JP5892894B2 - ゴム材料と接触する部材 - Google Patents

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Description

本発明は、ゴムの混練や圧延などの加工を行う際にゴム材料と接触する部材に関するものである。
一般に、ゴム製品を製造するにあたっては、まずゴム材料を混練し、混練後のゴム材料に対して、ゴム材料を圧延したりプレスしたりあるいは押し出したりする加工が行われる。このような加工を行うゴム加工装置には、ゴム材料の加工用に圧延ロール、プレス金型、ローラヘッド押出機のローラ等、ゴム材料と直接に接する部材が備えられており、これら部材の表面には、ゴム材料の付着を抑制するためのクロムめっきなどが行われるのが一般的である。
ゴム材料の付着を抑制又は防止する技術としては、すでに特許文献1の加工装置で開示されたものが知られている。すなわち、特許文献1の加工装置は、ゴム練り加工や型付加工に用いる加工装置に対して、ゴム材料と接触する金属表面の表面粗度をRa=5〜50μmという範囲に設定することで金属表面に対するゴム材料の付着を抑制しようとするものである。
特開2004−209939号公報
特許文献1の加工装置は、ゴムと接触する金属表面の表面粗度Raをある範囲に制限してゴム材料の付着を抑制しようとするものである。一般的には、金属表面の表面粗度Raを制限して粗面化すれば、ゴム材料と金属表面との接触面積が小さくなり、ゴム材料が金属表面に付着しにくくなると考えられる。
しかし、近年のゴム加工装置で加工されるゴム材料には、フィラーの分散性を高めるためにシランカップリング剤を混ぜることが多い。ところが、このようなシランカップリング剤はフィラーだけでなく、ゴム材料と直接に接する金属表面とも反応する。従って、シランカップリング剤が含まれたゴム材料を圧延ロールなどで加工しようとすればゴム材料が金属表面に付着して剥がれにくくなるなどの問題が発生する。
つまり、上述したようなシランカップリング剤を含むゴム材料は金属表面と化学的に反応して結合する場合が多く、特許文献1の加工装置のように表面粗さをある範囲に制限して物理的な付着を抑制するだけでは、表面に対するゴムの付着を十分に抑制又は防止することはできない。
また、このように加工装置の圧延ロールなどにゴム材料が付着すると、付着したゴム材料を剥離するために生産ラインを停止させる必要や、ゴム材料が付着したロールの交換や再研磨といった保守作業の必要が生じる場合もあり、目的とするゴム製品の生産効率が著しく低下する。また、最も問題となっているのはロール表面への付着だが、それ以外の部分の付着の改善にも潜在的な要求がある。具体的には、スクリュ、ホッパー、ゴム混練機のミキサーやチャンバー、ドロップドア、ロータボディなどである。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ゴム材料がこのゴム材料に接する表面に付着することを抑制可能なゴム材料と接触する部材を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のゴム材料と接触する部材は、ゴム材料と接触する表面を有する部材であり、前記ゴム材料と接する表面の接触角が試験用の液状ゴムを載せた場合に40°以上とされていることを特徴とする。
なお、好ましくは、前記試験用の液状ゴムは、常温で液状となるブタジエンゴムから構成されているとよい。
なお、好ましくは、シランカップリング剤を作用させた前記表面に試験用の液状ゴムを載せた場合の接触角が40°以上とされているとよい。
なお、好ましくは、前記ゴム材料と接する表面には、溶接金属でなる硬質金属層が設けられているとよい。
なお、好ましくは、前記ゴム材料と接する表面には、表面が多孔状に形成された硬質金属層と、この多孔状に形成された硬質金属層の表面を被覆して封孔すると共に前記ゴム材料の離型を促進する離型促進層とが設けられているとよい。
なお、好ましくは、前記ゴム材料と接する表面には、前記ゴム材料の離型を促進する離型促進粒子を含有する硬質金属の複合めっき層が形成されているとよい。
