TW201609336A - 橡膠組成物之混合方法及混合系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種橡膠組成物之混合方法及混合系統，其可以減小碳摻入製程結束時橡膠混合物之達到溫度之不均一，使橡膠物性穩定。 其進行如下控制：於碳摻入製程及均勻分散製程之各步驟中在旋轉驅動混合用轉子2所需之累計電量S達到該步驟的目標累計電量時，進入下一個步驟；於碳摻入製程中，基於橡膠混合物R之溫度上升速度與其目標值之偏差，對衝壓力Pr或混合用轉子2之轉速N中的至少一個進行PID控制，使製程結束時橡膠混合物R之達到溫度在容許範圍內；於均勻分散製程之步驟中，依使基於對既定控制對象依次檢測之資料的值與其目標值之偏差減小之方式，調整衝壓力Pr或混合用轉子2之轉速N。

Description

橡膠組成物之混合方法及混合系統
本發明係關於一種橡膠組成物之混合方法及混合系統，更詳細而言係關於一種使用密閉式混合機於原料橡膠中摻入碳之碳摻入製程結束時，可以減小橡膠混合物之達到溫度之不均一，使所製造之橡膠組成物之橡膠物性穩定的橡膠組成物之混合方法及混合系統。
使用密閉式混合機混合原料橡膠與碳等而製造橡膠組成物時，提議有各種用於確保橡膠物性穩定之混合方法(例如，參照專利文獻1)。於專利文獻1所記載之混合方法中，著眼於對原料橡膠中摻入碳之碳摻入製程及使所摻入之碳均勻分散於原料橡膠中的均勻分散製程。於碳摻入製程中，檢測旋轉驅動混合用轉子所需之電力的累計量，當檢測出的累計量達到預先設定之目標量後，進入下一個步驟。於均勻分散製程中，當旋轉驅動混合用轉子所需之電力的累計量達到預先設定之目標量後，進入下一個步驟，並且，設定旋轉驅動混合用轉子所需之電力的累計量達到預先設定之目標值的目標混合時間，依減小該目標混合時間與該步驟混合時間之預測值的偏差之方式，調整混合用轉子之轉速。
如上述，於碳摻入製程中，旋轉驅動混合用轉子所需之電力的累計量達到預先設定之目標量時，經混合之橡膠混合物於該時點之達到溫度並不一定固定而產生不均一，該不均一意指在此之前的過程中亦產生不均一，而於混合之各進展階段溫度不均一會對所製造之橡膠組成物的橡膠物性造成影響。並且，包含增強劑(碳)之橡膠混合物的混合屬於不可逆過程，摻入製程與均勻分散製程所進行的內容本質上並不相同。因此，在碳摻入製程結束時橡膠混合物之達到溫度之不均一較大時，將發生所製造之橡膠組成物之橡膠物性不均一變大的問題，對此尚有改善之餘地。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2011-102038號公報
本發明之目的在於提供一種橡膠組成物之混合方法及混合系統，其於使用密閉式混合機對原料橡膠中摻入碳之碳摻入製程結束時，可以減小橡膠混合物之達到溫度之不均一，使所製造之橡膠組成物之橡膠物性穩定。
為實現上述目的，本發明之橡膠組成物之混合方法具有：碳摻入製程，係利用密閉式混合機混合原料橡膠與碳，將碳摻入原料橡膠中；與均勻分散製程，係使所摻入之碳均勻分散於原料橡膠中；分別由多個步驟實施上述碳摻入製程及上述均勻分散製 程，於上述碳摻入製程之步驟中旋轉驅動上述密閉式混合機之混合用轉子所需之電力的累計量達到預先對該步驟設定之目標累計電量時，進入下一個步驟；於上述均勻分散製程之步驟中，旋轉驅動上述混合用轉子所需之電力的累計量達到預先對該步驟設定之目標累計電量時，進入下一個步驟；並且，於上述均勻分散製程之步驟中針對既定控制對象依次進行檢測，依使基於該檢測資料之值與預先設定之基於該檢測資料之值的目標值的偏差減小之方式，調整上述密閉混合機之衝壓力或上述混合用轉子之轉速，混合上述原料橡膠與碳而製造橡膠組成物；上述橡膠組成物之混合方法之特徵在於：於上述碳摻入製程中，依次檢測上述原料橡膠與上述碳之橡膠混合物的溫度，計算出其溫度上升速度，基於計算出的溫度上升速度與預先設定之目標溫度上升速度之偏差，對上述衝壓力或上述混合用轉子之轉速中的至少一個進行PID控制，使上述碳摻入製程結束時橡膠混合物的達到溫度在預先設定之容許範圍內。
