KR101522465B1 - 실리카 고무의 배합온도 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고무와 약품 등의 원료를 투입하고 로터로 교반하면서 실리카 고무의 배합온도를 제어하는 방법에 있어서: PC에 배합 제어 조건을 입력하고 원료를 투입하면서 배합을 수행하는 제1단계(S10); 상기 원료의 추가적인 배합 과정을 거치면서 배합 고무의 온도상승속도에 대한 기울기 데이터를 획득하는 제2단계(S20); 상기 기울기 데이터를 연산으로 분석하여 실란반응에 요구되는 로터회전속도를 갱신하는 제3단계(S30); 및 실리카와 실란이 반응하는 과정에서 배합온도 기울기 변화에 대응한 실시간 로터속도 제어로 정온배합을 수행하는 제4단계(S40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 실리카와 실란의 최적 반응을 위해 설정한 온도를 초과하지 않고 설정된 시간동안 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하여 실리카 고무의 배합 품질을 향상하는 효과가 있다.

Description

실리카 고무의 배합온도 제어방법 {Temperature Control Method for Mixing Silica Filled Compound}

본 발명은 실리카 고무의 배합온도 제어방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 실리카 배합 시 필연적으로 사용되는 실란이라는 공정조제와의 반응 온도와 반응 시간을 충분히 확보하여 실리카 고무의 품질을 향상시킬 수 있는 실리카 고무의 배합온도 제어방법에 관한 것이다.

고무를 배합함에 있어서, 종래 수동 작업에 의한 작업자의 임의성을 배제하기 위하여, PLC와 PC를 이용하여 믹서 로터 회전수(RPM), 램 실린더(Ram Cylinder) 압력 등의 배합 인자를 배합 단계 별로 미리 설정한 상태에서, 각 배합 단계마다 배합 시간, 배합온도, 배합 에너지 등의 결정 인자 기준 값을 설정하여, 주어진 설정 값에 만족할 때까지만 고무를 배합한 후 다음 단계로 진행하며, 이렇게 최종 배합 완료를 위한 결정 인자의 기준 값에 도달하게 되면 배합을 완료하였다.

또한 배합온도에 따른 비례 제어를 통해 로터속도를 제어하거나, 미리 배합온도 및 에너지 등의 한계 범위를 설정한 후 이를 벗어남에 따라 비례 제어를 통해 로터속도, 램 실린더 압력 등을 제어하여 배합을 하였다.

이러한 제어기술로서 한국 등록특허공보 제0520110호에는 고무의 목표 혼합 제어 값을 설정하고, 실제 온도 값과 비교하여 그 차이에 따라 로터속도를 제어하는 방법이 제안되어 있다. 또한 EP 1,201,387에는 온도, 에너지 등의 간접 인자의 한계 범위를 설정하고, 실제 배합이 이 범위를 벗어날 때, 비례적으로 로터속도 및 램 실린더 압력을 제어하는 방법이 제안되어 있다.

그런데, 상기한 바와 같은 종래 기술들에 있어서는 실제 배합온도가 미리 설정한 온도를 벗어날 경우에 그 온도 차이에 따라 로터속도 제어를 시작하게 되어 있으며, 이 경우 배합온도는 믹서 내부 써모커플(Thermocouple)에서 감지한 온도와 비례제어기 또는 PC와의 응답 시간 때문에 항상 설정 온도를 벗어난 상태에서 제어를 시작할 수밖에 없다.

또한, 온도 차이에 따른 로터속도 제어 값을 비례제어 값(통상적으로 온도 1℃ 당 로터속도 변화량)으로 미리 입력하기 때문에, 다양한 고무들의 발열 특성(배합 중 온도 증가 속도)에 따라 로터속도 제어 값도 달라져야 하나, 이를 반영하기가 어려우므로 사용자가 원하는 온도 제어가 가능한 적용 대상 고무들이 제한적일 수 있다.

특히 실리카 고무 배합 품질을 결정하는 가장 중요한 요소인 실리카와 실란(공정조제)의 충분한 반응을 위해서는 실란반응 온도 범위(통상 130~150℃ 사이) 내에서 임계 온도를 설정하고, 그 온도를 충분한 시간동안 유지하는 것이 중요한 데, 종래 기술로는 정확한 온도 유지에 한계가 있다.

1. 한국 등록특허공보 제0520110호 “밀폐식 혼합기의 고무 혼합 제어 방법”(공개일자 : 2004. 5. 27.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 제 1 목적은 실리카와 실란의 최적 반응을 위해 설정한 온도를 초과하지 않고 설정된 시간동안 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하여 실리카 고무의 배합 품질을 향상시키는데 있다.

