通过特殊的加热促进剂和电磁辐射熔融聚合物外文翻译资料

 2022-07-06 14:02:32

英语原文共 26 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

通过特殊的加热促进剂和电磁辐射熔融聚合物

T. Bayerl, A. BeneditoBorraacute;s, J.-I. Andreacute;s Gallego,B. Galindo Galiana, P. Mitschang

2.1.介绍

高聚物有着出色的机械和结构优势.它们的质量很轻,可以优于传统的有机加强复合材料,尤其是在冲击阻力和再循环能力这两方面.然而,由于聚合物增强材料的热敏性,热塑性复合材料的生产受到限制.聚合物增强纤维属于热塑性纤维,在随后的加工进程中有被融化的危险,最终会导致机械性能的损失.近代的工业化聚合物半成品只是在后面的进程中通过使用其他的增强材料来弥补这种性能损失.聚合物复合材料的加工性能和应用也同样受到这种熔融强化现象的限制。因此，到目前为止,在注射成型或者更复杂的工艺中,自增强聚合物颗粒只能在一定程度上使用或者根本不使用。

一种在注射成型等应用领域加工聚合物复合材料的新方法如今已经被发展，这种发法是利用可被电磁场激活从而成为导电通磁粒子的可能性。这种活化粒子直接将电磁辐射转化为热能，并将其转化为周围的物质。为了限制纤维成分的熔融，只有基质成分才掺杂有导电或铁磁性得粒子。在暴露于电磁场的情况下，粒子加热并将热量主要传递到周围的基体上。加热进程最好在将足够的能量被输送到增强纤维之前进行，以避免复合材料完全熔融和损失强度。为了发展这种选择性熔融工艺，两种不同的电磁系统已经被考虑：一种为高频法,即工作频率在千兆赫兹范围内的微波加热法,另一种为低频法，即工作频率在千赫范围内的感应加热法。选择合适的加热促进剂已经被初步的研究。大体上,不同尺寸的导电和铁磁材料已经被选择，并将其合成成合适的基体体系，这些材料包括高密度聚乙烯(HDPE)、聚酰胺6(PA6)和聚丙烯(PP)。

在表明掺杂粒子的基体体系可以通过外加电磁场加热熔融后，选择性熔融法被采用去制备聚合物复合材料。一方面,这种处理方法可以防止增强破坏. 另一方面，该方法也具有快速甚至局部应用热量的能力。此外，它还有在不同地点修理部件而不需要拆卸较大部件的可能性存在。

选择性熔炼是基于一个观点，即转移的能量只会被聚合物的一部分吸收，而其余的部分不受损害。

能量可以是电能、化学能或热能。这种选择性发生于有限的任意一节的接收过程中。这可以通过添加剂的加入或者甚至在一定程度上由聚合物的分子组成来实现的。例如，聚酰胺是由于其极性分子特性而成为微波的良好受体。然而，在大多数情况下，添加剂是不可避免的。就聚合物复合材料来说，因为熔融会降低复合材料的总强度，因此聚合物增强材料是无损伤的部分。然而，为了加工材料，聚合物-聚合物复合材料的基体部分需要被熔化或至少变得足够软以便于成形。存在于基体中的颗粒，也叫敏感剂或加热推动器，当其暴露于电磁场中时，起着充当内热源的作用。对于聚合物-聚合物复合材料，通过外部热源来熔化，一方面，效率很低；另一方面，在整个复合材料成形之前，近表面增强纤维就会受到破坏。（表2.1）

2.2.技术发展水平

加热聚合物-聚合物复合材料的方法，即感应加热和微波加热，都是基于电磁辐射。电磁辐射的范围涵盖了电视广播、雷达波、x射线和人眼等各种“日常生活应用”。感应和微波辐射就存在于这些应用中(图2.2)。，

由于波动性，电磁辐射的使用具有非接触性、局部适用性等特点。而且，感应和微波的应用提供了高能量输入和高自动化能力。

2.2.1感应加热

电磁感应是基于Lenz定律和被Michael Faraday发现的原理[2]。铁磁和导电材料在交变电磁场中出现的加热现象是基于涡流和磁极效应(滞后作用)。

涡流：涡流是在通过交变电磁场的导电材料的闭环中，或者是在磁场中的交替运动的导体中形成的。根据Lenz定律，每个感应电流形成一个电磁场，这个电磁场可以抵消了感应场（causative field）。这个场的永久极反转会导致感应场的形成和消失。这伴随着一个热能损失(焦耳效应)。对于所有的导电材料暴露在交变磁场中，以上所描述的行为是常见的 [2-4]。

磁滞损耗：磁滞损耗是基于铁磁或铁磁材料在磁场中的极化和去极化。这种交变磁偶极子通常伴随着能量损失。磁化强度M随磁场强度H的变化曲线遵循滞后曲线。滞后曲线的封闭面积越大，热能损失越大[2]。这种机制的热损失远小于涡流热损失[4]。然而，对于感应粒子加热，它是主要机制[5]。

