JPWO2005118242A1 - 連続混練装置及びこれを用いた混練システム - Google Patents

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Abstract

被混練物の発熱、劣化を抑えると共に装置寿命を向上させた連続混練装置を提供する。そのために、回転シャフト（５）の外表面に翼部（７）を備えたスクリューセット（４）と、スクリューセット（４）が２本、配設される筒状のチャンバ（３）を有するバレル（２）とを有する２軸混練装置（１）であって、翼部（７）の先端とチャンバ（３）の内壁面との間に形成される隙間ｈと、チャンバ（３）の内径Ｄの比であるｈ／Ｄを０．０１以上とする。

Description

本発明は、連続混練装置及びこれを用いた混練システムに関する。
ゴム等の被混練物を混練する装置としては、主としてバッチ式の混練機が知られている。例えばゴムを混練する場合には、原料ゴムと配合剤等をバッチ式混練機に投入して混練するが、混練作用による発熱が過剰となるとゴム品質の劣化を招く。
そこで、現状の混練作業では、混練中の被混練物の温度を監視して、その温度が被混練物を劣化させる前の所定の温度（例えば、ゴムにおいては約１５０℃）まで上昇した時点で混練機から被混練物を排出し、その被混練物を冷却した後、再び混練機に投入するという作業を適当な回数、繰り返すようにしている。
この繰り返し行われる混練工程を再練（リミル）工程と呼ぶが、本工程は多大の時間を要するので、タイヤ等の製品の生産性を低下させる要因になる。このため、被混練物の発熱量が小さく、一方良好な混練性能、分散性能を有する混練装置が要望されている。
これに対して、下記特許文献１に記載された技術は、樹脂や高粘性のゴム等の被混練物を連続して混練することができる２軸混練押出機に関するものである。
２軸混練押出機は、２本の回転シャフトの外周に、ボールねじのスクリューや、ロータ断面をディスク形状としたエレメントを複数個段違いに配列、固定し、これらを筒状のチャンバ内で噛み合うように回転させることにより、連続的に供給されたゴムや樹脂等の被混練物を搬送及び混練する装置である。
この２軸混練押出機を用いて、ゴム等の混練を行う場合には、まず、ゴムあるいは各種配合剤などを添加したゴムからなる被混練物を２軸混練押出機のフィード部へ供給する。フィード部では、被混練物は軸方向の下流側にある混練部へ加熱、押出しされる。
次に、混練部において、混練用ディスク等により剪断力を付与されて混練される。混練用ディスクは、外表面に突出する翼部を備え、この翼部の先端とチャンバ内壁との間に形成される隙間、いわゆるチップクリアランスで被混練物に強い剪断力を付与する。
従来の一般的な連続混練機では、チップクリアランスが極めて小さい設定であるため、当該装置を用いて混練作業を行う場合には、被混練物の発熱が大きく、品質の劣化を招くという問題がある。これに対して、特許文献１に記載された２軸混練押出機では、広いチップクリアランスや狭いチップクリアランスを形成することにより、チャンバ内部における被混練物の流動特性を工夫するなどして発熱を抑制することを一つの効果としている。
特開２００３−２４５５３４号公報
しかしながら、上述する連続混練装置では、チップクリアランスについて十分な適正化がされておらず、被混練物の発熱抑制が不十分であったり、チップクリアランスを広くするあまり、混練性能が低下したりするなどのおそれがあった。
また、一般的に、被混練物がチャンバ内において偏在する場合、混練ディスク等がチャンバ内で均等に保持されにくいため、チャンバの内壁面と混練ディスク等の翼部とが接触して摩耗等が生じ、装置寿命の低下等の問題を招くおそれがある。
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、混練性能の低下を抑制しつつ、混練時の被混練物の発熱、劣化を抑えると共に、更に、装置寿命を向上させた連続混練装置及びこれを用いた混練システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明に係る連続混練装置は、回転シャフトの外表面に翼部を備えたスクリューセットと、当該スクリューセットが配設される筒状のチャンバを有するバレルと、を有する連続混練装置であって、前記翼部の先端と前記チャンバの内壁面との間に形成される隙間ｈと、前記チャンバの内径Ｄの比であるｈ／Ｄが、０．０１以上であることを特徴とする。
