省エネ・環境負荷低減に貢献する噛合ゴム混練機,三菱重工技報 Vol.49 No.4(2012)

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1 三 菱 重 工 の 総 合 力 特 集 技 術 論 文 47 省 エネ 環 境 負 荷 低 減 に 貢 献 する 噛 合 式 ゴム 混 練 機 Advanced Intermeshing Mixers for Reduction of Environmental Impact 森 部 高 司 *1 Takashi Moribe 近 年, 低 燃 費 タイヤをはじめ, 各 種 ゴム 製 品 分 野 において, 新 素 材 及 び 高 品 質 混 練 に 対 応 し たゴム 混 練 機 の 要 求 が 高 まっている. 三 菱 独 自 の 噛 合 式 ロータを 搭 載 した 新 型 混 練 機 は, 優 れ た 混 練 ( 混 合 分 散 ) 特 性 及 び 冷 却 性 能 から, 従 来 困 難 であったゴム 高 品 質 化 を 達 成 すると 共 に, 省 エネ, 生 産 性 向 上 に 貢 献 し 注 目 を 集 めている.さらに 高 耐 久 表 面 処 理 技 術 の 適 用 により, 高 硬 度 フィラー(シリカ)などの 混 練 に 対 する 耐 摩 耗 性 向 上 が 可 能 であり, 国 内 外 ゴム タイヤ 会 社 で 多 数 の 実 機 が 稼 働 中 である. 1. はじめに 地 球 環 境 資 源 エネルギー 問 題 への 対 応 から, 自 動 車 産 業 をはじめ CO 2 排 出 抑 制 に 向 けた 技 術 開 発 が 精 力 的 に 進 められている.ゴム 工 業 においても, 近 年, 低 燃 費 タイヤの 技 術 開 発 が 注 目 されると 共 に, 新 素 材 複 合 材 による 機 能 性 ゴム 材 料 の 開 発 に 際 して 原 材 料 配 合 設 計 のみなら ず, 製 品 ゴムの 製 造 加 工 プロセスまで 含 めた 環 境 負 荷 低 減 技 術 の 重 要 性 が 増 している. ゴム 工 業 では 密 閉 式 混 練 機 が 幅 広 く 普 及 しており, 製 品 ゴムの 機 能 的 特 性 は 混 練 工 程 に 大 き く 左 右 されるため, 対 象 となるゴム 配 合, 要 求 品 質, 生 産 形 態 等 に 応 じて 混 練 設 備 も 使 い 分 けが なされている. 密 閉 式 混 練 機 は,そのロータ 構 造 により, 接 線 式 ( 非 噛 合 式 )と 噛 合 式 に 大 別 され るが, 従 来, 主 に 生 産 性 が 重 視 されるタイヤ 用 ゴムでは 接 線 式 が 利 用 される 一 方, 要 求 品 質 の 厳 しい 工 業 用 ゴムでは 噛 合 式 が 利 用 されることが 多 い.しかしながら 近 年, 特 に 低 燃 費 タイヤ 向 けと してのシリカ 配 合 の 導 入 に 代 表 される 原 材 料 の 変 化 に 伴 い, 従 来 機 種 では 要 求 性 能 が 満 足 でき ない 状 況 が 生 じてきた. このようなニーズに 応 えるべく, 三 菱 重 工 マシナリーテクノロジー( 株 )では 新 型 噛 合 式 ロータを 搭 載 した 新 機 種 MR-EX ミキサーを 開 発 し, 従 来 にない 高 度 な 混 練 技 術 への 対 応 を 進 めている. 2. 混 練 機 の 構 造 と 機 能 2.1 密 閉 式 混 練 機 の 構 造 密 閉 式 混 練 機 は, 図 1に 示 すように, 構 造 機 能 上 の 特 長 からミキサー 型 とニーダ 型 に 分 類 さ れる.ミキサー 型 は, 一 般 に 高 負 荷 混 練 に 対 応 した 高 い 耐 久 性 が 求 められ, 大 容 量 かつ 高 速 混 練 により 生 産 能 力 に 優 れた 利 点 を 有 している. 混 練 ゴムはドロップドア 方 式 で 高 速 排 出 するため, バッチ 間 のサイクルタイム 短 縮 が 可 能 となるものの, 架 台 設 置 が 必 須 であり 据 付 コストは 大 となる. 一 方,ニーダ 型 は,チャンバ 反 転 方 式 によりゴムを 排 出 するため 排 出 時 間 を 費 やすものの, 本 体 据 付 が 容 易 であり 低 コスト 構 造 が 実 現 できる.また 混 練 槽 内 へのアクセスが 容 易 であることから *1 三 菱 重 工 マシナリーテクノロジー( 株 ) 機 械 技 術 部 主 席

