橡胶微波硫化的传热特性研究.docx

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1、橡胶微波硫化的传热特性研究与传统硫化方式相比,微波硫化是从橡胶内部开始,不需要热量由外向内传导这一过程,因此,微波硫化克服了传统硫化热传导所形成的表里温差,有利于提高橡胶制品的硫化质量,并可缩短硫化时间,特别对于厚壁制品的硫化,能减少1/3以上的硫化时间。文中以异戊橡胶及某型号轮胎胎面胶、胎侧胶、内衬层胶及帘布层胶为研究对象,实验测量了各混炼胶的导热系数、比热、介电常数及介电损耗角正切值,实验验证了橡胶微波硫化方案的可行性,研究获得了尺寸为40mm(长)×40mm(宽)×60mm(高)、40mm×40mm×40mm及40mm×40mm×20mm异戊橡胶胶块、胎面胶胶块、胎侧胶胶块、内衬层

2、胶胶块及帘布层胶胶块微波硫化过程中的温升及温度分布规律,研究了橡胶旋转状态、微波天线、介电常数及介电损耗角正切值对橡胶微波硫化温度分布、温升规律及微波加热效率的影响规律;探索及研究了微波频率及微波功率等因素对不同尺寸及不同形状橡胶微波硫化温度场及微波加热效率的影响规律。得到以下结论:(1)混炼胶导热系数与温度之间的关系可表示为λ=a+bt;混炼胶比热与温度之间的关系可表示为Cp=a+bt-ct2。(2)异戊橡胶、胎侧胶、帘布层胶介电常数与频率之间的关系可表示为ε’=a-bf+cf2-df3,胎面胶介电常数与频率之间的关系可表示为ε’=a-bf-cf2-df3,内衬层胶介电常数与频率之间的

3、关系可表示为ε’=a-bf--cf2+df3,胎侧胶介电损耗角正切值与频率之间的关系可表示为tanδ=a-bf-cf2+df3,异戊橡胶、胎面胶、内衬层胶及帘布层胶介电损耗角正切值与频率之间的关系可表示为=anδ-bf+cf2-df3。(3)对于三种尺寸的五种胶块,胶块在静止状态下经微波加热后温度分布不均匀,热点集中在胶块的中心区域;在相同的微波硫化工艺中,胶块中心层2#、5#及8#测温点的温度与加热时间之间的关系可表示为t=ψ1+ψ2τ-ψ3τ2,除中心层之外测温点温度与加热时间之间的关系可表示为t=ψ1+ψ2τ+ψ3τ2。(4)旋转可以提高橡胶微波硫化温度分布均匀性及微波加热效率,温

4、差降低幅度最大可达72.47%,体平均温度最大可提高25.19%。微波天线旋转影响胶块微波硫化热点位置及热点面积,同时,天线旋转能够降低橡胶块微波硫化温差,最大降低幅度达54.62%,提高其微波硫化温度分布均匀性及微波加热效率,体平均温度最高可提高近一倍。微波天线旋转方向对其微波硫化温度分布、温差及微波加热效率影响甚微,可以忽略。微波天线角度影响橡胶微波硫化热点位置及面积,橡胶微波硫化温差、体平均温度及微波加热效率与微波天线角度之间的关系可分别表示为t=β1-β2α+β3α2-β4α3,t=β1-β2α+β3α2-β4α3及η=β1-β2α+β3α2-β4α3。(5)逆时针旋转状态下橡胶

5、微波硫化温差较小,微波加热较均匀,获得微波硫化最优温度分布均匀性的最佳转速是逆时针300r/min。橡胶胶块逆时针旋转转速与胶块温差之间的关系可表示为t=ζ1-ζ2r+ζ3r2,旋转转速与胶块体平均温度之间的关系可表示为t=ζ1+ζ2r。橡胶微波加热体平均温度及微波加热效率随ε’×tanδ值的增加逐渐增大,橡胶的ε’×tanδ值越大,橡胶微波硫化温度分布越不均匀。橡胶微波硫化温差、体平均温度及微波加热效率与ε’×tnδ之间的关系可分别表示为t=χ1+2’×tanδ,t×1+2×tanδ及η=χ1+χ2ε×tanδ。(6)橡胶最高及最低温度随着频率的增加基本呈现出先增加后减小的趋

6、势,当微波频率为2450MHz时,微波加热效率最高,但加热不均匀性严重,其他频率下,橡胶块微波加热均匀性好,但加热效率低。对于长方体及圆柱体橡胶块,小尺寸小体积橡胶块微波硫化温度分布均匀性优于大尺寸大体积橡胶块温度分布均匀性,但大尺寸大体积橡胶块可更多的吸收微波能转化为热能,具有较高微波加热效率。对于圆环柱橡胶块,大尺寸大体积及小尺寸小体积橡胶块微波硫化温度分布均匀性优于中等尺寸中等体积橡胶块温度分布均匀性,但中等尺寸中等体积橡胶可更多的吸收微波能转化为热能,具有较高微波加热效率。(7)微波功率越小,微波加热越均匀,微波功率对橡胶微波加热效率的影响不大,可以忽略。对于60mm高橡胶块,长

7、方体胶块和圆环柱胶块微波硫化温度分布均匀性优于圆柱体橡胶块温度分布均匀性,实心的长方体及圆柱体橡胶块微波加热效率高于空心圆环柱橡胶块的微波加热效率。对于40mm高胶块和20mm高胶块,圆环柱橡胶块微波硫化温度分布不均匀性严重,但圆环柱橡胶块微波加热效率高。