JP2019119050A - 連続混練単軸押出機およびゴム組成物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配合剤の分散性に優れたゴム組成物を製造可能な連続混練単軸押出機および該連続混練単軸押出機を使用したゴム組成物の製造方法を提供すること。【解決手段】ゴム組成物を混練するための連続混練単軸押出機であって、スクリューと、スクリューの外周側に配置されたシリンダと、少なくともゴム成分が供給される供給部とを備え、スクリューは、スクリュー軸と、スクリュー軸に挿入される複数のエレメントとを備え、エレメントは、少なくとも搬送部を構成する第１エレメントと、混練部を構成する第２エレメントと、滞留部を構成する第３エレメントとを有し、第３エレメントは、螺旋翼がゴム組成物をスクリュー軸方向上流側に戻す方向となるように形成されており、混練部の、スクリュー軸方向下流側に滞留部を配置したことを特徴とする連続混練単軸押出機。【選択図】 図１

Description

本発明は、ゴム組成物を混練するための連続混練単軸押出機および該連続混練単軸押出機を使用したゴム組成物の製造方法に関する。

ゴム組成物は、タイヤなどを構成する加硫ゴムの原料となり、ゴム成分、シリカやカーボンブラック、シランカップリング剤やオイル、加硫剤などの配合剤を含有する。ゴム組成物はこれらの材料を混練することにより製造され、混練にはバンバリーミキサーなどを使用したバッチ式が主流であったが、近年は単軸や二軸の連続混練押出機による連続式も行われてきている。

下記特許文献１では、二軸押出機を使用し、スクリューを構成するエレメントに工夫を施すことにより、シリンダ内で混練対象物が過度に滞留することを防止する技術が記載されている。

特開平２００３−２４５５３４号公報

しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、二軸押出機ではシリンダ壁面とスクリューとの間に形成されるチップクリアランスで混練対象物にせん断力を付与しつつ混練を行うため、混練対象物が高粘性である場合、あるいはシリンダ内での混練対象物の充填率が高まった場合、トルクオーバーとなり、混練できなくなる場合があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、配合剤の分散性に優れたゴム組成物を製造可能な連続混練単軸押出機および該連続混練単軸押出機を使用したゴム組成物の製造方法を提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。即ち本発明は、ゴム組成物を混練するための連続混練単軸押出機であって、スクリューと、スクリューの外周側に配置されたシリンダと、少なくともゴム成分が供給される供給部とを備え、スクリューは、スクリュー軸と、スクリュー軸に挿入される複数のエレメントとを備え、エレメントは、少なくとも搬送部を構成する第１エレメントと、混練部を構成する第２エレメントと、滞留部を構成する第３エレメントとを有し、第３エレメントは、螺旋翼がゴム組成物をスクリュー軸方向上流側に戻す方向となるように形成されており、混練部の、スクリュー軸方向下流側に滞留部を配置したことを特徴とする連続混練単軸押出機に関する。

本発明に係る連続混練単軸押出機は、スクリュー軸と、スクリュー軸に挿入される複数のエレメントとを備えたスクリューを備え、エレメントは、少なくとも搬送部を構成する第１エレメントと、混練部を構成する第２エレメントと、滞留部を構成する第３エレメントとを有している。これらのエレメントのうち、第３エレメントは、螺旋翼がゴム組成物をスクリュー軸方向上流側に戻す方向となるように形成されており、滞留部においてゴム組成物を滞留させる。

ところで、連続混練単軸押出機では、ゴム組成物が混練されながら上流側から下流側に進むが、ゴム組成物に十分なせん断力を付与し、配合剤の分散性が高まるように混練するためには、混練部でのゴム組成物の充填率を高め、ゴム組成物に十分なせん断力を付与する必要がある。しかしながら、従来の連続混練単軸押出機では、ゴム組成物が混練部に到達すると、せん断力が付与されることによりゴム組成物が発熱し、粘性が低下すること伴い流速が上昇し、混練部内でのゴム組成物の充填率が低下する。その結果、混練部内でゴム組成物に十分なせん断力が付与されず、ゴム組成物中での配合剤の分散性が低下することがあった。ましてや、二軸押出機を使用した場合は、トルクオーバーを懸念して混練部内でゴム組成物の充填率を高めることが難しく、ゴム組成物中での配合剤の分散性向上は困難であった。