本發明之橡膠組成物之混合系統係具備混合原料橡膠與碳之密閉式混合機及控制該密閉式混合機之混合動作的控制裝置，分別由多個步驟實施於原料橡膠中摻入碳之碳摻入製程及使所摻入之碳均勻分散於原料橡膠中的均勻分散製程；進行控制以使於上述碳摻入製程之步驟中，旋轉驅動上述密閉式混合機之混合用轉子所需之電力的累計量達到預先對該步驟設定之目標累計電量時，進入下一個步驟；進行控制以使於上述均勻分散製程之步驟中，旋轉驅動上述混合用轉子所需之電力的累計量達到預先對該步驟設定之目標累計電量時，進入下一個步驟；並且，於上述均勻分 散製程之步驟中針對既定控制對象依次進行檢測，依使基於該檢測資料之值與預先設定之基於該檢測資料之值的目標值的偏差減小之方式，進行控制以調整上述密閉混合機之衝壓力或上述混合用轉子之轉速，混合上述原料橡膠與碳而製造橡膠組成物；上述橡膠組成物之混合系統之特徵在於：設有溫度感應器，其於上述碳摻入製程中依次檢測上述原料橡膠與上述碳之橡膠混合物的溫度，將該溫度感應器之檢測資料輸入到上述控制裝置中，計算出上述橡膠混合物之溫度上升速度，並基於計算出的溫度上升速度與預先設定之目標溫度上升速度之偏差，對上述衝壓力或上述混合用轉子之轉速中的至少一個進行PID控制，使上述碳摻入製程結束時橡膠混合物的達到溫度成為預先設定之容許範圍內。
根據本發明，於碳摻入製程中依次檢測上述原料橡膠與上述碳之橡膠混合物之溫度，計算出其溫度上升速度，基於計算出的溫度上升速度(速度梯度)與預先設定之目標溫度上升速度之偏差，對上述衝壓力或上述混合用轉子之轉速中的至少一個進行PID控制，使上述碳摻入製程結束時橡膠混合物的達到溫度成為預先設定之容許範圍內。即，根據本發明，於碳摻入製程中，對各步驟旋轉驅動混合用轉子所需之電力的累計量進行管理，並且減小碳摻入製程結束時橡膠混合物之達到溫度之不均一，使達到溫度高精度地保持在容許範圍內。此外，於均勻分散製程中，對各步驟旋轉驅動混合用轉子所需之電力的累計量進行管理，並且調整衝壓力或混合用轉子之轉速，以使基於對既定控制對象依次檢測之資料的值與預先設定之基於該檢測資料之值的目標值的偏差減小。如此，於 碳摻入製程及均勻分散製程中控制橡膠混合物之混合，從而可以使所製造之橡膠組成物之橡膠物性穩定。
1‧‧‧密閉式混合機
2‧‧‧混合用轉子
2a‧‧‧旋轉軸
2b‧‧‧葉片
3‧‧‧混合室
4‧‧‧衝壓室
5‧‧‧油投入部
6‧‧‧橡膠投入部
7‧‧‧漏斗
8‧‧‧壓頭
9‧‧‧碳投入部
10‧‧‧出料門
11‧‧‧感應器
11a‧‧‧溫度感應器
12‧‧‧控制裝置
R‧‧‧橡膠混合物
圖1係例示本發明之橡膠組成物之混合系統的說明圖。
圖2係例示利用圖1之密閉式混合機混合橡膠混合物之狀態的說明圖。
圖3係圖1之A-A剖面圖。
圖4係例示橡膠混合物之溫度及其溫度上升速度(溫度梯度)之經時變化的圖表。
圖5係例示藉由控制混合用轉子之轉速而產生的橡膠混合物之溫度經時變化差異的圖表。
圖6係例示以既定週期取樣時序資料並計算出的移動平均資料之圖表。
圖7係例示模擬密閉式混合機之混合用轉子之壓力波形的時序資料之圖表。
圖8係例示取樣圖7之時序資料並進行移動平均後之壓力波形的圖表。
以下，基於圖式所示實施方式，說明本發明之橡膠組成物之混合方法及混合系統。
圖1至圖3中例示之本發明之橡膠組成物之混合系統(以下，稱為混合系統)具備：具有混合用轉子之班伯里混煉機等密閉式混合機1；感應器11；以及輸入感應器11之檢測資料的控 制裝置12。控制裝置12對密閉式混合機1之混合動作進行控制。此實施方式之混合系統中設有溫度感應器11a。
密閉式混合機1具備混合室3及連接至混合室3上方之衝壓室4，混合室3中設有相對向配置的一對混合用轉子2與油投入部5。各混合用轉子2上突出設置有葉片2b，由平行配置的旋轉軸2a進行旋轉驅動。於混合室3之底面設有可開閉之出料門10。於混合室3中，對由原料橡膠G及碳C等組成之橡膠混合物R進行混合，最終製造出橡膠組成物。