2 48 メンテナンス 性 に 優 れた 特 長 を 有 するが,その 反 面,チャンバ 間 口 が 広 いためフローティングウェ イト 押 付 力 が 相 対 的 に 小 さくなり, 高 負 荷 混 練 には 不 向 きとなる. 一 般 に 少 品 種 大 量 生 産 向 けで はミキサー 型 が, 多 品 種 少 量 生 産 向 けではニーダ 型 が 用 いられることが 多 い. 図 1 密 閉 式 混 練 機 の 構 造 2.2 ミキシングロータの 機 能 混 練 機 内 部 に 搭 載 される2 本 のミキシングロータは 混 練 機 の 心 臓 部 ともいえ,そのロータ 形 状 は 混 練 性 能 を 大 きく 左 右 する. 表 1にロータ 形 式 と 機 能 の 比 較 を 示 す. 表 1 ロータ 形 式 と 機 能 ロータ 形 式 接 線 式 ロータ 噛 合 式 ロータ ロータ 形 状 混 練 機 構 機 能 1ロータ/チャンバ 壁 面 間 1ロータ/チャンバ 壁 面 間 2ロータ/ロータ 間 せん 断 性 優 優 混 合 性 良 優 噛 込 性 優 良 冷 却 性 可 優 (1) 接 線 式 ロータ ロータ チャンバ 壁 面 間 で 混 練 が 行 われ,2 本 のロータ 間 クリアランスが 大 きいため 原 材 料 の 噛 み 込 みが 早 く, 一 般 に 混 練 時 間 は 短 い.しかしながら,ロータ 先 端 部 での 高 せん 断 作 用 が 主 体 となることから, 混 合 性 及 び 冷 却 性 に 難 点 があり, 混 練 ゴムの 温 度 上 昇 が 早 くゴム 温 度 管 理 に 注 意 を 要 する.したがって, 発 熱 性 の 高 いゴム 配 合 では, 許 容 上 限 温 度 に 達 すると, 一 旦 ゴ ムを 排 出, 冷 却 した 後, 所 望 のゴム 物 性 を 満 たすため 再 度 混 練 を 繰 り 返 すことが 行 われる. (2) 噛 合 式 ロータ 2 軸 ロータが 互 いに 噛 み 合 う 構 造 であり,ロータ チャンバ 壁 面 間 だけでなく,ロータ ロータ

3 49 間 での 混 練 作 用 を 備 えている.ロータ 間 クリアランスが 小 さいことから, 接 線 式 ロータと 比 較 して 原 材 料 の 噛 込 性 に 劣 り,サイクルタイムでは 一 般 に 不 利 とされる.しかしながらロータ 間 で 高 い せん 断 力 を 付 与 することでゴム 物 性 向 上 が 達 成 できると 同 時 に, 混 合 性 冷 却 性 に 優 れた 効 果 を 有 しており, 特 に 温 度 管 理 にシビアな 配 合 ならびに 多 品 種 ゴムの 高 品 質 混 練 に 適 している. 3. 三 菱 噛 合 式 ミキサーの 特 徴 3.1 狙 い 混 練 機 に 求 められる 性 能 は, 原 料 ゴム/フィラーの 混 合 分 散 性 が 良 好 で 均 一 な 品 質 が 得 ら れること, 混 練 時 間 が 短 く 高 生 産 性 が 達 成 できることに 集 約 される.しかしながら,これらの 要 求 は 相 反 する 課 題 を 内 包 している. 高 品 質 化, 高 生 産 性 のため, 高 速 かつ 高 せん 断 混 練 が 求 められ るが, 同 時 にせん 断 発 熱 に 起 因 するゴム 温 度 上 昇 を 招 くことから, 材 料 劣 化 を 避 けるべく 冷 却 再 練 り 工 程 が 必 要 となり, 混 練 を 繰 り 返 すことで 要 求 品 質 が 満 足 されている.さらには,シリカ 等 の 高 硬 度 フィラーを 含 むゴム 配 合 が 増 加 したことで,ミキシングロータを 主 体 とする 混 練 機 表 面 硬 化 層 が 短 期 間 で 摩 耗 消 失 することも 顕 著 な 問 題 となり, 混 練 機 の 耐 久 性 耐 摩 耗 性 向 上 が 求 められて いる. 以 上 の 観 点 から, 当 社 新 型 噛 合 式 MR-EX ミキサーは, 従 来 接 線 式 ロータでは 実 現 困 難 であ った 高 品 質 化 及 び 混 練 回 数 の 削 減 など, 多 様 化 するニーズに 対 応 すべく 開 発 したものである. 3.2 ロータ 構 造 図 2に 当 社 噛 合 式 ロータの 構 造 を 示 す. 本 ロータは, 従 来 の 接 線 式 ロータ 及 び 噛 合 式 ロータ 各 々の 長 所 を 融 合 した 複 合 ロータであり, 以 下 の 特 徴 を 有 する. (1) ロータ 翼 配 列 は3 翼 として,4 翼 接 線 式 ロータの 反 転 式 配 列 を 折 り 込 み, 流 動 性 と 噛 込 性 を 向 上 させている. (2) ロータ 間 に 適 正 なクリアランス 変 動 を 与 え,せん 断 性 と 噛 込 性 を 向 上 させている. (3) ロータ 翼 とロータ 軸 の2ピース 構 造 を 採 用 し, 翼 内 部 は 冷 却 水 をスパイラル 循 環 させること で, 翼 先 端 部 までロータ 冷 却 効 果 を 向 上 させている (4) ロータ 表 面 は, 耐 食 耐 摩 耗 性 に 優 れた 高 硬 度 合 金 皮 膜 を 表 面 処 理 形 成 することで, 耐 久 性 を 向 上 させている. 