JP6972742B2

JP6972742B2 - 未加硫ゴムの粘度測定方法および装置並びに未加硫ゴムの流動シミュレーション方法

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Publication number: JP6972742B2
Application number: JP2017148463A
Authority: JP
Inventors: 誠光真坊
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: JP2019027959A

Description

本発明は、未加硫ゴムの粘度測定方法および装置並びに未加硫ゴムの流動シミュレーション方法に関し、さらに詳しくは、粘度測定に要するスペースをコンパクトにしつつ、ゴム製品等の製造工程における未加硫ゴムの粘度と近似した粘度を迅速に把握できる未加硫ゴムの粘度測定方法および装置並びにこの把握した粘度を用いた未加硫ゴムの流動シミュレーション方法に関するものである。

ゴム製品には、未加硫ゴムを成型モールドの中に押出機を用いて押し出して、または、射出機を用いて射出して製造する製品がある。また、未加硫ゴムを用いて成形した成形体を加硫モールドの中で加硫して製造するゴム製品もある。これらゴム製品の製造工程では、未加硫ゴムが流動して所定形状に型付けされた加硫ゴムになる。そのため、未加硫ゴムの粘度を把握してその流動性を予測できれば、ゴム製品の品質確認や生産性向上には有益である。

未加硫ゴムの粘度測定方法としては、キャピラリーレオメータ（細管式粘度計）、平板型回転粘度計等が知られている。しかしながら、これらの測定方法は、実験室環境下での測定を前提にしているため、その測定結果はゴム製品等の製造工程におけるモールド（キャビティや流路）などでの未加硫ゴムの粘度とは大きく乖離している。

未加硫ゴムではなく熱可塑性樹脂の粘度測定方法ではあるが、熱可塑性樹脂を射出する金型の流路での圧力勾配および流量に基づいて、粘度を測定する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この提案の測定方法では、２つの圧力センサが必要になり、また、そのための設置スペースを確保する必要がある。測定精度を向上させるには２つの圧力センサによる検知位置をなるべく離間させて設置する必要がある。そして、熱可塑性樹脂がそれぞれの圧力センサの検知位置を通過しなければ粘度を測定することができない。それ故、測定精度を高くするには測定装置に要するスペースが益々大きくなる。

特公平３−３９０８号公報

本発明の目的は、粘度測定に要するスペースをコンパクトにしつつ、ゴム製品等の製造工程における未加硫ゴムの粘度と近似した粘度を迅速に把握できる未加硫ゴムの粘度測定方法および装置並びにこの把握した粘度を用いた未加硫ゴムの流動シミュレーション方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の未加硫ゴムの粘度測定は、一定の断面形状の流路に注入した未加硫ゴムを、前記流路に充満させた状態で流動させ、１個の圧力センサにより前記流路の１箇所の検知位置で圧力を検知し、検知した前記圧力と前記未加硫ゴムの流量および前記流量に基づいて算出できる前記検知位置と前記未加硫ゴムの流動方向先端位置との離間距離、または、検知した前記圧力と前記未加硫ゴムの流動方向先端位置および流動速度に基づいて、前記未加硫ゴムの粘度を算出することを特徴とする。

上記目的を達成するため本発明の未加硫ゴムの粘度装置は、一定の断面形状の流路と、前記流路に未加硫ゴムを注入して前記流路に充満させた状態で流動させる注入手段と、前記流路の１箇所の検知位置で前記流路の圧力を検知する１個の圧力センサと、前記流路での前記未加硫ゴムの流量を検知する流量検知手段と、前記圧力センサの検知圧力および前記流量検知手段の検知流量が入力される演算部とを有し、前記検知圧力と、前記検知流量と、前記検知流量に基づいて算出できる前記検知位置と前記未加硫ゴムの流動方向先端位置との離間距離と、に基づいて、前記演算部により前記未加硫ゴムの粘度が算出される構成にしたことを特徴とする。

