JP6769172B2 - ゴム材料の混練方法および装置 - Google Patents
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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、密閉型混練機の混練室内の過度の温度上昇を抑えつつ、品質の安定したゴム材料を得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。シリカ配合ゴムの混練工程では、シリカの分散性を向上させるために、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て混練している。カップリング反応熱等に起因して、混練を行っている密閉型混練機には多大な蓄熱が生じる。
複数バッチのシリカ配合ゴムを連続して密閉型混練機を用いて混練すると、バッチ間のインターバルでは蓄熱を十分に奪い取ることができず、混練室内（ケーシング内壁面やロータなど）が過度に温度上昇する。シリカ配合ゴムに限らずゴム材料は所定の温度範囲で混練する必要があり、ロータを回転させて混練すると温度が上昇する。そのため、混練室内が過度に温度上昇した状態ではロータを十分に回転させて混練することできず、ゴム品質に影響が生じるという問題がある。シリカ配合ゴム以外のゴム材料についても、混練室内が過度に温度上昇した場合はロータを十分に回転させて混練することできないため同様の問題が生じる。
例えば、混練室に水蒸気を供給して、未加硫ゴムとシリカおよびカップリング剤を混練する方法が提案されている（特許文献１参照）。この混練方法では、シリカとカップリング剤との反応に必要な所定量の水分量が水蒸気として供給されるだけであり（段落００１６）、水蒸気によって混練室内の温度を低下させることを意図していない。また、水蒸気だけを先に混練室に供給していないので、この水蒸気によって混練室内の温度を十分に低下させることはできない。
本発明の目的は、密閉型混練機の混練室内の過度の温度上昇を抑えつつ、品質の安定したゴム材料を得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の本発明のゴム材料の混練方法は、原料ゴムと複数種類の非加硫系配合剤とからなる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、前記密閉型混練機の混練室に冷却媒体を投入して前記混練室内の温度を低下させ、次いで、投入した前記冷却媒体によって前記混練室に生じる水分量に応じて含水量を予め減量調整した少なくとも１種類の前記非加硫系配合剤を含む一部の前記非加硫系配合剤を先行して前記混練室に投入し、前記混練室に内設されたロータを回転させることにより撹拌し、次いで、前記原料ゴムと残りの種類の前記非加硫系配合剤を前記混練室に投入して前記ロータを回転させることにより前記ゴム材料を所定の温度範囲に維持して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、混練室に内設されたロータを有して、原料ゴムと複数種類の非加硫系配合剤とからなるゴム材料を、前記ロータを回転することにより前記混練室で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、前記混練室に冷却媒体を投入する冷媒投入機構と、含水量調整機構とを備えて、前記混練室に投入される前記冷却媒体によって前記混練室に生じる水分量に応じて、前記非加硫系配合剤の少なくとも１種類に対して、前記含水量調整機構によりその含水量が予め減量調整され、前記冷却媒体が前記混練室に投入されることにより前記混練室内の温度を低下させ、次いで、含水量が予め減量調整された前記非加硫系配合剤を含む一部の前記非加硫系配合剤が先行して前記混練室に投入されて、前記ロータを回転させることにより撹拌され、その後、前記原料ゴムと残りの種類の前記非加硫系配合剤が前記混練室に投入されて前記ロータを回転させることにより、前記ゴム材料が所定の温度範囲に維持して混練される構成にしたことを特徴とする
本発明によれば、空の状態の前記密閉型混練機の混練室に冷却媒体を投入することで、混練室内の温度を十分に低下させることができる。また、投入した前記冷却媒体によって前記混練室に生じる水分量に応じて含水量を減量調整した非加硫系配合剤を冷却媒体とともにロータを回転させて撹拌することで、この非加硫系配合剤に冷却媒体による水分を吸収させることができる。そのため、ゴム材料としての水分量が適正になり、ゴム材料とロータとの間で余分な滑りが発生することを回避できる。これに伴い、品質の安定したゴム材料を得ることが可能になる。
以下、本発明の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、未加硫のゴム材料Ｒを混練する。この実施形態では、ゴム材料Ｒは原料ゴムＧとシリカＮ１およびカップリング剤Ｎ２を含む複数種類の非加硫系配合剤Ｎ（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）とからなるシリカ配合ゴムであり、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。