なお、好ましくは、前記ゴム材料と接触する部材が、混練されたゴム材料を送出する送出部と、この送出部から送られてきたゴム材料に接触して当該ゴム材料を加工する加工ローラとを有するゴム加工装置における加工ローラとされているとよい。
また、本発明に係るゴム材料と接触する部材の最も好ましい形態は、ゴム材料と接触する表面を有する部材であり、前記ゴム材料と接する表面の接触角が、当該ゴム材料に使用されるゴム組成物の分子量を小さくして合成することで常温で液体状態を維持可能な試験用の液状ゴムを載せた場合に40°以上とされていることを特徴とする。
本発明のゴム材料と接触する部材を用いることにより、ゴム材料がこのゴム材料に接する表面に付着することを抑制可能となる。
本発明のゴム材料と接触する部材の斜視図である。 液状ゴムに対する接触角と剥離強度との関係をまとめた図である。 剥離角を説明した説明図である。 液状ゴムに対する接触角と剥離角比との関係をまとめた図である。
本発明のゴム材料と接触する部材を、図を用いて以下に説明する。
なお、図1に示される装置はゴム加工装置であり、ゴム材料と接触する部材の一例に過ぎない。本発明のゴム材料と接触する部材は、図1のものに限定されるものではない。
本発明のゴム加工装置1(ゴム材料と接触する部材)は、タイヤなどに用いられる原料ゴム(生ゴム)や加硫剤・加硫助剤などの材料を混練し、混練したものを圧延したりプレスしたりして加工する設備である。
図1に示すゴム加工装置1は、混練したゴム材料に対して圧延加工を行うものであって、図示しない混練設備で混練されたゴム材料を加工ローラに送出する送出部2と、この送出部2から送られてきたゴム材料に接触してこのゴム材料を加工する加工ローラ3とを有している。この送出部2の上方には、ゴム材料を投入するホッパ4が設けられていて、ホッパ4を通じて送出部2にゴム材料を直接供給できるようになっている。
本発明のゴム加工装置1で加工されるゴム材料は、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴムなどゴム組成物を主成分としており、このゴム組成物以外にも加硫剤、加硫促進剤、老化防止剤、酸化防止剤などを補助成分として含んでいる。また、ゴム材料には、加硫時に化学構造を補強するシリカと、このシリカによる補強効果をさらに高めるシランカップリング剤とが含まれている。このシランカップリング剤には、TESPT(Bis(triethoxysilylpropyl)polysulfide)やTrimethoxysilylpropanethiolなどを用いることができる。
ホッパ4は、上方と下方とに向かってそれぞれ開口すると共に下方に向かうにつれて細くなるようなテーパ状に形成されている。ホッパ4の下方に向く開口は送出部2に連通していて、上側の開口5からホッパ4の内部に投入されたゴム材料を送出部2に供給できるようになっている。
送出部2は、内部がゴム材料の収容室とされた筐体6と、この筐体6の内部に設けられた収容室を貫通するように且つ水平方向に軸心を向けて配備された一対の送りロータ7、7とを備えている。
これらの送りロータ7、7は螺旋状にねじれた送りフライトを備えており、一方の送りロータ7のフライトのねじれ方向やロータの回転方向は他方の送りロータ7と異なる向きと(異方向回転型と)なっており、一対の送りロータ7、7を互いに異なる方向に回転させることで送出部2の収容室に供給されたゴム材料を下流側に送ることができるようにな
っている。このようにして送出部2から送出されたゴム材料は、加工ローラ3に送られて加工ローラ3で圧延される。
加工ローラ3は、上述した送りロータ7と略直交する向き、言い換えれば送出部2によるゴム材料の送り方向と直交する向きに配備されたロールであり、軸心を水平方向に向けて上下に一対配備されている。これらの加工ローラ3、3は、鋼鉄やステンレスで円筒状に形成されており、その外周面には、後述する表面が存在し、この表面は研磨されて平滑状に仕上げられている。
これらの加工ローラ3、3の間には送出部2から送られてきたゴム材料が供給されており、これらの加工ローラ3、3間でゴム材料を上下方向に圧延しつつ、長手方向に延伸することができるようになっている。
