控制并优化塑料板材微波加热的方法

专利名称：控制并优化塑料板材微波加热的方法
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 Τ)，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勻和热失控。加热不均勻通常源 于微波能量在部件上分布不均勻，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勻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。
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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。W02004/048463A1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。W02004/009646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。美国专利3，843，861公开了一种用微波加热并硫化橡胶或合成材料的装置。美国 专利6，211，503公开了一种加热以微波吸收材料制成的部件的设备和方法。所述设备采用 微波发生器、天线和灌装设备来处理所述材料。其中注入微波的所述管状设备将微波与外 部环境屏蔽，并且设计有小于半波长(对于微波来说为12cm)的内径，从而在所述腔内形成 非常强烈的单模场。这种设备允许大致均勻地加热部件，但是仅限于非常小的部件(尺寸 < 6cm)ο美国专利7，034，266公开了一种可调谐的微波装置，用于制造可降解的吸收性物 品。微波激活粘结剂纤维材料，从而在吸收性纤维和粘结纤维之间可操作地提供多个互联 部。所述微波装置可以用于微波加热互联材料的连续腹板，或者由网络组织、非编织材料或 者其他载体材料连接的一系列个别吸收主体。美国专利5，302, 993公开了一种开发装置，这种装置利用微波加热系统来加热流 体。利用反馈或前馈控制环来控制流体温度，从而控制微波输出。因此，仍然需要微波加热装置(设备)以及采用这种装置的过程，用于利用微波能 量迅速可控地体积加热聚合材料。此外，需要有能力可控地仅加热或熔化聚合材料一部分 的材料、设备和过程，足以使得该大体积材料能流动，有利于所述聚合物塑形或者进一步处 理。

发明内容
在一个方面，文中公开的实施方式涉及用来处理热塑性材料的方法，所述方法包括让热塑性材料以选定的馈送速率通过微波加热装置，其中所述微波加热装置包括用 于向谐振腔提供微波能量的微波发射器；所述谐振腔包括至少一个入口和至少一个出口， 所述入口和出口集体形成用于热塑性材料通过所述谐振腔的通道；和配置成调节所述谐振 腔长度的移动活塞；在所述谐振腔中，将所述热塑性材料暴露于微波，其中所述暴露过程导 致所述热塑性材料至少一部分温度升高；测量由所述微波发射器产生的电场；和根据测量 的电场调节所述移动活塞的位置；和处理所述热塑性材料。在另一方面，文中公开的实施方式涉及用来加热热塑性材料的装置，其中所述热 塑性材料具有微波敏感的聚合区域，所述装置包括用于向谐振腔提供微波能量的微波发 射器；所述谐振腔包括至少一个入口和至少一个出口，所述入口和出口集体形成用来与热 塑性材料通过所述谐振腔的通道；配置成调节所述谐振腔长度的移动活塞；用来测量由所 述微波发射器产生的电场的电场传感器；和根据从所述电场传感器接收的数据调节所述移 动活塞的位置的控制系统。@文中公开的实施方式的其他方面和优势将从以下描述和附带的权利要求书中体 现出来。@


图1示出了包含多个微波电路的微波加热设备的实施方式；图2示出了用在文中公开的实施方式中的微波加热和热成型装置；图3A是符合文中公开的实施方式的微波电路的简化视图；图3B示出了符合文中公开的实施方式，作为活塞位移的函数的微波电路响应；图4示出了用在文中公开的微波调谐电路中的颤动活塞；图5是根据文中公开的实施方式动态调谐微波电路与利用静止样本进行微波电 路调谐的比较曲线图。
