JP7200584B2 - ゴム材料の混練方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、ゴム材料の混練方法およびシステムに関し、さらに詳しくは、密閉型混練機によって混練しているゴム材料の温度をより高い精度で把握できるゴム材料の混練方法およびシステムに関するものである。

タイヤやゴムホース等のゴム製品は、未加硫の混練ゴムにより成形された成形体を加硫することにより製造される。混練ゴムは例えば、原料ゴムと各種の配合剤とからなるゴム材料を密閉型混練機によって混練することにより製造される。所望品質の混練ゴムを得るために、密閉型混練機では混練中のゴム材料の温度を検知して所定の温度範囲になるように混練が行われる（例えば、特許文献１参照）。

従来、密閉型混練機で混練中のゴム材料の温度を検知するには、混練室（特許文献１の発明では混練室のドロップドア）に配置された温度センサが用いられている。この温度センサにゴム材料が接触することによってゴム材料の温度が検知される。混練室の容量に対して例えば５０～７０％の体積のゴム材料を投入して混練が行われるので、混練室にはある程度の空隙が存在している。そのため、混練されているゴム材料が温度センサに接触する頻度によって温度センサにより検知された温度データに差異が生じる。また、混練されているゴム材料と温度センサとの間の摩擦熱によっても検知された温度データに差異が生じる。それ故、混練中のゴム材料の真の温度をより高精度で把握するには改善の余地がある。

特開２００５－４７０９４号公報

本発明の目的は、密閉型混練機によって混練しているゴム材料の温度をより高い精度で把握できるゴム材料の混練方法およびシステム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、原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料を密閉型混練機の混練室で、前記混練室に内設されたロータを回転させて混練することにより、所望品質の混練ゴムを製造するゴム材料の混練方法において、前記混練室で混練されている前記ゴム材料の温度を前記混練室に配置された温度センサにより検知するとともに、前記温度センサに作用する負荷の大きさおよび発生頻度を負荷センサにより検知して、前記温度センサにより検知された温度データを前記負荷センサにより検知された負荷データに基づいて補正することにより前記ゴム材料の真の温度を推定し、この推定した温度を用いて前記混練ゴムが所定品質になるように混練条件を制御して前記ゴム材料の混練を行うことを特徴とする。

本発明のゴム材料の混練システムは、原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料が投入される混練室と、この混練室に配置されたロータと、このロータを回転駆動させる駆動モータとを有する密閉型混練機と、前記密閉型混練機の動きを制御する制御部とを備えたゴム材料の混練システムにおいて、前記混練室に配置されて前記混練室で混練されている前記ゴム材料の温度を検知する温度センサと、この温度センサに作用する負荷の大きさおよび発生頻度を検知する負荷センサと、前記温度センサにより検知された温度データおよび前記負荷センサにより検知された負荷データが入力される演算部とを有し、前記演算部によって前記温度データが前記負荷データに基づいて補正されることにより、前記ゴム材料の真の温度が推定されて、この推定された真の温度を用いて前記制御部により前記密閉型混練機が制御されて前記ゴム材料の混練が行われる構成にしたことを特徴とする。

本発明によれば、混練室に配置された温度センサに作用する負荷の大きさおよび発生頻度に基づいて温度センサにより検知された温度データを補正して、混練されているゴム材料の真の温度を推定するので、より高い精度でゴム材料の真の温度を把握することができる。これに伴い、混練中のゴム材料の品質のばらつきが抑制されて、所望品質の混練ゴムを安定的に得るには有利になる。

本発明の混練システムを密閉型混練機を縦断面視にして例示する説明図である。 図１の混練室の底部を平面視で例示する説明図である。 図１の温度センサおよび負荷センサを例示する斜視図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 図１の混練システムを用いてゴム材料を混練している状態を例示する説明図である。 混練されているゴム材料の温度と温度センサに作用する負荷との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明のゴム材料の混練方法およびシステムを、図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１～図４に例示する本発明のゴム材料の混練システムの実施形態は、密閉型混練機１（以下、混練機１という）と、混練機１の動きを制御する制御部１２と、所定のデータが入力されて演算処理を行う演算部１３とを備えている。制御部１２と演算部１３とは有線または無線により通信可能に接続されている。

