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微波硫化橡胶高聚物解析

青岛科技大学

微波硫化橡胶简介

题目__________________________________

李涛

导师___________________________________

4015030044

胡冰涛

姓名___________________________________

学号___________________________________

动力工程及工程热物理学科前沿

科目____________________________________

动力工程4015级

机电工程学院

____________________院（部）_________________________

17

1

2016

______年___月___日

微波硫化橡胶简介

摘要

橡胶硫化是加工橡胶成为各种工业用品及各种原件、配件前的重要步骤。

硫化使线型结构的大分子交联成为立体网状结构的大分子，从而使胶料具备高强度、高弹性、高耐磨、抗腐蚀等优良性能。

传统硫化方式有很多各种各样的缺点，时间长，耗能大，效率低。

微波加热是一种内加热方式，加热迅速，高效节能，大大缩短了橡胶硫化时间，使其加热均匀性更好，硫化质量较高。

但是微波硫化橡胶还有很多需要解决的问题。

我们课题组多微波硫化橡胶过程中一些问题进行了探讨，并设计了加压设施。

关键词:

橡胶硫化；微波加热；高效；节能

THESYNOPSISOFMICROWAVEVULCANIZATIONRUBBER 

ABSTRACT

Rubbervulcanizedrubberisprocessedintoavarietyofindustrialproductsandavarietyoforiginalandimportantstepfittingago.Vulcanizedcrosslinkedlinearstructureofmacromoleculesbecomethree-dimensionalnetworkstructure,makerubbermaterialwithhighstrength,highflexibility,highwearandcorrosionresistanceandotherexcellentproperties.Therearemanyshortcomingsoftraditionalwayofvulcanization,longtimes,energyconsumptionandlowefficiency.

Microwaveheatingisawithinheatingmethodwithin,rapidheating,energyefficient,greatlyreducingtherubbervulcanizationtime,heatinguniformityisbetter,highqualityvulcanization.Buttherearemanyproblemsofmicrowaverubbervulcanizationtobesolved.Ourgroupdiscussedsomeissuesofmicrowavecuringrubber,anddesignedapressurizedfacility.

KEYWORDS:

rubbervulcanization;microwaveheating;efficiency;energysaving

目录

1研究背景…………………………………………………………………1

1.1橡胶生产工艺…………………………………………………………………1

1.2橡胶的传统硫化方法及特点…………………………………………………1

1.2.1橡胶的传统硫化方法……………………………………………………………………1

1.2.2橡胶的传统硫化的特点…………………………………………………………………2

2微波硫化原理及国内外研究现状………………………………………………3

2.1微波加热原理……………………………………………………………3

2.2国内外研究现状……………………………………………………………3

3研究的目的、内容以及技术方案……………………………………4

3.1研究的目的……………………………………………………………4

3.2主要研究内容……………………………………………………………5

3.3主要技术方案…………………………………………………………………5

4总结………………………………………………………………………………7

1研究背景

1.1橡胶生产工艺

伴随现代工业尤其是化学工业的迅猛发展，橡胶制品种类繁多，但其生产工艺过程，却基本相同。

以一般固体橡胶（生胶）为原料的制品，它的生产工艺过程主要包括：

原材料准备→塑炼→混炼→成型→硫化→休整→检验。

（1）塑炼：

将生胶的长链分子降解，形成可塑性的过程叫做塑炼。

生胶富有弹性，缺乏加工时的必需性能（可塑性），因此不便于加工。

为了提高其可塑性，所以要对生胶进行塑炼；这样，在混炼时配合剂就容易均匀分散在生胶中；同时，在压延、成型过程中也有助于提高胶料的渗透性和成型流动性。

（2）混炼：

混炼就是将塑炼后的生胶与配合剂混合、放在炼胶机中，通过机械拌合作用，使配合剂完全、均匀地分散在生胶中的一种过程。

混炼后得到的胶料，人们称为混炼胶，它是制造各种橡胶制品的半成品材料，俗称胶料。

（3）成型：

在橡胶制品的生产过程中，利用压延机或压出机预先制成形状各式各样、尺寸各不相同的工艺过程，称之为成型。

（4）硫化：

在一定条件下，使胶料中的生胶与硫化剂发生化学反应，使其由线型结构的大分子交联成为立体网状结构的大分子，从而使胶料具备高强度、高弹性、高耐磨、抗腐蚀等优良性能。

这个过程称为橡胶硫化。

分子结构图如图1所示：

图1-1硫化前后橡胶分子结构

Fig.1-1Molecularstructureofrubberbeforeandaftercuring vulcanization

1.2橡胶的传统硫化方法及特点

1.2.1橡胶的传统硫化方法

传统的微波硫化方法有蒸汽硫化罐，盐浴硫化，沸腾床硫化等。

（1）蒸汽硫化罐：

蒸汽由罐底进入，在罐体的底部设置蒸汽进口。

蒸汽扩散管在罐底竖向排列,扩散管中蒸汽小孔（按一定规则和倾斜角度密布排列，确保蒸汽进入到罐内后温度均匀向四周扩散，防止蒸汽扩散不均和蒸汽直接加热所造成的产品受热不均，硫化罐内温度均匀无死角）。

