JPS6244409A - 密閉型混練機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、プラスチックの混練に使用さ
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ックの混練に通したバッ
チ式混練機であり、とくにゴムの素練り（可塑化練り）
、カーボンマスターハ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）に通したミキサーとしてタ
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。

この種混練機として望まれる事項は、ａ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
。

バッ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）とミクロ分散機能くせん断分散作用）
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
ん新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５９−３１
３６９号公報によって明らかにされている。

ところで、前述のバッ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、基本的にマクロ分子＆、ｔｉ能を向
上させるべ（、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はチャンバ型、■はロータスピード、ｈｏはチップク
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、
ロータチップに近い部分の高いせん断応力によって、ゴ
ムの分子切断や可塑化、また添加剤、例えばカーボンブ
ラックの分散がなされる。

特に、添加剤の分散はタイヤニ業には非常に重要な項目
であるが、この分散には、ある下回のせん断応力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。

従って、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＋１１式で表され、また
、けん川流れをするとせん断速度γは（２）式で表され
る。

τ＝　Ｋ　−ｒ　ｒｌ−一−−−−・−一−−−−−−
−−−−−ｆｌ）０ｈ 但し、ｎ；粘性指数＞Ｏ，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（チップ部付近）を材料が通
過する機会を増大する方法。

（Ａ）の方法は＋１１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）　　；（２１式よりロータ断面形伏一定で、
Ｎの増加による方法。

（＾−２）；（２１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
でなかった。

すなわち、（＾−１）　、　（Ａ−２）の方法では、ｒ
ｍａｘ（チップ部の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
発熱によって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ったためであり、この問
題は、発熱をきらう材料にとっ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
るという問題があった。

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、これまでゴム用バッチミキサは経験か
ら得られた一定の基準のもとに設計、製作される結果と
なっている。

因みに、第２図に従来のバッチミキサの仕様を示してい
るが、ロータ径Ｒに対してｈａ、　Ｎはほぼ一定の基準
に沿って決められ、Ｎは４０〜？Ｏｒｐｍとされている
。

これは、第３図に示す如く、ｒｍａｘ　　（チップ部の
み）は、３５０ｓｅｃ”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〜
。

０．０！、５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（＾）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Ｈ２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、カーボンブラックマスターバッ
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、翼数の増加によって、チャンバ内空間が
減少し、役人材料／バッチが低下する点や、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。

従って、さらに翼数を増加（例えば６翼化や補助器付）
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縮少や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しる。

■；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） 本発明は前述従莱技術の問題点、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（７ｍａｘ＜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ップ
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ものにおいて、ロ
ータ径ＲとチップクリアランスｈＯＯ比α（＝ｈｏ／Ｒ
）が、０．０１５＜α＜０．０４とされており、ロータ
回転数Ｎが、７０ｒｐ１１１〜２５０ｒｐｍ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／１．＋２が、０．１〜０．４
８．　　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ｌ昆
＆東機。

但し、Ｌｓは短翼の長さ、ｔ、ｇは長翼の長さ、θには
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
１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＜、役人材料Ｖ（ｃＪ）の中か
ら、ロータせん断部Ｘ（τ〉τＣ）へ送られる流ｉ１Ｑ
を増大させれば、■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ちのである。

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ＪｉＱとτを、ロータ形状と回転数Ｎによって表現す
ると、 まずロータ断面方向に移動し、チップを通過する流ｉＱ
はけん川流れの考え方で（３）式で表される。

Ｑ＝−Ｖ・ｈＯ・Ｌ・−−−−−一−−−（３＋Ｑ；流
量（ｃＪ　／　５ｅｃ） ■；ロータ速度（ｃｍ／５ｅｃ） ｈｏ；チップクリアランス Ｌ；ロータ軸方向長さくＣｍ） ■−□　より　（３）式は Ｑ−□πＲ−Ｎ−ｈＯ・Ｌ−−−一（４）となる。した
がって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
をもっているが、代表値としてチップ部のτｍａｘをも
って表わせば、（１１，（２１式よりｏ６０ となる。したがって、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（２
０３φ）のチャンバをもち、軸方向長さしは実機の１７
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、非噛合型、噛合型の
チャ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、りのマスターバンチ練りを行ない、一定の
品質（ここでは、ムース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、その一定品質になっ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（非吻合型）第６図及び第７図
に示す。これらの図は、品質としてムース粘度を取上げ
、一定のムース粘度に達した時のＬｍ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４０〜７
０ｒｐＨ＋で、ロータ径が２００φ付近ではＮ−６Ｏｒ
ｐ 基準条件を仮にα＝０．０１５，　　Ｎ　＝６Ｏｒｐｍ
とすると第６図より、α＝０．０２８５，　　Ｎ　＝９
Ｏｒｐｍ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、ｒｆｆａｘ　−ｔｒａ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
を加えである。

