微波硫化技术

　　微波硫化是将微波能量穿透到电缆绝缘或护套内部直接进行整体加热，因此加热迅速，GX节能，大大缩短了绝缘或护套的硫化时间，使其加热均匀性更好，硫化质量较高。

微波硫化技术的发展历史

　　微波硫化技术自20世纪70年代问世以来得到迅速推广，特别是橡胶微波连续硫化生产线在橡胶挤出制品生产中的推广应用，其发展之迅速是史无前li的。日本是微波连续硫化技术发展较快的国家，至今已累计生产450多条微波连续硫化生产线，并向世界各国出口100余条。

　　微波硫化技术在国外工业化国家已成为普遍的生产方式，但仅仅应用于各种挤压胶条、胶管以及各类轮胎的硫化预热，应用于电线电缆制造行业尚未见报道。

　　我国已从德国、日本、西班牙、英国等国家引进了几十条微波密封条连续硫化生产线生产橡胶制品。但进口的微波硫化生产线也存在很多问题，如价格高，维修成本高，微波箱体设计不合理，微波效率低，控制的自动化程度不够。

　　随着国内微波能应用技术的发展，国内相继仿造和改造了多条采用橡胶微波硫化工艺的设备，有些引进设备的厂家与微波能应用厂家合作，开始着手对进口橡胶硫化设备所存在的问题进行改造，使其产品质量和产量有了较大提高。

　　2000年以来随着多管型微波硫化设备的开发成功，使得设备成本及维修难度降低，目前橡胶的微波硫化技术已日益走向成熟，设备不断完善，向着高度自动化、省能源、减少环境污染的方向努力，以满足广大用户不断提高的需求，有着巨大潜力和广阔的市场。

微波硫化原理

　　微波是波长约12.5cm、频率为10⁸～10¹¹ Hz的电磁波。微波是由交变电场产生的。工业上使用的国际标准微波频率为2450 MHz。

　　1、微波硫化的主要过程

　　介电质(橡胶)分子极化及摩擦生热是微波硫化的主要过程极性分子在不同的正和负的电荷ZX形成一个电偶极子，如下图所示。在交变电场中，分子向各自逆电位的方向摆动，并与电场平行，这称为分子取向(极化)。胶料在交变电场的微波作用下，产生了极性分子(链段)的偶极极化、相界面极化或离子极化现象。

　　由于微波的频率很高，而偶极子沿自身轴振动的频率总是滞后，因此，内部分子间发生摩擦，产生了热量，实现短时间内物料的内部和外层同时被加热，这样，便使橡胶温度达到硫化所需要的水平。

　　2、胶料对微波能的吸收取决于胶料的极性

　　胶料对微波的吸收功率可用下式表示：

　　P=kfE²ε_γtanδ

　　式中，k-常数;f-频率;E-电场强度;ε_γ-相对介电率;tanδ-介电率损失系数。

　　由上式看出，当f、E一定时，橡胶对微波能的吸收功率P与ε_γ及tanδ成正比，极性越大，生热越容易，升温越快。几种橡胶的ε_γ、tanδ数值列于下表。

　　3、胶料加热

　　胶料加热升温所需的微波功率按下式计算：

　　P=4.18WC△T/tη (w)

　　式中，P-胶料升温所需能量(w);W-胶料质量(g);C-胶料的比热(cal/g·℃);t-时间(s);η-能量转换系数(%);△T=T₂-T₁，胶料温度的升高值;T₂-终结温度(℃)，T₁-起始温度(℃)。

　　4、微波穿透胶料的深度

　　微波穿透胶料的深度D可用下式表示：

　　D=56×10⁷P/(f·√ε_γ· tanδ) (m)

　　式中，f -微波频率(Hz);ε_γ-胶料介电常数; tanδ-介电率损失系数;P-胶料升温所需能量(w)。

　　由于微波波长较短，频率很高，所以对胶料的穿透能力很强，具有从里到外同时加热的特点。在微波隧道中，由于微波反射及热空气加热，使胶料表面也得到均匀的加热，从而使胶料内部和表层同时被加热。

　　5、微波硫化胶料生产线

　　微波硫化生产线由挤出机、微波箱、热空气硫化箱、冷却水槽和切割机五个部分组成。为了使挤出来的橡胶制品(如密封条等)从挤出机进入微波箱、热空气硫化箱、冷却水槽直到切割机，需要一条与挤出速度相匹配的输送带。下图所示就是微波硫化生产线的组成结构。