本発明の別の未加硫ゴムの粘度測定装置は、一定の断面形状の流路と、前記流路に未加硫ゴムを注入して前記流路に充満させた状態で流動させる押出手段と、前記流路の１箇所の検知位置で前記流路の圧力を検知する１個の圧力センサと、前記流路での前記未加硫ゴムの流動方向先端位置を検知する先端位置検知手段と、前記未加硫ゴムの流動速度を検知する速度検知手段と、前記圧力センサの検知圧力、前記先端位置検知手段の検知先端位置および前記速度検知手段の検知速度が入力される演算部とを有し、前記検知圧力、前記検知先端位置および前記検知速度に基づいて、前記演算部により前記未加硫ゴムの粘度が算出される構成にしたことを特徴とする。

本発明の未加硫ゴムの流動シミュレーション方法は、上記の未加硫ゴムの粘度測定方法により算出した前記粘度を、シミュレーションにおける前記未加硫ゴムの粘度として用いて、前記未加硫ゴムの流動シミュレーションを行うことを特徴とする。

本発明の粘度測定方法および装置によれば、未加硫ゴムの粘度を測定する流路には１個の圧力センサを用いて１箇所の検知位置で圧力を検知すればよく、流路ではその他に、未加硫ゴムの流量、または、未加硫ゴムの流動方向先端位置および流動速度を検知すればよい。そして、圧力の検知位置と、その他のデータを検知する検知位置とは大きく離間させなくても、ゴム製品等の製造工程における粘度と近似した粘度を算出することができる。それ故、粘度測定に要するスペースをコンパクトにしつつ、ゴム製品等の製造工程における未加硫ゴムの粘度を迅速に把握することが可能になっている。

本発明の未加硫ゴムの流動シミュレーション方法によれば、製造工程における未加硫ゴムの粘度と近似した粘度が把握できているので、この近似した粘度を用いることにより、シミュレーションモデルにおいて流動させた未加硫ゴムの挙動を、実際の製造工程での挙動に一段と近似させることができる。

本発明の粘度測定装置をシリンダおよび流路を断面にして例示する説明図である。図１の流路に未加硫ゴムを注入している状態を例示する説明図である。流路に注入した未加硫ゴムの流動方向先端位置と流路の圧力との関係を例示するグラフ図である。本発明の粘度測定装置の別の実施形態をシリンダおよび流路を断面にして例示する説明図である。シミュレーションモデルを例示する説明図である。

以下、本発明の未加硫ゴムの粘度測定方法および装置並びに未加硫ゴムの流動シミュレーション方法を、図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１、図２に例示する本発明の未加硫ゴムの粘度測定装置１（以下、測定装置１という）は、一定の断面形状の流路２と、流路２に未加硫ゴムＲを注入する注入手段３と、流路２の圧力Ｐを検知する１個の圧力センサ６と、流路２での未加硫ゴムＲの流量Ｑを検知する流量検知手段７と、演算部９とを有している。この実施形態では測定装置１はさらに温度センサ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）を有している。演算部９には圧力センサ６、流量検知手段７および温度センサ８による検知データが入力される。

流路２は管体でもモールドのような金属片に形成されたものでもよい。流路２の断面形状は円形、楕円形、三角、四角、五角形等の多角形でもよいが、実際の製造工程で一般に使用されている円形断面がよい。この流路２の断面積は全長に渡って実質的に同じになっていて真っ直ぐに延在している。流路２は直線状であることが好ましい。

注入手段３は、流路２に未加硫ゴムＲを充満させた状態で注入させることができればよく、例えばゴム用の押出機や射出機を用いることができる。この実施形態では注入手段３として、未加硫ゴムＲが収容される筒状のシリンダ４と、シリンダ４の内部に配置されるプランジャー５ａと、プランジャー５ａを未加硫ゴムＲの注入方向に移動させる駆動機構５ｃとを有する押出機が用いられている。シリンダ４の一定内径の円筒部の内周面と、プランジャー５ａの一定外径の円筒部の外周面とは、ほとんど隙間なく対向している。注入手段３はさらに、未加硫ゴムＲの温度を調整する温度調整部５ｂを有している。温度調整部５ｂおよび駆動機構５ｃの作動は制御部５ｄにより制御される。

