JP3905397B2 - ゴムあるいはゴム系組成物の混練装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴムの流動性・加工性を改善するための素練りやゴムと各種配合剤などを添加した混練対象物を混練するゴムあるいはゴム系組成物の混練装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ゴムあるいはゴム系組成物の混練装置として、２軸混練用押出機を用いることが知られている。この２軸混練用押出機は、通常、筒状の空洞部であるチャンバを有したバレルと、チャンバ内で回転する２軸のスクリューセットとを備えている。そして、スクリューセットは、混練用ロータやニーディングディスク、スクリュー、などのセグメントが複数組み合わされて構成されているのが一般的である。
【０００３】
この２軸混練用押出機からなる混練装置を用いて、ゴム等の混練を行う場合、まず、ゴムあるいは各種配合剤などを添加したゴムからなる混練対象物を、バレルの一方側からチャンバ内へと供給する。そして、この混練対象物は、スクリューセットによって軸方向に押出されながら、スクリューセットに組み込まれる混練用ロータ等によって、チャンバ内壁との間に形成される空間で剪断力を付与されて混練される。また、混練と同時に、混練対象物に含まれる配合剤の分散混合も行われる。こうして、所望の混練状態、即ち所望の粘度や配合剤の分散度に調整された混練物が製造される。
【０００４】
この場合、混練対象物の種類や、調整したい混練状態に応じて、スクリューセットに組み込むセグメントの種類や数を適宜選択する必要がある。通常、混練仕事量を多く付与したい場合は、混練用ロータを多く組み込み、配合剤の分散に重点を置く構成としたい場合は、ニーディングディスクを多く組み込むといったことを行う。なお、一般的に、混練用ロータは、螺旋翼を備え、この螺旋翼の頂部とチャンバ内壁との間に形成されるチップクリアランスで混練対象物に強い剪断力を付与するものであり、また、ニーディングディスクは、頂部が軸と平行に形成される翼を備え、軸方向に比較的短いセグメントを、翼面非連続につなげたものである。
【０００５】
とくに、混練用ロータを組み込んだスクリューセットを用いて混練を行う場合、スクリューセットが回転することで、混練用ロータに設けられる螺旋翼が混練対象物を送る方向となるように、混練用ロータが組み込まれる。これにより、混練対象物に対して混練仕事を付与するとともに、下流側へと押出していく。しかし、混練対象物に十分に混練仕事を付与し、高い混練効率を実現するためには、混練中の混練対象物をある程度チャンバ内に充満させる必要がある。そのため、連続して組み込まれる混練用ロータの下流側に位置する混練用ロータの螺旋翼を反対方向、即ち混練対象物を上流側へ戻す方向となるように、混練用ロータを組み込むことが行われる。これにより、混練対象物を充満させ、高い混練効率を実現しようとするものである。
【０００６】
しかしながら、上記構成によると、混練作業が終了した後も、最後まで混練対象物が排出されず、チャンバ内に多くのゴムが残ってしまうことになる。この排出されずに残ったゴムは、次回チャンスで混練が行われる異種の混練対象物と混ざったり、また、次回チャンスが同種ゴム等であってもそれまでに変質していて品質の劣化を生じたり、さらに、歩留り低下等を招く原因ともなる。
【０００７】
また、上記構成によって高粘性の混練対象物の混練を行う場合、チャンバ内に混練対象物が滞留しすぎてしまうことで、混練対象物に過度の混練仕事量が付与されたり、材料高充満のためバレル内壁からの冷却が追いつかず、混練中の発熱で材料温度が上昇しやすくなってしまう。混練対象物があまり高温になると、混練中の混練対象物の粘度が低温時に比して低下しているため、機械的剪断による分子鎖の切断効果が十分に発揮されず、混練効率が低下してしまい、所望の粘度まで低下させることができなくなってしまう。さらに、高温となって混練対象物が所定の温度を超えてしまうと、ゴム材料の物性が変化し、ゴムとしての性能の劣化も生じてしまう。
【０００８】
また、一般的に、混練用ロータを組み込んだ混練装置の場合、高い混練効率を実現し易いものの、混練対象物のチャンバ内での偏在が生じる場合、スクリューセットがチャンバ内で均等に保持されにくいため、バレルとスクリューセットとの接触により摩耗等が生じ、設備寿命の低下等の問題を招くことになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来の混練装置においては、混練中に混練対象物が、チャンバ内で過度な滞留を引き起こしやすい。そのため、混練後もチャンバ内に混練対象物が残りやすい、また、高温となってゴム材料の劣化や混練効率の低下を引き起こしやすい、あるいは、混練対象物の偏在により、混練装置の寿命低下を招きやすい等の問題を有している。
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、混練中の混練対象物が、チャンバ内で過度に滞留することを防止し、且つ、十分な混練仕事を付与し得るゴムあるいはゴム系組成物の混練装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【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に記載のゴムあるいはゴム系組成物の混練装置は、ゴムあるいは各種配合剤などを添加したゴムからなる混練対象物を流動させるとともに剪断力を与えて、ゴムを素練りしあるいは配合剤の分散混合および分配混合を促進し、所望の混練状態の混練物とするゴムあるいは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、（２）前記バレル内部に形成され、前記チャンバの周囲に設けられる冷却経路と、（３）前記チャンバ内で回転することで、前記混練対象物に対して、剪断力を加えて混練するとともに、下流側に押出す２軸のスクリューセットと、（４）前記スクリューセット軸方向にセグメント部材として組み込まれ、前記チャンバ内壁との間に形成される空間で混練を行う混練翼部と、を備え、前記混練翼部は、頂部が部分的に切り欠かかれ、且つ軸方向に前記スクリューセット外径以上の長さを有する螺旋翼を備え、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材と、下流側で隣接していることを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、混練翼部は、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材と、下流側で隣接しているため、不連続部分が搬送抵抗となり、この不連続部分の上流側に混練対象物が充満することになる。このように充満した混練対象物には、混練翼部によって、十分な混練仕事が付与されることになる。一方、不連続部分で混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができるため、混練対象物が上流側へ押し戻されることもなく、過度の滞留が生じることもない。このため、混練後もチャンバ内に混練対象物が残りやすいといった問題や、高温となってゴム材料の劣化や混練効率の低下を引き起こしやすいといった問題を生じにくい。
そして、混練翼部の螺旋翼頂部には、切り欠きが設けられているため、この切り欠き部分を混練対象物が通過しやすくなり、切り欠きの無い部分では混練が促進されることになる。即ち、切り欠きの無い部分では、混練対象物に対して十分な混練仕事を付与することができ、また、切り欠き部分を備えることで、チャンバ内での混練対象物の流動状態を複雑化することができ、配合剤の分散混合及び分配混合を効率よく行うことも可能になる。さらに、螺旋翼の長さが、スクリューセット外径以上あることで、混練対象物の偏在防止効果と、効率的な配合剤の混合という効果とを安定して奏することができる。
したがって、混練中の混練対象物が、チャンバ内で過度に滞留することを防止し、且つ、十分な混練仕事を付与し得るゴムあるいはゴム系組成物の混練装置を提供することができる。
【００１３】
請求項２に記載のゴムあるいはゴム系組成物の混練装置は、請求項１において、前記混練翼部は、前記スクリューセット外径の５倍以上の長さのスクリューリードをもつことを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、スクリューリードが、スクリューセット外径の５倍以上の長さがあるため（スクリューリードが５Ｄ以上あるため）、一般のスクリュに比べて混練材料の押出し方向への搬送力が弱く、混練対象物がチャンバ内で充満してスクリューセットを安定して保持するための十分な充満部長さを確保できる。したがって、バレルとスクリューセットとの接触により摩耗等が生じ、設備寿命が低下するといった問題が生じることを抑制できる。
【００１５】
請求項３に記載のゴムあるいはゴム系組成物の混練装置は、請求項１または２において、前記混練翼部と下流側で隣接する他のセグメント部材は、軸方向に前記スクリューセット外径の１／２以上の長さを有するとともに、頂部が軸と平行に形成される翼を備える複数のセグメントが、軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして組み合わされているものであることを特徴とする。
【００１６】
