CN111761767B - 一种用于保温板生产的微波固化设备及固化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于保温板生产的微波固化设备及固化工艺，该固化工艺采用微波固化设备实施；微波固化设备包括微波单元、传送带单元、出风系统和热风系统，微波单元具有腔体结构，传送带单元承载喷淋胶粘剂后的物料进入微波单元腔体，微波单元通过微波对胶粘剂实施加热固化；出风系统与微波单元连通，通过出风管道排出微波加热产生的蒸汽至热风系统，热风系统对蒸汽进行燃烧后，将燃烧后产生的热风回送至微波单元。本发明中设备和工艺解决了使用传统热源对低导热材料加热效率低下的问题，使用微波加热方式，大大提高了能源利用率，缩短了复合材料固化周期，使得大批量流水线生产成为可能。

Description

一种用于保温板生产的微波固化设备及固化工艺

技术领域

本发明属于保温板生产制造工艺领域，特别涉及一种用于保温板生产的微波固化设备及固化工艺。

背景技术

新型保温板的出现解决了市面上防火材料不保温，保温材料不防火的困境，同时具有绿色无毒等特点。随着新型保温板技术逐渐成熟稳定，市场需求愈发明显，批量化生产、供应新型保温板成为迫在眉睫的问题。

新型保温板复合材料属于新材料新技术，其核心特点是导热系数非常低。新型保温板复合材料生产过程中涉及固化工艺，然而，市面并无成套的批产化生产线设备和工艺可以参考。结合实验室研发探索，复合材料行业常见的固化工艺和设备，已不能满足低导热新型保温板的快速固化需求，如果采用常规加热炉或者烘房，会出现以下问题：

(i)由于保温板材料的导热系数非常低，热量由外向内传递非常慢，固化周期非常长；

(ii)由(i)带来的，由于热传递非常慢，因此材料内部出现温度梯度，造成保温板固化不均匀、容易出现分层且性能不稳定的情况；

(iii)由内部温度梯度造成产品翘曲，平面度不合格；

(iv)由(i)带来的，热量流失量大，造成能源损耗。

(v)由(i)带来的，固化周期长则生产效率低，无法满足大规模大批量生产。

因而，亟需研发一种新型固化设备及固化工艺以解决上述存在的至少一种问题。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种用于保温板生产的微波固化设备及固化工艺，通过微波激活胶粘剂极性分子提高分子活性与成分间结合力，通过对微波固化设备根据产品特性进行分区，解决了低导热材料固化不均匀、质量差的问题，提高了保温板的保温性能和力学性能(垂直板面抗拉强度)，缩短了固化时间，去掉了固化压力，降低了固化温度，减少了固化助剂的使用，提高了能源利用率，大大减少了能源消耗，降低了成本，从而完成本发明。

本发明提供了的技术方案如下：

第一方面，一种用于保温板生产的微波固化设备，该微波固化设备包括微波单元、传送带单元、出风系统和热风系统，微波单元具有腔体结构，传送带单元承载喷淋胶粘剂后的物料进入微波单元腔体，微波单元通过微波对胶粘剂实施加热固化；出风系统与微波单元连通，通过出风管道排出微波加热产生的蒸汽至热风系统，热风系统对蒸汽进行燃烧后，将燃烧后产生的热风回送至微波单元。

第二方面，一种用于保温板生产的固化工艺，该固化工艺采用上述第一方面所述的微波固化设备实施，该固化工艺包括：

步骤1，根据产能，确定微波固化设备各区功率大小、出风口流量分布及设置、热能补偿量、以及传送带速度；

步骤2，在微波固化设备启用阶段，各区微波随物料进程开启；当物料走过预热区后，打开出风系统，当物料走过固化区后，打开热风系统；其中，预热区中磁控管功率占总功率的2/5～3/5，固化区中磁控管功率占总功率的3/10～1/2，后处理区中磁控管功率占总功率的1/10；预热区中出风流量不低于总出风流量的3/5，固化区中出风量不低于总出风流量的3/20，后处理区无出风流量；

