JP5281510B2 - 流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を計算する方法及びそれに用いられる測定装置 - Google Patents
流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を計算する方法及びそれに用いられる測定装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を計算する方法及びそれに用いられる測定装置に関する。
空気入りタイヤのようなゴム製品を製造する場合、ゴム材料を混練して可塑化し、それを押出機で所定形状に押し出し成形することが行われる。混練機や押出機の中では、可塑化された未加硫ゴムは、例えばゴムが流れる流路の壁面と接触して摩擦力を受ける。この摩擦力は、前記壁面近傍でのゴムのせん断速度やせん断応力に大きな影響を与える。このため、可塑化された流動状態のゴムと前記壁面との摩擦特性を調べることは、ゴム流れの改善による生産性の向上を図る上で非常に重要となる。これは、可塑化されて射出される樹脂材料についても同様である。
従来、このような可塑化された未加硫ゴムないし樹脂といった流動性材料の摩擦特性を調べる技術として、下記非特許文献１及び２が提案されている。
MELVIN MOONEY著、「EXPLICIT FORMULAS FOR SLIP AND FLUIDITY」Journal of Rheology April 1931
加納好昭著「溶融樹脂の管内流動における壁面スリップ −固体界面の影響−」 日本レオロジー学会誌 Vol.25 1997
前記非特許文献１では、流動性材料が円形断面を有する流路（キャピラリー）を通過したときの、流量と圧力損失から、流路の壁面でのせん断応力とスリップ速度とを求める方法が記載されている。具体的には、非特許文献１では下記式（３）が提案されている。
ここで、上記式の符号は次の通りである。
Ｅ:単位時間あたりの流動性材料の流量
ａ:流路の半径
ｓ:壁面でのせん断応力
β:スリップ係数
Ｅ:単位時間あたりの流動性材料の流量
ａ:流路の半径
ｓ:壁面でのせん断応力
β:スリップ係数
前記非特許文献１では、流路たるキャピラリーの半径ａを変えても、壁面でのせん断応力ｓは変化しないという仮定に基づいている。そうすると、単位時間あたりの流動性材料の流量Ｅの変化は、全て壁面でのスリップ（滑り）に起因するということになる。この仮定の下で（（Ｅ／πａ 3 ）／（１／ａ））を縦軸に、（１／ａ）を横軸にそれぞれとったグラフを描き、その傾きを求めれば、流動性材料の壁面でのスリップ速度を評価できることになる。
しかしながら、上述のようなグラフを描いても、必ずしも直線が得られるとは限らない。特に、未加硫ゴムのような非ニュートン流体の場合、非特許文献１の方法では予測精度が悪いという問題があった。
また、非特許文献２のものでは、トレーサーを混ぜた溶融樹脂を押出機により押出し、管路の中央に設けたスリットから可視光を照射し、内部を流れる溶融樹脂により散乱された光を側壁に設けた観察窓を通してＣＣＤカメラにより撮影し、樹脂流動解析によって得られる速度分布と一致するスリップ速度を逆同定する方法が記載されている。
しかしながら、非特許文献２の方法は、流動性材料が透明な樹脂でないと、トレーサー樹脂から流速分布を求める事ができない。したがって、カーボンブラック等が配合されるような非透明のタイヤ用配合の未加硫ゴムの場合、この方法を採用することができず、汎用性に劣るという問題がある。
本発明は、以上のような実情に鑑み案出なされたもので、流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を、精度良くかつ簡単に調べることが可能な方法及びそれに用いられる測定装置を提供することを目的としている。
