JP4243979B2

JP4243979B2 - シリカ配合ゴム組成物の混練方法

Info

Publication number: JP4243979B2
Application number: JP2003156715A
Authority: JP
Inventors: 和夫宮坂; 憲治勝島
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP2004358693A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリカ配合ゴム組成物の混練方法に関し、さらに詳しくは、シリカを均一分散させた品質良好なゴム組成物を製造可能にするシリカ配合ゴム組成物の混練方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トレッドゴムにシリカを配合したゴム組成物を使用すると、タイヤの低燃費性やウェットグリップ性を向上できることが知られている。しかし、シリカは表面官能基であるシラノール基の水素結合により粒子同士が凝集しやすいため、ゴムに対する分散性がよくないという欠点がある。そのためゴムにシリカを配合するときは、シランカップリング剤を配合し、シリカとカップリング反応させることによりシリカ表面のシラノール基を減少させ、ゴムに対する親和性を向上させることが行なわれている（特許文献１など）。
【０００３】
しかし、上記のようにシランカップリング剤を配合する場合、シリカとシランカップリング剤とのカップリング反応量が不十分であるとシリカの良好な分散性は得られず、また反応が過剰であるとゴム焼けを招いて品質が低下するという問題があった。そのため、従来の混練方法では、混練作業中に熱電対などで常時ゴム温度を測定し一定範囲に維持しながら、経験的に設定した時間内を混練操作していたが、シリカとシランカップリング剤の反応量がバッチ毎に必ずしも一定するとは限らず、そのためにシリカの分散性が一定しないという問題があった。また、熱電対の表示遅れによりゴム温度がオーバーシュートして、過反応による焼けを招くということもあった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２６３８７８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した従来の問題を解消し、ゴム焼けなどを発生させずに品質の安定したシリカ配合ゴム組成物が得られるようにする混練方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、ジエン系ゴムにシリカ及びシランカップリング剤を混合するゴム組成物の混練方法において、混練操作で達成すべきシリカとシランカップリング剤との必要反応量を、予め実験でトルク曲線が立ち上がるまでの反応量として下記式（１）により決定しておき、該混練操作開始からの混練エネルギーの投入量と排出量とに基づき混合ゴム温度を経時的に計算すると共に、該混合ゴム温度に基づき前記シリカとシランカップリング剤との反応量を経時的に計算し、該反応量の計算値が前記必要反応量に達したとき混練操作を終了することを特徴とするものである。
反応量＝ａ∫ｅｘｐ｛ｋ１／Ｔ（ｔ）｝ｄｔ（１）
但し、ａは定数、
Ｔ（ｔ）は、混合開始から経過した時間ｔにおけるゴム温度、
ｋ１は、カップリング反応の速度定数である。
【０００７】
このようにシリカとシランカップリング剤との必要反応量を予め実験で決定しておき、混練操作においてはゴム温度を熱電対などで実測するのではなく、そのゴム温度を混練エネルギーの投入量と排出量から計算により算出するので応答遅れを招くことなく、かつこの計算値のゴム温度からシランカップリング反応量を計算し、その計算値が上記必要反応量に一致した時点で混合操作を終了するようにしたので、シリカとシランカップリング剤との反応量を正確に制御し、シリカを均一に分散させ、また過剰反応がないのでゴム焼けのない高品質のシリカ配合ゴム組成物を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に使用するジエン系ゴムは、従来からタイヤに使用されている公知のゴムをいずれも使用することができる。例えば、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などを挙げることができる。これらのゴム種は、単独で使用しても、また２種以上をブレンドして使用してもよい。
【０００９】
本発明に使用するシリカは、特に限定されないが、例えば、合成含水ケイ酸などの使用が好ましい。シリカ配合ゴム組成物中のシリカの配合量は、好ましくはゴム１００重量部に対して１０〜２００重量部、さらに好ましくは２０〜８０重量部であるのがよい。
【００１０】
シランカップリング剤は、ゴム業界で使用されているものがいずれも使用可能であり、特に限定されない。例えば、ビス（３−トリエトキシシリルプロピル）テトラサルファイド、γ−メルカプトプロピロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロプルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプルピルトリメトキシシランが好ましい。シランカップリング剤の配合量は、シリカ重量に対して２〜２０重量％、好ましくは４〜１５重量％にするとよい。
【００１１】
また、本発明のゴム組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、上記以外の配合剤を配合するようにしてよい。例えば、カーボンブラック、タルク、クレイなどの充填剤、イオウ、過酸化物などの加硫剤、加硫促進剤、ステアリン酸、酸化亜鉛などの加硫助剤、老化防止剤などを配合することができる。
【００１２】
本発明の混練方法は、上述したジエン系ゴムに少なくともシリカとシランカップリング剤を所定の割合で配合し、バンバリーミキサー、ニーダーなどの従来から使用されている混練機を使用して実施すればよい。混練操作中のゴム温度としては、１２０〜１７０℃にすることが好ましい。シリカとシランカップリング剤との反応は発熱反応であるので、このようなゴム温度の範囲に維持するため、混練機には冷却ジャケットを設け、混練処理中に冷却水を循環させるなどすることが好ましい。
【００１３】
本発明において、上記混練操作を実施するに当たり、予め実験により１バッチ当たりの混練操作におけるシリカとシランカップリング剤とのカップリング反応の必要量（目標値）を決定しておく必要がある。この必要反応量としては、ゴムに対するシリカの分散性が最も均一になり、かつ過剰反応によるゴム焼けを生じないようにする反応量を設定する。
【００１４】
シリカとシランカップリング剤との必要反応量の設定は、図１に示すように、ゴム温度を一定に維持しながら混練操作し、加硫度測定機でトルクを経時的に検知するとき、そのトルクが立上がりを開始するようになるまでに反応したシリカとシランカップリング剤との反応量を使用する。
【００１５】
すなわち、シリカ配合ゴム組成物の混練操作開始から加硫度測定機でトルクを継続的に検知すると、図１に示すように、混練操作の開始直後ではトルクは次第に低下していくが、一定時間を経過すると反転して立ち上がっていく時間−トルク曲線が得られる。このようにして得られる時間−トルク曲線の極小値に接線Ａを引くと共に、立ち上がり後の直線部分に接線Ｂを引き、この接線ＡとＢとの交点をＣとして、この交点Ｃに達するまでの混練操作開始からの経過時間を立上がり時間ｔとすると、この立上がり時間ｔまでの経過間にシリカとシランカップリング剤とが反応した反応量を必要反応量として、次の（１）式から求めるのである。
反応量＝ａ∫exp ｛ｋ1 ／Ｔ(t) ｝ｄｔ・・・・・（１）
但し、ａは定数、
Ｔ(t) は、混合開始から経過した時間ｔにおけるゴム温度、
ｋ1 は、カップリング反応の速度定数である。
【００１６】
上記カップリング反応速度定数ｋ1 は、次のようにして求めることができる。すなわち、図１のようにして求めたゴム温度と立上がり時間ｔとの関係を、複数のゴム温度（例えば、図１の例では１３０℃、１４０℃、１５０℃、１６０℃の４点）についてそれぞれ立上がり時間ｔを測定し（ゴム温度１３０℃の立上がり時間ｔは３５分、１４０℃のｔは１９分、１５０℃のｔは９分、１６０℃のｔは４．５分）、これら複数のゴム温度と立上がり時間ｔとの関係を、図２に示すように、ゴム温度を絶対温度Ｔ（Ｋ）で表わした逆数と立上がり時間ｔとの関係グラフにプロットする。そして、これらプロットした点を結んで得られた直線の傾きが、上記カップリング反応速度定数ｋ1 に相当することになる。図２に示した例では、ｋ1 ＝１２０３０である。
【００１７】
他方、混練操作開始から経過した時間ｔにおけるゴム温度Ｔ（ｔ）を、下記の（２）式により経時的に逐次計算し、かつそのゴム温度の計算値に基づいて、上記（１）式から反応量を経時的に逐次計算していく。この時の（１）式の計算において、定数ａは各計算で共通なので求める必要はない。そして、このようにして計算した混練操作開始時からのシリカとシランカップリング剤との反応量の積算値が、上記の予め設定した必要反応量に達したとき、その混練操作を終了するのである。
【００１８】
本発明の混練方法は、上記のような混練操作を行なうことにより、シリカとシランカップリング剤との反応量を正確に制御可能になり、ゴム中にシリカが均一分散した高品質のシリカ配合ゴム組成物を得ることができる。また、この反応量の制御により過剰反応が生じないのでゴム焼けも発生しない。