ところで、上述した特許文献1のゴム加工装置1の金属表面では、一般にゴム材料が金属表面に付着しにくいように、金属表面は5〜50μmの表面粗度とされている。このように金属表面の表面粗度を5〜50μmにすれば、金属表面とゴム材料との接触面積が小さくなって、ゴム材料が金属表面に付着しにくくなる可能性がある。
しかしながら、上述したようなシランカップリング剤を含むゴム材料に関しては、ゴム材料中のシランカップリング剤がロール表面などの金属表面と化学的に反応する場合が多く、従来の加工装置のようにゴム材料と接する金属表面の表面粗さを小さくする、言い換えればゴム材料と接する金属表面の物理的形状を粗面化しただけでは、ゴム材料の付着を十分に防止することはできない(「発明が解決しようとする課題」で説明した事項を参照)。
つまり、シランカップリング剤を含むゴム材料を加工に用いる場合には、従来のゴム加工装置のようにゴム材料の付着を防止するための指標としてゴム材料と接する金属表面の表面粗さを採用するだけでは十分ではなく、表面粗度に代わる新たな評価指標を採用する必要があった。
そこで、本発明のゴム加工装置1では、表面粗度に代わる新たな評価指標として接触角に着目し、加工ローラ3の外周面を始めとするゴム材料と接する表面における接触角が試験用の液状ゴムを載せた場合に40°以上となるようにしているのである。
具体的には、この表面は、鋼鉄やステンレスなどの下地金属の表面を被覆する被覆層にあたり、鉄、クロム、ニッケルまたはコバルトなどの金属、またはこれらの金属にセラミックスなどを組み合わせたサーメットなどの硬質材料から形成されている。この表面は、後述するようにめっき、溶射、肉盛溶接、PVDなどを用いて下地金属の上に造膜されており、試験用の液状ゴムを載せた場合に40°以上の接触角となるような表面状態を有している。
なお、上述した接触角は、上記表面に試験用の液状ゴムを載せた場合に、例えば、この液状ゴムの液滴表面に形成される接線と上記表面とが為す角度(ぬれ角度)として設定される。具体的には、この接触角は、上記表面を有機溶剤、イオン交換水、超音波などを用いて洗浄した上でシランカップリング剤を作用させ、シランカップリング剤を作用させた表面に試験用の液状ゴムを滴下し、滴下された液滴の表面を観察することで計測可能となるものであり、上記表面に載せられた液状ゴムの液滴についてθ/2法、カーブフィッティング法、接線法などの公知の手法を用いれば上述した接触角を計測することが可能となる。
また、試験用の液状ゴムは、ゴム材料に使用可能なゴムであって、これらのゴムの中でも特に粘弾性が大きなゴムである。このようなゴムには、例えばブタジエンゴム、イソプレンゴム、EPDMなどが挙げられる。試験用の液状ゴムがゴム材料に用いられるゴムと異なっている点は、分子量である。つまり、液状ゴムは通常グレードのゴムより小さな分子量となるように重合されていて、常温(室温)で液体状態を維持可能とされている。具体的には、例えば20000を超えることが多い分子量を、10000以下の分子量まで落として合成(重合)したブタジエンゴムなどを用いることができる。このような液状ゴムを用いれば、ゴム材料の可塑状態を維持するために試験環境を高温高圧にする必要はなく、大がかりな設備を用いることなくゴム材料の付着性を評価することが可能となる。本
願では例えばクラレ製 ブタジエンゴム LBR307を使用している。
上述したように、加工ロール3を始めとするゴム材料と接する表面が試験用の液状ゴムを載せたときに40°以上の接触角となるような表面状態を有する場合には、表面にゴム材料が付着しにくくなる。言い換えれば、40°以上の接触角とすれば、ゴム材料が上記表面に付着したまま残りにくくなり、ゴム材料と接する表面にゴム材料が付着したとしてもこれらを容易に剥がせるようになる。
例えば、従来のゴム加工装置の場合、加工ロールなどの表面からゴム材料を剥離するには6kgf/25mmを超える剥離強度が必要となる。ところが、表面を40°以上の接触角となるような表面状態にすれば、剥離強度は4kgf/25mmと非常に小さくなり、従来の加工ロールなどに付着したゴム材料を剥離する場合に比べて付着したゴム材料を剥離するのも容易になり、ゴム材料の付着性が低減するのである。
