JP6480268B2 - ウエットマスターバッチの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウエットマスターバッチの製造方法とその方法により製造されたウエットマスターバッチおよびゴム組成物に関する。

従来からゴム製造の分野において、カーボンブラック等の充填材を含有するゴム組成物を製造する際の加工性や充填材の分散性を向上させるために、ウエットマスターバッチを用いることが知られている。

ウエットマスターバッチを用いる場合、従来の固相で混合するゴム組成物に比べ、充填材の分散性に優れ、加工性や補強性などのゴム物性に優れるゴム組成物が得られる特徴を有する。ウエットマスターバッチを用いたゴム組成物を原料とすることで、例えば、転がり抵抗が低減され、耐疲労性や耐摩耗性に優れたタイヤなどのゴム製品を製造することが期待できる。

ウエットマスターバッチを製造する際、最終的な加硫ゴムの物性向上を実現するにはウエットマスターバッチの段階で十分に充填材を始めとする成分の分散を確保する必要がある。固相で混合するゴム組成物に比べて、分散性を向上させる点を踏まえると、ラテックスとカーボンスラリーを混合・凝固する混合・凝固工程の段階で、カーボンブラックとゴムラテックスが十分に混合されていることが重要である。

その具体的な手法として、例えば原料であるカーボンブラックスラリーの分散状態に着目し、カーボンブラックの粒度分布を最適化することにより、最終的な加硫ゴムの物性向上を図る手法が報告されている。特許文献１では、カーボンブラックなどの充填材をあらかじめ水中に分散させたスラリー液と、天然ゴムラテックスとを混合する工程を含むウエットマスターバッチの製造方法であって、スラリー液中の充填材の粒度分布を９０体積％粒径（Ｄ９０）で３０μｍ以下に調整したウエットマスターバッチの製造方法が記載されている。

また、特許文献２では、カーボンブラックをあらかじめ水中に分散させたスラリーと天然ゴムラテックスとを高圧で衝突させて混合させる製造方法により得られた天然ゴムウエットマスターバッチゴム組成物が記載されている。

本発明者らは、原料カーボン表面の官能基量を制御することで充填剤スラリーの微細化をなし、ウエットマスターバッチとゴム組成物中での充填剤分散性を良好にしたことを特許文献３で開示した。しかしながら、特許文献３に記載の混合・凝固工程で得られたウエットマスターバッチの分散は、混練工程でさらに向上することが判明した。

以上述べてきた、ゴムウエットマスターバッチの製造方法の一つとして、任意の混合機を用いて、充填材含有ゴム凝固物を加熱しつつ混練・脱水する方法が挙げられる。かかる混練・脱水方法では、混練時の機械的エネルギーを高めるほど、脱水後に得られるゴムウエットマスターバッチの分散性を向上できる。しかしながら、脱水時に加える熱量および／または機械的エネルギーが増大すると、ゴムウエットマスターバッチのポリマー分子鎖の切断などを引き起こし、最終的に得られるゴム組成物の加硫ゴム特性が悪化する場合がある。

特許文献４では、第一混練機として二軸押出機を使用しつつ、ゴム成分と充填材を含むゴムウエットマスターバッチを乾燥・捏和し、その後、第二混練機バンバリーミキサーを使用して、さらにゴム薬品を混合することを特徴とするゴム薬品含有マスターバッチの製造方法が記載されている。しかしながら、かかる製造方法では、二軸押出機を使用して、充填材含有ゴム凝固物を乾燥・捏和してゴムウエットマスターバッチを製造するため、ゴムウエットマスターバッチに付与される機械的エネルギーが大きくなり、ゴム成分の劣化を引き起こす恐れがある。

特許文献５では、脱水工程後に得られたゴム凝固物に対し、少なくとも約０．３ＭＪ／ｋｇ（約２４９Ｗ／ｋｇ）の機械的エネルギーを付与しつつ、素練り工程を実施し、実質的に追加の、約０．９ＭＪ／ｋｇ（約８３Ｗ／ｋｇ）の機械的エネルギーも付与しつつ、素練り工程を実施するエラストマー複合材の製造方法が記載されている。しかしながら、かかる製造方法でも、ゴムウエットマスターバッチに付与される機械的エネルギーが 大きくなり、ゴム成分の劣化を引き起こす傾向がある。

特許文献６では、充填材スラリーとゴムラテックスの少なくとも一方を流速３００〜７００ｍ／秒で混合処理チャンバーに供給することで両者を混合して、ゴムポリマー中に充填材を微分散させる工程が記載されているが、発熱性が良好なゴムを作成するためにはゴムラテックスとの混合に先立って前工程として充填材を含有する充填材スラリーを流速３００ｍ／秒以上で分散処理チャンバーに供給することで前記充填材をスラリー中に微分散させる分散工程が必要であり、高価な装置を２台も保持する必要があった。

