JP6724383B2 - ゴム材料の混練方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ゴム材料の混練方法および装置に関し、さらに詳しくは、シリカ配合ゴム材料を混練する際の化学反応を促進させることができ、混練後に加硫して得たゴム組成物の特定のゴム物性を向上させることができるゴム材料の混練方法および装置に関するものである。

タイヤのトレッドゴム等に対してはシリカ配合ゴムを用いることによって、タイヤの転がり抵抗やウエットグリップ性能を向上させることができる。シリカは粒子どうしが凝集しやすいため、ゴム材料に対する分散性が悪く、シランカップリング剤を配合してシリカとカップリング反応させることによって分散性を向上させている。シリカ配合ゴム材料は、通常のゴム材料とは異なるこのような性質を有しているので、シリカ配合ゴム材料に適した混練方法、装置が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１では、密閉型混練機とオープン構造のロール混練機とを組み合わせて、シリカ配合ゴム材料を混練する混練システムが提案されている。この混練システムでは、オープン構造のロール混練機を用いることで、シリカ配合ゴム材料を混練する際に生成されるアルコール等を外部に発散させてカップリング反応を促進させるようにしている。

一方、本願発明者は密閉型混練機で混練する工程に注目して、シリカ配合ゴム材料を混練する際の化学反応を促進させることができ、しかも、混練後に加硫して得たゴム組成物の特定のゴム物性が向上することを知得した。そして、この知得に基づいて本願発明を創作するに至った。

特開２００７−２１６４７１号公報

本発明の目的は、シリカ配合ゴム材料を混練する際の化学反応を促進させることができ、混練後に加硫して得たゴム組成物の特定のゴム物性を向上させることができるゴム材料の混練方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のゴム材料の混練方法は、原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とからなるシリカ配合ゴム材料を密閉型混練機により混練するゴム材料の混練方法において、前記密閉型混練機を構成するラムの内部に配置された貯水部と、この貯水部から下方に延びる流路の下端部に設置されたノズルとで構成される水供給機構を前記ラムに付設し、前記ノズルから前記密閉型混練機の混練室に所定量の水を供給して、この所定量の水を添加した状態の前記シリカ配合ゴム材料を、予め設定された所定の温度範囲に維持して前記密閉型混練機により混練することを特徴とする。

本発明のゴム材料の混練装置は、原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とからなるシリカ配合ゴム材料を混練する密閉型混練機を備えたゴム材料の混練装置において、前記密閉型混練機により混練中の前記シリカ配合ゴム材料の温度を検知する温度センサと、前記密閉型混練機のロータの回転を制御する制御部と、前記密閉型混練機の混練室に水を供給する水供給機構とを備え、前記水供給機構が、ラムの内部に配置されて前記水を貯留する貯水部と、この貯水部から下方に延びる流路の下端部に設置されて前記水を噴霧または滴下するノズルとを有して前記ラムに付設されていて、前記温度センサの検知データに基づいて前記ロータの回転数を制御することにより、前記水供給機構により所定量の水を添加した状態の前記シリカ配合ゴム材料を、予め設定された所定の温度範囲に維持して混練する構成にしたことを特徴とする。

本発明によれば、所定量の水を添加した状態のシリカ配合ゴム材料を、所定の温度範囲に維持して混練することで、シリカ配合ゴム材料における化学反応（加水分解反応）を促進させることができる。さらに、混練後に加硫して得たゴム組成物の特定のゴム物性を向上させることができる。具体的には、加硫して得たゴム組成物をタイヤのトレッドゴムに使用すると、タイヤの転がり抵抗やウエットグリップ性能を向上させることが可能になる。

前記所定の温度範囲は例えば１３０℃以上１６０℃以下にする。この温度範囲にすることで、混練中のシリカ配合ゴム材料における化学反応をより促進させ易くなる。また、加硫して得たゴム組成物をタイヤのトレッドゴムに使用すると、タイヤの転がり抵抗やウエットグリップ性能を一段と向上させ易くなる。