混練機１は未加硫のゴム材料Ｒを混練する。ゴム材料Ｒは原料ゴムＧと複数種類の非加硫系の配合剤Ｎとからなり、混練されることで原料ゴムＧに配合剤Ｎを均等に分散させるようにして所望品質（例えば目標粘度）の混練ゴムＲＦが製造される。

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。非加硫系の配合剤Ｎとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ、シランカップリング剤、酸化亜鉛、ステアリン酸等の中から適宜、必要なものが使用される。

混練機１は、混練室５ａと、混練室５ａの上端開口に接続されて上方に延在するラム室５ｂと、混練室５ａに配置された一対のロータ２（２Ａ、２Ｂ）と、ラム室５ｂに配置されたラム６を有している。混練室５ａには油投入部７が接続され、ラム室５ｂにはゴム投入部８および配合剤投入部１０が接続されている。配合剤投入部１０の上端にはホッパ９が接続されている。混練室５ａの底面には開閉する排出扉１１が設けられている。

それぞれのロータ２Ａ、２Ｂは、ロータ軸２ｃとロータ軸２ｃに突設された撹拌羽根２ｄとを有している。それぞれのロータ２Ａ、２Ｂ（ロータ軸２ｃ）は対向配置されて、それぞれのロータ軸２ｃは変速機４を介して駆動モータ３（３Ａ、３Ｂ）に接続されている。それぞれのロータ軸２ｃは、駆動モータ３Ａ、３Ｂによって回転駆動される。それぞれのロータ軸２ｃが同じ１つの駆動モータ３によって回転駆動される構成にすることもできる。ロータ２Ａ、２Ｂ（ロータ軸２ｃ）の回転駆動および停止、回転速度等は制御部１２により制御される。

制御部１２には電力計１２ａおよび回転計１２ｂが付設されている。ロータ２を回転駆動させるために要した瞬時電力量が電力計１２ａにより逐次検知される。電力計１２ａにより検知された瞬時電力量データＰ１は制御部１２に入力される。制御部１２では瞬時電力量を積算した積算電力量が算出されて、任意の混練期間おけるロータ２を回転駆動させるために要した積算電力量データＰ２を把握することができる。ロータ２の回転数は回転計１２ｂにより逐次検知されて制御部１２に入力される。

混練室５ａには温度センサ１４が配置されている。この実施形態では、排出扉１１の上面に形成された凹溝に温度センサ１４が配置されている。温度センサ１４と演算部１３とは有線または無線により通信可能に接続されている。温度センサ１４は、混練室５ａで混練されているゴム材料Ｒの温度を逐次検知し、検知された温度データＴｄは演算部１３に逐次入力される。

温度センサ１４は、ゴム材料Ｒと接触する様々なタイプを用いることができる。この実施形態の温度センサ１４は図３に例示するように、熱電対１４ａと、熱電対１４ａを収容する金属製のケーシング１４ｂとを有している。排出扉１１の上面に形成された凹、溝の中で筒状のケーシング１４ｂが混練室５ａに突出していて、ケーシング１４ｂの上面と排出扉１１の上面とが同じレベルになっている。

温度センサ１４には負荷センサ１５が設置されている。この実施形態では、ケーシング１４ｂの内面に負荷センサ１５が設置されている。負荷センサ１５と演算部１３とは有線または無線により通信可能に接続されている。負荷センサ１５は温度センサ１４に作用する負荷Ｐの大きさおよび負荷Ｐの発生頻度を逐次検知し、検知された負荷データＰｄは演算部１３に逐次入力される。負荷センサ１５をケーシング１４ｂに収容することで、混練されているゴム材料Ｒが直接、負荷センサ１５に衝突することを回避できる。

負荷センサ１５は様々なタイプを用いることができるが、この実施形態では負荷センサ１５として歪みゲージが用いられている。ケーシング１４ｂの変形に基づいて、負荷センサ１５によってケーシング１４ｂに作用する負荷Ｐの大きさおよび負荷Ｐの発生頻度が検知される。負荷センサ１５として歪みゲージを用いると取扱いが容易であり、入手し易くコストを抑えることもできる。