但し、Ｔ(t) は、混練開始からの経過時間ｔにおける計算ゴム温度、
Ｔo は、混練操作開始時の初期ゴム温度、
Ｑinput(t)は、混練開始からの経過時間ｔでのエネルギー投入量、
Ｑoutput(t) は、混練開始からの経過時間ｔでのエネルギー排出量、
Ｗは、ゴム組成物の混合重量、
ρ（ｔ）は、混練開始からの経過時間ｔでのゴム比熱である。
【００１９】
なお、上記式における経過時間ｔでのエネルギー投入量Ｑinput(t)は、混練機を駆動するときの電力値（ｋｗ）から算出することができる。また、経過時間ｔでのエネルギー排出量Ｑoutput(t) は、ゴム組成物と混練機ケーシング及びローターとの接触面積や、ゴム組成物の温度と冷却水温度との差などに比例することから、次の（３）式から計算することができる。
Ｑoutput(t) ＝Ｃ2 ×Ｗ^2/3×｛Ｔ(t) −Ｔc ｝・・・・・・（３）
但し、Ｃ2 は、熱交換速度のパラメーター
Ｗは、ゴム組成物の混合重量
Ｔ(t) は、混合開始からの経過時間ｔでのゴム温度で、初期温度Ｔo と投入電力量（ｋｗ）から算出される計算値、
Ｔc は、冷却水の温度である。
【００２０】
図３は、本発明の混練方法を実施する装置の概略を例示したものである。
【００２１】
ゴム組成物を混練する混練機１は、ケーシング２の中に一対の混練羽根３，４を内設している。混練羽根３，４は駆動モーター５により互いに反対方向に回転駆動され、ケーシング２内のゴム、シリカ、シランカップリング剤などの混合物を混練する。また、ケーシング２の外周に冷却ジャッケット６が囲むように設けられている。ジャケット６には冷却水の供給口６ａと排出口６ｂとが設けられ、供給口６ａから供給された冷却水はジャケット６を循環する間にケーシング内のゴム混合物と熱交換を行ない、最後に排出口６ｂから排出される。
【００２２】
また、７は上記混練機１の運転を制御するコントローラーであり、８は起動スイッチである。
【００２３】
上述した装置において、起動スイッチ８をオンにすると、混練機１が起動し、かつ混練操作開始信号がコントローラー７に発信される。この開始信号により、コントローラー７には混練開始時からの経過時間ｔが積算され、上記（２）式に従って混練開始から経過した時間ｔにおけるゴム温度Ｔ(t) が演算されると共に、その計算値に基づき、上記（１）式によりシリカとシランカップリング剤との反応量を演算する。
【００２４】
この（１）式や（２）式の演算に必要な信号として、コントローラー７にはモーター５の消費電力がエネルギー投入量Ｑinput(t)として入力され、またエネルギー排出量Ｑoutput(t) の計算のため、ゴム組成物の重量Ｗ、初期ゴム温度Ｔｏ、冷却ジャケット６の冷却水温度Ｔc などが入力される。
【００２５】
上記のようにしてコントローラー７で演算される反応量の計算値が、予め実験により設定されていた必要反応量に到達すると、コントローラー７から起動スイッチ８に対して停機信号が発信し、駆動モーター５を停止して混練操作を終了する。
【００２６】
本発明の混練方法は、ジエン系ゴムにシリカとシランカップリング剤を配合する混練操作一般に適用することができるが、特にタイヤのトレッドゴムを混練する場合に好ましく適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、シリカとシランカップリング剤との必要反応量を予め実験で決定しておき、混練操作においてはゴム温度を熱電対などで実測するのではなく、そのゴム温度を混練エネルギーの投入量と排出量から計算により算出するので応答遅れを招くことなく、かつこの計算値のゴム温度からシランカップリング反応量を計算し、その計算値が上記必要反応量に一致した時点で混合操作を終了するようにしたので、シリカとシランカップリング剤との反応量を正確に制御し、シリカを均一に分散させ、また過剰反応がないのでゴム焼けのない高品質のシリカ配合ゴム組成物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ゴム組成物を混練するときの時間−トルク曲線を示すグラフである。
【図２】ゴム組成物を混練するときのゴム温度の逆数とトルク立上がり時間との関係グラフである。
【図３】本発明を実施する装置を例示した概略図である。
【符号の説明】
１混練機
２ケーシング
３，４混練羽根
５駆動モーター
６冷却ジャッケト
７コントローラー
８起動スイッチ