シリカＮ１、カップリング剤Ｎ２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ものを使用できる。非加硫系配合剤Ｎとしては、シリカＮ１およびカップリング剤Ｎ２の他に、必要に応じて、その他の非加硫系配合剤Ｎ３として、各種充填剤（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。ゴム材料Ｒによっては、非加硫系配合剤ＮにはシリカＮ１およびカップリング剤Ｎ２を含まないこともある。
この混練装置１は、混練室４ａ内にロータ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３の回転を制御する制御部１２と、混練室４ａに冷却媒体Ｃを投入する冷媒投入機構１４と、含水量調整機構１５とを備えている。
混練室４ａの上方にはラム室４ｂが連接されていて、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。
混練室４ａを形成するケーシングの内部や回転軸３ａの内部には冷却水が流通する循環路が形成されている。この循環路に冷却水を循環させることにより、混練室４ａ内を冷却できる構造になっている。
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。
冷媒投入機構１４は、冷却媒体Ｃの収容タンク１４ａと、ノズル１４ｂと、収容タンク１４ａとノズル１４ｂとを接続する供給路１４ｃとを有している。ノズル１４ｂは、冷媒供給部１３として混練室４ａに形成された穴に接続されている。ノズル１４ｂの仕様によって、冷却媒体Ｃを混練室４ａ内に単純に投入するだけでなく、噴霧することも、滴下することもできる。冷媒供給部１３は、混練室４ａを形成するケーシングの前後壁面に限らず、湾曲した側壁面、ラム８等に設けることもできる。
冷却媒体Ｃとしては、水、氷、ドライアイス等を例示できる。冷却媒体Ｃとして用いる水は、常温（２５℃程度）だけでなく、例えば０℃〜８０℃程度の任意の温度に設定することができる。
含水量調整機構１５は、乾燥機１５ａと重量計１５ｂとを備えている。含水量調整機構１５は、ゴム材料Ｒを構成する複数種類の非加硫系配合剤Ｎのうちの少なくとも１種類に対してその含水量を減量調整する。この実施形態では、シリカＮ１を乾燥機１５ａを用いて乾燥させて減量調整する。具体的には、混練室４ａに投入される冷却媒体Ｃによって混練室４ａに生じる水分量に応じた量の水分をシリカＮ１から乾燥させる。そして、その含水量の減量が完了したかを重量計１５ｂにより計測して確認する。このようにして、当初のシリカＮ１に対して、混練室４ａに投入される冷却媒体Ｃによって混練室４ａに生じる水分量と同量の水分を乾燥させたシリカＮ１を予め用意しておく。
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）、冷媒供給機構１４の作動等を制御する。制御部１２には、混練するゴム材料Ｒの仕様に応じて、混練する際に維持するゴム材料Ｒの最適な所定の温度範囲、冷媒供給機構１４から冷却媒体Ｃ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。
本発明は、例えば、複数バッチのゴム材料Ｒを連続して混練する場合に適用する。ゴム材料Ｒを既に混練している密閉型混練機２では、ゴム材料Ｒの混練により発生した熱が相当に蓄熱されている。そのため、混練室４ａを形成するケーシングの内部や回転軸３ａの内部に形成された循環路に冷却水が循環していても、混練室４ａ内（混練室４ａの内壁面やロータ３など）が過度に高温になっている。
そこで本発明では、まず、図３に例示するように、混練室４ａに冷却媒体Ｃを投入する。この時、ロータ３を回転させると、冷却媒体Ｃを混練室４ａ内に広く分布させることができる。冷却媒体Ｃの投入により、蓄熱された熱を冷却媒体Ｃによって奪って混練室４ａ内の温度を十分に低下させることができる。
冷却媒体Ｃの温度が低ければ、蓄熱された熱を多く奪い易いが、冷却媒体Ｃとして使用する水の温度が高くても気化熱による冷却効果を期待できる。冷却媒体Ｃは噴霧すると広く分布させるには有利である。
次いで、上述したように含水量を予め減量調整したシリカＮ１を混練室４ａに投入して、ロータ３を回転させることにより撹拌する。これにより、当初よりも乾燥させたシリカＮ１に冷却媒体Ｃを吸収させる。
その後、図４に例示するように、カップリング剤Ｎ２を混練室４ａに投入して、ロータ３を回転させることにより撹拌する。これにより、シリカＮ１とカップリング剤Ｎ２とを混合して反応を促進させる。このようにして、投入する複数種類の非加硫系配合剤Ｎのうち、シリカＮ１とカップリング剤Ｎ２とを先行して混練室４ａに投入して事前に混合する。