衝壓室4中配置有壓頭8，其上下移動而調整混合室3內之壓力(衝壓力Pr)。衝壓室4中進而設有投入原料橡膠G之橡膠投入部6及自漏斗7投入碳C之碳投入部9。
感應器11係檢測混合用轉子2之轉速N、混合用轉子2之旋轉驅動用馬達電流值I、電流值I之時間變化量、驅動所需之電力、電力累計值即累計電量S、混合室3之溫度T、橡膠混合物R之溫度Tr以及衝壓力Pr。控制裝置12對混合用轉子2之轉速N及衝壓力Pr等進行控制。
本發明藉由以下製程，混合原料橡膠G與碳C等而製造橡膠組成物。即，於製造橡膠組成物時，依次進行橡膠素煉製程、碳摻入製程、均勻分散製程。均勻分散製程結束後，自開口之出料門10將所製造之橡膠組成物排出至密閉式混合機1的外部。
橡膠素煉製程係下一製程為碳摻入製程之準備製程，重設因原料橡膠G之保管條件、密閉式混合機1之操作記錄等引發的溫度變動要素，將原料橡膠G及密閉式混合機1調整為既定溫度。藉由該調整，降低各批次處理之橡膠組成物之特性及品質變 動。於碳摻入製程中，為了於初期加快碳C之摻入，於後期抑制橡膠混合物R之發熱而提升混煉，而對橡膠混合物R進行低溫混合，藉此形成結合橡膠，實現模數之提高。此外，於均勻分散製程中，使壓頭8於衝壓室4內上升並使混合用轉子2旋轉，藉此進行使橡膠混合物R上下反轉的衝壓反轉，之後為抑制發熱以提升橡膠混合物R之混煉，而進行控制使上升溫度及混合用轉子2之電力值為固定，實現黏度之穩定。此外，於均勻分散製程之後半階段進行控制，使混合室3之溫度T及混合用轉子2之扭矩Tq變為固定值。
通常，若於原料橡膠G中調配碳C等增強劑等進行混合，則增強劑等會被充分摻入原料橡膠G中，可以獲得原料橡膠G與增強劑等相結合之狀態的橡膠混合物R。於該狀態下，由於其表面活性，增強劑等會以化學或物理方式與原料橡膠G結合，形成對溶劑發生膨脹但不會完全溶解之結合體。將該結合體稱為結合橡膠或碳凝膠。
進而，本發明於混合步驟中亦使混合用轉子2之轉速N與衝壓力Pr為可變，於各混合製程(混合過程)中進行溫度控制，抑制發熱。此外，依據各步驟之累計電量S進行結束判斷，當達到既定目標累計電量時進入下一個步驟。尤其是於NBR類橡膠組成物之混合中，根據碳摻入製程之混合初期(70℃以下之初期混合階段及70℃至120℃之結合橡膠形成區域)的累計電量S進行控制，實現模數之提高及穩定。此外，於均勻分散製程中進行電力混合，達到既定累計電量時對所製造之橡膠組成物進行排出，以此方式實現黏度之穩定。此外，尤其是在夏冬等季節因受到室外氣溫影響之情形下，較佳係監視時間、溫度、電量、階梯電量及電力(電 流)，對衝壓力Pr與混煉度、轉速N與混合時間等進行反饋控制的混合方法較為有效。
以下，以製造高填充調配有碳之NBR橡膠組成物之情形為例，更具體地說明混合過程。混合過程由橡膠素煉製程、碳摻入製程、均勻分散製程構成，各製程由前半步驟與後半步驟共2個步驟構成。
於橡膠素煉製程中，使壓頭8上升至待機位置，自橡膠投入部6投入原料橡膠G。之後，使壓頭8向下方移動，一邊自油投入部5投入油一邊對混合用轉子2進行旋轉驅動，混合原料橡膠G與油。
於該橡膠素煉製程之前半步驟亦即第1步驟中，將混合用轉子2之轉速N設為固定(例如，20rpm)，並將衝壓力Pr亦設為固定(例如，0.5MPa)。於後半步驟亦即第2步驟中，將衝壓力Pr維持為與第1步驟相同的數值，降低混合用轉子2之轉速N(例如，15rpm)。
表示混合用轉子2之負載之電力E於第1步驟初期會變大，之後保持為較低值。此外，藉由冷卻降低混合室3之溫度T。實施如下控制：在混合室3之溫度T成為預先設定之既定第1溫度T1，或者經過固定時間時，則該第1步驟結束，進入第2步驟。在混合室3之溫度T成為預先設定之既定第2溫度T2，或者經過固定時間時，則第2步驟結束。
若橡膠素煉製程結束，則進入下一個碳摻入製程。於碳摻入製程中，將碳C自漏斗7經由碳投入部9供應到混合室3中，混合原料橡膠G與碳C。
於碳摻入製程之前半步驟亦即第3步驟中，對橡膠素煉製程中混合之原料橡膠G上的碳C用力攪拌，緩慢形成被碳C覆蓋住表面之小橡膠塊體。