図 2 三 菱 噛 合 式 ロータの 構 造 4. ゴム 混 練 特 性 4.1 接 線 式 と 噛 合 式 ロータの 比 較 接 線 式 及 び 噛 合 式 ミキサーにおいて,ゴム 混 練 時 の 排 出 温 度 に 注 目 し, 性 能 比 較 試 験 を 実 施 した 例 を 図 3に 示 す. 噛 合 式 ミキサーは 冷 却 性 能 が 高 いため,ゴム 排 出 温 度 が 低 く,またゴム 上 限 温 度 に 対 して 混 練 エネルギー(ユニットワーク)を 多 く 付 与 することが 可 能 となり,フィラー 分 散 性 が 向 上 できることが 分 かる.また,ニーダ 型 でも 同 様 に, 従 来 の 接 線 式 ニーダとの 比 較 におい て, 噛 合 式 のゴム 温 度 上 昇 速 度 は 小 さく,ゴム 物 性 向 上 が 達 成 できる 結 果 が 得 られており (1), 混 合 分 散 性 に 優 れた 混 練 特 性 を 有 するといえる.

4 50 図 4 生 産 性 改 善 事 例 図 3 ゴム 混 練 性 能 比 較 図 5 シリカ 配 合 ゴム 温 度 特 性 4.2 生 産 性 の 向 上 従 来, 噛 合 式 ロータは 接 線 式 ロータに 比 較 して 生 産 性 の 面 で 不 利 とみなされてきた.しかしな がら, 噛 合 式 の 優 位 性 を 生 かすことで, 従 来 接 線 式 では 困 難 であった 混 練 回 数 の 削 減 による 生 産 効 率 向 上 が 期 待 されている. 噛 合 式 ロータによる 生 産 性 向 上 事 例 を 図 4に 示 す. 嚙 合 式 の 導 入 により 混 練 回 数 の 削 減 ( 従 来 3 回 1 回 )が 実 現 されると 共 に, 生 産 時 間 の 短 縮 に 成 功 した 事 例 である.さらに 混 練 ゴムの 粘 度 低 減 効 果 が 高 く, 混 練 品 質 向 上 も 達 成 されている. これまで 噛 合 式 ロータは, 主 に 工 業 ゴム 向 けとして 採 用 されてきたが, 最 近,タイヤ 用 ゴムへの 適 用 が 急 速 に 進 められている. 従 来 タイヤ 業 界 では, 大 容 量 接 線 式 ミキサーを 多 数 ライン 化 し, 再 練 りを 繰 り 返 すマルチパス 混 練 が 多 用 されてきたが,タイヤの 高 品 質 化 及 び 生 産 性 改 善 の 目 的 で 噛 合 式 ミキサーの 導 入 が 拡 大 しており, 従 来 の 混 練 工 程 を 脱 却 し, 生 産 効 率 の 改 善 に 貢 献 している. 4.3 リアクティブ ミキシングへの 適 用 タイヤ 業 界 では, 環 境 負 荷 低 減 技 術 として,タイヤの 転 がり 抵 抗 を 低 減 し 燃 費 を 向 上 させる 低 燃 費 タイヤの 開 発 が 精 力 的 に 取 り 組 まれており, 従 来 のカーボンブラック 配 合 からシリカ 配 合 への 原 材 料 転 換 が 急 速 に 進 められている.このような 配 合 変 化 により, 混 練 機 に 対 する 要 求 性 能 は, 従 来 重 要 視 されてきたせん 断 性 及 び 分 散 性 に 加 えて,シリカ 配 合 特 有 の 化 学 反 応 温 度 制 御 の 重 要 性 が 増 し, 反 応 器 としての 適 用 が 進 められている. シリカ 配 合 では 図 5に 示 すように 混 練 温 度 がゴム 物 性 に 及 ぼす 影 響 が 大 きく, 混 練 温 度 に 適 正 領 域 が 存 在 する (2). 当 社 MR-EX ミキサーは 新 型 噛 合 式 ロータ(EX7 型 )を 搭 載 し, 従 来 の 噛 合 式 ロータ(E 型 )と 比 較 して 更 なる 性 能 向 上 を 実 現 している. 表 2にタイヤトレッド 用 シリカ 配 合 における 従 来 の 噛 合 式 ロータ(E 型 )と 新 型 EX7 型 ロータの 混 練 性 能 比 較 結 果 を 示 す. 同 一 混 練 条 件 の 下,EX7 型 ロータでは 混 練 エネルギー(ユニットワーク)が 少 ないにもかかわら ず, 粘 度 物 性 が 低 く 製 品 加 工 性 が 改 善 すると 共 に,シリカ 分 散 性 の 向 上 により 製 品 強 度 品 質 の 改 善 も 認 められ, 優 れた 混 練 効 果 を 有 していることが 分 かる. 混 練 効 率 の 向 上 により 省 エネ 効 果 が 期 待 できる.