特開２００４−９９６２５号公報 特開２００９−４１０２６号公報 特願２０１４−９７１９７号公報 特開２０１０−６５１２６号公報 特表２０１１−５１１１４８号公報 特開２００８−１６３１４２号公報

カーボンブラックが優れた分散性を示す、ウエットマスターバッチの製造方法。特に、その製造工程において、混合工程のみで優れた分散性を実現すること。

カーボンブラックスラリーを高速で該ゴムラテックスに衝突させる工程を含み、カーボンブラックを分散よく均一に混合させることを特徴とする、ウエットマスターバッチの製造方法。

すなわち、本発明は、次の（１）〜（７）に存する。
（１）ゴムラテックスと、充填材を水に分散させた充填材スラリーとを混合させる混合工程を有するウエットマスターバッチの製造方法であって、該混合工程は、充填材スラリーを３７０ｍ／ｓ以上の高速で該ゴムラテックスに衝突させることにより、分散よく均一に混合させ、混合処理チャンバーが、筒状をなして、軸方向の一端面に前記充填材スラリーを供給する供給口が設けられるとともに、前記充填材スラリーに対してチャンバーの途中で９０°の衝突角でラテックス流を衝突させて、軸方向の他端部に分散処理された混合液の排出口が設けられたものであることを特徴とする、ウエットマスターバッチの製造方法。
（２）前記充填材スラリーは、充填材を１〜２０重量％含有するものである（１）に記載のウエットマスターバッチの製造方法。
（３）前記充填材は、表面平均酸性官能基量（μｅｑ／ｍ^２）が０．１５以上３．００未満のカーボンブラックであって、前記カーボンブラックを含む充填材を分散させてなる充填材スラリーのｐＨが６以上であることを特徴とする（１）に記載のウエットマスターバッチの製造方法。
（４）前記混合工程において、ラテックスの流速に対するスラリーの流速の比が６００以上の（１）に記載のウエットマスターバッチの製造方法。
（５）前記混合工程において、あらかじめ充填材スラリーに老化防止剤を添加して混合する請求項１記載のウエットマスターバッチの製造方法。
（６）前記混合工程において、あらかじめラテックスに老化防止剤を添加して混合する（１）に記載のウエットマスターバッチの製造方法。
（７）前記混合工程の後に凝固剤を加えてｐＨ７以下にすることで凝固させる（１）に記載のウエットマスターバッチの製造方法。

（１）により、高速衝突法を用いて充填材が優れた分散性を示し、マクロ分散及びミクロ分散が改良され、耐発熱性が向上したゴム組成物を与えるウエットマスターバッチの製造方法が示される。
（２）により、ウエットマスターバッチに適した、充填材であるカーボンブラックの含有量が示される。
（３）により、ウエットマスターバッチに適した、充填材であるカーボンブラックの物性が示される。
（４）により、ウエットマスターバッチを製造するための、高速衝突法を用いる混合装置の構成が示される。
（５）により、ウエットマスターバッチを製造するための、高速衝突法における混合条件が示される。
（６）、（７）により、ウエットマスターバッチを製造する際に、混合工程において、同時に実施できる工程が示される。
（８）により、ゴム成分を凝固して取り出す、ウエットマスターバッチの製造方法が示される。
（９）、（１０）により、（１）〜（８）のいずれかによって得られた、ウエットマスターバッチおよびゴム組成物が示される。

本発明のウエットマスターバッチの製造方法とは、ゴムラテックスと、充填材を水に分散させたカーボンブラックスラリーとを混合させる混合工程を有するウエットマスターバッチの製造方法であって、該混合工程は、充填材スラリーを３７０ｍ／ｓ以上の高速で該ゴムラテックスに衝突させることにより、分散よく均一に混合させることを特徴とする、ウエットマスターバッチの製造方法である。混合させる充填材として、カーボンブラックを用いる場合は、特定の配合量範囲や物性を有していることが好ましい。また高速衝突法を用いる混合装置の構成において、特定された衝突角や流速条件で混合することが好ましい。さらに、該混合方法において配合成分として各種ゴム薬品を追加することが可能である。

ウエットマスターバッチは、一般に、［１］天然ゴムや合成ゴムのラテックスに任意で界面活性剤や水等を加えてゴムラテックス液を調合準備する任意のゴムラテックス液調合工程と、［２］カーボンブラック等のような充填剤を水等の水系分散媒に分散させたスラリー液を調合準備する充填剤スラリー調製工程と、［３］これらの工程で調合されたゴムラテックス液と充填剤スラリーとを連続的に混合・凝固させ凝固物を含有する凝固液を形成する混合・凝固工程と、［４］形成された凝固液から凝固物だけを分離して取り出す固液分離工程と、［５］凝固物の内部空隙に充填している水分を除く脱水工程と、［６］脱水した凝固物を乾燥させる乾燥工程と、［７］乾燥させた凝固物を粒状やシート状等の所望の形状に成型して製品としてのウエットマスターバッチを形成する任意の成型工程とを経て製造される。

