Статьи»Производство пористых изделий из эластомеров»Вулканизация с использованием токов СВЧ
Вулканизация с использованием токов СВЧ
В процессе непрерывной вулканизации с использованием в качестве теплоносителя воздуха, пара, нагретой жидкости, расплавленных солей или твердых частиц (кварцевый песок, стеклянные шарики) прогрев происходит от поверхности к центру резиновой заготовки. Из-за низкой теплопроводности резин требуется длительное время прогрева заготовки во всей массе, особенно толстостенных изделий; при этом невозможно добиться равномерной вулканизации и вспенивания по всему сечению изделия. Происходят также большие потери теплоты как в окружающую среду, так и на нагрев оборудования. Эти недостатки в значительной степени устраняются при использовании установок электрического нагрева, при котором становится возможным концентрировать большие мощности в малых объемах материала, получать равномерный нагрев большой интенсивности, легко поддерживать заданный температурный режим.
В отличие от известных процессов вулканизации, при нагреве токами сверхвысокой частоты (1000-3000 МГц) сырая заготовка проходит через переменное электромагнитное поле, и теплота, образовавшаяся вследствие действия энергии СВЧ, генерируется во всей толще материала заготовки, в результате чего осуществляется быстрый и равномерный прогрев материала по всему сечению до заданной температуры. Для получения токов СВЧ используются генераторы (магнетроны) мощностью от 1,5 до 50 кВт. Магнетроны преобразуют энергию постоянного тока в энергию сверхвысокой частоты. Механизм поглощения энергии СВЧ веществом и превращения ее в тепловую довольно сложен, зависит от строения эластомера, природы наполнителя, их электрических свойств. Так, по-разному происходит процесс поглощения микроволн полярными и неполярными эластомерами. Эти отличия объясняют быстрый разогрев смеси, наполненной техническим углеродом, на основе неполярного эластомера.
Зависимость мощности Р, затрачиваемой на нагрев материала, помещенного в электромагнитное поле, от параметров поля и электрических свойств материала выражается формулой:
где E и f - напряженность и частота электрического поля; €" коэффициент диэлектрических потерь эластомера при заданной температуре; tg δ - тангенс угла диэлектрических потерь.
Таким образом, значения коэффициента диэлектрических потерь и особенно диэлектрической проницаемости определяют возможность сверхвысокочастотного нагрева. Интенсивность нагрева можно регулировать, изменяя частоту и напряженность электрического поля. Наибольший эффект дает повышение напряженности, но ее нельзя повышать безгранично, так как при очень высоких напряженностях может произойти пробой. Для обеспечения необходимой надежности напряженность электрического поля устанавливают на уровне 60-75% от пробивной. Таким образом, уменьшать продолжительность разогрева можно только за счет повышения частоты поля [73].
Микроволновая установка (рис. 20) состоит из червячного пресса с вакуумированием, высокочастотного блока для нагрева заготовки до температуры вулканизации и собственно вулканизатора (тоннельная печь), представляющего собой аппарат тоннельного типа.
Рис. 20. Линия непрерывной вулканизации токами СВЧ: I - червячный пресс; 2 - тоннель для нагрева профиля токами СВЧ; 3 - транспортер; 4 - тоннель для вулканизации горячим воздухом.
Микроволновой нагреватель состоит из двух последовательно расположенных волноводов. Волноводы являются основной частью микроволновой установки, именно в них профиль нагревается до температуры вулканизации.
Ввиду того что процесс нагрева резиновой заготовки сопровождается выделением летучих, во избежание их воспламенения и загрязнения стенок волноводы продувают подогретым воздухом. Внутри волноводов расположен транспортер, представляющий собой ленту из стеклоткани с фторопластовым покрытием шириной 50 мм, толщиной 0,3 мм, работающий синхронно с транспортером вулканизатора. Скорость их движения может регулироваться, что дает возможность компенсировать вызванные нагревом усадочные явления (увеличение профиля по длине), особенно сильно проявляющиеся при вулканизации пористых профилей. Сечение волноводов и тоннеля позволяет осуществлять вулканизацию профилей сечением 30*30 мм и круглых диаметром 40 мм.
В Советском Союзе выпущена линия JIHB-CB4-90, технические характеристики которой приведены ниже:
Сравнительные расчеты производительности линий непрерывного изготовления резиновых профилей с вулканизацией в расплаве солей и с подогревом в поле токов СВЧ свидетельствуют о том, что при изготовлении профилей сечением до 20 мм производительность этих линий почти одинакова. При увеличении сечения профиля производительность микроволновой установки намного превышает производительность линий с вулканизацией в расплаве солей и в псевдоожиженном слое [67]. При работе на этих установках, кроме правильного рецепта, необходимо подобрать режимы работы для получения максимально возможной производительности для каждого профиля (скорость транспортеров, мощность магнетронов, температуру воздуха в волноводах и воздушном канале), чтобы получить изделия (как на основе полярных, так и неполярных каучуков) с заданными физико-механическими показателями [74]. Для деталей сечением до 20 мм достигается производительность 60 кг/ч, а для деталей сечением более 20 мм - 100-130 кг/ч.