しかしながら、本発明に係る連続混練単軸押出機では、螺旋翼がゴム組成物をスクリュー軸方向上流側に戻す方向となるように形成された第３エレメントで滞留部を構成し、混練部の、スクリュー軸方向下流側に滞留部を配置している。これにより、混練部内でのゴム組成物の流速の上昇を抑え、混練部内でのゴム組成物の高い充填率を維持し、ゴム組成物に十分なせん断力を付与することができる。その結果、本発明に係る連続混練単軸押出機を使用した場合、配合剤の分散性に優れたゴム組成物を製造することができる。

上記連続混練単軸押出機において、滞留部のスクリュー軸方向長さをＡ、混練部のスクリュー軸方向長さをＢとしたとき、０．０６５≦Ａ／Ｂ≦２であることが好ましい。かかる構成によれば、混練部内に存在するゴム組成物に対し、滞留部内に存在するゴム組成物の量が十分に確保されるため、混練部内のゴム組成物を塞き止める機能を十分に発揮し得る。これにより、混練部内でのゴム組成物の充填率をさらに好適に維持することができる。その結果、配合剤の分散性により優れたゴム組成物を製造することができる。

上記連続混練単軸押出機において、ゴム組成物がシリカを含有するものであることが好ましく、ゴム組成物が、ゴム成分の全量を１００質量部としたときシリカを６０質量部以上含有するものであることがより好ましい。ゴム組成物がシリカを含有する場合、さらには所定量以上のシリカを含有する場合、ゴム組成物は高粘性となり、混練部内でゴム組成物の充填率が高まると、特に二軸押出機の場合、トルクオーバーとなり、制御不能になる場合がある。しかしながら、上記連続混練単軸押出機であれば、トルクオーバーの発生を防止しつつ、配合剤の分散性、特にはシリカの分散性に優れたゴム組成物を製造することができる。

本発明に係るゴム組成物の製造方法は、前記いずれかに記載の連続混練単軸押出機を使用し、混練することにより製造することを特徴とする。前記のとおり、本発明に係る連続混練単軸押出機を使用した場合、配合剤の分散性に優れたゴム組成物を連続式で製造することができる。

本発明の一実施形態に係る連続混練単軸押出機を示す概念図

図１に本発明の一実施形態に係る連続混練単軸押出機を示す概念図を示す。かかる連続混練単軸押出機１は、スクリュー４と、スクリュー４の外周側に配置されたシリンダ３と、少なくともゴム成分が供給される供給部２とを備える。スクリュー４は例えば駆動装置などに接続され、シリンダ３内で回転可能に構成されている。また、スクリュー４は、シリンダ３内での混練中のゴム組成物の分配を目的として、スクリュー軸方向に前後運動可能に構成されていてもよい。シリンダ３はスクリュー４の外周側で内面が円筒形に形成され、スクリュー４との間でゴム組成物に対し、せん断力を付与できるように設計されている。シリンダ内面には、スクリュー側に突出するせん断ピンを設け、ゴム組成物を混練する際に付与されるせん断力を高めるように設計してもよい。

通常、シリンダ３には１つまたは複数の開口部が形成されており、本実施形態では上流側に１つの開口部を形成し、かかる開口部上方に供給部２を配置した例を示すが、開口部を２以上形成し、供給部を２以上配置してもよい。供給部２は任意の形状であってよく、ベルト式、スクリュー式、振動式など当業者に公知の方式により、ゴム成分や他の配合剤などを供給可能に設計されている。ゴム成分などの供給方法は当業者に公知の手法により可能であり、例えばペレット状、シート状、ストランド状、リボン状あるいはその他の形態でシリンダ内に供給可能である。

