(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混練材料を収納する混練槽と、前記混練槽内に配置された一対のロータとを備えた密閉式混練機であって、
前記ロータは、円筒状のロータ軸と、前記ロータ軸の表面に形成されたロータ翼とを有し、前記ロータ翼が対向する一対の前記ロータの間で相互に重ならない接線方式とされており、
前記ロータを回転させて前記混練材料を混練する際の、前記ロータ翼の先端における翼先端ずり変形速度は、前記ロータ翼の先端の旋回速度を前記ロータ翼の先端と前記混練槽の内面との距離によって除した値と定義し、
前記ロータ軸の表面における軸表面ずり変形速度は、前記ロータ軸の表面の旋回速度を前記ロータ軸の表面と前記混練槽の内面との距離によって除した値と定義し、
前記翼先端ずり変形速度を前記軸表面ずり変形速度によって除した値であるずり変形速度比が５．０以上４０以下であり、
前記ロータ軸の直径が、前記混練槽の内面の直径の０．６５倍以上０．８０倍以下である密閉式混練機。
【請求項２】
前記ロータを冷却する冷却部が前記ロータの内部に設けられている請求項１に記載の密閉式混練機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混練材料を収納する混練槽と、混練槽内に配置された一対のロータとを備えた密閉式混練機に関する。
【０００２】
プラスチック、ゴム等の粘稠な材料を混練する装置として密閉式混練機が知られている。例えば特許文献１には、混練材料を収納するチャンバーと、該チャンバーの上部を閉鎖する加圧蓋と、チャンバー内に取付けられた一対のロータとを備えた密閉式混練機が記載されている。
【０００３】
この密閉式混練機では、ロータは、ロータ軸部の両側の端部から他端側に向け、ロータ軸部の略中央までの間に亘って形成したロータ翼をそれぞれ備え、該ロータ翼が対向するロータ間で相互に重ならない接線方式にし、チャンバー内面半径に対しロータ軸半径の比を０．６５以上、ロータ軸部外周面とチャンバー内壁面との間隙をチャンバー内面半径の３５％以下とするとともに、ロータ軸部半径に対しロータ翼のランド幅の比を０．２５以下としている。これにより特許文献１の密閉式混練機では、混練材料に接するロータ軸部の冷却表面積を拡大することによって、混練材料の温度上昇を加硫剤系添加許容温度以下に低減している。
【０００４】
また、ロータ軸部半径に対しロータ翼のランド幅の比を従来の混練機より小とすることにより、チャンバー内壁面とロータ翼のランド部で生じる混練材料の発熱を抑えることができると共に、混練材料の噛み込み性と混練性能に関係するロータ翼の傾斜角度の範囲も広くとることが可能となる。更に、ロータ軸部外周面とチャンバー内壁面との間隙をチャンバー内面半径の３５％以下とすることにより混練材料の厚みを可及的に小とし、混練材料内部まで十分冷却することを可能とする。すなわち特許文献１の密閉式混練機では、混練材料の温度上昇を抑制することを主眼として、ロータおよびチャンバー内壁の構造に工夫が加えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５７４６１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者らは密閉式混練機を更に改良すべく、特許文献１に記載の密閉式混練機とは異なる視点で検討を進めた。そしてロータ軸、ロータ翼および混練槽の構造を工夫することにより、混練時の分散能力および時間的効率を高めることに成功した。