前記水を例えば前記密閉型混練機の混練室に噴霧または滴下することにより、前記シリカ配合ゴム材料に添加する。或いは、前記密閉型混練機を構成するラムを、前記密閉型混練機のラム室の下端から上昇させた状態で、前記水を前記シリカ配合ゴム材料に添加することもできる。これにより、水をシリカ配合ゴム材料に均一に混合し易くなって、加硫して得たゴム組成物の品質のばらつきを抑えるには有利になる。

前記水の温度を例えば混練中の前記シリカ配合ゴム材料よりも低温である１０℃以上５０℃以下にする。１０℃以上５０℃以下の相対的に低温の水を使用することで、シリカ配合ゴム材料を前記所定の温度範囲に維持するために密閉型混練機のロータ回転速度が早くなる。それ故、加硫して得たゴム組成物の一定のゴム品質を確保しつつ混練時間の短縮を図ることが可能になる。

本発明のゴム材料の混練装置を例示する説明図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の混練装置によってシリカ配合ゴム材料を混練している状態を例示する説明図である。 図１の混練室で混練されているシリカ配合ゴム材料に水を添加している状態を例示する説明図である。 シリカ配合ゴム材料の混練過程におけるロータの回転駆動に要する瞬時電力およびシリカ配合ゴム材料の温度の経時変化を例示するグラフ図である。

以下、本発明のシリカ配合ゴム材料の混練方法および装置を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図２に例示する本発明のゴム材料の混練装置１（以下、混練装置１という）は、シリカ配合ゴム材料Ｒを混練する。シリカ配合ゴム材料Ｒは、原料ゴムＧとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤Ｎとからなり、混練することで原料ゴムＧに非加硫系配合剤Ｎを均等に分散させるようにして適切な粘度にする。

原料ゴムＧとしては、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、１，２−ポリブタジエン、クロロプレンゴム、ブチルゴム、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（アクリルニトリルゴム、水素化ニトリルゴム）、エチレンプロピレンジエンゴム等を例示できる。これらを１種単独でまたは２種以上を組合せて使用する。

非加硫系配合剤Ｎとしては、シリカおよびシランカップリング剤の他に、必要に応じて、シリカ以外の充填剤（例えば、カーボンブラック）、酸化亜鉛、ステアリン酸等を用いる。

シリカとしては、タイヤ等の用途でゴム組成物に配合されている公知のシリカを使用でき、具体的には、例えば、湿式シリカ、乾式シリカ、ヒュームドシリカ、珪藻土などを例示できる。これらを１種単独でまたは２種以上を組合せて使用する。

シランカップリング剤としては、公知のものを使用でき、具体的には、例えば、ビス（３−トリエトキシシリルプロピル）テトラスルフィド、ビス（３−トリメトキシシリルプロピル）テトラスルフィド、ビス（３−トリエトキシシリルプロピル）ジスルフィド、メルカプトプロピルトリメトキシシラン、メルカプトプロピルトリエトキシシラン、３−トリメトキシシリルプロピル−Ｎ，Ｎ−ジメチルチオカルバモイル−テトラスルフィド、トリメトキシシリルプロピル−メルカプトベンゾチアゾールテトラスルフィド、トリエトキシシリルプロピル−メタクリレート−モノスルフィド、ジメトキシメチルシリルプロピル−Ｎ，Ｎ−ジメチルチオカルバモイル−テトラスルフィド等を例示できる。これらを１種単独でまたは２種以上を組合せて使用する。

この混練装置１は、ロータ３を備えたバンバリーミキサー等の密閉型混練機２と、温度センサ１１と、ロータの回転を制御する制御部１２と、水供給機構１３とを備えている。

密閉型混練機２は、混練室４ａと、混練室４ａの上方に連接されたラム室４ｂとを備えていて、混練室４ａには対向配置された一対のロータ３と油投入部５とが設けられている。それぞれのロータ３の回転軸３ａには翼３ｂが突設されていて、平行して配置された回転軸３ａは駆動用モータによって回転駆動される。混練室４ａの底面には開閉する排出扉１０が設けられている。