步骤3，物料出微波固化设备且微波固化设备建立热环境平衡后，依据功率分区进行磁控管关停调整，关闭预热区1/5～1/4功率，关闭后处理区全部功率。

根据本发明提供的一种用于保温板生产的微波固化设备及固化工艺，具有以下有益效果：

(1)本发明装置解决了使用传统热源对低导热材料加热，效率低下的问题，在保温板生产时，使用微波加热方式，通过穿透无机纤维直接作用在胶粘剂(水溶性热固性树脂)上，大大提高了能源利用率，降低了能耗，缩短了复合材料固化周期，去掉了固化压力，降低了固化温度，降低了成本，使得大批量、流水线生产成为可能，并已实现，解决了新型保温板批产化的问题；

(2)传统工艺下，保温板的制备过程中需要加入各种促进剂、固化剂以达到增加分子交联的作用。采用本发明中微波固化设备，在微波作用下，极性分子高速震荡，极大的激发了分子的活性，通过大量实验表明，使用该种设备和工艺方法制备的保温板，不光比传统方法性能提高且省去了燃烧致毒的各种助剂，达到国家标准无毒AQZ2级，本发明装置区别于传统固化装置，重新定义了复合材料固化流水线；

(3)本发明中微波固化设备的分区设置，解决了低导热材料固化不均匀、质量差的问题，以及微波固化后段材料易燃烧造成生产事故的问题；

(4)本发明中微波固化设备的热风系统的设置，实现了生产过程中污染物零排放；

(5)本发明中固化工艺，在设备内温度110℃左右完成，改变了以往加热条件需要达到200℃，针对某些树脂需要260℃甚至300℃的限制；

(6)本发明中固化工艺，在非接触条件下完成，改变了以往需要给材料加压固化的限制，去掉了各种有机可燃烧至毒的固化剂和其他助剂；

(7)本发明中微波固化设备和工艺制备的保温板产品在保证A级防火的基础上，安全性达到AQZ2级，具有高效保温隔热性能，产品结构规整，平面性能高的特点。

附图说明

图1示出本发明一种优选实施方式中微波固化设备结构示意图；

图2示出本发明一种优选实施方式中RTO焚烧炉结构示意图。

附图标号说明

101-磁控管、102-出风口、103-热风入口、104-压辊、201-传送带、202-齿轮、203-支撑辊、301-废气进口、302-废气管道、303-蓄热室、304-炉膛、305-排水管。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

针对现有技术中存在的保温板材料固化存在的问题，本发明人进行了大量研究，发现采用微波激活胶粘剂极性分子，提高分子活性与成分间结合力可以有效提高固化效率。然而，为了实现产业化，走访试验了多家微波厂家，多种微波设备，普遍能够解决材料低导热系数带来的固化周期长的问题，缩短了固化周期，但是出现了如下问题：

(i)材料氧化、起火；

(ii)材料不能固化；

(iii)由于研发的新型保温板材料采用无机纤维材料和水溶性热固性树脂胶粘剂(如水溶性酚醛树脂，其为热固性甲阶酚醛树脂)，固化后复合材料内部依旧有水被树脂包覆不能脱出，固化失败；

(iv)材料整体变形、翘曲；

(v)材料温度难以控制，出现胶粘剂分解产生难闻气味的情况。

为此，本发明人提供一种新型微波固化设备，以满足新型保温板实际生产的应用需求。该微波固化设备适用于采用热固性树脂作为胶粘剂的保温板，胶粘剂可以为水溶性热固性树脂胶粘剂(以水作溶剂的粘结剂，如水溶性酚醛树脂)，此外，微波固化设备采用微波激活胶粘剂的极性分子进行交联固化，极性分子高速震荡，极大的激发了分子的活性，因而无需再加入其他用于提高成分间结合力的偶联剂或固化剂即可得到力学性能稳定的保温板。

本发明中，该微波固化设备包括微波单元、传送带单元、出风系统和热风系统，微波单元具有腔体结构，传送带单元承载喷淋胶粘剂后的物料进入微波单元腔体，微波单元通过微波对胶粘剂实施加热固化，具体地，微波单元的加热元件为磁控管101，磁控管101安装在微波单元内腔顶部，对经过磁控管101下方的物料微波加热；出风系统与微波单元连通，通过出风管道排出微波加热产生的蒸汽至热风系统，热风系统对蒸汽进行燃烧后，将燃烧后产生的热风回送至微波单元。

