微波技術(shù)在高分子材料加工中的應(yīng)用研究

吳承陳+李甘

摘 要：本文對微波技術(shù)的基本原理與影響因素進(jìn)行了闡述與分析，并對高分子材料加工領(lǐng)域中微波技術(shù)的設(shè)備進(jìn)行介紹，最后結(jié)合微波技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對其中存在的問題進(jìn)行描述，希望能夠從理論層面上推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；高分子材料；加工

一、引言

人們的日常生活中常使用微波爐，這種電器設(shè)備具有較快的熱效率，能夠快速加熱食物，并且不會(huì)流失營養(yǎng)成分。而這種電器正是運(yùn)用了微波技術(shù)，除了在食品領(lǐng)域，該項(xiàng)技術(shù)還在其他領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，并取得了理想的效果。以高分子材料加工中對微波技術(shù)的應(yīng)用威力，相較于傳統(tǒng)加工技術(shù)，微波加熱的速率更快，并且基于脈沖技術(shù)的支持，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的有效控制。其次，微波加熱不會(huì)存在熱滯后反應(yīng)，材料能夠直接吸收微波，不會(huì)通過容器傳導(dǎo)而導(dǎo)致能量流失；此外，微波加熱的熱梯度非常小，具有較強(qiáng)的穿透能力，加熱的均勻度也相對理想。對于高分子材料而言，通過微波技術(shù)的應(yīng)用，可以使其性能得到改善，達(dá)到理想狀態(tài)。

二、基本原理與影響因素

就本質(zhì)而言，微波加熱的特點(diǎn)就在于介電位移或材料內(nèi)部不同電荷的極化以及這種極化不具備迅速跟上交變電場的能力。在高頻條件下，與電場相比，極化具有滯后性，并且其闡述的電流與電場同相位的分量存在差別，如此一來就會(huì)使材料內(nèi)部功率散耗。

對于電場強(qiáng)度固定的電磁場而言，材料吸收的微博能與電磁輻射的頻率，材料的介電損耗與電場強(qiáng)度之間的關(guān)系可以通過下式來表示：

其中P代表單位體積材料吸收的微波功率，K為一常數(shù)，f為頻率，E為電場強(qiáng)度，[ε']表示介電常數(shù)，[tanδ]表示電損耗角正切。

根據(jù)（1）式，可以發(fā)現(xiàn)在電場強(qiáng)度或材料介電性質(zhì)發(fā)生變化的情況下，材料吸收的微波也隨之得到改變，然而大部分高分子材料具有非常小的介電損耗因數(shù)，一般情況下微波材料能夠透過材料而不產(chǎn)生耗散。

如果加熱速率受反應(yīng)熱的影響不予考慮，那么可以用下式來表示加熱速率與材料吸收微波能量的關(guān)系：

其中[dTdt]表示加熱速率，[ρ]表示材料密度，[CV]表示材料的定容比熱。

從中不難發(fā)現(xiàn)，高分子材料的介電行為在很大程度上決定了加熱速率。需要注意的是，[ε'']與溫度有著密切聯(lián)系，因此材料介電行為的函數(shù)與溫度有關(guān)。

三、微波設(shè)備

在高分子材料加工中，微波的應(yīng)用效率以及材料性能在很大程度上取決于微波設(shè)備。

現(xiàn)階段，在實(shí)驗(yàn)中有著廣泛應(yīng)用的微波設(shè)備主要為商品化的多模式微波爐。這種設(shè)備屬于多波設(shè)備，因此其溫度控制難度較大，無法獲取需要的加熱曲線，在這種設(shè)備的應(yīng)用下，產(chǎn)品性能的均勻性要求往往無法得到滿足。其次，微波行波加熱器則是基于矩形波導(dǎo)或圓波導(dǎo)產(chǎn)生行波，在設(shè)備中微波能會(huì)被物料吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加熱。對于具有較大介電損耗因數(shù)的單位長度材料而言，這種設(shè)備具有較強(qiáng)的適用性，而其他材料并不適合這一設(shè)備。從上述兩種設(shè)備的缺陷描述不難發(fā)現(xiàn)，微波設(shè)備的研究與開發(fā)勢在必行。

在設(shè)備開發(fā)的過程中，微波發(fā)生器設(shè)計(jì)具有重要意義，這是提高微博能利用率的有效途徑。美國研究人員針對一種間歇加工聚合物材料的單模可調(diào)諧振腔進(jìn)行了開發(fā)，這種設(shè)備材料主要有金屬銅或鋁的圓波導(dǎo)，兩端采用的金屬短路相同，具體如下圖所示。

根據(jù)上述高分子材料加工中應(yīng)用的微波設(shè)備，不難發(fā)現(xiàn)諧振腔具有更強(qiáng)的適用性，該設(shè)備能夠?qū)⑽⒉荞詈线M(jìn)材料，并且現(xiàn)階段在厚件復(fù)合材料的加工中也取得了成功。

自單模可調(diào)諧振腔誕生之后，又有更加先進(jìn)的微波加工系統(tǒng)涌現(xiàn)出來，也就是計(jì)算機(jī)輔助微波加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制脈沖微波加工系統(tǒng)。其中計(jì)算機(jī)控制脈沖微波加工系統(tǒng)可以基于功率輸出開關(guān)的脈沖，在選定值范圍內(nèi)控制樣品溫度，與此同時(shí)，在反應(yīng)過程中，該設(shè)備還可以對介電損耗因數(shù)變化進(jìn)行檢測。

四、研究進(jìn)展及問題

總而言之，相較于傳統(tǒng)加熱，微波輻射的特點(diǎn)與優(yōu)勢非常突出，對于高分子材料加工領(lǐng)域的發(fā)展而言有著十分重要的影響與作用。再加上近年來相關(guān)研究人員圍繞微波加工材料性能展開深入研究，并構(gòu)建起聚合物結(jié)構(gòu)與微波吸收特性的關(guān)系，顯然在理論層面上為微波技術(shù)在高分子材料加工領(lǐng)域中的進(jìn)一步運(yùn)用提供了強(qiáng)有力的支持。當(dāng)然不可否認(rèn)的是，在聚合物材料加工中，微波技術(shù)的應(yīng)用依然面臨著一些困難與阻礙，例如目前相關(guān)人員并沒有全面了解微波加熱的影響因素。很多研究人員開始圍繞分子結(jié)構(gòu)與微波加工系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)，希望通過此推動(dòng)微波技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。在基礎(chǔ)理論知識不斷增長的背景下，相信在未來加工設(shè)計(jì)中，微波技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)得到全面提升，為工業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。此外，加工安全性、設(shè)備問題以及加工規(guī)模等也是微波技術(shù)在應(yīng)用實(shí)踐中需要考慮的問題。作為研究人員，必須圍繞這些因素予以綜合考慮，并采取相應(yīng)的改進(jìn)方法，促使高分子材料加工領(lǐng)域中微波技術(shù)的價(jià)值與作用得到充分發(fā)揮。

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