JP6996249B2 - 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、密閉型混練機を用いて、より効率的に原料ゴムを混練す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。
タイヤ等のゴム製品を製造する際には、様々なゴム部材が使用されている。ゴム部材の材料となるゴム材料を混練する設備として、密閉型混練機（いわゆる、バンバリーミキサー）が知られている。密閉型混練機には、混練室の内部に一組のロータが噛み合うように配置された噛み合い式ロータを備えた仕様がある（例えば、特許文献１参照）。
噛み合い式ロータの場合、一組のロータの回転による位相によって、互いのロータ間の隙間および互いのロータ間上方の受入空間の容積が比較的大きく変動する。混練室では、投入された原料ゴムが受入空間で互いのロータの上に配置された状態になり、回転する互いのロータの間に徐々に食込まれて混練される。この受入空間の容積が小さい時に原料ゴムを混練室に投入すると、投入された原料ゴムはロータの間に食込まれ難くなり、混練に要する時間が長くなる。噛み合い式ロータでなくても、一組のロータの回転による位相によって、互いのロータ間の隙間および互いのロータ間上方の受入空間の容積の変動が比較的大きい場合は同様の不具合が生じる。
本発明の目的は、密閉型混練機を用いて、より効率的に原料ゴムを混練す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、原料ゴムと配合剤とを含む混練物が投入される混練室と、この混練室の内部に配置された一組のロータと、前記混練室の上方を上下移動して前記混練室の上端開口を塞ぐことが可能なラムとを備えた密閉型混練機を有するゴム材料の混練装置において、前記混練室の前記上端開口とそれぞれの前記ロータの外周面とで囲まれた前記一組のロータ間上方の空間を受入空間として、前記一組のロータの回転による位相データが入力される制御部と、この制御部により制御される前記原料ゴムの投入機構とを有し、前記位相データに基づいて前記制御部により前記受入空間の容積が逐次算出されて、この逐次算出された前記受入空間の容積が、予め設定された基準値以上になった時に前記投入機構により前記原料ゴムが前記混練室に投入される構成にしたことを特徴とする。
本発明のゴム材料の混練装置は、原料ゴムと配合剤とを含む混練物が投入される混練室と、この混練室の内部に配置された一組のロータと、前記混練室の上方を上下移動して前記混練室の上端開口を塞ぐことが可能なラムとを備えた密閉型混練機を有するゴム材料の混練装置において、前記混練室の前記上端開口とそれぞれの前記ロータの外周面とで囲まれた前記一組のロータ間上方の空間を受入空間として、前記一組のロータの回転による位相データが入力される制御部と、この制御部により制御される前記原料ゴムの投入機構とを有し、前記位相データに基づいて前記制御部により前記受入空間の容積が逐次算出されて、この逐次算出された前記受入空間の容積が、予め設定された基準値以上になった時に前記投入機構により前記原料ゴムが前記混練室に投入される構成にしたことを特徴とする。
本発明によれば、一組のロータの回転による位相データに基づいて、制御部により原料ゴムを混練室に投入するタイミングを、一組のロータ間上方の受入空間の容積が予め設定された基準値以上になった時に制御することで、原料ゴムが一組のロータの間に食い込まれ易い時に原料ゴムを混練室に投入することが可能になる。これに伴い、混練室に投入された原料ゴムをより短時間で効率的に混練するには有利になる。
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３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、原料ゴムＧと配合剤Ｎとを含む混練物Ｒを混練する。この混練工程によって原料ゴムＧに配合剤Ｎを均等に分散させて、適度な粘度にした未加硫のゴム材料が製造される。