ラム室４ｂには、上下移動して混練室４ａ内の圧力（ラム圧力）を調整するラム８が配置されている。ラム室４ｂにはさらに、原料ゴムＧを投入するゴム投入部６と、非加硫系配合剤Ｎをホッパ７から投入する配合剤投入部９とが設けられている。

温度センサ１１は、混練室４ａに先端部を露出して設けられている。温度センサ１１は混練室４ａで混練されているシリカ配合ゴム材料Ｒの温度を逐次検知する。温度センサ１１による検知データは制御部１２に入力される。

水供給機構１３は混練室４ａに所定量の水Ｗを供給する。この実施形態では、水供給機構１３はラム８に付設されている。この水供給機構１３は、ラム８の内部に配置された貯水部１３ａと、貯水部１３ａから下方に延びる流路１３ｃの下端部に設置されたノズル１３ｂとを有している。例えば、流路１３ｃに設置された開閉弁を開弁することにより、ノズル１３ｂから水Ｗが供給される。ノズル１３ｂの仕様に応じて水Ｗを混練室４ａに噴霧することも、滴下することも、単純に垂れ流すこともできる。

水供給機構１３は例示した形態に限らず、その他、様々な形態を採用することができる。例えば、ゴム投入部６や配合剤投入部９を通じて、水Ｗを混練室４ａに供給することもできる。混練室４ａに供給する水Ｗの温度は、例えば１０℃以上５０℃以下である。

制御部１２には電力計１２ａが付設されている。ロータ３の回転駆動に要した瞬時電力が電力計１２ａにより逐次検知される。電力計１２ａによる検知データは、制御部１２に入力される。制御部１２では瞬時電力を積算した積算電力量が算出され、任意の混練期間おけるロータ３の回転駆動に要した電力量（ロータ３に作用する負荷）を把握することができる。制御部１２にはその他に、ロータ３の回転数やラム圧力等が入力される。

制御部１２は、ロータ３の回転数、ラム圧力（ラムの上下移動）、水供給機構１３の作動等を制御する。制御部１２には、混練するシリカ配合ゴム材料Ｒの仕様に応じて、混練する際に維持するシリカ配合ゴム材料Ｒの最適な所定の温度範囲、水供給機構１３から水Ｗを供給するタイミングやその供給量などが入力されている。そして、ロータ３の回転数は、温度センサ１１による検知データに基づいて制御される。基本的には、ロータ３の回転数を大きくする（回転速度を速くする）程、混練しているシリカ配合ゴム材料Ｒの温度は高くなる。

以下、本発明のゴム材料の混練方法の手順を説明する。

ゴム材料の混練過程は、図５に例示するようにゴム素練り工程（Ｓ１）、配合剤取り込み工程（Ｓ２）、均一分散工程（Ｓ３）で構成される。図５には本願発明を適用した混練過程でのロータ３の回転駆動に要する瞬時電力Ｐおよびシリカ配合ゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）の温度Ｔの経時データを例示している。

ゴム素練り工程においては、図１に例示するようにラム８をラム室４ｂの上端部の待機位置に保持した状態で、ゴム投入部６を通じて、予め設定された所定量の原料ゴムＧを混練室４ａに投入する。その後、ラム８をラム室４ｂの下端まで下方移動させて、ラム８によって混練室４ａの上面を形成する。この状態で、油投入部５を通じてオイルを混練室４ａに投入しながらロータ３を回転駆動して原料ゴムＧとオイルとを混練する。この工程では、ロータ３の負荷を示す瞬時電力Ｐは比較的小さい。原料ゴムＧの温度Ｔは徐々に低下する。