演算部１３は、入力された温度データＴｄを負荷データＰｄに基づいて補正して、混練されているゴム材料Ｒの真の温度Ｔｒを逐次推定する。演算部１３には、負荷データＰｄに基づいて温度データＴｄを補正するための相関データが予め入力されていて、この相関データを用いて真の温度Ｔｒが推定される。この相関関係データの詳細は後述する。

尚、この実施形態では制御部１２と演算部１３が別々に設けられているが、制御部１２を演算部１３として用いることもできる。即ち、１台のコンピュータを制御部１２および演算部１３として機能させる構成にすることもできる。

次に、本発明のゴム材料の混練方法によりゴム材料Ｒを混練する手順の一例を説明する。

混練工程では、図１の混練機１の混練室５ａに所定量の１バッチ分のゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ、非加硫系の配合剤Ｎ、オイル等）が投入され、所望品質（例えば目標粘度）にするように所定の混練条件で（例えば、ロータ２の回転速度、ラム圧、混練時間などが制御されて）混練することで混練ゴムＲＦが製造される。投入されるゴム材料Ｒの体積は、混練室５ａの容量の例えば５０％～７０％である。

ゴム素練り段階（Ｓ１）においては、図１に例示するようにラム６をラム室５ｂ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、ゴム投入部８を通じて混練室５ａに投入する。その後、ラム６をラム室５ｂの下端まで下方移動させる。この状態で、油投入部７を通じてオイルを混練室５ａに投入しながらロータ２を回転駆動して原料ゴムＧとオイルとを混練する。

配合剤取り込み段階（Ｓ２）では、ラム６をラム室５ｂ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５ａに投入する。その後、ラム６をラム室５ｂ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２を回転駆動してゴム材料Ｒを混練する。

配合剤取り込み段階（Ｓ２）では、ゴム素練りした原料ゴムＧの上に載った配合剤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。配合剤取り込み段階（Ｓ２）では、ラム６を数回、ラム室５ｂの上端部に上昇させた状態にしてロータ２を回転させることによりゴム材料Ｒの上下を反転させるラム反転を行う。

均一分散段階（Ｓ３）では、配合剤Ｎを原料ゴムＧの全体に渡り均一に分散させる。均一分散段階（Ｓ３）が終了し、１バッチ分のゴム材料Ｒの混練工程が終了すると、排出扉１１を開いて混練室５ａの底面から混練ゴムＲＦが排出される。その後、順次、新たな１バッチ分のゴム材料Ｒに対して同様の混練工程が行われて、複数バッチ分のゴム材料Ｒが連続的に混練される。

接触式の温度センサ１４では、ゴム材料Ｒが温度センサ１４（ケーシング１４ｂ）に接触することでゴム材料Ｒの温度が検知される。混練されているゴム材料Ｒが温度センサ１４（ケーシング１４ｂ）に接触していない時は、温度センサ１４は混練室５ａに存在している空隙（空気）の温度を検知することになる。この空隙の温度は通常、ゴム材料Ｒの温度よりも低いので、混練されているゴム材料Ｒが温度センサ１４に接触する頻度が低ければ、温度センサ１４により検知された温度データＴｄは、ゴム材料Ｒの真の温度Ｔｒよりも低くなる。

また、ゴム材料Ｒが硬い程、混練されているゴム材料Ｒによって温度センサ１４（ケーシング１４ｂ）に作用する負荷Ｐは大きくなる。この負荷Ｐが大きくなる程、温度センサ１４とゴム材料Ｒとの間に発生する摩擦熱が大きくなる。これに起因して、温度センサ１４により検知された温度データＴｄは、ゴム材料Ｒの真の温度Ｔｒよりも高くなる。

図６に例示するのは、混練されているゴム材料Ｒの真の温度Ｔｒと温度センサ１４により検知された温度データＴｄ、負荷センサ１５により検知された温度センサ１４に作用する負荷データＰｄの経時変化である。負荷データＰｄはヒストグラムで表示されていて、それぞれの柱の高さが負荷Ｐの大きさ、隣り合う柱の間隔が負荷Ｐの検知間隔（負荷Ｐの発生頻度）を示している。

