製造における混合ゴムの実際の意味
混合ゴムは、押出、カレンダー加工、または成形の準備が整った単一の均質な化合物を形成するまで、充填剤、オイル、硬化剤、その他の化学添加剤と機械的に混合された生のエラストマーです。 この用語は、原料ポリマーそのものではなく、配合段階の完成品を対象としています。天然ゴムのベールや SBR のドラムはまだ工場では使用できません。カーボンブラック、シリカ、可塑剤、酸化防止剤、促進剤、硫黄が混合ライン上のポリマーマトリックスに均一に分散されて初めて、実用的な材料になります。
混合ゴムを探しているバイヤーは、通常 3 つのうちの 1 つを探しています。それは、既製の配合ストックのサプライヤー、社内混合ラインの構築に関するガイダンス、または下流の加工に至る前に配合の品質がどのように管理されているかについてのより明確な情報です。この記事では、混合自体の仕組みから始めて、配合、品質管理、一般的な欠陥、グレードの選択まで、この 3 つすべてについて説明します。
ほとんどの混合ゴム生産の背後にある中核的な設備は、 ゴム混合ミル 、大規模なバッチを実行する場合は、内部ミキサーと組み合わせることもあります。その機械がどのように動作するかを理解することは、配合物の品質がサプライヤー間でこれほど大きく異なる理由を理解する最も早い方法です。
各バッチの背後にある 2 段階の混合プロセス
工業用配合が 1 回のパスで行われることはほとんどありません。サイクルの初期に追加される成分と最後近くに追加される成分とは大きく異なる動作をするため、2 つの異なる段階が使用されます。
- マスターバッチステージ。 原料ポリマー、カーボン ブラックやシリカなどの強化充填剤、プロセス オイル、および保護化学薬品は、通常は内部 (バンバリー タイプ) ミキサーで最初に混合されます。この段階では高いせん断力が発生し、チャンバー温度が摂氏 130 ～ 150 度を超える可能性があります。これはフィラーには問題ありませんが、熱に弱い硬化剤は破壊されてしまいます。
- 最終混合段階。 冷却されたマスターバッチは開放型 2 ロールゴム混合ミルに移され、一般にスコーチと呼ばれる早期の加硫を避けるために、硫黄、促進剤、および活性化剤がはるかに低い温度 (通常は摂氏 50 ～ 70 度近くに保たれる) で混ぜられます。
一部の小規模な操作や実験室バッチでは、内部ミキサーを完全にスキップし、サイクル全体をオープンミルで実行します。これにより、設備コストが抑えられ、オペレーターがローリングバンクを直接視覚的に制御できるようになります。これが、タイヤや工業用ホースの大量生産では内部ミキサーが主流であるにもかかわらず、オープンミルが中規模工場で一般的である理由の 1 つです。
フィラーの配合量が多い場合、一部の配合物は最終混合前に 2 回または 3 回のマスターバッチ パスに分割されます。 一般的なルールとして、配合物に含まれるカーボンブラックまたはシリカの量が増えるほど、均一な分散を達成するためにより多くの混合段階が必要になります。
ゴム混合ミルの内部: ロール速度、摩擦比、ニップ制御
ゴム混合ミルは、水平に取り付けられた 2 つの二重反転スチール ロールで構成されています。ロールはまったく同じ速度で回転することはありません。この意図的な速度の不一致は摩擦比と呼ばれ、実際に混合作業を行うものです。
| パラメータ | 代表的な範囲 | 混合への影響 |
|---|---|---|
| 摩擦比 | 1:1.1 ～ 1:1.4 | 比率が高いほど、せん断と熱の蓄積が増加します |
| ロールニップギャップ | 2 ～ 20 mm、混合時は通常 2 ～ 8 mm | ギャップが小さいと混合がより均一になり、スループットが遅くなります |
| フロントロール表面速度 | 生産工場では毎分約 16 ～ 19 メートル | 指定されたロール長に対するバッチ サイクル タイムを設定します |
| ロール表面温度 | 硬化剤添加中は 50 ～ 70 ℃ | 硫黄を添加すると焦げるのを防ぐため、低く保たれます。 |