本発明のうち請求項１記載の発明は、可塑化されたゴム又は樹脂を含む流動性材料と、該流動性材料が流れる流路の壁面との摩擦特性を計算する方法であって、前記流動性材料を、同一内径かつ予め定めた解析対象区間で軸方向にのびる前記流路に連続して供給する工程と、前記流路の解析対象区間の上流側の壁面の圧力Ｐ0と、前記流路の解析対象区間の下流側の壁面の圧力Ｐ1とを測定する工程と、前記圧力の差（Ｐ0−Ｐ1）から下記式（１）によって解析対象区間の流路の壁面でのせん断応力τwを計算する工程と、該せん断応力と、前記流動性材料の単位時間当たりの流量と、前記流動性材料の粘度特性とを用いて下記式（２）で前記流路の壁面でのスリップ速度を計算する工程とを含むことを特徴とする。
また請求項２記載の発明は、前記流動性材料の粘度特性を、該流動性材料の粘度を、粘度計を用いて測定する工程と、前記測定された粘度を、流動性材料の解析対象区間での流動性材料の温度に、時間−温度換算則を用いて換算する工程とを含んで計算する請求項１記載の流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を計算する方法である。
また請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載された流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を計算する方法に用いられる測定装置であって、前記流動性材料を押し出す押出機の吐出側の端部に装着される外筒部と、該外筒部に着脱自在に内挿された内筒部とを含み、前記内筒部は、同一径で軸方向にのびかつ前記押出機から押し出された流動性材料が供給される流路を具え、かつ、前記流路の表面は、前記流動性材料との摩擦特性を測定する解析対象物で形成されるとともに、前記流路の解析対象区間の温度を測定する温度検出手段と、該解析対象区間の圧力を検出する圧力検出手段とを具えることを特徴とする測定装置である。
また請求項４記載の発明は、前記外筒部には、前記内筒部の温度を調節するための流体が流れる調温流路が形成される請求項３記載の測定装置である。
また請求項５記載の発明は、前記外筒部は、軸方向にのびるとともに前記内筒部が挿入される外筒本体と、該外筒本体の押出機側に着脱自在に固着されかつ前記押出機の前記端部に固着されることにより前記押出機から押し出された前記流動性材料を前記内筒部の流路に導入する継ぎ流路を有する接続金具と、前記外筒本体の押出機と反対側の端部である先端側に着脱自在に固着されかつ前記流路を流れる前記流動性材料を吐出する吐出口を有する蓋部材とを含み、前記内筒部は、前記接続金具及び蓋部材の間で軸方向に押圧されて同心に突き合わされた２つの筒片からなる請求項３又は４記載の測定装置である。
また請求項６記載の発明は、前記各筒片は、前記突き合わされた端面と反対側の端面に、各筒片を前記外筒本体から互いに離間する向きに引き出すための治具を螺着するためのネジ孔を有する請求項５記載の測定装置である。
請求項１に係る方法の発明では、流動性材料と、該流動性材料が流れる流路の壁面との摩擦特性、より具体的には流路の壁面でのスリップ速度を正確に計算できる。従って、複数種類の材料についてスリップ速度を調べ、該スリップ速度が大きい材料を特定して流路に用いることにより、例えば流動性材料の混練、押出しといった工程の生産性を向上させることが可能になる。また、ポリマーに配合されるフィラー（例えばシリカやカーボン）の分散性を向上しうるゴム流路の開発にも役立つ。さらに、本発明によれば、流動性材料の色彩に関わらず、測定することが可能になる。
