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単なる機械的なハンドリングだけでなく、カーボンブラックやシリカといった重要な強化添加剤を均一に分散させるには、粘度制御が不可欠です。この分散液の均一性は、最終製品の機械的特性、特に引張強度、耐摩耗性、そして成形後の複雑な動的挙動といった重要な指標を決定づけます。ゴムの加硫プロセス.

II. スチレンブタジエンゴム（SBR）の基礎

スチレンブタジエンゴムとは?

スチレンブタジエンゴム（SBR）は、優れたコストパフォーマンスと高い供給量から広く利用されている汎用性の高い合成エラストマーです。SBRは、主に1,3-ブタジエン（約75%）とスチレンモノマー（約25%）から誘導される共重合体として合成されます。これらのモノマーは共重合と呼ばれる化学反応によって結合し、長い多単位ポリマー鎖を形成します。SBRは、高い耐久性と卓越した耐摩耗性が求められる用途向けに特別に設計されており、タイヤトレッドに最適です。

合成ゴムの製造工程

SBR の合成は 2 つの異なる工業的重合方法によって行われ、その結果、異なる固有の特性を持つ材料が生成され、液相中の特定の粘度制御が必要になります。

乳化重合（E-SBR）：この古典的な方法では、モノマーを石鹸のような界面活性剤を用いて水溶液中に分散または乳化させます。反応はフリーラジカル開始剤によって開始されるため、製品の劣化を防ぐために安定剤が必要です。E-SBRは高温または低温のどちらのプロセス温度でも製造できますが、特に低温E-SBRは優れた耐摩耗性、引張強度、低反発性で知られています。

 

溶液重合（S-SBR）：この高度な方法は、アニオン重合を伴い、通常はアルキルリチウム開始剤（ブチルリチウムなど）を炭化水素溶媒（一般的にはヘキサンまたはシクロヘキサン）中で使用します。S-SBRグレードは一般的に分子量が高く、分子量分布が狭いため、柔軟性、引張強度、タイヤの転がり抵抗の大幅な低減といった優れた特性が得られ、S-SBRはプレミアムで高価な製品となっています。

重要なのは、どちらのプロセスにおいても、重合反応は反応器排出物に連鎖停止剤または重合停止剤を投入することで正確に停止させる必要があることです。これにより最終的な鎖長が制御され、初期分子量、ひいては塩基性ポリマーの分子量が直接決定されます。ゴムの粘度配合する前に。

 

スチレンブタジエンゴムの特性

SBR は、優れた物理的特性と機械的特性を備えていることで評価されています。

機械的性能:SBRの主な強みは、通常500～3,000 PSIの高い引張強度と優れた耐摩耗性です。また、SBRは優れた圧縮永久歪み耐性と高い耐衝撃性も備えています。さらに、この材料は本質的に耐亀裂性があり、この重要な特性により、カーボンブラックなどの補強用充填剤を大量に配合することで、強度と耐紫外線性を向上させることができます。

化学的および熱的プロファイル:SBRは一般的に水、アルコール、ケトン、および特定の有機酸に対して耐性がありますが、顕著な脆弱性も示しています。石油系オイル、芳香族炭化水素燃料、オゾン、およびハロゲン化溶剤に対する耐性は低いです。熱的特性に関しては、SBRは広い範囲で柔軟性を維持し、連続使用時の最高温度は約225°F（約100℃）、低温柔軟性は-60°F（-60℃）まで持続します。

 

分子量と鎖構造の主要な指標としての粘度

原料ポリマーのレオロジー特性は、重合段階で形成される分子構造（ポリマー鎖の長さと分岐度）によって基本的に決定されます。分子量が高いほど一般的に粘度が高くなり、それに応じてメルトフローレート（MFR/MVR）が低下します。したがって、反応器排出直後の固有粘度（IV）を測定することは、意図した分子構造の形成を継続的にモニタリングすることと機能的に同等です。