また、前記連続混練装置は、２軸混練押出機であることを特徴とする。
また、前記連続混練装置は、回転シャフトの外表面に備えられた翼部が２軸間で互いに噛み合う構造になっていることを特徴とする。
また、前記連続混練装置は、回転シャフトの全長に亙って又は一部において、翼部が２軸間で互いに噛み合う構造になっていることを特徴とする。
また、前記連続混練装置は、１軸混練押出機であることを特徴とする。
また、前記連続混練装置は、ゴム又はゴム系組成物を混練することを特徴とする。
上記課題を解決する本発明に係る混練システムは、マスター混練用の混練機と、当該混練機の下流に設けられた連続混練装置とを有し、当該連続混練装置は前述した構成の連続混練装置であることを特徴とする。
また、マスター混練用の混練機と、当該混練機の下流に設けられリミル用とした第１の連続混練装置と、当該第１の連続混練装置の下流に設けられファイナル混練用とした第２の連続混練装置とを有し、前記第１又は第２の連続混練装置は前述した構成の連続混練装置であることを特徴とする。
また、マスター混練用の混練機と、当該混練機の下流に設けられたアンダーミキサ及び冷却装置と、当該冷却装置の下流に設けられた連続混練装置とを有し、当該連続混練装置は前述した構成の連続混練装置であることを特徴とする。
本発明に係る連続混練装置によれば、回転シャフトの外表面に翼部を備えたスクリューセットと、当該スクリューセットが配設される筒状のチャンバを有するバレルと、を有する連続混練装置であって、前記翼部の先端と前記チャンバの内壁面との間に形成される隙間ｈと、前記チャンバの内径Ｄの比であるｈ／Ｄが、０．０１以上であることとしたので、従来の混練性能を大きく低下させることなく、被混練物の発熱、劣化を抑制することができる。また、チップクリアランスｈを比較的大きくすることになるので、被混練物がチャンバ内において偏在し、混練ディスク等がチャンバ内で均等に保持されにくい場合であっても、チャンバの内壁面と混練ディスク等の翼部とが接触、摩耗することを防止して、装置寿命を長くすることができる。
したがって、２軸もしくは１軸混練押出機として最適である。特にゴム又はゴム系組成物等の高粘性の被混練物に対しては、更に発熱及び品質劣化を抑制することができる。また、被混練物の発熱を少なくすることができるため、冷却機能を簡便なものとすることができる。
更に、本発明に係る混練システムによれば、従来の一般的なゴム混練方法であるバッチ式混練と比較して、格段にコスト及び生産時間等を有利なものとすることができ、生産性を向上させることができる。
第１の実施形態に係る連続混練装置の要部を示す概略断面構造図である。 第１の実施形態に係る連続混練装置である２軸混練押出機の概略内部平面図である。 第１の実施形態に係る連続混練装置における混練部のｈ／Ｄと剪断力比、発熱速度比との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る連続混練装置の要部を示す概略断面構造図である。 第３の実施形態に係る連続混練装置である１軸混練押出機の概略内部平面図である。 第４の実施形態であり、バッチ式混練機をマスター混練に適用し、一台の２軸混練押出機をリミル及びファイナル混練に適用した混練システムを示す概略構成図である。 第５の実施形態であり、バッチ式混練機をマスター混練に適用し、二台の２軸混練押出機をそれぞれリミル及びファイナル混練に適用した混練システムを示す概略構成図である。 第６の実施形態であり、バッチ式混練機をマスター混練に適用し、一台の２軸混練押出機をリミル及びファイナル混練に適用すると共に、バッチ式混練機の下流にアンダーミキサ及び冷却機を備えてリミルを行う混練システムを示す概略構成図である。 第７の実施形態であり、バッチ式混練機をマスター混練に適用し、二台の２軸混練押出機をそれぞれリミル及びファイナル混練に適用すると共に、リミル用の２軸混練押出機によりリミルを行う混練システムを示す概略構成図である。