この構成によると、複数のセグメントが、軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして組み合わされているため、セグメント部材自体による混練対象物への送り作用も戻し作用も生じることがない。このため、確実に、混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができる。また、前記他のセグメント部材の長さが、スクリューセット外径の１／２以上あることで、所要量の混練対象物を堰き止めるという効果を安定して奏することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るゴム系組成物の混練装置１の側面からみた断面模式図を示すものである。本図に示すように、この混練装置１は、同方向回転噛合型の２軸混練用押出機として構成されている。
【００１８】
２軸混練用押出機である混練装置１は、１対のスクリューセット４と、このスクリューセット４が回転するための筒状の空洞部であるチャンバ６を有したバレル５とを備えている。１対のスクリューセット４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る。そして、この１対のスクリューセット４は、バレル５の一端側に設けられた図示しないモータ及び減速機を備える駆動部７（図中左側に図示）に連結され、同方向に回転駆動される。また、チャンバ６は、まゆ型断面の筒状空洞部として形成されており、このチャンバ６内に、図３のＡ−Ａ'線矢視断面図に示すように、１対のスクリューセット４が収納されている。
【００１９】
バレル５の一端側には、チャンバ６内にゴムあるいはゴムに充填剤や添加剤等の各種配合剤を添加したものからなる混練対象物を供給するための供給口３（ホッパー部）が設けられている。この供給口３には、ゴム供給装置２などから混練対象物が供給される。図１には、シート状に成形された原料ゴム（混練対象物）を送り出すフィーダーロール２ａと、チャックロール２ｂとを備えるゴム供給装置２を例示している。そして、ゴム供給装置２などによって、供給口３から供給された混練対象物は、チャンバ６内でスクリューセット４が回転することで、図中右側（上流側）から左側（下流側）に向かって軸方向に搬送されるとともに、連続的に混練が行われる。
【００２０】
バレル５には、図３（Ａ−Ａ'線矢視断面図）、図４（Ｂ−Ｂ'線矢視断面図）に示すように、チャンバ６の周囲を囲むように複数の冷却経路８が、スクリューセット４の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に形成されている。この冷却液経路８に冷却水等の冷媒を導通させることにより、バレル５を通じて、連続混練中の混練対象物が高温となることが抑制される。
【００２１】
また、バレル５には、軸方向の複数箇所に、脱気や観察等を行うための、開口部９（９ａ、９ｂ）が設けられている。この開口部９を通じて、混練中に発生するガスの排出や、混練中の混練対象物の混練状態の観察を行うことができる。図１では、開口部９ａ、９ｂともに、外部に対して開放された状態となっている例を示しているが、図示しない蓋等を取り付けてもよい。
【００２２】
なお、バレル５は、軸方向に分割可能な複数のユニットが（分割線は図示せず）が組み合わされて構成されており、バレル５の先端５ａは、大気開放となっている。図１に示す混練装置１では、塊状で混練された混練物が排出されるようになっているものを図示しているが、先端５ａに所定の断面形状に成形された混練物を排出するようにダイス部を接続してもよい。
【００２３】
つぎに、スクリューセット４は、図１に示すように、第１スクリュ部１０、第１混練翼部１１、第１ニーディングディスク部１２、第２スクリュ部１３、第２混練翼部１４、第２ニーディングディスク部１５、第３スクリュ部１６の各セグメント部材が、軸方向にこの順で組み込まれることで構成されている。
【００２４】
まず、第１〜３スクリュ部（１０、１３、１６）は、スクリューセット４に組み込まれるスクリューセグメントからなり、図３のＡ−Ａ'線矢視断面図にその一つを示すように、２条の螺旋翼を備えている。この螺旋翼の先端（図３には、先端１４ａを図示）とチャンバ６の内壁６ａとが近接して隙間が小さくなるように設けられることで、混練対象物の噛み込みを良くし、下流側へと漏れなく押出すことができるようになっている。なお、２つのスクリューセット４が、図３に示す矢印のように同方向に回転することで、混練対象物が図１の右側方向へと押出されていく。ちなみに、供給口３は、第１スクリュ部１０の直上に、開口部９ａおよび９ｂは、第２スクリュ部１３および第３スクリュ部１６の直上に、それぞれ位置するように設けられている。
【００２５】
次に、混練翼部について説明する。第１混練翼部１１および第２混練翼部１４は、第１スクリュ部１０および第２スクリュ部１３の直下流側に位置するようにそれぞれスクリューセット４に組み込まれている。これらの混練翼部を成すセグメント部材は、混練対象物を下流側へ押出す向きの捩じれ角をもつ複数の混練用ロータセグメント（以下、単に「混練用ロータ」という）が軸方向に組み合わされることで構成されている。すなわち、第１混練翼部１１では３つの混練用ロータが、第２混練翼部１４では、５つの混練用ロータを組み合わせた例を示している。なお、第１混練翼部１１および第２混練翼部１４の最上流側と、第１スクリュ部１０および第２スクリュ部１３の最下流側とのあわせ面は、略同一形状で重ね合わせられるように（同位相となるように）組み合わせられている。これにより、各スクリュ部と各混練翼部との間の隙間に混練対象物が滞留したり、また、スクリュ部と混練翼部とが干渉したりすることを防止できる。
【００２６】
混練翼部（１１、１４）に組み込まれる各混練用ロータ（１１ａ〜１１ｃ、１４ａ〜１４ｅ）には、一定の捩じれ角ψとなるように形成された２条の螺旋翼が備えられている。この２翼混練用ロータを用いることで、混練対象物に対して強い剪断力を付与することができ、高粘性のゴムあるいはゴム系組成物であっても、粘度および配合剤分散度等の調整が可能な連続混練処理を実現できる。
【００２７】
なお、捩じれ角とは、スクリューセット４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た螺旋翼の頂部における螺旋方向に向かう接線と軸方向とが、軸に平行な面に投射されてなす角である。なお、図１では、第１混練翼部１１の捩じれ角と第２混練翼部１４の捩じれ角とは、同一のψとなる例を示しているが、異なった捩じれ角を形成していてもよい。例えば、下流側の第２混練翼部１４の捩じれ角を上流側の第１混練翼部１１の捩じれ角よりも小さくなるように設定することで、下流側においては混練対象物の排出作用を促し、上流側においては混練対象物を充満し易くなるようにして混練効率を高めることもできる。ただし、混練対象物を上流側に押し戻す向きの捩じれ角とならないようにすることが肝要である。
【００２８】
ここで、本実施形態に用いられる混練用ロータについて、さらに詳しく説明する。図５は、１つの混練用ロータＲ（例えば、混練用ロータ１１ａ）の正面図（図５（ａ））と側面図（図５（ｂ））を示したものである。本図に示すように、混練用ロータＲには、軸孔１８が形成されており、この軸孔１８にスクリューセット４の軸が嵌挿されることで、混練用ロータＲはスクリューセット４に組み込まれる。
【００２９】
図５（ａ）および（ｂ）に示されるように、混練用ロータＲに形成される２条の螺旋翼の頂部１９は、部分的に切り欠かかれた形状を有している。この切り欠き部分が、低位チップ部１９ｂを構成し、切り欠き部分以外の部分が、高位チップ部１９ａを構成する。すなわち、高位チップ部１９ａと低位チップ部１９ｂとが、軸方向に区分されて交互に形成されている。
【００３０】
低位チップ部１９ａでは、高位チップ部１９ｂに比して、軸心から頂部１９までの距離が短くなるように形成されている。そして、軸方向同位置における２条の螺旋翼の一方の頂部１９に高位チップ部１９ａが形成されているときには、他方の螺旋翼の頂部１９には、低位チップ部１９ｂが形成されている。この構成により、チャンバ内壁６ａと混練用ロータＲとの間に、後述するように広いチップクリアランスと狭いチップクリアランスとが交互に出現するように形成されることになる。
【００３１】
上記説明した各混練用ロータＲが、軸方向に組み合わされることで、図１に示すように、第１混練翼部１１および第２混練翼部１４の各セグメント部材が構成されている。なお、各混練用ロータ（１１ａ、１１ｂ、・・・）は、それぞれ軸方向に螺旋翼が螺旋方向に連続して連なるように組み合わされている。
【００３２】
また、第１混練翼部１１および第２混練翼部１４とも、スクリューセット外径Ｄ（図１左側に両端矢印で示す）以上の長さを有する螺旋翼を備えている。そして、第１混練翼部１１及び第２混練翼部１４とも、スクリューセット外径Ｄの５倍以上のスクリューリード（すなわち、５Ｄ以上の長さ）を有するように構成されている。
【００３３】
なお、混練翼部の断面図の１つとして、図３に、Ｂ−Ｂ'線矢視断面図を示すが、本図においてよく理解されるように、２軸のスクリューセット４に設けられる混練用ロータ１４ｃは（その他の混練用ロータも同様）、同方向に噛合して回転するようになっている（回転方向を図中矢印で示す）。そして、先述したように、混練用ロータ１４ｃには、２翼の螺旋翼が形成され、一方の螺旋翼頂部には高位チップ部１９ａが、他方の螺旋翼頂部には低位チップ部１９ｂが形成されている。
【００３４】
高位チップ部１９ａとチャンバ内壁６ａとの間に形成されるチップクリアランス２０ａの大きさは、互いに接近して相対的に狭くなっている（以下、「狭いチップクリアランス２０ａ」という）。一方、低位チップ部１９ｂとチャンバ内壁６ａとの間に形成されるチップクリアランス２０ｂの大きさは、相対的に広くなっている（以下、「広いチップクリアランス２０ｂ」という）。
【００３５】
