JPS585094B2 - 混練捏和装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、いわゆるインターナルミキサにおいて、材料
の種類に拘らず充分な混練が行なわれる混練捏和装置に
関するものである。

インターナルミキサはゴムやプラスチックの混練に適し
たバッチ式混練機であり、とくにゴムの素練り、カーボ
ンマスターバッチ練り、あるいは通常プロ練りと称され
る加硫剤の練り込みに適したミキサとして、タイヤ製造
などのゴム工業にとって欠かせない機械設備である。

従来のインターナルミキサは、第１〜３図に示すように
チャンバ１内に一対の逆方向に回転する並列のロータ２
，３を配置してなり、各々のロータには長翼４および短
翼５を設け、これらの翼はロータの軸周りに螺旋状に延
び、かつその巻き方向は長翼と短翼とで逆方向になって
いる。

そして図示しないホッパから投入された材料はロータの
喰込み作用およびフローチングラエイトの押込み作用に
よって供給口１０から混練室７内に圧入され、こゝでロ
ータによりローリング作用をうけた後ロータの羽根先端
とケーシング内壁との間（チップクリアランス６）です
りつぶされながら通過し、ロータの軸方向に送られる。

この作用は長翼および短翼のそれぞれで行なわれ、両翼
は巻き方向が逆であるために材料は各ロータについて端
部から中央部に移送され、混練された材料はチャンバの
下部から送り出す。

また第４〜７図に示すように、各ロータに長翼と短翼と
を各２枚、合計４枚の翼を備えた、いわゆる４翼ロータ
がある。

この構成でも作用ははゞ同じであるが、２翼ロータに比
較して２倍のチップを有するために添加剤のミクロ分散
が進み、混練能率が高いのが一般的である。

一方、均一な混合物を得るためには、ミクロな分散が行
なわれると共に混練物のどの部分を取っても、添加した
薬品や添加剤の濃度が一定でありまた混練物の濃度が一
定になるように均一に混ぜ合わせる、いわゆるマクロな
分散作用も重要である。

例えばタイヤ製造業のプロ練り工程で加硫剤の均一な混
合が行なわれないと、最終製品の物性にバラツキが生じ
、一定品質のタイヤを製造することが困難になる。

とくに最近のタイヤは高速走行時の安全性を高めるため
にタイヤ中にスチールコードを配したスチールラジアル
タイヤの比率が増加しているが、このスチールラジアル
タイヤ用のゴムとしては従来のタイヤ用ゴムよりもはる
かに硬質で、均一な混合、分散が困難な材料が使用され
る傾向にある。

そのため従来のインターナルミキサでは混練機の強度が
不足したり、薬品の均一分散性が不足するなどの問題を
起こすケースがある。

本発明はこのような点に鑑み、インターナルミキサの混
練においてミキサ中の材料の動きに着目し、材料の種類
に拘らずマクロ的にも充分な混合が行なえる混練捏和装
置を得ることを目的とするものである。

インターナルミキサのロータは前記第１〜７図に示すよ
うに、螺旋状の翼を有し、材料をロータの軸方向に送る
ようにしている。

従って混練室の内部での材料の動きはロータの軸方向の
流れとロータを収容する左右の混練室相互間の流れに分
けられる。

均一な混練物を得るには上記軸方向の流れおよび混練室
相互間の流れを活発にし、混練室内で材料の滞留がおこ
らないようにする必要がある。

このためロータの長翼と短翼は互に材料を軸端から中央
部へ押し返し、軸端で材料が滞留するのを防ぐと共に、
長翼と短翼相互の材料の軸方向切返し作用により混練物
の分散を効果的に行なうよう互に逆方向に捩れ、かつそ
の長さの比は約０．４８〜０．１になるよう設定されて
いる。

また混練物の圧力が長翼、短翼に作用してもロータに推
力が発生しないよう長翼と短翼の捩れ量はほぼ同一とし
ている。

ここで、捩れ量と推力の関係について説明すると、被混
練物はロータの回転に伴ない長翼（短翼）の作用面に直
角方向に力を受け、そのうち軸方向の分力により軸方向
に推進される。