　　(1)挤出机

　　在挤出机上安装了生产橡胶密封条用的模具(口型)。按照产品的形状，将胶料从挤出机里挤出。在常压条件下，由于胶料中含有水分或其它低分子物质，在硫化过程中容易形成气泡，从而降低产品质量。为此，要求在挤出机上配置一台真空泵，以保证在挤出过程中抽真空，除去胶料中的水分或其它低分子物质。

　　(2)微波箱与热空气硫化箱

　　一般不单独使用微波箱进行硫化，而是常常与热空气硫化箱串联起来硫化橡胶产品。这样可以充分发挥两种硫化方式各自的优点，以获得Z佳的硫化系统的组合。采用微波箱-热空气硫化箱连续硫化系统，完成对橡胶挤出件(密封条、编织胶管、纯胶管等)的硫化。

　　实践证明，与间断的硫化方式相比，前者具有无可比拟的优越性。微波箱将挤出的橡胶半成品急剧升温到硫化温度(150 ℃～200 ℃)，然后进入热空气硫化箱，使橡胶制品保温到完成硫化为止。

　　(3)输送机用皮带

　　一般采用由聚四氟乙烯包覆的皮带。聚四氟乙烯的ε_γtanδ值小于0.006，在微波作用下它几乎不会生热，并可耐200 ℃的高温，聚四氟乙烯是制造微波硫化输送带Z合适的材料。

1-磁控管振落器;2-分离器;3-功率表;4-调节器;5-微波箱;6-橡胶密封条

　　(4)微波装置

　　微波装置的结构如上图所示。磁控管是微波发生器，通过连接分离器、功率表、调节器将微波送进微波箱中。挤出的橡胶半成品被输送带送入微波箱中，在很短的时间内升温硫化。微波箱有炉型、弯曲型和管型(波导管型)三种。常用的为管型微波箱，如下图所示。

微波硫化加工工艺

　　1、工艺流程

　　微波硫化电缆生产线基本工艺流程为：从挤出机挤出的成型电缆通过拉力牵引，进入微波硫化装置，在此处电缆迅速升温到硫化温度，然后进入二次硫化的热风槽，电缆在热风槽内一定温度下，保持一定的时间，即完成该电缆的硫化过程。此时如果不用热风槽，硫化全在微波槽中进行，则太浪费能量，而与热风槽结合起来，就比较经济。

　　具体的工艺流程如下：

　　放线架→挤出机→微波硫化区→热风硫化区→冷却装置→牵引机→收线架

　　2、优点

　　①微波硫化是将微波能量穿透到电缆绝缘或护套内部直接进行整体加热，加热迅速，GX节能，大大缩短了绝缘或护套的硫化时间，微波腔配有波形搅拌器，以保证均匀加热，硫化质量较高。

　　②微波硫化技术替代传统的蒸汽硫化工艺，在常规压力下硫化，可避免高压蒸汽侵入电缆线芯而导致导体氧化，可提高电缆的导电和绝缘性能。

　　③微波硫化与热风硫化结合并用，既能保证电缆的技术要求，又能减少能量浪费。

　　3、工艺要点

　　微波加热设备是整个电缆生产工艺的核心环节。微波加热设备的加热均匀性设计显得特别重要，它是橡胶均匀硫化的前提，此外电缆绝缘和护套材料的成分组成比例、色泽深浅和表面的光洁度都会对微波吸收产生影响，都需要加以考虑并在工艺中做适当的调整，以适应工艺的要求。

微波硫化技术发展趋势

　　微波硫化技术之所以发展神速，因为它具有生产效率高、产品质量好、节约能源等特点。微波硫化技术的发展趋势体现在如下几个方面：

　　1、微波硫化生产线的长度不断缩短，从而使设备整体结构紧凑集约。

　　2、运用微机控制各个部位的工艺参数，如温度、速度、时间等，提高了自动化程度。

　　3、运用微机技术开发新产品，可高起点分析及优化新产品结构，设计由二维平面图纸变为三维立体结构，通过ACD绘图造型，确定密封条的截面几何形状和结构特点，使开发出来的新产品具有生产 速度快、质量优的特点。