於後半步驟亦即第4步驟中，隨著表面的碳C被摻入至原料橡膠G中，小橡膠塊體逐漸變大，最終成為一整個塊體。於該過程中，形成原料橡膠G與碳C之結合體(結合橡膠)，施加於混合用轉子2上之扭矩Tq亦上升。
於第3步驟及第4步驟中，利用溫度感應器11a，如圖4例示之資料D1所示，依次檢測原料橡膠G與碳C之橡膠混合物R的溫度Tr。將該溫度感應器11a之檢測資料輸入控制裝置12中，基於該檢測資料，如圖4例示之資料D2所示，利用控制裝置12計算出橡膠混合物R之溫度上升速度(速度梯度)。
為了去除瞬時測定值之不均一，可以依既定之平均期間對於既定週期內所取樣之溫度感應器11a之檢測資料進行移動平均，使用所獲得之平均資料(平均溫度梯度⊿Tm)作為溫度上升速度(速度梯度)。該取樣時之既定週期可以設定為各種週期，例如可以設為10Hz以上、100Hz以下。此外，進行移動平均之既定之平均期間可以設定為各種長度，例如其時間範圍可以設為0.1秒以上、10秒以下。
基於該計算出之溫度上升速度(平均溫度梯度⊿Tm)與預先設定之目標溫度上升速度(⊿T*)的偏差ei，利用控制裝置12對衝壓力Pr或混合用轉子2之轉速N中的至少一個進行PID控制(Proportional Integral Derivative Control，比例-積分-微分控制)。PID控制係根據輸出值與目標值之偏差、其積分及微分的3個要素 控制輸入值的反饋控制。藉由進行該PID控制，可以使碳摻入製程結束時橡膠混合物R之達到溫度成為預先設定之容許範圍內。
若將比例帶設為⊿Tw，則於⊿T*-⊿Tw~⊿T*+⊿Tw之範圍內進行PID控制。若於該範圍外，則設為上下限100%之輸出。偏差ei係平均溫度梯度⊿Tm與目標溫度上升速度⊿T*之差除以比例帶⊿Tw所得值，可以藉由下述式(1)計算。
ei=(⊿Tw-⊿T*)/⊿Tw...(1)
計算出與前一個偏差的差值⊿ei，於控制裝置12中儲存該差值⊿ei直至2個期間前(⊿ei-1、⊿ei-2)。分別將PID控制之比例項、積分項、微分項之增益設為Kp、Ki、Kd，則該等之PID輸出為下述式(2)~(4)所示。
⊿MVp,i=Kp×⊿ei...(2)
⊿MVI,i=Ki×ei...(3)
⊿MVd,i=Kd×(⊿ei+⊿ei-1)...(4)
PID控制之操作量為下述式(5)所示，PID控制之輸出為下述式(6)所示。
⊿MVi=⊿MVP,i+⊿MVI,i+⊿MVD,J...(5)
MVi=MVi-1+⊿MVi...(6)
藉由該PID控制對衝壓力Pr進行控制時，控制後之壓力P1為下述式(7)所示。
P1=P0+PW×MV...(7)
於此，P0為衝壓力Pr之現在值，PW為100%時之調整幅度。
藉由該PID控制對混合用轉子2之轉速N進行控制時，控制後之轉速N1為下述式(8)所示。
N1=N0+NW×MV...(8)
於此，N0為轉速N之現在值，NW為100%時之調整幅度。
藉由PID控制對混合用轉子2之轉速N進行控制時之效果如圖5所例示。圖5之資料D3表示不對轉速N進行控制時橡膠混合物R之溫度的經時變化。於此，如圖5之資料D5所例示，利用溫度感應器11a依次檢測橡膠混合物R之溫度，並據此計算出溫度上升速度(溫度梯度)，基於該溫度上升速度(溫度梯度)與預先設定之目標溫度上升速度之偏差，對轉速N進行PID控制。藉此，橡膠混合物R之溫度之經時變化如資料D3至資料D4所例示，碳摻入製程結束時，橡膠混合物R之達到溫度在預先設定之容許範圍內。
進行如下控制：當累計電量S成為預先對第3步驟設定之既定第1目標累計電量S1時，該碳摻入製程之第3步驟結束，進入第4步驟。此外，當累計電量S成為預先對第4步驟設定之既定第2目標累計電量S2時，該第4步驟結束。
如此，於碳摻入製程中，不僅對各步驟旋轉驅動混合用轉子2所需之累計電量S進行管理，亦對衝壓力Pr或混合用轉子2之轉速N中的任一個或兩者進行PID控制，使碳摻入製程結束時橡膠混合物R之達到溫度在預先設定之容許範圍內。藉此，可以減小碳摻入製程結束時橡膠混合物R之達到溫度之不均一，使達到溫度高精度地保持在容許範圍內。