第７図において、Ａがｃｒ　＝０．０１５．　　Ｎ　＝
６Ｏｒｐｍ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、ｒ　ｍ
ａｘが低下し、したがって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、す、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増加）は、混練時間を短縮するが、Ｔｄｉ
ｓ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９　Ｎ増大）により、Ｔｄｔｓ一定２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（　ｒ　ｍａｘ　＜　３５０以下）これ
らの図より、噛合型，非噛合型を問わず、αは　０．０
１５　＜α＜　０．０４でＮは　従来回転数以上、すな
わち７０ｒｐｍ〜２５０　ｔｐｍ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２５Ｏｒｐｍ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ップ先端部の最高
せん断速度γｍａｘは、はぼ３５０　ｓｅｃ”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、１０’　ｄｙｎｅ／ｃｊ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。したがって・ロータ先端部最高
ぜん断速度γｍａｘの上限を３５０ｓｅｃ−’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＝−
）であす、Ｔｌｌ１ａｘは ６０ｈｏ　　　　　６０　ｒｘ より Ｎ　＜　６６８４．５　ｘα　となる。

αの上限は０．０４より　上式にα＝０．０４を代入し
て Ｎ＜　２６７　ｒｐｍ となる。したがって、Ｎの上限としてはＮ≦２５０　ｒ
ｐｎ＋ 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
キシングチャンバ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１２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噴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／ＬＩ２はＯ，Ｌ〜０．
４８゜ロータ翼捩れ角θＲは２０°〜、４５°、θｓは
Ｏ°〜４５°とされ、これはバッチ内の混合性を低下さ
せないためである。

（実施例） 内径２２０φのチャンバ容４１１６　ｇ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＝６Ｏ
ｒｐｍ、　　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。

両ロータの翼装置は、第１２図に示す４翼ロータで断面
形状α（＝ｈｏ／Ｒ）が異なる。

ｌ昆練は、天然ゴムの素練り、及びタイヤ用カーボンマ
スターバッチ練りを実施し、同一品質（ムー二粘度ある
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、材料噛込性（
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 天然ゴムー−−−−−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〜ｌＯ％減 ５）噛込性と最大投入量 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％城 最大投入量 天然ゴムーーーーーーー　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、ｉｌｌゴム温度上昇を
起さずに、かつ過大なトルク発生９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）噛込性能の向上、（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とチップクリアランス
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およびチップ部せん断速度（ｙｍａｘ）
との関係を示すグラフ、第４図（１１＋２１は従来の２
翼ロータと４翼ａ−夕を示す平面図、第５図（１１（２
１は本発明を説明するための模式図、第６図はＳＢＲ、
カーボンブラックマスターパン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
プラノクマスターバソチ混練におけるチップ部せん断速
度（Ｔｍａｘ）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図は天然ゴム素線り、
混練物品質（ムー二粘度＝７５）　一定におけるチップ
部せん断速度（ｒｍａｘ）と混線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１Ｏ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面は本発明−例の
ｔａｐミルミキサロータ状を示す平面図、第１３図は同
断面図、第１４図ｆｔｌ　（２）は本発明におけるロー
タとチャンバとの取合及びロータ展開図である。 ４・・・ミキサチャンバ、５・・・ロータ、６・・・短
翼、７・・・長翼。 特　許　出　願　人　　株式会社神戸製鋼所手続補正書
動式） 昭和６１年２月６日 昭和６０年　特許願　第１８４５０６号２、発明の名称 密閉型混練機 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （１１９）株式会社神戸製鋼所 ４、代理人８５７７ 昭和６０年１１月２６日 する　（内釜に良丈７五しＪや 第１図

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ものにおいて、 ロータ径Ｒとチップクリアランス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Ｌ＿ｓ／Ｌ＿ｌが、０．１〜０．４８、ロー
   タ翼捩れ角θ＿ｌ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、Ｌ＿ｓは短翼の長さ、Ｌ＿ｌは長翼の長さ、θ＿
   ｌは長翼の捩れ角、θ＿ｓは短翼の捩 れ角。