることで、第２スクリュ部７ｄおよび第３スクリュ部７ｆで注水され混練対象物中に含まれている水分が蒸発し、そのまま真空ポンプ５および６に吸引される。
【００３２】
第２混練翼部７ｄで、初めて注水機構を設けているのは、第１混練翼部７ｂでは、冷却が必要なほどの高温状態とはならず、また、下流側で減圧脱水を行うために、ゴム系組成物の発熱をある程度促して可塑化させ、シール効果を発揮できるようにする必要がある場合を考慮したものである。また、最後尾になる第４混練翼部７ｈには、その下流側で減圧脱水することができないため、注水機構を設けていない。一方、２軸混練押出機１にフィードされるゴム系組成物が高温となっている場合、ゴム系組成物は、第１混練翼部７ｂですでにシール効果を発揮できる状態になっており、第１混練翼部７ｂでも注水し、第２混練翼部７ｄとの間で減圧吸引することも可能である。
なお、冷却媒体を通す冷却ジャケットを設けた場合には、注水による直接的な冷却にさらに間接的な冷却が付加されるため、発熱している混練対象物から更に効果的に抜熱することができる。
【００３３】
以上上が、本実施形態例１に係るゴム系組成物の混練装置の構成である。なお、混練翼部とスクリュ部の段数は、必ずしも本実施形態例に限定されるものではなく、対象とするゴム系組成物の材質や所望する粘度低下値などによって、自由に選択することが望ましい。また、注水機構と脱水機構の数および位置についても、同様である。
【００３４】
次に、本実施形態例１に係るゴム系組成物の混練装置の作動形態について、ゴム系組成物の混練物が製造される流れに従って説明する。まず、カーボンブラックなどの充填剤や各種配合剤が混合され、粉末状あるいは塊状、またはシート状などの種々の形態からなるゴム系組成物の原料が、ゴム定量フィード機２に投入される。ゴム定量フィード機２に投入された原料ゴムは、ゴム定量フィード機２を構成する２軸押出しスクリュによって、定量的に２軸混練押出機１の投入口１２へと搬送される。
【００３５】
投入口１２を通じて定量的に２軸混練押出機１に供給された原料ゴムは、第１スクリュ部７ａの位置するチャンバ８内へと搬入される。このとき、一対のスクリューセット７は、図示しない駆動装置によって互いに回転している。そして、スクリュ部７ａの旋回する螺旋翼によって、混練対象物であるゴム系組成物が、第１混練翼部７ｂに押出される。第１混練翼部７ｂでは、第１スクリュ部７ａから搬送されてきた混練対象物が、混練翼とチャンバ８内壁との間に滞留するように充満していき、充満しながら、混練翼とチャンバ８内壁との間のクリアランスで、流動するとともに剪断力を与えられて混合および分散されるように混練される。
【００３６】
そして、第１混練翼部で混練された混練対象物は、上流側から充満してくる混練対象物によって押出されるようにして第２スクリュ部７ｃに移動する。第２スクリュ部７ｃに移動した混練対象物は、螺旋翼の旋回動作によって、第２混練翼部７ｄに搬送される。
【００３７】
第２混練翼部７ｄに搬送された混練対象物は、第１混練翼部７ｂのときと同様に再び混練されるが、第２混練翼部７ｄでは、注水ポンプ３から送水される水が、注水口１３を通じて注水される。そのため、混練対象物は、混練と同時に水と接触される。このとき、混練対象物は、第１混練翼部７ｂでの混練時の発熱によってある程度高温になっており、さらに、第２混練翼部７ｄでの混練によっても発熱するため、さらに高温になる。しかし、ここで、注水された水が混練対象物と共に攪拌されることで、十分に接触するために、混練対象物から抜熱を行うことができる。
【００３８】
こうして、注水によって冷却された混練対象物は、上流側から第２混練翼部７ｄに移動してきた混練対象物によって第３スクリュ部７ｅに押出される。第３スクリュ部７ｅでは、上流側のスクリュ部と同様に、混練対象物の搬送を行うが、真空ポンプ５によって、吸引口１５を通じてチャンバ８内の雰囲気ガスが吸引され、減圧空間が現出される。このとき、前後の混練翼部に充満した混練対象物が前記減圧空間を確保するためのシール効果を果たすことになる。また、前述のように、第３スクリュ部７ｅの上流端と下流端の螺旋翼を軸方向に密にして、吸引口１５の位置する部分を粗となるようにし、前記密部分で混練対象物を充満させてシール効果を発揮させるものであってもよい。
このように第３スクリュ部の位置するチャンバ８内が減圧空間となることで、混練対象物に含まれている水分の気化、蒸発が促進されることになる。水の気化熱は大きいので、少量の添加水でもって効率よく混練対象物から抜熱を図ることができる。これによって、冷却に用いられた水のみが分離され、適正に脱水が行われるとともに、水による吸熱と蒸発による抜熱両方の効果を得ることができ、効率のよい冷却を行うことができる。