また、請求項３に係る測定装置では、流動性材料を押し出す押出機の吐出側の端部に装着される外筒部と、該外筒部に着脱自在に挿入された内筒部とを含み、この内筒部は、前記押出機から押し出された流動性材料が流れる同一径で軸方向にのびる流路を具え、かつ、前記流路の表面は、前記流動性材料との摩擦特性を測定する解析対象物で形成される。しかも、この測定装置では、前記流路の解析対象区間の温度を測定する温度検出手段と、該解析対象区間の圧力を検出する圧力検出手段とを具える。従って、押出機側に何らの加工を必要とすることなく、内筒部の流路の壁面と流動性材料とのスリップ速度を計算するのに必要なデータを取得できる。従って、予め種々の材料及び／又は表面加工された内筒部を準備して、これらを交換することにより、簡単に様々な材料の摩擦特性を測定することができる。
以下、本発明の実施の一形態について、流動性材料として可塑化された未加硫ゴムと、それが流れるゴム流路の壁面との摩擦特性を計算する方法について説明する。
先ず、図１に示されるように、キャピラリーＣ内をスリップがない状態で流れる未加硫ゴムＵについて、任意の半径位置ｒでの速度の理論解が知られている。例えば、「Transport Phenomena second edition, R. Byron Bird p242-243」には、下記理論解が記載されている。
ただし、符号は、次の通りである。
ｖz:流れ方向の未加硫ゴムの速度
Ｐ0:キャピラリーの入口圧力
ＰL:キャピラリーの出口圧力
ｍ及びｎ:未加硫ゴムのせん断速度とせん断粘度の関係からPower Lawによって近似したときに決まる係数
ｒ:未加硫ゴムの半径方向の位置
Ｒ:キャピラリーの半径
Ｌ:キャピラリーの軸方向（ｚ方向）の長さ
ｖz:流れ方向の未加硫ゴムの速度
Ｐ0:キャピラリーの入口圧力
ＰL:キャピラリーの出口圧力
ｍ及びｎ:未加硫ゴムのせん断速度とせん断粘度の関係からPower Lawによって近似したときに決まる係数
ｒ:未加硫ゴムの半径方向の位置
Ｒ:キャピラリーの半径
Ｌ:キャピラリーの軸方向（ｚ方向）の長さ
発明者らは、上記式に、未加硫ゴムＵの壁面Ｃwでの滑りを考慮した。即ち、未加硫ゴムは、キャピラリーＣのゴム流路の壁面Ｃwで速度ｖslipのスリップ（滑り）生していると仮定すれば、下記式（５）が成り立つことを知見した。
また、上記式（５）を断面内で積分すると、下式（６）が得られる。
そして上記式（６）を、ｖslipを求める形式に整理すると、下式（７）が得られる。
なお、式（７）は、未加硫ゴムＵの壁面Ｃwでのせん断応力ｓ＝（Ｐ0−ＰL）Ｒ／２Ｌとおくと式（８）で表すことができる。
従って、本発明の方法によれば、もはや非特許文献１のMoonyのように、βをグラフを用いて導き出す必要は無く、理論式によって、未加硫ゴムの比重ρ、粘度のパラメータｍ及びｎ、キャピラリーＣの半径Ｒ、キャピラリーＣの解析対象区間の入口圧力Ｐ0、出口圧力ＰL並びに単位時間当たりに流れる未加硫ゴムＵの流量ｑが分かれば、当該キャピラリーＣに対する未加硫ゴムＵのスリップ速度を簡単に計算することができる。
よって、本発明によれば、種々の条件でスリップ速度を計算して該スリップ速度の大きい材料を特定し、かつ、それをゴム押出機のゴム流路や混練機の壁面に用いることにより、押出し時等の抵抗を減じ、生産性の向上に役立てることができる。また、これとは逆に、
ゴムポリマーに配合されるフィラー（例えばシリカやカーボン）の分散性を向上しうるゴム流路の開発にも役立つ。即ち、フィラーを分散させる為には、フィラーにせん断力を作用させる必要があり、このためには上記スリップ速度の小さい材料を選択するのが効果的である。
ゴムポリマーに配合されるフィラー（例えばシリカやカーボン）の分散性を向上しうるゴム流路の開発にも役立つ。即ち、フィラーを分散させる為には、フィラーにせん断力を作用させる必要があり、このためには上記スリップ速度の小さい材料を選択するのが効果的である。
前記理論式に必要なキャピラリーＣの解析対象区間の入口圧力Ｐ0、出口圧力ＰL及び単位時間当たりに流れる未加硫ゴムＵの流量ｑについては、図１に示したように、キャピラリーＣに、例えば押出機を用いて未加硫ゴムＵを定常状態で連続供給して各種測定を行うことにより容易に得ることができる。また、未加硫ゴムの比重ρについては公知の測定方法にて得るることができる。