| ロール硬度 | 冷やし鋳鉄、約 68 ～ 75 HRC | 長い耐用年数にわたって研磨性フィラーによる摩耗に耐えます |
コンパウンドは常に、より速い後部ロールではなく、より遅い前部ロールを包み込みます。これは摩擦比の意図的な結果であり、オペレーターが小規模な工場では手作業で、または大規模な生産ラインでは自動切断ブレードを使用してローリングバンクを切断、折り畳み、再供給できるようにしています。 中空ロールを通る水または油のチャンネルにより、オペレーターはストック温度を直接制御できます。 治療薬がバッチに含まれると、これは他のほとんどの変数よりも重要になります。
摩擦比を高く設定できない理由
摩擦比が高いと常に混合が速くなると思いがちですが、硬化剤が存在するとその関係は線形ではありません。比率が約 1:1.4 を超えると、硫黄硬化コンパウンドの初期架橋を引き起こすのに十分な摩擦熱が発生し、印刷機に届く前にバッチが台無しになってしまいます。したがって、最終混合用に構築されたミルは、範囲の下限で動作することがよくありますが、マスターバッチ段階のインターナルミキサーは、硬化剤がまだ存在していないため、より強力なせん断に耐えることができます。
バッチ量に合わせたゴム混合ミルのサイジング
ゴム混合ミルを初めて評価する購入者は、ほとんどの場合、ロールの長さが毎日の生産量にどのくらい影響するかを過小評価します。バッチ容量は単にロールの直径の関数ではありません。それは、ロールの作動長さ、オペレーターがニップ内で安全に維持できるバンクサイズ、および配合物が目標分散に達するまでに必要なカットアンドフォールドサイクルの回数によって決まります。
一般的な計画ガイドとして、直径 150 ～ 200 mm のロールを備えた小さな実験室用ミルは、1 ～ 5 キログラムの範囲のバッチを処理し、生産の実行ではなく配合の試験を目的としています。 400 ～ 500 mm のロールを備えた中型ミルは、中小規模の配合工場で最も一般的に設置されているサイズで、通常、配合密度とニップ設定に応じて 20 ～ 60 kg のバッチを処理します。 600 mm 以上のロールを備えた生産ミルは、バッチあたり数百キログラムにスケールアップされ、通常は手動で装填するのではなく、ダンプミルに直接供給する内部ミキサーと組み合わせられます。
定格バッチ重量を超えてミルに過負荷をかけると、サイクルが遅くなるだけでなく、分散品質が著しく損なわれます。 ローリングバンクが大きすぎて、各パスでニップが完全に機能しなくなるためです。積載量が少ないと機械時間が無駄になり、バンクが小さいほどその質量に比べて早く加熱されるため、ストック 1 キログラムあたりの熱の蓄積が比例して増加します。毎回の実行で上限を設定するのではなく、バッチサイズをメーカーの定格容量に一致させることは、調合工場がスループットと一貫性の両方を保護する最も簡単な方法の 1 つです。
毎日の生産量計画では、切り替え時間も考慮する必要があります。同じ工場でいくつかの異なるコンパウンドファミリーを稼働させている工場では、特に、濃い色の高充填コンパウンドから、キャリーオーバー汚染がすぐに目に見える明るい色や非黒色の配合物に切り替える場合、バッチ間のパージとロールクリーニングの実際の能力が失われます。
混合ゴムコンパウンドには何が含まれるのか
すべての混合ゴム配合物は、5 つの機能性成分グループを中心に構築されています。正確な比率はターゲットの硬度、耐摩耗性、最終用途に応じて変化しますが、カテゴリー自体はほぼすべての化合物の種類で一貫しています。
- ベースポリマー: 天然ゴム、SBR、EPDM、ニトリル、またはそのブレンドのベースラインの機械的および化学的耐性特性に基づいて選択されます。
- 強化充填剤: N330 や N550 などのカーボン ブラック グレード、または沈降シリカを添加して、引張強度と耐摩耗性を高めます。
- 加工助剤および可塑剤: パラフィン系または芳香族のオイル、ワックス、およびファクチス。混合中の流れとロールの剥離を改善するために使用されます。