原料ゴムＧおよび配合剤Ｎは、製造するゴム材料の種類（特性）に応じて、適切な材料が選択される。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。これらが１種単独でまたは２種以上を組合せて用いられる。配合剤Ｎとしては、シリカおよびシランカップリング剤、カーボンブラック等の充填剤、酸化亜鉛、ステアリン酸等の非加硫系の配合剤Ｎが適宜選択して用いられる。配合剤Ｎとしてオイルも用いられる。
この混練装置１は密閉型混練機２を有している。密閉型混練機２は、原料ゴムＧと配合剤Ｎとを含む混練物Ｒが投入される混練室５と、混練室５の内部に配置された一組のロータ３と、混練室５の上端開口５ａを塞ぐことが可能なラム６と、原料ゴムＧを混練室５に投入する投入機構８と、制御部１２とを備えている。制御部１２には一組のロータ３の回転による位相データが入力される。制御部１２は投入機構８およびロータ３の回転駆動を制御する。
混練室５の側部には油投入部７、底面には開閉する排出扉１１が設けられている。混練室５の上端開口５ａにはラム室６ａが連接されて上方に延在している。ラム６は、ラム室６ａの内部を上下移動して混練室５内の原料ゴムＧ（混練物Ｒ）に圧力（ラム圧力）を付与する。ラム６は下方移動することで混練室５の上端開口５ａを塞ぐことができる。ラム室６ａの側部には、搬送コンベヤ等を有する投入機構８と、非加硫系の配合剤Ｎがホッパ９から投入される配合剤投入部１０とが設けられている。
この実施形態の混練装置１はさらに温度センサ１３および圧力センサ１４を有している。温度センサ１３は混練室５に先端部を露出して設けられている。温度センサ１３は混練室５で混練されている原料ゴムＧ（混練物Ｒ）の温度を逐次検知し、その検知データは制御部１２に入力される。ラム６に設置されている圧力センサ１４は、混練室５で原料ゴムＧ（混練物Ｒ）を混練している際にラム６に作用する圧力を逐次検知し、その検知データは制御部１２に入力される。混練室５内の原料ゴムＧ（混練物Ｒ）に付与される圧力が反作用としてラム６に作用するので、圧力センサ１４による検知データは混練室５内の原料ゴムＧ（混練物Ｒ）に付与される圧力となる。
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Ｐが電力計１２ａにより逐次検知され、その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、任意の混練期間におけるロータ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にはロータ３の回転数（回転速度）やラム圧力等も入力され、ロータ３の回転数やラム圧力（ラム６の上下移動）等は制御部１２によって制御される。
それぞれのロータ３は、互いに平行配置された回転軸４ａと、回転軸４ａの外周面に突設された撹拌羽根４ｂとを有している。そして、互いのロータ３の外周面が噛み合うように配置された、いわゆる噛み合い式のロータ３になっている。それぞれのロータ３の外周面の仕様（外周面の形状など）は、混練物Ｒの種類等によって適宜設定される。
上述した位相データとは、それぞれのロータ３の回転角度（回転した位置）のデータである。それぞれのロータ３が１回転（３６０°回転）すると、図４に例示するように、ロータ３間上方の受入空間５ｂの容積Ｖ（実線で示す曲線Ｖ）およびロータ３間の上面視での隙間５ｃの面積Ｓ（破線で示す曲線Ｓ）が変動する。受入空間５ｂの容積Ｖおよび隙間５ｃの面積Ｓの変動は、それぞれのロータ３の１回転毎に繰り返されることになる。
受入空間５ｂは、ロータ３間の上方に位置していて、混練室５に投入された原料ゴムＧが最初に配置される空間である。図２で例示するように、混練室５の上端開口５ａとそれぞれのロータ３の外周面とで囲まれたロータ３間上方の空間が受入空間５ｂとなる。
ロータ３間の上面視での隙間５ｃの面積Ｓとは、混練室５でのそれぞれのロータ３Ａ、２Ｂの外周面どうしに挟まれた上面視の面積である。図３ではこの隙間５ｃの面積Ｓが斜線部で例示されている。