第１混練翼部１１および第２混練翼部１４は、以上説明したように切り欠き部分が設けられた構成を有していることで、広いチップクリアランス２０ｂでは混練対象物が通過し易いためもう一方の翼の翼面に向かって一部材料が通過し易くなり、他方、狭いチップクリアランス２０ａでは材料を下流側に送りながら混練が促進されることになる。このため、混練対象物がチャンバ６内に偏在して滞留することを防止でき、スクリューセット４をチャンバ６内で均等に保持することができる。よって、バレル５とスクリューセット４との接触により摩耗等が生じることを抑制し、設備寿命の低下を招くことを防ぐことができる。そして、混練対象物に対して十分な混練仕事を付与することもできる。
【００３６】
また、切り欠き部分を備えることで、チャンバ６内での混練対象物の流動状態を複雑化することができ、配合剤の分散混合および分配混合を効率よく行うことも可能になる。さらに、螺旋翼の長さが、スクリューセット外径Ｄ以上あることで、混練対象物の偏在防止効果と、効率的な配合剤の混合という効果とを安定して奏することができる。
【００３７】
また、混練翼部のスクリューリードが、スクリューセット外径Ｄの５倍以上あることにより、混練対象物がチャンバ６内で充満してスクリューセット４を安定して保持するための十分な充満部長さを確保できる。
【００３８】
最後に、図１において、スクリューセット４の残るセグメント部材である第１ニーディングディスク部１２および第２ニーディングディスク部１５について説明する。第１ニーディングディスク部１２および第２ニーディングディスク部１５は、第１混練翼部１１および第２混練翼部１４の直下流側に位置するようにそれぞれスクリューセット４に組み込まれている。これらのニーディングディスク部を成すセグメント部材は、複数のニーディングディスク翼（以下、単に「ニーディングディスク」という）が軸方向に組み合わされることで構成されている。すなわち、第１ニーディングディスク部１２および第２ニーディングディスク部１５ともに５つのニーディングディスクを組み合わせた例を示している。
【００３９】
各ニーディングディスク（１２ａ〜１２ｅ、１５ａ〜１５ｅ）は、混練用ロータまたはスクリューセグメントの有する断面形状（図３および図４参照）と略同一の断面形状を有し、頂部が軸と平行に形成される２翼を備える軸方向に短い長さのセグメントとして形成される。
【００４０】
そして、第１及び第２混練翼部（１１、１４）の最下流側と、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の最上流側との合わせ面、または、第２及び第３スクリュ部（１３、１６）の最上流側と、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の最下流側との合わせ面は、いずれも、略同一形状で重ね合わせられるように（同位相となるように）組み合わせられている。これにより、各スクリュ部または各混練翼部と、各ニーディングディスク部との間の隙間に混練対象物が滞留したり、また、スクリュ部または混練翼部とニーディングディスク部とが干渉したりすることを防止できる。
【００４１】
また、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）において、複数のニーディングディスク（１２ａ〜１２ａ、１５ａ〜１５ｅ）は、それぞれ軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして軸方向に組み合わされている。ここで、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の最上流側のセグメント（１２ａ、１５ａ）は、前述のように、第１及び第２混練翼部（１１、１４）とそれぞれ連続的に軸断面形状が変化するように組み合わされているものである。しかし、その下流側に９０°軸断面形状がずれたセグメント（１２ｂ、１５ｂ）が組み合わせられていることで、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）は、不連続に軸断面形状が変化する部分を有することになる。すなわち、第１及び第２混練翼部（１１、１４）は、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材と、下流側で隣接していることになる。
【００４２】
第１及び第２ニーディングディスク（１２、１５）における各セグメント（１２ａ〜１２ｅ、１５ａ〜１５ｅ）は、上記のように、９０°ずつ位相をずらして組み合わされている。もし、９０°位相差でなく、スクリューセット４の回転によって混練対象物を送る方向となるように徐々に位相差を設けたとすると、その上流側に混練対象物が十分に充満せずに下流側へと送り出されてしまうことになる。この場合、十分な混練仕事が混練対象物に対して付与されないことになる。また、スクリューセット４の回転によって混練対象物を戻す方向となるように徐々に位相差を設けたとすると、今度はその上流側に混練対象物が過度に充満することになり、従来の技術で述べたような、混練対象物が最後まで排出されずに残ってしまう問題点や高温となり過ぎる問題点を誘発してしまうことになる。しかし、９０°位相差とすることにより、第１および第２ニーディングディスク部（１２、１５）自体は、材料搬送抵抗としてのみ作用し、混練対象物への送り作用も戻し作用も生じることがない。このため、確実に、混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができる。
【００４３】
なお、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の軸方向長さや組み込むセグメントの個数を変更することにより、上流側の第１及び第２混練翼部（１１、１４）側へと充満させる混練対象物の量を適宜調整することが可能となる。この場合、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の軸方向長さは、スクリューセット外径Ｄの１／２以上の長さを有していることが望ましい。これにより、所要量の混練対象物を堰き止めるという効果を安定して奏することができる。
【００４４】
図２に、第１スクリュー部１０、第１混練翼部１１、第１ニーディングディスク部１２、第２スクリュー部１３が、セグメント部材としてスクリューセット４に組み込まれている様子を模式的に示している。本図からも理解されるように、第１スクリュー部１０と第１混練翼部１１、第１混練翼部１１と第１ニーディングディスク部１２、第１ニーディングディスク部１２と第２スクリュー部１３は、それぞれ連続的に変化しているが、第１混練翼部１１の下流側で隣接する第１ニーディングディスク部１２には、不連続に軸断面形状が変化する部分（セグメント１２ａとセグメント１２ｂとの間）が備えられている。
【００４５】
以上が、本実施形態に係る混練装置１の構成である。つぎに、図１に基づいて、その作動形態について説明する。まず、カーボンブラックなどの充填剤や添加剤等の各種配合剤が添加され、シート状に成形された混練対象物が、ゴム供給装置２等によって、２軸混練用押出機である混練装置１へと供給される。混練対象物は、供給口３からチャンバ６内へと供給される。
【００４６】
このとき、チャンバ６内では、一対のスクリューセット４が駆動部７によって同方向に噛合して回転している（図３、４参照）。そして、チャンバ６内に供給された混練対象物は、第１スクリュ部１０に設けられる２翼の螺旋翼により、第１混練翼部１１側へと押し出される。
【００４７】
第１混練翼部１１側へと押し出されてきた混練対象物は、第１混練翼部１１とチャンバ内壁６ａとの間で混練作用を受けながら下流側へと搬送されていく。このとき、第１混練翼部１１と下流側で隣接する第１ニーディングディスク部１２に備えられる不連続に軸断面形状が変化する部分の存在によって、下流側へと搬送される混練対象物に対して搬送抵抗が作用する。これにより、第１混練翼部１１とチャンバ内壁６ａとの間には、混練対象物が、適度に滞留するように充満していく。そして、充満した混練対象物には、チップクリアランス（２０ａ、２０ｂ）で、流動するとともに剪断力を与えられて、十分に混合および分散されるように混練される。
【００４８】
このとき、第１ニーディングディスク部１２の不連続部分で、混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができるため、混練対象物が上流側へ押し戻されることもなく、過度の滞留が生じることもない。このため、混練後もチャンバ６内に混練対象物が残りやすいといった問題や、高温となってゴム材料の劣化や混練効率の低下を引き起こしやすいといった問題を生じにくい。また、第１混練翼部１１の螺旋翼頂部１９には、切り欠き部分が設けられているため、前述したように、混練対象物がチャンバ６内に偏在して滞留してしまい混練装置の寿命低下を招くといった問題を生じにくい。
【００４９】
第１混練翼部１１で混練された混練対象物は、第１ニーディングディスク部１２を通過して、さらに第２スクリュー部１３により下流側へと押し出される。第２スクリュ部１３により下流側へ押し出された混練対象物は、第２混練翼部１４へと至る。そして、第１混練翼部１１と第１ニーディングディスク部１２とによって受けた作用と同様の作用が、第２混練翼部１４と第２ニーディングディスク部１５とによって混練対象物に加えられる。第２ニーディングディスク部１５を通過した混練対象物は、さらに第３スクリュ部１６によって下流側へ押し出され、最後に、混練物として、先端部５ａから排出される。
【００５０】
ここで、本発明の効果についてさらに詳しく述べるために、以下、実施例に基づいてより具体的に説明する。なお、以下に説明する実施例は、あくまで本発明適用の例示である。
【００５１】
（実施例）