次いで、図５に例示するように、原料ゴムＧと残りの種類の非加硫系配合剤Ｎ３を混練室４ａに投入し、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を回転させてゴム材料Ｒを所定の温度範囲（例えば１３０℃〜１８０℃）に維持して混練する。本発明では、混練室４ａが実質的に空の状態において冷却媒体Ｃを投入することで、混練室４ａ内の温度が十分に冷却される。これに伴い、ゴム材料Ｒを混練する工程ではロータ３の回転数を抑制することなく、必要な回転数にして混練を行なうことができる。
さらには、混練室４ａ内の温度を低下させるために冷却媒体Ｃを投入しているが、冷却媒体Ｃよって増加する混練室４ａ内の水分は、その水分量を考慮して予め乾燥させたシリカＮ１によって吸収される。それ故、混練室４ａ内の水分量は適正になり、ゴム材料Ｒとロータ３との間で余分な滑りが発生して十分に混練ができないという不具合を回避することができる。そのため、品質の安定したゴム材料Ｒを得ることが可能になる。シリカＮ１およびカップリング剤Ｎ２が配合されないゴム材料Ｒでは、カーボンブラック等の非加硫系配合剤Ｎに対して、上述したシリカＮ１のように含水量の減量調整を行う。
この実施形態では、冷却媒体Ｃを冷媒投入部１３から混練室４ａに投入し、非加硫系配合剤Ｎを配合剤投入部９から混練室４ａに投入する構成になっている。両者の投入部を同じにすると、冷却媒体Ｃの水分によって非加硫系配合剤Ｎが固化して投入部が詰まる危険性があるので、それぞれを別々の投入部から投入する構成にすることが好ましい。
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 冷媒投入部
１４ 冷媒投入機構
１４ａ 収容タンク
１４ｂ ノズル
１４ｃ 供給路
１５ 含水量調整機構
１５ａ 乾燥機
１５ｂ 重量計
Ｃ 冷却媒体
Ｇ 原料ゴム
Ｎ（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３） 非加硫系配合剤
Ｒ ゴム材料
２ 密閉型混練機
３ ロータ
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３ｂ 翼
４ａ 混練室
４ｂ ラム室
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１２ａ 電力計
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１４ａ 収容タンク
１４ｂ ノズル
１４ｃ 供給路
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１５ａ 乾燥機
１５ｂ 重量計
Ｃ 冷却媒体
Ｇ 原料ゴム
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Ｒ ゴム材料
Claims (5)
- 原料ゴムと複数種類の非加硫系配合剤とからなる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、
前記密閉型混練機の混練室に冷却媒体を投入して前記混練室内の温度を低下させ、次いで、投入した前記冷却媒体によって前記混練室に生じる水分量に応じて含水量を予め減量調整した少なくとも１種類の前記非加硫系配合剤を含む一部の前記非加硫系配合剤を先行して前記混練室に投入し、前記混練室に内設されたロータを回転させることにより撹拌し、次いで、前記原料ゴムと残りの種類の前記非加硫系配合剤を前記混練室に投入して前記ロータを回転させることにより前記ゴム材料を所定の温度範囲に維持して混練することを特徴とするゴム材料の混練方法。 - 前記非加硫系配合剤にシリカおよびカップリング剤が含まれていて、シリカを前記含水量を減量調整した非加硫系配合剤として、このシリカおよびカップリング剤を先行して前記混練室に投入する請求項１に記載のゴム材料の混練方法。
- 前記冷却媒体として、水、氷またはドライアイスを用いる請求項１または２に記載のゴム材料の混練方法。
- 前記冷却媒体と、前記非加硫系配合剤とを別々の投入部から前記混練室に投入する請求項１〜３のいずれかに記載のゴム材料の混練方法。
- 混練室に内設されたロータを有して、原料ゴムと複数種類の非加硫系配合剤とからなるゴム材料を、前記ロータを回転することにより前記混練室で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、
前記混練室に冷却媒体を投入する冷媒投入機構と、含水量調整機構とを備えて、前記混練室に投入される前記冷却媒体によって前記混練室に生じる水分量に応じて、前記非加硫系配合剤の少なくとも１種類に対して、前記含水量調整機構によりその含水量が予め減量調整され、前記冷却媒体が前記混練室に投入されることにより前記混練室内の温度を低下させ、次いで、含水量が予め減量調整された前記非加硫系配合剤を含む一部の前記非加硫系配合剤が先行して前記混練室に投入されて、前記ロータを回転させることにより撹拌され、その後、前記原料ゴムと残りの種類の前記非加硫系配合剤が前記混練室に投入されて前記ロータを回転させることにより、前記ゴム材料が所定の温度範囲に維持して混練される構成にしたことを特徴とするゴム材料の混練装置。
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