圧力センサ６は、流路の１箇所の検知位置において流路２の圧力を検知する。即ち、本発明では圧力センサ６が１個だけ使用される。

この実施形態では、プランジャー５ａが未加硫ゴムＲの注入方向に移動して未加硫ゴムＲを流路２に注入させる注入移動部になっている。そこで、流量検知センサ７は、未加硫ゴムＲの注入方向へのプランジャー５ａの単位時間当たりの移動量を検知する。

温度センサ８はそれぞれの検知位置での未加硫ゴムＲの温度を検知する。この実施形態では、シリンダ４の内部の未加硫ゴムＲの温度を検知する温度センサ８ａと、注入手段３の注入口（流路２の始点）での温度を検知する温度センサ８ｂと、圧力センサ６の検知位置を通過した位置での温度を検知する温度センサ８ｃとを有している。

演算部９としてはコンピュータ等を用いることができる。演算部９には、圧力センサ６による検知圧力Ｐ、流量検知手段７による検知流量Ｑ、温度センサ８による検知温度Ｔが入力される。演算部９にはその他に、既知であるプランジャー５ａの断面積（シリンダ４の内側断面積）、流路２の断面積、流路２の長さ、流路２における圧力センサ６および温度センサ８ｂ、８ｃの検知位置（流路２の始点からそれぞれの検知位置までの離間距離）のデータが入力されている。

演算部９は、入力された検知圧力Ｐおよび検知流量Ｑに基づいて、未加硫ゴムＲの粘度μを算出する。演算部９により未加硫ゴムＲの粘度μを算出する計算式は下記（１）式である。この（１）式は、円管流路でのニュートン流体の圧力損失の計算式である。
圧力損失ΔＰ＝（８・μ・Ｑ・Ｌ）／（πｒ⁴）・・・（１）
ここで、ΔＰ＝（測定区間の始点での圧力Ｐ₁）−（測定区間の終点での圧力Ｐ₂）、Ｌは測定区間の長さ、ｒは流路２の半径である。

本発明では図３に例示するように、流路２を流動する未加硫ゴムＲの流動方向先端Ｘ₂では、流路２の圧力Ｐ₂がゼロであることに着目して測定区間の圧力損失ΔＰの大きさを取得する。即ち、圧力センサ６の検知位置Ｘ₁での検知圧力ＰをＰ₁として、この検知位置Ｘ₁を通過して流動している未加硫ゴムＲの流動方向先端Ｘ₂での流路２の圧力ＰをＰ₂＝０とする。

シリンダ４と流路２とは連続していて、未加硫ゴムＲはシリンダ４および流路２を途切れることなく流動する。未加硫ゴムＲは非圧縮性流体と見なせるので、未加硫ゴムＲの流量Ｑは、プランジャー５ａがシリンダ４の内部で単位時間に移動した区間の体積になる。即ち、プランジャー５ａの断面積×プランジャー５ａの単位時間移動量が流量Ｑになる。プランジャー５ａの単位時間移動量は流量検知手段７により検知され、プランジャー５ａの断面積は既知であるので、流量Ｑは判明する。

未加硫ゴムＲの流動方向先端位置Ｘ₂は、流量Ｑに基づいて算出することができる。プランジャー５ａがシリンダ４の内部で単位時間に移動した区間の体積（流量Ｑ）と、未加硫ゴムＲが流路２で単位時間に移動した体積は同じである。そして、流量Ｑは判明し、流路２の断面積は既知であるので、流路２を流動している未加硫ゴムＲの流動方向先端位置Ｘ₂は判明する。したがって、（１）式の測定区間の長さＬとなる流動方向先端位置Ｘ₂と検知位置Ｘ₁との離間距離も判明する。

尚、（１）式は円管流路に適用される計算式であるが、流路２の断面形状が円形以外の場合は（１）式をアレンジして使用する。

次に、本発明により未加硫ゴムＲの粘度μを測定する手順を説明する。

図１に例示するように、注入手段３のシリンダ４に未加硫ゴムＲを収容しておく。この時、未加硫ゴムＲは温度調節部５ｂにより所定温度に加温する。次いで、図２に例示するように、プランジャー５ａを前方移動させて未加硫ゴムＲをシリンダ４から流路２に注入する。流路２に注入された未加硫ゴムＲは、流路２に充満された状態で流動する。