連続混練単軸押出機が備えるスクリュー４は、スクリュー軸と、スクリュー軸に挿入される複数のエレメントとを備えたスクリューを備え、エレメントは、少なくとも搬送部５を構成する第１エレメントと、混練部６を構成する第２エレメントと、滞留部７を構成する第３エレメントとを有している。なお、本発明に係る連続混練単軸押出機は、搬送部、混練部、および滞留部を少なくとも有していれば、例えばゴム成分の可塑化を目的とした可塑化部や、ゴム組成物の冷却を目的とした冷却部を有してもよい。また、混練部の、スクリュー軸方向下流側に滞留部を配置すればよく、例えば混練部および滞留部を２か所ずつ配置してもよい。

搬送部５は、第１エレメントにより構成され、第１エレメントは、頂部が連続的に形成され、かつゴム組成物をスクリュー軸方向下流側に送る方向となるように形成された螺旋翼を備える。一方、混練部６は、第２エレメントにより構成され、第２エレメントは、切り欠き部が円周方向に複数個所形成された螺旋翼を備える。

滞留部７は、第３エレメントにより構成され、第３エレメントは、螺旋翼がゴム組成物をスクリュー軸方向上流側に戻す方向となるように形成されている。つまり、搬送部５を構成する第１エレメントとは、螺旋翼が反対方向に向いており、ゴム組成物を上流側に戻す役割を担っている。

本発明に係る連続混練単軸押出機は、スクリュー構成として、混練部６の、スクリュー軸方向下流側に滞留部７を配置する点に特徴がある。特に滞留部のスクリュー軸方向長さをＡ、混練部のスクリュー軸方向長さをＢとしたとき、０．０６５≦Ａ／Ｂ≦２であると、混練部内に存在するゴム組成物に対し、滞留部内に存在するゴム組成物の量が十分に確保されるため、混練部６内のゴム組成物を塞き止める機能を十分に発揮し得るため好ましい。

本実施形態では、滞留部７の、スクリュー軸方向下流側にさらに搬送部５を配置しており、最終的にはかかる搬送部５のスクリュー軸方向下流側に不図示のダイを配置するか、あるいはさらに別の押出機と連結することができる。

本発明に係る連続混練単軸押出機を使用することにより、配合剤の分散性に優れたゴム組成物を製造することができる。かかる連続混練単軸押出機は、ゴム成分と加硫剤以外の配合剤とを混練する工程（ノンプロ練り工程）、あるいはさらに加硫剤と混練する工程（ファイナル練り工程）のいずれにおいても使用可能である。

以下に、本発明においてゴム組成物を構成する配合剤について説明する。

ゴム成分としては、ジエン系ゴムを好適に使用可能である。ジエン系ゴムとしては、天然ゴム（ＮＲ）、ポリイソプレンゴム（ＩＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリブタジエンゴム（ＢＲ）、シンジオタクチック−１，２−ポリブタジエンを含有するブタジエンゴム（ＳＰＢ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）などが挙げられ、これらはそれぞれ単独で、または２種以上のブレンドとして用いることができる。これら例示したジエン系ゴムとしては、必要に応じて、末端を変性したもの（例えば、末端変性ＢＲや、末端変性ＳＢＲなど）、あるいは所望の特性を付与すべく改質したもの（例えば、改質ＮＲ）も使用可能である。この末端変性ジエン系ゴムとしては、各種変性剤でポリマー末端が変性されたジエン系ゴムを用いることができ、変性方法も公知の種々の方法を用いることができる。

ゴム成分以外に、シリカ、カーボンブラック、クレー、タルク、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化アルミニウムなど、ゴム工業において通常使用される充填材を配合することができる。上記無機充填材の中でも、シリカおよびカーボンブラックを特に好適に使用することができる。