さらに、未加硫ゴムＵの粘度のパラメータｍ及びｎについては、別途、粘度計を使用し、該未加硫ゴムのせん断速度とせん断粘度との関係を求め、それらにpower law（カーブフィット）を適用してを同定することができる。
未加硫ゴムのせん断速度及び未加硫ゴムのせん断粘度については、例えば、キャピラリー型又はせん断型レオメータの粘度計を用いて測定することができる。
キャピラリー型の粘度計では、一般に、キャピラリーを流れる未加硫ゴムの入口−出口間の圧力損失が、圧力センサー又はロードセルを用いて測定される。そして、下記の式（９）を適用して未加硫ゴムのせん断粘度が計算される。なお、せん断速度は先に示した式（８）により計算できる。
ここで、符号は次の通りである。
ΔＰ：圧力損失（Ｐ0−ＰL）
ｒ: キャピラリーの半径
Ｑ：未加硫ゴムの流量
Ｌ：キャピラリーの軸方向の長さ
なお、この種の測定装置としては、例えば東洋精機社製の「キャピログラフ１Ｄ」等を用いることができる。
ΔＰ：圧力損失（Ｐ0−ＰL）
ｒ: キャピラリーの半径
Ｑ：未加硫ゴムの流量
Ｌ：キャピラリーの軸方向の長さ
なお、この種の測定装置としては、例えば東洋精機社製の「キャピログラフ１Ｄ」等を用いることができる。
また、せん断型レオメータの粘度計の場合、図２に示されるように、粘度を測定したい未加硫ゴムＵのサンプルｋを２枚の円盤ｊ、ｊの間に挟み、かつ、微小振動させることによってその粘弾性特性が計測される。そして、下記式（１０）によってせん断粘度に換算できる。
ここで、符号は次の通りである。
η*（ω）：せん断粘度
ω：角周波数
Ｇ'：動的弾性率
Ｇ"：損失弾性率
γ：せん断速度
η*（ω）：せん断粘度
ω：角周波数
Ｇ'：動的弾性率
Ｇ"：損失弾性率
γ：せん断速度
なお、この種の測定装置としては、例えばＴＡインスツルメント社製の「ＡＲＥＳ」を挙げることができ、その測定条件の一例は次の通りである。
ひずみ：０．５％
縦荷重：０
周波数：０．１〜１００（rad／ｓ）
測定温度：１３０℃、１００℃、８０℃、６０℃又は４０℃
ひずみ：０．５％
縦荷重：０
周波数：０．１〜１００（rad／ｓ）
測定温度：１３０℃、１００℃、８０℃、６０℃又は４０℃
図３には、上記ＡＲＥＳを使用して得られた未加硫ゴムＵのせん断速度とせん断粘度との関係を示し、両者の間にはこのような比例関係が見られる。そして、このようにして得られたせん断速度とせん断粘度との直線関係から、式（１１）を用いてカーブフィッティングプログラム等で近似することにより、前記パラメータｍ及びｎを定めることができる。
また、未加硫ゴムＵの粘度特性ｍ、ｎ等は温度に依存するため、上記理論式（７）に代入される各パラメータは、同一の温度条件での値である必要がある。従って、キャピラリーを用いて測定された前記圧力Ｐ0、ＰL及び未加硫ゴムＵの流量ｑの温度条件と、前記パラメータｍ及びｎを測定したときの温度条件とが異なる場合には、前記パラメータｍ及びｎを、キャピラリーを流れる未加硫ゴムの温度条件に、公知の時間−温度換算則を用いて換算し、その換算された値を用いれば良い。
次に、未加硫ゴムのスリップ速度を計算するに際して、必要なパラメータを効率良く測定しうる測定装置の実施形態について述べる。
図４には、測定装置１の断面図を示し、該測定装置１は、外筒部２と、該外筒部２に着脱自在に内挿されかつ内部にゴム流路ｉを形成する内筒部３とを含んで構成される。また、本実施形態の測定装置１は、未加硫ゴムＵを押し出す押出機Ｍの吐出側の端部ｅに装着されている。
前記外筒部２は、未加硫ゴムＵの押出し方向に沿って軸方向にのびるとともに内筒部３が挿入された外筒本体４と、該外筒本体４の押出機側に着脱自在に固着された接続金具５と、外筒本体４の押出機Ｍと反対側の端部である先端側に着脱自在に固着された蓋部材６とを含んで構成されている。