Claims

ジエン系ゴムにシリカ及びシランカップリング剤を混合するゴム組成物の混練方法において、混練操作で達成すべきシリカとシランカップリング剤との必要反応量を、予め実験でトルク曲線が立ち上がるまでの反応量として下記式（１）により決定しておき、該混練操作開始からの混練エネルギーの投入量と排出量とに基づき混合ゴム温度を経時的に計算すると共に、該混合ゴム温度に基づき前記シリカとシランカップリング剤との反応量を経時的に計算し、該反応量の計算値が前記必要反応量に達したとき混練操作を終了するシリカ配合ゴム組成物の混練方法。
反応量＝ａ∫ｅｘｐ｛ｋ１／Ｔ（ｔ）｝ｄｔ（１）
但し、ａは定数、
Ｔ（ｔ）は、混合開始から経過した時間ｔにおけるゴム温度、
ｋ１は、カップリング反応の速度定数である。
前記混合ゴム温度Ｔ（ｔ）を、下記式（２）により経時的に計算する請求項１に記載のシリカ配合ゴム組成物の混練方法。
Ｔ（ｔ）＝Ｔｏ＋∫｛Ｑ input （ｔ）−Ｑ output （ｔ）｝／｛Ｗ×ρ（ｔ）｝ｄｔ (２）
但し、Ｔ（ｔ）は、混練開始からの経過時間ｔにおける計算ゴム温度、
Ｔｏは、混練操作開始時の初期ゴム温度、
Ｑ input （ｔ）は、混練開始からの経過時間ｔでのエネルギー投入量、
Ｑ output （ｔ）は、混練開始からの経過時間ｔでのエネルギー排出量、
Ｗは、ゴム組成物の混合重量、
ρ（ｔ）は、混練開始からの経過時間ｔでのゴム比熱である。
シリカ重量に対してシランカップリング剤の配合量が２〜１５重量％である請求項１又は２に記載のシリカ配合ゴム組成物の混練方法。
前記シリカ配合ゴム組成物がタイヤトレッド用である請求項１，２又は３に記載のシリカ配合ゴム組成物の混練方法。