JP7200590B2 - 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、対置されたロータ間隔が可変構造の密閉型混練機を用いて、より効率的にゴム材料を混練することが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、混練室の内部に一対のロータが対置された密閉型混練機（いわゆる、バンバリーミキサー）が知られている。対置されたロータ間隔を可変構造にした密閉型混練機も知られている（例えば、特許文献１参照）。

ゴム材料は混練室でせん断力を付与されて混練される。本願発明者は、ロータ間隔を可変構造にした混練機では、ゴム材料に付与されるせん断力を機動的に変化させ易いことに注目して種々の検討を行った。その結果、ゴム材料をより効率的に混練することができる本願発明を創作するに至った。

特開平６２－２３４５３３号公報

本発明の目的は、対置されたロータ間隔が可変構造の密閉型混練機を用いて、より効率的にゴム材料を混練することが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を含むゴム材料を、混練室の内部に上面視で互いの回転軸が横並びで対置された一対のロータのロータ間隔を可変構造にし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、混練工程での予め設定された調整期間に、前記ゴム材料の前記混練室での位置データに基づいて、前記ロータ間隔を調整する調整操作を行いつつ前記ゴム材料の混練を行うことを特徴とする。

本発明の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を含むゴム材料が投入される混練室と、この混練室の内部に上面視で互いの回転軸が横並びで対置された一対のロータと、この一対のロータのロータ間隔を可変にする可変機構とを有する密閉型混練機と、この密閉型混練機の動作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、前記ゴム材料の前記混練室での位置データを取得する位置センサを有し、混練工程での予め設定された調整期間で、前記位置センサにより取得された前記位置データに基づいて、前記制御部により前記可変機構を制御して前記ロータ間隔が調整される調整操作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、混練工程での予め設定された調整期間に、位置センサにより取得されたゴム材料の混練室での位置データに基づいて、ロータ間隔を調整する調整操作を行うことで、ゴム材料をロータ間に円滑に送り込むことができ、かつ、回転するロータよってゴム材料に対して効果的にせん断力を付与することが可能になる。その結果、ゴム材料をより短時間で効率的に混練することができる。

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の混練機を平面視で例示する説明図である。 図１の一対のロータを上面視で例示する説明図である。 図１の一対のロータの位相データを例示するグラフ図である。 図１のロータ間で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のそれぞれのロータと混練室の内面との間でゴム材料を混練している状態を例示する説明図である。

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３に例示する本発明のゴム材料の混練システムは、１（以下、混練システム１という）は、原料ゴムＧと配合剤Ｎとを含むゴム材料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が均等に分散した所定品質（例えば目標粘度）の未加硫の混練ゴムＲＦ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。

この混練システム１は密閉型混練機２（以下、混練機２という）と、混練機２の動作を制御する制御部１２とを備えている。混練機２は、原料ゴムＧと配合剤Ｎとを含むゴム材料Ｒが投入される混練室５と、混練室５の内部に対置された一対のロータ３と、一対のロータ３のロータ間隔Ｌを可変にする可変機構８とを有している。

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。この実施形態では、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、ゴム材料Ｒの種類等によって適宜設定される。図３の一点鎖線はそれぞれの回転軸４ａの軸心を示している。この軸心どうしの間隔がロータ間隔Ｌとなる。

それぞれの回転軸４ａは可変機構８を介して駆動モータ３ａに接続されている。それぞれの回転軸４ａは駆動モータ３ａによって回転駆動される。それぞれの回転軸４ａが同じ１つの駆動モータ３ａによって回転駆動される構成にすることもできる。回転軸４ａ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。

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。ラム室６ａの内部には、上下移動して混練室５の内部の原料ゴムＧ（ゴム材料Ｒ）に圧力（ラム圧力）を付与するラム６が配置されている。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の側面には、原料ゴムＧが投入されるゴム投入部７ａ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。混練室５の側面には油投入部７ｂ、底面には開閉する排出扉１１が設けられている。