また、接触角の測定には、剥離強度を測定する場合のように測定機器を別途用意する必要はなく、簡単な設備で容易にゴム材料の付着評価が行えるので利便性にも優れている。
なお、上述したように接触角が40°以上の表面状態をゴム材料と接する表面に形成するには、具体的には次の表面処理方法を行うと良い。
(1)肉盛溶接による表面処理層の形成
ゴム材料と接する金属表面に鋼鉄、ステンレス、クロムなどから成る硬質金属層を肉盛溶接により形成し、この硬質金属層を表面処理層3としても良い。この硬質金属層の表面は必要に応じて研磨されるのが好ましい。
(2)溶射による表面処理層の形成
ゴム材料と接する金属表面に溶射によりサーメットなどから成る硬質金属層を形成し、この硬質金属層の表面を表面処理層としても良い。
(3)めっきによる表面処理層の形成
ゴム材料と接する金属表面にめっきにより硬質金属層を形成し、この硬質金属層の表面を表面処理層としても良い。このめっきには、硬質クロムめっき、ニッケルの電気めっき、ニッケルの無電解めっきなどを用いることができる。
これらの溶接・溶射・めっきにより形成された硬質金属層の表面をそのまま用いるか、硬質金属層の表面を研磨して用いれば、40°以上の接触角を得ることができる。また、硬質金属層だけで接触角が40°未満となる場合には、この硬質金属層の表面にゴム材料の離型を促進する離型促進層をさらに塗布(被覆)するのが好ましい。離型促進剤とはワックスやタルク、マイカ、ポリエチレングリコール、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂などである。
特に、溶射を用いて形成された硬質金属層の表面には凹凸が多数形成されていることが多く、硬質金属層は多孔状の膜質となっていることが多い。それゆえ、このように凹凸が多数形成された硬質金属層の表面に上述の離形促進剤を塗布すれば、表面の凹凸が有する物理的アンカー効果を利用して、離型促進層を硬質金属層の表面に密着性良く設けることが可能となる。
また、表面に凹凸が比較的少ないめっきなどを用いて硬質金属層を形成する場合には、硬質金属層の表面をショットブラストやレーザを用いて意図的に粗面化すれば、硬質金属層の表面を溶射の場合と同様に離型促進層で密着性良く被覆することが可能となる。
(4)離型促進粒子が含まれた複合めっきによる表面処理層の形成
ゴム材料と接する金属表面に複合めっきにより硬質金属層を形成し、この硬質金属層の表面を表面処理層としても良い。この複合めっきに用いられるめっき浴には、上述したようなめっき層の内部にゴム材料の離型を促進する上述の離型促進剤の微粒子がめっき浴に含まれており、これらのめっき浴を用いて複合めっきを行えば硬質金属層にも離型促進粒子が含まれる。
なお、上述した(1)〜(4)の表面処理方法は、接触角が40°以上の表面を形成する方法の一例を挙げたものにすぎない。これらの方法は、いずれも得られる接触角が40°以上の範囲に含まれるが、この40°以上の範囲でさまざまな値をとるものとなっており、用途や下地金属の種類などに合わせて適宜用いることができる。
次に、実施例及び比較例を用いて、本発明のゴム加工装置の作用効果を詳しく説明する。
「実験例1」
実施例及び比較例に用いた試験片は、鉄製の板材であり、50mm×150mm×5mm厚さに切り出されている。この試験片に対しては、表1に示すような各表面処理方法が既に行われている。
(比較例1及び比較例2)
比較例1及び比較例2は、試験片の表面に膜厚30〜50μmの硬質クロムメッキを行ったものである。比較例1はめっき後の表面を滑らかにするために少し削ったものであり、比較例2は硬質クロムメッキとショットブラストを行い、硬質金属層の表面を粗面化している。
(比較例3)
比較例3は、試験片の表面に、タングステンカーバイトとコバルトとから成るサーメットを溶射にて厚み200μmで溶射したものである。比較例3は、溶射後の表面に対して離型促進層を設けることなく、溶射後の表面を少し削っている。