この軸方向の推力は長翼（短翼）の螺旋角の大きさおよ
び翼の長さにより決定され、第９図において、螺旋角を
θｌ（αｓ）、翼長さをＬｌ（Ｌｓ）、捩れ量αｌ（α
ｓ）、単位中車りの回転力をｆ（一定）とすれば、推力
Ｐｌ（Ｐｓ）は、Ｐ ｌ＝ ｆ×Ｌｌ×ｔａｎ θｌ＝
ｆ×α１Ｐｓ＝ｆ×Ｌｓ×ｔａｎ αｓ ＝ ｆ ×α
ｓＰｓ／Ｐｌ＝αｓ／αｌ となり、長翼および短翼の推力比は捩れ量により決定さ
れることになる。

４翼ロータを備えたインターナルミキサ（内容積２３６
７）で硬質ゴムのプロ練りを行なったところ、ある種の
ゴムでは薬品の分散が著しく不均一になり、２翼ロータ
のものと比較すると添加剤の均一分散が著しく劣ること
が判明した。

そこでこの理由を解明するためにモデル試験機を製作し
、ミキサ内部における材料の流れの状態を観察した。

なお、モデル試験機のバレルはアクリル樹脂製とし、内
部における材料の流れを直接観察できる構造とした。

また分散の良し悪しを定量的に評価するため、着色した
プラスチックビーズ（ポリスチレン）を一定量添加し、
混練後一定のサンプルに含まれるビーズ数を繰返しくｎ
回）測定してビーズ数のバラツキ（σｎ−１）で表示し
た。

モデル試験機は内容積１．７１のインターナルミキサと
同一寸法とし、また実用ミキサ中の硬質ゴムと類似した
流れ挙動を示す材料としてＣＭＣ（カルボキシ・メチル
・セルロース）の３０％水溶液が適していることを発見
し、これを使用した。

一般に４翼ロータでは充填率が高くなると著しく分散が
悪くなり、また混練時間を延ばしても分散は改善されな
い。

４翼ロータがこのように分散の悪い理由は、１本のロー
タに２枚の長翼と２枚の短翼が各々材料を中央部へ押す
方向に捩られているために、ロータの長翼と短翼が接す
る中央部では各々の翼端は第６図第７図に示すように９
０゜ずつ位相をずらし、材料の流れをよくするように配
置されているが、長翼によってロータ軸の一端から中央
部へ押し流された材料は長翼の端部をはずれた後にミキ
サの他の端にまで十分移動する余裕もなく、長翼とは反
対の方向に捩られた短翼によって再び長翼の方向に押戻
されてロータの中央部で押合った状態となり、このため
均一な混合をするために必要な材料の軸方向流れが不足
することが明らかになった。

これに対して２翼ロータのばあいには、第１図に示すよ
うに長翼の端部と短翼の端部がロータの中央部で一部型
なるように配置されているが、長翼によってロータ軸の
中央部の方向に流された材料は長翼の端部で解放される
と短翼の裏側の空間に流れ込み、再び長翼の部分に押し
流される。

従って材料の動き自体は４翼ロータと同様であるが、長
翼と短翼は各１個しかなく、このため材料の移動する空
間が多く、軸方向の流れが大きくなって混練物の均一な
混合が進むことが判明した。

４翼ロータのこのような材料の流れ不足にともなう不均
一な混練については、デビット・ゼツトタイソン等が特
公昭４２−２７０３２号公報において提案している。

即ち長翼および短翼の断面形状をロータの中心寄りの端
部においてロータの膨らみを減らし、断面積を減少させ
ることによって材料の流れを改善し、均一分散を図って
いる。