【００３９】
第３スクリュ部７ｅで脱水された混練対象物は、そのまま第３混練翼部へと搬送される。第３混練翼部７ｆでは、第２混練翼部７ｄと同様に、再度注水冷却しながら混練を行う。そしてさらに、第４スクリュ部７ｇにおいて、第３スクリュ部７ｅと同様に脱水される。その後、最後の第４混練翼部７ｈへ混練対象物が搬送され、混練のみを行った後、押出し機先端から大気中に塊状で押出される。
【００４０】
以上が、本実施形態例１に係るゴム系組成物の混練装置の作動の形態である。なお、上記の実施形態例の説明は、本発明に係るゴム系組成物の混練方法の実施形態の説明を兼ねるものである。
【００４１】
（参考例）
次に参考例に係るゴム系組成物の混練装置について説明する。図３に参考例に係る混練装置を示す。図３において、該混練装置は、２軸混練押出機１と、この２軸混練押出機１に接続するゴム定量フィード機２、注水ポンプ３および４、真空ポンプ５とを有している。そして、２軸混練押出機１は、実施形態例１と同様に、スクリュ―セット７、バレル９、チャンバ８を有している。スクリューセット７は、スクリュ部と混練翼部を交互に３箇所有している。ここで、参考例においては、注水ポンプ３および４が、それぞれ第１スクリュ部７ａと第２混練翼部７ｄに、注水口１３および１４を通じて接続し、真空ポンプ５が、第３スクリュ部７ｅに吸引口１５を通じて接続している。そして、第１スクリュ部７ａが位置するバレル部分には、スリット１７が施されたものが用いられている。このスリット１７は、チャンバ内外を気通するようにバレル８に直接設けられた溝状部分である。
【００４２】
以上が、参考例に係るゴム系組成物の混練装置の構成である。参考例に係る混練装置は、高温の原料ゴムを直接２軸混練押出機で混練する必要がある場合などに特に有効な構成となる。以下、実施形態例１と重複する部分については、説明を割愛しながら、参考例の特徴的な作動の形態について説明する。
【００４３】
例えば、バッチ式ミキサなどで既にある程度混練され高温となっているゴム系組成物をそのままゴム定量フィード機２に投入する。これは、例えば、原料となるゴムを十分に可塑化できる温度にしていないと、２軸混練押出機への定量供給が困難な場合や、高温となったゴムを冷却させる工程を省くために行われる。投入された混練対象物は、スクリュ部７ａによって下流側に搬送されるが、ここで、注水ポンプ３から注入口１３を通じて、チャンバ８内に水が注入される。これによって、搬送途中にある高温の混練対象物が水と接触し、冷却される。高温の混練対象物と接触して吸熱した水は、チャンバ８内を流れてそのままスリット１７から排水される。このとき、スリット１７の溝幅を適切に設定することで、混練対象物はチャンバ８外へ排出されることなく、冷却に用いられた水のみを排出することができる。そして、冷却水量が多く必要な場合であっても、効率よく脱水が可能であり、簡易な設備構成で脱水機構を実現できる。
なお、第１スクリュ部７ａで冷却された以降の混練対象物の処理については、実施形態例１の場合と重複するため、説明を割愛する。また、スクリュ部と混練翼部の段数や、注水機構と脱水機構の数および位置についても、実施形態例１の場合と同様に、必ずしも本実施形態例に限定されるものではなく、対象とするゴム系組成物の材質や所望する粘度低下値などによって、自由に選択することが望ましい。
【００４４】
（実施形態例２）
実施形態例２に係るゴム系組成物の混練装置について説明する。図４は、本実施形態例に係る混練装置の一部を示す模式断面図であって、スクリューセット７の軸方向の断面図である。本実施形態例は、実施形態例１において、第２混練翼部７ｄと第３スクリュ部７ｅの間にギャップ調整機構の一態様であるゲート機構１８を有している。ゲート機構１８のスクリュ―セット７の軸と垂直な断面を図５に示す。ゲート機構１８は、スクリューセット７を挟むように位置する２枚のゲート１９から構成され、ゲート１９は、スクリューセット７の軸と垂直方向に、且つスクリューセット７に対して移動可能に設けられている。これにより、スクリューセット７との間に形成されるギャップ、すなわち混練対象物の通過面積を調整することができる。そして、前記ギャップを変更することで、押出される混練対象物に対して絞りを加えることができ、混練対象物の流動抵抗を変化させることができ、２軸混練押出機中の材料滞留時間を調整できる。