(実施例1〜実施例3)
実施例1〜実施例3は、試験片の表面にそれぞれ異なる金属材料を厚み3000μmで肉盛溶接したものである。これらの実施例1〜実施例3についても、溶接後の表面を滑らかにするために少し削っている。金属材料は鉄などからなる溶接材料とした。鉄の含有量は実施例1、実施例2、実施例3の順に多い。
(実施例4)
実施例4は、試験片の表面にクロムめっきを厚み50〜70μmで造膜し、めっきにより形成されたクロムの硬質金属層の表面を粗面化したものである。この実施例4の粗面化に際しては、硬質金属層を加熱後に急冷し、急激な温度変化を用いて硬質金属層に意図的に亀裂を形成して粗面化した。その後、粗面化された表面に対しては、離型促進層を塗布した。
(実施例5)
実施例5は、試験片の表面に、剥離促進粒子を含むニッケルリンめっきを厚み20μmで行い、表面処理層を形成したものである。
(実施例6)
実施例6は、試験片の表面に下地金属を被覆し、被覆された下地金属の表面をショットブラストで粗面化し、粗面化された表面に対して離型促進層(離形促進剤)を塗布することにより表面処理層を形成したものである。
(実施例7)
実施例7は、試験片の表面に下地金属を被覆し、被覆された下地金属の表面をレーザを照射して粗面化し、粗面化された表面に対して離型促進層を塗布することにより表面処理層を形成したものである。
(実施例8)
実施例8は、試験片の表面に、タングステンカーバイトとコバルトとから成るサーメットを溶射して厚み200μmとし、溶射後の表面に離型促進層を塗布したものである。
上述した比較例1〜3及び実施例1〜8の離型促進剤及び離型促進粒子にはワックスやタルク、マイカ、ポリエチレングリコール、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂などを使用した。
上述した比較例1〜3及び実施例1〜8に示すように各表面処理を行った試験片に関しては、接触角の計測に供した。
接触角の計測に先だっては、まず前処理として超音波を印加しつつ、アセトンを用いて油脂を除去した後、純水(イオン交換水)を用いて表面が親水性になるまで洗浄する。そして、洗浄後の試験片を完全に乾燥させた後、試験片の表面にシランカップリング剤の溶液を作用させた。
この試験片に作用させるシランカップリング剤の溶液は、TESPTを主成分とするシランカップリング剤(EVONIK INDUSTRIES社製 「Si69」)を5%、イオン交換水を5%、エタノールを90%含んでいる。シランカップリング剤の溶液に試験片を10秒浸漬し、100℃の雰囲気下で1時間に亘って乾燥させ、乾燥後の試験片に対して液状ゴム(クラレ製 ブタジエンゴム LBR307)を滴下し、液状ゴムの液滴の接触角を接触角計(協和界面科学製 「FACE CA−A型」)を用いて計測した。
一方、上述した試験片に対しては、剥離強度の計測も行った。剥離強度の計測は、25mm幅×420mm長さ×に切り出したゴムシート(SBR:96重量部、BR:30重量部、シリカ:80重量部、シランカップリング剤:6.4重量部、酸化亜鉛:3重量部、ステアリン酸:2重量部、老化防止剤:1.5重量部、酸化防止剤:1重量部)を成形機(神藤金属工業所製 NF-50型単動圧縮成形機)を用いて160℃、3kg/cmで10分間で試験片に圧着し、室温で完全に冷却した後、引張試験機(今田製作所製MODEL SL-2000)を用いて圧着した試験片からゴムシートを50mm/min、室温にて180°で剥離して、剥離強度を算出した。
上述のようにして計測した接触角と剥離強度との関係を図2にまとめた。図2中に太線で示すように、接触角と剥離強度との間には、接触角が大きくなるに連れて剥離強度はこれに反比例するように低下するような相関関係が見られた。
また、この相関関係に基づけば、40°未満の接触角を有する比較例1の剥離強度が6.24kgf/25mmであるのに対して、40°以上の接触角を持つ実施例1の剥離強度は4kgf/25mm以下と大きく低下しており、接触角を40°以上にすれば従来の半分程度の剥離強度でゴム材料を剥離できることが分かり、加工ロールなどに対するゴム材料の付着を防止できると判断される。