5 51 表 2 シリカ 配 合 ゴム 混 練 性 能 比 較 ロータ 型 式 従 来 噛 合 式 (E 型 ) 新 型 噛 合 式 (EX7 型 ) 混 練 時 間 5min 5min 混 練 エネルギー*1 0.73kWh/kg 0.66kWh/kg *2 粘 度 指 数 シリカ 分 散 性 *3 X=4.6 X=6.8 *1 ゴム 単 位 重 量 当 たりの 混 練 所 要 エネルギー(ユニットワーク) *2 未 加 硫 ゴム 粘 度 ( 製 品 ゴム 加 工 性 指 標 ) : 低 ( 加 工 性 良 好 ) 高 ( 加 工 性 不 良 ) *3 カットサンプルによるシリカ 分 散 状 態 評 価 : 1( 分 散 不 良 ) < X 値 < 10( 分 散 良 好 ) 4.4 耐 久 性 の 向 上 従 来 混 練 機 は, 肉 盛 または Cr メッキ 等 にて 表 面 硬 化 処 理 を 施 工 しているが,シリカ 配 合 等 の 高 硬 度 フィラーの 増 加 に 対 応 すべく,ロータ 表 面 に 高 硬 度 合 金 粉 末 を 皮 膜 形 成 する 高 耐 久 ロー タを 開 発 した (3). 図 6に 従 来 Cr メッキと 新 表 面 処 理 技 術 の 比 較 評 価 を 示 す. 従 来 Cr メッキと 比 較 して,ロータ 基 材 との 密 着 強 度 が 向 上 でき 信 頼 性 を 確 認 すると 共 に, 耐 摩 耗 比 の 向 上 及 び 厚 膜 化 が 可 能 となり,4 倍 程 度 の 摩 耗 寿 命 向 上 が 見 込 まれる. 図 6 耐 久 性 評 価 5. まとめ 地 球 環 境 保 全 及 び 省 資 源 化 への 対 応 が 急 務 とされる 中,ゴム 工 業 においても 技 術 革 新 に 対 する 期 待 は 大 きい. 当 社 では 新 型 噛 合 式 ロータを 搭 載 した 新 機 種 MR-EX ミキサーを 開 発 し,そ の 優 れた 混 練 特 性 から, 従 来 困 難 であった 混 練 回 数 の 削 減 及 び 高 品 質 化 を 達 成 すると 共 に, 省 エネ, 生 産 性 向 上 の 効 果 を 確 認 した.さらに 高 耐 久 ロータによる 長 寿 命 化 も 期 待 され, 省 エネ, 環 境 負 荷 低 減 への 貢 献 が 期 待 される. 今 後 も 更 に 多 様 化 するお 客 様 ニーズに 応 えるべく, 混 練 技 術 の 開 発, 機 能 向 上 に 努 めていきたいと 考 えている. 参 考 文 献 (1) 森 部 高 司, 噛 合 型 密 閉 式 混 練 機 の 技 術 開 発, 日 本 ゴム 協 会 誌,vol.74, p.70 (2001) (2) Moribe, T.,Advanced mixing technologies of intermeshing mixer for silica-filled compounds, ACS Rubber Division, 172 nd Paper, #125 (2007) (3) 花 田 修 一 ほか, 高 耐 久 自 溶 合 金 ロータを 備 えたゴム 混 練 機, 三 菱 重 工 技 報 Vol.41 No.3 p.178 (2004)