前記外筒本体４は、軸方向に所定の長さでのびる円筒状の基部４ａと、その先端側に形成された前フランジ部４ｂと、後端側に形成された後フランジ部４ｃとを一体に含んでいる。
前記基部４ａには、内筒部３が挿入される内孔７が連続して形成されている。また、本実施形態では、基部４ａに温度検出手段８と、圧力検出手段９とが固着されている。温度検出手段８及び圧力検出手段９は、それぞれ基部４ａの半径方向にのびる取付孔１０、１１にそれぞれ装着されている。
前記温度検出手段８は、公知の温度センサーを用いることができ、例えば熱電対等が好適である。なお、温度検出手段８の検知信号は、図示しない制御装置へと入力される。本実施形態では、解析対象区間Ａ内で等間隔で３つの温度検出手段８が並べて設けられている。なお、温度検出手段８の検知端８ａは、内筒部３に設けた透孔２１を通ってゴム流路ｉ内に配置されている。より具体的には、検知端８ａが内筒部３のゴム流路ｉの壁面ｉｅと整一してその一部を構成するように配置されている。
また、前記圧力検出手段９は、公知の圧力センサーを用いることができる。本実施形態では、解析対象区間Ａの最上流部及び最下流部にそれぞれ各一つの圧力検出手段９ｉ、９ｏを含んでいる。これらの検知信号も制御装置へと入力される。なお、温度検出手段８と同様、圧力検出手段９の検知端９ａも、内筒部３に設けた透孔２２を通ってゴム流路ｉの壁面ｉｅと整一して配置されている。これにより、圧力検出手段９は、ゴム流路ｉの解析対象区間Ａの上流側の圧力Ｐ0と、下流側の圧力ＰLとを測定することができる。
さらに、本実施形態において、外筒部２の基部４ａには、内筒部３の温度を調節するための流体が流れる調温流路１４が形成されている。本実施形態の調温流路１４は、基部４ａの円周方向に沿って環状にのびている。そして、この調温流路１４には、水、湯又はオイル等の流体が流出入する入口及び出口（図示省略）が設けられ、内部に流体が循環する。また、調温流路１４は、基部４ａの軸方向に距離を隔てて合計３本形成されている。
本実施形態では、温度検出手段８にて測定された温度に基づき、図示しないポンプを駆動し、各調温流路１４に個別に、冷媒又は熱媒となる流体を出入りさせることができる。これにより、流体は、基部４ａを介して内筒部３と熱交換を行い、内筒部３の温度を、その軸方向長さに亘って（より好ましくは少なくとも解析対象区間Ａに亘って）所望の温度かつ一定に保つことができる。
前記接続金具５は、例えば、略円盤状をなし、本実施形態では、外筒部２の後フランジ部４ｃにボルト１２で一体に固着される。また、接続金具５は、押出機Ｍの吐出口Ｍｏ側のフランジＭｆにボルト１５で固着される。これにより、測定装置１が押出機Ｍに片持ち状に装着できる。
また、接続金具５の中央には、テーパ状の継ぎ流路１３が形成されている。該継ぎ流路１３は、押出機Ｍの吐出口Ｍｏと、内筒部３のゴム流入口３ｉとの間を繋ぐようにのびている。これにより、押出機Ｍから押し出された未加硫ゴムＵは、円滑に内筒部３のゴム流路ｉへと送給される。さらに、本実施形態の接続金具５には、前記内筒部３の後端側の端面と当接する第１の押圧面５ａが形成されている。
前記蓋部材６は、例えば、略円盤状をなし、外筒部２の前フランジ部４ｂにボルト１７で固着されている。また、蓋部材６には、前記内筒部３のゴム流路ｉの吐出口と同径をなすゴム吐出口６ｏが形成されている。さらに、蓋部材６の前記ゴム吐出口６ｏの周りには、内筒部３の先端側の端面と当接する第２の押圧面６ａが形成されている。
前記内筒部３は、例えば、円筒状のパイプ材からなり、内部に押出機Ｍから押し出された未加硫ゴムＵが流れるゴム流路ｉが形成される。該ゴム流路ｉは、同一径で軸方向にのびる断面円形の内孔によって形成される。