如图1所示，微波单元划分为预热区、固化区和后处理区，其中，预热区中磁控管功率占总功率的2/5～3/5(优选为1/2)，固化区中磁控管功率占总功率的3/10～1/2(优选为2/5)，后处理区中磁控管功率占总功率的1/10；其中，预热区用于加热纤维材料和胶粘剂，起到烘干物料的作用；固化区中，包覆在纤维材料间的胶粘剂实现粘连、固化，纤维表面有粘度；后处理区中，进一步加热使胶粘剂固化度达到98％以上，增强保温材料的稳定性。针对产品特点进行功率分区，避免了平均分配功率的前提下，预热区温度升高缓慢导致类似温水煮纤维的效果，物料不能及时干燥，最终未完成固化，产品性能差；针对产品特点进行功率分区，还避免了平均分配功率的前提下，后处理区温度太高，酚醛树脂氧化、起火的危险。

微波单元中设置有多个出风口102，各出风口102连通出风系统的出风管道，用于排出微波加热产生的蒸汽。出风口的设置满足设备工作时预热区出风流量不低于总出风流量的3/5、固化区出风流量不低于总出风流量的3/20、后处理区无出风流量，但后处理区设置至少一个出风口，设备工作时后处理区的出风口完全关闭，无出风流量，但为了保证生产安全性，如发生物料燃烧等情况时及时散热，后处理区预留有出风口。进一步地，各区中出风口102大小相当，各区中出风口102均匀分布。出风口/出风流量的上述分布，避免了平均分配出风口/出风流量带来的预热区蒸汽无法快速排除，凝聚在设备腔体顶棚，滴落到材料表面，造成表面“花斑”；避免了固化区热气的浪费，提高了能源利用率；避免了后处理区使用热风系统时热风进气的浪费，提高了能源利用率。

本发明人在生产中发现，微波的使用存在使保温板整体变形、翘曲的现象，进而确定，在微波单元中安装至少一个压辊104，压辊104向传送带单元上承载的物料施加压力，通过压辊的压制可以保证最终产品的平整度，避免高温固化时物料变形导致最终成形的保温板表面凹凸不平。

进一步地，压辊104安装在预热区末段和/或固化区初始段。压辊的安装位置对产品材料的定形极为相关，接触式压力施加在预热区末段和/或固化区初始段。

在本发明中，传送带单元包括传送带201，传送带201通过位于微波单元两端的齿轮202带动，传送带201底部加工有凹槽，凹槽与齿轮202上的齿相配合。

进一步地，齿轮202通过伺服电机驱动，伺服电机通过监控来料速度驱动齿轮202转动，使传送带201速度与来料速度相同。

进一步地，传送带201下部间隔安装有支撑辊203，支撑辊203与传送带201背面接触，使传送带201整体位于要求的高度。该支撑辊203为被动辊，在传送带的带动下被动转动，因而不会对传送带速度产生干扰。

在本发明中，热风系统包括RTO(Regenerative Thermal Oxidizer)焚烧炉和热风补偿管路，微波单元排出的蒸汽携带胶粘剂中的有机物进入焚烧炉燃烧，焚烧炉燃烧产生的热风经后处理区上的热风入口103由后处理区进入微波单元，实现热补偿。在固化区，胶粘剂基本实现固化，为持续固化，提高产品稳定性，后处理区需要的微波功率必须增大，但作用时间需要非常短，这就造成微波加热极难控制，温度瞬升几百度，易发生物料和设备烧毁，造成生产事故。因而，经过研究开发，确定在后处理区不再使用大功率微波，初始采用热风系统与微波结合的方式，温度稳定后仅采用热风系统实施胶粘剂的进一步固化。热风系统/热补偿功能，在实现本发明微波固化设备零污染的同时，回收利用燃烧热风回到微波单元后端，保证了工序精准控制和生产安全。热风系统的补偿流量与产能及总功率有关，不小于固化区出风流量。