符号の説明 １ ２軸混練押出機、２ バレル、３ チャンバ、４ スクリューセット、５ 回転シャフト、６ 混練ディスク、７ 翼部、９ 冷却水路、ｈ チップクリアランス、Ｄ チャンバ内径、１１ 押出部、１２ 混練部、１３ 押出部、１４ スクリューフィン、１５ スクリューフィン、２０ １軸混練押出機、２１ バレル、３０ 混練機、３１ アンダーミキサ、３２ ２軸混練押出機、３２ａ ２軸混練押出機、３２ｂ ２軸混練押出機、３３ 成形機、３４ 冷却装置。
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて例示的に説明する。図１は、第１の実施形態に係る連続混練装置の要部を示す概略断面構造図である。また、図２は、第１の実施形態に係る連続混練装置である２軸混練押出機の概略内部平面図である。
図２に示すように、本実施形態に係る２軸混練押出機１は、バレル２の内部に平行する一対のスクリューセット４を有する。一般に、スクリューセットとは、回転シャフトの外周に、混練用ディスクやニーディングディスク、スクリュー等のセグメントが１個又は複数個、組み合わされて構成されたものである。
本実施形態における各スクリューセット４は、被混練物の供給側より、回転シャフト５の外表面にスクリューフィン１４を備えた押出部１１（一端部）と、回転シャフト５の外表面に混練翼部を備えた混練部１２（中間部）と、回転シャフト５の外表面にスクリューフィン１５を備えた押出部１３（他端部）とから構成されている。
図２に示す２軸混練押出機１において、押出部１１の相対向するスクリューフィン１４は、図示していないホッパから投入された被混練物を下流方向に搬送して、混練部１２に供給する。混練部１２では、回転シャフト５の外表面に備えられた複数の混練翼部の噛み合いによって、また、この混練翼部の先端とバレル２の内壁面との間に発生する剪断力によって被混練物を混練する。そして、混練部１２の下流側に位置する押出部１２において相対向するスクリューフィン１５によって混練済みの材料が次工程に搬出される。
次に、図２に示す２軸混練押出機１の中間部に位置する混練部１２について、その断面図である図１に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、バレル２内に形成された筒状のチャンバ３（２軸であるため２つの筒が融合した形状となっている。）内に一対のスクリューセット４が配設されている。２つのスクリューセット４は平行に配列され、図示していない駆動手段によって互いに逆方向に等速または異速回転される。また、２つのスクリューセット４は、同方向の回転であってもよい。
スクリューセット４は、回転シャフト５と、焼きばめ等の手段により回転シャフト５の外周に嵌合固定された混練ディスク６とから構成される。混練ディスク６は、回転シャフト５に嵌合する中心の孔部分と当該孔部分の外表面に備えられた複数の翼部７とからなる。
この混練ディスク６の外表面は、耐摩耗性および耐食性を向上させるために、Ｃｒメッキ等の処理が施される。なお、ステライトを肉盛した後にＣｒメッキ等の処理を施しても良い。また、混練ディスク６は回転シャフト５の外表面に一体形成された構成であってもよい。
次に、混練部１２におけるスクリューセット４の作用について説明する。チャンバ３に到達した被混練物、例えば原料ゴムおよび配合剤（カーボンブラック、シリカ、オイル、薬品等）は、各スクリューセット４の混練ディスク６の相互の噛合い作用および当該混練ディスク６とチャンバ３の内壁面との間に発生する剪断作用によって混練される。
混練中においては、バレル２に設けられた冷却通路９に水等の加圧冷却媒体が流通されるとともに、スクリューセット４内にも同様の冷却媒体が送り込まれ、混練時の発熱を制御している。
ここで、本実施形態では、混練ディスク６が最もチャンバ３の内壁面に近接する部分、すなわち混練ディスク６に備えられた翼部７の先端と、チャンバ３の内壁面との間に形成される隙間であるチップクリアランスｈを比較的大きく設定してある。
図３は、本実施形態に係る連続混練装置における混練部のｈ／Ｄと剪断力比、発熱速度比との関係を示すグラフである。同図には、混練ディスク６の回転速度を高速、中速及び低速の３段階に設定した関係を示してある。なお、ｈは、チップクリアランスの大きさであり、Ｄは、チャンバ３の内径を示す。