具体实施例方式在一个方面，文中公开的实施方式涉及用来加热聚合物的微波加热装置。在另一 方面，文中公开的实施方式涉及具有微波发射器的微波加热装置，用来处理大型聚合物结 构。聚合物可以包含接收微波的组分，或者作为聚合物的主链或者作为聚合物中的聚合或 非聚合添加剂，所述接收微波的组分允许聚合物被快速加热并可以通过施加微波能量进行 控制。在另一方面，实施方式涉及在微波加热装置中处理可微波加热的聚合成分，其中微波 加热装置包括用来动态调谐微波电路的控制系统。较之替代加热方法而言，诸如辐射、对流和接触加热，使用微波能量可以实现非常 迅速的体积加热。使用微波能量能克服传统加热系统的两个基本局限依靠聚合物的导热 性从部件表面传输热能；和可允许的聚合物表面最大温度，该温度进而确定了最大可用温 度驱动力。根据其化学成分，聚合物可以固有地接收微波。作为替代，对微波敏感的聚合物 成分可以通过将接收微波的添加剂与不接收微波的基体聚合物相组合而形成。用于文中 公开的实施方式中的适当的基体聚合物、接收微波的聚合物和接收微波的添加剂在PCT申 请 PCT/US2007/012821、PCT/US2007/012822 和 PCT/US2007/012817 以及美国临时专利申请
6No. 60/932，790中描述，这些文件通过引用而包含在本文中。产生的接收微波的聚合物或者 对微波敏感的聚合物可以利用微波能量加热，代替辐射、对流或接触加热或者与其相结合。 被加热的聚合物然后进行处理，诸如混合、转移、塑形、模压、注射、成型、模制、挤压或者用 在一次转换过程或二次制造过程中的处理形式，以形成有用的物品。文中公开的实施方式涉及利用电磁能量有效转换热塑性材料，有选择地加热热塑 性材料的一部分体积，该部分足以使得所述材料可以在接下来的成型技术中进行处理。在 文中所用的可以进行处理指的是让热塑性材料至少一部分处于充分熔化状态或软化，以便 让大体积塑料混合、转移、塑形、模压、注射、挤压等等，以形成产品。加热热塑性基材可以通 过让热塑性材料暴露于电磁能量诸如微波来实现，电磁能量有能力穿透基材的整个体积并 且在微波敏感区域被优先吸收。通过施加微波辐射，热量可以在聚合物样本的容积、体积或一部分的预定区域处 局部产生。因此，施加的能量大小可以仔细控制并集中，因为其他区域可能以对所用辐射透 明的非吸收性材料构成。例如，未处理的聚丙烯和聚乙烯对于微波辐射是透明的。通过集 中于接收微波的材料，所用能量可以减少，循环时间可以缩短，并且最终材料的机械性质和 其他性质可以适配各种需求和应用场合并进行优化。对微波敏感的材料中的部位可以是有利于或不利于吸收电磁能量的部位。有利于 吸收的部位将在电磁能量的作用下方便快速地加热。换句话说，相对于材料的其他区域而 言，只有基材体积中的指定部分才受到电磁能量的强烈影响。采用这种方式，电磁能量与基材或基材的特定区域相互作用，所述基材或基材的 特定区域在存在电磁能量时，温度将升高。随着材料被体积加热，较之传统加热技术而言， 所述材料可以更迅速地转化到可处理状态。此外，较之材料整个体积经由表面传导(红外 加热)加热时通常存在的情形而言，由于材料可能包含较少的热能，所以可以显著节约能 量。例如，红外加热导致显著的能量损耗到大气中，并且要求部件的表面温度显著高于希望 的体积温度，以便形成从部件表面到部件芯部的可接受的热传输速率，并将芯部温度升高 到处理所要求的温度。相反，微波加热，即导致对微波敏感的材料的温度快速地体积加热到 加工温度，可能使得聚合物表面温度显著较低。微波加热还具有能量从系统损耗较小的趋 势，主要将能量传输到需要的地方，即对微波敏感的聚合物。微波加热还导致显著节约了转 化过程的循环时间。加热时间可以缩短，不仅仅是因为微波加热机制在整个体积上迅速发 生(与热传导相比)，而且部件的总体能量容量较小。冷却循环也可以缩短，因为材料未被 加热的区域有效地用作散热器，从被加热的相邻区域带走热量，显著提高了大体积材料的 总体冷却速率。对微波敏感的聚合物可以用在一次转化和二次制造过程中。例如，在一些实施方 式中，微波敏感聚合物可用在制造聚合物品的过程中，包括膜料、泡沫、型材、复合颗粒、纤 维、编织和非编制织物、模制部件、复合件、层压件或者以一种或多种聚合材料制成的其他 物品。在其他实施方式中，微波敏感聚合物可以用在转化过程中，诸如板材挤压、共挤压、泡 沫挤压、注射模制、泡沫模制、吹气模制、注射拉拔吹气模制、和热成型等等。微波加热设备和电场控制工业微波炉通常包括三个主要部件炉腔，可以在炉腔中以微波轰击物体；磁 控管，其产生微波；和导波件，其向炉腔传递微波。连续的微波炉通常包括前室，该前室可以用来俘获全部未被吸收的微波能量，以阻止辐射逃逸到周围区域中。用在文中公开 的实施方式中的微波加热设备在PCT申请PCT/US2007/012821、PCT/US2007/012822和 PCT7US2007/012817和美国临时专利申请No. 60/932, 790中公开，这些申请文件通过引用 包含在本文中，所述微波加热设备包括具有多个谐振腔的微波装置。使用多个谐振腔可以提供均勻的能量密度和较高场强，使得迅速、均勻地加热微 波敏感的材料。在待加热材料大于能利用单一发射器有效加热的的情况下，诸如聚合板材 具有显著较大宽度的情况下，优选使用多个谐振腔。现在参照图1，图中示出了用于多个谐振腔阵列的一种构造。加热装置40可以包 括一个或多个微波电路41，包括至少一个微波发生器和其他设备(以下描述)来控制或引 导微波能量到多个谐振腔43。然后，微波能量可以冲击谐振腔43中的微波敏感材料或微波 接收材料46，诸如微波敏感的聚合板材。微波扼流圈47可以用来让从阵列中泄漏的微波能
