JPH0455363B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、主としてゴム、プラスチツクの混練
に使用される密閉型混練機に関する。

（従来の技術） 密閉型混練機はゴムやプラスチツクの混練に適
したバツチ式混練機であり、とくにゴムの素練り
（可塑化練り）、カーボンマスターバツチ練りある
いは加硫薬品剤の練り込み（添加剤との混練り）
に適したミキサーとしてタイヤ製造などのゴム工
業にとつて欠かせない機械設備である。

この種混練機として望まれる事項は、混練時間
の短縮による生産性の向上、例えば添加剤の高分
散による混練品質の向上、過剰発熱のない適性温
度での混練、等である。

バツチミキサにおける混練の基本的機能は、マ
クロ分散機能（混合作用）とミクロ分散機能（せ
ん断分散作用）より成り立ち、マクロ分散機能
は、ロータの翼の捩れによる材料の軸方向推進流
れに主として依存し、ミクロ分散機能は、ロータ
断面方向の流れのなかで受ける強いせん断作用に
依存することが知られており、この点について
は、特公昭58−4567号、同58−887号、同58−888
号、同58−5094号、同59−31369号公報によつて
明らかにされている。

ところで、前述のバツチミキサの生産性向上、
品質向上、低温混練性向上の要求に対し、前述各
公報等に記載された従来技術では、基本的にマク
ロ分散機能を向上させるべく、ロータ翼の長さ、
翼捩れ角、胴径比を規定したものである。

（発明が解決しようとする問題点） ロータ断面方向のせん断とミクロ分散機能 第１図を参照すると、ロータ断面方向の材料
の流れとせん断応力の挙動が示されており、こ
の図において、１はロータ、２はチヤンバ型、
ｖはロータスピード、hoはチツプクリアラン
ス、ｈはロータフロント面隙間、θはロータ喰
込角である。

ロータの断面方向には、せん断応力τの分布
が存在し、ロータチツプに近い部分の高いせん
断応力によつて、ゴムの分子切断や可塑化、ま
た添加剤、例えばカーボンブラツクの分散がな
される。

特に、添加剤の分散はタイヤ工業には非常に
重要な項目であるが、この分散には、ある下限
のせん断応力τcより大きなせん断力を加える必
要があるといわれている。

従つて、ミクロ分散機能を高めるには、この
せん断応力を高める必要がある。

せん断応力τは、ゴム材料では(1)式で表さ
れ、また、けん引流れをするとせん断速度γは
(2)式で表される。

τ＝Ｋ・γⁿ ……(1) γ＝πRN／60h ……(2) 但し、ｎ；粘性指数＞０、Ｒ；ロータ径、
Ｎ；回転数（rpm）、Ｋ；粘性係数（ゴム温度
上昇により低下）、である。

ミクロ分散機能を高める方法と問題点 前述における材料挙動の検討からミクロ分
散機能を高めるには、次の方法が考えられる。

(A) ロータ断面全体のτを高め、τ＞τcの領域
を拡大する方法。

(B) τ＞τcの部分（チツプ部付近）を材料が通
過する機会を増大する方法。

(A)の方法は(1)式よりγを全体的に増大させる
ことであり、具体的には以下の方法が挙げられ
る。

(A‐1) ；(2)式よりロータ断面形状一定で、Ｎの増
加による方法。

(A‐2) ；(2)式よりＮ一定でho減少による方法。

(A‐3) ；Ｎ，ho一定でｈを縮少すなわちθを減
少する方法。

以上のそれぞれの方法あるいはこれらの組合
せる方法は、これまで試みられているけれども
次の理由により有効でなかつた。

すなわち、（Ａ−１）、（Ａ−２）の方法では、
τmax（チツプ部のτ）が増大することにより、
混練初期の材料投入時に過大なトルクが生じる
ことや、急激な発熱によつてτが早期に低下
（粘性係数Ｋがゴム温度上昇により低下するこ
とに起因する）し、ミクロ分散向上につながら
ないという問題があつたためであり、この問題
は、発熱をきらう材料にとつては致命的な欠点
となる。