同図に示す関係を導く実験としては、まず、従来の混練装置（混練部のｈ／Ｄ＝０．００２）を低速回転（５０ｒｐｍ）させて被混練物を混練した場合の剪断力τ0および発熱速度Ｑ0を測定した。次に、同条件（低速回転、被混練物、内径Ｄ）においてチップクリアランスｈを大きくし、ｈ／Ｄを大きくしたときの剪断力τLおよび発熱速度ＱLの変化を調べた。また、中速回転及び高速回転（２００ｒｐｍ）のときの剪断力τM，τHおよび発熱速度ＱM，ＱHの変化も調べた。
これらの実験に基づいて、基準としての剪断力τ0および発熱速度Ｑ0に対する剪断力τおよび発熱速度Ｑの比（τ／τ0，Ｑ／Ｑ0）を計算し、混練装置における混練部のｈ／Ｄと剪断力比、発熱速度比との関係をグラフに示した。
同図に示すように、いずれの回転速度においても、ｈ／Ｄの増加、すなわちチップクリアランスｈの増加に伴い、剪断力τおよび発熱速度Ｑが低下することが分かる。また、剪断力τと発熱速度Ｑの低下率の比較では、ｈ／Ｄの増加に伴い、剪断力は緩やかに低下して約５０％（従来の半分の剪断力）で一定となるが、発熱速度は急激に低下して約１０％以下にまで低下することが分かる。
また、一定の剪断力τを維持する場合には、回転速度を大きくするほど、ｈ／Ｄを大きくしなければならないことが分かる。これは、同じチップクリアランスでも、回転速度の増加に伴い剪断力が大きくなり、発熱速度が増加するため、回転速度を大きくする場合には、ｈ／Ｄを大きくして剪断力を下げて、発熱速度を低下させる必要があるためである。
以上より、ｈ／Ｄを大きくすることにより、被混練物の発熱を抑制することができるが、一方、ｈ／Ｄを大きくすることにより、混練性能を示す剪断力τも低下してしまうことになる。
したがって、被混練物の発熱を抑制するためには、ｈ／Ｄを０．０１以上、好ましくは０．０２以上、より好ましくは０．０４以上とすればよい。また、従来の混練装置が有していた混練性能と比較して、本実施形態の混練性能の低下を抑制するためには、ｈ／Ｄを０．１２以下、好ましくは０．１以下、より好ましくは０．０８以下とすればよい。
ｈ／Ｄを上記範囲とすることにより、剪断力τの低下を低く抑えつつ、発熱を格段に抑制することができる。
また、本実施形態では、チップクリアランスｈを比較的大きく設定するようにしたため、被混練物がチャンバ３内において偏在し、混練ディスク６がチャンバ３内で均等に保持されにくい場合であっても、チャンバ３の内壁面と混練ディスク６の翼部７とが接触、摩耗することを防止することができ、装置寿命を長くすることができる。
なお、本実施形態では、混練部１２におけるチップクリアランスを制御する例を示したが、混練部１２に限られず、押出部１１，１３におけるスクリューフィン１４，１５についても同様の制御をしてもよい。
＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態に係る連続混練装置の要部を示す概略断面構造図である。
本実施形態は、第１の実施形態における翼部７が２軸間（回転シャフト５，５間）で互いに噛み合うように、即ち、二つの翼部７の回転軌跡が正面視でラップするように配置して混練性能の向上を図ったもので、その他の構成は第１の実施形態と同様なので、図１と同一部材，部位には同一符号を付して重複する説明は省略する。
尚、混練部１２における翼部７のみならず、押出部１１，１３におけるスクリューフイン（広義の翼部）１４，１５においても、即ち、各回転シャフト５，５の全長に亙って、２軸間で互いに噛み合うように配置すると好適である。
＜第３の実施形態＞
図５は、第３の実施形態に係る連続混練装置である１軸混練押出機の概略内部平面図である。同図に示す１軸混練押出機２０と、図２に示す２軸混練押出機１とは、軸数とそれに伴う筒状バレル２の形状が異なる点を除き、同等の構成を有する。そこで、両者の対応する構成には、共通の符合を付してある。
この１軸混練押出機２０における混練部１２では、混練ディスクの先端部（翼部）とバレル２１の内壁面との間に発生する剪断力によって被混練物を混練する。本実施形態においても、第１の実施形態に係るｈ／Ｄの範囲とすることにより、剪断力τの低下を低く抑えつつ、発熱を格段に抑制することができる。また、装置寿命も長くすることができる。