すなわち本発明は、混練時の分散能力および時間的効率を更に高めた密閉式混練機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】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る密閉式混練機の特徴構成は、混練材料を収納する混練槽と、前記混練槽内に配置された一対のロータとを備えた密閉式混練機であって、前記ロータは、円筒状のロータ軸と、前記ロータ軸の表面に形成されたロータ翼とを有し、前記ロータ翼が対向する一対の前記ロータの間で相互に重ならない接線方式とされており、前記ロータを回転させて前記混練材料を混練する際の、前記ロータ翼の先端における翼先端ずり変形速度は、前記ロータ翼の先端の旋回速度を前記ロータ翼の先端と前記混練槽の内面との距離によって除した値と定義し、前記ロータ軸の表面における軸表面ずり変形速度は、前記ロータ軸の表面の旋回速度を前記ロータ軸の表面と前記混練槽の内面との距離によって除した値と定義し、前記翼先端ずり変形速度を前記軸表面ずり変形速度によって除した値であるずり変形速度比が５以上４０以下である点にある。
【０００８】
発明者らは鋭意検討の末、混練時の分散能力および時間的効率を高めるためには、ロータ翼の先端と混練槽内面との間で起こる混練と、ロータ軸表面と混練槽内面との間で起こる混練とをバランスよく行わせることが重要であることを実験的に見いだした。そしてさらなる実験と検討の末新たに見いだされたずり変形速度比なるパラメータが、５以上４０以下である場合に混練の能力・効率が従来装置よりも向上することを、実験により確かめた。
【０００９】
すなわち上記の特徴構成によれば、ロータを回転させて混練材料を混練する際の、ロータ翼の先端における翼先端ずり変形速度を、ロータ翼の先端の旋回速度をロータ翼の先端と混練槽の内面との距離によって除した値とし、ロータ軸の表面における軸表面ずり変形速度を、ロータ軸の表面の旋回速度をロータ軸の表面と混練槽の内面との距離によって除した値とし、翼先端ずり変形速度を軸表面ずり変形速度によって除した値であるずり変形速度比が５以上４０以下とすることにより、混練時の分散能力および時間的効率を高めることが可能となった。
【００１０】
本発明に係る密閉式混練機の別の特徴構成は、前記ロータ軸の直径が、前記混練槽の内面の直径の０．６５倍以上０．８０倍以下である点にある。
【００１１】
上記の特徴構成によれば、ロータ軸の直径が、混練槽の内面の直径の０．６５倍以上０．８０倍以下であるので、ロータ軸の表面積を大きくして混練材料の冷却性能を十分に確保しつつ、ロータと混練槽内面との間の空間容積である混練容量も、十分なものとすることができる。すなわち混練時の分散能力および時間的効率と、冷却性能と、混練容量とを両立することができる。
【００１２】
本発明に係る密閉式混練機の別の特徴構成は、前記ロータを冷却する冷却部が前記ロータの内部に設けられている点にある。
【００１３】
上記の特徴構成によれば、ロータを冷却する冷却部がロータの内部に設けられているので、ロータによる混練材料の冷却性能を更に高めることができる。なお本特徴構成は、ロータ軸の直径を混練槽の内面の直径の０．６５倍以上とする上述の構成により、さらに実施が容易となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】密閉式混練機の上面図
【図２】密閉式混練機の断面の説明図
【図３】密閉式混練機の断面の説明図
【図４】ムーニー粘度の実験結果を示すグラフ
【図５】体積抵抗率の実験結果を示すグラフ
【図６】ユニットワークの実験結果を示すグラフ
【図７】体積抵抗率の実験結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、密閉式混練機１について図１〜図３に基づいて説明する。図１に示すように、密閉式混練機１は、混練材料を収納する混練槽２と、混練槽２の内部に配置された一対のロータ３とを備えている。
【００１６】
混練槽２は、内部に混練材料を収納して混練する槽状の部材である。混練槽２は、側面および底面を形成する筒状壁部２ｃと、他の側面を形成する側壁部２ａおよび２ｂとを有する。混練槽２の上部（図２における上方向）は開放されており、後述する加圧蓋５が上方から挿入される。そして、側壁部２ａおよび２ｂと、筒状壁部２ｃと、加圧蓋５に囲まれて、混練槽２の内部空間が形成されている。
【００１７】
加圧蓋５は上下に移動可能な状態で混練槽２に対して配置される。加圧蓋５を上方に移動して混練槽２の上部を開放した状態（図２の点線で示す位置）にて、混練材料が混練槽２に投入される。その後、加圧蓋５を下方に移動させ（図２の実線で示す位置）、投入された混練材料を上方から加圧しながら、ロータ３が回転して混練材料の混練が行われる。