目標溫度上升速度(⊿T*)係基於例如碳摻入製程中密閉式混合機1之熱收支進行設定。作為該熱收支，係考慮以下代表性項目Q1至Q3即可。首先，於碳摻入製程中利用混合用轉子2 混合原料橡膠G與碳C之橡膠混合物R時，橡膠混合物R之發熱Q1。即，藉由混合用轉子2作用於橡膠混合物R之剪切力，橡膠混合物R會發熱，因此考慮該發熱Q1。
在密閉式混合機1中流通冷卻水以冷卻密閉式混合機1，吸取密閉式混合機1之熱量。因此，考慮碳摻入製程中冷卻水之吸熱Q2。
於碳摻入製程中，熱量會自橡膠混合物R散逸(熱傳導)至其他部分，因此，考慮該放熱Q3。若對該放熱Q3進行細分，則可分為因熱傳導至密閉式混合機1而產生之密閉式混合機1之溫度上升Q3M、自密閉式混合機1向外部環境進行熱傳導之放熱Q3L、以及密閉式混合機1之內部空氣置換而產生的放熱Q3D。即，Q3=Q3M+Q3L+Q3D。碳摻入製程中由於橡膠混合物R之溫度上升成為上述熱收支中的過度發熱Q，因此，過度發熱Q=Q1-Q2-Q3。
繼而，設定用於計算目標溫度上升速度(⊿T*)之模型式，基於實際資料，依據非線性最小平方法(直接搜索法)等決定模型式之未定係數。若模型式之係數得以決定，則可以基於熱收支之實際資料，設定目標溫度上升速度(⊿T*)。
關於上述模型式，作為時刻t之函數，設定例如下述(9)。
⊿T*(t)=a．exp{-b(t-c)2}+d．exp{-e(t-f)2}+g...(9)
dQ(t)/dt=cc．mc．⊿T*(t)，Q=cc．mc．ʃ⊿T*(t)。該積分區間為0≦t≦τ(τ為碳摻入製程的混合時間)。於此，cc為橡膠混合物R之比熱，mc為橡膠混合物R之熱容量。
另外，若將應用各種實際資料所決定的未定係數代入 式(9)之模型式中，則可以確認基於該模型式計算出之橡膠混合物R之溫度變化與實際資料良好匹配。
若碳摻入製程結束，則進入均勻分散製程。於該均勻分散製程之前半步驟亦即第5步驟中，降低混合用轉子2之轉速N並使之固定(例如，15rpm)，將衝壓力Pr維持為第4步驟的數值並使之固定。於該過程中，使原料橡膠R中之碳C均勻地分散於全體中。該階段之橡膠混合物R黏度非常高，電力消耗大，所施加之能量大多成為熱量，因此發熱變大，故需於初期降低轉速N，並降低衝壓力Pr，然後開始混合，之後再緩慢地提高轉速N、衝壓力Pr。
於後半步驟亦即第6步驟中，進一步降低混合用轉子2之轉速N(例如，10rpm)，之後緩慢上升，並恢復為原來的轉速(例如，15rpm)。此外，衝壓力Pr維持為第5步驟的數值，並使之固定。另外，表示混合用轉子2之負載之電力E於第5步驟中緩慢變大，但於第6步驟中成為大致相同大小之數值。於該過程中，對混合最終階段混煉出的橡膠混合物R之黏度進行調整。繼而，為了抑制發熱，需降低轉速N，但亦可於橡膠混合物R之溫度上升受到抑制的範圍內緩慢地提高轉速N。此外，根據需要(溫度上升時)，亦可藉由降低衝壓力Pr，抑制溫度的上升。
進行如下控制：當累計電量S成為預先對第5步驟設定之既定第3目標累計電量S3時，第5步驟結束，進入第6步驟。當累計電量S成為預先對第6步驟設定之既定第4目標累計電量S4時，第6步驟結束。
於第6步驟中，若對衝壓力Pr進行調整控制，以使 混合室3之溫度T之測定值與預先對該第6步驟設定之目標值亦即目標溫度T3的偏差減小，則可以使橡膠組成物之物性及品質更加均一化。
或者，於第6步驟中對衝壓力Pr進行調整控制，以使旋轉驅動混合用轉子2所需之馬達電流值I之時間變化量的測定值與預先對該第6步驟設定之目標值即目標時間變化量的偏差減小。藉此，亦可使橡膠組成物之物性及品質更加均一化。另外，亦可使用混合室3之溫度T與電流值I之時間變化量之測定值之兩者進行控制。
於第6步驟中，係構成為對衝壓力Pr進行調整控制，以使混合室3之溫度T或旋轉驅動混合用轉子2所需之馬達電流值I之時間變化量中的至少一個之測定值與預先對該步驟設定之目標值的偏差減小，從而可以使橡膠組成物之物性及品質、尤其是黏度均一化。