なお、本実施形態においても、押出部１１，１３におけるスクリューフィン１４，１５について、同様にチップクリアランスの制御をしてもよい。
＜第４の実施形態＞
図６は、第４の実施形態であり、バッチ式混練機をマスター混練に適用し、一台の２軸混練押出機をリミル及びファイナル混練に適用した混練システムを示す概略構成図である。同図に示す２軸混練押出機３２は、第１の実施形態に係る連続混練装置の混練部を２つ有し、第１の混練部（上流側）ではリミル相当の混練を行い、第２の混練部（下流側）ではファイナル相当の混練を行う。
この混練システムでは、まずバッチ式混練機３０を用いて原料ゴムと配合剤が混練（マスター混練）される。バッチ式混練機３０においては、ゴムと配合剤が一体化するＢＩＴ（Black carbon incorporate time）に達した時点で被混練物が排出される。
排出された被混練物は、２軸混練押出機３２に投入され、その上流区間においてリミル相当の混練が行われる。この混練工程では、第１の実施形態に示すように、チップクリアランスｈを大きくして、ｈ／Ｄを所定値としているので、従来の混練性能とほぼ同等の性能で混練を行いつつ、格段に被混練物の発熱を抑えた混練が可能となっている。このため、リミル工程を何回も行う必要がなく、混練部を一回通過させることで、続くファイナル混練へ連続的に工程を進めることができる。
次に、加硫剤が添加された後、２軸混練押出機３２の下流区間においてファイナル相当の混練が行われる。この混練工程においても、上述する効果、すなわち、従来の混練性能とほぼ同等の性能で混練を行いつつ、格段に被混練物の発熱を抑えた混練が可能となっている。そして、ファイナル混練が終了して、２軸混練押出機３２から取り出されたゴム材料は、成形機３３によって成形され、タイヤ等のゴム製品の材料として使用される。
なお、成形機３３の下流側には、加硫剤を加熱等により架橋反応させる加硫工程を設けてもよい。また、２軸混練押出機３２自体が成形機能を有する場合には、成形機３３を省いてもよい。
上記するように、この混練システムによれば、リミル工程を１回で終了させることができるため、連続的にファイナル混練へ工程を進めることができ、作業に要する時間を短縮して生産性を向上させることができる。
＜第５の実施形態＞
図７は、第５の実施形態であり、バッチ式混練機をマスター混練に適用し、二台の２軸混練押出機をそれぞれリミル及びファイナル混練に適用した混練システムを示す概略構成図である。同図に示す２台の２軸混練押出機３２ａ，３２ｂは、第１の実施形態に係る混練装置（図１，２を参照。）であり、２軸混練押出機３２ａ（上流側）ではリミルを行い、２軸混練押出機３２ｂ（下流側）ではファイナル混練を行う。
本実施形態にかかる混練システムでは、バッチ式混練機３０によってマスター混練が行われ、マスター混練を終了した被混練物は２軸混練押出機３２ａに投入され、リミルが行われる。このリミル工程では、第１の実施形態に示すように、チップクリアランスｈを大きくして、ｈ／Ｄを所定値としているので、従来の混練性能とほぼ同等の性能で混練を行いつつ、格段に被混練物の発熱を抑えた混練が可能となっている。このため、リミル工程を何回も行う必要がなく、２軸混練押出機３２ａを一回通過させることで、続くファイナル混練へ連続的に工程を進めることができる。
次に、加硫剤が添加された後、２軸混練押出機３２ｂにおいてファイナル混練が行われる。ファイナル混練工程においても、上述する効果、すなわち、従来の混練性能とほぼ同等の性能で混練を行いつつ、格段に被混練物の発熱を抑えた混練が可能となっている。そして、ファイナル混練が終了して、２軸混練押出機３２ｂから取り出されたゴム材料は、成形機３３によって成形され、タイヤ等のゴム製品の材料として使用される。
本実施形態では、リミル後に一度外部に取り出す構成とすることにより、複数のファイナル混練ラインを設計して、添加する添加剤の種類や量を変えたり、複数の成形形状を設定したりすることができ、用途展開の幅を広げることができる。
＜第６の実施形態＞