以上の工程において、［３］までの工程で得られた段階の中間生成物はスラリー状の液相であり、各段階におけることを厳密に区別して明示的に述べる必要がある際には、ゴム−充填材複合スラリーと称する。また、場合によって混同の恐れがなければ、単にスラリーと記載する場合もある。次に［４］の段階を経ると、含水もしくは含液相ではあるものの、概ね中間生成物の状態としては、固相であるのでゴム−充填材複合体、または単に、複合体と称する。［７］の段階で最終的に製品化されたものが、一般にウエットマスターバッチと呼ばれるものである。但し、いずれの段階の中間生成物であっても、さらに後続の工程を経て、最終的にはウエットマスターバッチに至るので、特に、段階を厳密に示す必要がなければ、いずれの段階の中間生成物も含めて、ウエットマスターバッチと述べる場合もありうる。なお、ゴム−充填材複合体は、複合スラリーから固形分として取り出された、粗生成物という位置づけであるが、主に液相の不純物を多く含んでいるとはいえ、基本的に主成分はウエットマスターバッチに近く、両者の区別は、実質上、純度または精製度の違いでしかない。言い換えれば、ゴム−充填材複合体は「粗ウエットマスターバッチ」といえる。

本発明において、［１］の工程で用いられる、ゴムラテックスとしては、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、及びこれらの誘導体などの各種ゴムポリマーが、水などの水系分散媒や炭化水素溶剤などに分散してなるラテックスが挙げられ、これらはそれぞれ単独で又は２種以上組み合わせて用いることができる。このうち、特に好ましくは、天然ゴムラテックスを用いることである。

天然ゴムラテックスとしては、フィールドラテックス、アンモニア処理ラテックス、遠心分離濃縮ラテックス、酵素で処理した脱蛋白ラテックス、上記のものを組み合わせたものなど、いずれも使用することができる。

合成ゴムラテックスとしては、例えばスチレン−ブタジエン重合体ゴム、合成ポリイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、ニトリルゴム、ポリクロロプレンゴム、ハロゲン化ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム等のラテックスを使用することができる。

合成ゴムラテックスは乳化重合によるものや、溶液重合で得られた合成ゴムポリマーの有機溶剤溶液を、水を含む水系分散媒で処理して得られる。また、溶液重合ゴムの場合、末端修飾したものも好適に用いることができる。

ゴムラテックスにおけるゴム含有率は、特に限定されないが、一般には１０〜７０重量％であり、特に好ましくは１０〜３０重量％である。特に天然ゴムラテックスの場合は、１０〜６０重量％のものが利用でき、１０〜３０重量％のものが好ましい。

本発明において、［２］の工程で調製される、充填材スラリーは、カーボンブラックのような充填材が、水や水と任意で混合できる有機溶剤、さらには界面活性剤のような分散剤を含む場合もある水系分散媒に分散してなるものである。かかるスラリーは、例えば、カーボンブラックを始めとする充填材に、水を加え撹拌機やミキサー等で撹拌することにより得ることができる。該充填材スラリー中における充填材の含有率は、作業性の面、混合工程におけるゴムラテックスとの混合効果の点から１〜２０重量％配合することができ、１〜１５重量％が好ましく、５〜１５重量％が特に好ましい。

本発明において、［２］の工程で調製される、カーボンブラックを充填材として、スラリーに配合する場合のカーボンブラックは、表面平均酸性官能基量（μｅｑ／ｍ^２）が０．１５以上３．００未満のものが用いられる。表面平均酸性官能基量は、その名称が示す通り、カーボンブラックの表面に存在する酸性官能基の量である。その量が特定されているカーボンブラックは、塩基性のものや、極性を有するものに対して親和性が向上しているカーボンブラックであり、高度な微細化が達成される。

表面平均酸性官能基量が０．１５以上であると、スラリー液の粒子径分布を微細にすることができ、表面平均酸性官能基量が３．００未満であると、ポリマーたるゴムとの補強性が適切である。カーボンブラックの表面平均酸性官能基量は、スラリー液の粒子径分布の微細化、及び補強性の低下防止の観点から、０．２０以上２．００以下であることが好ましく、０．３以上１．５以下であることがより好ましい。