また、ゴム流路ｉの表面（即ち壁面ｉｅ）は、未加硫ゴムＵとの摩擦特性を測定する解析対象物で形成される。例えば、この内筒部３の少なくとも前記壁面ｉｅを、解析しようとする解析対象材料（金属材料）及び／又は表面粗さ（塗膜やコーティング等の表面処理の有無）で形成する。なお、種々の解析を行う場合には、前記壁面ｉｅの材料及び／又は表面粗さを異ならせた複数種類の内筒部３を予め準備し、これらを順次交換することにより、それぞれの摩擦特性を測定することができる。
また、本実施形態の内筒部３は、同心かつ軸方向に突き合わされることによって１本の連続した前記ゴム流路ｉを形成しうる２つの筒片３Ａ、３Ｂから構成されている。これらの筒片３Ａ、３Ｂは、接続金具５及び蓋部材６を外筒本体４に固着することにより、軸方向で互いに押圧され、突き合わせ面での隙間などを実質的に無くすことなく連続することができる。
さらに、各筒片３Ａ、３Ｂには、位置合わせにより、外筒本体４に設けられた取付孔１０及び１１に連通する前述の透孔２１、２２が形成されている。これにより、温度検出手段８及び圧力検出手段９は、それぞれ外筒部２及び内筒部３を貫通してゴム流路ｉ内に検知部を臨ませることができる。
本実施形態において、外筒部２と内筒部３との円周方向の相対位置を能率良く位置決めし、取付孔１０及び１１に透孔２１、２２を能率良く揃えるために、筒片３Ａ、３Ｂには、その端部には、軸方向にのびるキー２３が一体形成される。他方、外筒部２には、前記キー２３と嵌合する凹部２４が形成されている。これにより、キー２３と凹部２４とを合わせて挿入することにより、調整作業などを要することなく、取付孔１０及び１１に透孔２１、２２を揃えることができる。従って、内筒部３の交換作業時の位置合わせ挿入が能率化できる。
さらに、本実施形態においては、各筒片３Ａ、３Ｂには、互いに突き合わされた端面と反対側の端面（即ち、内筒部３の両外端面）に、露出する状態でネジ孔２９が設けられている。該ネジ孔２９は、本実施形態では、肉厚を膨出させた前記キー２３に穿設されている。このようなネジ孔２９には、各筒片３Ａ、３Ｂを外筒本体４から互いに離間する向きに引き出すための治具（図５に示す）を螺着することができ、内筒部３の交換作業をさらにう能率化しうる。
以上のように構成された本実施形態の測定装置１では、図４の状態に組み立てられた後、押出機Ｍに装着される。次に、押出機Ｍのスクリュー軸を回転させることにより、未加硫ゴムＵが、継ぎ流路１３を経て内筒部３のゴム流路ｉへと連続供給される。なお、内筒部３を流れた未加硫ゴムは、最終的にはゴム吐出口６ｏから外部に吐出される。
なお、各種の測定は、未加硫ゴムＵの流れが安定した後に開始されるのが良い。そして、温度検出手段８によって、解析対象区間Ａのゴム流路ｉの壁面位置での未加硫ゴムの温度が検出される。
この測定では、予め定めた一定の解析温度で行われるのが望ましい。本実施形態では、温度検出手段８によって測定された温度が、上記解析温度よりも高くなると、制御装置は、図示しないポンプを駆動し、前記調温流路節１４に冷媒を供給する。これにより、外筒部２を介して内筒部３を冷却制御できる。他方、温度検出手段８によって測定された温度が、解析温度よりも低い場合、制御装置は、ポンプを駆動して調温流路１４に熱媒を供給する。これにより、外筒部２を介して内筒部３を加温制御できる。このように、本実施形態の測定装置１では、内筒部３を解析温度に保つことができる。
また、圧力検出手段９ｉ、９ｏによって、解析対象区間Ａの未加硫ゴムＵの入口圧力Ｐ0及び出口圧力ＰLをそれぞれ検知できる。
また、異なる材料及び／又は表面粗さのゴム流路を具えた内筒部３で測定を行いたい場合、図５に示されるように、先ず、接続金具５及び蓋部材６が、外筒本体４から取り外される。同様に、温度検出手段８及び圧力検出手段９が外筒部２から抜き取られる。しかる後、内筒部３の各筒片３Ａ、３Ｂに設けられたネジ孔２９に治具Ｊ（この例では引き抜き用のグリップとボルトとが示される）を螺着し、該治具Ｊを両外側に引き抜くことによって、外筒部２から各筒片３Ａ及び３Ｂを抜き取ることができる。このような分割タイプの内筒部３は、引き抜き長さを小として、交換作業性を能率化しうる。