设定工作程序后，控制系统自动进行升压、升温、硫化、排气等工作，

硫化结束后自动关闭并发出声光报警音提示。

（2）盐浴硫化：

是一种液体硫化方式，适用于连续硫化无间断橡胶制品。

将挤出产品完全浸入到液态熔盐中加以硫化。

其主要优势在于浸入到熔盐中的挤出产品完全被液态热传导介质所包围避免与空气中的氧气相接触。

在盐浴加工过程中，挤出产品被完全浸入到熔盐中，避免了与空气相接触所产生的不良后果，与其它硫化线相比，盐浴硫化线所产生的废气污染率要低得多。

（3）沸腾床硫化：

沸腾床的结构原理与液体硫化槽类似，床内贮存的是由固体、气体构成的悬浮系统。

沸腾床硫化的优点：

热传递能力高；受热均匀；比液体介质的温度极限和化学惰性高；操作安全；不沾污成品和简化清洁工序等。

沸腾床除用于硫化橡胶制品外，还可用于金属、织物、坯料、模型的预热及原料的干燥等。

1.2.2橡胶的传统硫化的特点

（1）热传递或传导方式从橡胶外表面向内部传递。

（2）橡胶是热的不良导体，胶料内外硫化不同步，容易出现外部过硫化而内部欠硫化现象。

（3）设备需保持高温状态，耗能多，能源浪费严重。

传统硫化方式已经很成熟、完善。

但是传统加热方式其固有的缺点，耗时长，能耗大，加热延迟等。

我们需要寻求一种更加高效节能的硫化方式。

2微波硫化原理及国内外研究现状

2.1微波加热原理

微波是频率在300～300000MHz范围内的电磁波，因其频率超高，故也被称为超高频（高频频率不低于0.5MHz），又因其波长（12.5cm）与无线电电波的长度（1~103m）相比，相对短而微，故也称微波。

微波加热方式已经成为一种新型的加热方式。

在全封闭状态，微波以光速直线渗入被加热物质内部，进而被吸收转变为热量，形成从物料内部开始，内外一起加热。

在分子的角度上看，电介质可以分为两类：

有极分子和无极分子。

对于无极分子在没有外加电场的时候，其正负电荷中心是重合的，呈电中性。

一旦有了外加电场，正负电荷重心将会产生相对位移，进而产生电偶极子，即位移极化现象，分子在空间中来回游走排序不均匀，呈电中性。

但是当收到外电场的作用下，电偶极子分子沿外电场转动达到平衡状态，如果外加电场反复变动，则极性分子会相应地随之反复变动，在这样的过程中，在分子的热运动的作用下，相邻分子之间的相互作用和极性分子的“变极”效应，会有类似摩擦的作用产生，使得极性分子获得能量，并产生热量。

故此暴露高频电磁场下，这些取向随着交变电磁的频率不断变化而不断变化的时候，分子摩擦、运动进而产生热量。

图2-1微波加热原理

Fig.2-1TheprincipleofMicrowaveheating

微波加热与传统加热方式完全不同，是将微波能量穿透到被加热介质内部直接进行整体加热，因此加热迅速，高效节能，大大缩短了橡胶硫化时间，使其加热均匀性更好，硫化质量较高。

传热效率高，约相当于对流传热（例如热空气加热）的5倍，所产生热量的绝大部分都集中在被加热物体，而不是扩散到加热场以外。

微波加热能达到环保要求，能耗低，节省人力，产品质量均匀，大大改善了生产劳动条件。

2.2国内外研究现状

朱闰平[1]等研究了微波预热胶料技术的特点和常见问题。

针对微波预热胶料的焦烧问题进行分析，指出影响微波预热胶料焦烧的因素主要有橡胶品种、配方、预成型胶料形状、微波炉设备、温度控制、预热功率及时间。

使用微波预热可缩短胶料在模具中的预热时间，改善硫化胶质量，提高生产效率

韦增红[2]等简单讲解了微波硫化技术发展的趋势；阐述了微波硫化的原理和微波硫化

的主要过程；阐述了橡胶配合原则，讲解了加入何种填料以及添加各种添加剂等；介绍了混炼、挤出、硫化工艺，列举了微波硫化海绵密封条及海绵胶条等的应用实例；

孙铜生、雒拓等[3]利用微波技术加热了沥青混合料，建立了沥青混合料中的传热传质模型；

杨卫民[4]等介绍了微波硫化技术的原理与研究现状，简述了微波连续硫化装置的发展情况，然后着重介绍了微波硫化在目前橡胶工业中的主要研究应用；

黄卡玛[5]等对电磁波辐射下化学反应过程进行了初步研究，发现在常规加热下反应符合Arrhenius方程，而微波加热则不再符合，即产生非热效应，由于研究体系的局限，尚不能认为具有普遍性；

