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大型橡膠制品采用高頻交流器預熱

2018/10/23 10:10
導讀: 由于橡膠導熱性能差,大型制品的生產必須采用低溫長時間硫化,平板硫化機和硫化罐的生產能力就要降低,制品造價較高。這一缺點連同厚制品的硫化不均,如采用高頻交流器預熱,有時可以得到解
        由于橡膠導熱性能差,大型制品的生產必須采用低溫長時間硫化,平板硫化機和硫化罐的生產能力就要降低,制品造價較高。這一缺點連同厚制品的硫化不均,如采用高頻交流器預熱,有時可以得到解決。
        未硫化制品在放入模型之前用介電預熱,能縮短硫化時間,從而大大降低制造成本。預熱的另一個優(yōu)點是對含膠量大以及彈性高的膠料(像作緩沖墊的膠料)不會產生開模裂傷。
        介電加熱法甚至對所有非導電物質都能很快地均勻加熱。其原因是放在電容器兩個板極之間高頻電場中的非導電物質,因受交變電場的作用而產生極化,結果由于介電損耗而使膠料溫度上升。
        德拜( Debye)認為介電損耗的原因是在高頻電場作用下的交替極化,使一部分電場的能量以內摩擦的形式被消耗掉,同時從外部表現(xiàn)為熱量的產生。據(jù)此,必須對不同類型的極化加以區(qū)別:
        (a)電子極化,是通過電子與原子核的相對移動產生的。
        (b)偶極極化,是由電場對具有偶極分子的作用產生的。
        (c)界面或離子極化,是通過不同導電率和不同介電常數(shù)材料之間界面處自由離子的堆積而產生的。
        純天然膠和純丁苯膠皆系非極性物質,只能使用高頻交流器使電子極化進行加熱,而且頻率要特別高。因此,用這種方法進行預熱是不經濟的,而且也有實際困難。
        另一方面,具有偶極特點的橡膠諸如丁腈膠、氯丁膠,很容易用高頻電場均勻預熱。
        然而,已經廣泛使用高頻交流器預熱的橡膠膠料是多相組合體,不過其加熱機理至今尚不十分清楚。關于這個問題,有一個重要的假說就是瓦格納( Wagner)的層狀介電學說,它認為電性能的不均勻性是能量損耗的原因。并且提出,電對周圍環(huán)境的干涉使其吸收電能,其情況與光千涉吸收光能類同。
        交流電的頻率(周/秒)、電壓(伏)和電極之間的距離是影響介電預熱的主要因素。市場可以供應各種高頻交流器。為防止對正常無線電的干擾,高頻交流器要采用特殊頻段。西德規(guī)定的頻率為每秒13.56、27.12和40.68兆周。
        幾年來,拜耳公司的橡膠試驗工廠的平板車間就用一臺高頻交流器收到很大成效。它用的頻率為27.12兆周/秒,最大輸出功率為8千瓦。作為安全防護,當抬起前方的鐵棚,打開設備更換制品時,電流便自動關閉。這樣能使制品在模型以外無壓情況下預熱到110~115℃,然后在模型內進行硫化。經過各種膠料的試驗表明,不同填充劑對高頻電場中膠料加熱性能具有不同效應,不過這并不等于說必須改變配方。相反,膠料的“預熱性能”的差異可以盡量通過改變電壓和預熱時間進行調整和補償。
        根據(jù)拜耳公司的試驗,只要膠料含有適當?shù)奶畛鋭?大多數(shù)通用型合成膠和天然膠都可采用介電預熱。
        圖7的曲線表示填充劑類型及其用量對膠料加熱速度的影響。譬如可以看到,炭黑用量增加時,加熱速度加快Black CK3的這種傾向比Luv36大。如含有32%(以體積計)的 Black CK3的混煉膠兩分鐘即可加熱至80℃左右,而含同樣比例的LuV36膠料,在同樣時間內僅達32℃。在淺色填料中,氧化鋅要比碳酸鎂加熱快,而碳酸鎂又比碳酸鈣快。
        圖7表示的溫度基本上與預熱的膠量無關,不過這僅僅是達到高頻交流器最大負荷之前的情況。大體說,每加熱千克膠料,平均輸出一庇時,高頻交流器不致超負荷。為了避免預熱時間過長,最好不加大量膠料。