また、（Ａ−３）の方法は、ミキサへ材料を
投入する時点で材料のロータへの喰込み性が悪
く混練時間が長くなるという問題があつた。

以上のことから(A)の方法におけるＮの増加と
ｈの縮小は制約を受け、これまでゴム用バツチ
ミキサは経験から得られた一定の基準のもとに
設計、製作される結果となつている。

因みに、第２図に従来のバツチミキサの仕様
を示しているが、ロータ径Ｒに対してho，Ｎ
はほぼ一定の基準に沿つて決められ、Ｎは40〜
70rpmとされている。

これは、第３図に示す如く、γmax（チツプ
部のみ）は、350sec^-1以下であり、ロータ径と
hoの比 ho／Ｒ＝αは、ミキササイズに依ら
ず0.01〜0.015になるように設定されているこ
とで解る。

(B)の方法は、基本的には(A)の方法のようにτ
を高めるのではなく、τは従来レベルでτ＞τc
のせん断を受ける材料の量を増大させる方法で
あり、具体的には次の考えである。

(B‐1) ；ロータの翼数を増加し、せん断を受ける
量の拡大を図る方法である。

この（Ｂ−１）の方法は第４図１に示す如
く、短翼３と、長翼２とを有する２翼ロータ１
の２本を互いに逆方向に回転させたのを、第４
図２で示す如く、短翼３と長翼２とをそれぞれ
２個ずつ有する４翼ロータ１の２本を互いに逆
方向に回転させる方法であり、具体的には天然
ゴムの素練りや、カーボンブラツクマスターバ
ツチ練りで２翼に比べ混練時間の短縮が可能と
なり、生産性が20％上昇できる。

しかしながら、翼数の増加によつて、チヤン
バ内空間が減少し、投入材料／バツチが低下す
る点や、材料の軸方向の動きの低下による混合
性悪化という問題が生じ、翼形状の改善が必要
となる。

従つて、さらに翼数を増加（例えば６翼化や
補助翼付）することは、上述の問題を助長する
危険性が高く採用は困難である。

以上の通り、ミクロ分散機能を高める従来の方
法における問題点を総めると次の通りである。

；ho縮小やＮの増加による高せん断応力化は
過大なトルク及び高発熱を生じる。

；せん断を受ける機会の増加に対し、翼数増大
は混合性低下を招く。

（問題点を解決するための手段） 本発明は前述従来技術の問題点、ミクロ分散機
能を高め前述の問題点を解決するものとして、ロ
ータ断面部のせん断応力τを従来レベル（γmax
＞350）に維持し、一方、τ＞τcの部分を通過す
る材料の流量を増加させることにより、被分散材
料全体が短時間に有効なせん断を受ける手段を案
出したのである。

つまり、前述の(B)に属するけれどもロータのチ
ツプクリアランスhoを拡大する一方、ロータ回
転数Ｎを従来レベル以上にするのである。

具体的には、本発明は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ヤンバ内に一
対の逆方向の回転する並列のロータが配置されて
なるものにおいて、ロータ径Ｒとチツプクリアラ
ンスhoの比α（＝ho／Ｒ）が、0.015＞α＞0.04と
されており、ロータ回転数Ｎが、70rpm〜
250rpmとされており、ロータ回転比が1.0〜1.2、
ロータ長／胴径比が1.2〜2.2、ロータ喰込角が15°
〜35°、ローラ翼長さ比Ls／Llが、0.1〜0.48、ロ
ータ翼捩れ角θlが20°〜45°、θsが0°〜45°とされ
て
いることを特徴とする密閉型混練機。