또한, 본 발명의 제 2 목적은 실리카 배합 시 필연적으로 사용되는 실란이라는 공정조제와의 반응 온도와 반응 시간을 충분히 확보하여 실리카 고무의 품질을 더욱 향상시키는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고무와 약품 등의 원료를 투입하고 로터로 교반하면서 실리카 고무의 배합온도를 제어하는 방법에 있어서: PC에 배합 제어 조건을 입력하고 원료를 투입하면서 배합을 수행하는 제1단계; 상기 원료의 추가적인 배합 과정을 거치면서 배합 고무의 온도상승속도에 대한 기울기 데이터를 획득하는 제2단계; 상기 기울기 데이터를 연산으로 분석하여 실란반응에 요구되는 로터회전속도를 갱신하는 제3단계; 및 실리카와 실란이 반응하는 과정에서 배합온도 기울기 변화에 대응한 실시간 로터속도 제어로 정온배합을 수행하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 제1단계 내지 제3단계는 실란반응 이전의 온도증가 기울기를 설정된 주기로 분석하여 저장하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 제4단계는 배합온도와 로터회전속도 간 비례제어를 실시하기 위한 주기를 설정하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 제4단계는 실란반응의 개시와 동시에 이전에 저장된 정보를 근거로 하여 재설정된 값으로 로터회전속도의 감소를 진행하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 제4단계는 실란반응이 진행되는 동안 목표온도와 현재온도의 차이에 대한 기울기를 비교ㆍ연산하여 기울기가 “0”이 되는 시점까지 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 실리카와 실란의 최적 반응을 위해 설정한 온도를 초과하지 않고 설정된 시간동안 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하여 실리카 고무의 배합 품질을 향상시키는 제 1 효과가 있다.

또한, 본 발명은 실리카 배합 시 필연적으로 사용되는 실란이라는 공정조제와의 반응 온도와 반응 시간을 충분히 확보하여 실리카 고무의 품질을 더욱 향상시키는 제 2 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배합온도의 자동 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 배합온도상승속도(기울기)에 대응하여 로터회전속도 변화량을 설정하기 위한 입력 화면이다.
도 3a는 종래기술과 본 발명에 따르는 배합 조건 입력/ 비교표이다.
도 3b는 상기 3a를 이용한 실시 예로 실리카 고무 배합온도와 로터회전속도 변화를 나타낸 배합 결과 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 효과를 확인하기 위한 실시 예로 실란반응 시간을 더 연장하여 여러 배치를 배합한 결과 그래프이다.
도 4는 상기 배합 결과에 따른 실리카 분산 품질 비교표이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고무와 약품 등의 원료를 투입하고 로터로 교반하면서 실리카 고무의 배합온도를 제어하는 방법에 관하여 제안한다. 실리카 고무의 배합 과정에서 설정한 임계온도를 초과할 경우에는 실란 내에 포함된 유황(Sulfur)의 반응으로 조기 가류(Scorch 또는 Precured Lump) 불량 발생의 위험이 있으며, 이를 방지하기 위해 너무 낮은 온도에서 유지하게 되면 보다 긴 반응 시간이 필요하여 생산성이 하락할 수 있다.

본 발명의 제1단계(S10)는 PC에 배합 제어 조건을 입력하고 원료를 투입하면서 배합을 수행하는 과정으로 시작된다.

우선 고무 배합이 실질적으로 이루어지기 전에 배합 제어 조건을 입력하는 단계로서 전체 배합 단계 별 로터회전속도, 램 압력, 제어 시간, 제어 온도 등을 입력하며, 이는 후속되는 배합 단계에서 배합온도상승속도(기울기) 분석을 위한 데이터로 활용된다. 이외에 실란반응 배합 단계의 조건으로 실란반응 온도와 유지 시간을 설정한다.

도 2의 입력 화면을 개략적으로 살피면, 부호 11은 배합온도상승속도(기울기) 분석시간을 설정하는 부분이고, 부호 13은 분석된 온도상승속도(기울기)에 대응하는 로터회전속도(RPM) 조정 값을 설정하는 부분이고, 부호 12 및 부호 14는 실란반응 배합 단계에서의 일정한 온도 유지를 위해 현재 배합온도와 목표 온도(설정 온도)와의 비교시간 및 기울기를 설정하는 부분이다. 일예로, 현재 배합온도가 목표 온도(설정 온도)보다 낮으면 분석된 온도상승속도(기울기)를 더 높이도록 기울기를 “+” 값으로 설정하고, 현재 배합온도가 목표 온도보다 높다면 반대로 기울기를 “-”값으로 설정하여 온도상승속도(기울기)를 느리게 한다.

본 발명의 제2단계(S20)는 상기 원료의 추가적인 배합 과정을 거치면서 배합 고무의 온도상승속도에 대한 기울기 데이터를 획득하는 과정으로 진행된다. 추가적인 배합은 고무와 약품 등의 원료를 투입하고 배합하는 과정이다. 기울기 데이터 획득을 위해 PC 상에 MCC 소프트웨어를 탑재하고 자동 인식/연산 제어를 수행할 수 있다.