【００１８】
混練槽２の内部空間は、図２に示される様に、中心軸が平行な一対の円柱を、その側面が一部重なり合う状態で配置した形状をしている。そして一対のロータ３が、その中心軸を円柱の中心軸と一致した状態で、混練槽２の内部に回転可能に配置される。
【００１９】
ロータ３は、ロータ軸３ａと、ロータ軸３ａの表面３ｂに螺旋状に形成されたロータ翼３ｃとを有している。ロータ翼３ｃは、ロータ軸３ａの両側の端部から他端側に向け、ロータ軸３ａの略中央までの間に渡って形成されている。そしてロータ翼３ｃは、対向する一対のロータ３の間で相互に重なることがない接線方式とされている。
【００２０】
ロータ３はその内部に、ロータ３を冷却する冷却部４を有する。冷却部４は、ロータ軸内流路４ａとロータ翼内流路４ｂとを有する。ロータ軸内流路４ａは、ロータ３の中心軸に平行にロータ軸３ａの表面近くに形成された、冷却水の流路である。ロータ翼内流路４ｂは、ロータ翼３ｃの内部に形成された冷却水の流路である。密閉式混練機１にて混練材料を混練する際、混練材料がせん断や変形等の作用を受け発熱するが、上述した冷却部４によりロータ３が冷却され、ロータ３に接触した混練材料が冷却される。
【００２１】
密閉式混練機１のロータ３は、ずり変形速度比Ｒの値が５以上４０以下となるように構成されている。ずり変形速度比Ｒは次式の通り、翼先端ずり変形速度Ｖｓ１を軸表面ずり変形速度Ｖｓ２によって除した値として定義される。
Ｒ＝Ｖｓ１／Ｖｓ２
【００２２】
翼先端ずり変形速度Ｖｓ１は、ロータ翼３ｃの先端３ｄの旋回速度を、ロータ翼３ｃの先端３ｄと混練槽２の内面２ｄとの距離Ｔｃによって除した値として定義される。すなわち翼先端ずり変形速度Ｖｓ１は、ロータ３の外径ｄ１（ロータ翼３ｃの先端３ｄにおける直径）と、ロータ３の回転速度Ｎとを用いて、次式にて表される。
Ｖｓ１＝π×ｄ１×Ｎ／Ｔｃ
なお距離Ｔｃは、円筒状である混練槽２の内面２ｄの直径Ｄと、ロータ３の外径ｄ１との差の１／２であり、次式で表される。
Ｔｃ＝（Ｄ−ｄ１）／２
【００２３】
軸表面ずり変形速度Ｖｓ２は、ロータ軸３ａの表面３ｂの旋回速度を、ロータ軸３ａの表面３ｂと混練槽２の内面２ｄとの距離Ｔｄによって除した値として定義される。すなわち軸表面ずり変形速度Ｖｓ２は、ロータ軸３ａの直径ｄ２と、ロータ３の回転速度Ｎとを用いて、次式にて表される。
Ｖｓ２＝π×ｄ２×Ｎ／Ｔｄ
なお距離Ｔｄは、円筒状である混練槽２の内面２ｄの直径Ｄと、ロータ軸３ａの直径ｄ２との差の１／２であり、次式で表される。
Ｔｄ＝（Ｄ−ｄ２）／２
【００２４】
ずり変形速度比Ｒの値を５以上４０以下とすることにより、混練時の分散能力および時間的効率が高まることが以下の実験により示されている。実験は次の通り行った。混練槽２およびロータ３の寸法を変更した４つの密閉式混練機１（実験例１〜４）を用いて、実験用混練材料を混練した。所定の積算回転数の混練を行った際の、実験用混練材料のムーニー粘度、体積抵抗率、ユニットワークを測定ないし計算した。
【００２５】
実験例１〜４のずり変形速度比Ｒの値は、実験例１についてＲ＝１０．２（実施例１）、実験例２についてＲ＝１６．７（実施例２）、実験例３についてＲ＝４９．０（対比例１）、実験例４についてＲ＝６６．７（対比例２）である。
【００２６】
実験用混練材料としては、重量比でスチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を１００、カーボンブラックを５０、ステアリン酸を１、オイルを５、酸化亜鉛を５、それぞれ混合したものを用いた。
【００２７】
図４は、横軸にずり変形速度比Ｒ、縦軸にムーニー粘度をとって、積算回転数３００回転（◇印）と８００回転（□印）のデータをプロットしたグラフである。実線および破線は、各回転数のデータの累乗近似による近似曲線である。
【００２８】