本実施例では、前述した実施形態に係る２軸混練用押出機である混練装置１（図１参照）において、混練翼部とニーディングディスク部をそれぞれ１箇所のみ設けたスクリュ翼構成とし、混練物の製造実験を行った。混練装置１としては、スクリュ径５９ｍｍで、スクリューセット４の長さとスクリューセット外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）が、Ｌ／Ｄ：１０．８とした。また、連続混練中は、バレル５に設けられる冷却液経路８に冷却水を導通することで、バレル温度が常温付近の温度で略一定に保たれるように温度調整しながら混練を行い、バレル５の先端部５ａから混練物を塊状のまま排出した。
【００５２】
スクリュー回転速度は３００ｒｐｍとし、供給する混練対象物（ゴム材料）の温度は２５℃、供給速度は２００ｋｇ／ｈｒとし、ムーニー粘度低下値および混練後の温度（先端部５ａから排出された直後の混練物の温度）及び第２スクリュ部のスクリュ振れ量を測定した（実験条件▲１▼）。また、比較のため、スクリューリードが３Ｄであり且つ頂部を切り欠かかないロータを使用した混練装置による混練物の製造（実験条件▲２▼）、スクリューリードが３Ｄであり且つ頂部を切り欠かかないロータを使用し、送り方向のニーディングディスクを使用した混練装置による混練物の製造（実験条件▲３▼）、スクリューリードが３Ｄであり且つ頂部を切り欠かかないロータを使用し、戻し方向のニーディングディスクを使用した混練装置による混練物の製造（実験条件▲４▼）、を行い、実験条件▲１▼と同様にムーニー粘度低下値と混練物温度を測定した。以下、表１に実験結果を示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１に示すとおり、戻しニーディングディスクを使用した実験条件▲４▼が混練度（ムーニー粘度低下値）が最も大きくスクリュ振れ量も最も小さいが材料温度が高く、場合により材料劣化が懸念される。また、材料残りが多量に発生するため、採用に難が有る。一方で、送りニーディングディスクを使用した実験条件▲３▼は、材料滞留量が少なくなるため、材料温度が最も低いが、混練度が小さく、スクリュ振れ量も大きく、採用する利点が少ない。９０°に位相をずらしたニーディングディスクを使用した実験条件▲１▼及び▲２▼は、いずれも温度・混練度ともに良好な値となっている。温度やムーニー粘度低下値は混練翼部長さや回転速度で調整できるが、それら運転条件では調整が困難なスクリュ振れ量は実験条件▲１▼が小さい。従い、実験条件▲１▼が最も優れていると判断でき、本発明の有効性を確認することができた。
【００５５】
ニーディングディスク部の各構成小翼は、薄ければそれだけ攪拌能力・搬送抵抗が強まるが、機械的剛性が必要とされるため、一般的に０．１Ｄ〜０．３Ｄ程度で製作される。実施例では、０．２Ｄの小翼を５枚組み合わせて使用したが、機能的には最小２枚あれば位相不連続面を形成できる。しかし、十分な搬送抵抗を実現するためには５枚程度必要と考えられる。また、０．１Ｄの小翼でも基本的に同等の性能が実現されると予想されるため、最小で合計０．５Ｄ以上のニーディングディスク部長さがあればよいと推定される。
【００５６】
以上が、本実施形態に係る混練装置１の説明であり、この混練装置１によると、混練中の混練対象物が、チャンバ内で過度に滞留することを防止し、且つ、十分な混練仕事を付与し得るゴムあるいはゴム系組成物の混練装置を提供することができる。
【００５７】
なお、実施の形態は、上記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。
【００５８】
（１）本実施形態においては、混練用ロータとして２翼の螺旋翼を備えるものを用いる例を示しているが、３翼の螺旋翼を備える混練用ロータであっても、同様に本発明を適用し得る。
【００５９】
（２）本実施形態においては、混練翼部を第１と第２の２つ設けているが、必ずしもこの通りでなくてもよく、１つ乃至は３つ以上であっても、本発明を適用し得る。
【００６０】
（３）本実施形態においては、第１混練翼部に混練用ロータを３つ、第２混練翼部に混練用ロータを５つ組み込んだ例を示しているが、必ずしもこの通りでなくてもよく、種々の個数を組み込むものであっても、本発明を適用し得る。
【００６１】
（４）混練用ロータの螺旋翼頂部に形成される切り欠き部分の形態については、図５に示すものに限定されず、種々の形状（切り欠き部分の長さ、位置、個数、チップ部の高さなど）を選択しても、本発明を適用し得る。
【００６２】
（５）本実施形態においては、混練翼部に下流側で隣接し、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材として、複数のニーディングディスクをもつものを例示しているが、必ずしもこれに限定されるものでなくてもよい。例えば、不連続部分を出現させ得るよう形成された螺旋翼をもつスクリュー部であってもよい。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、混練翼部は、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材と、下流側で隣接しているため、不連続部分が搬送抵抗となり、この不連続部分の上流側に混練対象物が充満することになる。このように充満した混練対象物には、混練翼部によって、十分な混練仕事が付与されることになる。一方、不連続部分で混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができるため、混練対象物が上流側へ押し戻されることもなく、過度の滞留が生じることもない。このため、混練後もチャンバ内に混練対象物が残りやすいといった問題や、高温となってゴム材料の劣化や混練効率の低下を引き起こしやすいといった問題を生じにくい。
そして、混練翼部の螺旋翼頂部には、切り欠きが設けられているため、この切り欠き部分を混練対象物が通過しやすくなり、切り欠きの無い部分では混練が促進されることになる。即ち、切り欠きの無い部分では、混練対象物に対して十分な混練仕事を付与することができ、また、切り欠き部分を備えることで、チャンバ内での混練対象物の流動状態を複雑化することができ、配合剤の分散混合及び分配混合を効率よく行うことも可能になる。さらに、螺旋翼の長さが、スクリューセット外径以上あることで、混練対象物の偏在防止効果と、効率的な配合剤の混合という効果とを安定して奏することができる。
したがって、混練中の混練対象物が、チャンバ内で過度に滞留することを防止し、且つ、十分な混練仕事を付与し得るゴムあるいはゴム系組成物の混練装置を提供することができる。
【００６４】
請求項２の発明によると、スクリューリードが、スクリューセット外径の５倍以上の長さがあるため（スクリューリードが５Ｄ以上あるため）、一般のスクリュに比べて混練材料の押出し方向への搬送力が弱く、混練対象物がチャンバ内で充満してスクリューセットを安定して保持するための十分な充満部長さを確保できる。したがって、バレルとスクリューセットとの接触により摩耗等が生じ、設備寿命が低下するといった問題が生じることを抑制できる。
【００６５】
請求項３の発明によると、複数のセグメントが、軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして組み合わされているため、セグメント部材自体による混練対象物への送り作用も戻し作用も生じることがない。このため、確実に、混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができる。また、前記他のセグメント部材の長さが、スクリューセット外径の１／２以上あることで、所要量の混練対象物を堰き止めるという効果を安定して奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態にかかるゴム系組成物の混練装置の側面からみた断面模式図を示している。
【図２】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一部模式図である。
【図３】図１のＡ−Ａ'線矢視断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ'線矢視断面図である。
【図５】本実施形態に係るゴム系組成物の混練装置における１つの混練用ロータを示す概略図である。
【符号の説明】
１ 混練装置
４ スクリューセット
５ バレル
６ チャンバ
６ａ チャンバ内壁
８ 冷却液経路
１１ 第１混練翼部
１１ａ〜１１ｃ 混練用ロータ
１２ 第１ニーディングディスク部
１２ａ〜１２ｅ ニーディングディスクセグメント
１４ 第２混練翼部
１４ａ〜１４ｅ 混練用ロータ
１５ 第２ニーディングディスク部
１５ａ〜１５ｅ ニーディングディスクセグメント
１９ 螺旋翼頂部
１９ａ 高位チップ部
１９ｂ 低位チップ部
Ｒ 混練用ロータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴムの流動性・加工性を改善するための素練りやゴムと各種配合剤などを添加した混練対象物を混練するゴムあるいはゴム系組成物の混練装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ゴムあるいはゴム系組成物の混練装置として、２軸混練用押出機を用いることが知られている。この２軸混練用押出機は、通常、筒状の空洞部であるチャンバを有したバレルと、チャンバ内で回転する２軸のスクリューセットとを備えている。そして、スクリューセットは、混練用ロータやニーディングディスク、スクリュー、などのセグメントが複数組み合わされて構成されているのが一般的である。
【０００３】
この２軸混練用押出機からなる混練装置を用いて、ゴム等の混練を行う場合、まず、ゴムあるいは各種配合剤などを添加したゴムからなる混練対象物を、バレルの一方側からチャンバ内へと供給する。そして、この混練対象物は、スクリューセットによって軸方向に押出されながら、スクリューセットに組み込まれる混練用ロータ等によって、チャンバ内壁との間に形成される空間で剪断力を付与されて混練される。また、混練と同時に、混練対象物に含まれる配合剤の分散混合も行われる。こうして、所望の混練状態、即ち所望の粘度や配合剤の分散度に調整された混練物が製造される。