К преимуществам данного способа относятся следующие:
более быстрая и более равномерная вулканизация профилей больших сечений;
крайне малая степень искажения конфигурации при вулканизации сложных профилей из мягких резин;
более низкие энергетические затраты на 1 т вулканизуемых изделий, чем в других непрерывных процессах;
простота регулирования используемой мощности [69];
большая эффективность процесса вулканизации вследствие быстрого и равномерного разогрева по всему сечению профиля;
отсутствие необходимости в очистке поверхности профиля от остатков теплоносителя.
По данным фирмы "Герцфур", непрерывная вулканизация токами СВЧ по сравнению с вулканизацией в расплаве солей и в псевдоожиженном слое имеет значительные технико-экономические преимущества [73].
При работе червячного пресса диаметром 90 мм, имеющего производительность в среднем 80 кг/ч, занимаемая производственная площадь в два раза меньше, расход электроэнергии в семь раз меньше (за счет более высокого к. п. д.), издержки эксплуатации в два раза меньше [73] по сравнению с вулканизацией в расплаве солей и в псевдоожиженном слое.
К недостаткам этого метода следует отнести: сложность аппаратурного оформления; эффективность разогрева резин только на основе полярных каучуков; высокую стоимость оборудования; возможность излучения за пределы волноводов.
В настоящее время все в больших объемах находят применение, особенно в автомобильной промышленности, комбинированные уплотнительные профили, состоящие из металлической перфорированной ленты, обложенной пластмассой или монолитной резиной, соединенной (привулканизованной) с пористым резиновым профилем.
Изготовление комбинированных уплотнительных профилей осуществляется на оборудовании, входящем в единую непрерывную технологическую линию. Наибольший, по нашему мнению, интерес представляет технологическая линия, изготавливаемая фирмой "Берсторфф" (ФРГ), которая имеет целый ряд преимуществ перед технологическими линиями, выпускаемыми фирмами "Драфтекс" (ФРГ) и "Пирелли" (Италия).
Линия фирмы "Берсторфф" состоит из установки для обработки стальной армирующей ленты, двух червячных прессов холодного питания с вакуумированием, микроволнового вулканизатора, охлаждающего устройства, станка для дополнительного профилирования, приемного, резательного и закаточного устройств.
Установка для обработки стальной армирующей ленты включает раскаточное, перфорационное и профилирующее устройства, станки и камеры для термообработки.
Червячные прессы холодного питания с вакуумированием и четырьмя зонами терморегулирования имеют производительность 220 и 90 кг/ч соответственно. Червячные прессы устанавливаются под углом друг к другу и присоединяются к общей головке, через которую проходит металлическая лента, обкладывается резиновой смесью, подаваемой одним червячным прессом, и накладывается заготовка профиля из пористой резиновой смеси, поступающей из другого червячного пресса.
Вулканизация комбинированного профиля осуществляется в микроволновом вулканизаторе РН 24-200.100 камерного типа с четырьмя магнетронами, мощностью по 6 кВт, позволяющем выпускать профили размерами до 100x200 мм. Производительность линии до 200 кг/ч или 3—4 млн. пог. м уплотнителей в год.
Канал СВЧ оснащен приборами для автоматического снижения отраженной микроволновой энергии, плотности и потерь микроволновой энергии и другими приборами.
Скорость транспортера, подающего заготовку профиля и проходящего через вулканизатор, регулируется в пределах от 1 до 30 м/мин. Общая длина вулканизатора СВЧ 8900 мм.
Имеются две камеры для довулканизации профиля горячим воздухом при температуре до 250°С. Скорость транспортера, проходящего через камеры, регулируется в тех же пределах, что и скорость транспортера канала СВЧ. Общая длина камер 13 200 мм.
Охлаждающее устройство (водяная ванна) длиной 7 200 мм, станок для дополнительного профилирования (при необходимости)., приемное устройство, резательное и закаточное устройства заканчивают линию. Общая длина технологической линии 63 000 мм. Общая потребляемая мощность 290 кВт.
Как недостаток этой линии следует отметить ее большую длину. В то же время это необходимо для осуществления всего технологического процесса в одной линии и для повышения ее производительности.
Практически очень трудно сопоставлять эффективность отдельных непрерывных процессов вулканизации резиновых технических изделий, так как в большинстве случаев эти процессы разрабатываются и применяются для изготовления изделий, несравнимых по сложности, объему производства и другим показателям. Приходится учитывать преимущества и недостатки того и другого метода и ограничивать его область применения, а эффективность непрерывного процесса сравнивать с эффективностью периодического процесса.
Быстрый прогрев заготовки значительно сужает интервал текучести материала, благодаря чему сложные профили из пористой резины сохраняют свою форму. Этим способом можно получить готовый профиль практически любой конфигурации с соблюдением всех заданных размеров. Кроме того, такой независимый от теплопроводности прогрев позволяет при изготовлении пористых профилей повышать скорость шприцевания благодаря сокращению продолжительности вулканизации при одной и той же длине установки.
В. И. Клочков
В. П. Рыжков
©Издательство "Химия" , 1984