D.Martin[6]等通过单独使用电子束辐射及同时使用电子束和微波辐射对天然橡胶和聚丁二烯橡胶以及炭黑橡胶混合物的硫化结果进行了比较；

YingguangLi[7]等将真空辅助微波硫化技术和改性光学传感系统用于检测铺层方向和厚度对碳纤维增强复合层板穿透温度分布的影响，分析和优化了微波硫化工艺下碳纤维增强复合材料的温度分布；

课题组[8-11]在研究橡胶热物性参数对橡胶硫化温度场影响的基础上，对基于微波技术的橡胶硫化基础理论进行了探索，初步研究了橡胶微波硫化过程以及微波功率、加热的时间、波导类型对橡胶硫化温度场的影响；初步设计了箱型微波谐振腔，研究了谐振腔尺寸其内部电场分布的影响。

3研究的目的、内容以及技术方案

3.1研究的目的

研究目的有以下几点：

（1）在掌握微波加热机理以及橡胶硫化知识的基础上，设计一个可放置在微波加热装置中的加压装置，制备微波硫化胶片，并进行热物性测试，获得微波硫化胶的硫化反应热，确定各种胶料在微波加热时的正硫化时间。

（2）制备微波硫化胶片，进行力学性能测试，并将其与平板硫化胶的力学性能相对比，从而制得与平板硫化胶相当的微波硫化胶。

但是由于加压设备设计的并不完善，师兄师姐们并没有得到一个可以进行力学性能测试的合格胶片。

此外师兄、师姐们对胶片在微波加热器不同位置的温度场进行了试验与模拟。

正在探研究微波圆形谐振腔的尺寸对轮胎硫化的影响，以及橡胶中加入骨架材料（帘线、钢丝），实验探究橡胶复合体在微波硫化过程中的生热规律，分析骨架材料对硫化工艺的影响，进而改进轮胎微波硫化工艺。

3.2主要研究内容

为了研究微波硫化橡胶过程中的温度变化及反应快慢需要做以下工作：

（1）选用合适的材料（对微波的吸收少，升温慢），设计一个简单但是可以在微波加热器中可以用来加压胶片的加压器。

并对其进行优化，使装备能够设定压力，并能方便的测出装置中橡胶的温度，并最终成型出平整，厚度为2mm左右的微波硫化胶片。

（2）实验测定微波硫化胶的热物性参数，如比热特性、导热系数和硫化反应热等，并利用硫化反应热确定胶片的硫化程度以及其正硫化时间。

（3）将成型好的胶片用于力学性能测试，并将其与平板硫化胶的力学性能进行对比，最终制得能够代替平板硫化胶的微波硫化胶

3.3主要技术方案

1.微波加压装置的设计

微波硫化有三个关键的要素：

时间；温度；压力。

加压设施是微波硫化过程中最关键的一步。

考虑微波硫化的特点，加压设备的材料必须满足以下几点：

（1）将成型好的胶片用于力学性能测试，并将其与平板硫化胶的力学性能进行对比，最终制得能够代替平板硫化胶的微波硫化胶；

（2）耐高温，至少在正常硫化温度140~150℃以上；

（3）较低的吸波性，从而使更多的微波能够达到加热材料，对材料进行加热。

因此我们选用了聚四氟乙烯做为加压设备原材料，聚四氟乙烯耐高温，使用工作温度达250℃，能够透过微波，在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低。

因此可以用来做加压设备的原材料。

加压设施图如3-1所示：

图3-1加压设备

Fig.2-1Pressureequipment

2.技术方案

（1）确定不同功率下，不同设定时间的组合加热效果，最终确定微波硫化的最佳工艺，找到微波硫化的正硫化时间，并与传统硫化时间相比较，计算出所提高的效率；

（2）微波硫化橡胶热物性的研究，包括其比热特性、导热性以及硫化反应热的研究；

（3）测量微波硫化胶的力学性能，并将达到正硫化的胶片与平板硫化胶对比；

（4）加压装置的优化：

目前的装置不能制得外观良好的胶片，不能制得用于做力学性能测试的平整且硫化良好的胶片，需要对加压装置进行优化，制得2mm厚的胶片。

3.技术难点

（1）如何准确测定微波硫化胶的反应热，并最终确定正硫化时间；

（2）温度的控制，使各部分的温度均匀，并且不出现烧焦的现象；

（3）加压装置中夹具材料的确定以及压力的准确设定与测量；

（4）如何制备一定厚度的胶片，并将其用于力学性能测试。

4总结

微波加热与传统加热方式完全不同，是将微波能量穿透到被加热介质内部直接进行整体加热，因此加热迅速，高效节能，大大缩短了橡胶硫化时间，使其加热均匀性更好，硫。

化质量较高，传热效率高。

微波已经应用在很多方面，例如粮食的烘干以及杀虫，种子的微波处理，木材的干燥，蔬菜的脱水，解冻，纸张与纸品的干燥等。

另外在橡胶硫化过程中，生胶的处理等。

但是要使橡胶硫化完全用微波，需要解决很多问题，像合理的加压设备，整体硫化设备，合理的工艺流程，等一系列的问题。

我们课题组已经做了很多工作，但是有更多的问题需要解决。

参考文献

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