[发明专利]控制并优化塑料板材微波加热的方法

说明书

技术领域

文中公开的实施方式一般涉及微波发射器，以及利用微波能量来有选择地加热热塑性聚合物系统。

背景技术

热塑性聚合物颗粒通常必须在一次转化过程中，诸如在挤压或注射模制过程中，熔化、重新塑形并冷却，以便制作具有商业价值的部件。在一些情况下，需要二次制造过程，诸如涉及进一步加热、重塑和冷却的热成型，来实现部件的商业价值。在一次过程和二次过程中，热能施加在热塑性材料上，并随后在重塑发生之后去除。

用于热塑性聚合物系统的传统加热机构在许多情况下依赖接触或辐射热源。辐射能一般称为红外线，波长范围为1到10微米，并且在可用能量的一半作为热量耗散之前，将穿入吸收性材料达到大约1至2微米的深度。热传输过程通过传导过程(在固体材料的情况下)持续下去，或者在熔融材料的情况下，通过传导、对流和机械混合相结合地持续下去。接触加热类似地依赖从高热的接触表面传导(或者传导、对流和混合相结合)以加热材料的“体积”。

与传导热传输过程关联的热传输速率(RHT)可以一般描述为以下关系式：RHT＝f(A，Ct，Delta T)，其中A是可用于热传输的面积，Ct是材料的热扩散系数；而Delta T是可用温度驱动力，该可用温度驱动力将随着被加热材料温度升高而随着时间减小。未改性热塑性材料的热扩散系数Ct固有地较低，从而阻碍在传统辐射或接触加热系统中的热量传输。此外，辐射或接触加热可能导致不希望的温度梯度、可能的过热或者烧焦被加热材料的表皮。

作为对照，微波的波长大约为12.2cm，较之红外线的波长更长。较之红外或辐射能量，在可用能量作为热量耗散之前，微波可以穿入吸收性材料更深的深度，通常为若干厘米。在微波吸收材料中，由于微波穿过所述材料，所以微波能量用于“体积地”加热所述材料。但是，如果材料不是良好的微波吸收体，则基本上对微波能量“透明”。

与微波加热相关的一些可能的问题包括加热不均匀和热失控。加热不均匀通常源于微波能量在部件上分布不均匀，可以在一定程度上克服，诸如在传统民用微波炉中，利用旋转平台来支撑待加热物品。热失控可以归咎于上述加热不均匀与作为温度的函数发生的变化介电损耗因素相组合。

已经利用微波能量例如来干燥平面结构诸如湿的织物。水是微波敏感物质，并且暴露于充分的微波能量并持续足够长的时间周期的话，将会蒸发。但是，织物通常对微波透明，从而使得微波集中在水上，水基本上是这种材料中唯一对微波敏感的成分。微波能量还用来加热其他材料，诸如在以下参考文献中所述。

美国专利5,519,196公开了一种聚合物涂层，这种聚合物土城包含氧化铁、碳酸钙、水、铝硅酸盐、乙二醇和矿物油精，用作食品容器的内层。这种涂层可以利用微波能量加热，从而使得该容器中的食物变成棕色或烤焦。

美国专利5,070,223公开了一种微波敏感材料及其用作玩具中的储热器。所公开的这种微波敏感材料包括铁和铁合金、碳、聚酯、铝和金属盐。美国专利5,338,611公开了一种包含炭黑的聚合物带材，用作捆绑热塑性基材。

WO2004/048463A1公开了一种聚合复合物，这种复合物可以在电磁辐射的作用下迅速加热，以及相关的应用和处理方法。

使用微波加热聚合材料的关键性局限是许多有用的聚合物微波接收性较低。微波接收性较低的聚合物因此要求较高的功率或者较长的辐射时间来加热射中聚合系统。在转为微波吸收设计的聚合物中，通常它们的微波性质和机械或热学性质之间权衡，即机械和热学形状通常并不太令人满意。

使用微波加热聚合材料的另一个关键性局限在于适合或能够在连续或半连续基础上有效处理并加热聚合材料的微波加热设备不够用。在待处理材料尺寸较大时，尤其会发生这种情况。

美国专利申请公开No.20030183972公开了一种采用微波能量模制球囊导管的方法和装置。由旋管产生的微波能量被引导到模具，加热聚合材料而不加热模具。可以利用额外的微波能量进一步加热球囊。还公开了一种聚合物挤压装置，在产品成型之前，采用微波能量加热挤压机端部和压模内的聚合物进料材料。

WO2004/009646公开了使用微波能量辅助改变纤维加强复合物的形状以及进行生产后处理。硅烷基尺寸的纤维在预加热模具中发生热降解，留下碳沉积在纤维上。然后将纤维进行拉挤并涂覆在挤压的热塑性材料中。然后碳沉积物允许在物品的生产后处理中使用微波能量，例如加热进行物理变形和焊接。