(57)【要約】【課題】補強剤として無機添加剤とカップリング剤とが添加された樹脂材料を混練する際に、無機添加剤とカップリング剤との反応率を正確にモニタする。【解決手段】本発明にかかる混練機１は、混練室２を内部に有するケーシング３と、このケーシング３の内部に挿通されて混練室２内の材料を混練する混練ロータ４と、を備えた混練機１であって、混練室２内に供給される材料には、樹脂材料と、この樹脂材料に添加される無機添加剤と、樹脂材料に対する無機添加剤の親和性を高めるカップリング剤とが含まれており、カップリング剤が無機添加剤と反応して発生する反応生成物を検出することで、材料の混練状態をモニタする混練モニタ部１２が設けられていることを特徴とするものである。【選択図】図１
2014188847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混練室を内部に有するケーシングと、このケーシングの内部に挿通されて混練室内の材料を混練する混練ロータと、を備えた混練機であって、
前記混練室内に供給される材料には、樹脂材料と、この樹脂材料に添加される無機添加剤と、樹脂材料に対する無機添加剤の親和性を高めるカップリング剤とが含まれており、
前記カップリング剤が無機添加剤と反応して発生する反応生成物を検出することで、前記材料の混練状態をモニタする混練モニタ部が設けられていることを特徴とする混練機。
【請求項２】
前記混練モニタ部は、
前記カップリング剤が無機添加剤と反応して発生する反応生成物を検出する検出部を備えており、
前記検出部で検出された反応生成物の検出量に基づいて、前記カップリング剤の反応率を算出し、算出された反応率を用いて前記材料の混練状態を推定する構成とされていることを特徴とする請求項１に記載の混練機。
【請求項３】
前記混練モニタ部でモニタされた材料の混練状態に基づいて、混練機の運転条件を制御する制御部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の混練機。
【請求項４】
前記無機添加剤は、前記樹脂材料を補強するシリカであり、
前記カップリング剤は、前記樹脂材料に対するシリカの親和性を高めるシランカップリング剤であって、
前記検出部は、前記シリカと反応して発生するエタノール、メタノール、または酢酸の少なくとも１つ以上のガスを検出する構成とされていることを特徴とする請求項２または３に記載の混練機。
【請求項５】
混練室を内部に有するケーシングと、このケーシングの内部に挿通されて混練室の材料を混練する混練ロータと、を備えた混練機を用いて、樹脂材料と、この樹脂材料に添加される無機添加剤と、樹脂材料に対する無機添加剤の親和性を高めるカップリング剤とを混練するに際しては、
前記カップリング剤が無機添加剤と反応して発生する反応生成物を検出することで、材料の混練状態をモニタしつつ混練を行うことを特徴とする混練方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補強剤としてシリカとシランカップリング剤とが添加された樹脂材料を混練する混練機及び混練方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、タイヤなどのゴム製品を製造するにあたっては、まずゴム製品の原料となるゴム材料（生ゴム）に充填剤（フィラー）などを加えて混練する工程が実施される。この充填剤には、カーボンブラックやシリカのような補強成分が添加されるが、近年はゴム材料の強度アップを目的にシリカを用いる場合が増えている。
また、ＰＥやＰＰなどのポリオレフィン系樹脂、ナイロンなどのポリアミド系樹脂、ＰＥＴなどのポリエステル系樹脂に代表される合成樹脂材料に対しても、シリカなどの補強成分を添加する場合がある。
【０００３】
ただ、無機材料であるシリカは、そのままでは有機物であるゴム材料や合成樹脂材料（以降ではゴム材料と合成樹脂材料とを合わせて単に樹脂材料と呼ぶ）と化学結合しにくいため、シリカの表面に有機官能基を付与してシリカを樹脂材料に化学結合しやすくするシランカップリング剤がシリカと一緒に樹脂材料に加えられる。
例えば、特許文献１には、シリカおよびシランカップリング剤を配合したゴムなどの高分子材料をバッチ式混練機で混練する方法が開示されている。また、特許文献２には、混練機のホッパ内で飛散した材料を吸引するための集塵ダクトを設けた密閉式ゴム混練機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５６８７８５号公報