酸性官能基量を定量する手段としては、例えば、Ｂｏｅｈｍらが提案する方法が挙げられる。

＜Ｂｏｅｈｍらの方法＞
カーボンブラック１０ｇと０．０１ｍｏｌ／ＬのＣ_２Ｈ_５ＯＮａ水溶液５０ｇをフラスコ中で２時間攪拌後、２２時間室温で静置する。静置後、さらに３０分間攪拌してから濾過し、濾液を回収する。回収した濾液２５ｍＬを０．０１ｍｏｌ／ＬのＨＣｌ水溶液で中和滴定し、ｐＨが４．０に到達するまでに要するＨＣｌ水溶液量（ｍＬ）を測定する。該ＨＣｌ水溶液量と下記式（１）から表面平均酸性官能基量を算出する。
酸性官能基量（μｅｑ／ｇ）＝（２５−ＨＣｌ水溶液量）×２・・・（１）

表面平均酸性官能基量は、上記方法にて測定した酸性官能基量を窒素吸着比表面積（ｍ^２／ｇ）で除した値であり、単位面積当たりの当量（μｅｑ／ｍ^２）で示される。窒素吸着比表面積は、ＪＩＳ Ｋ ６２１７（１９９７）に準じて測定する。

酸性官能基の導入の手法は、特に限定されず、液相酸化処理や気相酸化処理等が挙げられるが、気相オゾン処理により行うことが好ましい。気相オゾン処理は、液相酸化処理よりも低コストであり、カルボキシル基を効率的に導入することができるからである。気相オゾン処理とは、乾燥状態のカーボンブラックにオゾンガスを接触させて酸化することをいう。気相オゾン処理カーボンブラックは、例えば旭カーボン株式会社製ＳＢＸ４５が市販品として挙げられる。

酸性官能基を導入したカーボンブラックをスラリー化する段階では、微細化したカーボンブラックを安定して保持するために、ｐＨを６以上とする。特に水酸化ナトリウムのような塩基を添加してｐＨ８以上とし、酸性官能基をイオン化する方法をとる。ｐＨ６以上とすることで、酸性官能基を導入したカーボンブラックの凝集が防止され好ましい。スラリー液のｐＨは、微細化したカーボンブラックを安定して保持するという観点から、９以上であることがより好ましい。

カーボンブラックは、ゴム補強性の観点から、統計的厚さ比表面積、ＳＴＳＡ：Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｒｅａ（ｍ^２／ｇ）が３０以上３００以下であることが好ましい。ＳＴＳＡは窒素吸着比表面積の測定と同様にして行い、ＪＩＳ Ｋ ６２１７−７に従い解析し決定する。

塩基性水溶液に用いる塩基としては、水酸化ナトリウム、アンモニア等が好適に挙げられる。塩基性水溶液に添加する塩基の量は、マスターバッチのゴム物性を向上させるという観点から、スラリー液の全量に対して０．０６質量％以上０．１質量％以下であることが好ましく、０．０８質量％以上０．１質量％以下であることがより好ましく、０．０８質量％以上０．０９質量％以下であることがさらに好ましい。

また、カーボンブラックは、コロイダル特性及び表面酸性官能基の効果が影響して微細化しやすくなるという観点から、ＤＢＰ吸油量、すなわちジブチルフタレート吸油量（ｍＬ／１００ｇ）は１５０以下が好ましく、１３０以下が特に好ましい。ＤＢＰ吸油量はＪＩＳ Ｋ ６２１７−４により測定する。

カーボンブラックのような充填材の水分散スラリー液の製造には、ローター・ステータータイプのハイシアーミキサー、高圧ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、コロイドミル等が用いられる。例えば、コロイドミルに所定量の充填剤と水を入れ、高速で一定時間攪拌することで、当該分散スラリー液を調製することができる。

水分散スラリー液中のカーボンブラックの粒度分布は、体積平均粒子径としての９０体積％粒径、Ｄ９０が３０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１０μｍ以下である。粒度を適切にするとゴム中のカーボンブラック分散も適切であり、補強性、耐摩耗性に優れる。他方、粒度を小さくするためにスラリーに過度のせん断力をないようにすることで、カーボンブラックのストラクチャが保たれ、補強性を良好にできる。９０体積％粒径は湿式のレーザー粒度分布測定により測定できる。９０体積％粒径、Ｄ９０そのものは粒度分布さえ測定できればいかなる方法であるかを問わず、粒度分布曲線の解析で値が得られる。但し、粒度分布は、単峰性のものに限られるものではなく、また、特異な分布挙動を有していても構わない。

以上において、充填剤としてはカーボンブラックを配合する場合を述べたが、他の充填材、特に代表的なものとして、シリカ、アルミナ、酸化チタンといった各種の無機充填材にも拡張できる。

本発明におけるウエットマスターバッチの製造方法では、［３］混合工程において、充填材スラリーを流速３７０ｍ／ｓ以上で混合処理チャンバーに供給することでゴムラテックス液と混合することを特徴とする。本発明においては、必ずしも限定されるものではないが、充填材スラリーは主にカーボンブラックスラリーである。