- 保護添加剤: 製品の耐用年数にわたって熱、酸素、オゾンへの曝露による劣化を遅らせる酸化防止剤とオゾン防止剤。
- 治療パッケージ: 硫黄、促進剤、酸化亜鉛やステアリン酸などの活性化剤が含まれており、加硫中に架橋ネットワークの構築に関与します。
通常、フィラーの充填量が硬度とコストの最大の要因となります。たとえベースポリマーと硬化剤パッケージが同一であっても、ゴム 100 部に対して 30 部のカーボン ブラックを含むコンパウンドは、60 部で配合されたコンパウンドとは大きく異なる挙動を示します。 配合者は通常、すべての成分をゴム 100 個あたりの部数 (phr で表記) で表現するため、比率を最初から再計算することなくバッチをスケールアップまたはスケールダウンできます。
混合ゴムの品質を工場から出る前にどのように検証するか
フィラーの分散が不十分であったり、硬化剤が不均一に分散されている場合、コンパウンドはロール上では均一に見えても、下流では失敗する可能性があります。ほとんどの混合ラインでは 3 つのチェックが標準的な方法です。
ムーニー粘度
ASTM D1646 に基づいて測定されるムーニー粘度は、押出または射出中にコンパウンドがどのように流れるかを反映する単一の数値を与えます。目標のムーニー ウィンドウを大きく外れたバッチは、通常、配合エラーではなく、一貫性のない混合時間、不正確なニップ設定、またはフィラーの分散の問題を示しています。
分散評価
分散は通常、混合シートの切断面または引き裂き面の画像分析または画像分析によって等級付けされます。分散が不十分なカーボン ブラックは、目に見える斑点や凝集物として現れ、引張強度が弱まり、完成部品の表面欠陥が発生するリスクが高まります。
硬化レオメトリー
可動ダイレオメーターテストは、コンパウンドが加熱下でどのくらい速く、どの程度硬化するかを追跡し、スコーチタイムと硬化時間の数値を生成します。これは、硬化剤パッケージが最終ミルパスで正しく添加され、混合中に過剰な熱にさらされていないことを確認します。
評判の良い配合業者は、混合ゴムを押出、成形、またはカレンダー加工のためにリリースする前に、すべてのバッチからのサンプルを保持し、目標範囲に対してこれら 3 つの結果を記録します。 このステップをスキップすることが、一貫性のないバッチが最終部品になる最も一般的な理由です。
一般的な混合欠陥とその原因
混合ゴムに関する品質に関する苦情のほとんどは、繰り返される小さな一連のプロセスエラーに遡ります。以下の表は、生産現場で最も頻繁に見られるものをリストしたものです。
| 欠陥 | 考えられる原因 | 是正措置 |
|---|---|---|
| 焦げまたは早期硬化 | 硬化剤を添加するとロール温度が高すぎる | ロール水温を下げ、最終パスの摩擦比を下げる |
| フィラーの斑点 | ミキシングパスが不十分であるか、ニップの設定が広すぎます | カットアンドフォールドサイクルを増やし、ニップギャップを狭くする |
| 粘着性のある非剥離性シート | 過剰なプロセスオイルまたは間違ったポリマーがロール温度に適合している | オイルphrを再確認し、ロール表面温度を調整します |
| バッチ間のムーニー読み取りに一貫性がない | 可変の混合時間またはオペレーターのテクニック | 書面による作業指示書によるサイクルタイムとパスカウントの標準化 |
| ブルームまたは表面の変色 | 添加剤の配合量がポリマーの溶解限界を超えている | ワックスまたは酸化防止剤の phr を減らすか、より高い溶解度グレードに切り替える |
ゴム混合ミル周囲のオペレーターの安全要件
オープン 2 ロール ミルには、ゴム製造現場で見られる稼働中のニップの危険性の中で最も深刻なものの 1 つがあり、その周囲の安全管理もそれに応じて厳しくなっています。米国では、ゴムおよびプラスチック産業で使用されるミルおよびカレンダーは、規制 29 CFR 1910.216 に基づいて管理されており、保護を一般的な判断に委ねるのではなく、特定のハードウェアおよび性能要件が定められています。