【０００４】
この場合、混練対象物の種類や、調整したい混練状態に応じて、スクリューセットに組み込むセグメントの種類や数を適宜選択する必要がある。通常、混練仕事量を多く付与したい場合は、混練用ロータを多く組み込み、配合剤の分散に重点を置く構成としたい場合は、ニーディングディスクを多く組み込むといったことを行う。なお、一般的に、混練用ロータは、螺旋翼を備え、この螺旋翼の頂部とチャンバ内壁との間に形成されるチップクリアランスで混練対象物に強い剪断力を付与するものであり、また、ニーディングディスクは、頂部が軸と平行に形成される翼を備え、軸方向に比較的短いセグメントを、翼面非連続につなげたものである。
【０００５】
とくに、混練用ロータを組み込んだスクリューセットを用いて混練を行う場合、スクリューセットが回転することで、混練用ロータに設けられる螺旋翼が混練対象物を送る方向となるように、混練用ロータが組み込まれる。これにより、混練対象物に対して混練仕事を付与するとともに、下流側へと押出していく。しかし、混練対象物に十分に混練仕事を付与し、高い混練効率を実現するためには、混練中の混練対象物をある程度チャンバ内に充満させる必要がある。そのため、連続して組み込まれる混練用ロータの下流側に位置する混練用ロータの螺旋翼を反対方向、即ち混練対象物を上流側へ戻す方向となるように、混練用ロータを組み込むことが行われる。これにより、混練対象物を充満させ、高い混練効率を実現しようとするものである。
【０００６】
しかしながら、上記構成によると、混練作業が終了した後も、最後まで混練対象物が排出されず、チャンバ内に多くのゴムが残ってしまうことになる。この排出されずに残ったゴムは、次回チャンスで混練が行われる異種の混練対象物と混ざったり、また、次回チャンスが同種ゴム等であってもそれまでに変質していて品質の劣化を生じたり、さらに、歩留り低下等を招く原因ともなる。
【０００７】
また、上記構成によって高粘性の混練対象物の混練を行う場合、チャンバ内に混練対象物が滞留しすぎてしまうことで、混練対象物に過度の混練仕事量が付与されたり、材料高充満のためバレル内壁からの冷却が追いつかず、混練中の発熱で材料温度が上昇しやすくなってしまう。混練対象物があまり高温になると、混練中の混練対象物の粘度が低温時に比して低下しているため、機械的剪断による分子鎖の切断効果が十分に発揮されず、混練効率が低下してしまい、所望の粘度まで低下させることができなくなってしまう。さらに、高温となって混練対象物が所定の温度を超えてしまうと、ゴム材料の物性が変化し、ゴムとしての性能の劣化も生じてしまう。
【０００８】
また、一般的に、混練用ロータを組み込んだ混練装置の場合、高い混練効率を実現し易いものの、混練対象物のチャンバ内での偏在が生じる場合、スクリューセットがチャンバ内で均等に保持されにくいため、バレルとスクリューセットとの接触により摩耗等が生じ、設備寿命の低下等の問題を招くことになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来の混練装置においては、混練中に混練対象物が、チャンバ内で過度な滞留を引き起こしやすい。そのため、混練後もチャンバ内に混練対象物が残りやすい、また、高温となってゴム材料の劣化や混練効率の低下を引き起こしやすい、あるいは、混練対象物の偏在により、混練装置の寿命低下を招きやすい等の問題を有している。
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、混練中の混練対象物が、チャンバ内で過度に滞留することを防止し、且つ、十分な混練仕事を付与し得るゴムあるいはゴム系組成物の混練装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【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に記載のゴムあるいはゴム系組成物の混練装置は、ゴムあるいは各種配合剤などを添加したゴムからなる混練対象物を流動させるとともに剪断力を与えて、ゴムを素練りしあるいは配合剤の分散混合および分配混合を促進し、所望の混練状態の混練物とするゴムあるいは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、（２）前記バレル内部に形成され、前記チャンバの周囲に設けられる冷却経路と、（３）前記チャンバ内で回転することで、前記混練対象物に対して、剪断力を加えて混練するとともに、下流側に押出す２軸のスクリューセットと、（４）前記スクリューセット軸方向にセグメント部材として組み込まれ、前記チャンバ内壁との間に形成される空間で混練を行う混練翼部と、を備え、前記混練翼部は、頂部が部分的に切り欠かかれ、且つ軸方向に前記スクリューセット外径以上の長さを有する螺旋翼を備え、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材と、下流側で隣接していることを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、混練翼部は、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材と、下流側で隣接しているため、不連続部分が搬送抵抗となり、この不連続部分の上流側に混練対象物が充満することになる。このように充満した混練対象物には、混練翼部によって、十分な混練仕事が付与されることになる。一方、不連続部分で混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができるため、混練対象物が上流側へ押し戻されることもなく、過度の滞留が生じることもない。このため、混練後もチャンバ内に混練対象物が残りやすいといった問題や、高温となってゴム材料の劣化や混練効率の低下を引き起こしやすいといった問題を生じにくい。
そして、混練翼部の螺旋翼頂部には、切り欠きが設けられているため、この切り欠き部分を混練対象物が通過しやすくなり、切り欠きの無い部分では混練が促進されることになる。即ち、切り欠きの無い部分では、混練対象物に対して十分な混練仕事を付与することができ、また、切り欠き部分を備えることで、チャンバ内での混練対象物の流動状態を複雑化することができ、配合剤の分散混合及び分配混合を効率よく行うことも可能になる。さらに、螺旋翼の長さが、スクリューセット外径以上あることで、混練対象物の偏在防止効果と、効率的な配合剤の混合という効果とを安定して奏することができる。
したがって、混練中の混練対象物が、チャンバ内で過度に滞留することを防止し、且つ、十分な混練仕事を付与し得るゴムあるいはゴム系組成物の混練装置を提供することができる。
【００１３】
請求項２に記載のゴムあるいはゴム系組成物の混練装置は、請求項１において、前記混練翼部は、前記スクリューセット外径の５倍以上の長さのスクリューリードをもつことを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、スクリューリードが、スクリューセット外径の５倍以上の長さがあるため（スクリューリードが５Ｄ以上あるため）、一般のスクリュに比べて混練材料の押出し方向への搬送力が弱く、混練対象物がチャンバ内で充満してスクリューセットを安定して保持するための十分な充満部長さを確保できる。したがって、バレルとスクリューセットとの接触により摩耗等が生じ、設備寿命が低下するといった問題が生じることを抑制できる。
【００１５】
請求項３に記載のゴムあるいはゴム系組成物の混練装置は、請求項１または２において、前記混練翼部と下流側で隣接する他のセグメント部材は、軸方向に前記スクリューセット外径の１／２以上の長さを有するとともに、頂部が軸と平行に形成される翼を備える複数のセグメントが、軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして組み合わされているものであることを特徴とする。
【００１６】
この構成によると、複数のセグメントが、軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして組み合わされているため、セグメント部材自体による混練対象物への送り作用も戻し作用も生じることがない。このため、確実に、混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができる。また、前記他のセグメント部材の長さが、スクリューセット外径の１／２以上あることで、所要量の混練対象物を堰き止めるという効果を安定して奏することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るゴム系組成物の混練装置１の側面からみた断面模式図を示すものである。本図に示すように、この混練装置１は、同方向回転噛合型の２軸混練用押出機として構成されている。
【００１８】
２軸混練用押出機である混練装置１は、１対のスクリューセット４と、このスクリューセット４が回転するための筒状の空洞部であるチャンバ６を有したバレル５とを備えている。１対のスクリューセット４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る。そして、この１対のスクリューセット４は、バレル５の一端側に設けられた図示しないモータ及び減速機を備える駆動部７（図中左側に図示）に連結され、同方向に回転駆動される。また、チャンバ６は、まゆ型断面の筒状空洞部として形成されており、このチャンバ６内に、図３のＡ−Ａ'線矢視断面図に示すように、１対のスクリューセット４が収納されている。
【００１９】