ここで、「流速」とは、いわゆる単位時間あたりに流れる流体の体積である流量、厳密には体積流量を、その流体が通過する流れの断面積で除したものである。体積流量は長さ^３／時間、断面積は長さ^２の次元をもつことから、流速は長さ／時間、即ちいわゆる速度の次元を持つ量である。技術分野によっては、線速度、線流速、あるいは単に速度といわれる場合もあるが、本発明においては、「流速」という用語を用いる。なお、管の中を流体が流れる場合、管の断面において、局所的には流速は分布を有し、特に本発明では乱流を生じているほどの流れを用いているため、あくまで、平均の値であり、本発明において流速という場合、この平均の値を以って述べている。実用上のイメージとして、流体中に含まれる粒子が、移動する速度に関連付けられる量と考えてよい。また、流速の数値が大きい場合を高流速や速い流速といい、適宜、相互に読み替えられるものとする。そのような流体の流れを高流速フローと述べることがある。同様に、流速の値が小さい場合、低流速や遅い流速といい、低流速フローといった用語を用いる。

混合工程においては、高流速の混合処理チャンバーの軸方向に向かって供給される、充填材スラリーの高流速フローに対し、流速が小さいゴムラテックス液を供給するフローを特定の入射角で合流させることで、混合が行われるものである。ここで、前記入射角は、２つのフローを衝突させる際の角度であることから、以後、特に衝突角と称する。方向や流速の大きさが異なる２つのフローがチャンバー内で交差して衝突すると、キャビテーションや乱流が発生し、それぞれのフローによって移動される、カーボンブラックのような充填材やゴム成分ポリマーの粒子や粒子塊が衝突し、粒子塊の叩解や、粒子同士が高度に均一に微分散された混合が行われる。

粒子同士を微分散させるに当たり、上記のようにフロー同士を衝突させる場合、一方を高流速化する場合と、両方を高流速化する場合が考えられるが、本発明は一方を高流速化させる場合である。混合に必要なエネルギーを高流速フローで与える点から、充填材スラリー側において流速３７０ｍ／ｓ以上とする。

流速３７０ｍ／ｓで衝突させるということに関して、充填材とラテックス中のゴム成分ポリマー分子が受けるダメージということに関して言えば、一見大きな、エネルギーを受けているように考えられる。

この流速３７０ｍ／ｓのフローに含まれる、充填剤の粒子がやはり、この速度で移動すると仮定すると、その運動エネルギーは単位重量当たり、約０．０７ＭＪ／ｋｇ程度と計算される。この運動エネルギーが全て、充填材とラテックス中のゴム成分ポリマーが受けるエネルギーに転化されるとしても、例えば特許文献５で述べられていた、充填剤とゴム成分の均一な分散を達成するための、素練りで加えられる機械的エネルギーに比べると、小さなエネルギーであり、蓄積されるダメージも小さい。

充填材スラリーの流速が速いほど好ましいわけではなく、本発明のマスターバッチを使用したゴム組成物のミクロ分散を特に良好にする最適な範囲は、充填材スラリー流速が３７０〜４００ｍ／ｓとなる。流速を４００ｍ／ｓ以下とすることで、局所的なラテックス同士の不可逆な凝固もしくは充填材スラリーの凝集が起こらず、適切なミクロ分散性が達成をできる。また、実用上の観点から考慮すると流速が小さすぎる場合は、定量供給が難しくなるので、適さない。

流速比については充填材スラリー流速に対してラテックス流速が遅いほど、混合の際に乱流を起こしやすく、効率的に分散することができる。二液の流速の比は６００以上であることが好ましい。

充填材スラリーを高流速のフローとして流しているが、スラリーであること自体、それなりの粘度を持った流体であり、塩基成分を添加していることによっても、粘度が上昇している。そのような粘度の高い流体に対して、高流速を確保するためには、相応の背圧をかけていることになる。これに対し、低流速であるラテックスのフローを合流させるには、充填材スラリーのフローに対して、圧入する必要がある。このため、衝突角を適切にすることが必要とされる。実用上、充填材スラリーのフローに対して９０°以下をなす衝突角が選ばれる。

衝突角が９０°以下であれば、充填材スラリーの高流速メインフローからもたらされる吸引効果により、圧入に要するエネルギーの負担を低減できる。また、流速比を大きくするという点からは、９０°で衝突させることが有利である。

充填材スラリーの高流速フローにおいて、ある程度の流速でないと、定量供給が難しいことを述べたが、そのような充填材スラリーの高流速フローに対して、ラテックスの低流速フローを圧入する場合、定量供給はさらに難しくなるので、あまり小さい流速、流量では適さず、ある程度の流速、流量で安定したフローを確保する。実際、バッチ式でなく、連続供給するのであれば、ラテックス側も、いくら小さくとも流速０での供給はできない。その結果として、流速比６００以上とするには、充填材スラリーの高流速フローも対応する流速で流すことになる。