【特許文献２】特許第３８０６３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したシランカップリング剤を含む混練を行う場合には、シランカップリング剤がシリカと確実に反応するように十分に混練を行っておく必要がある。それゆえ、特許文献１や特許文献２の混練機で混練を行う場合も、過去の操業実績などに基づき十分に余裕を持った時間だけ混練を行うようにして、シランカップリング剤をシリカに確実に反応させるようにしている。
【０００６】
しかしながら、シランカップリング剤を樹脂材料に添加した混練では、用いる樹脂材料の種類、材料の偏り、あるいは混練機内での温度分布などによってシランカップリング剤の反応状態が変化する場合があり、混練時間や混練条件が予想以上に大きく変動することがある。それゆえ、混練を十分に行ってシランカップリング剤の反応を確実に行わせるためには、混練機の内部で樹脂材料がどの程度混練されているか、言い換えればシランカップリング剤の反応がどの程度まで完了しているかを、正確に知得することが望ましい。
【０００７】
このような要望に対して、特許文献１や特許文献２の混練機は、混練機内で樹脂材料が実際にどの程度混練されているかを知得できるものとはなっていない。それため、特許文献１や特許文献２のような混練機を用いて、シランカップリング剤を含む混練を行った場合には、シランカップリング剤の反応が完了していないのに混練を終了してしまい、シランカップリング剤の作用が十分に得られなくなってバッチ間で樹脂材料の品質にバラツキを発生させる虞があった。
【０００８】
そこで、上述の混練機で混練を終了した後に樹脂材料を取り出して、オフラインで分析することが考えられる。しかし、このような分析を行えば、分析結果が出るまでは次のバッチの混練を行うことができず、生産性を大きく損なうことになる。加えて、特許文献１や特許文献２の混練機では、混練時間が必要以上に長くなる場合もあり、シランカップリング剤の反応が完了した後も混練を継続する機会が増え、無駄が多くなって生産性を大きく低下させてしまう可能性もある。
【０００９】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、補強剤として無機添加剤とカップリング剤とが添加された樹脂材料を混練する際に、無機添加剤とカップリング剤との反応率を正確にモニタすることができ、品質安定性と生産性向上とを双方確立することが可能となる混練機及び混練方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の混練機は、混練室を内部に有するケーシングと、このケーシングの内部に挿通されて混練室内の材料を混練する混練ロータと、を備えた混練機であって、前記混練室内に供給される材料には、樹脂材料と、この樹脂材料に添加される無機添加剤と、樹脂材料に対する無機添加剤の親和性を高めるカップリング剤とが含まれており、前記カップリング剤が無機添加剤と反応して発生する反応生成物を検出することで、前記材料の混練状態をモニタする混練モニタ部が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
なお、好ましくは、前記混練モニタ部は、前記カップリング剤が無機添加剤と反応して発生する反応生成物を検出する検出部を備えており、前記検出部で検出された反応生成物の検出量に基づいて、前記カップリング剤の反応率を算出し、算出された反応率を用いて前記材料の混練状態を推定する構成とされているとよい。
なお、好ましくは、前記混練モニタ部でモニタされた材料の混練状態に基づいて、混練機の運転条件を制御する制御部が設けられているとよい。
【００１２】
なお、好ましくは、前記無機添加剤は、前記樹脂材料を補強するシリカであり、前記カップリング剤は、前記樹脂材料に対するシリカの親和性を高めるシランカップリング剤であって、前記検出部は、前記シリカと反応して発生するエタノール、メタノール、または酢酸の少なくとも１つ以上のガスを検出する構成とされているとよい。
一方、本発明の混練方法は、混練室を内部に有するケーシングと、このケーシングの内部に挿通されて混練室の材料を混練する混練ロータと、を備えた混練機を用いて、樹脂材料と、この樹脂材料に添加される無機添加剤と、樹脂材料に対する無機添加剤の親和性を高めるカップリング剤とを混練するに際しては、前記カップリング剤が無機添加剤と反応して発生する反応生成物を検出することで、材料の混練状態をモニタしつつ混練を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の混練機及び混練方法によれば、補強剤として無機添加剤とカップリング剤とが添加された樹脂材料を混練する際に、無機添加剤とカップリング剤との反応率を正確にモニタすることができ、品質安定性と生産性向上とを双方確立することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の混練機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の混練機１及び混練方法について、図を用いて以下に説明する。