シリカは、通常のゴム補強に用いられる湿式シリカ、乾式シリカ、ゾル−ゲルシリカ、表面処理シリカなどが用いられる。なお、ゴム組成物がシリカを含有する場合、ゴム組成物が高粘性になる傾向があるため、本発明に係る連続混練単軸押出機を使用したゴム組成物の製造方法に好適に使用可能である。特に、シリカの配合量は、ゴム成分１００質量部に対して、６０質量部以上であることが好ましく、８０質量部以上であることがより好ましく、１００質量部以上であることがさらに好ましい。シリカの配合量の上限としては、例えば１２０質量部程度が例示可能である。

シリカを配合する場合、併せてシランカップリング剤を配合することが好ましい。シランカップリング剤としては、分子中に硫黄を含むものであれば特に限定されず、ゴム組成物においてシリカとともに配合される各種のシランカップリング剤を用いることができる。例えば、ビス（３−トリエトキシシリルプロピル）テトラスルフィド（例えば、デグサ社製「Ｓｉ６９」）、ビス（３−トリエトキシシリルプロピル）ジスルフィド（例えば、デグサ社製「Ｓｉ７５」）、ビス（２−トリエトキシシリルエチル）テトラスルフィド、ビス（４−トリエキトシシリルブチル）ジスルフィド、ビス（３−トリメトキシシリルプロピル）テトラスルフィド、ビス（２−トリメトキシシリルエチル）ジスルフィドなどのスルフィドシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、メルカプトプロピルジメチルメトキシシラン、メルカプトエチルトリエトキシシランなどのメルカプトシラン、３−オクタノイルチオ−１−プロピルトリエトキシシラン、３−プロピオニルチオプロピルトリメトキシシランなどの保護化メルカプトシランが挙げられる。シランカップリング剤の配合量は、シリカ１００質量部に対して２〜２５質量部であることが好ましく、より好ましくは５〜１５質量部である。

加硫剤としては、代表的なものとして硫黄が挙げられる。硫黄は通常のゴム用硫黄であればよく、例えば粉末硫黄、沈降硫黄、不溶性硫黄、高分散性硫黄などを用いることができる。

加硫促進剤としては、ゴム加硫用として通常用いられる、スルフェンアミド系加硫促進剤、チウラム系加硫促進剤、チアゾール系加硫促進剤、チオウレア系加硫促進剤、グアニジン系加硫促進剤、ジチオカルバミン酸塩系加硫促進剤などの加硫促進剤を単独、または適宜混合して使用しても良い。

老化防止剤としては、フェノール系老化防止剤以外にゴム用として通常用いられる、芳香族アミン系老化防止剤、アミン−ケトン系老化防止剤、ジチオカルバミン酸塩系老化防止剤、チオウレア系老化防止剤などを必要に応じて使用しても良い。

１ 連続混練単軸押出機
２ 供給部
３ シリンダ
４ スクリュー
５ 搬送部
６ 混練部
７ 滞留部

Claims (5)

1. ゴム組成物を混練するための連続混練単軸押出機であって、
   スクリューと、スクリューの外周側に配置されたシリンダと、少なくともゴム成分が供給される供給部とを備え、
   スクリューは、スクリュー軸と、スクリュー軸に挿入される複数のエレメントとを備え、
   エレメントは、少なくとも搬送部を構成する第１エレメントと、混練部を構成する第２エレメントと、滞留部を構成する第３エレメントとを有し、
   第３エレメントは、螺旋翼がゴム組成物をスクリュー軸方向上流側に戻す方向となるように形成されており、
   混練部の、スクリュー軸方向下流側に滞留部を配置したことを特徴とする連続混練単軸押出機。
2. 滞留部のスクリュー軸方向長さをＡ、混練部のスクリュー軸方向長さをＢとしたとき、０．０６５≦Ａ／Ｂ≦２である請求項１に記載の連続混練単軸押出機。
3. ゴム組成物がシリカを含有するものである請求項１または２に記載の連続混練単軸押出機。
4. ゴム組成物が、ゴム成分の全量を１００質量部としたときシリカを６０質量部以上含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の連続混練単軸押出機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の連続混練単軸押出機を使用し、混練することにより製造することを特徴とするゴム組成物の製造方法。

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