量最少。针对可以用来控制或引导微波能量到多个谐振腔43的微波电路和其他设备，可 以使用任何可以用来处理微波能量的设备。例如，区段42可以包括引导或控制能量从微波 发生器到谐振腔43的设备，包括调谐设备和其他电路，以使向微波发生器反射能量的反馈 最小；和导波件44可以通过角部45引导微波能量，这可以提供均勻的微波能量密度向谐 振腔43传播。可以使用的其他设备包括角部、导波件、微波天线、循环器、隔离器、收发转 换开关、移相器、双短线调谐器、四短线调谐器、EH调谐器、网络分析器、电场探头、红外测温 仪、可变电源和本领域技术人员知道的其他设备。如图所示，加热装置40包含具有12个微波电路(2排6个)的排列，所述排列可 以联合操作以均勻加热板材46。也可以使用微波电路的各种其他布置，包括线性阵列，其中 所述布置使得聚合板材46的期望部分可以被加热。所述各种布置可以导致相邻的微波电 路41加热待加热材料诸如板材46的相邻或重叠部分。馈送槽49，如上所述，可以是单一通道(总体上具有一个入口和一个出口的阵 列)，用于待加热材料通向所述谐振腔。在一些实施方式中，热塑性材料可以以选定的和/ 或可变馈送速率通过微波加热装置。在一些实施方式中，馈送速率可以处于以下范围从 0. lmm/sec到100mm/sec ；在另一些实施方式中从0. 5到75mm/sec ；在另一些实施方式中从 1到50mm/sec ；在另一些实施方式中，从0. 5、1、2、3、4、5或10mm/sec的下限到5、10、15、20、 25、30、35、40、50、75或100mm/sec的上限，其中可以使用上下限的任何组合。微波扼流圈47可以构造成使得从多个谐振腔通过所述入口和出口泄漏的微波最 少。此外，馈送槽49可以调节，以适应通过入口和出口的板材的各种尺寸(厚度和/或宽 度)，并且还可以针对腔43调节，以使板材通过谐振腔43中的电场最大值。移动活塞48可以垂直调节，以改变谐振腔的有效长度。移动活塞48例如可以有 效调节从虹膜板(iris plate)到谐振腔底部的长度，允许根据微波频率针对谐振腔调谐， 允许形成驻波。控制系统可以作为一个单元控制所述多个谐振腔阵列。采用这种方式，可 以个别调节个别活塞，以调谐相应谐振腔。由于每个微波发射器_谐振腔组合的操作参数 存在细微差异，所以可优选具备细微调节每个微波电路的能力。虽然图1示出了具有12个微波电路的实施方式，但是其他实施方式可以包含一个 或更多个发射器来加热板材样本。例如，微波电路的数量可以根据微波发生器的尺寸、正在
8处理的材料的尺寸以及期望加热速率等变量进行确定。现在参照图2，图中示出了包含上述微波加热装置的热成型设备30的实施方式。 热成型热备30可以包括馈送阶段32、加热阶段32和成型阶段33，每个阶段可以利用来自 电气柜34的导线控制或供电。聚合物板材或坯料35可以利用传输聚合物板材或坯料35 的驱动皮带36间歇性地馈送到加热阶段32。加载到加热阶段32之后，微波加热装置37可 以用于将聚合物板材或坯料35暴露于微波能量，其中微波加热装置37可以包括上述设备 (微波发生器、调谐器、角部、导波件等)。加热之后，可以将聚合物板材或坯料35传输到热 成型阶段33。在传输到热成型阶段33的过程中，红外相机38或其他设备可以用来监控聚 合物板材35的温度，以保证聚合物板材35处于希望的温度或温度分布范围，并且还可以用 来控制微波加热装置37。加载到热成型阶段33之后，聚合物板材35可以利用模具39成 型，以便形成期望形状或部件。如上所述，可以使用一个以上的微波电路来加热微波敏感的聚合物。在待加热的 材料大于能利用单一电路有效加热的情况下，可以优选使用多个微波电路。用于多个电路 阵列的一种构造可以是加热单元的线性阵列。在这种情况下，每个单元可以挨着相邻单元 安放成直线。所述单元可以彼此机械地密切耦接，以使多个腔的入口和出口馈送槽形成组 合馈送槽，能处理尺寸大于任何单一发射器所能分别处理的材料。相邻谐振腔之间的间隔 可以相对较小，并且设计地可以在处理过程中，在整个板材上实现相对均勻的温升。个别微 波电路可以加热经过所述阵列的材料的相邻区域。