ゴム素練り工程の終了後は、配合剤取り込み工程に移行する。配合剤取り込み工程では、ラム８をラム室４ｂの上端部の待機位置に移動させて、予め設定された種類の所定量の非加硫系配合剤Ｎ（シリカやシランカップリング剤など）をホッパ７から配合剤投入部９を通じて混練室４ａに投入する。その後、ラム８をラム室４ｂの下端まで下方移動させて、ラム８によって混練室４ａの上面を形成する。この状態で図３に例示するようにロータ３を回転駆動して、原料ゴムＧと非加硫系配合剤Ｎとをからなるシリカ配合ゴム材料Ｒを混練する。原料ゴムＧや非加硫系配合剤Ｎによってノズル１３ｂが目詰まりしなように、ノズル１３ｂには目詰まり防止カバー等を設置することもできる。

配合剤取り込み工程では、ゴム素練りした原料ゴムＧの上に載った非加硫系配合剤Ｎを大きくかき混ぜて、徐々に小さなゴムの固まりが形成される。次いで、小さなゴムの固まりが徐々に大きくなり、最後には一塊りになる。配合剤取り込み工程では、ラム８を数回、ラム室４ｂの上端部に上昇させた状態にしてロータ３を回転させることによりシリカ配合ゴム材料Ｒの上下を反転させるラム反転を行う。この工程では、シリカ配合ゴム材料Ｒの温度Ｔは徐々に上昇する。

配合剤取り込み工程が終了すると、均一分散工程に移行する。この工程では、非加硫系配合剤Ｎを原料ゴムＧの全体に渡り均一に分散させる。この工程では、瞬時電力Ｐは当初は大きいが徐々に低下して一定になる。混練しているシリカ配合ゴム材料Ｒの温度Ｔは所定の温度範囲でほぼ一定に維持する。即ち、この工程では、温度センサ１１により逐次検知したシリカ配合ゴム材料Ｒの温度Ｔの検知データに基づいて、制御部１２によりロータ３の回転数を制御して、シリカ配合ゴム材料Ｒの温度Ｔを所定の温度範囲に維持して混練する。この所定の温度範囲は、例えば１３０℃以上１６０℃以下にする。

シリカ配合ゴム材料Ｒの温度Ｔが所定の温度範囲よりも低くなりそうであればロータ３の回転数を大きく、所定の温度範囲よりも高くなりそうであればロータ３の回転数を小さくする制御を行う。或いは、ラム８を上昇させてラム圧力を下げることによりシリカ配合ゴム材料Ｒの温度Ｔを低下させ、ラム８を降下させてラム圧力を上げることにより温度Ｔを上昇させることもできる。

本願発明では、上述の配合剤取り込み工程または均一分散工程のいずれかにおいて、図４に例示するように混練室４ａに所定量の水Ｗを供給してシリカ配合ゴム材料Ｒに添加した状態にする。この実施形態では、ラム８を、ラム室４ｂの下端から待機位置まで上昇させた状態にして、ノズル１３ｂから水Ｗを噴霧してシリカ配合ゴム材料Ｒに添加している。

シリカ配合ゴム材料Ｒに添加する水Ｗの所定量は、例えば、原料ゴムＧ（１００質量部）に対して０．５重量部以上５．０重量部以下にする。所定量の水Ｗをシリカ配合ゴム材料Ｒに添加した後は、ラム８をラム室４ｂの下端に移動させた状態にして、図３に例示するようにシリカ配合ゴム材料Ｒを混練する。

均一分散工程の終了後、シリカ配合ゴム材料Ｒを混練して製造された未加硫のゴム組成物を、開口した放出扉１０から密閉型混練機２の外部に放出する。放出されたゴム組成物は、次工程において、硫黄や加硫促進剤等の加硫系配合剤が所定割合で配合されて混練される。この工程を経て製造された未加硫のゴム組成物は、様々な形状に成形されて金型の内部で加硫される。

加硫工程を経て加硫されたゴム組成物は、様々なゴム製品或いはゴム製品の一部になる。例えば、加硫されたゴム組成物は、タイヤの製造工程において、トレッドゴムやショルダ部のゴム、サイド部のゴムとして使用される。