但し、Lsは短翼の長さ、Llは長翼の長さ、θlは
長翼の捩れ角、θsは短翼の捩れ角。

に関するものである。

（具体的構成） 以下、図面を参照して詳述すると、第５図１，
２は本発明を説明するための模式図であり、図
中、Ｐはポンプであり、図示の如く、投入材料Ｖ
（cm³）の中から、ロータせん断部Ｘ（τ＞τc）へ送
られる流量Ｑを増大させれば、Ｖ全体が有効なせ
ん断（τ＞τc）を受ける時間が短縮出来るという
ものである。

また、τのレベルは従来レベルに保たれるの
で、過大なトルク発生の抑制やＱ増大により、局
部発熱の早期緩和が期待できる。また、翼数の増
加は必要ないので、自由空間の減少による混合性
低下の問題も生じない。

流量Ｑとτを、ロータ形状と回転数Ｎによつて
表現すると、 まずロータ断面方向に移動し、チツプを通過す
る流量Ｑはけん引流れの考え方で(3)式で表され
る。

Ｑ＝１／２ｖ・ho・Ｌ ……(3) Ｑ；流量（cm³／sec） ｖ；ロータ速度（cm／sec） ho；チツプクリアランス Ｌ；ロータ軸方向長さ（cm） ｖ＝πRN／60より(3)式は Ｑ＝１／120πR・Ｎ・ho・Ｌ ……(4) となる。したがつてＱを増加するには、hoある
いはＮを増加すればよい。

一方、ロータ断面部でのτは第１図に示したよ
うに分布をもつているが、代表値としてチツプ部
のτmaxをもつて表わせば、(1)，(2)式より τmax＝Ｋ・（π・Ｒ・Ｎ／ho60）ⁿ ……(5) となる。したがつて、τmaxを一定レベルに保
ち、過剰なτを加えず、かつ、Ｑを増加するには
(5)式の中にRN／hoを一定になるように、Ｎ、hoを 増加すればよい。具体的には、hoとＮの増加比
をほぼ同じにすればよいと考えられる。

この方法の効果（つまり、発熱や過大トルクを
抑制しつつ、ミクロ分散の早期達成＝混練時間の
短縮）を確認する為に、生産機としては最小レベ
ルのミキサと同径（203φ）のチヤンバをもち、
軸方向長さＬは実機の1/3のモデル機を使用し、
ho，Ｎを変化させて混練テストを実施した。こ
のモデル機は、比噛合型、噛合型のチヤンバを兼
用できるので両機構で評価した。

混練は、天然ゴムの素練りと、合成ゴム
（SBR）とカーボンブラツクのマスターバツチ練
りを行ない、一定の品質（ここでは、ムーニ粘度
及びカーボン分散度）となるに要する混練時間
（tm）をミクロ分散能力としてとらえた。また、
その一定品質になつた時点のゴム排出温度
（Tdis）及び混練に要したエネルギ（Esp）
（KWH／Kg）を評価した。

このテスト結果の一例を（比噛合型）第６図及
び第７図に示す。これらの図は、品質としてムー
ニ粘度を取上げ、一定のムーニ粘度に達した時の
tm及びTdisとＮの関係におけるhoの効果を示
す。hoはミキササイズで異なるので、α＝ho／
Ｒとして図中に示した。Ｒが大きいものはhoが
大きいからである。

前述の第２，３図よりこれまでの生産機では、
α＝0.015以下であり、またゴム用としては、Ｎ
は40〜70rpm、ロータ径が200φ付近ではＮ＝
60rpmである。したがつて、これまでの生産機の
基準条件を仮にα＝0.015、Ｎ＝60rpmとすると
第６図より、α＝0.0285、Ｎ＝90rpmに、ho、Ｎ
を増大させると品質一定で、基準条件より短時間
混練が可能となることがわかる。