在一些实施方式中，个别供电的单元可 以在聚合板材上建立均勻的高强度微波场，并在聚合板材经过所述阵列时，将所述板材迅 速加热到根据需要对材料塑形或成型所需的温度，在成型操作之前，减少加热处理的总体 循环时间。如上所述，对于给定的谐振腔长度和从微波发生器发射出的微波辐射频率，可以 在谐振腔中建立驻波。所述驻波可以导致在谐振腔中建立非常高的电场强度。可以通过针对静止样本移动可调节的活塞进行优化来实现对微波电路和谐振腔 的调谐。例如，样本可以设置在加热单元中，调节微波扼流圈以使微波泄漏最少，并且可以 向微波发生器提供电力。可以利用二极管传感器测量产生的电场，并调节可移动的活塞到 单一位置，以使微波谐振。在调谐之后，可以通过微波场传输样本并加热到热成型温度。在 经过处理时，可以利用上述设备诸如电场探头、IR传感器等监控电场和样本温度。调谐微波电路的一种示例在图3A和3B中示出。如图3A所示，基材60设置在微波 加热装置62中，该微波加热装置可以包括磁控管64、角部66、谐振腔68、移动活塞70和微 波扼流圈72。作为活塞位移的函数来测量电场，结果在图3B中示出。在活塞位移为12. 5mm 时，电场最大。该图示出了经由活塞70的位置调节来控制电场和谐振腔68中的微波调谐 的能力。可进行微波加热的基材，包括聚合板材，可以具有例如来自挤压过程的平均厚度。 但是，所述厚度可以针对板材的宽度和长度变化。此外，也可能在板材的宽度和长度上遇到 成分差异。可能影响微波电路调谐的其他变量可以包括基材在谐振腔内的位置、基材材料 类型、水分(基材内或大气中)和其他因素。这些变量可能导致处理移动基材时电场不稳 定，这种不稳定可能导致没有充分加热基材或者基材加热不均勻。这样进而可能导致无法 正确处理基材，诸如对板材热成型。
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处理移动基材可能要求对电场闭环控制。一致的电场导致均勻加热板材并且板材 上温度分布均勻。基材通过微波场传输时，电场的闭环控制可以克服基材中的任何细微甚 至明显的差异。例如可以通过监控谐振腔或导波件内的电场，或者监控位于谐振腔内侧或 外侧的感兴趣的材料的温度，来测量谐振状态。闭环控制可以通过控制可调节的活塞、微波 发生器的电力输入、移相器的设置、虹膜板直径、板材的温度或介电特性以及其他参数中的 一个或多个来实现。在一种实施方式中，利用活塞位置对电场进行闭环控制例如可以利用电场二极管 传感器、可编程逻辑控制(PLC)和活塞促动器硬件来实现。可编程软件也可以用来优化控 制器的响应。活塞运动可以借助任何装置诸如液压件、气压件或者让活塞发生线性位移的 其他已知方法包括电气移动法或磁性移动法来实现。通过包含针对微波场强度的控制，可以对聚合板材加热进行进一步的控制。例如， 可变电源可以可操作地耦接到微波发生器。PLC和相关软件可以用来根据例如离开微波加 热装置的板材的温度来控制微波发生器的电力输入。现在参照图4，还可以用能通过活塞顶部“颤动，，来搜索谐振的新型活塞来实现闭 环控制。活塞80的位置可以调节，如上所述。如图4所示，活塞可以经由杆82和气缸84 来调节。从电磁方面说，活塞将用作上述的实心金属活塞。活塞80可以包括壳体86、线圈 88、活塞顶部90。线圈88可以用来振荡活塞顶部90。在一些实施方式中，线圈88可以将 活塞顶部90位移Imm以下的距离。允许活塞顶部足够快速的振荡，可以使得活塞位置相对于谐振位置超程或欠程。 这意味着谐振位置类似于活塞顶部的DC偏压(或平均位置)。因此，可以揭示偏差信息，以 允许PLC知道新的DC偏压处在当前DC偏压的哪个方向。可以允许活塞顶部90以适应性地更新的频率振荡。适应性控制可以为所述系统 带来好处，因为搜索速率(摆率和灵敏性)取决于材料介电常数和导磁率。此外，可以存在 可以适应性地识别的最小频率，以使达到新的DC偏压所需的摆率可以实现。换句话说，活 塞必须足够快地移动，以保持谐振状态，以便保持加热速率。用来实现微波系统控制的算法不做特殊要求。但是，在一些实施方式中，可以进行 特定的优化。例如，在嵌入式微控制器存储器(ROM和RAM)上，执行速度优化可能要求并非 普遍知道的特定算法特征。活塞顶部90的振荡频率应该与所测量的控制信号变化速度成比例。常用频率可 以介于IHz-IkHz之间，取决于材料通过施加器以及随后的变化电场运输的速度。但是，如 果运输速度较高且电场变化同样较高，则可以使用较高的振荡频率。控制系统应该足够快， 以针对变化的控制测量值足够快地获取数据和做出响应。在一些实施方式中，颤动活塞可 以以足够高的频率振荡，以便聚合板材加热不受影响；振荡要足够快，以便DC偏移可以连 续调节；和足够慢以便可以测量电场。如上所述，用在文中公开的实施方式中的微波加热装置可以包括移动活塞来调节 谐振腔的长度。如上所述，对于给定的谐振腔长度和微波辐射频率，可以在谐振腔内形成驻 波。这种驻波可以允许在谐振腔中建立非常高的电场强度。由移动活塞提供的谐振腔的可 变长度(沿着驻波方向)可以允许细微调谐谐振腔。细微调谐谐振腔的能力可以允许对尺 寸和介电特性不同的材料进行微波加热。此外，移动活塞的位置可以用来减少从谐振腔6