充填材スラリーと、ラテックスのいずれを高流速フローとするかという選択は、状況によって変わりうるが、前段階である程度の均一化が必要な、充填剤スラリーを高流速フローとする方が処理の流れも円滑である。とはいえ、適切な前段階処理や、送液系があればこの限りではない。

充填材スラリーとゴムラテックスとの混合比率は、ゴムポリマー１００重量部に対して充填材が２０〜８０重量部となるような範囲内で行うことが好適であり、さらに、３５〜６５重量部がさらに好適である。

以上のようにして、混合処理チャンバー内で、配合され微分散化されたゴム−充填材複合スラリーはチャンバー排出口から排出される。

混合を行った後のウエットマスターバッチの凝固方法としては、通常と同様、蟻酸、硫酸といった酸や、塩化ナトリウムといった塩の凝固剤を用いて行われる。また、本発明においては、凝固剤を添加せず、充填材スラリーとゴムラテックスとを混合することによって、凝固がなされる場合もある。

以後、［４］に引き続く工程を経て、凝固した固形分を取り出し、最終生成物である、ウエットマスターバッチに至る。

得られたウエットマスターバッチは、加硫用ゴム組成物を作製する際の原料として用いることができる。かかるゴム組成物において、ゴム成分として添加されるもののみでもよいが、他のゴム成分を配合してもよい。また、その他の配合剤としては、オイル、老化防止剤、亜鉛華、ステアリン酸、軟化剤、加硫剤、加硫促進剤などが挙げられ、特に限定されない。通常、こういった配合成分は、ウエットマスターバッチ以後も含めた段階で配合されることが多い。本発明のウエットマスターバッチに対しても、通常の混練で配合することができる。

加硫用ゴム組成物に至る過程において、配合する各種ゴム薬品には酸性成分、塩基性成分や、粉体を含む固形分、水や水系分散媒に対して可溶な成分や、容易に分散する性質といった様々なものが供される。この観点から、本願発明に特徴的な、高流速の衝突を利用する混合において、充填剤スラリー側やゴムラテックス側のいずれか、または両方に配合する各種ゴム薬品をあらかじめ配合することが可能である。このように、配合成分を、ゴム−充填材複合スラリーを生成する段階で配合してしまえば、以後の工程の簡素化や各工程に要する装置を省略することが可能となる。

また、いずれの配合成分も、均一に分散させた方が好ましいことが多いので、均一分散に有利な、充填材スラリーとゴムラテックスの混合段階で、同時に配合できれば利点は多い。

各種成分の同時配合を進めていくと、その工程において、スラリー状のものも含めて液相で扱うことが多くなってくる。この場合、液相で取り扱われる中間生成物は、ウエットマスターバッチやゴム組成物といった固化に至った状態のものと比べると、ダメージを受けやすい状態といえる。この点から、老化防止剤を早い段階で配合するというのは合理的といえる。

また、本発明で用いる、カーボンブラックは、塩基との親和性を有するが、カーボンブラックスラリーは塩基性になるよう調製されている。ラテックスは、酸で凝固させることが多いといったことを踏まえ、老化防止剤がアミン系のように塩基性のものの場合はラテックス側に配合しても、充填材スラリー側でも良いが、フェノール系のような酸性を示すものの場合は、充填材スラリー側としておくのが好ましい。老化防止剤に限らず、いずれのゴム薬品についても、酸性か塩基性であるかで、それぞれに見合った側、つまりラテックス側か、充填材スラリー側のどちらに配合するかが、適宜選択される。もちろん、粘度や分散安定性または溶解性といった要素も合せて考慮されるべき点である。

以上において、他の配合成分は、充填剤スラリーや、ラテックスと共に配合する場合であるが、方法が確保できれば、３系統以上であるフローの同時衝突配合や、多段階衝突配合であってもよい。

その他、配合成分は、従来通りのバンバリーのような各種ミキサーによる、混練で配合することになる。混練そのものは、完全になくすものではなく、最小限にすることで、物性の改善や、コスト削減も目的にすることができる。

本発明の、ウエットマスターバッチや、ウエットマスターバッチから得られた、ゴム組成物であると、充填材の性能を最大限に引き出すことができ、低発熱性、高耐疲労性、加工性を向上することができるので、タイヤのトレッドゴム、サイドウォールゴムなどのタイヤ用ゴム組成物を始めとして、各種ゴム組成物に好適に用いることができる。

