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