バレル５の一端側には、チャンバ６内にゴムあるいはゴムに充填剤や添加剤等の各種配合剤を添加したものからなる混練対象物を供給するための供給口３（ホッパー部）が設けられている。この供給口３には、ゴム供給装置２などから混練対象物が供給される。図１には、シート状に成形された原料ゴム（混練対象物）を送り出すフィーダーロール２ａと、チャックロール２ｂとを備えるゴム供給装置２を例示している。そして、ゴム供給装置２などによって、供給口３から供給された混練対象物は、チャンバ６内でスクリューセット４が回転することで、図中右側（上流側）から左側（下流側）に向かって軸方向に搬送されるとともに、連続的に混練が行われる。
【００２０】
バレル５には、図３（Ａ−Ａ'線矢視断面図）、図４（Ｂ−Ｂ'線矢視断面図）に示すように、チャンバ６の周囲を囲むように複数の冷却経路８が、スクリューセット４の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に形成されている。この冷却液経路８に冷却水等の冷媒を導通させることにより、バレル５を通じて、連続混練中の混練対象物が高温となることが抑制される。
【００２１】
また、バレル５には、軸方向の複数箇所に、脱気や観察等を行うための、開口部９（９ａ、９ｂ）が設けられている。この開口部９を通じて、混練中に発生するガスの排出や、混練中の混練対象物の混練状態の観察を行うことができる。図１では、開口部９ａ、９ｂともに、外部に対して開放された状態となっている例を示しているが、図示しない蓋等を取り付けてもよい。
【００２２】
なお、バレル５は、軸方向に分割可能な複数のユニットが（分割線は図示せず）が組み合わされて構成されており、バレル５の先端５ａは、大気開放となっている。図１に示す混練装置１では、塊状で混練された混練物が排出されるようになっているものを図示しているが、先端５ａに所定の断面形状に成形された混練物を排出するようにダイス部を接続してもよい。
【００２３】
つぎに、スクリューセット４は、図１に示すように、第１スクリュ部１０、第１混練翼部１１、第１ニーディングディスク部１２、第２スクリュ部１３、第２混練翼部１４、第２ニーディングディスク部１５、第３スクリュ部１６の各セグメント部材が、軸方向にこの順で組み込まれることで構成されている。
【００２４】
まず、第１〜３スクリュ部（１０、１３、１６）は、スクリューセット４に組み込まれるスクリューセグメントからなり、図３のＡ−Ａ'線矢視断面図にその一つを示すように、２条の螺旋翼を備えている。この螺旋翼の先端（図３には、先端１４ａを図示）とチャンバ６の内壁６ａとが近接して隙間が小さくなるように設けられることで、混練対象物の噛み込みを良くし、下流側へと漏れなく押出すことができるようになっている。なお、２つのスクリューセット４が、図３に示す矢印のように同方向に回転することで、混練対象物が図１の右側方向へと押出されていく。ちなみに、供給口３は、第１スクリュ部１０の直上に、開口部９ａおよび９ｂは、第２スクリュ部１３および第３スクリュ部１６の直上に、それぞれ位置するように設けられている。
【００２５】
次に、混練翼部について説明する。第１混練翼部１１および第２混練翼部１４は、第１スクリュ部１０および第２スクリュ部１３の直下流側に位置するようにそれぞれスクリューセット４に組み込まれている。これらの混練翼部を成すセグメント部材は、混練対象物を下流側へ押出す向きの捩じれ角をもつ複数の混練用ロータセグメント（以下、単に「混練用ロータ」という）が軸方向に組み合わされることで構成されている。すなわち、第１混練翼部１１では３つの混練用ロータが、第２混練翼部１４では、５つの混練用ロータを組み合わせた例を示している。なお、第１混練翼部１１および第２混練翼部１４の最上流側と、第１スクリュ部１０および第２スクリュ部１３の最下流側とのあわせ面は、略同一形状で重ね合わせられるように（同位相となるように）組み合わせられている。これにより、各スクリュ部と各混練翼部との間の隙間に混練対象物が滞留したり、また、スクリュ部と混練翼部とが干渉したりすることを防止できる。
【００２６】
混練翼部（１１、１４）に組み込まれる各混練用ロータ（１１ａ〜１１ｃ、１４ａ〜１４ｅ）には、一定の捩じれ角ψとなるように形成された２条の螺旋翼が備えられている。この２翼混練用ロータを用いることで、混練対象物に対して強い剪断力を付与することができ、高粘性のゴムあるいはゴム系組成物であっても、粘度および配合剤分散度等の調整が可能な連続混練処理を実現できる。
【００２７】
なお、捩じれ角とは、スクリューセット４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た螺旋翼の頂部における螺旋方向に向かう接線と軸方向とが、軸に平行な面に投射されてなす角である。なお、図１では、第１混練翼部１１の捩じれ角と第２混練翼部１４の捩じれ角とは、同一のψとなる例を示しているが、異なった捩じれ角を形成していてもよい。例えば、下流側の第２混練翼部１４の捩じれ角を上流側の第１混練翼部１１の捩じれ角よりも小さくなるように設定することで、下流側においては混練対象物の排出作用を促し、上流側においては混練対象物を充満し易くなるようにして混練効率を高めることもできる。ただし、混練対象物を上流側に押し戻す向きの捩じれ角とならないようにすることが肝要である。
【００２８】
ここで、本実施形態に用いられる混練用ロータについて、さらに詳しく説明する。図５は、１つの混練用ロータＲ（例えば、混練用ロータ１１ａ）の正面図（図５（ａ））と側面図（図５（ｂ））を示したものである。本図に示すように、混練用ロータＲには、軸孔１８が形成されており、この軸孔１８にスクリューセット４の軸が嵌挿されることで、混練用ロータＲはスクリューセット４に組み込まれる。
【００２９】
図５（ａ）および（ｂ）に示されるように、混練用ロータＲに形成される２条の螺旋翼の頂部１９は、部分的に切り欠かかれた形状を有している。この切り欠き部分が、低位チップ部１９ｂを構成し、切り欠き部分以外の部分が、高位チップ部１９ａを構成する。すなわち、高位チップ部１９ａと低位チップ部１９ｂとが、軸方向に区分されて交互に形成されている。
【００３０】
低位チップ部１９ａでは、高位チップ部１９ｂに比して、軸心から頂部１９までの距離が短くなるように形成されている。そして、軸方向同位置における２条の螺旋翼の一方の頂部１９に高位チップ部１９ａが形成されているときには、他方の螺旋翼の頂部１９には、低位チップ部１９ｂが形成されている。この構成により、チャンバ内壁６ａと混練用ロータＲとの間に、後述するように広いチップクリアランスと狭いチップクリアランスとが交互に出現するように形成されることになる。
【００３１】
上記説明した各混練用ロータＲが、軸方向に組み合わされることで、図１に示すように、第１混練翼部１１および第２混練翼部１４の各セグメント部材が構成されている。なお、各混練用ロータ（１１ａ、１１ｂ、・・・）は、それぞれ軸方向に螺旋翼が螺旋方向に連続して連なるように組み合わされている。
【００３２】
また、第１混練翼部１１および第２混練翼部１４とも、スクリューセット外径Ｄ（図１左側に両端矢印で示す）以上の長さを有する螺旋翼を備えている。そして、第１混練翼部１１及び第２混練翼部１４とも、スクリューセット外径Ｄの５倍以上のスクリューリード（すなわち、５Ｄ以上の長さ）を有するように構成されている。
【００３３】
なお、混練翼部の断面図の１つとして、図３に、Ｂ−Ｂ'線矢視断面図を示すが、本図においてよく理解されるように、２軸のスクリューセット４に設けられる混練用ロータ１４ｃは（その他の混練用ロータも同様）、同方向に噛合して回転するようになっている（回転方向を図中矢印で示す）。そして、先述したように、混練用ロータ１４ｃには、２翼の螺旋翼が形成され、一方の螺旋翼頂部には高位チップ部１９ａが、他方の螺旋翼頂部には低位チップ部１９ｂが形成されている。
【００３４】
高位チップ部１９ａとチャンバ内壁６ａとの間に形成されるチップクリアランス２０ａの大きさは、互いに接近して相対的に狭くなっている（以下、「狭いチップクリアランス２０ａ」という）。一方、低位チップ部１９ｂとチャンバ内壁６ａとの間に形成されるチップクリアランス２０ｂの大きさは、相対的に広くなっている（以下、「広いチップクリアランス２０ｂ」という）。
【００３５】
第１混練翼部１１および第２混練翼部１４は、以上説明したように切り欠き部分が設けられた構成を有していることで、広いチップクリアランス２０ｂでは混練対象物が通過し易いためもう一方の翼の翼面に向かって一部材料が通過し易くなり、他方、狭いチップクリアランス２０ａでは材料を下流側に送りながら混練が促進されることになる。このため、混練対象物がチャンバ６内に偏在して滞留することを防止でき、スクリューセット４をチャンバ６内で均等に保持することができる。よって、バレル５とスクリューセット４との接触により摩耗等が生じることを抑制し、設備寿命の低下を招くことを防ぐことができる。そして、混練対象物に対して十分な混練仕事を付与することもできる。
【００３６】
また、切り欠き部分を備えることで、チャンバ６内での混練対象物の流動状態を複雑化することができ、配合剤の分散混合および分配混合を効率よく行うことも可能になる。さらに、螺旋翼の長さが、スクリューセット外径Ｄ以上あることで、混練対象物の偏在防止効果と、効率的な配合剤の混合という効果とを安定して奏することができる。
【００３７】
また、混練翼部のスクリューリードが、スクリューセット外径Ｄの５倍以上あることにより、混練対象物がチャンバ６内で充満してスクリューセット４を安定して保持するための十分な充満部長さを確保できる。
【００３８】