伴随着感应加热的主要效应之一的是所谓的集肤效应。它描述了感应电磁场对受热导电材料或磁性材料的穿透深度的限制。集肤效应是以电磁场的形成为基础的，而电磁场是以反作用场为导向，并将其抵消。这意味着磁性均匀的或导电样品的主要能量输入位于或靠近表面区域。由于集肤效应与感应电流和伴随电磁场有关，因此穿透深度delta;p与引起电场的频率v、电阻率rho;和吸波材料的磁导率mu;r有关[3]。

(2.1)

典型的感应应用使用的频率在几千赫兹到兆赫之间。正如穿透深度方程所示，频率越高，穿透深度越低。由此，可得出的结论是，在低频时，均匀加热效果更好。然而，通常是高频率被应用，尤其是在金属加工行业，当只有在靠近表面的区域才会被加热，例如齿轮的齿。

近年来，感应粒子加热技术被有关热疗应用的医学技术所应用，并得到了进一步的发展。热疗是一种通过外部热源过度加热来破坏疾病细胞或癌细胞的过程。就磁流体热疗来说，铁磁性流体被注入到肿瘤中，然后被电磁场加热。对于临床热疗剂，加热温度应在60~80°C，外加磁场在15 以下，频率在100 kHz以下[6]。Bae等人发现，尖晶石铁氧体纳米粒子，也就是镍铁氧化物(NiFe2O4)和钴铁氧化物(CoFe2O4)，具有较高的生物相容性，可在21.5°C~45°C的温度范围内被50 kHz交流电(AC)磁场控制[7]。磁铁矿(Fe3O4)也是尖晶石组的一员，其结果相似[8]。然而，在本研究中，磁场是在300千赫的条件下进行的。Hergt等人研究了颗粒尺寸和磁场强度对磁铁矿纳米颗粒加热效果的影响。他们发现颗粒尺寸与加热效果之间没有普遍的相关性。每一种材料和颗粒尺寸都表现出不同的加热行为，这也受到磁场的影响[9]。进一步的研究已经研究了纳米粒子在局部磁性流体热疗中的适用性[10-13]。它们的共同点是，主要加热机制来自于滞后加热，并且在这种情况下，可以排除涡流的形成。

与聚合物材料相结合的感应加热方法可通常用于焊接和加热。增强聚合物的感应焊接法已发展成为热塑性材料的快速和局部连接技术。它允许制造所有聚合物以及混合金属聚合物接头。通常，碳纤维或附加的金属网格被用作电磁场的敏感剂。就碳纤维而言，所谓的加热或焊接促进剂不仅具有加热功能，而且经常可用作材料的增强材料。如果接头配对不包含任何导电材料，则金属网格被作为敏感剂，放置在熔化区中[14]。交流电(AC)磁场加热感应器，热量因此被传递到周围区域，然后周围区域开始熔化。然后材料被合并去形成最终焊接。

近年来，感应焊接已经被发展去满足连续三维应用的需要[15，16]。然而，大多数应用没有考虑微粒加热促进剂的使用。Suwanwatana等人已经开始去开发一种材料系统，该系统含有磁性粒子，可通过感应方式将热塑性元件结合在一起[17，18]。他们通过使用掺杂镍粒子的聚砜薄膜从而获得了很好的结合强度。根据在纳米和微观范围内不同的颗粒尺寸，颗粒负载量选择10%~20vol%。使用2.25 MHz的交流磁场的最佳的加热效果是从更小的粒子(79 nm)中获得[17]。

2.2.2.微波加热

微波是由从低频交流电到宇宙射线的连续电磁谱的一部分所构成[19]。与所有电磁波一样，微波以光速在空腔中传播，其频率范围为300mhz~300 GHz。起初，微波技术是在二战期间发展起来的，用于导航和雷达目标探测。直到今天，这些技术才在许多工业和国内领域中应用的越来越广泛。其中，用于工业应用的频率包括915mhz、2.45ghz、5.8ghz和24.124 ghz。其中,2.45 ghz是最常用的频率。其目的是避免微波雷达和用于通信的频带的干扰。工业微波是由各种设备产生的，如磁控管、电网管、速调管、速调管、跨场放大器、行波管和陀螺管[20]。

总的来说，微波技术提供了一种替代传统加热方法的方法，并且具有以下几个重要优点：具有穿透辐射、可控电场分布、快速加热、材料选择性加热和自限反应[19]。

这个过程中所涉及的能量是由与材料相互作用的电磁场提供的。导致加热的因素主要有两个[21]：

偶极取向：被整合在较高的结构中，微波带电分子往往不能移动。在这种情况下，这种有限的位移激发了分子在相反区域的取向，从而平衡了电力。结果是材料内部出现了偶极极化。根据变化的电场的取向伴随着加热。在磁性材料中，磁极化也会导致这种加热效应。加热与根据变化的电场的取向同时发生。在磁性材料中，磁极化也会导致这种加热效应。