この実施形態では図４に例示するように、それぞれのロータ３がある位置から９０°回転した時に受入空間５ｂの容積Ｖが最小値Ｖｎ（最小容積）になり、１８０°回転した時に受入空間５ｂの容積Ｖが最大値Ｖｘ（最大容積）になる。隙間５ｃの面積Ｓは、それぞれのロータ３がある位置から３０°回転した時に最大値Ｓｘ（最大面積）になり、１１０°回転した時に最小値Ｓｎ（最小面積）になる。それぞれのロータ３の回転により受入空間５ｂの容積Ｖが最大値Ｖｘになった時、隙間５ｃの面積Ｓは増加状態にあり、その後に最大面積になる。このような容積Ｖおよび面積Ｓの変動が、それぞれのロータ３が１／２回転（１８０°回転）毎に繰り返す。尚、受入空間５ｂの容積Ｖおよび隙間５ｃの面積Ｓの変動は、それぞれのロータ３の外周面の仕様（外周面の形状等）によって異なるので、図４に例示したものに限らない。本発明は容積Ｖおよび面積Ｓが、図４に例示した以外の様々に変動する場合にも適用することができる。
それぞれのロータ３の仕様（外周面形状など）は既知なので、それぞれのロータ３の位相が判明すれば、任意の時点の受入空間５ｂの容積Ｖおよび隙間５ｃの面積Ｓを把握することができる。そこで、本発明では、一組のロータ３の回転による位相データを制御部１２に入力し、入力された位相データに基づいて制御部１２によって受入空間５ｂの容積Ｖを逐次算出する。また、この実施形態では、入力された位相データに基づいて制御部１２によって隙間５ｃの面積Ｓを逐次算出する。
位相データを取得する手段は特に限定されない。例えば、それぞれのロータ３の回転軸４ａの回転数（回転位置）を公知のセンサ等で検知し、この検知データに基づいて位相データを得る（算出）することができる。
以下、本発明のゴム材料の混練方法の一例を説明する。
ゴム材料を混練する際には、図１に例示するようにラム６をラム室６ａの上端部の待機位置に保持した状態で、予め設定された所定量の原料ゴムＧを、投入機構８を用いて混練室５に投入する。その後、ラム６をラム室６ａの下方に移動させて上端開口５ａを塞いだ状態にする。この状態で、油投入部７を通じてオイルを混練室５に投入しながら図５に例示するようにロータ３を回転駆動して原料ゴムＧとオイルとを混練して、ゴム素練り工程を行う。
このゴム素練り工程を行う際に、回転している一組のロータ３の位相データを逐次検知して制御部１２に入力する。制御部１２は、入力された位相データに基づいて受入空間５ｂの容積Ｖを逐次算出する。そして、逐次算出した受入空間５ｂの容積Ｖが、予め設定された基準値Ｖｃ以上になった時に、制御部１２は投入機構８を作動させて原料ゴムＧを混練室５に投入する。
この実施形態では図４に例示するように、受入空間５ｂの容積Ｖが基準値Ｖｃ以上になった時（ロータ位相が１８０°程度の符号Ｔで示す範囲にある時）に、原料ゴムＧを混練室５に投入する。原料ゴムＧは、全量を一回で混練室５に投入することも、複数に分割して複数回で混練室５に投入することもできる。混練室５では、投入された原料ゴムＧが受入空間５ｂで互いロータ３の上に配置された状態になり、ラム６によって下方に押圧されつつ、回転するロータ３の間に徐々に食込まれて混練される。
ゴム素練り工程後は、ラム６をラム室６ａ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配合剤Ｎ（充填剤など）をホッパ９から配合剤投入部１０を通じて混練室５に投入する。その後、ラム６をラム室６ａの下端まで下方移動させる。この状態で図５に例示するようにロータ３を回転駆動して混練物Ｒ（原料ゴムＧおよび配合剤Ｎ）を混練する。ラム６の上下位置、ロータ３の回転数等を調整し、混練物Ｒの温度、ラム圧力、電力量を検知しながら混練する。これにより、原料ゴムＧに配合剤Ｎを均等に分散させて、適度な粘度にした未加硫のゴム材料が製造される。製造された未加硫のゴム材料は、開口した排出扉１１から密閉型混練機２の外部に排出する。排出されたゴム材料は、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。
本発明によれば、位相データに基づいて制御部１２により原料ゴムＧを混練室５に投入するタイミングを、受入空間５ｂの容積Ｖが予め設定された基準値Ｖｃ以上になった時（即ち、容積Ｖが比較的大きい時）に制御できる。これにより、原料ゴムＧがロータ３の間に食い込まれ易い時に原料ゴムＧを混練室５に投入することが可能になる。原料ゴムＧがロータ３の間により迅速に食込まれるので、原料ゴムＧをより短時間で効率的に混練するには有利になる。ひいては、原料ゴムＧと配合剤Ｎとを混練した未加硫のゴム材料の生産性向上に寄与する。