次に、本発明を実施例・比較例を用いて説明するが、本発明の構成は以下の実施例に限定されるものではない。

本実施例においては、天然ゴムラテックス及びカーボンブラックスラリーを種々の条件にて混合した後、ギ酸により天然ゴムとカーボンブラックの混合物を凝固させてマスターバッチを作製した。
作製したマスターバッチに所定の他の成分を加えてゴム組成物を調製し、実施例１〜１２、比較例１〜２の各ゴム組成物について分散性の評価を行った。以下にその詳細を記す。

［実施例１〜６および比較例１のカーボンブラックスラリーの調製］
カーボンブラックスラリーは、カーボンブラックとして表面平均酸性官能基量が０．２０（μｅｑ／ｍ^２）であり、ＤＢＰ吸油量が１２３（ｍＬ／１００ｇ）であり、ＳＴＳＡが１２５（ｍ^２／ｇ）であるものを使用し、これをスラリー中のカーボンブラックの含有率が１０重量％になるように計量した所定量の水とスラリー中の水酸化ナトリウムの含有率が０．０７重量％になるように計量した所定量の水酸化ナトリウム水溶液に混合し、シルバーソン社製ハイシアーミキサーＢＸ６０」によって、分散処理を行うことによりカーボンブラックスラリー中のカーボンブラックの９０体積％粒径、Ｄ９０が７．５μｍであるカーボンブラックスラリー調製した。カーボンブラックスラリー中のカーボンブラックの９０体積％粒径、Ｄ９０は、日機装社製マイクロトラックＭＴ３０００ＩＩで測定した。

［実施例７〜１２および比較例２のカーボンブラックスラリーの調製］
カーボンブラックスラリーは、カーボンブラックとして表面平均酸性官能基量が０．４５（μｅｑ／ｍ^２）であり、ＤＢＰ吸油量が１１２．５（ｍＬ／１００ｇ）であり、ＳＴＳＡが１２８．２（ｍ^２／ｇ）であるものを使用し、これをスラリー中のカーボンブラックの含有率が１０重量％になるように計量した所定量の水とスラリー中の水酸化ナトリウムの含有率が０．０７重量％になるように計量した所定量の水酸化ナトリウム水溶液に混合し、シルバーソン社製ハイシアーミキサー「ＢＸ６０」によって、分散処理を行うことによりカーボンブラックスラリー中のカーボンブラックの９０体積％粒径、Ｄ９０が８．５μｍであるカーボンブラックスラリー調製した。カーボンブラックスラリー中のカーボンブラックの９０体積％粒径、Ｄ９０は、日機装社製マイクロトラックＭＴ３０００ＩＩで測定した。

［実施例１〜５、７〜１１のゴム−充填材複合スラリーの調製］
ゴム成分量１００重量部に対してカーボンブラック量４０重量部となるように、濃度を適宜設定し、スラリーをノズル径０．１５ｍｍのシングル分離チャンバーを具えた、スギノマシン製スターバーストラボ機に流速３７４ｍ／ｓで供給し、そこにラテックスを通常のポンプで様々な角度、流速で混合させた。こうして得たゴム−充填材複合スラリーを撹拌しながら、凝固剤としてギ酸を溶液部のｐＨが４．５付近になるまで添加してゴム−充填材複合体を凝固させた。

[実施例６、１２のゴム−充填材複合スラリーの調製］
ゴム成分量１００重量部に対してカーボンブラック量４０重量部となるように、濃度を適宜設定し、ラテックスは通常のポンプにて、ノズル径０．１５ｍｍのシングル分離チャンバーを具えたスギノマシン製スターバーストラボ機に流速１．０９ｍ／ｓで供給し、そこにスラリーを流速７００ｍ/ｓで混合させた。こうして得たゴム−充填材複合スラリーを撹拌しながら、凝固剤としてギ酸を溶液部のｐＨが４．５付近になるまで添加してゴム−充填材複合体を凝固させた。

［実施例の固液分離・脱水］
柳河エンジニアリング製一枚ろ布型脱水装置ＲＦ３００を用いて、ゴム−充填材複合体の固液分離・脱水を行った。

［実施例の乾燥］
脱水固形物を真空乾燥機にて真空下で６０℃、３時間乾燥させ、含水率を２％以下まで乾燥させた。固形物の水分含量を、（株）エー・アンド・ディ社製の加熱乾燥式水分計ＭＸ−５０により測定した。