そして、予め準備された別の内筒部３の各筒片３Ａ、３Ｂが、外筒部２に挿入され、接続金具５及び蓋部材６が外筒本体４に固着される。これにより、内筒部３が形成される。しかる後、温度検出手段８及び圧力検出手段９が外筒本体４から装着される。
図４に示した測定装置を用いて、下記の条件にて未加硫ゴムと２種類の内筒部との摩擦特性の測定を行った。
［内筒部の仕様］
内筒部は、いずれも炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）から形成されたパイプ材からなり、一つはゴム流路の壁面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のコーティングを施したもの、もう一つはゴム流路の壁面にＳＡＣＭ６４５の窒化鋼をコーティングしたものとした。
内筒部は、いずれも炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）から形成されたパイプ材からなり、一つはゴム流路の壁面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のコーティングを施したもの、もう一つはゴム流路の壁面にＳＡＣＭ６４５の窒化鋼をコーティングしたものとした。
［押出機の流量］
また、押出機のゴムの流量については、定常運転を確認した後、１８秒間に押し出されたゴムの重量を測定し、これを秒数で除すことにより単位時間あたりの流量を求めた。なお、ゴムの流れ状態等を安定化させるために、測定は、押出機を最低３０秒間初期運転させた後に開始した。
また、押出機のゴムの流量については、定常運転を確認した後、１８秒間に押し出されたゴムの重量を測定し、これを秒数で除すことにより単位時間あたりの流量を求めた。なお、ゴムの流れ状態等を安定化させるために、測定は、押出機を最低３０秒間初期運転させた後に開始した。
［ゴム配合］
未加硫ゴムのゴム配合については、内筒部Ｘ、Ｙでともに共通とし、タイヤに用いられる一般的なシリカ配合の黒色のゴム組成物とした。
未加硫ゴムのゴム配合については、内筒部Ｘ、Ｙでともに共通とし、タイヤに用いられる一般的なシリカ配合の黒色のゴム組成物とした。
［ゴム温度の測定］
ゴム吐出口直ぐのゴムに熱電対を突き刺して１０秒後の温度計の目盛りを読み取ることにより測定された。
ゴム吐出口直ぐのゴムに熱電対を突き刺して１０秒後の温度計の目盛りを読み取ることにより測定された。
［測定結果］
図６に示されるように、ゴム流路の壁面が低表面自由エネルギーを有するＰＴＦＥの内筒部は、ＳＡＣＭ６４５の窒化鋼を窒化したものに比較すると、壁面でのせん断応力は小さく、かつ、スリップ速度が上昇する傾向が見られた。この様に、本発明の方法及び測定装置を使用すれば、各ゴム流路の摩擦特性を数値で定量的に確認、評価することができる。
図６に示されるように、ゴム流路の壁面が低表面自由エネルギーを有するＰＴＦＥの内筒部は、ＳＡＣＭ６４５の窒化鋼を窒化したものに比較すると、壁面でのせん断応力は小さく、かつ、スリップ速度が上昇する傾向が見られた。この様に、本発明の方法及び測定装置を使用すれば、各ゴム流路の摩擦特性を数値で定量的に確認、評価することができる。
次に、上記測定装置のゴム流路の内径を３水準（３０mm、３７．５mm及び４５mm）としてせん断応力が変わるようにし、それぞれの条件でスリップ速度を導出した。壁面温度は６０℃に設定した。結果は、図７に示されるように、せん断応力とすべり速度の関係を得ることができた。従って、このような結果から、ゴムの押出し時の温度について、最適なスリップ速度を調べるのに役立つ。
以上のように、本実施例の装置を用いると、流動性材料の流路の壁面の材質、表面粗さ、温度、流動性材料の温度等によって、壁面での摩擦特性がどの様に変化するのかを、簡単に実験でかつ定量的に求めることができる。また本実施形態の測定装置では、内筒部の内径を大きく設定できるため、流路の壁面のメッキや表面加工が容易となり、かつ、金属表面の実温度計測や、圧力損失の計測もしやすいという利点を有する。