図１に示すように、本発明の混練機１は、密閉式の混練機（バッチ式の密閉型混練機）である。この混練機１で混練される混練材料（樹脂材料）としては、ＢＲやＳＢＲなどのゴム、ＰＥやＰＰなどのポリオレフィン系樹脂、ナイロンなどのポリアミド系樹脂、ＰＥＴなどのポリエステル系樹脂などの合成樹脂をマトリクス（主成分）として、補強剤としてシリカやカーボンブラックなどの無機添加剤と、この無機添加剤をマトリクスに親和させるカップリング剤とが添加されたものが採用される。具体的には、混練材料として、タイヤなどに用いられる原料ゴム（生ゴム）、ポリエチレン樹脂やＰＡ６６などのナイロン樹脂に各種添加剤（例えば、加硫剤・加硫助剤・補強剤などの添加剤）を添加したものを挙げることができる。また、無機添加剤にはシリカやカーボンブラックなどを挙げることができ、カップリング剤にはシランカップリング剤などを挙げることができる。
【００１６】
なお、以降の例は、樹脂材料としてゴム、無機添加剤としてシリカ、カップリング剤としてシランカップリング剤を用いたものである。
図１に示すように、本発明の混練機１は、混練室２を内部に有するケーシング３と、このケーシング３の内部に挿通されて混練室２内の材料を混練する混練ロータ４と、を備え
ている。
【００１７】
ケーシング３（バレル）は、金属などを用いて内部が空洞に形成されており、金属製の支持台によって支持されている。ケーシング３の内部には、めがね孔状の断面を備えた混練室２（チャンバ）が形成されており、この混練室２には混練ロータ４が左右に並んで１対収容されている。また、ケーシング３の上側には、ケーシング３の上部（上部壁）を上下方向に貫通する材料供給口５が形成されており、さらに材料供給口５の上側にはこの材料供給口５を介して混練室２の内部に材料を供給する材料供給部６が設けられている。一方、ケーシング３の下側には、ケーシング３の下部（下部壁）を上下方向に貫通する材料排出口７が形成されており、材料排出口７を介して混練室２の材料（混練済みの材料）を混練室２外に排出できるようになっている。
【００１８】
材料供給部６は、ケーシング３の上側に、上下方向に沿って起立状に取り付けられた長尺円筒状の部材であり、内部に収容された材料を混練室２に向かって下方に押し込むことにより、材料を供給できるようになっている。材料供給部６の内部には、混練前（未混練）の材料と、この材料を混練室２側（下方）に向かって押し込むフローティングウェイト８とが収容されている。このフローティングウェイト８は、材料供給部６の内部に、上下方向に移動自在に配備されており、後述するシリンダ部９で上下方向に移動できるようになっている。また、材料供給部６の側面には、材料供給部６の内部に材料を取り入れる材料供給ドア１０が設けられている。さらに、材料供給部６の上側には、材料供給部６の内部に設けられたフローティングウェイト８を下方に押動するシリンダ部９が設けられている。
【００１９】
上述した混練ロータ４は、互いに軸心同士が平行となるように左右に並んで配備されている。これら一対の混練ロータ４ａ、４ｂは、図示を省略するモータなどを用いて、それぞれ水平方向を向く軸回りに回転駆動されている。また、これらの混練ロータ４ａ、４ｂは、異方向回転型となっており、図１に示す混練ロータ４の場合であれば、図１の紙面における左側の混練ロータを「第１ロータ４ａ」、図１の紙面における右側の混練ロータを「第２ロータ４ｂ」とした場合に、第１ロータ４ａはＦ方向に回転し、第２ロータｂは第１ロータ４ａとは逆の回転方向であるＦ’方向に回転するようになっている。また、それぞれの混練ロータ４ａ、４ｂの外周面（表面）には、混練ロータの回転軸心から離れる方向（径外方向）に突出した混練翼１１が各ロータ４ａ、４ｂに１条ずつ形成されており、混練ロータ４を回転させると混練翼１１が混練室２内で回転して混練室２内の混練材料を掻き取ることで混練材料（樹脂材料）に剪断力を付与し、混練室２内の混練材料を混練できるようになっている。
【００２０】
ところで、上述した混練機１でシリカ（無機添加剤）とシランカップリング剤（カップリング剤）とを含む混練材料を混練する場合には、混練後の混練材料の品質安定性や生産性向上を確立するために、混練材料の混練状態を正確にモニタする、言い換えれば無機添加剤とカップリング剤との反応率を正確に把握しておくのが好ましい。