 

III. SBR加工を支配するレオロジー原理

 

レオロジー原理、せん断速度依存性、温度/圧力感度。

 

レオロジーは、材料の変形と流動性を研究する学問であり、工業プロセス条件下におけるSBRの挙動を理解するための科学的枠組みを提供します。SBRは複雑な粘弾性材料として特徴付けられ、粘性（永続的な液体のような流動）と弾性（回復可能な固体のような変形）の応答を融合した特性を示します。これらの特性の優位性は、適用される荷重の速度と持続時間に大きく依存します。

SBRコンパウンドは基本的に非ニュートン流体です。つまり、その見かけのゴムの粘度一定値ではないが、重要なせん断速度依存性せん断速度が増加すると粘度は著しく低下し、この現象はせん断減粘と呼ばれます。この非ニュートン流体挙動は品質管理に重大な影響を及ぼします。従来のムーニー粘度計試験で測定されるような低せん断速度での粘度値は、混合、混練、または押出成形に特有の高せん断速度下における材料の挙動を適切に反映していない可能性があります。せん断に加え、粘度は温度にも非常に敏感です。プロセス加熱は粘度を低下させ、流動性を高めます。圧力も粘度に影響を与えますが、粘度はせん断、圧力、および処理時間によって動的に変化するため、安定した温度と一貫したせん断履歴を維持することが最も重要です。

 

可塑剤、充填剤、加工助剤のSBR粘度への影響

 

そのゴム加工配合と呼ばれる段階では、ベースとなる SBR ポリマーのレオロジーを劇的に変える多数の添加剤を統合します。

可塑剤:プロセスオイルは、SBRの柔軟性と全体的な加工性を向上させるために不可欠です。コンパウンドの複合粘度を低下させることで、充填剤の均一な分散を促進し、ポリマーマトリックスを軟化させます。

フィラー:補強剤（主にカーボンブラックとシリカ）は材料の粘度を大幅に上昇させ、フィラー間およびフィラーとポリマー間の相互作用によって引き起こされる複雑な物理現象を引き起こします。最適な分散を実現するにはバランスが重要です。グリセロールなどの補強剤はリグノスルホン酸フィラーを軟化させ、フィラーの粘度をSBRマトリックスの粘度に近づけることで、凝集物の形成を抑制し、均質性を向上させることができます。

加硫剤:硫黄や促進剤などのこれらの化学物質は、未硬化コンパウンドのレオロジー特性に大きな変化をもたらします。これらは、スコーチ安全性（早期架橋に対する耐性）などの要因に影響を与えます。フュームドシリカなどの他の特殊添加剤は、粘度上昇剤として戦略的に使用することで、総固形分含有量を変えずに厚い膜を形成するなど、特定のレオロジー特性を達成することができます。

 

ゴムの加硫プロセスと最終架橋密度におけるレオロジーの関係

 

配合および成形中に付与されるレオロジー調整は、加硫製品の最終的な使用性能に直接関係します。

均一性と分散性:混合中の粘度プロファイルの一貫性の欠如は、多くの場合、最適でないエネルギー入力と相関しており、架橋パッケージ（硫黄および促進剤）の分散不良と不均一な分布を引き起こします。

ゴムの加硫プロセス：この不可逆的な化学プロセスでは、SBRコンパウンドを加熱（通常は硫黄を使用）することでポリマー鎖間に永久的な架橋を形成し、ゴムの強度、弾性、耐久性を大幅に向上させます。このプロセスは3つの段階に分かれています。誘導（スコーチ）段階（初期成形）、架橋または硬化段階（250～400°Fでの急速反応）、そして最適状態です。

架橋密度:最終的な機械的特性は、達成される架橋密度によって決まります。より高いD_c値は分子鎖の運動を阻害し、貯蔵弾性率を上昇させ、材料の非線形粘弾性応答（ペイン効果として知られる）に影響を与えます。したがって、未硬化の加工段階における精密なレオロジー制御は、分子前駆体が後続の硬化反応のために適切に準備されることを保証するために不可欠です。