１ 測定装置
２ 外筒部
３ 内筒部
３Ａ、３Ｂ 筒片
４ 外筒本体
４ａ 基部
４ｂ 前フランジ部
４ｃ 後フランジ部
５ 接続金具
６ 蓋部材
６ｏ ゴム吐出口
７ 内孔
８ 温度検出手段
９ 圧力検出手段
１４ 調温流路
１５、１７ ボルト
２９ ネジ孔
Ａ 解析対象区間
ｉ ゴム流路
ｉｅ ゴム流路の壁面
Ｊ 治具
Ｍ 押出機
２ 外筒部
３ 内筒部
３Ａ、３Ｂ 筒片
４ 外筒本体
４ａ 基部
４ｂ 前フランジ部
４ｃ 後フランジ部
５ 接続金具
６ 蓋部材
６ｏ ゴム吐出口
７ 内孔
８ 温度検出手段
９ 圧力検出手段
１４ 調温流路
１５、１７ ボルト
２９ ネジ孔
Ａ 解析対象区間
ｉ ゴム流路
ｉｅ ゴム流路の壁面
Ｊ 治具
Ｍ 押出機
Claims (6)
- 可塑化されたゴム又は樹脂を含む流動性材料と、該流動性材料が流れる流路の壁面との摩擦特性を計算する方法であって、
前記流動性材料を、同一内径かつ予め定めた解析対象区間で軸方向にのびる前記流路に連続して供給する工程と、
前記流路の解析対象区間の上流側の壁面の圧力Ｐ0と、前記流路の解析対象区間の下流側の壁面の圧力Ｐ1とを測定する工程と、
前記圧力の差（Ｐ0−Ｐ1）から下記式（１）によって解析対象区間の流路の壁面でのせん断応力τwを計算する工程と、
該せん断応力と、前記流動性材料の単位時間当たりの流量と、前記流動性材料の粘度特性とを用いて下記式（２）で前記流路の壁面でのスリップ速度を計算する工程とを含むことを特徴とする流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を計算する方法。
- 前記流動性材料の粘度特性を、
該流動性材料の粘度を、粘度計を用いて測定する工程と、
前記測定された粘度を、流動性材料の解析対象区間での流動性材料の温度に、時間−温度換算則を用いて換算する工程とを含んで計算する請求項１記載の流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を計算する方法。 - 請求項１又は２に記載された流動性材料と流路の壁面との摩擦特性を計算する方法に用いられる測定装置であって、
前記流動性材料を押し出す押出機の吐出側の端部に装着される外筒部と、該外筒部に着脱自在に内挿された内筒部とを含み、
前記内筒部は、同一径で軸方向にのびかつ前記押出機から押し出された流動性材料が供給される流路を具え、かつ、前記流路の表面は、前記流動性材料との摩擦特性を測定する解析対象物で形成されるとともに、
前記流路の解析対象区間の温度を測定する温度検出手段と、該解析対象区間の圧力を検出する圧力検出手段とを具えることを特徴とする測定装置。 - 前記外筒部には、前記内筒部の温度を調節するための流体が流れる調温流路が形成される請求項３記載の測定装置。
- 前記外筒部は、軸方向にのびるとともに前記内筒部が挿入される外筒本体と、
該外筒本体の押出機側に着脱自在に固着されかつ前記押出機の前記端部に固着されることにより前記押出機から押し出された前記流動性材料を前記内筒部の流路に導入する継ぎ流路を有する接続金具と、
前記外筒本体の押出機と反対側の端部である先端側に着脱自在に固着されかつ前記流路を流れる前記流動性材料を吐出する吐出口を有する蓋部材とを含み、
前記内筒部は、前記接続金具及び蓋部材の間で軸方向に押圧されて同心に突き合わされた２つの筒片からなる請求項３又は４記載の測定装置。
- 前記各筒片は、前記突き合わされた端面と反対側の端面に、各筒片を前記外筒本体から互いに離間する向きに引き出すための治具を螺着するためのネジ孔を有する請求項５記載の測定装置。
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