A new theoretical approach was proposed for predicting power consumption during rubber mixing. The main assumptions in the theoretical approach include; 1) The mixing of carbon black into rubber matrix is divided into two stages: incorporation, in which agglomerated carbon blacks incorporate into softened rubber and dispersion, in which the incorporated carbon blacks in still agglomerated state further disperse into rubber matrix to become aggregate state, and the mixing rate is the first-order reaction, where the rate is proportional to the remaining carbon black concentration in each step, 2) The mixing torque is originated from viscosity of rubber compound and break-down of carbon black pellets, and it decreases exponentially with mixing time, 3) The viscosity change due to the rise in temperature during mixing follows the Arrhenius law. The power consumption curve was simulated by solving a series of theoritical equations suggested in this work. A fairly good agreement was found between the theoritical and actual power curves. Based on the simulation, the rate parameters for incorporation and dispersion of carbon blacks, viscosity reduction during mixing, time-dependent volume fraction, and power torque, which is very important in rubber mixing process could be obtained.

본 연구에서는 고무 컴파운드의 혼합 공정 중 소모되는 동력곡선을 예측하기 위하여 새로운 이론적인 접근 방법을 제시하였다. 혼합 공정의 이론적 접근에 사용된 주요 가정으로는 1) 카본블랙이 고무에 혼합되는 과정을 카본블랙 응집체(agglomerate)가 연화된 고무 속으로 혼입되는 단계와 혼입된 응집체가 고무 속에서 집합체(aggregate)로 분산되는 단계로 구분하였고, 카본블랙 혼입 및 분산속도를 각 단계에서의 잔여 카본블랙 함량에 비례하는 1차 반응과정이다. 2) 혼합기 로터(rotor)에 걸리는 토오크(torque)를 혼합 고무의 점도와 카본블랙의 분쇄에 의한 성분의 합으로 표시하고, 시간에 따라 지수함수적으로 감소한다. 3) 혼합 중 온도 상승에 의한 혼합물의 점도는 Arrhenius 법칙에 따른다. 이론적으로 제시된 여러 가지 방정식에 대한 수치해석적 해를 구하여 시간에 따른 동력곡선을 모사하였고, 실제 동력곡선과 비교한 결과 좋은 일치를 보였다. 따라서 카본블랙의 혼입 및 분산 속도상수, 혼합 중 고무의 점도 감소에 대한 속도상수, 시간에 따른 고무 혼합물 내 카본블랙 부피분율, 동력 등의 고무 혼합 공정에 매우 중요한 정보를 얻을 수 있었다.