すなわち、混練翼部における混練対象物の充満度を調整でき、所望の混練条件に調整することが容易になる。なお、ゲート機構１８については、必ずしも本実施形態例に限定されるものではなく、複数の混練翼部とスクリュ部に設けられるものや、垂直方向に移動することなく、スクリューセット７を挟むように設けられてその場で回転する２本のゲート棒によって構成したタイプのもの、スクリューセット７に円錐部を設けそれに対応するチャンバとによりスロット部を形成し、チャンバと円錐部とをスクリューセット７の軸線方向に相対移動させるように構成したタイプのもの、あるいはゴム押出機に見られるピンタイプのようなものであってもよい。
【００４５】
（実施形態例３）
実施形態例３に係るゴム系組成物の混練装置について説明する。図６は、本実施形態例に係る混練装置を示す概略図である。本実施形態例に係る混練装置は、実施形態例１において、第２混練翼部７ｄおよび第３混練翼部７ｆにおける混練対象物の温度を測定する温度測定部２０ａおよび２０ｂを有している。そして、さらに、温度測定値に基づいてチャンバ８内に注入する単位時間当たりの注水量およびスクリューセット７の回転速度を制御する制御部と、この制御部に前記温度測定値を伝送する入力部とを有している。
【００４６】
スクリューセット７の回転速度を上昇させると、混練力は増すため、混練効率の観点からは高速回転が望ましい。しかし、高速で回転するほど、混練対象物の発熱は増加する。そして、混練対象物からの発熱は、対象とするゴム系組成物の種類や混練中の粘度状態などによっても変化する。そのため、発熱状況を監視しながら、冷却能力を適宜調整し、混練対象物の温度を適切に保った状態で、スクリューセット７を極力高速に回転させることが望ましい。
本実施形態例では、混練翼部７ｄおよび７ｆにおける温度測定値に基づき、制御部において、混練対象物を所望の温度に維持するために必要な注水量と、その温度および注水量において最も高速回転が可能な回転速度を決定し、その決定した条件をもとに、注水ポンプ３、４、およびスクリューセット７の駆動モータ２１の運転指令を作成する。そして、この運転指令に従って、注水ポンプ３，４および駆動モータ２１が運転を行う。これにより、混練中に変化する発熱状況に応じて、最も高速で効率のよい混練条件を実現することができる。
【００４７】
なお、実施の形態は、上述した各実施形態例に限定されるものではなく、例えば、次のように変更して実施してもよい。
（１）ゴム定量フィード機は、必ずしも押出しスクリュタイプやギヤポンプなどからなるものでなくてもよく、例えば、図７に断面模式図を示すゴム系組成物の混練装置のように、シートやリボン形状の原料ゴムを２軸混練押出機に供給するものであってもよい。これは、シート・リボンストック２２から、原料であるシート・リボンゴム２３が、ガイドローラ２４によって、ゴム投入口１２に直接供給されるものである。押出しスクリュタイプなどの直結ゴム定量フィード機を用いる場合、２軸混練押出機に供給される原料ゴムの温度が十分に可塑化できる温度に達していないと、定量供給精度が悪化してしまい、最終的な混練物の品質ばらつきが発生してしまう可能性がある。そのため、直結ゴム定量フィード機を使用する場合は、原料ゴムをある程度昇温しておく必要があり、その結果、低温であることが望ましい２軸混練押出機へ供給されるゴムの温度の上昇をある程度許容させることになってしまう。しかし、当該変更例によると、シート・リボンゴム２４を低温のまま、定量的に連続供給することができるため、低温混練にさらに寄与できる。
【００４８】
（２）原料ゴムと混合される各種の配合剤などは、ゴム系組成物の混練装置で混練される前に、バッチ式混練機で添加および混合される。しかし、図７に示すように、原料ゴムが投入されるバレルに対して、直接、液体からなる各種配合剤を添加するための投入口２５を設けるものであってもよい。これにより、バッチ式混練機で事前に各種配合剤を混合することなく、原料ゴムと同時に供給しながら、２軸混練押出機で混練することが可能になる。つまり、レミル工程のみならず、最終的なファイナル工程にも使用が可能なものである。また、粉体からなる各種配合剤を添加する場合は、図８に示すようにホッパ２６を設け、これに、原料ゴムとともに各種配合材を添加するものであってもよい。この場合、ゴム定量フィード機と同様な各種配合剤用の定量フィード機が接続されることが望ましい。
【００４９】