図６（Ａ）は、ロータ２を比較的低速で回転させて、比較的硬度が低いゴム材料Ｒを混練した場合の真の温度Ｔｒ、温度データＴｒ、負荷データＰｄを示している。この場合は、温度センサ１４に作用する負荷Ｐの大きさが比較的小さく、かつ、負荷Ｐの発生頻度が低い。そのため、真の温度Ｔｒが温度データＴｒよりも高く、両者には差異ｍが生じる。この差異ｍは、真の温度Ｔｒを推定する時のプラスの補正値になる。

図６（Ｂ）は、ロータ２を比較的高速で回転させて、比較的硬度が高いゴム材料Ｒを混練した場合の真の温度Ｔｒ、温度データＴｒ、負荷データＰｄを示している。この場合は、温度センサ１４に作用する負荷Ｐの大きさが比較的大きく、かつ、負荷Ｐの発生頻度が高い。そのため、温度データＴｒが真の温度Ｔｒよりも高く、両者には差異ｍが生じる。この差異ｍは、真の温度Ｔｒを推定する時のマイナスの補正値になる。負荷Ｐの大きさと発生頻度を乗じた算出値が大きくになるに連れて大きなマイナスの補正値ｍになり、この算出値が小さくになるに連れて大きなプラスの補正値ｍになる。

そこで本発明では、ゴム材料Ｒの仕様毎に、混練されているゴム材料Ｒによって温度センサ１４に作用する負荷データＰｄ（負荷Ｐの大きさおよび発生頻度）が、温度センサ１４により検知される温度データＴｄに及ぼす影響度を把握しておく。即ち、負荷データＰｄと差異ｍ（補正値ｍ）との相関関係データを、事前混練などを行うことで把握しておく。把握したこの相関関係データは予め、演算部１３に入力、記憶される。

Ｓ１～Ｓ３の一連の混練工程では、温度センサ１４により温度データＴｄが逐次検知されるとともに負荷センサ１５により負荷データＰｄが逐次検知されて、温度データＴｄおよび負荷データＰｄは演算部１３に逐次入力される。演算部１３は、逐次入力された温度データＴｄ、負荷データＰｄおよび予め入力されている上述した相関関係データを用いて、ゴム材料Ｒの真の温度Ｔｒを逐次推定する。均一分散段階（Ｓ３）のみでゴム材料Ｒの真の温度Ｔｒを推定するようにしてもよい。

詳述すると、ある時点ｔの真の温度Ｔｒを推定するには、ある時点ｔの直前の所定時間範囲（例えば、３０秒～６０秒）に検知された負荷データＰｄと、上述した相関関係データとを用いて補正値ｍが算出される。そして、ある時点ｔで温度センサ１４により検知された温度データＴｄに、算出された補正値ｍを加算することで真の温度Ｔｒの推定値が算出される（Ｔｒ＝Ｔｄ＋ｍ）。このように、混練室５ａに配置された温度センサ１４に作用する負荷Ｐの大きさおよび発生頻度に基づいて、温度センサ１４により検知された温度データＴｄが補正されて、混練されているゴム材料Ｒの真の温度Ｔｒが推定されるので、高精度でゴム材料Ｒの真の温度Ｔｒを把握できる。

制御部１２は、推定された真の温度Ｔｒを用いて、混練ゴムＲＦが所望品質になるように混練条件（ロータ２の回転速度、ラム圧、混練時間などを）を制御して混練を行う。
これに伴い、混練中のゴム材料Ｒの品質のばらつきが抑制されて、所望品質の混練ゴムＲＦを安定的に得るには有利になる。

温度センサ１４は、排出扉１１の上面に限らず、混練室５ａの側面に設置することもできる。温度センサ１４は、ゴム材料Ｒとの接触頻度が高い場所にする設置することが好ましいので、排出扉１１の上面は好適な設置場所である。

温度センサ１４の設置数は１つの限らず複数にすることもできる。したがって、排出扉１１の上面と混練室５ａの側面とに温度センサ１４を配置することも、排出扉１１の上面の複数位置や混練室５ａの側面の複数位置に温度センサ１４を配置することもできる。複数の温度センサ１４を用いる場合は、互いをできるだけ離れた位置に配置することが望ましい。