10通过谐振腔入口和开口泄漏的微波能量或使其最少。微波扼流圈(未示出)也可以用来防 止微波能量通过谐振腔入口和出口泄漏。如上所述，微波加热装置可以进行调谐，以产生驻波，减少泄漏，使得反射能量的 不利影响最小，并让待加热材料的谐振频率匹配微波加热装置。调谐也可以包括移相器、调 谐设备、相对于微波发生器改变虹膜板的位置、改变谐振腔长度和改变待加热材料在谐振 腔中的位置。谐振腔内产生的电(电磁)场可以穿过正在加热的材料形成均勻的加热带。通过 入口和出口(馈送槽)移动材料(诸如板材)，材料可以经过谐振腔，并在暴露于微波场的 时候被加热。通过谐振腔移动的材料的加热速率可以变化，诸如通过改变材料经过谐振腔 的速度或者通过改变谐振腔内的电场强度，诸如通过调节移动活塞的位置或微波发生器的 电力输入来改变。在其他一些实施方式中，文中公开的微波装置可以包括常用于微波系统并且本领 域技术人员知道的其他部件。例如，文中公开的微波系统可以包括定向耦合器、放大器、衰 减器、变压器、传输线路、天线、连接件、耦合器、分波器、振荡器和微波阻抗调谐器等等。文中公开的微波加热装置可以用来通过让具有可微波加热区域的热塑性材料通 过谐振腔来加热所述材料。通过微波发生器导送到谐振腔的微波能量可以加热可微波加热 的区域，允许对热塑性材料进行处理，如上所述。文中公开的微波加热装置能迅速均勻地加 热聚合物，并且可以适配微波敏感聚合物的性质(受体型、受体浓度、基体型，等)以及进行 处理的材料形式(厚度、形状等)。例如，在各种实施方式中，文中公开的微波加热装置可以 包括可变电源，所述角部可以提供均勻的能量密度分布；而各种调谐设备可以允许细微调 谐发射的微波波长。采用这种方式，微波加热装置可以定制成有效加热特定的基材。还可以提供分析测量设备(未示出)，以监控或改善微波加热装置的性能。安装 在角部内、谐振腔内侧或外侧或者任何其他适当位置的热成像设备，诸如红外测温仪、温度 传感器、热电偶等，可以监控正在处理的材料的温度，并且可以提供所述材料的实时温度读 数。通常在被加热的材料成型之前，这些热成像设备可以用来监控处理过程中的温度演进。 例如，红外测温仪可以放置在角部内，俯视腔内正在加热的材料。红外测温仪可以监控实时 样本表面温度。来自红外测温仪的数据可以馈送到控制器，控制器进而可以改变正在加热 的材料的传输速度、微波电力输入以及其他过程变量，以实现期望的加热程度。以这种方式 控制加热可以允许在正在加热的材料上形成最终的温度分布，沿着轴向和垂直于轴线(穿 过板材宽度和厚度)。用于所用微波发射器的选定的标称功率可以取决于正在加热的聚合物样本的尺 寸或厚度。标称功率还可以根据变量诸如发生在加热阶段上游或下游的操作的循环时间来 选择。在特定实施方式中，可以采用可变电源，提供处理的灵活性，诸如能改变部件尺寸或 成分(微波接收性添加剂的数量和类型)。在一些实施方式中，微波发射器具有介于100W到IOOOkW之间的恒定标称功率或 可变标称功率。在另一些实施方式中，标称功率的范围从500W到500kW ；在另一些实施方式 中，从IkW到100kW，在另一些实施方式中，从5kW到75kW ；在另一些实施方式中，从IOkW到 50kW。在特定实施方式中，标称功率的范围从15kW到40kW，而在另一些实施方式中从20kW 到30kW。在另一些实施方式中，标称功率的范围从10、20、50、100、500、1000或5000W的下