そこで、本発明の混練機１では、シランカップリング剤がシリカと反応して発生する反応生成物を検出することで、混練材料の混練状態をモニタする混練モニタ部１２が設けられている。この反応生成物には、シランカップリング剤がシリカとカップリング反応を起こした場合に、副産物（反応生成物）として発生するエタノールやメタノールなどのアルコール、または酢酸などのカルボン酸などが該当する。
【００２１】
次に、本発明の混練機１の特徴である混練モニタ部１２、及びこの混練モニタ部１２を構成する検出部１３、演算部１４、及び制御部１５について説明する。
具体的には、混練モニタ部１２は、シランカップリング剤がシリカと反応して発生する反応生成物を検出する検出部１３と、この検出部１３で検出された反応生成物の検出量に基づいて、シランカップリング剤の反応率（材料の混練状態）を算出する演算部１４と、を備えている。また、本実施形態の混練機１には、混練モニタ部１２で推定された材料の混練状態に基づいて、混練機１の運転条件を制御する制御部１５が設けられている。
【００２２】
図１に示すように、検出部１３は、混練機１の内部に設けられた混練室２から発生したガス状態の反応生成物の濃度を検出するものであり、アルコールやカルボン酸などの濃度
の検出が可能な半導体式のガスセンサが使用される。図例の検出部１３は、材料供給ドア１０のやや上側に位置する材料供給部６の内部に取り付けられており、上下に長い円筒状に形成された材料供給部６の内部空間の上部（図例では、混練機１の集塵ダクト１６）に取り付けられている。この材料供給部６の内部空間は、外部から気密的に隔離されていて、ガス状態の反応生成物を貯留することができる。それゆえ、このような材料供給部６の内部に検出部１３を設ければ、混練室２から発生したガス状態の反応生成物が材料供給部６の内部空間の上側に移動し、内部空間の上側に溜まった反応生成物を検出することができるようになる。
【００２３】
なお、検出部１３の取付位置は、図１のような材料供給部６の内部空間の上部に限られない。例えば、材料供給部６の内部空間における他の位置に検出部１３を設けても良いし、混練室２や材料供給部６にガスサンプリング用の配管などを設けておいて、このガスサンプリング用の配管の先端に検出部１３を設けても良い。
上述した検出部１３で検出されたガス状態の反応生成物の濃度は、検知器本体１７（図例では、エタノール検知器）で信号に変換された後、パソコンなどで構成された演算部１４に送られる。
【００２４】
演算部１４は、検出部１３で検出された反応生成物の濃度（正確には、検知器本体１７で変換された信号）に基づいて、材料に添加したシランカップリング剤のうち、どの程度の割合のシランカップリング剤が反応を起こしたかを、「シランカップリング剤の反応率」として算出している。具体的には、「検出された反応生成物の濃度に対するシランカップリング剤の反応率（混練材料の混練進行度合い）」を予め実験等により調べて、データ化しておく。その上で、得られたデータに、検出部１３で検出された反応生成物の濃度を当てはめることで、シランカップリング剤の反応率を算出する。
【００２５】
このように演算部１４で算出された「シランカップリング剤の反応率」を用いれば、実際の材料の混練状態、例えば混練がどの程度まで進行したかを推定することができる。
なお、上述した混練機１には、演算部１４で算出された反応率、言い換えれば、混練モニタ部１２で推定された材料の混練状態を用いて、混練機１の運転条件を制御する制御部１５を設けることもできる。
【００２６】
すなわち、制御部１５では、演算部１４で算出された反応率が一定の閾値を超えたか否かを判断し、判断した結果に応じて混練機１を運転させたり停止させたりするといった運転状態の制御が行われる。このような制御を行えば、バッチ毎で混練上がりの材料の反応率が一定となり、バッチ毎に混練の品質の安定性を維持することが可能となる。また、演算部１４で算出した反応率に基づいて混練を行うので、必要以上に混練を長時間に亘って行ったり、混練時間が短すぎたりすることがない。それゆえ、無駄な混練時間が生じることがなく生産性の良い操業を行うことも可能となる。
【００２７】
なお、算出された反応率に応じて、制御部１５から混練機１に、混練ロータ４の回転数を変化させたり、混練機１のケーシング３の温度を変化させたりする信号を送ることもできる。このようにすれば、混練モニタ部１２で推定された材料の混練状態を用いて、混練ロータ４の回転数や混練室２の温度を調整することが可能となり、混練機１の運転条件をより細かく制御することが可能となり、さらに材料の混練状態を細緻かつ高精度に制御することが可能となる。
【００２８】
次に、上述した混練機１を用いてシリカ及びシランカップリング剤が添加された材料を混練する方法、言い換えれば本発明の混練方法について説明する。