- 感圧式ボディバー ロール高さが 46 インチ以上のミルの前部と後部の両方に設置され、身体に接触した場合に即時に停止するように配置されています。
- 安全トリップケーブルまたはワイヤーコード ロールに接する垂直面から 2 インチ以内に取り付けられ、オペレーターの作業位置に沿ったどこからでもアクセスできます。
- 定義された停止距離制限。 ミルは、ロール表面のインチで測定した移動距離内で、ロールの無負荷周面速度（フィート/分）の 1.5 パーセントを超えない範囲内で停止しなければなりません。
- 手動リセットのみ。 トリップおよび緊急スイッチは自動的にリセットすることはできません。オペレータまたは監督者は、ミルを再起動する前に制御を物理的にリセットする必要があります。
最新の工場では、これらの基本的な機械制御に加えて、多層的な保護を追加しています。過熱、異常な振動、または突然の電力損失を監視する自動シャットダウン システムは、新しい機器ではますます標準化されており、洗浄などの非動作期間中のニップ ポイント周囲の完全な保護は、オペレータの走行位置トリップ制御とは別の要件として扱われます。 これらのシステムはいずれもトレーニングに代わるものではありません ;緊急停止装置は設計上反応性であり、オペレーターが危険を認識し、接触が発生する前に制御装置に到達した場合にのみ機能します。そのため、工場のオペレーターは、ガードのみに依存するのではなく、手の配置と安全な供給技術について特別に訓練されています。
混合ゴムの品質を一定に保つメンテナンス
機械的に仕様外のゴム混合ミルでは、配合とオペレーターの技術が正しい場合でも、一貫性のないバッチが生成されます。いくつかのメンテナンス項目は、単なる機器の寿命ではなく、複合品質に直接的かつ測定可能な影響を与えます。
| コンポーネント | チェック頻度 | 無視した場合の品質への影響 |
|---|---|---|
| ロールベアリングのクリアランス | 生産工場で毎月 | ロールの長さ全体でニップギャップが不均一、シート厚さが不均一 |
| ロール表面の摩耗と孔食 | 各シフトを視覚的にチェックし、四半期ごとに測定します | シートの剥離不良、局所的な分散欠陥 |
| 冷却水の流量と温度 | 毎日 | シフト中にロール温度が上昇すると焦げの危険性がある |
| ニップギャップ校正 | 毎週、またはロール交換後 | バッチ間のムーニー粘度ドリフト |
| ドライブギヤの潤滑 | メーカーごとのスケジュール、通常は毎月 | 摩擦比 instability, increased downtime risk |
ロールの表面状態は、完成品に欠陥が現れるまで見落とされやすいため、特に注意が必要です。冷却された鋳鉄ロールは耐摩耗性に優れていますが、高構造カーボン ブラックや強化シリカなどの研磨性フィラーは、長年の連続使用により依然として表面仕上げを侵食します。 ロール表面に穴や傷があると、コンパウンドがきれいな連続バンドを形成する能力が低下します。 、配合や温度設定が正しい場合でも、断続的または縞状のシートとして表示されます。
硬度と用途から選ぶ混合ゴム
ショア A スケールで測定される複合硬度は、特定の作業に適した混合ゴム グレードを絞り込む最も簡単な方法の 1 つです。重要な変数はこれだけではありませんが、部品が使用中にどのように機能するかに強く相関します。
- 30 ～ 45 ショア A: 耐摩耗性よりも柔軟性が重要なソフトシール、ガスケット、振動減衰コンポーネント。
- 50 ～ 65 ショア A: 汎用の成形部品、ホース、コンベア カバー ストックを使用し、柔軟性と妥当な摩耗寿命のバランスをとります。
- 70 ～ 85 ショア A: タイヤトレッドコンパウンド、工業用ローラー、耐久性の高い床材などの高摩耗用途。
- 90 ショア A 以上: 耐荷重ブッシュ、摩耗パッド、および持続的な圧力下での変形に耐える必要があるコンポーネント。