最後に、図１において、スクリューセット４の残るセグメント部材である第１ニーディングディスク部１２および第２ニーディングディスク部１５について説明する。第１ニーディングディスク部１２および第２ニーディングディスク部１５は、第１混練翼部１１および第２混練翼部１４の直下流側に位置するようにそれぞれスクリューセット４に組み込まれている。これらのニーディングディスク部を成すセグメント部材は、複数のニーディングディスク翼（以下、単に「ニーディングディスク」という）が軸方向に組み合わされることで構成されている。すなわち、第１ニーディングディスク部１２および第２ニーディングディスク部１５ともに５つのニーディングディスクを組み合わせた例を示している。
【００３９】
各ニーディングディスク（１２ａ〜１２ｅ、１５ａ〜１５ｅ）は、混練用ロータまたはスクリューセグメントの有する断面形状（図３および図４参照）と略同一の断面形状を有し、頂部が軸と平行に形成される２翼を備える軸方向に短い長さのセグメントとして形成される。
【００４０】
そして、第１及び第２混練翼部（１１、１４）の最下流側と、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の最上流側との合わせ面、または、第２及び第３スクリュ部（１３、１６）の最上流側と、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の最下流側との合わせ面は、いずれも、略同一形状で重ね合わせられるように（同位相となるように）組み合わせられている。これにより、各スクリュ部または各混練翼部と、各ニーディングディスク部との間の隙間に混練対象物が滞留したり、また、スクリュ部または混練翼部とニーディングディスク部とが干渉したりすることを防止できる。
【００４１】
また、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）において、複数のニーディングディスク（１２ａ〜１２ａ、１５ａ〜１５ｅ）は、それぞれ軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして軸方向に組み合わされている。ここで、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の最上流側のセグメント（１２ａ、１５ａ）は、前述のように、第１及び第２混練翼部（１１、１４）とそれぞれ連続的に軸断面形状が変化するように組み合わされているものである。しかし、その下流側に９０°軸断面形状がずれたセグメント（１２ｂ、１５ｂ）が組み合わせられていることで、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）は、不連続に軸断面形状が変化する部分を有することになる。すなわち、第１及び第２混練翼部（１１、１４）は、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材と、下流側で隣接していることになる。
【００４２】
第１及び第２ニーディングディスク（１２、１５）における各セグメント（１２ａ〜１２ｅ、１５ａ〜１５ｅ）は、上記のように、９０°ずつ位相をずらして組み合わされている。もし、９０°位相差でなく、スクリューセット４の回転によって混練対象物を送る方向となるように徐々に位相差を設けたとすると、その上流側に混練対象物が十分に充満せずに下流側へと送り出されてしまうことになる。この場合、十分な混練仕事が混練対象物に対して付与されないことになる。また、スクリューセット４の回転によって混練対象物を戻す方向となるように徐々に位相差を設けたとすると、今度はその上流側に混練対象物が過度に充満することになり、従来の技術で述べたような、混練対象物が最後まで排出されずに残ってしまう問題点や高温となり過ぎる問題点を誘発してしまうことになる。しかし、９０°位相差とすることにより、第１および第２ニーディングディスク部（１２、１５）自体は、材料搬送抵抗としてのみ作用し、混練対象物への送り作用も戻し作用も生じることがない。このため、確実に、混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができる。
【００４３】
なお、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の軸方向長さや組み込むセグメントの個数を変更することにより、上流側の第１及び第２混練翼部（１１、１４）側へと充満させる混練対象物の量を適宜調整することが可能となる。この場合、第１及び第２ニーディングディスク部（１２、１５）の軸方向長さは、スクリューセット外径Ｄの１／２以上の長さを有していることが望ましい。これにより、所要量の混練対象物を堰き止めるという効果を安定して奏することができる。
【００４４】
図２に、第１スクリュー部１０、第１混練翼部１１、第１ニーディングディスク部１２、第２スクリュー部１３が、セグメント部材としてスクリューセット４に組み込まれている様子を模式的に示している。本図からも理解されるように、第１スクリュー部１０と第１混練翼部１１、第１混練翼部１１と第１ニーディングディスク部１２、第１ニーディングディスク部１２と第２スクリュー部１３は、それぞれ連続的に変化しているが、第１混練翼部１１の下流側で隣接する第１ニーディングディスク部１２には、不連続に軸断面形状が変化する部分（セグメント１２ａとセグメント１２ｂとの間）が備えられている。
【００４５】
以上が、本実施形態に係る混練装置１の構成である。つぎに、図１に基づいて、その作動形態について説明する。まず、カーボンブラックなどの充填剤や添加剤等の各種配合剤が添加され、シート状に成形された混練対象物が、ゴム供給装置２等によって、２軸混練用押出機である混練装置１へと供給される。混練対象物は、供給口３からチャンバ６内へと供給される。
【００４６】
このとき、チャンバ６内では、一対のスクリューセット４が駆動部７によって同方向に噛合して回転している（図３、４参照）。そして、チャンバ６内に供給された混練対象物は、第１スクリュ部１０に設けられる２翼の螺旋翼により、第１混練翼部１１側へと押し出される。
【００４７】
第１混練翼部１１側へと押し出されてきた混練対象物は、第１混練翼部１１とチャンバ内壁６ａとの間で混練作用を受けながら下流側へと搬送されていく。このとき、第１混練翼部１１と下流側で隣接する第１ニーディングディスク部１２に備えられる不連続に軸断面形状が変化する部分の存在によって、下流側へと搬送される混練対象物に対して搬送抵抗が作用する。これにより、第１混練翼部１１とチャンバ内壁６ａとの間には、混練対象物が、適度に滞留するように充満していく。そして、充満した混練対象物には、チップクリアランス（２０ａ、２０ｂ）で、流動するとともに剪断力を与えられて、十分に混合および分散されるように混練される。
【００４８】
このとき、第１ニーディングディスク部１２の不連続部分で、混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができるため、混練対象物が上流側へ押し戻されることもなく、過度の滞留が生じることもない。このため、混練後もチャンバ６内に混練対象物が残りやすいといった問題や、高温となってゴム材料の劣化や混練効率の低下を引き起こしやすいといった問題を生じにくい。また、第１混練翼部１１の螺旋翼頂部１９には、切り欠き部分が設けられているため、前述したように、混練対象物がチャンバ６内に偏在して滞留してしまい混練装置の寿命低下を招くといった問題を生じにくい。
【００４９】
第１混練翼部１１で混練された混練対象物は、第１ニーディングディスク部１２を通過して、さらに第２スクリュー部１３により下流側へと押し出される。第２スクリュ部１３により下流側へ押し出された混練対象物は、第２混練翼部１４へと至る。そして、第１混練翼部１１と第１ニーディングディスク部１２とによって受けた作用と同様の作用が、第２混練翼部１４と第２ニーディングディスク部１５とによって混練対象物に加えられる。第２ニーディングディスク部１５を通過した混練対象物は、さらに第３スクリュ部１６によって下流側へ押し出され、最後に、混練物として、先端部５ａから排出される。
【００５０】
ここで、本発明の効果についてさらに詳しく述べるために、以下、実施例に基づいてより具体的に説明する。なお、以下に説明する実施例は、あくまで本発明適用の例示である。
【００５１】
（実施例）
本実施例では、前述した実施形態に係る２軸混練用押出機である混練装置１（図１参照）において、混練翼部とニーディングディスク部をそれぞれ１箇所のみ設けたスクリュ翼構成とし、混練物の製造実験を行った。混練装置１としては、スクリュ径５９ｍｍで、スクリューセット４の長さとスクリューセット外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）が、Ｌ／Ｄ：１０．８とした。また、連続混練中は、バレル５に設けられる冷却液経路８に冷却水を導通することで、バレル温度が常温付近の温度で略一定に保たれるように温度調整しながら混練を行い、バレル５の先端部５ａから混練物を塊状のまま排出した。
【００５２】
スクリュー回転速度は３００ｒｐｍとし、供給する混練対象物（ゴム材料）の温度は２５℃、供給速度は２００ｋｇ／ｈｒとし、ムーニー粘度低下値および混練後の温度（先端部５ａから排出された直後の混練物の温度）及び第２スクリュ部のスクリュ振れ量を測定した（実験条件▲１▼）。また、比較のため、スクリューリードが３Ｄであり且つ頂部を切り欠かかないロータを使用した混練装置による混練物の製造（実験条件▲２▼）、スクリューリードが３Ｄであり且つ頂部を切り欠かかないロータを使用し、送り方向のニーディングディスクを使用した混練装置による混練物の製造（実験条件▲３▼）、スクリューリードが３Ｄであり且つ頂部を切り欠かかないロータを使用し、戻し方向のニーディングディスクを使用した混練装置による混練物の製造（実験条件▲４▼）、を行い、実験条件▲１▼と同様にムーニー粘度低下値と混練物温度を測定した。以下、表１に実験結果を示す。
【００５３】
【表１】