未加硫ゴムＲが圧力センサ６の検知位置Ｘ₁を通過した後、任意の時点で圧力センサ６の検知圧力Ｐが演算部９に入力される。また、この時点で流量検知手段７により検知したプランジャー５ａの単位時間当たりの移動量が演算部９に入力される。

演算部９では、入力されたプランジャー５ａの単位時間当たりの移動量とプランジャー５ａの断面積とに基づいて、流路２での未加硫ゴムＲの検知流量Ｑが算出される。また、この検知流量Ｑと流路２の断面積に基づいて、流路２での検知先端位置Ｘ₂が算出される。ここで、圧力センサ６の検知位置Ｘ₁は既知であるので、流路２の始点Ｘ₀から検知先端位置Ｘ₂までの離間距離から、流路２の始点Ｘ₀から圧力センサ６の検知位置Ｘ₁までの離間距離を差し引くことにより、（１）式における測定区間の長さＬが算出される。

未加硫ゴムＲの検知先端位置Ｘ₂での流路２の圧力Ｐ₂がゼロ、圧力センサ６の検知位置Ｘ₁での流路６の圧力Ｐ₁を検知圧力Ｐとすれば、（１）式における粘度μ以外の数値が判明する。それ故、判明しているデータと（１）式を用いて、演算部９により未加硫ゴムＲの粘度μが算出される。

未加硫ゴムＲの粘度μは温度依存性が高い。それ故、温度調節部５ｂによって未加硫ゴムＲを様々な温度に異ならせた条件下で粘度μを算出して、未加硫ゴムＲのゴム種毎に粘度μと温度との相関関係を把握しておくとよい。

図４に例示する測定装置１の実施形態は、先の実施形態の流量検知手段７が省略されていることが先の実施形態との相違点であり、その他の構成は同じである。この実施形態では、温度センサ８ｂ、８ｃを流路２での未加硫ゴムＲの流動方向先端位置Ｘ₂を検知する先端位置検知手段および未加硫ゴムＲの流動速度Ｖを検知する速度検知手段として機能させる。

図２に例示するように、未加硫ゴムＲを注入手段３から流路２へ注入した際に、それぞれの温度センサ８ｂ、８ｃは、流動する未加硫ゴムＲが通過した際に検知温度Ｔが急激に上昇する。それぞれの温度センサ８ｂ、８ｃの検知位置（離間距離）は既知であり、検知温度Ｔが急激に上昇した時点（時刻）は把握でき、これらのデータは演算部９に入力される。演算部９では、入力されたこれらデータに基づいて、流路２での未加硫ゴムＲの流動速度Ｖが検知速度として算出される。

この実施形態では、圧力センサ６の検知位置Ｘ₁での検知圧力ＰをＰ₁として、温度センサ８ｃの検知位置を流動方向先端位置Ｘ₂として流路２の圧力ＰをＰ₂＝０とする。したがって、温度センサ８ｃの検知温度Ｔが急激に上昇した時点（未加硫ゴムＲが温度センサ８ｃの検知位置に到達した時点）での圧力センサ６による検知圧力ＰがＰ₁となる。

流路２の断面積は既知であるので、このデータと算出された検知速度Ｖに基づいて演算部９では、流路２での未加硫ゴムＲの検知流量Ｑが算出される。ここで、圧力センサ６の検知位置と温度センサ８ｃとの離間距離は既知であるので、この離間距離が（１）式における測定区間の長さＬになる。

