橡膠微波-傳統聯合加熱硫化研究

陳海龍，李 濤，張 偉，梁 云，李慶領

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

硫化是橡膠加工中的最后一道工序，其目的是使橡膠制品各個部位的物理性能達到最佳。由于橡膠是熱的不良導體，傳熱速度慢，在熱量由外向內傳遞的傳統加熱過程中，通常內部達到正硫化時，外部往往早已過硫化。微波加熱不同于一般的外部熱源由表及里的傳導式加熱，而是材料在電磁場中由于介質內部的功率損耗而引起體積加熱，可以大大縮短加熱時間，提高勞動生產率。

日本研究者采用2 450 MHz、5～10 kW的微波加熱設備對輪胎進行加熱，升溫到硫化溫度后用熱風保溫，可硫化質量3～4 t的輪胎[1]；美國研究者采用915 MHz、50 kW的喇叭天線作為輻射加熱器，可利用程序控制對大型輪胎進行旋轉掃描，其優點是加熱均勻、硫化時間縮短1/3。本課題組在研究膠料硫化溫度場對其熱物性參數影響的基礎上，對基于微波技術的橡膠硫化基礎理論進行了探索，初步研究了橡膠微波加熱硫化過程溫度場隨加熱時間和微波功率的變化規律以及波導對橡膠微波加熱硫化的影響[2-5]。經研究得知，微波加熱可以縮短硫化時間，提高生產效率，但在加熱均勻性方面還不夠理想。本工作在此基礎上，提出了微波-傳統聯合加熱硫化方式，對橡膠的微波加熱硫化過程進行優化。

1 橡膠微波加熱硫化

根據橡膠微波加熱硫化理論[4]，運用ANSYS有限元分析軟件對加熱模型內的高頻電磁場及其與溫度場的耦合場進行分析計算。微波功率為10 kW，微波頻率為2 450 MHz，膠料密度為1.120 Mg m-3，膠料的相對介電常數為3，膠料的初始溫度為20 ℃，加熱時間分別為60，90，120，150，180和240 s。由于只是加熱時間不同，因此不同加熱時間下橡膠內的焦耳熱密度分布相同。

橡膠模型內的焦耳熱密度分布如圖1所示。從圖1可以看出，橡膠模型內焦耳熱密度分布不均勻，越靠近中間部位焦耳熱密度越大，且隨微波的傳播焦耳熱密度減小。這是由于波導模型內電磁場分布不均勻和波在傳播過程中損耗，從而出現不均勻性傳播造成的。

圖1 焦耳熱密度分布云圖

不同加熱時間下橡膠模型內的溫度分布如圖2所示。由圖2可見：由于橡膠模型內焦耳熱密度分布的不均勻性造成了溫度分布的不均勻性，但溫度分布與焦耳熱密度分布的規律相同，即焦耳熱密度大處溫度高；微波加熱能夠使膠料整體被加熱，相同加熱時間下膠料不同部位的溫度不同，膠料中間部位溫度較高，隨著加熱時間的延長，膠料中間部位溫度較高區域的范圍不斷變大。

圖2 不同加熱時間下微波加熱硫化膠料中溫度的分布

微波功率為10 kW時，不同加熱時間下膠料內部最低和最高溫度及其隨時間的變化如圖3所示。從圖3可以看出，隨著加熱時間的延長，膠料中的最低和最高溫度呈線性上升趨勢，膠料中間部位最高溫度升幅較大。

圖3 不同加熱時間下微波硫化膠料溫度隨時間的變化曲線

2 橡膠微波-傳統聯合加熱硫化

微波加熱雖然能夠使膠料整體被加熱，但是膠料的較高溫度集中在中間區域，邊界附近的溫度仍然較低。鑒于此種情況，考慮采用微波-傳統聯合加熱硫化方式。橡膠圓柱面和兩端平面加載140 ℃的溫度載荷，其他條件與微波加熱硫化相同。

不同加熱時間下微波-傳統聯合加熱硫化橡膠模型內的溫度分布如圖4所示。從圖4可以看出：在兩種加熱方式共同作用下，膠料內外能夠同時被加熱，最低溫度區域不是膠料的最外邊界，而是處在靠近最外邊界的內部區域；相同加熱時間下的膠料不同部位溫度不同，膠料中間部位和最外邊界溫度較高，隨著加熱時間的延長，膠料中間部位溫度較高區域的范圍不斷增大，膠料最低溫度區域范圍逐漸減小。

圖4 微波-傳統聯合加熱硫化不同加熱時間下膠料溫度的分布

微波功率為10 kW時，兩種加熱方式共同作用下膠料最低和最高溫度及其隨時間的變化如圖5所示。從圖5可以看出：在膠料被加熱60和90 s后，由于膠料內部受微波加熱作用沒有被加熱到140℃，因此膠料的最高溫度仍為膠料的熱邊界溫度140 ℃；隨著加熱時間的延長，膠料中間部位不斷被加熱而且外部熱量不斷向內部傳遞，膠料的溫度不斷上升，后續時間膠料的最高溫度隨加熱時間延長基本呈線性上升，而膠料的最低溫度自始至終隨加熱時間延長基本呈線性上升。

圖5 不同加熱時間下微波-傳統聯合硫化膠料溫度隨時間的變化曲線

3 結論

采用有限元方法求解Maxwell方程，用有限元法求解傳熱方程，得到了膠料內焦耳熱密度分布和溫度分布，從而得出以下結論：微波-傳統聯合加熱硫化方式下，隨著加熱時間的延長，膠料中間部位不斷被加熱而且外部熱量不斷向內部傳遞，因此膠料的溫度不斷上升，膠料內部最低溫度區域不斷減小，膠料的最低和最高溫度隨加熱時間延長基本呈線性上升趨勢；與微波加熱方式相比，采用微波-傳統聯合加熱硫化方式，加熱一定時間后，膠料內外能夠同時被加熱，膠料內部溫度梯度較小，溫度分布較均勻，加熱效果更優。