　　4、运用和发展口型可变技术。在密封条制造过程中，挤出时运用口型可变技术，即利用微机控制挤出口型的变化，改变了以往挤出型条时截面固定不变的工艺，而是根据需要，在转角部位和连接车体夹角部位使截面发生“渐变”或“突变”，一次挤出长度方向上截面可变的型条。这样，可使密封条更好地与车体匹配，密封性能好、外型更美观。

微波硫化与蒸汽硫化的比较

　　橡套电缆常规硫化方法是采用蒸汽硫化工艺。但由于加热温度是由介质外部向内部慢慢地热传导，而橡胶物料是不良导热材料，因此，从物料表面向里层传热其传热速率是很慢的，大部分时间耗费在让橡胶达到硫化温度上。所以加热时间长、效率低、硫化均匀性不好。

　　尤其是传统工艺为消除橡胶粘连而使用硅酸镁(滑石粉)，致使橡胶生产车间中粉尘弥漫，空气中粉尘含量远超过国家环保部门规定的标准，而且电缆整体硫化状态并不理想。这是因为，在常规热传导情况下，被硫化胶料表面与里层升温的时间不一，会出现硫化不均匀的现象。

　　微波硫化与传统蒸汽硫化方式完全不同，是将微波能量穿透到电缆绝缘或护套内部直接进行整体加热，因此加热迅速，GX节能，大大缩短了绝缘或护套的硫化时间，使其加热均匀性更好，硫化质量较高。

　　微波硫化可以在较短的时间内越过橡胶极易发生粘连的诱导阶段进入预硫阶段，革除了传统工艺过程中使用滑石粉的操作，达到环保要求。该生产工艺将挤包和硫化集中在一条生产线上完成，自动化程度高，能耗低，节省人力，生产稳定，产品质量均匀等，大大改善了生产劳动条件。

　　下表为微波硫化电缆与蒸汽硫化电缆性能的对比。

微波硫化实际应用

　　一、胶料混炼

　　在批量生产中，为保证橡胶密封条，挤出质量高、尺寸稳定性好，应采用自动化程度高、质量稳定、分散均匀、生产量大、GX高品质的炼胶设备进行混炼。胶料混炼一般均采用二段法进行。

　　一段为母炼胶混炼，在密炼机中进行，可采用正序法或反序法工艺，混炼时间4min～5min，排胶温度为110℃～140℃。较高的排胶温度可除去胶料中的水分，并可提高混炼效率。二段混炼是添加小料，如硫磺、促进剂、CaO、发泡剂等。一般在开炼机上进行，制成具有一定规格的半成品胶条。采用二段混炼工艺，有利于掌握胶料的焦烧时间。

　　下表为EPDM胶料一段混炼工艺实例。

　　二、挤出与硫化

　　微波硫化生产线配置的是长机筒冷喂料挤出机，其特点是螺杆长径比大(一般为15～20:1)，传热面积大，所以对胶料塑化效果好。再辅以抽真空及排气装置，使挤出的胶条密实度高，外观质量好。挤出机机身可分段加热，螺杆内径和复合机头装有循环水加热系统，挤出不同的胶条时，工作温度可按需要分别设定和调节。

　　下表为微波硫化挤出EPDM胶条的温度设定范围。

　　胶条挤出可实施无级变速调节，挤出胶条由输送带牵引，进入微波箱和热空气硫化箱，实现连续硫化生产。下图为胶条微波硫化生产工艺流程。输送带牵引的速度一般为0～30 m/min。

　　三、应用实例

　　1、EPDM密封条

　　胶料配方：EPDM(EP3092 EM)：100;炭黑(N550)：150;石蜡油(300^#)：110;ZnO：5;硬脂酸：1;聚乙二醇PEG(3000)：3;促进剂M：1.2;促进剂BZ：1.0;促进剂TMTD：0.5;促进剂DTDM：1.5;促进剂CZ：1.0;硫磺：1.5; CaO(膏状)：1.5(以上均为质量份)。

　　工艺参数：炼胶分两段进行，一段混炼用K4密炼机混炼制成母炼胶，停放;二段混炼在22英寸(1英寸=25.4mm)开炼机上进行，加入硫化剂等小料，下片出条备用。微波连续硫化：φ120挤出机温度60 ℃;微波箱功率1 kW/段，共五段，温度230 ℃;牵引速度5～6 m/min;热空气硫化箱温度240 ℃(三节，10 m/节)，牵引速度6～8 m/min。