 

IV. 粘度測定における既存の問題

従来のオフラインテストの限界

従来型の不連続で労働集約的な品質管理方法への広範な依存により、連続 SBR 生産に大きな運用上の制約が課せられ、迅速なプロセス最適化が妨げられています。

ムーニー粘度の予測と遅れ:コアの品質指標であるムーニー粘度は、従来オフラインで測定されています。工業用油の物理的な複雑さと高い粘度のため、ゴム製造工程内部ミキサー内でリアルタイムに直接測定することはできません。さらに、従来の経験モデルを用いてこの値を正確に予測することは、特に充填剤を含む化合物の場合、困難です。実験室試験に伴うタイムラグは是正措置の遅れを招き、規格外の材料を大量に生産する経済的リスクを高めます。

機械史の改変：キャピラリーレオメトリーは流動挙動を評価できるものの、サンプルの前処理に多大な労力を要します。試験前に材料を特定の円筒形に成形し直す必要があり、このプロセスによって化合物の機械的履歴が変化します。その結果、測定された粘度は、工業生産時の化合物の実際の状態を正確に反映しない可能性があります。ゴム加工.

不十分な単一ポイントデータ:標準的なメルトフローレート（MFR）またはメルトボリュームレート（MVR）試験では、固定条件下では単一のフローインデックスしか得られません。これは非ニュートン流体SBRには不十分です。異なる2つのバッチは、同一のMVR値を示しても、押出成形に関連する高せん断速度において粘度が大きく異なる可能性があります。この差異は、予期せぬ加工不良につながる可能性があります。

コストと物流上の負担:オフサイトのラボ分析に頼ると、多大な物流コストと時間的遅延が発生します。継続的なモニタリングは、外部分析を必要とするサンプル数を大幅に削減することで、経済的なメリットをもたらします。

高粘度および多相SBRコンパウンドの測定における課題

ゴム化合物の工業的取り扱いには、極めて高い粘度と複雑な粘弾性挙動を示す材料が関係しており、直接測定には特有の課題が生じます。

滑りと骨折：高粘度で粘弾性のあるゴム材料は、従来の開放型レオメータで試験すると、壁面滑りや弾性誘起によるサンプル破壊といった問題が生じやすくなります。これらの影響を克服するには、特にポリマーとフィラーが複雑に相互作用する充填材を含む材料では、鋸歯状の閉鎖型レオメータのような特殊な装置が必要です。

メンテナンスと清掃:標準的なオンラインフロースルーシステムやキャピラリーシステムは、ポリマーや充填剤の粘着性と高粘度により、しばしば目詰まりを起こします。そのため、複雑な洗浄プロトコルが必要となり、コストのかかるダウンタイムが発生し、連続生産環境においては大きなデメリットとなります。

ポリマー溶液用の堅牢な固有粘度測定装置の必要性。

重合後の初期溶液またはスラリー相では、分子量およびポリマーの性能と直接相関する固有粘度（IV）が重要な測定値となります。従来の実験室手法（GPCやガラスキャピラリーなど）では、リアルタイム制御には時間がかかりすぎます。

産業環境では自動化された堅牢な固有粘度計IVA Versaなどの最新ソリューションは、デュアルキャピラリー相対粘度計を用いて溶液粘度を測定することでプロセス全体を自動化し、ユーザーと溶媒の接触を最小限に抑え、高精度（RSD値1%未満）を実現します。溶融段階のインラインアプリケーションでは、サイドストリームオンラインレオメーター（SSR）が一定せん断速度での連続せん断粘度測定に基づいてIV-Rheo値を決定できます。この測定により経験的な相関関係が確立され、溶融ストリーム中の分子量変化のモニタリングが可能になります。