可変機構８によってロータ間隔Ｌが可変構造になっている。一方のロータ３のみを他方のロータ３に対して近接および離反移動させる構造にすることも、両方のロータ３を互いに近接および離反移動させる構造にすることもできる。可変機構８の動作は制御部１２により制御される。

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。

この実施形態の混練システム１はさらに位相センサ１３および位置センサ１４を有している。位相センサ１３および位置センサ１４は、通信可能に制御部１２に接続されている。

位相センサ１３は、一対のロータ３の回転による位相データＦｄを逐次取得する。位相データＦｄとは、図４に例示するそれぞれのロータ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、ロータ３間の上面視での隙間の面積Ｓが変動する。詳述すると、この面積Ｓは混練室５でのそれぞれのロータ３の外周面どうしに挟まれた上面視の面積である。図３ではこの面積Ｓが斜線部で例示されている。

位相センサ１３により取得された位相データＦｄは制御部１２に逐次入力される。この実施形態では位相センサ１３として、一対のロータ３の回転角度を検出する角度計が使用されていて、駆動モータ３ａに取付けられている。

この面積Ｓは、図４に例示するように、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。この実施形態ではこの面積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。このような面積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、この面積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。

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、任意の時点の面積Ｓを把握することができる。そこで、この実施形態では、位相データＦｄが制御部１２に逐次入力され、入力された位相データＦｄに基づいて制御部１２によって面積Ｓが逐次算出される。

位置センサ１４は、ゴム材料Ｒの混練室５での位置データＰｄを取得する。位置データＰｄとは、ゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）が混練室５においてどの範囲にどの程度の割合で存在しているかを示すデータである。即ち、混練室５でのゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）の分布データである。複数の位置センサ１４が混練室５の内部に設置される。

位置センサ１４により取得された位置データＰｄは制御部１２に逐次入力される。この実施形態では位置センサ１４として、ゴム材料Ｒに接触して圧力を検知する圧力センサが使用されている。この位置センサ１４は、混練室５の両側面と、一対のロータ３の間の上端部および下端部となる混練室５の背面とに設置されている。

混練室５に設置された位置センサ１４にゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）が接触することで、その位置センサ１４の設置位置にゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）が存在していることが把握できる。圧力センサを用いた場合は、検知された圧力の大きさおよび検知頻度（検知長さ）に基づいて制御部１２によって、混練室５でのゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）の分布状態が逐次算出される。

この実施形態では、混練工程での予め設定された調整期間で、位相センサ１３により取得された位相データＦｄおよび位置センサ１４により取得された位置データＰｄに基づいて、制御部１２により可変機構８を制御してロータ間隔Ｌが調整される。ロータ間隔Ｌの調整に伴い、面積Ｓが所望の大きさに調整される調整操作が行われて、ゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）に対して効果的にせん断力が付与される。

以下、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２の混練室５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３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５の容量の例えば５０％～７０％である。

混練工程は例えば、以下の投入段階（Ｓ１）、素練り段階（Ｓ２）、取り込み段階（Ｓ３）、分散段階（Ｓ４）で構成される。投入段階（Ｓ１）では、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がゴム投入部７ａを通じて混練室５に投入される。

素練り段階（Ｓ２）では、その後、ラム６をラム室６ａの下端まで下方移動させた状態で、油投入部７ｂを通じてオイルを混練室５に投入しながらロータ３を回転駆動して原料ゴムＧが素練りされる。

取り込み段階（Ｓ３）では、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）がホッパ９から配合剤投入部１０を通じて混練室５に投入される。その後、ラム６をラム室６ａの下端まで下方移動させた状態でロータ３を回転駆動して、素練りされた原料ゴムＧと配合剤Ｎとを混練することで配合剤Ｎが原料ゴムＧに取り込まれる。

分散段階（Ｓ４）では、さらに混練することで、配合剤Ｎが原料ゴムＧの全体に渡り均一になるように分散される。分散段階（Ｓ４）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５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。尚、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あり、この場合も本発明を適用できる。