　　产品的性能：拉伸强度9MPa;拉断伸长率580%;邵尔A硬度64度;变形25%。

　　2、CR海绵胶条

　　胶料配方：CR：100;ZnO：5;MgO：4;硬脂酸：2;发泡剂AC：8;炭黑N774：40;CaCO₃：30;增塑剂DOS：40;助发泡剂：2;促进剂：2.5;防老剂：2。(以上均为质量份)

　　工艺：①混炼胶制备。胶料在密炼机内混炼，加料顺序为：CR→MgO、防老剂、硬脂酸和发泡剂→炭黑和CaCO₃ →增塑剂→ZnO和促进剂→排胶、冷却。冷却的胶料在开炼机上返炼出片。②海绵胶条制备。在微波连续硫化生产线上，混炼胶由φ90挤出机挤出，经过微波箱(200℃×1min)和热空气硫化箱(210 ℃×4min)发泡硫化，而后进入冷却水槽冷却，Z后切割成产品。

　　性能：硫化仪数据(160℃)，M_L10.74 N·m;M_H16.01 N·m;t_s 9.65min。海绵胶条性能：密度0.455 mg·m^-3;邵尔C型硬度，16;弹性好，表观光洁。

　　3、NBR耐油密封胶条

　　胶料配方：NBR(3345)：100;炭黑(N550)：60;轻质CaCO₃：30;癸二酸二辛酯DOS：20;ZnO：5;硬脂酸：2;防老剂4010NA：2;PEG(3000)：2;促进剂 M：1.2;促进剂TMTD：1.0;硫磺：1.2;CaO(膏状)：15。(以上均为质量份)

　　产品性能：拉伸强度9 MPa;拉断伸长率450%;邵尔A硬度60;变形16%。

　　4、高铁用密封胶条

　　胶料配方：EPDM(3072 EM)：140;炭黑(N550)：80;炭黑(N330)：30;石蜡油(300^#)：55;ZnO：5;硬脂酸：1.0;PEG(3000)：3;促进剂M：1.2;促进剂BZ：1.2;促进剂TMTD：0.6;促进剂DTDM：0.5;促进剂 CZ：1.2; 硫磺：1.5;CaO(膏状)：15。(以上均为质量份)

　　产品性能：邵尔A硬度56;拉伸强度15MPa;拉断伸长率380%;撕裂强度32 kN/m;压缩变形(室温×24 h)16%;脆性温度-62℃;20℃×13 h(蒸馏水中)质量增加0.1%。70℃×76 h老化后性能：邵尔A硬度58;拉伸强度15MPa;拉断伸长率370%。

　　5、CR海绵密封条

　　胶料配方：CR(ES日本电气化学)：100;炭黑(N774)：40;轻质CaCO₃：30;防老剂4010NA：2;ZnO：5;MgO：4;硬脂酸：2;促进剂TMTD：1.2;促进剂CZ：1.2;促进剂NA-22：1.5;发泡剂 OBSH：8;DOS：40;微晶蜡BIO：2;CaO(膏状)：5;黑油膏：8。(以上均为质量份)

　　6、EPDM海绵密封胶条

　　胶料配方：EPDM(K7341 A)：120;炭黑(N550)：70;陶土：40;轻质CaCO₃：30;石蜡油(300^#)：60;ZnO：8;硬脂酸：2.0;PEG(3000)：3;微晶蜡B10：2;促进剂 M：1.5;促进剂BZ：1.0;促进剂TMTD：0.6;促进剂DPTT：0.3;促进剂DTDM：1.5;硫磺：1.5;发泡剂AC：3;发泡剂OBSH：2;CaO：5。(以上均为质量份)

　　7、硅橡胶(VMQ)海绵密封胶条

　　胶料配方：硅橡胶(8540)：100;白炭黑(沉淀法)：35;过氧化物硫化剂DCBP：2.0;BPO：1.5;发泡剂AZ：2.7。(以上均为质量份)

　　8、阻燃密封胶条

　　胶料配方：EPDM(EP33)：100;炭黑(N550)：40;氢氧化铝(环氧基硅烷改性，微米级)：170;硼酸锌：10;微胶囊化红磷：10;石蜡油：40;ZnO：5;硬脂酸：2;促进剂EG-3：3.3;硫磺：1.3。(以上均为质量份)