本発明の混練方法は、上述したように混練室２を内部に有するケーシング３と、このケーシング３の内部に挿通されて混練室２の材料を混練する混練ロータ４と、を備えた混練機１を用いて、樹脂材料と、この樹脂材料を補強するシリカと、樹脂材料に対するシリカの親和性を高めるシランカップリング剤とを混練するに際しては、シランカップリング剤がシリカと反応して発生する反応生成物を検出することで、材料の混練状態をモニタしつつ混練を行うことを特徴とするものである。
【００２９】
具体的には、本発明の混練方法は、次のような手順で行われる。
すなわち、上述した材料供給ドア１０を開けて、樹脂材料、シリカ、及びシランカップ
リング剤が含まれた混練材料を、材料供給部６の内部に供給する。次に、材料供給部６に供給された混練材料をフローティングウェイト８を用いて下方に押し込み、材料供給部６の内部に収容されていた材料を材料供給部６の下方に配備された混練室２の内部に装入する。そして、一対の混練ロータ４ａ、４ｂを回転させて、混練室２内に装入された混練材料を混練する。
【００３０】
このように混練が行われているときには、混練中の混練材料内で、シランカップリング剤がシリカと反応してアルコールやカルボン酸の反応生成物が発生する。このようにして発生した反応生成物は混練室２内の熱で気化し、気化したガス状態の反応生成物は材料供給口５から材料供給部６の内部空間に向かって上昇し、内部空間の上部に溜まった反応生成物の濃度が混練モニタ部１２の検出部１３で検出される。
【００３１】
このようにして検出部１３で検出された反応生成物の濃度は演算部１４に送られ、演算部１４で反応生成物の濃度に基づいてシランカップリング剤の反応率が算出される。このようにして算出されたシランカップリング剤の反応率を用いれば、混練材料に対する混練の進行具合、言い換えれば混練材料の混練状態を推定することが可能となる。
例えば、演算部１４で算出された反応率が一定の閾値を超えた場合にシランカップリング剤の反応（カップリング反応）が十分に行われたと判断し、混練機１に指令を送って混練を終了する。一方、算出された反応率が一定の閾値を超えない場合は、シランカップリング剤の反応がまだ十分に完遂していないと判断し、混練機１における混練を継続させる。このようにすれば、混練後に各バッチ毎で混練材料の反応率が一定となり、混練上がりの品質がバッチ間で揃うため、バッチ間での品質の安定性を維持することが可能となる。また、反応率が一定の閾値を超えないように制御を行えば、必要以上に長時間に亘って混練が行われることがないので、無駄な混練時間が生じることがなくなり、生産性の良い混練を行うことも可能となる。
【００３２】
なお、算出された反応率に応じて、制御部１５から混練機１に、混練ロータ４の回転数を変化させたり、混練機１のケーシング３の温度を変化させたりする信号を送ることもできる。このようにすれば、混練モニタ部１２で推定された混練材料の混練状態を用いて、混練機１の運転条件をより細かく調整することが可能となり、さらに混練材料の混練状態を精度良く制御することが可能となる。
【００３３】
上述した混練機１及び混練方法によれば、補強剤としてシリカとシランカップリング剤とが添加されたゴム材料（混練材料）を混練する際に、シリカとシランカップリング剤との反応率を正確にモニタすることができる。それゆえ、バッチ毎で混練後の材料の反応率が一定となり、バッチ毎に品質の安定性を維持することが可能となる。また、必要以上に長時間に亘って混練が行われることがないので、無駄な混練時間が生じることがなくなり、生産性の良い混練を行うことも可能となる。その結果、品質安定性と生産性向上とを双方確立することが可能となる。
【００３４】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００３５】
例えば、実施形態では、混練機１として密閉式の混練機を例示したが、連続式の混練機に本願発明の技術を適用しても何ら問題はない。
また、上記実施形態では、無機添加剤としてシリカ、カップリング剤としてシランカップリング剤を用いたものを例示した。しかし、無機添加剤には、カーボンブラックのような補強剤を用いても良いし、シランカップリング剤以外のカップリング剤を用いても良い。
【符号の説明】
【００３６】
１  混練機
２  混練室
３  ケーシング
４  混練ロータ
４ａ  左側の混練ロータ
４ｂ  右側の混練ロータ
５  材料供給口
６  材料供給部
７  材料排出口
８  フローティングウェイト
９  シリンダ部
１０  材料供給ドア
１１  混練翼
１２  混練モニタ部
１３  検出部
１４  演算部
１５  制御部
１６  集塵ダクト
１７  検出器本体
【図１】
2014188847.tif 000003