複数の温度センサ１４を設置することにより、同じ条件下で検知される温度データＴｄが増加するので、真の温度Ｔｒをより高精度で推定し易くなる。ただし、温度センサ１４の設置数を３つ以上にしても、真の温度Ｔｒの推定精度が温度センサ１４の設置数に相応して向上する訳ではないので設置数は１～２つにするとよい。

シリカおよびシランカップリング剤が配合されたゴム材料Ｒを混練する場合は、ゴム材料Ｒの温度を特に均一分散段階（Ｓ３）において所定温度により厳密に維持することで、所定品質の混練ゴムＲＦを安定的に製造することができる。そのため、本発明を適用することは非常に有益である。

本発明を適用できるのは、原料ゴムＧを非加硫系の配合剤Ｎとともに混練する場合だけに限らない。例えば、原料ゴムＧと非加硫系の配合剤Ｎ（硫黄や加硫促進剤など）とを混練して製造された混練ゴムＲＦと加硫系の配合剤Ｎとを混練して最終混練ゴムＲＦを製造する場合にも適用できる。

硬度が異なる７種類のゴム材料を図１に例示した混練システムと同様の混練システムを用いて、表１に示すロータの回転数で混練した。混練完了直前のゴム材料の真の温度Ｔｒと、温度センサにより検知されたゴム材料の温度データＴｄと、上述した本発明と同様の手法を用いて推定した真の温度Ｔｒ（Ｔｘ）を表１に示す。

表１の結果から、推定した温度Ｔｒ（Ｔｘ）は、温度センサにより検知された温度データＴｄよりも、真の温度Ｔｒに近似していることが分かる。

１ 密閉型混練機
２（２Ａ、２Ｂ） ロータ
２ｃ ロータ軸
２ｄ 撹拌羽根
３（３Ａ、３Ｂ） 駆動モータ
４ 変速機
５ａ 混練室
５ｂ ラム室
６ ラム
７ 油投入部
８ ゴム投入部
９ ホッパ
１０ 配合剤投入部
１１ 排出扉
１２ 制御部
１２ａ 電力計
１２ｂ 回転計
１３ 演算部
１４ 温度センサ
１４ａ 熱電対
１４ｂ ケーシング
１５ 負荷センサ（歪みゲージ）
Ｇ 原料ゴム
Ｎ 配合剤
Ｒ ゴム材料
ＲＦ 混練ゴム

Claims (4)

1. 原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料を密閉型混練機の混練室で、前記混練室に内設されたロータを回転させて混練することにより、所望品質の混練ゴムを製造するゴム材料の混練方法において、
   前記混練室で混練されている前記ゴム材料の温度を前記混練室に配置された温度センサにより検知するとともに、前記温度センサに作用する負荷の大きさおよび発生頻度を負荷センサにより検知して、前記温度センサにより検知された温度データを前記負荷センサにより検知された負荷データに基づいて補正することにより前記ゴム材料の真の温度を推定し、この推定した温度を用いて前記混練ゴムが所定品質になるように混練条件を制御して前記ゴム材料の混練を行うことを特徴とするゴム材料の混練方法。
2. 前記負荷センサとして前記温度センサに設置された歪みゲージを用いる請求項１に記載のゴム材料の混練方法。
3. 前記温度センサを複数配置する請求項１または２に記載のゴム材料の混練方法。
4. 原料ゴムと配合剤とからなるゴム材料が投入される混練室と、この混練室に配置されたロータと、このロータを回転駆動させる駆動モータとを有する密閉型混練機と、前記密閉型混練機の動きを制御する制御部とを備えたゴム材料の混練システムにおいて、
   前記混練室に配置されて前記混練室で混練されている前記ゴム材料の温度を検知する温度センサと、この温度センサに作用する負荷の大きさおよび発生頻度を検知する負荷センサと、前記温度センサにより検知された温度データおよび前記負荷センサにより検知された負荷データが入力される演算部とを有し、前記演算部によって前記温度データが前記負荷データに基づいて補正されることにより、前記ゴム材料の真の温度が推定されて、この推定された真の温度を用いて前記制御部により前記密閉型混練機が制御されて前記ゴム材料の混練が行われる構成にしたことを特徴とするゴム材料の混練システム。

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