（３）２軸混練押出機の先端に図７に示すようにシート成形装置を有するものであってもよい。これは、２軸混練押出機の先端に接続した押出し金型２７とローラヘッド２８とからなるものである。これにより、混練押出機の先端で直接シート成形が可能であり、製造した混練物をシート化することにより冷却を促進し、次工程へのハンドリング容易化を図ることができる。
【００５０】
（４）スクリューセットの回転方向については、必ずしも２軸が同一方向に回転するものでなくてもよく、異方向に回転することで混練対象物を押出すように螺旋翼を有するものであってもよい。
【００５１】
（５）混練翼部については、必ずしも本実施形態例に係るように３翼からなるものでなくてもよく、１翼あるいは２翼からなるものであってもよい。また、複数のニーディングディスクからなるものであってもよい。
【００５２】
（６）脱水機構については、必ずしも本実施形態例のとおりでなく、例えば、大気開放による蒸発で脱水を図るものであってもよい。これにより、低動力化を図るものであってもよい。また、この場合でも材料漏れを確実に防止して脱水を行うことも可能である。
【００５３】
（７）混練押出機については、必ずしも本実施形態例に係るように２軸のものでなくてもよく、例えば、単軸のものであってもよい。
【００５４】
【実施例】
以下、課題解決の効果について詳述するために、実施例に基づいてより具体的に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
実施例では、実施形態例１に係る混練装置であって、２軸混練押出機のスクリュ径が５９ｍｍのものを用いてテストを行った。なお、注水ポンプにて注入する冷却水としては、２０℃のものを使用し、原料となるゴム系組成物は、ムーニー粘度値（１００℃）１００のものを用い、６０℃に温度調整したゴム定量フィード機から連続的に供給した。また、原料ゴムの供給速度は、５０ｋｇ／ｈｒと１００ｋｇ／ｈｒの２水準とし、注水条件と２軸混練押出機の回転速度を変更して混練物の製造を行い、押出し機の吐出口における混練物の温度とムーニー粘度低下値および混練に要したエネルギーを測定した。なお、バレルには２０℃の冷却水を通すことによって間接的に冷却した。その結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】

【００５６】
まず、５０ｋｇ／ｈｒでゴム供給を行った実施例について説明する。注水を行わなかった比較例と、回転速度が同条件の実施例１を比べると、注水によって、ゴム物性が劣化する上限温度と考えられる１６０℃よりもかなり低温化を実現できていることが判る。そして、合わせてゴムの大幅な粘度低下の効果も得られていることが判る。これは、水冷によってゴム温度を低下させるとともに、低温で混練が行われることで、機械的剪断による混練が効率よく行われたことを示している。このことは、混練に要したエネルギーが多いことからも裏付けられる。
また、実施例２と、同一回転速度で注水量を１４％まで増量した実施例３とを比較してみると、混練に要したエネルギーが注水量の増加によって低下していることがわかる。これは、注水量が多いため、混練室内でのゴムの滑りが多く発生しているためであると考えられる。表１に示す実施例以外についても確認を行った結果によると、数％〜１０％程度の注水量までは、一般的に混練に要したエネルギーは上昇したが、それ以上の注水量においては、該エネルギーは、平衡ないしは減少した。注水量が１０％以上の滑り領域においても、ゴムは低温で排出されており、粘度低下値も大きく、少ないエネルギーで効率よく混練が行われていたものと判断される。しかしこの場合、注入した水が十分に蒸発せず、液体の水のまま一部真空ポンプに吸引されてしまい、水とともにゴムも吸引されるという現象が生じた。したがって、減圧吸引能力およびチャンバ容積などから決まる適切な注水量の上限値のもとで運転する必要がある。
【００５７】
１００ｋｇ／ｈｒのゴム供給量における実施結果は、表１にとくに明記しないが、５０ｋｇ／ｈｒにおける場合と同様の注水による温度低下および粘度低下が確認された。また、５０ｋｇ／ｈｒにおける場合と同様の注水量増大による混練に要するエネルギーの減少が確認された。
【００５８】
以上のことから、本発明によって、高粘性のゴム系組成物に対して、レミルを繰り返すことなく連続混練処理を可能にし、生産性の飛躍的向上を図るゴム系組成物の混練装置および混練方法を提供できることを確認できた。なお、上記実施例の効果は、いずれの実施形態例および変更実施形態例に係るものにおいても得られるものである。
【００５９】