図８は、第６の実施形態であり、バッチ式混練機をマスター混練に適用し、一台の２軸混練押出機をリミル及びファイナル混練に適用すると共に、バッチ式混練機の下流にアンダーミキサ及び冷却機を備えてリミルを行う混練システムを示す概略構成図である。
本実施形態にかかる混練システムは、第４の実施形態にかかる混練システムの変形例であり、混練機３０と２軸混練押出機３２との間に、アンダーミキサ３１及び冷却装置３４を設置している。
本実施形態では、混練機３０から取り出された被混練物はアンダーミキサ３１によってシート化され、冷却装置３４によって冷却された後、再び混練機３０に戻されてマスター混練される。このリミル工程は１回又は複数回、行われる。その後、２軸混練押出機３２に投入され、成形機３３で成形される。
本実施形態にかかる混練システムは、原料ゴム等の被混練物に対する配合剤の分散が難しい混練に適している。
＜第７の実施形態＞
図９は、第７の実施形態であり、バッチ式混練機をマスター混練に適用し、二台の２軸混練押出機をそれぞれリミル及びファイナル混練に適用すると共に、リミル用の２軸混練押出機によりリミルを行う混練システムを示す概略構成図である。
本実施形態にかかる混練システムは、第５の実施形態にかかる混練システムの変形例であり、２軸混練押出機３２ａから取り出された被混練物は、再び２軸混練押出機３２ａに戻される。第５の実施形態では２軸混練押出機３２ａにおけるリミル工程は一回のみであったが、本実施形態では、このリミル工程は複数回、行われる。その後、２軸混練押出機３２ｂに投入され、成形機３３で成形される。
また、図９に示すリミル工程は、２軸混練押出機３２ａのみを循環させることにより行っているが、２軸混練押出機３２ａから取り出された被混練物を混練機３０に戻し、２軸混練押出機３２ａと混練機３０とを循環させるリミル工程としてもよいし、図８に示すように、混練機３０のみを循環させるリミル工程としてもよい。
本実施形態にかかる混練システムは、原料ゴム等の被混練物に対する配合剤の分散が難しい混練に適している。
本発明に係る連続混練装置及びこれを用いた混練システムは、ゴムあるいは各種配合剤などを添加したゴムからなる被混練物に限らず、樹脂等からなる被混練物にも適用することができる。

Claims (9)

  1. 回転シャフトの外表面に翼部を備えたスクリューセットと、
    当該スクリューセットが配設される筒状のチャンバを有するバレルと、を有する連続混練装置であって、
    前記翼部の先端と前記チャンバの内壁面との間に形成される隙間ｈと、前記チャンバの内径Ｄの比であるｈ／Ｄが、０．０１以上であることを特徴とする連続混練装置。
  2. ２軸混練押出機であることを特徴とする請求項１に記載する連続混練装置。
  3. 回転シャフトの外表面に備えられた翼部が２軸間で互いに噛み合う構造になっていることを特徴とする請求項２に記載する連続混練装置。
  4. 回転シャフトの全長に亙って又は一部において、翼部が２軸間で互いに噛み合う構造になっていることを特徴とする請求項３に記載する連続混練装置。
  5. １軸混練押出機であることを特徴とする請求項１に記載する連続混練装置。
  6. ゴム又はゴム系組成物を混練することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載する連続混練装置。
  7. マスター混練用の混練機と、当該混練機の下流に設けられた連続混練装置とを有し、当該連続混練装置は請求項１ないし６のいずれかに記載する連続混練装置であることを特徴とする混練システム。
  8. マスター混練用の混練機と、当該混練機の下流に設けられ、リミル用とした第１の連続混練装置と、当該第１の連続混練装置の下流に設けられ、ファイナル混練用とした第２の連続混練装置とを有し、前記第１又は第２の連続混練装置は請求項１ないし６のいずれかに記載する連続混練装置であることを特徴とする混練システム。
  9. マスター混練用の混練機と、当該混練機の下流に設けられたアンダーミキサ及び冷却装置と、当該冷却装置の下流に設けられた連続混練装置とを有し、当該連続混練装置は請求項１ないし６のいずれかに記載する連続混練装置であることを特徴とする混練システム。
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