原料ゴムＧをロータ３の間により円滑に食込ませることができるので、回転駆動されるロータ３に作用する負荷を低減させることができるメリットもある。これに伴い、ロータ３の回転駆動に要する電力量を削減するには有利になる。
受入空間５ｂの容積Ｖが大きい方が、投入した原料ゴムＧはロータ３の間に食い込まれ易くなる。そこで基準値Ｖｃは、受入空間５ｂの最大容積Ｖｘから最小容積Ｖｎを差し引いた変動値Ｄの１０％を、受入空間５ｂの最大容積Ｖｘから差し引いた値に設定する（Ｖｃ＝Ｖｘ－Ｄ×１０％）とよい。基準値Ｖｃは、より好ましくは、変動値Ｄの５％を受入空間５ｂの最大容積Ｖｘから差し引いた値に設定し（Ｖｃ＝Ｖｘ－Ｄ×５％）、さらに好ましくは、変動値Ｄの１％を受入空間５ｂの最大容積Ｖｘから差し引いた値に設定する（Ｖｃ＝Ｖｘ－Ｄ×１％）。
さらには、逐次算出した隙間５ｃの面積Ｓが増加状態にある時に原料ゴムＧを混練室５に投入することが好ましい。隙間５ｃの面積Ｓが増加状態にある時は、受入空間５ｂにある原料ゴムＧがラム６によって下方に押圧されてロータ３間を通過し易くなるので、原料ゴムＧがロータ３の間に益々食込まれ易くなり、原料ゴムＧをより短時間で効率的に混練するには一段と有利になる。
ロータ３を回転させたままの状態で原料ゴムＧを混練室に投入することもできるが、原料ゴムＧを混練室５に投入する時にロータ３の回転を停止させることもできる。これにより、受入空間５ｃの容積Ｖが予め設定された基準値Ｖｃ以上になった時に、原料ゴムＧを混練室５に確実に投入するには有利になる。
例えば、原料ゴムＧを混練室５に投入する２～５秒前にロータ３の回転数を２～６ｒｐｍ程度まで低下させ、投入時にはロータ３の回転を完全に停止させて原料ゴムＧを混練室５に投入する。その後、ロータ３を回転させて原料ゴムＧを混練する。
一組のロータ３が噛み合い式の場合は、互いのロータ３間の隙間５ｃおよび互いのロータ３間上方の受入空間５ｂの容積Ｖの変動が比較的大きいので、本発明は特に有益である。ただし、一組のロータが非噛み合い式であっても、一組のロータの回転による位相によって、互いのロータ間の隙間および互いのロータ間上方の受入空間の容積の変動が比較的大きい場合は、本発明を適用することができる。
本発明は、混練室５に原料ゴムＧと配合剤Ｎとを一緒に投入して混練する場合にも適用できる。この場合は、原料ゴムＧおよび配合剤Ｎがより迅速にロータ３の間に食込まれて混練されることで、原料ゴムＧ中に配合剤Ｎをより均等に分散させ易くなり、配合剤Ｎの分散性が向上する。また、本発明は、原料ゴムＧに非加硫系配合剤Ｎが混練された混練物Ｒに、加硫系配合剤Ｎを混練する場合にも適用することができる。
図１～図５に例示した密閉型混練機と同様の装置を用いて、原料ゴムおよび粉状のシリカを含む非加硫系配合剤を一緒に混練室に投入して混練した。原料ゴムおよび配合剤を混練室に投入する際のタイミング（ロータ位相）のみを表１に示すように３通り（ケース１～３）に異ならせて、原料ゴムのロータ間への食い込み性、回転するロータに作用する負荷の大きさ、配合剤（シリカ）の分散性を確認した。原料ゴムおよび非加硫系配合剤を混練室に投入する時はそれぞれのロータの回転を停止させた。ケース１はロータ間上方の受入空間の容積が最大値の時、ケース２はこの受入空間の容積が最小値の時、ケース３はロータ間の上面視での隙間の面積が最大値の時に相当する。
原料ゴムのロータ間への食い込み性は、原料ゴムを下方に押圧するラムが最下位置に移動するまでに要する時間を測定し、この時間が短い程、食い込み性が良好となる。表１では、ケース１を基準の指数１００として指数評価した。指数の数値が小さい程、食い込み性が優れていることを示す。
ロータに作用する負荷の大きさは、表１では、ケース１を基準の指数１００として指数評価した。指数の数値が小さい程、負荷が小さいことを示す。
配合剤の分散性は、混練した後で原料ゴム中での配合剤の分散具合を確認し、表１では、ケース１を基準の指数１００として指数評価した。指数の数値が小さい程、配合剤がより均等に分散していて分散性に優れていることを示す。