［実施例の配合］
異なる混合処理条件により得られた１２種のウエットマスターバッチを用いて、ゴム組成物を調製した。ゴム組成物の配合は、以下に示す通りである。
ウエットマスターバッチ：６６.２重量部
亜鉛華（白水化学株式会社製「１号亜鉛華」）：５.２重量部、
活性亜鉛華(正同化学工業株式会社製「活性亜鉛華」)：１.３重量部、
老化防止剤（Ｎ−フェニル−Ｎ'−（１,３-ジメチルブチル）−ｐ−フェニレンジアミン、大内新興化学工業株式会社製「ノクラック６Ｃ」）：０.６重量部、
老化防止剤(精工化学株式会社製)：０.３重量部、
コバルト・ホウ素系接着剤(ＤＩＣ製)：０.２重量部、
作業性改良剤(Ｎ−シクロヘキシルチオフタルイミド)：０.０３重量部、
加硫促進剤(Ｎ，Ｎ−ジシクロヘキシル−２−べンゾチアゾリルスルフェンアミド)：０.６重量部、
硫黄：３.８重量部。
ゴム組成物の加硫条件は１４５℃×９０ｍｉｎとした。

［ウエットマスターバッチのマクロ分散性評価］
アルファテクノロジー株式会社製「αｖｉｅｗ ＳＲ」を使用して、ゴム切断面の凸部分を分散魂と認識し、分散判定及び分散魂粒径分布を求める方法により、サンプル画像とリファレンス写真の比較によりＸ値を算出し、比較例１の値を１００とした指標で表示した。この値が小さいほど分散性が優れていることを示す。分散性評価結果を表１に示す。

［ウエットマスターバッチの動的粘弾性評価］
レオメトリックス（株）製のＡＲＥＳを用い、周波数１０Ｈｚ、測定温度１００℃、歪２０％の値から発熱性を評価し、０．１〜３０％のｔａｎ δ値の最大値と最小値の差分からΔｔａｎ δ（ミクロ分散度）を評価した。いずれも、比較例１の値を１００とした指標で表示した。どちらの値も小さいほど性能が優れていることを示す。

［比較例１、２のゴム組成物調製］
比較例１、２は、ラテックスとカーボンスラリーの混合手段として月島機械製ユニバーサルミキサー「ＥＭ２５Ｂ」を用いて、１７８ｒｐｍで５分間撹拌した。それ以外の操作は実施例１と同様の操作を行った。

表１と２において、バッチ式の攪拌機で撹拌していた従来方法で混合した比較例１や２に比べ、スラリー流速を上げて衝突させることで、混合した実施例１〜６、７〜１２の方がマクロ分散、発熱性、ミクロ分散ともに良好なマスターバッチを作成することができる。
また、表面酸性度の高いカーボンブラックを用いた、表２の比較例２、実施例７〜１２の方が表１の比較例１、実施例１〜６に比べて、本発明の製造方法による向上効果が大きい。さらに衝突角は実施例１と５、および７と１２の比較から明らかなように９０°が優れている。実施例２と３〜６および７と８〜１２の比較から明らかなように流速比を６００以上にすることで、分散性を向上させることができる。

本発明の、ウエットマスターバッチから得られたゴム組成物であると、充填材の性能を最大限に引き出すことができ、低発熱性、高耐疲労性、加工性を向上することができるので、タイヤのトレッドゴム、サイドウォールゴムなどのタイヤ用ゴム組成物を始めとして、各種ゴム組成物に好適に用いることができる。

Claims (7)

1. ゴムラテックスと、充填材を水に分散させた充填材スラリーとを混合させる混合工程を有するウエットマスターバッチの製造方法であって、該混合工程は、充填材スラリーを３７０ｍ／ｓ以上の高速で該ゴムラテックスに衝突させることにより、分散よく均一に混合させ、混合処理チャンバーが、筒状をなして、軸方向の一端面に前記充填材スラリーを供給する供給口が設けられるとともに、前記充填材スラリーに対してチャンバーの途中で９０°の衝突角でラテックス流を衝突させて、軸方向の他端部に分散処理された混合液の排出口が設けられたものであることを特徴とする、ウエットマスターバッチの製造方法。
2. 前記充填材スラリーは、充填材を１〜２０重量％含有するものである請求項１記載のウエットマスターバッチの製造方法。
3. 前記充填材は、表面平均酸性官能基量（μｅｑ／ｍ^２）が０．１５以上３．００未満のカーボンブラックであって、前記カーボンブラックを含む充填材を分散させてなる充填材スラリーのｐＨが６以上であることを特徴とする請求項１に記載のウエットマスターバッチの製造方法。
4. 前記混合工程において、ラテックスの流速に対するスラリーの流速の比が６００以上の請求項１記載のウエットマスターバッチの製造方法。
5. 前記混合工程において、あらかじめ充填材スラリーに老化防止剤を添加して混合する請求項１記載のウエットマスターバッチの製造方法。
6. 前記混合工程において、あらかじめラテックスに老化防止剤を添加して混合する請求項１記載のウエットマスターバッチの製造方法。
7. 前記混合工程の後に凝固剤を加えてｐＨ７以下にすることで凝固させる請求項１記載のウエットマスターバッチの製造方法。