上述した調整操作が行われる調整期間として、混練工程のすべての段階（Ｓ１～Ｓ４）を設定することもできるが、必要な１つまたは複数の段階を設定することもできる。分散段階（Ｓ４）では混練が進んだ状態なのでゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）に対して、それ程大きなせん断力を付与する必要ない。したがって、分散段階（Ｓ４）を除いた段階（Ｓ１～Ｓ３）を、上述した調整操作を行う調整期間として設定することもできる。

調整期間では、位相データＦｄおよび位置データＰｄに基づいて調整操作を行いつつゴム材料Ｒの混練を行う。この調整操作を詳述すると、ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間に偏在している時は面積Ｓを相対的に小さくするように調整し、ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間以外の位置に偏在している時は面積Ｓを相対的に大きくするように調整する。

ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間に偏在している時とは、図５に例示するように、一対のロータ３の間が概ねゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）によって充満している状態である。この実施形態では、一対のロータ３の間の上端部および下端部に設置された位置センサ１４にゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）が接触している時となる。ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間に偏在している時に、面積Ｓを相対的に小さくして所望の大きさすることで、一対のロータ３の間に存在しているゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）に対して、回転する一対のロータ３によって、より大きなせん断力を付与することができる。

ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間以外の位置に偏在している時とは、図６に例示するように、一対のロータ３の間に概ねゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）が存在していない状態である。この実施形態では、一対のロータ３の間の上端部および下端部に設置された位置センサ１４にゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）が接触していない時であり、混練室５の両側面に設置された位置センサ１４にゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）が接触している時になる。

ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間以外の位置に偏在している時に、面積Ｓを相対的に大きくして所望の大きさにする。したがって、この操作では一般的にはロータ間隔Ｌを相対的に大きくすることになるので、それぞれのロータ３と混練室５の内面との隙間が小さくなり、この隙間に存在しているゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）に対して、回転する一対のロータ３によって、より大きなせん断力を付与することができる。

さらには、この操作では図６に例示するように、ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間に送り込まれる前にロータ間隔Ｌが相対的に大きくなる。そのため、素練り段階（Ｓ２）～分散段階（Ｓ４）では、混練室５の内部を繰り返し移動しながら混練されるゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）を、一対のロータ３の間に円滑に送り込むことができる。また、投入段階（Ｓ１）においては、ゴム投入口７ａから投入された原料ゴムＧを、ロータ間隔Ｌが相対的に大きくなっている一対のロータ３間に円滑に送り込める。即ち、原料ゴムＧをそれぞれのロータ３に迅速に食い込ませることができるので有益である。

このように調整操作を行うことで、ゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）を一対のロータ３間に円滑に送り込むことができ、かつ、回転する一対のロータ３によってゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）に対して効果的にせん断力を付与することが可能になる。その結果、ゴム材料Ｒをより短時間で効率的に混練することができ、所定品質の混練ゴムＲＦの生産性向上に寄与する。

上記実施形態では、位相データＦｄおよび位置データＰｄに基づいて調整操作をおこなったが、位相データＦｄを省略して位置データＰｄのみに基づいて調整操作をすることもできる。即ち、別の実施形態としては、位置データＰｄに基づいて制御部１２により可変機構８を制御してロータ間隔Ｌを所望の大きさに調整する調整操作を行いつつゴム材料Ｒ（原料ゴムＧ）の混練を行うこともできる。

具体的には、ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間に偏在している時はロータ間隔Ｌを相対的に小さくするように調整し、ゴム材料Ｒが一対のロータ３の間以外の位置に偏在している時はロータ間隔Ｌを相対的に大きくするように調整する。この実施形態では、位相データＦｄが考慮されないので、ロータ間隔Ｌを相対的に小さくしても上述した面積Ｓが相対的に小さくならない可能性がある。しかしながら、その可能性は極めて小さいので、先の実施形態と概ね同様に、ゴム材料Ｒをより短時間で効率的に混練することができ、所定品質の混練ゴムＲＦの生産性向上に寄与する。