図４のグラフから、ずり変形速度比Ｒが小さいほどムーニー粘度が低下していることが認められる。すなわち、同じ回転数で比較すると、ずり変形速度比Ｒが小さい方が混練がより進行しており、ずり変形速度比Ｒが小さい方が混練時の分散能力および時間的効率が高まっていることが実験結果により示されている。
【００２９】
図５は、横軸にずり変形速度比Ｒ、縦軸に体積抵抗率をとって、積算回転数３００回転（◇印）と８００回転（□印）のデータをプロットしたグラフである。実線および破線は、各回転数のデータの累乗近似による近似曲線である。
【００３０】
図５のグラフから、ずり変形速度比Ｒが小さいほど体積抵抗率が上昇していることが認められる。体積抵抗率の増加は、実験用混練材料において、導電性を有するカーボンブラックが導電性を有さないゴムに微細に分散されたことによると考えられる。すなわち、同じ回転数で比較すると、ずり変形速度比Ｒが小さい方がより混練が進行しており、ずり変形速度比Ｒが小さい方が混練時の分散能力および時間的効率が高まっていることが実験結果により示されている。特に、ずり変形速度比Ｒが４０以下であると、積算回転数が３００回転の時点で体積抵抗率が１．０×１０6Ω・ｃｍを超えることができると予想される。また、積算回転数８００回転の時点で体積抵抗率が１．０×１０10Ω・ｃｍを超えることができると予想される。密閉式混練機１の設計の際、体積抵抗率の目標値が要求仕様として示される場合があるが、ずり変形速度比Ｒを４０以下にすることによって、要求仕様に速やかに到達する混練機を提供できるという点で好適である。
【００３１】
図６は、横軸にずり変形速度比Ｒ、縦軸にユニットワークの値をとって、積算回転数３００回転（◇印）と８００回転（□印）のデータをプロットしたグラフである。実線および破線は、各回転数のデータの累乗近似による近似曲線である。
【００３２】
図６のグラフから、ずり変形速度比Ｒが小さいほどユニットワークの値が上昇していることが認められる。ユニットワークは、密閉式混練機１で消費される電力を積算した積算電力量を混練材料の質量で除した値であって、混練材料に対して与えられた単位重量あたりのエネルギーを示す値である。つまり同じ回転数で比較すると、ずり変形速度比Ｒが小さい方がより多くのエネルギーすなわち混練作用を混練材料に与えていることになる。これにより、ずり変形速度比Ｒが小さい方が混練時の分散能力および時間的効率が高まっていると考えられる。特に、ずり変形速度比Ｒが４０以下であると、積算回転数が３００回転の時点でユニットワークの値が０．２ｋＷｈ／ｋｇを安定的に超えることができると予想される。また、積算回転数８００回転の時点でユニットワークの値が０．７ｋＷｈ／ｋｇを安定的に超えることができると予想される。密閉式混練機１の設計の際、ユニットワークの目標値が要求仕様として示される場合があるが、ずり変形速度比Ｒを４０以下にすることによって、要求仕様に速やかに到達する混練機を提供できるという点で好適である。
【００３３】
図７は、横軸に積算回転数、縦軸に体積抵抗率をとって、実験例１〜４のデータをプロットしたグラフである。実線および破線は、各実験例のデータの累乗近似による近似曲線である。
【００３４】
図７のグラフから、実験例３および４に比べて実験例１および２は、積算回転数に対する体積抵抗率の増加率（＝グラフの傾き）が大きいことが認められる。ここで実験例３および４のずり変形速度比Ｒは４９．０および６６．７であり、実験例１および２のずり変形速度比Ｒは１０．２と１６．７である。従って、同じ回転数で比較すると、ずり変形速度比Ｒが小さい方がより混練が進行しており、ずり変形速度比Ｒが小さい方が混練時の分散能力および時間的効率が高まっていることが実験結果により示されている。
【００３５】
さらに検討するに、積算回転数が増加するにつれて体積抵抗率の増加率は減少している。
特に実験例３および４は、積算回転数８００回転では増加率がかなり小さくなっており、これ以上混練を続けて積算回転数を増加させても体積抵抗率が１．０×１０10Ω・ｃｍを超えない可能性が高い。一方で実験例１および２は、積算回転数８００回転の時点で体積抵抗率が１．０×１０10Ω・ｃｍを大きく超えて１．０×１０12Ω・ｃｍに達している。加えて実験例１および２では、積算回転数８００回転の時点での体積抵抗率の増加率も大きく、このまま混練を継続すれば体積抵抗率が１．０×１０14Ω・ｃｍを超える可能性が高い。つまり実験例１および２では、実験例３および４では実現不可能な高い混練状態を実現することができる。従って実験例１および２のように、ずり変形速度比Ｒを４０以下とすることが有用である。