11限到5、10、15、20、25或30MW的上限。另一些实施方式可以包含一个或多个发射器来加热板材样本，其中所用发射器的 数量可以根据发射器尺寸、板材尺寸、期望加热速率和其他变量来确定。在一些实施方式 中，板材厚度范围可以从0. Olmm到IOcm ；在另一些实施方式中，从0. Imm到7. 5cm ；在另一 些实施方式中，从0. 25cm到5cm。在另一些实施方式中，文中公开的多个发射器阵列可以用 于厚板材应用，其中板材的厚度高达15cm ；在另一些实施方式中高达IOcm ；在另一些实施 方式中高达5cm ；在 另一些实施方式中高达2. 5cm。文中所述多发射器阵列还允许处理具有显著较大宽度的板材。例如，文中公开的 实施方式可以处理宽度为10英尺以上的板材；在另一些实施方式中为8英尺以上；在另一 些实施方式中为6英尺以上；在另一些实施方式中为4英尺以上；而在另一些实施方式中 为2英尺以上。可以在多个发射器阵列中处理的板材的宽高比范围在一些实施方式中可以从1 至IJ 5000，其中宽高比定义为平均宽度除以平均厚度。在另一些实施方式中，宽高比范围可以 从10到2500 ；在另一些实施方式中，从50到1000 ；在另一些实施方式中，从100到500。对于上述板材厚度、宽度和宽高比而言，板材长度可以是任何期望长度。板材长度 可以取决于下游过程是否配置成处理连续板材，诸如形成辊子，例如，或者配置成处理有限 长度的板材。因此，板材长度可以从几个厘米到无限长度。无论板材宽度、长度或厚度如何，文中公开的多个发射器阵列在一些实施方式中 可以用于有选择地加热选定的板材区域，并且在另一些实施方式中，可以用于迅速均勻地 加热板材。如文中所用，迅速加热可以指的是在一些实施方式中，以至少5°C每秒的速率 加热板材至少一部分；在另一些实施方式中，速率为至少10°C每秒；在另一些实施方式中， 至少为20°C每秒；在另一些实施方式中，至少为30°C每秒，而在另一些实施方式中，至少为 50°C每秒。如文中所用，均勻加热可以指代加热板材或者板材的选定部分，其中被加热部 分的最大温度差异在一些实施方式中为10°C以下；在另一些实施方式中位7. 5°C以下；在 另一些实施方式中位5°C以下；在另一些实施方式中位4°C以下，而在另一些实施方式中为 3°C以下。通过与传统红外加热相比对，由文中公开的微波加热装置的各种实施方式产生的 加热速率和温度差异在循环时间方面提供优势，减少因过度加热而带来的有害影响，以及 用来改善处理过程。以上所述微波加热装置可以用来加热各种聚合材料，包括微波接收型聚合物和包 括聚合材料与微波接收型添加剂的复合物。应用如上所述，文中公开的微波加热装置可以用来加热聚合物用于后续处理，诸如混 合、转移、塑形、模压、注射、成型、模制、挤压或其他额外处理。在一些实施方式中，文中公开 的微波加热装置可以用在厚板材热成型处理中，诸如用来形成制冷器衬板，例如。在另一些 实施方式中，文中公开的微波加热装置可以用于加热、粘合或处理无尘(air laid)粘结纤 维，例如。在另一些实施方式中，文中公开的微波加热装置可以用于吹气模制过程，诸如用 于形成吹制瓶，例如。在另一些实施方式中，文中公开的微波加热装置可以用于接受处理的聚合物并不 完全熔化的应用场合。例如，所述微波加热装置可以用于有选择地加热经过该装置的聚合物的选定部分，从而将热能仅集中于需要通过诸如成型、模制或模压过程进一步处理的部 分。这样可以改善处理过程中处理的材料的结构完整性，可以减少循环时间，并且可以减少 将所述材料处理成期望形状所需的能量。在另一些实施方式中，文中公开的微波加热装置可以用于处理浮雕板材，包括浮 雕板材热成型。在传统红外热成型中，热量输入必须通过板材的表面，并且通常会减少对浮 雕结构或表面细节的保留。除了减少加热循环之外，如上所述，由于减小了输入板材的能源 足迹，所以微波加热装置可以允许在处理过程中增加保留浮雕结构。在另一些实施方式中，有选择的加热可以允许使用以非敏感层散布的微波敏感聚 合物层。分层聚合物可以用于优化温度分布；在聚合物处理过程中使用脉冲式微波能量； 有选择地放置微波发射器，用于加热部件的具体区域；和可以借助一个或多个热塑性部件 或层的微波敏感性来优选加热或有选择地加热的其他表现形式。示例 示例 1微波加热装置，类似于图2中所示，包括Industrial Microwave Systems制造的 GU 300 SMPS 3kW 微波发生器单元，与标称 2. 425-2. 475Ghz 的 Philips 2722 IGS 2004 循 环器组合。所述部件可操作地连接到用来加热聚合板材的谐振腔。传输系统也可操作地耦 接到谐振腔，从而将正在加热的样本从样本料仓通过微波施加器传输并传输到热成型阶段 进行处理。调谐谐振腔内的电场通过利用Lenzo伺服马达调节活塞位置进行控制，所述伺 服马达通过旋转来上下移动活塞。4mm厚、具有14% (重量)的Zeolite A的聚丙烯板材(均聚物)经过功率设置 为1200瓦特的微波加热装置并进行加热，并且作为时间的函数测量离开谐振腔的板材温 度。为了进行比较，利用静止样本对微波加热装置进行调谐，然后执行三次运行。然后在经 由控制系统控制可调节的活塞的位置的同时，执行两次运行。一次运行控制大约90秒，而 另一次控制130秒。带有控制和不带控制的移动样本的处理过程产生了样本温度的巨大差异，如图5 所示。