上述したように、所定量の水Ｗを添加した状態のシリカ配合ゴム材料Ｒを、所定の温度範囲に維持して混練することで、シリカ配合ゴム材料Ｒにおける化学反応（加水分解反応）を促進させることができる。これに伴い、混練時間の短縮が期待できる。さらには、混練後に加硫して得たゴム組成物の特定のゴム物性を向上させることができる。具体的には、加硫して得たゴム組成物をタイヤのトレッドゴムに使用すると、タイヤの転がり抵抗やウエットグリップ性能を向上させることが可能になる。このゴム物性の向上については後述する。

シリカ配合ゴム材料Ｒに添加する水Ｗの所定量は、原料ゴムＧ（１００質量部）に対して０．５重量部未満では、シリカ配合ゴム材料Ｒの加水分解反応を十分に促進することができない。一方、５．０重量部超であると、シリカ配合ゴム材料Ｒを混練した後の工程（ゴム押出工程等）において、ゴム組成物にポーラスが発生（発泡して多孔状になる）して品質が低下するリスクが高くなる。

尚、水を添加した未加硫のゴム組成物を押出等するとゴム組成物にポーラスが発生し易くなることが知られている。そのため、従来、ゴム材料の混練時に意図的に水を添加することは避けられていた。しかし、シリカ配合ゴム材料Ｒの混練においては、適切な量の水Ｗの添加であれば、シリカ配合ゴム材料Ｒにおける加水分解反応が促進されることが判明した。さらには、加硫して得たゴム組成物の特定のゴム物性が向上することが判明したので、むしろ有益であるとの知見に基づいて本願発明が創作されている。

混練しているシリカ配合ゴム材料Ｒの温度Ｔを１３０℃以上１６０℃以下に維持することで、混練中のシリカ配合ゴム材料Ｒにおける化学反応をより促進させ易くなる。加えて、本願発明を適用して製造されたゴム組成物をタイヤのトレッドゴムとして使用すると、タイヤの転がり抵抗やウエットグリップ性能を一段と向上させ易くなる。

シリカ配合ゴム材料Ｒに水Ｗを添加する方法は特に限定されないが、混練室４ａに噴霧または滴下すると、シリカ配合ゴム材料Ｒに均一に混合し易くなる。これに伴い、加硫して得たゴム組成物の品質のばらつきを抑えるには有利になる。或いは、図４に例示するように、ラム８をラム室４ｂの下端から上昇させた状態にして、水Ｗをシリカ配合ゴム材料Ｒの上方位置から供給して添加すると、シリカ配合ゴム材料Ｒに均一に混合し易くなる。

添加する水Ｗの温度は、混練しているシリカ配合材料Ｒと同等またはそれ以上の温度にすることもできるが、相対的に低温（例えば１０℃以上５０℃以下）にすることもできる。１０℃以上５０℃以下の相対的に低温の水Ｗを添加すると、シリカ配合ゴム材料Ｒの温度Ｔが若干低下するので、所定の温度範囲に維持するためにロータ３の回転数が大きくなる（回転速度が早くなる）。これに起因して混練時間の短縮を図ることが可能になる。また、シリカ配合材料Ｒは所定の温度範囲に維持されて混練されるので、加硫して得たゴム組成物については一定のゴム品質を確保できる。

この実施形態のように、水供給機構１３の貯水部１３ａをラム８に設けると、貯水部１３ａに貯める水Ｗを、ラム８のウエイト調整部材として利用することができる。これに伴って、ラム８を構成している金属部材の総重量を低減することも可能になる。

乗用車用タイヤのトレッドゴムを混練する際に、シリカ配合ゴム材料に対して水の添加の有無だけを異ならせて２種類の未加硫のゴム組成物を製造した。そして、水を添加したゴム組成物（実施例）と、水を添加しなかったゴム組成物（従来例）とのそれぞれを、金型（１５ｃｍ×１５ｃｍ×０．２ｃｍ）の中に配置して１６０℃で２０分間プレス加硫して、加硫ゴムシートを作製した。尚、実施例における水の添加量は、原料ゴム１００質量部に対して２重量部であった。また、実施例および従来例では、シリカ配合ゴム材料を１３０℃以上１６０℃以下の温度範囲で混練した。