본 발명의 제3단계(S30)는 상기 기울기 데이터를 연산으로 분석하여 실란반응에 요구되는 로터회전속도를 갱신하는 과정으로 진행된다. 현재 배합하고 있는 고무의 배합온도상승속도(기울기) 분석이 완료되면, 분석된 기울기 값과 배합 제어 조건에 입력된 제어 값들과 비교하여, 분석된 기울기 값에 대응하도록 실란반응 배합 단계의 로터회전속도 값이 갱신된다. 또한 이러한 온도 차이에 대응하는 로터회전속도 변화량 역시 갱신된다.

도 2에서, 분석시간(부호 11)은 실란반응 이전 단계를 온도증가 기울기를 측정하고 분석하는 시간을 설정하는 부분이다. 도시에는 5초 동안의 온도증가 기울기를 분석해서 이 결과 값을 근거로 로터회전속도 재설정 값(부호 13)을 결정ㆍ연산하게 설정됨을 나타낸다.

본 발명의 제4단계(S40)는 실리카와 실란이 반응하는 과정에서 배합온도 기울기 변화에 대응한 실시간 로터속도 제어로 정온배합을 수행하면서 완료된다. 상기 제4단계(S40)는 설정된 배합온도에서 설정된 시간동안 유지하도록 수행된다. CTC(Constant Temperature Control)는 사용자가 요구하는 배합온도에서 요구 시간동안 제어/유지하기 위해 배합 인자(RPM 등)를 제어하는 과정으로 진행된다.

본 발명의 세부구성에 의하면, 도 2에서, 배합온도와 로터회전속도 간 비례 제어를 실시하기 위한 시간 설정 값(부호 12)을 입력한다. 현재는 1초마다 배합 온도와 로터 회전속도 간의 비례 제어 값이 갱신되어 적용된다.

본 발명의 세부구성에 의하면, 도 2에서 부호 13으로 나타내는 부분이 본 발명의 주요 특징에 해당한다. 실란반응 이전단계의 배합온도 증가속도(기울기)에 대응하는 로터회전속도 갱신 값(재설정 값)으로 이 단계에서의 온도증가속도(기울기)는 항상 “+”값이므로 온도증가 기울기에 대응하여 로터회전속도 감속량이 결정된다. 물론 입력 값은 사용자가 직접 설정하는 것으로서 “-”기울기의 설정도 가능하다. 실란반응 단계에 진입되기 전에 기울기 분석 및 로터회전속도 감속량이 이미 결정되어, 실란반응 단계 진입과 동시에 재설정된 로터회전속도로 미리 감소이 이루어진다.

이때, 본 발명은 도 2의 부호 14처럼 실란 반응 온도 구간에서 목표온도와 현재온도를 비교ㆍ연산하는 과정을 거친다. 목표온도 보다 현재온도가 높을 경우와 반대의 경우 온도차이에 대응하는 기울기 변화 값을 다르게 설정한다. 이는 배합온도의 증가 속도와 감소 속도의 기울기가 다를 수밖에 없음을 반영하는 것이다. 종래의 기술은 PLC를 이용하여 단순 비례제어를 수행하므로 온도차이에 대응하는 로터회전속도 대응량이 고정된다.

본 발명의 일예로, 온도 1℃를 상승시키기 위한 로터회전속도 증가량이 “+ 2RPM”이라면 온도를 1℃ 하강시키기 위한 로터회전속도 감소량도 “+ 2RPM”로 설정할 수 있다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 제4단계(S40)는 실란반응이 진행되는 동안 목표온도와 현재온도의 차이에 대한 기울기를 비교ㆍ연산하여 기울기가 “0”이 되는 시점까지 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명과 같이 온도상승을 위한 기울기 값과 이에 대응하는 로터회전속도, 온도하강을 위한 기울기 값과 이에 대응하는 로터회전속도를 구분ㆍ연산하여 적용하면 보다 빠른 시간 내에 정확하게 목표 온도에 도달할 수 있고 이러한 방식의 제어는 기울기가 “0”으로 될때까지 전술한 도 2에서 부호 12의 설정 값인 “1초”마다 수행된다.

이어서, 배합 종료 조건 확인을 거쳐 이를 만족하면 배합이 종료된다.

도 3a는 종래 기술과 본 발명을 이용하여 실리카 배합을 한 실시 예로 배합 단계와 각각 배합 단계에서의 제어 값을 나타내며, 본 발명의 배합 단계를 보면 배합온도상승속도(기울기) 분석을 위한 배합 단계가 추가되는 것을 알 수 있다.