表１に示すとおり、戻しニーディングディスクを使用した実験条件▲４▼が混練度（ムーニー粘度低下値）が最も大きくスクリュ振れ量も最も小さいが材料温度が高く、場合により材料劣化が懸念される。また、材料残りが多量に発生するため、採用に難が有る。一方で、送りニーディングディスクを使用した実験条件▲３▼は、材料滞留量が少なくなるため、材料温度が最も低いが、混練度が小さく、スクリュ振れ量も大きく、採用する利点が少ない。９０°に位相をずらしたニーディングディスクを使用した実験条件▲１▼及び▲２▼は、いずれも温度・混練度ともに良好な値となっている。温度やムーニー粘度低下値は混練翼部長さや回転速度で調整できるが、それら運転条件では調整が困難なスクリュ振れ量は実験条件▲１▼が小さい。従い、実験条件▲１▼が最も優れていると判断でき、本発明の有効性を確認することができた。
【００５５】
ニーディングディスク部の各構成小翼は、薄ければそれだけ攪拌能力・搬送抵抗が強まるが、機械的剛性が必要とされるため、一般的に０．１Ｄ〜０．３Ｄ程度で製作される。実施例では、０．２Ｄの小翼を５枚組み合わせて使用したが、機能的には最小２枚あれば位相不連続面を形成できる。しかし、十分な搬送抵抗を実現するためには５枚程度必要と考えられる。また、０．１Ｄの小翼でも基本的に同等の性能が実現されると予想されるため、最小で合計０．５Ｄ以上のニーディングディスク部長さがあればよいと推定される。
【００５６】
以上が、本実施形態に係る混練装置１の説明であり、この混練装置１によると、混練中の混練対象物が、チャンバ内で過度に滞留することを防止し、且つ、十分な混練仕事を付与し得るゴムあるいはゴム系組成物の混練装置を提供することができる。
【００５７】
なお、実施の形態は、上記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。
【００５８】
（１）本実施形態においては、混練用ロータとして２翼の螺旋翼を備えるものを用いる例を示しているが、３翼の螺旋翼を備える混練用ロータであっても、同様に本発明を適用し得る。
【００５９】
（２）本実施形態においては、混練翼部を第１と第２の２つ設けているが、必ずしもこの通りでなくてもよく、１つ乃至は３つ以上であっても、本発明を適用し得る。
【００６０】
（３）本実施形態においては、第１混練翼部に混練用ロータを３つ、第２混練翼部に混練用ロータを５つ組み込んだ例を示しているが、必ずしもこの通りでなくてもよく、種々の個数を組み込むものであっても、本発明を適用し得る。
【００６１】
（４）混練用ロータの螺旋翼頂部に形成される切り欠き部分の形態については、図５に示すものに限定されず、種々の形状（切り欠き部分の長さ、位置、個数、チップ部の高さなど）を選択しても、本発明を適用し得る。
【００６２】
（５）本実施形態においては、混練翼部に下流側で隣接し、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材として、複数のニーディングディスクをもつものを例示しているが、必ずしもこれに限定されるものでなくてもよい。例えば、不連続部分を出現させ得るよう形成された螺旋翼をもつスクリュー部であってもよい。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、混練翼部は、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ他のセグメント部材と、下流側で隣接しているため、不連続部分が搬送抵抗となり、この不連続部分の上流側に混練対象物が充満することになる。このように充満した混練対象物には、混練翼部によって、十分な混練仕事が付与されることになる。一方、不連続部分で混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができるため、混練対象物が上流側へ押し戻されることもなく、過度の滞留が生じることもない。このため、混練後もチャンバ内に混練対象物が残りやすいといった問題や、高温となってゴム材料の劣化や混練効率の低下を引き起こしやすいといった問題を生じにくい。
そして、混練翼部の螺旋翼頂部には、切り欠きが設けられているため、この切り欠き部分を混練対象物が通過しやすくなり、切り欠きの無い部分では混練が促進されることになる。即ち、切り欠きの無い部分では、混練対象物に対して十分な混練仕事を付与することができ、また、切り欠き部分を備えることで、チャンバ内での混練対象物の流動状態を複雑化することができ、配合剤の分散混合及び分配混合を効率よく行うことも可能になる。さらに、螺旋翼の長さが、スクリューセット外径以上あることで、混練対象物の偏在防止効果と、効率的な配合剤の混合という効果とを安定して奏することができる。
したがって、混練中の混練対象物が、チャンバ内で過度に滞留することを防止し、且つ、十分な混練仕事を付与し得るゴムあるいはゴム系組成物の混練装置を提供することができる。
【００６４】
請求項２の発明によると、スクリューリードが、スクリューセット外径の５倍以上の長さがあるため（スクリューリードが５Ｄ以上あるため）、一般のスクリュに比べて混練材料の押出し方向への搬送力が弱く、混練対象物がチャンバ内で充満してスクリューセットを安定して保持するための十分な充満部長さを確保できる。したがって、バレルとスクリューセットとの接触により摩耗等が生じ、設備寿命が低下するといった問題が生じることを抑制できる。
【００６５】
請求項３の発明によると、複数のセグメントが、軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして組み合わされているため、セグメント部材自体による混練対象物への送り作用も戻し作用も生じることがない。このため、確実に、混練対象物を所要量だけ堰き止めるように充満させることができる。また、前記他のセグメント部材の長さが、スクリューセット外径の１／２以上あることで、所要量の混練対象物を堰き止めるという効果を安定して奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態にかかるゴム系組成物の混練装置の側面からみた断面模式図を示している。
【図２】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一部模式図である。
【図３】図１のＡ−Ａ'線矢視断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ'線矢視断面図である。
【図５】本実施形態に係るゴム系組成物の混練装置における１つの混練用ロータを示す概略図である。
【符号の説明】
１ 混練装置
４ スクリューセット
５ バレル
６ チャンバ
６ａ チャンバ内壁
８ 冷却液経路
１１ 第１混練翼部
１１ａ〜１１ｃ 混練用ロータ
１２ 第１ニーディングディスク部
１２ａ〜１２ｅ ニーディングディスクセグメント
１４ 第２混練翼部
１４ａ〜１４ｅ 混練用ロータ
１５ 第２ニーディングディスク部
１５ａ〜１５ｅ ニーディングディスクセグメント
１９ 螺旋翼頂部
１９ａ 高位チップ部
１９ｂ 低位チップ部
Ｒ 混練用ロータ
Claims (3)
- ゴムあるいは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、
（２）前記バレル内部に形成され、前記チャンバの周囲に設けられる冷却経路と、
（３）前記チャンバ内で回転することで、前記混練対象物に対して、剪断力を加えて混練するとともに、下流側に押出す２軸のスクリューセットと、
（４）前記スクリューセット軸方向にセグメント部材として組み込まれ、前記混練対象物を下流側へと漏れなく押出すべく前記チャンバ内壁と近接して螺旋翼の先端が設けられるスクリュ部と、
（５）前記スクリューセット軸方向にセグメント部材として組み込まれ、前記チャンバ内壁と螺旋翼の先端との間に形成される空間に前記混練対象物を通過させることで混練を行う混練翼部と、
を備え、
前記混練翼部は、頂部が部分的に切り欠かかれ、且つ軸方向に前記スクリューセット外径以上の長さを有する混練対象物への戻し作用を生じない螺旋翼を備え、不連続に軸断面形状が変化する部分をもつ混練対象物への戻し作用を生じない他のセグメント部材と、当該螺旋翼の下流側で隣接していることを特徴とする、ゴムあるいはゴム系組成物の混練装置。 - 前記混練翼部は、前記混練対象物への戻し作用を生じない螺旋翼において前記スクリューセット外径の５倍以上の長さのスクリューリードをもつよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のゴムあるいはゴム系組成物の混練装置。
- 前記混練翼部と下流側で隣接する他のセグメント部材は、軸方向に前記スクリューセット外径の１／２以上の長さを有するとともに、頂部が軸と平行に形成される２翼を備える複数のセグメントが、軸中心に対して９０°ずつ軸断面形状を交互にずらして組み合わされているものであることを特徴とする請求項１または２に記載のゴムあるいはゴム系組成物の混練装置。
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2002
- 2002-02-21 JP JP2002044316A patent/JP3905397B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| WO2011078192A1 (ja) | 2009-12-25 | 2011-06-30 | 株式会社神戸製鋼所 | 混練用セグメント及び混練設備 |
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| JP2003245534A (ja) | 2003-09-02 |
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