本发明人在生产中发现，采用现有RTO焚烧炉不能完全满足持续稳定热风补偿需求，原因在于由微波单元排出的蒸气携带大量的水汽，蒸气由废气进口301进入RTO焚烧炉后水汽凝结，淤积在废气管道302中无法及时有效排出，水淤积严重后堵塞废气管道302，无法使后续蒸气进入蓄热室303换热，进而无法进入炉膛304燃烧产生烟气供给至微波单元，只能设备停摆排水后再启动生产，造成流水线生产不连贯，降低生产效率。为此，本发明人对现有设备进行改造，在废气进口301端的废气管道302上增加自排水装置。该自排水装置包括S形排水管305，排水管305一端连通废气管道302，废气管道302中聚积的水进入排水管305，由排水管另一端开口排出，如图2所示。由于排水管的S形设计以及管道中留存水的水封作用，进入焚烧炉的蒸汽除凝结的水外不会由焚烧炉溢出。

在本发明中，微波固化设备还包括湿度监控系统和温度监控系统，湿度监控系统包括分布于微波单元各区内的湿度传感器，温度监控系统包括分布于微波单元各区内的温度传感器，温度传感器和湿度传感器分别监测微波单元各区内的温度和湿度，通过信息反馈，使操作人员掌握固化工序过程中设备内部情况，并可做出相应的调整，当微波单元内温湿度不再变化，说明设备已经建立特定的温湿度平衡态，后续物料进入微波单元无需再进行微波固化参数的调整，能够达到温湿度平衡态是批产化合格产品的基础。

在本发明中，在采用上述微波固化设备实施固化工序时，可以采用以下步骤：

步骤1，根据产能，确定微波固化设备各区功率大小、出风口流量分布及设置、热能补偿量、以及传送带速度；

微波固化设备内腔宽度尺寸与产能关系为：产能＝微波固化设备传送带速度×微波固化设备许用有效宽度×时间×合格率(考虑单台设备处理能力时，可以暂时考虑合格率为100％)式1；

各区微波功率×各区微波工作时间＝复合材料总水量重蒸发能-复合材料总树脂聚合能+出风口热量-热气补偿能+微波固化设备腔体热量损失式2。

式2中，等式左右两边均为时间函数，除去微波设备腔体热量损失可近似为时间常量(平衡态下，内部恒定温度场与外部常温温度场的热交换为常量)，通过建模分析，可得到各区功率大小、出风口流量分布及设置、热能补偿量、和传送带速度；

步骤2，在微波固化设备启用阶段，各区微波随物料进程开启；当物料走过预热区后，打开出风系统，当物料走过固化区后，打开热风系统；其中，预热区中磁控管101功率占总功率的2/5～3/5(优选为1/2)，固化区中磁控管101功率占总功率的3/10～1/2(优选为2/5)，后处理区中磁控管101功率占总功率的1/10；预热区中出风流量不低于总出风流量的3/5，固化区中出风量不低于总出风流量的3/20，后处理区无出风流量；

步骤3，物料出微波固化设备且微波固化设备建立热环境平衡后，依据功率分区进行磁控管关停调整，如关闭预热区1/5～1/4功率，关闭后处理区全部功率。采用水溶性胶粘剂时，建立热环境平衡后，固化区在110℃±5℃正常持续运行。

实现热平衡后，监督设备各工作单元工作状态，而无需再对各区功率进行调节，固化工序即可稳定进行。

实施例

本发明中实施例原料来源为：无碱玻璃纤维购自泰山玻纤，型号短切电子砂；中碱玻璃纤维购自泰山玻纤，型号直接缠绕砂；水溶性酚醛树脂购自泰尔化工，型号P725271M。

实施例1

一种新型保温板的固化工艺，其中，保温板通过玻璃纤维和水溶性酚醛树脂制备得到：玻璃纤维备料，无碱玻璃纤维3000kg，中碱玻璃纤维9000kg，丝径均为10μm，长度75mm。水溶性酚醛树脂备料2000kg，25℃的粘度为13cp，固含量为49wt％，pH10.0。

玻璃纤维经过自动上料机(每小时上料75kg无碱玻璃纤维和225kg中碱玻璃纤维)、开包机、开松机、梳理机、铺网机、针刺机、传送机到达喷淋机(喷淋水溶性树脂量61kg/h)、微波固化设备，1小时候后制备得到宽度2m，长度30m的新型防火保温板，容重208kg/m³，面密度5.2kg/m²，厚度25mm，A1级不燃，AQ2级无毒材料，导热系数为0.0314W/(m·K)，垂直板面抗拉强度356KPa。