도 3b는 상기 도 3a에서 제시한 배합 단계와 제어 값을 이용하여 배합한 결과이며, 종래기술 1의 실란반응 배합 단계에서의 온도 곡선(21)을 보면 온도 유지가 되지 않고 있으며 이때의 로터회전속도(22)는 고정되어 있다. 또한 종래기술 2와 같이 실란반응 배합 단계에서 온도 차이에 대응하는 로터회전속도를 비례 제어했을 때 온도 곡선(31)을 보면 배합온도가 실란반응 설정 온도를 초과했다가 배합 종료 시점에서야 설정 온도에 도달했음을 확인할 수 있다.

이때 로터회전속도(32)는 배합 단계 진입 후 일정 시간이 지난 후에야 감속이 되고 최저 회전 속도에 도달 한 후에도 현재 배합온도가 설정 온도보다 높기 때문에 변하지 않음을 알 수 있다.

반면, 본 발명을 이용한 결과 배합온도(51)는 서서히 설정 온도에 도달하여 정확하게 온도를 유지하는 것을 볼 수 있고, 이때 로터회전속도(52)는 실란반응 배합 단계에 진입하자마자 급격히 감속된 후 실제 배합온도와 설정 온도 차이에 대응하며 연속적으로 제어되고 있음을 볼 수 있다.

도 3c에서도 볼 수 있듯이 실란반응 배합 단계에서 설정 시간을 더 길게 하여 여러 배치를 배합한 결과, 배합온도(51)가 잘 유지되며 이때 로터회전속도(52)도 잘 제어되고 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 종래기술과 본 발명을 이용하여 실시한 실리카 배합 고무의 품질 비교 결과는 도 4에 나타난다. 이는 통상적으로 실리카 분산도 측정을 위해 사용하는 “RPA-2000 또는 MDR-3000”이라는 시험기의 결과값이며, ΔG'의 값이 낮을수록 실리카 분산이 좋은 것을 의미한다.

도 4에서, 실리카 분산이 종래 460.94 Kpa에서 본 발명에서는 416.19 Kpa로 향상되었으며, 표준편차도 종래 46.52 Kpa에서 11.59 Kpa로 향상되어, 본 발명이 실리카 배합 고무 품질 향상에 큰 영향이 있음을 알 수 있었다. 즉, 본 발명은 종래기술을 적용한 경우보다 실리카 분산 수준도 좋아지고 로트(Lot) 간의 편차 역시 감소했음을 확인할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

S10~S40: 단계
11 : 온도상승속도(기울기) 분석 시간
12 : 실란반응 배합 단계에서 실제 배합온도와 설정 온도 비교 시간
13 : 분석된 온도상승속도(기울기)에 대응하는 로터회전속도 조정 값
14 : 실란반응 배합 단계에서 온도 차이에 대응하는 기울기 제어 값

Claims (6)

1. 고무와 약품의 원료를 투입하고 로터로 교반하면서 실리카 고무의 배합온도를 제어하는 방법에 있어서:
   PC에 배합 제어 조건을 입력하고 원료를 투입하면서 배합을 수행하는 제1단계(S10);
   상기 원료의 추가적인 배합 과정을 거치면서 배합 고무의 온도상승속도에 대한 기울기 데이터를 획득하는 제2단계(S20);
   상기 기울기 데이터를 연산으로 분석하여 실란반응에 요구되는 로터회전속도를 갱신하는 제3단계(S30); 및
   실리카와 실란이 반응하는 과정에서 배합온도 기울기 변화에 대응한 실시간 로터속도 제어로 정온배합을 수행하는 제4단계(S40);를 포함하고,
   상기 제4단계(S40)는 실란반응의 개시와 동시에 이전에 저장된 정보를 근거로 하여 재설정된 값으로 로터회전속도의 감소를 진행하는 것을 특징으로 하는 실리카 고무의 배합온도 제어방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1단계(S10) 내지 제3단계(S30)는 실란반응 이전의 온도증가 기울기를 설정된 주기로 분석하여 저장하는 것을 특징으로 하는 실리카 고무의 배합온도 제어방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제4단계(S40)는 배합온도와 로터회전속도 간 비례제어를 실시하기 위한 주기를 설정하는 것을 특징으로 하는 실리카 고무의 배합온도 제어방법.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제4단계(S40)는 실란반응이 진행되는 동안 목표온도와 현재온도의 차이에 대한 기울기를 비교ㆍ연산하여 기울기가 “0”이 되는 시점까지 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 실리카 고무의 배합온도 제어방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 배합 조건을 입력하는 제1단계(S10) 중 제1과정은,
   로터회전속도, 램 압력, 제어 시간, 제어 온도을 입력하며, 제2과정은 실란반응 온도와 유지 시간을 설정하는 것을 특징으로 하는 실리카 고무의 배합온도 제어방법.

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