そこで本発明者はこれを実施して硬質ゴムの混練を行な
ってみたが、硬質ゴムに対しては十分な効果は発揮せず
、実用的には不満足な結果しか得られなかった。

そこで本発明者は、硬質ゴムと類似した挙動をするＣＭ
Ｃ水溶液を用い、かつ４翼ロータのもつ混練効率の高い
ことを生かすべく、翼形状について種々研究を重ねた結
果、第８図に示すような翼形状にすればよいことを見出
した。

即ち、一対の並列のロータ２，３にはそれぞれ長翼４と
短翼５とが設けられて、長翼および短翼はそれぞれ材料
を中央部に送るように逆方向の螺旋状に形成されている
点では従来と同じであるが、その捩れ量は長短両翼が被
混練物に与える軸方向の推力比を０．７〜約０となる範
囲のある角度になるよう形成することにより、軸方向に
沿う流動が一方のロータと他方のロータとにおいて互い
に逆方向でかつ促進されたため混合物の均一性を改善し
たものである。

第９図は本ロータの展開図を示し、長翼４による推力Ｐ
ｌと短翼５による推力Ｐｓの比（Ｐｓ ／ Ｐｌ）を０
．７〜約０の範囲となるよう捩れ角を設定したものであ
る。

このばあい長翼と短翼が交互に材料を押返し、軸方向の
切返し作用により軸方向の流れも促進させ、かつ軸端に
おける材料の滞留を防ぐために長短両翼の翼長比（Ｌｓ
／Ｌｌ）は０．４８〜０．１の範囲に設定する必要があ
る。

即ち、硬質ゴムと類似した挙動をするＣＭＣ水溶液を用
い、かつ４翼ロータのもつ混練効率の高いことを生かす
べく、翼形状について種々研究を重ねた。

まずモデル試験機で材料の流れを検討し、すぐれた成果
を示したロータ形状について小型インターナルミキサ（
内容積４．３７）で効果を確認の上実用ミキサ（内容積
２３６ｔ）にスケールアップし、実用性能を確認した。

４翼ロータの分散が悪い理由は、材料の軸方向流れが悪
いことに起因するので、まず軸方向流れを改善するため
に、モデル試験機で翼の捩れ角や断面形状は従来の標準
的なロータと同じ値に固定し、長翼と短翼の長さの比を
変化させて、ＣＭＣ中へのプラスチックビーズの均一分
散に及ぼす影響を調べた。

その結果、第９図短翼と長翼の長さの比（Ｌ ｓ ／
Ｌ ｌ ）並びに推力比を一定値以下にすると混練物中
のプラスチックビーズのバラツキが減少し、均一性が格
段に向上することが判明した。

即ち、短翼と長翼の各々軸方向の長さの比率を変えるこ
とによって混合物の均一性が著しく向上し、従来の標準
的な翼長比０．４９では到底達し得ないような良好な分
散性をもつ４翼ロータが製作できることが明らかになっ
た。

即ち、第１０図はビーズのバラツキと翼長比との関係を
示し、１１は混練時間４０秒、１２は６０秒の場合の特
性を示している。

この図からも明らかなように翼長比が０．４を越えると
バラツキが急激に大きくなり、翼長比が小さくなる程分
散が良好に行なわれることがわかる。

なお、均一分散を達成するためには短翼の長さを０とし
、連続した長翼のみで構成されるロータが望ましいが、
長翼のみからなるロータでは、材料の混練時にロータが
受けるスラスト荷重が過大となり、またミキサの側壁に
材料を強く圧縮する作用が働いて局部的な過熱を起すな
どの欠点がある。

そこで翼長比を０．４８〜０．１、好ましくは０．３〜
０．１５の範囲で設定する。

翼長比が０．４の場合の混練実験の結果は従来の２翼ロ
ータに匹敵する良好な結果を示す。

更に、第１１図は、ビーズのバラツキと推力比との関係
を示し、図中符号１３は翼長比Ｌｓ／Ｌｌ＝０．４８，
１４はＬｓ／Ｌｌ＝ ０．３７．１５はＬｓ／Ｌｌ＝０
．２５、及び１６はＬｓ／Ｌｌ＝０．１２の場合の特性
を示している。