【００３６】
なおずり変形速度比Ｒの下限については、次の様に考えられる。ずり変形速度比Ｒは、翼先端ずり変形速度Ｖｓ１を軸表面ずり変形速度Ｖｓ２によって除した値として定義されるから、ロータ翼３ｃの先端３ｄにおける混練（ずり変形力）と、ロータ軸３ａの表面３ｂにおける混練（ずり変形力）との比率であると理解できる。上述した実験の結果によれば、ずり変形速度比Ｒ＝１０．２の実験例１は良好な混練性能を示した。しかしずり変形速度比Ｒを過度に小さくすると、適切な混練が行われないと予想できる。というのは、ずり変形速度比Ｒを小さくするには、次の２つの場合が考えられる。まずロータ軸３ａの直径ｄ２をそのままの値として、距離Ｔｃ（ロータ翼３ｃの先端３ｄと混練槽２の内面２ｄとの距離）を大きくする場合では、混練材料に与えるせん断作用が低下して分散性が低下してしまう。そして距離Ｔｃをそのままの値としてロータ軸３ａの直径ｄ２を大きくする場合では、混練容量が減少する上に混練材料の噛み込み性が低下し、実用に適さない。従って、ずり変形速度比Ｒは５以上が好適と考えられる。
【００３７】
密閉式混練機１の実際の設計にあたっては、ロータ３の外径ｄ１を１５０〜５００ｍｍ、ロータ軸３ａの直径ｄ２を１００〜４００ｍｍとし、混練槽２の内部空間の直径Ｄを１００〜５００ｍｍ、ロータ翼３ｃの先端３ｄと混練槽２の内面２ｄとの距離Ｔｃを１〜８ｍｍ、ロータ軸３ａの表面３ｂと混練槽２の内面２ｄとの距離Ｔｄを１５〜９０ｍｍとし、これら数値範囲の中から適切な値を選んで、ずり変形速度比Ｒを５以上４０以下とすることができる。
【００３８】
特に混練の容積が５５Ｌとなる密閉式混練機１としては、ロータ３の外径ｄ１を３７０〜３９０ｍｍ、ロータ軸３ａの直径ｄ２を２８０〜３００ｍｍとし、混練槽２の内部空間の直径Ｄを３８０〜４００ｍｍ、ロータ翼３ｃの先端３ｄと混練槽２の内面２ｄとの距離Ｔｃを１〜５ｍｍ、ロータ軸３ａの表面３ｂと混練槽２の内面２ｄとの距離Ｔｄを４０〜６０ｍｍとし、これら数値範囲の中から適切な値を選んで、ずり変形速度比Ｒを５以上４０以下とすることができる。
【００３９】
＜他の実施形態＞
上述の実施形態では、一対のロータ３が混練槽２の内部に、ロータ３の中心軸と混練槽２の内部空間を形成する円柱の中心軸とを一致した状態で配置された。この場合、ロータ軸３ａの表面３ｂと混練槽２の内面２ｄとの距離Ｔｄ、およびロータ翼３ｃの先端３ｄと混練槽２の内面２ｄとの距離Ｔｃは、ロータ３が回転しても一定である。これを、ロータ３の中心軸と混練槽２の内部空間を形成する円柱の中心軸とを若干量オフセットさせて配置することも可能である。この場合には、距離Ｔｃおよび距離Ｔｄは場所によって変化するが、距離Ｔｃおよび距離Ｔｄの最小値を用いて本発明を適用してもよい。
【００４０】
なお上述の実施形態（他の実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１        ：密閉式混練機
２        ：混練槽
２ｄ      ：内面
３        ：ロータ
３ａ      ：ロータ軸
３ｂ      ：表面
３ｃ      ：ロータ翼
３ｄ      ：先端
４        ：冷却部
Ｒ        ：ずり変形速度比
Ｔｃ      ：距離（ロータ翼３ｃの先端３ｄと混練槽２の内面２ｄとの距離）
Ｔｄ      ：距離（ロータ軸３ａの表面３ｂと混練槽２の内面２ｄとの距離）
Ｖｓ１    ：翼先端ずり変形速度
Ｖｓ２    ：軸表面ずり変形速度
【図１】
0006430902.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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