[タイヤの転がり抵抗]
それぞれの加硫ゴムシートについて、粘弾性スペクトロメーター（東洋精機製作所社製）を用いて、初期歪み１０％、振幅±２％、周波数２０Ｈｚの条件下で、温度６０℃の損失正接ｔａｎδを測定した。ｔａｎδ（６０℃）はタイヤの転がり抵抗の評価指標として用いられている。従来例の加硫ゴムシートと実施例の加硫ゴムシートとの測定結果を比較した結果、実施例は従来例に比して転がり抵抗が約３％低下することが確認できた。

[ウエットグリップ性能]
それぞれの加硫ゴムシートについて、粘弾性スペクトロメーター（東洋精機製作所社製）を用いて、初期歪み１０％、振幅±２％、周波数２０Ｈｚの条件下で、温度０℃の損失正接ｔａｎδを測定した。ｔａｎδ（０℃）はタイヤのウエットグリップ性能の評価指標として用いられている。従来例の加硫ゴムシートと実施例の加硫ゴムシートとの測定結果を比較した結果、実施例は従来例に比してウエットグリップ性能が約３．５％向上することが確認できた。

１ 混練装置
２ 密閉型混練機
３ ロータ
３ａ 回転軸
３ｂ 翼
４ａ 混練室
４ｂ ラム室
５ 油投入部
６ ゴム投入部
７ ホッパ
８ ラム
９ 配合剤投入部
１０ 排出扉
１１ 温度センサ
１２ 制御部
１２ａ 電力計
１３ 水供給機構
１３ａ 貯水部
１３ｂ ノズル
１３ｃ 流路
Ｇ 原料ゴム
Ｎ 非加硫系配合剤
Ｒ シリカ配合ゴム材料
Ｗ 水

Claims (6)

1. 原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とからなるシリカ配合ゴム材料を密閉型混練機により混練するゴム材料の混練方法において、
   前記密閉型混練機を構成するラムの内部に配置された貯水部と、この貯水部から下方に延びる流路の下端部に設置されたノズルとで構成される水供給機構を前記ラムに付設し、前記ノズルから前記密閉型混練機の混練室に所定量の水を供給して、この所定量の水を添加した状態の前記シリカ配合ゴム材料を、予め設定された所定の温度範囲に維持して前記密閉型混練機により混練することを特徴とするゴム材料の混練方法。
2. 前記所定の温度範囲が１３０℃以上１６０℃以下である請求項１に記載のゴム材料の混練方法。
3. 前記水を前記混練室に噴霧または滴下することにより、前記シリカ配合ゴム材料に添加する請求項１または２に記載のゴム材料の混練方法。
4. 前記ラムを、前記密閉型混練機のラム室の下端から上昇させた状態で、前記水を前記シリカ配合ゴム材料に添加する請求項１〜３のいずれかに記載のゴム材料の混練方法。
5. 前記水の温度を、混練中の前記シリカ配合ゴム材料よりも低温である１０℃以上５０℃以下にする請求項１〜４のいずれかに記載のゴム材料の混練方法。
6. 原料ゴムとシリカおよびシランカップリング剤を含む非加硫系配合剤とからなるシリカ配合ゴム材料を混練する密閉型混練機を備えたゴム材料の混練装置において、
   前記密閉型混練機により混練中の前記シリカ配合ゴム材料の温度を検知する温度センサと、前記密閉型混練機のロータの回転を制御する制御部と、前記密閉型混練機の混練室に水を供給する水供給機構とを備え、
   前記水供給機構が、ラムの内部に配置されて前記水を貯留する貯水部と、この貯水部から下方に延びる流路の下端部に設置されて前記水を噴霧または滴下するノズルとを有して前記ラムに付設されていて、
   前記温度センサの検知データに基づいて前記ロータの回転数を制御することにより、前記水供給機構により所定量の水を添加した状態の前記シリカ配合ゴム材料を、予め設定された所定の温度範囲に維持して混練する構成にしたことを特徴とするシリカ配合ゴム材料の混練装置。

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