如上述，本發明於碳摻入製程及均勻分散製程中，對各步驟旋轉驅動混合用轉子2所需之累計電量S進行管理，並進入下一個步驟。並且，於碳摻入製程中，對衝壓力Pr或混合用轉子2之轉速N中的至少一個進行PID控制，使碳摻入製程結束時橡膠混合物R之達到溫度成為預先設定的容許範圍內。於均勻分散製程中，對衝壓力Pr或混合用轉子2之轉速N進行調整，以使基於對既定控制對象依次檢測之資料的值與預先設定之基於該檢測資料之值的目標值的偏差減小。如此，於混合過程中較為重要之製程亦即碳摻入製程及均勻分散製程中控制橡膠混合物R之混合，從而可以使所製造之橡膠組成物之橡膠物性穩定。
密閉式混合機1中，橡膠混合物R被夾持在旋轉之混合用轉子2之葉片2b與混合室3之內面的間隙中，在剪切力的作用下被混合、混煉。故，所檢測之電力、溫度等各種資料會因旋轉之混合用轉子2之葉片2b與混合室3之內面的接近狀況、橡膠混合物R之夾持狀況等而發生變動。因此，檢測之時序資料中應包括旋轉之混合用轉子2之葉片2b與混合室3之內面的週期性接近狀況之變動及偶發之變動。
針對以既定週期T(取樣週期T)取樣圖6之上方圖表中以實線例示之週期變動的時序資料f，並依既定之平均期間Ts對其進行移動平均之情形進行研究。另外，圖6之中間及下方圖表中係以虛線表示時序資料f。
於圖6之中間圖表中，取樣時之資料值用○表示。依既定之平均期間Ts對該取樣之資料○進行簡單移動平均，計算出的資料值於圖6之下方圖表中用○表示。如圖6之下方圖表中○所示，經平均化之資料中殘留有時序資料f之週期變動。
如此對資料進行平均化時，若取樣週期T或取樣之資料的平均期間Ts設定不適當，則無法獲得合理的平均資料。因此，進行平均化時，應對此等進行適當地設定，排除時序資料之週期性變動。
為了排除此種週期性變動，可以依短於時序資料之週期性變動的取樣週期T進行取樣，將混合用轉子2之葉片2b與周圍的圓周方向相對位置關係再次成為相同所需要之時間(以下，稱為轉子相位Tp)設為平均期間Ts，進行平均化處理。
因此，基於兩個混合用轉子2中至少任一個混合用轉 子2之轉速N(rpm)，設定取樣週期T。例如，將兩個混合用轉子2之轉速N(rpm)分別設為N1、N2(N1≧N2)，利用下述式(1)設定取樣週期T(ms)。
T≦(5/3)．N2...(1)
圖7係假設各混合用轉子2具有2片葉片2b、轉速分別為N1=69(rpm)、N2=60(rpm)、轉速比為1.15的切線式(非嚙合式)密閉式混合機1，模擬並表示各混合用轉子2之壓力波形(正弦波)的時序資料之圖表。圖7之上方圖表所示為轉速N2之混合用轉子2之壓力波形，圖7之中間圖表所示為轉速N1之混合用轉子2之壓力波形。密閉式混合機1中由於兩個混合用轉子2進行旋轉，因此，成為將上方、中間各圖表之壓力波形進行合成之圖7之下方圖表所示之壓力波形。
於此，依不同取樣週期對圖7之下方圖表所示壓力波形的時序資料進行取樣，並以既定之同一平均期間進行移動平均後，壓力波形如圖8所例示。從圖8之上方起第一部分、第二部分、第三部分、第四部分之圖表分別表示取樣週期為10(ms)、100(ms)、200(ms)、500(ms)之情形。
對圖8之計算資料與圖7之下方時序資料進行比較後發現，取樣週期T為10(ms)、100(ms)時，能高精度地再現圖7之時序資料。另一方面，取樣週期T為200(ms)、500(ms)時，圖7之時序資料的再現性降低。
由該結果可知，轉速N2=60(rpm)時取樣週期T為100(ms)以下較為適當。推測轉速N2=30(rpm)時取樣週期T為50(ms)以下較為適合。據此可以推導出上述式(1)。
基於兩個混合用轉子2之形狀、轉速N(rpm)及轉速比，設定取樣時的平均期間Ts。所謂混合用轉子2之形狀，代表性者為突出設置於混合用轉子2上之葉片2b之數量。