不对谐振腔调谐的运行产生30°C样本温度差异，而控制活塞位置以实施谐振腔调谐 导致合理地恒定的样本温度，偏离设定点大约5°C。可以对调谐进行另外的改进，诸如改进 系统增益设置，用于随着时间比例、积分和/或微分测量距离设定点的偏差。如以上结果所示，系统漂移和材料几何结构变化以及成分变化可能让系统控制实 际上不可行。根据热量读数以及电场探头，通过引入连续调谐，在一些实施方式中与功率控 制相结合，可以在进行加热的聚合板材上实现恒定的温度分布。连续细微调谐可以借助任 何装置来实现，诸如伺服马达或者液压或气压活塞位移或者更为精密的可以基本上即时对 测量的电场做出反应的颤动设备。传输系统本身应该对于腔内介电状态产生最小的影响。理想传输系统不会进入腔 本身之内，而是通过外部装置诸如推或拉所述材料而将材料移入所述腔内。在这种情况下， 部件尺寸与谐振腔具有类似尺寸，可能需要支撑所述材料，以免坠落到谐振腔内。这可以通 过介电惰性材料来实现，这种材料在所用微波状态下不会加热；或者利用支撑(侧向或重 力支撑)系统，这种支撑系统规则地通过谐振腔馈送，以避免加热传输系统本身，或者通过 微波或者利用材料的传导性形成被加热材料。如果传输系统经过谐振腔，则调谐应该使得其通过相应调谐而适应传输系统引起的电场变化。文中公开的实施方式可以用于迅速的体积加热热塑性材料。实施方式还用于有选 择地加热热塑性结构的离散部件，诸如层压或共挤压多层结构中的个别层，例如。针对聚合 物处理，这种技术可以为设计者和处理者带来众多优势，包括有选择地迅速加热；减少加 热/冷却循环时间(高速)；能量效率高以及对环境的其他好处，诸如减少排放(因为是干 燥且无烟的处理)并提高回收可能性(通过允许更广泛地使用自增强的单一材料组分)； 保留自增强部件的性质(减少复原风险)；提高生产力；改善部件质量和强度；以及使得因 减少在热处理过程中的驻留时间而产生热退化最少，因此在聚合物配方中可以减少热稳定 添加剂。文中公开的实施方式可以提供微波加热单元，该单元提供均勻的能量密度和较高 电场强度。微波加热装置能建立非常强的电场，以便通过施加微波能量而迅速可控地加热 热吸收性非常弱的聚合物。此外，控制系统可以用来保持电场，同时处理移动基材，其中控 制系统将微波加热装置适配成补偿正在加热的材料中的成分、尺寸和其他差异。具有优势的是，文中公开的实施方式使得加热时间减少，减少总体制造循环时间， 因此降低单件成本。由于使用选择性加热、在进行处理的材料中引入“散热器”，所以文中公 开的实施方式还使得减少了冷却时间。此外，体积加热免于对“表面”或“接触”加热的需 求，因此消除了聚合物表面温度较高而可能带来的有害影响。体积加热还消除了板材厚度 上不希望的温度梯度。通过减少总体循环时间并减少系统能量需求，文中公开的实施方式还有利地改善 了生产率。文中公开的实施方式还允许定制为全部热塑性材料提供优化热成型条件的热量 分布，特别是允许对厚的热塑性聚烯烃板材进行热成型，否则这种材料具有不可接受的狭
窄处理窗口。虽然已经针对有限数量的实施方式描述了本发明，但是从本公开内容受益的本领 域技术人员应该理解，可以设计其他实施方式，所述其他实施方式并未脱离文中公开的本 发明的范围。特别是，本发明的实施方式还可以使用单一发射器而非多个发射器。因此，本 发明的范围应该仅由附带的权利要求书来限定。
1权利要求
一种处理热塑性材料的方法，所述方法包括让热塑性材料以选定的馈送速率通过微波加热装置；其中所述微波加热装置包括用于向谐振腔提供微波能量的微波发射器；所述谐振腔包括至少一个入口和至少一个出口，所述入口和出口集体形成用于所述热塑性材料通过所述诸振腔的通道；和配置成调节所述谐振腔长度的移动活塞；在所述谐振腔中，将所述热塑性材料暴露于微波，其中所述暴露过程导致所述热塑性材料至少一部分温度升高；测量由所述微波发射器产生的电场；和根据测量的电场调节所述移动活塞的位置；和处理所述热塑性材料。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括 测量所述热塑性材料的温度；和根据测量的温度调节所述移动活塞的位置、所述微波发生器的电力输入和所述热塑性 材料的馈送速率至少其中一项。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括利用可编程逻辑控制器实现根据所述测量 电场进行调节。