この図から明らかなように、符号１３，１４，１５，１
６のいずれにあっても、推力比が（Ｐｓ／Ｐｌ）０．７
を超えると、バラツキが急に激しくなり、推力比（Ｐｓ
／Ｐｌ）が０に近づくにつれてバラツキが少なくなるこ
とが判るが、この場合にあっても、図から明らかな通り
、いずれの翼長比（Ｌｓ／Ｌｌ）の場合も推力比（Ｐｓ
／Ｐｌ）が０．４５以下になれば極めて良好なバラツキ
となるので、推力比（Ｐｓ／Ｐｌ）は、０．７〜０に近
い値好ましくは０．４５〜０に近い値となる範囲に設定
する。

また長翼によって短翼側へ送られてきた材料を短翼によ
って切返し長翼の裏側へ送り込むためには、長翼端と短
翼間に十分な通路が必要であるが、本願においては短翼
の捩れ量を従来より少なくすることにより十分な通路を
設けることができ、このため混練室内の材料の圧力を低
くすることができ、材料の喰込みを早くしかつロータに
かゝる軸方向推力の軽減もはかれた。

また、上記構成を実際のミキサに適用して硬質ゴムに加
硫用の薬品を添加してプロ練りを行なったばあい、すぐ
れた結果が得られた。

なお、加硫用薬品の混練は、通常プロ練りと称され、混
練中の薬品の加硫反応を防止するために、ゴム温度を一
定温度（例えば１１０℃）を越えない範囲に抑える必要
がある。

従って、混練によって温度上昇をもたらすことなく、充
分な分散がなされることが必要である。

また、単に混練室の中での材料の旋回運動を向上させる
だけの目的であれば、例えば実公昭４９−４３３３０号
公報にあるように短翼と長翼を連続させた連続具を採用
したものがあるが、このものでは連続具のばあいにはゴ
ムの温度上昇が激しくプロ練りには適しないことが判明
した。

また、本願のように翼を長翼と短翼とに分割し互に逆方
向に配置することによって、ロータが混練中に受けるス
ラスト力が連続具のばあいに比較して約半分に軽減でき
る。

以上説明したように、本発明はロータの翼の改良によっ
てマクロ的およびミクロ的な混練が良好に行なわれるよ
うにしたものであり、プロ練りのみならず素練り、カー
ボンマスターバッチ練りなど他のゴム混練にもすぐれた
効果を発揮できるものである。

本願では、材料の流れがよいために上記特公昭４２−２
７０３２号公報に記載のロータのように中心部を痩せさ
せる必要がないので、強度面ですぐれ耐久性に富むとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のインターナルミキサのロータの平面図、
第２図および第３図は第１図の■−■線および■−■線
断面図、第４図は従来の他のロータの平面図、第５図お
よび第６図は第４図の■−■線および■−■線断面図、
第７図は第４図の展開図、第８図は本発明に使用するロ
ータの平面図、第９図はその展開図、第１０図はビーズ
のバラツキと翼長比との関係図、第１１図はビーズのバ
ラツキと推力比との関係図である。 ２．３・・・・・・ロータ、４・・・・・・長翼、５・
・・・・・短翼、６・・・・・・チップクリアランス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ケーシングとエンドフレームにより密閉されたミキ
   シングチャンバ内に一対の逆方向に回転する並列のロー
   タが配置されてなる混練捏和装置であって、各ロータは
   長翼と短翼を有し、これらの翼はロータの中心線層りに
   螺旋状に延びており、かつその螺旋の巻方向は被混練物
   がロータの端部から中央部に向かって流動するように設
   定し、長短両翼の長さの比が０．４８〜０．１の範囲で
   かつ長短両翼が被混練物に与える軸方向推力比を０．７
   〜０に近い値の範囲に設定したことを特徴とする混練捏
   和装置。