【発明の効果】
第１の発明によると、ゴム系組成物を定量的に混練押出機に供給しながら、連続的に混練を行い、合わせて、チャンバ内への注水と、チャンバ外への排水も連続的に行うことができる。すなわち、チャンバ内へと注入された水が、混練により発熱しているゴム系組成物と一旦混合されて十分に接触することで抜熱を行い、さらに、その水は、チャンバ外へと排出されていくため、効率よく混練中のゴム系組成物の抜熱処理を行うことができる。したがって、高粘性のゴム系組成物においても、高温状態を生じさせずに所望の粘度まで低下させる混練処理を行うことが可能になる。つまり、高粘性のゴム系組成物に対して、レミルを繰り返し行うことなく、連続混練処理を可能にし、生産性の飛躍的向上を図ることができる。なお、この構成によると、注水機構と脱水機構の位置や数、注水量を任意に選択することが自在にできるため、ゴム系組成物と混練押出機の特性に応じて適切に冷却能力を調整することも可能である。
【００６０】
第２の発明によると、減圧下にあるスクリュ部にゴム系組成物とともに押出された水を、蒸発させて真空ポンプに吸引することで、混練対象物をチャンバ外へと排出してしまうことなく、水のみを効率よく排出することができる。すなわち、これによると、熱を吸収した水を排出することに加え、蒸発時の気化熱によっても、混練対象物からの抜熱を図ることができ、効率のよい冷却手段を与えることができる。そして、蒸発によって混練対象物から水分を除去してしまうため、混練後のゴム系組成物に水分を残存させにくく、脱水性の良好な脱水機構を与えるものである。また、両混練翼部で挟まれたスクリュ部を減圧吸引するため、混練翼部に充満した混練対象物によるシール効果を発揮することができ、水分を蒸発させるために十分な減圧空間を現出することができるという効果を奏する。
【００６１】
第３の発明によると、冷却水量が多く必要な場合でも、効率よく脱水が可能となる。そして、簡易な設備構成で脱水機構を実現できる。また、混練押出機に供給されるゴム系組成物が高温の状態であっても、混練処理に入る前に、効率よく冷却することも可能になるという効果を奏する。
【００６２】
第４の発明によると、混練翼部出側のギャップを変更することで、押出される混練対象物に対して絞りを加え、混練対象物の流動抵抗を変化させることができ、２軸押出し機中の材料滞留時間を調整できる。すなわち、混練翼部における混練対象物の充満度を調整でき、所望の混練条件に調整することが容易になるという効果を奏する。
【００６３】
第５の発明によると、ゴム定量フィード機として、ギヤポンプまたはスクリュ押出し機を用いることで、安定して、ゴム系組成物を定量的に混練押出機に供給することができる。これによって、当該混練装置によって、混練される混練物の品質のばらつきを抑制することができる。また、原料となるゴム系組成物の形態についても、とくに制約もなく、幅広い形態を選択することが可能になるという効果を奏する。
【００６４】
第６の発明によると、混練中のゴム系組成物の温度に応じて、混練押出機の運転条件や冷却条件を変更することが可能になる。すなわち、混練中の発熱状況は常時変化するが、その状況の変化に応じて、最も効率のよい混練条件を実現できるように、適切な冷却条件と回転速度に変更することができるという効果を奏する。
【００６５】
第７の発明によると、混練押出機で連続的にゴム系組成物の混練を行うとともに、混練中の抜熱も同時に行うことができる。そのため、高粘性のゴム系組成物であっても、高温状態を生じさせずに所望の粘度まで低下させる混練処理を行うことが可能になる。すなわち、高粘性のゴム系組成物に対して、レミルを繰り返し行うことなく、連続混練処理を可能にし、生産性の飛躍的向上を図ることができるという効果を奏する。
【００６６】
第８の発明によると、スクリュ部にゴム系組成物とともに押出された水を蒸発させて、そのまま前記チャンバの外へと排出することが可能になる。そのため、水分のみを排出することができるとともに、蒸発時の気化熱によっても、混練対象物からの抜熱を図ることができ、効率よく冷却を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態例１に係るゴム系組成物の混練装置の側面からみた断面模式図である。
【図２】 図１におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図３】 参考例に係るゴム系組成物の混練装置の側面からみた断面模式図である。