ポリマーの選択は硬度と同じくらい重要です。 EPDM ベースの混合ゴムは、天然ゴムよりもはるかに優れた耐候性と耐オゾン性を備えているため、屋外のシールや屋根の膜化合物にデフォルトで選択されています。天然ゴムと SBR は両方とも炭化水素環境では著しく膨潤するため、部品がオイルや燃料と接触する場合には常にニトリルベースの化合物が代わりに選択されます。 ベースポリマーを動作環境に適合させることで、充填剤の配合量を調整するよりもはるかに多くの現場での故障を防ぐことができます。
再生ゴムを混合ゴムバッチにブレンドする
すべての混合ゴムバッチがバージンポリマーだけから作られているわけではありません。スクラップタイヤまたはスクラップコンパウンド材料を解硫して生成される再生ゴムは、最終部品の機械的特性目標に応じて、ポリマー総含有量の 5 ～ 30 パーセントの範囲で配合物にブレンドされるのが一般的です。
再生利用は原材料コストを削減し、埋め立て地に送られるスクラップの量を削減します。そのため、調達チームがサプライチェーン内でリサイクルされた内容を文書化するというプレッシャーに直面する中、再生利用の重要性はますます高まっています。トレードオフは機械的なものです。再生ゴムは通常、同等の全バージンコンパウンドと比較して引張強度、破断点伸び、耐摩耗性が低下するため、タイヤトレッドや高性能シーリングコンパウンドよりも、フロアマット、ドックバンパー、マッドフラップ、一部の工業用成形部品などの低応力用途に現れる傾向があります。
混合ミル自体では、再生ポリマーはバンディング段階でバージンポリマーとは異なる挙動を示します。脱硫プロセスでは元の架橋ネットワークの大部分がすでに分解されているため、通常、実行可能な可塑性に達するまでに必要な咀嚼時間が短くなります。 再生ブレンドを扱う配合者は通常、初期バンディングサイクルを短くし、わずかに調整した治療薬パッケージで補います。 これは、元の加硫物から持ち越された残留硫黄が硬化タイミングを目標からずらす可能性があるためです。
混合ゴムの価格を実際に左右するもの
混合ゴムコンパウンドの見積価格はサプライヤー間で大きく異なり、スプレッドがマージンだけで決まることはほとんどありません。低価格複合製品とプレミアム複合製品の違いのほとんどは 4 つの要素によって説明されます。
ベースポリマーの選択
フルオロエラストマーや高級ニトリルなどの特殊エラストマーは、天然ゴムや汎用 SBR よりもキログラムあたり数倍のコストがかかり、バッチの混合効率に関係なく、この差は完成したコンパウンドの価格に直接反映されます。
フィラーおよび添加剤グレード
沈降シリカと特殊カップリング剤は標準のカーボン ブラック グレードよりもコストが高く、屋外での耐用年数を延ばすために配合されたプレミアム酸化防止剤パッケージは、基本的な屋内用コンパウンドでは負担する必要のないコストを追加します。
バッチの一貫性要件
厳密なムーニー粘度許容差と完全なバッチトレーサビリティ文書を備えたコンパウンドは、より頻繁なテスト、より少ない生産量、および工場でのより厳格なオペレータ規律が必要となるため、より緩やかな仕様に混合したコンパウンドよりも製造コストが高くなります。
注文量と混合効率
十分に活用されていない生産工場で混合される小さな試作バッチでは、セットアップ、パージ、切り替え時間がはるかに完成度の低い原料全体に分散されるため、完全な生産を実行するよりもキログラムあたりのコストがはるかに高くなります。 注文をより少ない、より大きなバッチにまとめた購入者は、通常、キログラムあたりの価格が大幅に安くなります。 同じ製剤を少量、頻繁に注文する人よりも。
混合ゴムに関するよくある質問
混合ゴムと生ゴムの違いは何ですか？
生ゴムは、充填剤や硬化剤が添加される前の、天然ラテックス由来または合成の未処理のポリマーです。混合ゴムは、充填剤、オイル、保護添加剤、硬化剤が混合ライン上でポリマーに分散された後の配合製品であり、成形と加硫の準備が整います。
密閉型ミキサーを使わずに混合ゴムを製造できますか?