表１の結果から、ケース１は原料ゴムのロータ間への食い込み性、分散性に最も優れていることが分かる。また、ケース１は回転するロータに作用する負荷が最も小さくて、エネルギの低減に最も有効であることが分かる。
１ 混練装置
２ 密閉型混練機
３ ロータ
４ａ 回転軸
４ｂ 撹拌羽根
５ 混練室
５ａ 上端開口
５ｂ 受入空間
５ｃ 隙間
６ ラム
６ａ ラム室
７ 油投入部
８ 投入機構
９ ホッパ
１０ 配合剤投入部
１１ 排出扉
１２ 制御部
１２ａ 電力計
１３ 温度センサ
１４ 圧力センサ
Ｇ 原料ゴム
Ｎ 配合剤
Ｒ 混練物
２ 密閉型混練機
３ ロータ
４ａ 回転軸
４ｂ 撹拌羽根
５ 混練室
５ａ 上端開口
５ｂ 受入空間
５ｃ 隙間
６ ラム
６ａ ラム室
７ 油投入部
８ 投入機構
９ ホッパ
１０ 配合剤投入部
１１ 排出扉
１２ 制御部
１２ａ 電力計
１３ 温度センサ
１４ 圧力センサ
Ｇ 原料ゴム
Ｎ 配合剤
Ｒ 混練物
Claims (9)
- 原料ゴムと配合剤とを含む混練物を、混練室の内部に配置された一組のロータと、前記混練室の上方を上下移動して前記混練室の上端開口を塞ぐことが可能なラムとを備えた密閉型混練機を用いて混練するゴム材料の混練方法において、
前記混練室の前記上端開口とそれぞれの前記ロータの外周面とで囲まれた前記一組のロータ間上方の空間を受入空間として、前記一組のロータの回転による位相データを制御部に入力し、前記位相データに基づいて前記制御部により前記受入空間の容積を逐次算出し、この逐次算出した前記受入空間の容積が、予め設定された基準値以上になった時に前記原料ゴムを前記混練室に投入する制御をして、前記上端開口をラムで塞いで前記原料ゴムを混練することを特徴とするゴム材料の混練方法。 - 前記一組のロータが、互いの外周面が噛み合うように配置された噛み合い式ロータである請求項１に記載のゴム材料の混練方法。
- 前記基準値を、前記受入空間の最大容積から最小容積を差し引いた変動値の１０％を、前記受入空間の最大容積から差し引いた値に設定する請求項１または２に記載のゴム材料の混練方法。
- 前記位相データに基づいて前記制御部により前記一組のロータ間の上面視での隙間の面積を逐次算出し、前記逐次算出した隙間の面積が増加状態にある時に前記原料ゴムを前記混練室に投入する請求項３に記載のゴム材料の混練方法。
- 前記原料ゴムを前記混練室に投入する時に前記一組のロータの回転を停止させる請求項１～４のいずれかに記載のゴム材料の混練方法。
- 原料ゴムと配合剤とを含む混練物が投入される混練室と、この混練室の内部に配置された一組のロータと、前記混練室の上方を上下移動して前記混練室の上端開口を塞ぐことが可能なラムとを備えた密閉型混練機を有するゴム材料の混練装置において、
前記混練室の前記上端開口とそれぞれの前記ロータの外周面とで囲まれた前記一組のロータ間上方の空間を受入空間として、前記一組のロータの回転による位相データが入力される制御部と、この制御部により制御される前記原料ゴムの投入機構とを有し、前記位相データに基づいて前記制御部により前記受入空間の容積が逐次算出されて、この逐次算出された前記受入空間の容積が、予め設定された基準値以上になった時に前記投入機構により前記原料ゴムが前記混練室に投入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。 - 前記一組のロータが、互いの外周面が噛み合うように配置された噛み合い式ロータである請求項６に記載のゴム材料の混練装置。
- 前記基準値が、前記受入空間の最大容積から最小容積を差し引いた変動値の１０％を、前記受入空間の最大容積から差し引いた値に設定された請求項６または７に記載のゴム材料の混練装置。
- 前記位相データに基づいて前記制御部により前記一組のロータ間の上面視での隙間の面積が逐次算出されて、前記逐次算出された隙間の面積が増加状態にある時に前記原料ゴムが前記混練室に投入される構成にした請求項８に記載のゴム材料の混練装置。
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