「実験例2」実験例1で用いた、比較例1〜3及び実施例1〜8のうち、実験例1で得られた接触角・剥離強度の結果などを考慮して比較例1、実施例4、7、8を選択した。そして、これらの処理を実際に行った圧延ロール表面に、混練したゴムを付着させ、そして付着したゴムが圧延ロールの表面から剥離する際の剥離角を計測する試験を行った。
具体的には、鋼製の圧延ロールに表1に示す各表面処理を施し、処理後の表面に実験例1で用いたと同様なシランカップリング剤(Si69)を作用させた。
剥離強度は、ゴムを剥離する際の剥離角θとしても表わすことができる。つまり、図3に示すように、剥離角θは、付着力Wと剥離強さPとを用いれば、次の式(1)のように示される。
この式(1)から、剥離強さPが一定であれば、実験から得られる剥離角θだけで付着力Wが決まるので、剥離角θの値が分かれば付着力Wの大小を評価したり比較することができる。
実験例1で用いたと同様なゴムシートを二軸押出混練機(神戸製鋼所製 HYPER KTX30)を用いて混練し、混練機で混練されたゴムシートを上述した表2の処理を行った圧延ロールで圧延した。なお、圧延ロールの温水設定は60℃、回転数は約8〜9rpmとした。
図3のように、圧延ロールから出てくるシートに真横方向のテンションをかけ、ロール表面とシートの剥離状態の画像解析を行った。
図4より、液状ゴムの接触角が40°以上である表面処理層は接触角が40°以下である比較例1に比べ、剥離角比(計測した剥離角を実施例1の剥離角で除したもの)が小さくなっている。このことから、液状ゴムの接触角を40°以上とすれば、上述した連続試験においてもゴムが付着しにくいことが分かる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
1 ゴム加工装置(ゴム材料と接触する部材)
2 送出部
3 加工ローラ
4 ホッパ
5 ホッパの上側の開口
6 筐体
7 送りロータ

Claims (7)

  1. ゴム材料と接触する表面を有する部材であり、前記ゴム材料と接する表面の接触角が、当該ゴム材料に使用されるゴム組成物の分子量を小さくして合成することで常温で液体状態を維持可能な試験用の液状ゴムを載せた場合に40°以上とされていることを特徴とするゴム材料と接触する部材。
  2. 前記試験用の液状ゴムは、常温で液状となるブタジエンゴムから構成されていることを特徴とする請求項1に記載のゴム材料と接触する部材。
  3. シランカップリング剤を作用させた前記表面に試験用の液状ゴムを載せた場合の接触角が40°以上とされていることを特徴とする請求項1または2に記載のゴム材料と接触する部材。
  4. 前記ゴム材料と接する表面には、溶接金属でなる硬質金属層が設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のゴム材料と接触する部材。
  5. 前記ゴム材料と接する表面には、表面が多孔状に形成された硬質金属層と、この多孔状に形成された硬質金属層の表面を被覆して封孔すると共に前記ゴム材料の離型を促進する離型促進層とが設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のゴム材料と接触する部材。
  6. 前記ゴム材料と接する表面には、前記ゴム材料の離型を促進する離型促進粒子を含有する硬質金属の複合めっき層が形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のゴム材料と接触する部材。
  7. 前記ゴム材料と接触する部材が、混練されたゴム材料を送出する送出部と、この送出部から送られてきたゴム材料に接触して当該ゴム材料を加工する加工ローラとを有するゴム加工装置における加工ローラとされていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のゴム材料と接触する部材。
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