はい。多くの小型コンパウンダーは、特にローリングバンクを直接視覚的に制御することが重要な少量生産、プロトタイプバッチ、または特殊コンパウンドの場合、内部ミキサーを使用せずにオープンゴム混合ミルでサイクル全体を実行します。バッチ量が増加するにつれて、内部ミキサーのコスト効率が向上します。
硫黄が混合サイクルの最初ではなく最後に追加されるのはなぜですか?
十分な熱が加えられると、硫黄と促進剤が架橋反応を引き起こします。フィラーの分散中にバッチの温度が 130 ℃を超える可能性があるときに早期に添加すると、材料が金型に到達する前に早期に加硫が行われる危険性があります。これを避けるために、硬化剤は常に低温の最終混合パスに追加されます。
混合ゴムバッチは、処理が必要になるまでどのくらいの期間使用可能ですか?
これは加速器システムと保管温度に大きく依存しますが、多くの汎用化合物は、焦げのリスクや酸化を避けるために、混合後数日から数週間以内に処理する必要があります。遅延作用促進剤を含む化合物、または涼しい日陰の条件で保管された化合物は、より長く保持できます。
ゴム混合ミルのロールニップを広くすると生産速度が上がりますか?
スループットは向上しますが、混合の均一性は低下します。ニップが広いと、サイクルごとにより多くの材料を通過させることができますが、各パスに加えられるせん断力が小さくなります。これは通常、同じ分散品質に達するためにより多くの総パスが必要になることを意味し、節約された時間の多くが相殺されます。
完成した混合ゴムシートの色ムラや質感ムラの原因は何ですか？
不均一な色やまだらな質感は、通常、フィラーの分散が不完全であること、ミルでのカットアンドフォールドサイクルが不十分であること、またはニップギャップがバッチサイズに対して広すぎることを示しています。通常、パス数を増やし、バッチ重量がミルの定格容量と一致していることを確認することで問題は解決します。
性能を損なうことなく、混合ゴムバッチにどれだけの再生ゴムを入れることができますか?
総ポリマー含有量の 5 ～ 30 パーセントの荷重が一般的で、上限は低応力部品用に確保されます。その範囲を超えると、通常、引張強度と耐摩耗性が十分に低下し、そのコンパウンドは要求の厳しい用途には適さなくなります。そのため、適切な上限は、完成部品が耐える必要があるかどうかによって決まります。
生産規模のゴム混合ミルにはどのようなロール直径が必要ですか?
ほとんどの製造配合工場では、直径 400 ～ 600 ミリメートルのロールを備えた工場が稼働しています。この範囲を下回る小さな直径は、通常、連続生産量ではなく、実験室またはパイロットスケールの試験バッチ用に確保されます。
ゴムを混合する場合、オープンミルよりインターナルミキサーの方が常に優れていますか?
必ずしもそうとは限りません。インターナルミキサーはより高いスループットとより大きなバッチサイズを提供しますが、オープンミルはオペレーターにより直接的な視覚的および手動制御を提供し、スコーチウィンドウが短い化合物にとってより安全であり、購入と維持のコストが大幅に低いため、中小規模の操業で一般的です。
生産工場の周りではどのような安全装置が法的に義務付けられていますか?
米国では、規制 29 CFR 1910.216 により、ミルの前面と背面の両方に感圧ボディ バーまたは安全トリップ ケーブルを設置し、緊急スイッチを手動でリセットし、ロール表面速度に基づいて定義された最大停止距離を要求しています。要件は国によって異なる場合があるため、このベースラインとともに現地の規制を常に確認する必要があります。
同じ混合ゴムコンパウンドに見えるものに対して、2 つのサプライヤーがまったく異なる価格を提示するのはなぜですか?
通常、価格の違いは、ベースポリマーのグレード、フィラーと添加剤の品質、バッチの一貫性がどの程度厳密に管理および文書化されているか、工場の効率的なバッチサイズと比較した注文量によって決まります。データシート上では同一に見える 2 つの化合物であっても、原料グレードやテストの厳密さにおいては大きく異なる場合があります。