电阻加热：当碳基物质中的带电粒子或原子元素(如电子)自由地通过物质时，这种运动会产生与电磁场相一致的电流。与感应用涡流加热类似，电流极的变化也会导致热损失。

所形成的偶极子对外部电场很敏感，并通过旋转与它们对齐，所需要的能量由同一外场提供。这种重排在自由分子中是直接发生的，但在液体或固体中会受到限制。这种对电场的回应能力是材料的一个重要参数。首先，低频使分子对齐。电场的能量一部分是用来定位分子的，一部分是在碰撞中被“丢失”。因此，总的加热效应很小。如果施加高频电场，则偶极子没有足够的时间对电场作出回应，从而没有发生取向，因此无法观察到加热效应[22]。

电场产生的微波是根据与偶极子回应时间相对应的频率所确定的。微波场的能量足以激发偶极子的旋转，但不能传递能量去精确地跟随场。结果是交变场与偶极子的旋转或排列之间的回应延迟。这种周相移动会引起偶极子在随机碰撞中的能量损失，以及介电加热过程。

基于这一理论，材料性能在微波加工中具有重要意义。复相对介电常数ε，

ε = ε′ minus; jεPrime;(2.2)

和损耗正切，tandelta;，

tandelta; = εPrime;/ε′ (2.3)

对于研究电场与材料偶极子相互作用，是很关键的。介电常数的真实部分εlsquo;，也称为介电常数，主要决定了多少入射能量被用于偶极子的旋转。在低频时，所有的能量都被在旋转运动的物质中吸收，因此εlsquo;是最大的。由于位移太慢，所以不会发生延迟和碰撞。在高频下，材料没有足够的时间来回应场，因此εlsquo;是最小的，碰撞引起的能量损失用εPrime;表示。

对于被微波技术所加热的材料而言，最重要的考虑因素是选择一个频率，在这个频率下，能量吸收εlsquo;和能量损耗ε“都很高(图2.3)。

这种平衡频率点是由损耗正切、tandelta;或介电损耗决定的，它预测了材料将输入能量转化为热能的能力。例如，对于水来说，介电损耗的最大值在2.0 GHz左右，这个值是在家用微波炉的范围内。

对于颗粒加热，大多数情况下都是偶极加热，此时电阻效应最小。然而，主要加热效应取决于微波敏感剂的化学性质[23]。

在固体中，导电成分必须加入到介电性能中。这在半导电粒子中尤其重要，如碳基材料。在微波辐射下，导电粒子通过它们的位移来释放能量。这使吸收能的估算复杂化，其特征是等效介电导sigma;和损耗参数sigma;/omega;ε0。这个参数的数值会随着温度的升高而增加。这种效应被称为热失控，会使均匀温度加热的控制变得复杂。

在微波技术方面，在市场上有着不同的特性和用途的系统：封闭烤箱技术，如固定频率和变频微波(Vfm)、多模和单模系统等，以及开放式微波设备，如大型部件的移动天线系统等。

在微波炉中发现的最重要的问题之一是“热点”的存在。传统的固定频率的微波加热会受到电磁场局部空间波动的影响，导致微波腔内功率分布不均匀，因此会导致加热不均匀，产品质量可能不佳[24]。

在封闭烘箱技术中发现的主要问题是由于腔室内多次反射而导致的缺乏加热均匀性。不仅加热过程不均匀，热点可能出现，这会使材料退化。目前存在一些已经确定的方法去减小这种影响，最常见的是通过使用VFM来避免驻波。

在固定频率系统中，磁控管以915 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz或24.124 GHz的频率发射微波能量到波导或腔内。封闭腔的一个重要问题是根据加热过程的要求调整不同的尺寸的可能性，以及良好的微波辐射隔离。这一技术隐含着固有的均匀性问题，如热点或热失控，而单模喷头腔不容易按比例增大到有用的尺寸。为了改善辐射场的均匀性，一些方法已经被采用，其中转盘和搅拌器是最常见的方法。这两种方法要么是减少热点，要么是改善温度分布。

固定频率微波技术通常是两种不同模式的交替：单模和多模，模数由应用微波辐射的腔体类型所决定。

单模利用可调谐的微波容量，特别是用于支持微波源频率上的单个谐振模式。这确保了微波场对材料的最大耦合。与多模系统相比，单模腔加热过程的效率很高。多模腔法利用了一个大的空腔，这意味着它足够大以至于可以在相同频率下支持多个高阶模。

关于腔体尺寸和形状的可能性很大，但加热效率低于单模腔。单模腔限制了高场强的面积，因此材料在腔内的尺寸、形状和位置也被限制了。

在多模腔体中(概念上类似于家用烤箱)，进入腔内的微波由壁面和典型的大腔上的载荷反射出来。一个振型搅拌器确保了场分布尽可能均匀。

单模腔较小，只存在一个模式，并且电磁辐射是通过精确设计的波导定向安装在离辐射源一定距离的加热样品上的[25]。

在VFM系统中，微波会被一定范围的频率扫过。其范围由平均频率和腔体大小决定。由于单个微波模式在几毫秒内的叠加，功率分布会变得更加均匀(图2.4)[19，27]。

机器设备由波管而不是磁控管所组成，因此增加了机器成本。每个产生的入射频率都会在材料上形成一个单

全文共20804字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[10302]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章