一対のロータ３が噛み合い式の場合は、一対のロータ３が回転することによる面積Ｓの変動が比較的大きいので本発明は特に有益であるが、一対のロータが非噛み合い式（いわゆる接線式のロータ）であっても本発明は有益である。また、原料ゴムＧに非加硫系配合剤Ｎが混練されたゴム材料Ｒに、加硫系配合剤Ｎを混練する場合にも本発明を適用することができる。

１ 混練システム
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
６ ラム
６ａ ラム室
７ａ ゴム投入部
７ｂ 油投入部
８ 可変機構
９ ホッパ
１０ 配合剤投入部
１１ 排出扉
１２ 制御部
１２ａ 電力計
１３ 位相センサ
１４ 位置センサ
Ｇ 原料ゴム
Ｎ 配合剤
Ｒ ゴム材料
ＲＦ 混練ゴム
Ｓ 一対のロータの上面視での隙間の面積

Claims (7)

1. 原料ゴムと配合剤とを含むゴム材料を、混練室の内部に上面視で互いの回転軸が横並びで対置された一対のロータのロータ間隔を可変構造にし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、
   混練工程での予め設定された調整期間に、前記ゴム材料の前記混練室での位置データに基づいて、前記ロータ間隔を調整する調整操作を行いつつ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. 前記調整操作が、前記ゴム材料が前記一対のロータの間に偏在している時は前記ロータ間隔を相対的に小さくするように調整し、前記ゴム材料が前記一対のロータの間以外の位置に偏在している時は前記ロータ間隔を相対的に大きくするように調整する操作である請求項１に記載のゴム材料の混練方法。
3. 前記調整操作が、前記一対のロータの回転による位相データに基づいて行われ、前記ゴム材料が前記一対のロータの間に偏在している時は前記一対のロータ間の上面視での隙間の面積を相対的に小さくするように調整し、前記ゴム材料が前記一対のロータの間以外の位置に偏在している時は前記面積を相対的に大きくするように調整する操作である請求項１に記載のゴム材料の混練方法。
4. 前記混練工程が、前記原料ゴムを前記混練室に投入する投入段階と、前記原料ゴムを素練りする素練り段階と、素練りされた前記原料ゴムと前記配合剤とを混練して前記配合剤を前記原料ゴムに取り込む取り込み段階と、前記配合剤を前記原料ゴムの中に分散させる分散段階とを有し、前記分散段階を除いて、前記投入段階、前記素練り段階および前記取り込み段階が前記調整期間として設定される請求項１～３のいずれかに記載のゴム材料の混練方法。
5. 前記混練工程が、前記原料ゴムを前記混練室に投入する投入段階と、前記原料ゴムを素練りする素練り段階と、素練りされた前記原料ゴムと前記配合剤とを混練して前記配合剤を前記原料ゴムに取り込む取り込み段階と、前記配合剤を前記原料ゴムの中に分散させる分散段階とを有し、前記投入段階、前記素練り段階、前記取り込み段階および前記分散段階が前記調整期間として設定される請求項１～３のいずれかに記載のゴム材料の混練方法。
6. 原料ゴムと配合剤とを含むゴム材料が投入される混練室と、この混練室の内部に上面視で互いの回転軸が横並びで対置された一対のロータと、この一対のロータのロータ間隔を可変にする可変機構とを有する密閉型混練機と、この密閉型混練機の動作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、
   前記ゴム材料の前記混練室での位置データを取得する位置センサを有し、混練工程での予め設定された調整期間で、前記位置センサにより取得された前記位置データに基づいて、前記制御部により前記可変機構を制御して前記ロータ間隔が調整される調整操作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。
7. 前記一対のロータの回転による位相データを取得する位相センサを有し、前記位相センサにより取得された位相データに基づいて、前記調整操作として、前記一対のロータ間の上面視での隙間の面積が調整される構成にした請求項６に記載のゴム材料の混練システム。

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