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        要旨： 密閉ミキサーにおける定速および変速混練プロセス、同期回転子の位相角、ならびにミキサー内部の温度制御が混練効率に与える影響を分析した。定速混練に比べて、高速での原料投入、中速での分散、低速での分布という段階的な変速混練プロセスを採用することで、混練効率の向上が図られる。同期回転子式密閉ミキサーにおいては、90°の位相角を設定することで混練効率が高まり、さらに、位相角が180°の場合に生じる回転子の長辺同士の接触による停止現象を回避できる。また、適切な混練温度を維持し、回転子の温度を混練室の温度よりも低く保つことで、回転子のせん断作用と混練効率の向上が実現する。
混練ゴムの生産工程において、ミキシングマシンの生産効率をいかに向上させるかは、製造企業にとって常に重要な課題である。本研究では、せん断型ミキシングマシンにおける変速混練、同期ローターの位相角の選定、ミキシングマシンの温度制御などの混練技術が、ミキシングマシンの生産効率および混練ゴムの品質に与える影響について検討した。

1. 定速混練と変速混練の混合：
密閉ミキサーによるコンパウンドの定速生産工程において、ゴム材料がミキサー内に投入された後、しばしばローターのスリップ現象が発生する。トレッドコンパウンドの定速混練時の出力曲線は図1に示すとおりである（加硫処理、回転数30 r·min⁻¹、排気温度110℃）。

から 図1 明らかに、ゴム配合物がミキシング機に投入された直後は、ミキシング機の出力曲線における最初の20秒間のピークが低く、ゴム配合物に加わるせん断応力も小さい。現場での観察・分析によれば、ミキシング機の容量が適切である場合、せん断応力が小さくなる原因は、ゴム配合物がミキシング機内に入り、ローターによって大塊状のゴムが細かく粉砕される過程において、ゴムの温度が比較的低く、さらに炭黒や加硫剤・促進剤が一部添加されて界面分離効果を発揮しているため、ローターとゴムとの間に滑りが生じていることにある。したがって、ミキシング初期段階でゴム配合物に対するせん断応力を高めることが、ローターの滑りを解消する有効な手段である。実際の生産では、プレスブロックの圧力およびミキシング容量は通常一定であり、一方でローター回転数は調整可能である。ただし、ローター回転数が高すぎると、ミキシング後期にゴムの温度上昇が過度に進行し、ミキシング工程にとって不利となる。これに対して、変速ミキシング技術を導入すれば、当該問題を解決できる。

変速混練は通常、高速での原料投入、中速での分散混練、低速での分布混練の3段階に分けられる。
高速加料：高いローター回転数下では、ローターが大きなゴムブレードを迅速に細かく切り刻み、高いせん断作用によってゴム材料を破砕・分散・混合します。高速せん断によりゴム材料の温度は急激に上昇するため、温度が過度に高くなりすぎないよう適切に制御する必要があります。
中速分散混練：中程度のローター回転数を選定してコンパウンドの温度を制御し、温度の急激な上昇を抑制することで、配合剤が適切な応力およびせん断力の作用下で最適な分散混練および分布混練を行います。
低速分布混練：混練後期においてゴムコンパウンドの温度上昇速度をさらに抑制し、低温下で加工材料の分布を均一化するため、ローター回転数をさらに低下させ、低剪断条件下で材料がわずかに破砕・分散・混合される。

        図2 図に示すのは、トレッドゴムの変速混練における消費電力曲線である（ローター回転数は40/35/30 r·min⁻¹、排出温度は110 ℃）。図2からわかるように、回転数を上げると混練初期段階の電力曲線のピークが高くなり、ローターのスリップ現象はほぼ解消される。定速混練と比較して、1台あたりのゴム材料の生産時間は約20秒短縮され、生産能力は約20％向上する。
検査の結果、変速混練プロセスで製造されたゴムコンパウンドは、モニ粘度、硬度、密度、硫化試験機によるデータおよび充填剤の分散状態について、定速混練プロセスで製造されたものと比較して有意な差が認められませんでした。
ローター回転数を上げると生産能力は向上するが、適切な回転数を選定しないとゴムコンパウンドの品質に悪影響を及ぼす。図3および図4は、それぞれ40/35 r·min⁻¹および35/30 r·min⁻¹の変速混練プロセスを用いたトレッドゴムの第2段階混練時の消費電力曲線を示しており、混練ゴムにおける充填剤の分散度はそれぞれ4.78および5.01、超大粒子の分布指数は8.45および8.77である。

        図3および図4より 図3に示される温度上昇は図4に比べて速く、加硫時間は約20秒短縮されるが、充填剤の分散性はやや劣る。充填剤の分散性が低下する主な要因は、生ゴム混合物の温度上昇が急激すぎると、剪断応力が低下し、結果として充填剤の分散性に悪影響を及ぼすためである。したがって、ローター回転数を選定する際には、生ゴム混合物の温度上昇速度を観察し、最適なローター回転数の組み合わせを見極める必要がある。