        由于制品不同,半成品的形狀亦不相同。因此,同樣數(shù)量的同種膠料所需預熱時間也不相等。例如拜耳公司用的交流器有兩個700×500毫米的鋁板組成一對電極,相互之間的距離可以改變,但表面保持平行。這種形式的電極適合于預熱膠板和膠塊。如果預熱的半成品橫斷面是圓形或橢圓形時,沒有平行的表面,便由于電場分布不合理而使預熱時間既長又不均勻。換言之,制品橫斷面積不一樣,即使膠料成分相同,也不能用一種制品所需要的預熱時間來推算另一種制品的預熱時間。這就需要根據(jù)半成品的外形改變電極,以保證加熱均勻一致(見圖8)。當然,這對于半成品形狀不斷變化的情況也是不適用的。假設同樣的電極用于各種半成品,則不難通過加熱試驗確定所需要的預熱時間。

        為了合理利用交流器的輸出功率,一般都是把幾個半成品同時置于交流電場中。但由于半成品高度未必完全一致,就有過熱的危險。因為制品不同,溫度上升也不一樣。所以多數(shù)場合交流器的最大輸出功率不能得到充分利用。
        預熱的未硫化膠必須干燥而且表面光滑,以免由于尖端放電的電弧或在半成品內部發(fā)生燃燒危險。預熱溫度可在提起防護鐵柵(前面已經講過)交流器自動切斷電流后,用高溫計測定。如果未達到規(guī)定溫度,仍可重開交流器,繼續(xù)加熱段時間。
        下面兩個例子是想比較一下拜耳公司橡膠試驗車間和小型工廠中采用高頻交流器時所需預熱時間和最后硫化時間與不采用預熱時所用硫化時間的情況。這種方法的最大優(yōu)點在于能用高溫短時間硫化,而未預熱的膠料是不可能這樣作的。
        所列出的加熱時間為制品和半成品達到理想結果時的最短時間。
        在下面的例子中,實驗用的高頻交流器輸出功率只有3庇。列出的預熱時間將隨電流電源輸出的增加(如8庇)而大大減少。據(jù)估計,交流電源輸出3時,溫度升至1100需10分鐘;而輸出為8時,到達同樣溫度只需3分鐘。
例一    環(huán)形膠墊
                橡膠重量:2,418克
                密度=1.45克/厘米3
                天然膠膠料
                氧化鋅75份
                瓦斯炭黑0.5份
                以上按生膠重量為100計
        在高頻電場中預熱時間:
                約110°0,10分鐘;電壓U=6千伏
        硫化時間:
                151℃,60分鐘
        沒有預熱的硫化時間:
                138°C,120分鐘
例二    膠球
                膠料重量:1,005克
                密度=1.31克/厘米3
                丁腈膠( Perbunan N)膠料
                燈煙炭黑70份
                碳酸鈣10份
                苯酚甲醛樹脂30份
                以上按生膠重量為100計
        在高頻電場中的預熱時間:
                約110℃,6分鐘;電壓U=4千伏
        硫化時間:
                151°℃,75分鐘
        沒有預熱時的硫化時間:
                133℃,150分鐘
        高頻交流器也特別適合于預熱注壓膠料。
        應該指出,法國人杜弗( Dufous)和勒杜克( Leduc)在1935~1936年中曾經企圖用介電加熱作為一種橡膠制品的硫化方法,但至今并未實現(xiàn)。這種方法在橡膠工業(yè)中只能小范圍的應用。原因很多,其中包括模型材料問題;因隨硫黃結合而形成偶極,因而能量吸收增加,致使加熱不均;因膠料不勻而使局部過熱以及加熱不快(特別是無炭黑的膠料)等等。不過這些問題對膠料的預熱沒有什么影響。
        目前經常提到的高頻硫化,就其本質來講仍然是高頻預熱。這種硫化包括兩個相互連接的操作過程:用高頻交流器使膠料加熱至所需硫化溫度;采用其他加熱方式(如熱空氣管道)保持這一溫度完成硫化。這種方法對壓出制品的連續(xù)硫化獲得一定成功。由于高頻加熱速度很快,加熱時間極為短暫,因而能夠保持制品的外形,故可以硫化較軟和構形較為復雜的制品。這種方法不需特殊加熱介質,也不需要在硫化前涂隔離劑,硫化后的制品潔凈。但這種方法目前還不適于硫化帶金屬芯的壓出制品。
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