根據密閉式混合機1之規格，有兩個混合用轉子2之轉速N(rpm)相同之情形，亦有不同之情形。在兩個混合用轉子2之轉速N(rpm)相同、亦即轉速比為1時，將混合用轉子2之葉片2b與周圍的圓周方向相對位置關係再次成為相同所需之混合用轉子2的旋轉量設為s(旋轉)，可以藉由下述式(2)設定平均期間Ts。
Ts=s．(60/N)...(2)
在兩個混合用轉子2之轉速N分別為不同的N1、N2(N1≠N2)時，將相對較大轉速與相對較小轉速之轉速比N2/N1設為ν，將各混合用轉子之轉速N(rpm)相同時混合用轉子2之葉片2b與周圍的圓周方向相對位置關係再次成為相同所需之混合用轉子2的旋轉量設為s(旋轉)，可以藉由下述式(3)設定平均期間Ts。另外，ν值為例如1.05~1.50左右。
Ts=s．(1/(ν-1))．(60/N2)...(3)
對轉子相位Tp及旋轉量s進行細述，其中各混合用轉子2(葉片2b)旋轉一周後再次返回到相同之圓周方向位置，因此，兩者轉速N相同時之週期T成為混合用轉子2旋轉一周的時間。即，T(s)=60/N(rpm)。
於此，若考慮到以旋轉軸2a為中心、葉片2b在圓周方向配置之對稱性，則混合用轉子2所具備的葉片2b為1片時s=1；在2片葉片2b沿圓周方向均等配置時，若混合用轉子2旋轉1/2周，則葉片2b與周圍的圓周方向相對位置再次成為相同，因此 s=1/2；在3片葉片2b沿圓周方向均等配置時，s=1/3；在4片葉片2b沿圓周方向均等配置時，s=1/4。因此，轉子相位Tp、亦即平均期間Ts為s．(60/N)。
另一方面，混合用轉子2之轉速N分別為不同的N1、N2(N1≠N2)時，伴隨轉速比ν之變小，葉片2b與周圍之圓周方向相對位置關係成為相同所需之混合用轉子2的旋轉量增大，成為s．(1/(ν-1))。因此，如上述轉子相位Tp、亦即平均期間Ts為s．(1/(ν-1))．(60/N2)。
如此設定既定週期T及平均期間Ts，則可以排除時序資料之週期性變動。藉此，可以獲得適當的平均資料。
1‧‧‧密閉式混合機
2‧‧‧混合用轉子
2a‧‧‧旋轉軸
2b‧‧‧葉片
3‧‧‧混合室
4‧‧‧衝壓室
5‧‧‧油投入部
6‧‧‧橡膠投入部
7‧‧‧漏斗
8‧‧‧壓頭
9‧‧‧碳投入部
10‧‧‧出料門
11‧‧‧感應器
11a‧‧‧溫度感應器
12‧‧‧控制裝置

Claims (15)

  1. 一種橡膠組成物之混合方法，其具有：碳摻入製程，利用密閉式混合機混合原料橡膠與碳，將碳摻入原料橡膠中；與均勻分散製程，係使所摻入之碳均勻分散於原料橡膠中；分別依多個步驟實施上述碳摻入製程及上述均勻分散製程，於上述碳摻入製程之步驟中，在旋轉驅動上述密閉式混合機之混合用轉子所需之電力的累計量達到預先對該步驟設定之目標累計電量時，進入下一個步驟，於上述均勻分散製程之步驟中，在旋轉驅動上述混合用轉子所需之電力的累計量達到預先對該步驟設定之目標累計電量時，進入下一個步驟，並且，於上述均勻分散製程之步驟中針對既定控制對象依次進行檢測，依使基於該檢測資料之值與預先設定之基於該檢測資料之值的目標值的偏差減小之方式，調整上述密閉混合機之衝壓力或上述混合用轉子之轉速，混合上述原料橡膠與碳而製造橡膠組成物，上述橡膠組成物之混合方法之特徵在於：於上述碳摻入製程中，依次檢測上述原料橡膠與上述碳之橡膠混合物的溫度並計算出其溫度上升速度，基於計算出的溫度上升速度與預先設定之目標溫度上升速度之偏差，對上述衝壓力或上述混合用轉子之轉速中的至少一者進行PID控制，使上述碳摻入製程結束時橡膠混合物的達到溫度在預先設定之容許範圍內。
  2. 如請求項1之橡膠組成物之混合方法，其中，作為計算上述溫度上升速度之資料，係使用依既定之平均期間對以既定週期所取樣之資料進行移動平均而獲得的平均資料。
  3. 如請求項2之橡膠組成物之混合方法，其中，上述混合用轉子係由相對向配置之兩個混合用轉子所構成，基於至少任一個混合用轉子之轉速N(rpm)，設定上述取樣時之既定週期。
  4. 如請求項3之橡膠組成物之混合方法，其中，將上述兩個混合用轉子之轉速N(rpm)分別設為N1、N2(N1≧N2)，將上述既定週期設為T(ms)，藉由下述式(1)設定該既定週期T；T≦(5/3)．N2...(1)。