【図４】 実施形態例２に係るゴム系組成物の混練装置の一部を示す模式断面図である。
【図５】 スクリュ―セットの軸と垂直な断面におけるゲート機構の概略図である。
【図６】 実施形態例３に係るゴム系組成物の混練装置を示す概略図である。
【図７】 変更実施形態例に係るゴム系組成物の混練装置を示す概略図である。
【図８】 変更実施形態例に係るゴム系組成物の混練装置を示す概略図である。

Claims (3)

1. ゴムと各種配合剤などを混合したゴム系組成物を流動させるとともに剪断力を与えて混合および分散させ、所望の混練状態の混練物とするゴム系組成物の混練装置であって、
   （１）筒状の空洞部であるチャンバを有したバレルと、該チャンバ内で回転することで、混練対象物を回転により軸方向に押し出すスクリュ―セットであって、螺旋翼のスクリュ部及び前記チャンバ内壁とのクリアランスで混練対象物を流動させるとともに剪断力を付与する１以上の混練翼部を有するスクリュ―セットと、を有する混練押出機と、
   （２）該バレルに設けたゴム投入口に、略一定体積速度又は一定重量速度でゴム系組成物を搬入するゴム定量フィード機と、
   （３）前記バレルの１箇所以上に設けられ、チャンバ内に、混練中の混練対象物から気化熱を奪うことのできる液体の抜熱媒体を注入する機構と、
   （４）前記バレルの１箇所以上に設けられ、チャンバ内にて混練対象物と一旦混合された前記抜熱媒体を該混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する機構と、を備え、
   （５）当該抜熱媒体を混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する機構が、前後に混練対象物を充満させるように前後が混練翼部で挟まれた前記スクリュ部が位置するチャンバ内における蒸発した当該抜熱媒体を減圧吸引可能に構成されていることを特徴とするゴム系組成物の混練装置。
2. ゴムと各種配合剤などを混合したゴム系組成物を流動させるとともに剪断力を与えて混合および分散させ、所望の混練状態の混練物とするゴム系組成物の混練装置であって、
   （１）筒状の空洞部であるチャンバを有したバレルと、該チャンバ内で回転することで、混練対象物を回転により軸方向に押し出すスクリュ―セットであって、螺旋翼のスクリュ部及び前記チャンバ内壁とのクリアランスで混練対象物を流動させるとともに剪断力を付与する１以上の混練翼部を有するスクリュ―セットと、を有する混練押出機と、
   （２）該バレルに設けたゴム投入口に、略一定体積速度又は一定重量速度でゴム系組成物を搬入するゴム定量フィード機と、
   （３）前記バレルの１箇所以上に設けられ、注水ポンプなどと接続されてチャンバ内に注水が可能な注水機構と、
   （４）チャンバ内にて混練対象物と一旦混合された水分を該混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する１以上の脱水機構と、
   （５）前記チャンバ内の混練対象物の温度を測定可能な温度測定部と、
   （６）当該温度測定値に基づき、前記チャンバ内に注入する注水量、または前記スクリュ―セットの回転速度を制御する制御部と、
   を備えていることを特徴とするゴム系組成物の混練装置。
3. スクリューセットをチャンバ内で回転可能に有した混練押出機に対して、ゴムと各種配合剤などを混合したゴム系組成物である混練対象物を前記チャンバ内に略一定体積速度又は一定重量速度で供給するゴム供給工程と、
   前記混練押出機にて、前記スクリューセットに設けた混練翼と前記チャンバ内壁とのクリアランスで混練対象物を流動させるとともに剪断力を与えて混合および分散させながら前記チャンバ内を移動させる混練工程と、
   前記チャンバ内に、混練中の混練対象物から気化熱を奪うことのできる液体の抜熱媒体を注入し、前記混練中若しくは混練前の状態の混練対象物を抜熱媒体と混合する工程と、
   前記抜熱媒体と混合した混練対象物を攪拌して抜熱する抜熱工程と、
   前記チャンバ内にて混練対象物と一旦接触された抜熱媒体を混練対象物と分離してチャンバ外へと排出する工程と、
   を備え、
   当該抜熱媒体を混練対象物から分離してチャンバ外へと排出する工程が、前後が混練対象物で充満されたチャンバ内の空間における蒸発した当該抜熱媒体を減圧吸引することからなるゴム系組成物の混練方法。

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