2 同期回転子位相角：
同期ローター型ミキサーは、現在広く認められている剪断型ミキサーのなかでも最も先進的な機種の一つである。同期ローター型ミキサーの優れた点は、原料の投入能力や剪断・せん断・引張作用がいずれも強く、分散および分布混練の効果に優れ、充填剤の分散度が高く、同一バッチ間および各ロット間での均一性が良好で、温度差も小さいことである。なお、同期ローターの回転比は1:1であるため、両ローター間の位相差はミキシング性能に直接影響を及ぼし、一般的に用いられる位相差は90°および180°である。
(1)回転子位相角90°

回転子の位相角が90°の場合、混練室におけるゴム材料に作用するせん断応力は図5に示すとおりである。ゴム材料は混練室へ進入すると、回転子と混練室壁との間で生じるせん断応力に加え、回転子同士の押し合いによる圧縮応力も受けるため、前後の混練室における混合が促進され、材料の分布および混練が効率的に進行する。図6は、回転子の位相角が90°の条件下でのトレッドゴムの混練出力曲線を示している（等速混練、回転子回転数は50 r·min⁻¹）。図6から明らかなように、密閉式ミキサー内に投入されたゴム材料には、顕著なせん断効果が及んでいる。混練時間146秒、排出温度160℃において、充填剤の分散度は5.3、超大粒子の分布指数は8.9であった。
(2)回転子の位相角180°

回転子の位相角が180°のとき、混練室におけるゴム材料に作用するせん断力は図7に示すとおりである。両回転子の長辺が水平方向にある場合（図7(a)）、回転子はゴム材料に対してせん断作用を及ぼす。一方、回転子が90°回転した後（図7(b)）、両回転子の長辺は鉛直方向となり、この時点では両回転子間で受けられるせん断効果は低下する。この状態でゴム材料を密閉式ミキサーに投入すれば、供給速度を向上させることができる。回転子が1周するたびに、ゴム材料に作用するせん断力は回転子の位置変化に伴って変動する。図8は、位相角が180°の場合のトレッドゴムの混練出力曲線を示している（等速混練、回転子回転数50 r·min⁻¹）。図8からわかるように、ゴム材料が混練室に導入された直後は、せん断作用が比較的小さく、温度上昇も緩やかであるため、混練プロセスに影響が生じる。混練時間が178 s、排気温度が160℃の条件下では、充填剤の分散度は4.1、超大粒子の分布指数は7.8であった。
(3)回転子位相角の選定：
ローターの位相角がそれぞれ90°および180°で、脱ガス温度が160℃である場合の充填剤の分散度を比較すると、同期ローターミキサーにおいて位相角を90°に設定して混練を行うことで、混練時間を短縮し、生産効率を向上させることができる。さらに、ゴム材料の分布混合を促進し、混練ゴムの成分均一性を高めることも可能である。
なお、回転子の位相角を90°とすることで、位相角が180°となり両回転子の長辺が接触する場合に生じるモータ負荷の過大化を回避し、ひいてはモータの停止を防ぐことができます。

3. ミキサーの温度制御：
現在使用されているせん断型ミキサーおよび噛み合い型ミキサーの両者は、3区画からなる加熱・冷却の温度制御システムを備えている。高効率な混練を行うためには、ミキサー内の温度制御は臨界状態に保つことが望ましい。ラジアルタイヤ用ゴムコンパウンドは主にNRを主体としており、NRの特性として、混練時には大部分のゴムが冷たい表面ではなく温かい表面に付着する。したがって、混練プロセスを最適化するには、ローターの温度を静止面（混練室）の温度よりも低く保ち、ゴムが最小限のすべりで静止面に付着するようにすることで、ローターのリブがより効果的にゴムを剪断できるようにする必要がある。イソプレンゴムの混練において、冷却水の温度を10～15℃から40～50℃に上げたところ、混練時間は7％短縮され、生産効率は5％向上するとともに、混練ゴムの品質も改善された。GK520E型ミキサーでの試験では、ローター温度を35℃から40℃へ、混練室温度を40℃から46℃へそれぞれ引き上げた場合、排出時の温度が同一である条件下で、一車あたりの混練時間が平均11秒短縮され、生産効率は7.5％向上した（トレッド基部ゴム）。一方、ローター温度が混練室温度を上回る場合には、混練時間が逆に延長する。ローター温度を50℃、混練室温度を40℃に設定した場合、調整前の状態に比べて一車あたりの混練時間は平均15秒延長し、同時に充填剤の分散不均一が顕在化し、ゴム中に未練ゴムの塊が見られるようになった。このことから、ローター温度が混練室温度を上回ると、ゴムがローターに付着してローターの回転とともに移動するため、混練室との間で十分な付着が得られず、結果としてゴムに対する剪断効果が低下し、未練ゴムの分散にも悪影響を及ぼすことが示された。

4. 結論:
（1）混練には変速混練プロセスを採用しており、定速混練プロセスに比べて生産効率が向上し、ゴムコンパウンドの性能が安定し、経済効果も顕著である。
（2）同期回転子を採用する場合、回転子の位相角は90°とすることが望ましく、これにより混練効率が向上するとともに、位相角が180°の場合に生じる回転子の長辺同士の接触によるモータ負荷の過大化による停止を回避できます。
（3）ローターおよび混練室の冷却水温度を適切に調整することで、ミキシングミルの生産効率を向上させるとともに、混練ゴムの品質を改善し、エネルギーを節約することが可能です。