上記のとおり（１）式における粘度μ以外の数値が判明する。それ故、判明しているデータと（１）式を用いて、演算部９によって未加硫ゴムＲの粘度μが算出される。

この実施形態では離間配置された２つの温度センサ８ｂ、８ｃを先端位置検知手段および速度検知手段として機能させているが、１つの温度センサ８ｃおよび１つの圧力センサ６を先端位置検知手段および速度検知手段として機能させることもできる。即ち、圧力センサ６の検知位置Ｘ₁を未加硫ゴムＲが通過すると検知圧力Ｐが急激に上昇する。そして、圧力センサ６の検知位置Ｘ₁は既知であり、検知圧力Ｐが急激に上昇する時点（時刻）は把握できる。

そこで、図４の実施形態で説明した一方の温度センサ８ｂの代わりに圧力センサ６を用いて、他方の温度センサ８ｃと組み合わせて使用する。これにより、流路２での未加硫ゴムＲの検知先端位置Ｘ2および検知速度Ｖを把握することができる。したがって、未加硫ゴムＲの粘度μを算出することも可能になる。

上述したように本発明によれば、未加硫ゴムＲの粘度μを測定するには、流路２には１個の圧力センサ６を用いて１箇所の検知位置Ｘ₁で圧力を検知し、流路２ではその他に、未加硫ゴムＲの流量Ｑ、または、未加硫ゴムＲの流動方向先端位置Ｘ₂および速度Ｖを検知すればよい。そして、圧力センサ６の検知位置Ｘ₁と、流量Ｑや流動方向先端位置Ｘ₂、速度Ｖを検知する検知位置とは大きく離間させなくてよい。それ故、２つの圧力センサ６を用いて流路２の圧力勾配ΔＰを検知する場合に比して、粘度測定に要するスペースをコンパクトにすることができる。

また、ゴム成型は、樹脂成型に比して射出速度や押出速度が著しく遅い。そのため、２つの圧力センサ６を用いる場合は、流動する未加硫ゴムＲが２つの圧力センサ６の検知位置を通過するには相当の時間を要する。それ故、未加硫ゴムＲの粘度μを迅速に測定するには不利になるが、本発明によれば、このようなデメリットを回避して、迅速に未加硫ゴムＲの粘度μを把握することができる。

粘度測定に要するスペースをコンパクトしつつ、未加硫ゴムＲの粘度μを把握するには、例えば、圧力センサ６の検知位置Ｘ₁は注入手段３の注入口からなるべく近い位置（数ｃｍ〜１０ｃｍ程度の位置）、かつ、未加硫ゴムＲの流れが安定する位置に設定するとよい。また、流量Ｑは未加硫ゴムＲが圧力センサ６の検知位置Ｘ₁の下流側で検知位置Ｘ₁のなるべく近い位置（数ｃｍ〜１０ｃｍ程度の位置）にするとよい。

さらには、本発明によれば、キャピラリーレオメータ（細管式粘度計）、平板型回転粘度計等の従来の既存の粘度計に比して、ゴム製品等の製造工程における粘度と近似した粘度を算出することが可能になっている。本発明によって測定した未加硫ゴムＲの粘度μは、既存の粘度計により測定した粘度よりも、ゴム製品等の製造工程における粘度に対して近似していることは、実験およびシミュレーションによって確認している。

本発明の未加硫ゴムの流動シミュレーション方法では、上記のように算出した未加硫ゴムＲの粘度μを使用する。流動シミュレーションでは、図５に例示するようなシミュレーションモデル１０において未加硫ゴムＲを、コンピュータを用いて流動させる。この実施形態では、未加硫ゴムＲを射出機１１から流路１２を介して成型モールド１３のキャビティ１４に射出して加硫用ブラダを製造する際のシミュレーションモデル１０になっている。シミュレーションモデル１０は、二次元モデルでも三次元モデルでもよい。コンピュータには粘度μの他に、成型モールド１３（流路１２やキャビティ１４）の形状および温度データ、射出圧力データ等が入力されている。

シミュレーションに使用する粘度μは、未加硫ゴムＲを用いたゴム製品等の製造工程における未加硫ゴムＲの粘度と近似している。粘度は未加硫ゴムＲの流動性に大きく影響するので、この粘度μを用いることにより、シミュレーションモデル１０で流動させた未加硫ゴムＲの挙動を、実際の製造工程での挙動により近似させることができる。