  5. 如請求項3或4之橡膠組成物之混合方法，其中，基於上述兩個混合用轉子之形狀、轉速N(rpm)及轉速比，設定上述取樣時的上述平均期間。
  6. 如請求項5之橡膠組成物之混合方法，其中，上述兩個混合用轉子之轉速N(rpm)相同，將上述平均期間設為Ts(s)，將用於使上述混合用轉子之葉片與周圍的相對圓周方向位置關係再次成為相同所需之上述混合用轉子的旋轉量設為s(旋轉)，藉由下述式(2)設定上述平均期間Ts；Ts=s．(60/N)...(2)。
  7. 如請求項5之橡膠組成物之混合方法，其中，上述兩個混合用轉子之轉速N分別為不同的N1、N2(N1≠N2)，將相對較大轉速與相對較小轉速之轉速比N2/N1設為ν，將上述平均期間設為Ts(s)，將在各混合用轉子之轉速N(rpm)相同時，用於使上述混合用轉子之葉片與周圍的相對圓周方向位置關係再次成為相同所需之上述混合用轉子的旋轉量設為s(旋轉)，藉由下述式(3)設定上述平均期間Ts；Ts=s．(1/(ν-1))．(60/N2)...(3)。
  8. 如請求項2之橡膠組成物之混合方法，其中，上述取樣時之既定週期為10Hz以上、100Hz以下。
  9. 如請求項2或8之橡膠組成物之混合方法，其中，上述平均期間為0.1秒以上、10秒以下。
  10. 如請求項1至9中任一項之橡膠組成物之混合方法，其中，上述既定之控制對象係上述混合機之混合室溫度或旋轉驅動上述混合用轉子所需之電流值的時間變化量，依減小該控制對象之測定值與目標值的偏差之方式，調整上述衝壓力或上述混合用轉子之轉速。
  11. 如請求項1至10中任一項之橡膠組成物之混合方法，其中，基於上述碳摻入製程中上述密閉式混合機的熱收支，設定上述目標溫度上升速度。
  12. 如請求項11之橡膠組成物之混合方法，其中，作為上述熱收支，係考慮藉由上述混合用轉子混合上述原料橡膠與上述碳的橡膠混合物時該橡膠混合物之發熱、使上述密閉式混合機冷卻之冷卻水的吸熱、以及來自上述橡膠混合物之放熱。
  13. 一種橡膠組成物之混合系統，其具備混合原料橡膠與碳之密閉式混合機及控制該密閉式混合機之混合動作的控制裝置，分別依多個步驟實施於原料橡膠中摻入碳之碳摻入製程、及使所摻入之碳均勻分散於原料橡膠中的均勻分散製程，其進行控制，當於上述碳摻入製程之步驟中旋轉驅動上述密閉式混合機之混合用轉子所需之電力的累計量達到預先對該步驟設定之目標累計電量時，則進入下一個步驟，進行控制，當於上述均勻分散製程之步驟中旋轉驅動上述混合用 轉子所需之電力的累計量達到預先對該步驟設定之目標累計電量時，則進入下一個步驟，並且，於上述均勻分散製程之步驟中針對既定控制對象依次進行檢測，依使基於該檢測資料之值與預先設定之基於該檢測資料之值的目標值的偏差減小之方式，進行調整上述密閉混合機之衝壓力或上述混合用轉子之轉速的控制，混合上述原料橡膠與碳而製造橡膠組成物，上述橡膠組成物之混合系統之特徵在於：設有溫度感應器，其於上述碳摻入製程中依次檢測上述原料橡膠與上述碳之橡膠混合物的溫度；將該溫度感應器之檢測資料輸入到上述控制裝置中，計算出上述橡膠混合物之溫度上升速度，並基於計算出的溫度上升速度與預先設定之目標溫度上升速度之偏差，對上述衝壓力或上述混合用轉子之轉速中的至少一個進行PID控制，使上述碳摻入製程結束時橡膠混合物的達到溫度在預先設定之容許範圍內。
  14. 如請求項13之橡膠組成物之混合系統，其中，上述目標溫度上升速度係基於上述碳摻入製程中上述密閉式混合機的熱收支而進行設定。
  15. 如請求項14之橡膠組成物之混合系統，其為如下構成：作為上述熱收支，係考慮藉由上述混合用轉子混合上述原料橡膠與上述碳的橡膠混合物時該橡膠混合物之發熱、使上述密閉式混合機冷卻之冷卻水的吸熱、以及來自上述橡膠混合物之放熱。
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