また、第７図よりTdisは基準条件とほぼ同じ
に保たれたことがわかる。また噛合型でも例示し
ていないが、同様な結果が得られた。

この結果を、γmax−tmの関係にまとめたもの
が第８図で、図中、Ｎ、αの影響及びTdisの結
果を加えてある。

第７図において、Ａがα＝0.015、Ｎ＝60rpm
の基準条件を示し、ＡよりＣの方向へ進む（α増
大、Ｎ増大）により、品質一定、Tdis一定で混
練時間の短縮がなされ、ミクロ分散機能が向上し
たことが確認できる。（ここで、Ｃの方向へ進む
場合、γmaxが低下し、したがつてτmaxも低下
したにもかかわらず、ミクロ分散が進行した。こ
の原因はτmaxはho増大により低下しているが、
ロータフロント面のｈは基準条件と変えないの
で、γ＝π・Ｒ・Ｎ／60hよりフロント面のγ増加、 つまり、τ増加によりロータ断面全体のτの平均
レベルが保たれたためと考えられる。） 一方、ｂの方向（Ｎ＝一定でα減少）及び、ａ
の方向（α＝一定でＮ像増加）は、混練時間を短
縮するが、Tdisの増大をまねき、前述したよう
に過大トルクや局部発熱につながる。

第９図は、同様に天然ゴムの素練りの一例であ
り、C′の方向（α増大、Ｎ増大）により、Tdis
一定、品質一定で、混練時間短縮が得られる。

第１０図と第１１図は、それぞれ第８図及び第
９図の結果に従来ミキサの仕様を重ねて、ミクロ
分散能力を比較したものである（γmax＜350以
下）。

これらの図より、噛合型、非噛合型を問わず、 αは0.015＜α＜0.04で Ｎは従来回転数以上、すなわち70rpm〜
250rpmで ミクロ分散能力の向上が図られ、Tdis上昇を
抑え、生産性増大が達せられる。

上述のロータ回転数の上限を250rpmとしたの
は次の理由による。

すなわち、ゴムの混練機ではロータチツプ先端
部の最高せん断速度γmaxは、ほぼ350sec^-1以下
である。これ以上のせん断速度を与えると、ゴム
に生じるせん断応力が10⁷dyne／cm²以上になり、
ゴムの分子切断や急激なゴム温度上昇によりゴム
の分解が生じ、劣化が発生する。したがつて、ロ
ータ先端部最高せん断速度γmaxの上限を
350sec^-1とすると、本願におけるロータ回転数Ｎ
の上限が決まる。

本願では、0.015＜α＜0.04（α＝ho／Ｒ）であり、 γmaxは γmax＝πR・Ｎ／60ho＝πN／60α＜350 より Ｎ＜6684.5×αとなる。

αの上限は0.04より上式にα＝0.04を代入して Ｎ＜267rpm となる。したがつて、Ｎの上限としては Ｎ≦250rpm となる。

次に、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ヤンバ４内に一対の逆方向に
回転する並列のロータ５を配置した例を示す第１
２図から第１４図において、６は短翼、７は長
翼、８は投入口であり、ロータ５は噛合型あるい
は非噛合型を問わないけれども、ロータ形状は次
のようにされる。

つまり、高速、ho大化した場合における熱的
不均質性を増大させず、また、混合性を低下させ
ずに生産性を向上するには次の条件が必要であ
る。

すなわち、ロータ回転比；は1.0〜1.2である。
これは左右ロータにおける混練消費エネルギを同
じにし、均一発熱を得るべくしたものであり、ロ
ータ回転比は1.0（同速）が望ましいけれども1.2
以下であれば問題はない。

ロータ長／胴径比；は1.2〜2.2である。

これはロータ強度上胴径比2.2以下であり、冷
却面積の確保上1.2以上必要となるからである。

ロータの喰込角θ；は15〜35°である。

これは材料の投入時の喰込能力を維持するため
に15°≦θで、また、ロータフロント面上での材
料の滞留を除くためにθ≦35°が必要となる。

ロータ翼長さ比；つまりLs／Llは0.1〜0.48、
ロータ翼捩れ角θlは20°〜45°、θsは0°〜45°とさ
れ、
これはバツチ内の混合性を低下させないためであ
る。