尚、未加硫ゴムＲの粘度は温度依存性が高いので、流動シミュレーションでは、実際の製造工程での未加硫ゴムＲの温度に近い温度条件で算出された粘度μを使用する。本発明は、タイヤ、ホース、防舷材、コンベヤベルト等の様々なゴム製品、これらゴム製品を構成するゴム部材、ブラダ等のゴム製の製造設備部材などを製造する際のシミュレーションに用いることができる。

１測定装置
２流路
３注入手段
４シリンダ
５ａプランジャー（注入移動部）
５ｂ温度調節部
５ｃ駆動機構
５ｄ制御部
６圧力センサ
７流量検知手段
８ａ、８ｂ、８ｃ温度センサ
９演算部
１０シミュレーションモデル
１１射出機
１２流路
１３成型モールド
１４キャビティ
Ｒ未加硫ゴム

Claims

一定の断面形状の流路に注入した未加硫ゴムを、前記流路に充満させた状態で流動させ、１個の圧力センサにより前記流路の１箇所の検知位置で圧力を検知し、検知した前記圧力と前記未加硫ゴムの流量および前記流量に基づいて算出できる前記検知位置と前記未加硫ゴムの流動方向先端位置との離間距離、または、検知した前記圧力と前記未加硫ゴムの流動方向先端位置および流動速度に基づいて、前記未加硫ゴムの粘度を算出することを特徴とする未加硫ゴムの粘度測定方法。
前記未加硫ゴムを前記流路に注入する注入手段の注入移動部の注入方向への移動量に基づいて、前記流量を取得する請求項１に記載の未加硫ゴムの粘度測定方法。
前記流路の温度を検知する温度センサの前記流路での長手方向検知位置および検知温度データに基づいて、前記未加硫ゴムの流動方向先端位置および流動速度を取得する請求項１または２に記載の未加硫ゴムの粘度測定方法。
一定の断面形状の流路と、前記流路に未加硫ゴムを注入して前記流路に充満させた状態で流動させる注入手段と、前記流路の１箇所の検知位置で前記流路の圧力を検知する１個の圧力センサと、前記流路での前記未加硫ゴムの流量を検知する流量検知手段と、前記圧力センサの検知圧力および前記流量検知手段の検知流量が入力される演算部とを有し、
前記検知圧力と、前記検知流量と、前記検知流量に基づいて算出できる前記検知位置と前記未加硫ゴムの流動方向先端位置との離間距離と、に基づいて、前記演算部により前記未加硫ゴムの粘度が算出される構成にしたことを特徴とする未加硫ゴムの粘度測定装置。
一定の断面形状の流路と、前記流路に未加硫ゴムを注入して前記流路に充満させた状態で流動させる押出手段と、前記流路の１箇所の検知位置で前記流路の圧力を検知する１個の圧力センサと、前記流路での前記未加硫ゴムの流動方向先端位置を検知する先端位置検知手段と、前記未加硫ゴムの流動速度を検知する速度検知手段と、前記圧力センサの検知圧力、前記先端位置検知手段の検知先端位置および前記速度検知手段の検知速度が入力される演算部とを有し、
前記検知圧力、前記検知先端位置および前記検知速度に基づいて、前記演算部により前記未加硫ゴムの粘度が算出される構成にしたことを特徴とする未加硫ゴムの粘度測定装置。
前記注入手段の注入移動部の注入方向への移動量に基づいて、前記流量が取得される構成にした請求項４に記載の未加硫ゴムの粘度測定装置。
前記流路の温度を検知する温度センサの前記流路での長手方向検知位置および検知温度に基づいて、前記未加硫ゴムの流動方向先端位置および速度が取得される構成にした請求項５に記載の未加硫ゴムの粘度測定装置。
請求項１〜３のいずれかの未加硫ゴムの粘度測定方法により算出した前記粘度を、シミュレーションにおける前記未加硫ゴムの粘度として用いて、前記未加硫ゴムの流動シミュレーションを行うことを特徴とする未加硫ゴムの流動シミュレーション方法。