4.如权利要求2所述的方法，进一步包括利用可编程逻辑控制器实现根据所述测量 温度进行调节。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动活塞进一步包括颤动活塞，所述方 法进一步包括颤动所述颤动活塞。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波加热装置进一步包括可变电源，所 述可变电源可操作地耦接到所述微波发射器，所述方法进一步包括控制来自所述可变电源 的所述微波发射器的电力输入。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波加热装置进一步包括至少一个额 外的调谐设备，所述额外的调谐设备包括虹膜板、移相器、EH调谐器、双短线调谐器、四短 线调谐器、和调节谐振腔长度的移动活塞至少其中之一，并且所述方法进一步包括利用所 述至少一个额外的调谐设备调谐所述微波能量的频率。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括，冷却所述热塑性材料。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选定的馈送速率处于从1到75mm/sec 的范围内。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理包括板材挤压、共挤压、泡沫挤 压、注射模制、泡沫模制、吹气模制、注射拉拔吹气模制和热成型至少其中一种。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括，调节所述谐振腔内的所述热塑性材料的位置。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括，确定所述谐振腔内的电场最大值的位置。
13.如权利要求1所述的方法，进一步包括，根据所述测量电场和所述测量温度至少其 中之一来调节所述热塑性材料的成分。
14.一种用来加热热塑性材料的装置，其中所述热塑性材料具有微波敏感的聚合区域， 所述装置包括用于向谐振腔提供微波能量的微波发射器；所述谐振腔包括至少一个入口和至少一个出口，所述入口和出口集体形成用于热塑性 材料通过所述谐振腔的通道；配置成调节所述谐振腔长度的移动活塞；用来测量由所述微波发射器产生的电场的电场传感器；和根据从所述电场传感器接收的数据调节所述移动活塞的位置的控制系统。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述移动活塞包括颤动活塞。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述控制系统是闭环控制系统。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述控制系统是闭环控制系统，从而在加 热所述热塑性材料的同时，将每个腔的谐振频率实时调谐到所产生的微波能量的频率。
18.如权利要求14所述的装置，进一步包括，可操作地耦接到所述至少一个微波发射 器的可变电源。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述控制系统配置成调节所述微波发射 器的电力输入。
20.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述微波发射器包括从下述中选择的微 波发生器磁控管、速调管、旋管、行波管、微波发射器或者它们的组合。
21.如权利要求14所述的装置，进一步包括，从下述中选择的至少一个额外的调谐设 备虹膜板；EH调谐器和四短线调谐器。
22.如权利要求14所述的装置，进一步包括，电场探头、红外测温仪和热成像设备至少 其中之一。
23.如权利要求14所述的装置，进一步包括移相器。全文摘要
一种处理热塑性材料(46)的方法，所述方法包括让热塑性材料以选定的馈送速率通过微波加热装置(40)；其中所述微波加热装置包括用于向谐振腔(43)提供微波能量的微波发射器；所述谐振腔包括至少一个入口和至少一个出口，所述入口和出口集体形成用于热塑性材料通过所述谐振腔的通道(49)；和配置成调节所述谐振腔长度的移动活塞(48)；在所述谐振腔中，将所述热塑性材料暴露于微波，其中所述暴露过程导致所述热塑性材料至少一部分温度升高；测量由所述微波发射器产生的电场；和根据测量的电场调节所述移动活塞的位置；和处理所述热塑性材料。
文档编号B29B13/08GK101970197SQ200880125834
公开日2011年2月9日 申请日期2008年11月17日 优先权日2007年11月29日
发明者小罗伯特·P·黑利, 罗纳德·G·范戴尔, 雷·A·刘易斯 申请人:陶氏环球技术公司