（実施例） 内径220φのチヤンバ容積16の非噛合型ミキ
サを使用して、このサイズミキサの基準条件（Ｎ
＝60rpm、α＝0.015）と、本願にもとづく新し
い混練装置（Ｎ＝90、α＝0.029）を比較した。
両ロータの翼配置は、第１２図に示す４翼ロータ
で断面形状α（＝ho／Ｒ）が異なる。

混練は、天然ゴムの素練り、及びタイヤ用カー
ボンマスターバツチ練りを実施し、同一品質（ム
ーニ粘度あるいはカーボン分散が一定レベルに達
する）における混練時間tm、排出温度Tdis、混
練消費エネルギEsp（KWH／Kg）、最大投入量、
材料喰込性（ラム降下時間）等と比較した。

この実施例では、従来ミキサ基準条件に対し (1) 生産性（混練時間比較） 天然ゴム ……70％向上 タイヤ配合 ……30％向上 (2) 発熱（排出ゴム温度） 同等 (3) Esp 天然ゴム ……13％減少 タイヤ配合 ……４％減少 (4) ピークトルク 天然ゴム ……10％減 タイヤ配合 ……２〜10％減 (5) 喰込性と最大投入量 同一投入量の時のラム降下時間 天然ゴム ……50％減 タイヤ配合 ……25％減 最大投入量 天然ゴム ……９％向上 タイヤ配合 ……６％向上 という著しい混練能力の向上が認められた。

（発明の効果） 以上、要するに本発明によれば、(1)ゴム温度上
昇を起さずに、かつ過大なトルク発生、局部発熱
を抑制し、(2)混練時間の短縮、(3)ピークトルクの
減少、(4)混練エネルギの減少、(5)喰込性能の向
上、(6)最大投入量の拡大がなされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のロータせん断部の説明図、第２
図は従来ゴム用ミキサにおけるロータ径Ｒとチツ
プクリアランスhoと回転数Ｎとの関係を示すグ
ラフ、第３図は同じくロータ径Ｒとαおよびチツ
プ部せん断速度（γmax）との関係を示すグラ
フ、第４図１，２は従来の２翼ロータと４翼ロー
タを示す平面図、第５図は本発明を説明するため
の模式図、第６図はSBR、カーボンブラツクマ
スターバツチ練りにおける回転数Ｎと混練時間の
関連を示すグラフ、第７図は同じく回転数とゴム
排出温度の関係を示すグラフ、第８図はカーボン
ブラツクマスターバツチ混練におけるチツプ部せ
ん断速度（γmax）と混練時間の関係におけるロ
ータ形状、回転数の効果を示すグラフ、第９図は
天然ゴム素練り、混練物品質（ムーニ粘度＝75）
一定におけるチツプ部せん断速度（γmax）と混
練時間の関係におけるロータ形状、回転数の効果
を示すグラフ、第１０図は第８図に対応する従来
例を示すグラフ、第１１図は第９図に対応する従
来例を示すグラフ、第１２図は本発明一例の16
ミキサロータ翼形状を示す平面図、第１３図は同
断面図、第１４図１，２は本発明におけるロータ
とチヤンバとの取合及びロータ展開図である。 ４……ミキサチヤンバ、５……ロータ、６……
短翼、７……長翼。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ケーシングとエンドフレームにより密閉され
   たミキシングチヤ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ものにおいて、 ロータ径Ｒとチツプクリアランスhoの比α（＝
   ho／Ｒ）が、0.015＜α＜0.04とされており、ロ
   ータ回転数Ｎが、70rpm〜250rpmとされており、
   ロータ回転比が1.0〜1.2、ロータ長／胴径比が1.2
   〜2.2、ロータ喰込角が15°〜35°、ロータ翼長さ比
   Ls／Llが、0.1〜0.48、ロータ翼捩れ角θlが20°〜
   45°、θsが0°〜45°とされていることを特徴とする
   密閉型混練機。 但し、Lsは短翼の長さ、Llは長翼の長さ、θlは
   長翼の捩れ角、θsは短翼の捩れ角。