表1性能数据

其中，微波固化设备箱体40×2.4×1.6m，内腔许用有效宽度为2.1m；设备总功率440kW，预热区220kW，固化区176kW，后处理区44kW；在微波固化设备启用，各区微波随物料进程开启；传送带速度为0.5m/min，当物料走过预热区后，打开出风系统，出风流量总数为5000m³/h，预热区出风流量为3500m³/h，固化区出风流量为1500m³/h；当物料走过固化区后，打开热风系统，热气200～220℃，热气流量为1200m³/h；物料头料出设备后，关闭预热区1/4功率，关闭后处理区全部功率，炉内建立反应平衡的相对稳态。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (13)

1.一种用于保温板生产的微波固化设备，其特征在于，该微波固化设备包括微波单元、传送带单元、出风系统和热风系统，微波单元具有腔体结构，传送带单元承载喷淋胶粘剂后的物料进入微波单元腔体，微波单元通过微波对胶粘剂实施加热固化；出风系统与微波单元连通，通过出风管道排出微波加热产生的蒸汽至热风系统，热风系统对蒸汽进行燃烧后，将燃烧后产生的热风回送至微波单元；

微波单元的内腔顶部安装有磁控管(101)，对经过磁控管(101)下方的物料微波加热；

微波单元分为预热区、固化区和后处理区，其中，预热区中磁控管功率占总功率的2/5～3/5，实施物料烘干，固化区中磁控管功率占总功率的3/10～1/2，实施胶粘剂的加热固化，后处理区中磁控管功率占总功率的1/10，继续实施加热固化。

2.根据权利要求1所述的微波固化设备，其特征在于，微波单元中设置有多个出风口(102)，各出风口(102)连通出风系统的出风管道，出风口的设置满足设备工作时预热区出风流量不低于总出风流量的3/5、固化区出风流量不低于总出风流量的3/20，后处理区无出风流量，但后处理区设置至少一个出风口。

3.根据权利要求1所述的微波固化设备，其特征在于，在微波单元中安装至少一个压辊(104)，压辊(104)向传送带单元上承载的物料施加压力。

4.根据权利要求3所述的微波固化设备，其特征在于，压辊(104)安装在预热区末段和/或固化区初始段。

5.根据权利要求1所述的微波固化设备，其特征在于，传送带单元包括传送带(201)，传送带(201)通过位于微波单元两端的齿轮(202)带动，传送带(201)底部加工有凹槽，凹槽与齿轮(202)上的齿相配合。

6.根据权利要求5所述的微波固化设备，其特征在于，齿轮(202)通过伺服电机驱动，伺服电机通过监控来料速度驱动齿轮(202)转动，使传送带(201)速度与来料速度相同。

7.根据权利要求1所述的微波固化设备，其特征在于，传送带(201)下部间隔安装有支撑辊(203)，支撑辊(203)与传送带(201)背面接触，使传送带(201)整体位于要求的高度。

8.根据权利要求1所述的微波固化设备，其特征在于，热风系统包括RTO焚烧炉和热风补偿管路，微波单元排出的蒸汽携带有机物进入焚烧炉燃烧，焚烧炉燃烧产生的热风经后处理区进入微波单元。

9.根据权利要求8所述的微波固化设备，其特征在于，RTO焚烧炉包括废气进口(301)和废气管道(302)，微波单元排出的蒸汽携带有机物由废气进口(301)进入废气管道(302)，在废气进口(301)端的废气管道(302)上增加自排水装置。

10.根据权利要求9所述的微波固化设备，其特征在于，该自排水装置包括S形排水管(305)，排水管(305)一端连通废气管道(302)，废气管道(302)中聚积的水进入排水管(305)，由排水管另一端开口排出。

11.根据权利要求1所述的微波固化设备，其特征在于，微波固化设备还包括湿度监控系统和温度监控系统，湿度监控系统包括分布于微波单元各区内的湿度传感器，温度监控系统包括分布于微波单元各区内的温度传感器，温度传感器和湿度传感器分别监测微波单元各区内的温度和湿度。

12.一种用于保温板生产的固化工艺，该固化工艺采用权利要求1至11之一所述的微波固化设备实施，该固化工艺包括：

步骤1，根据产能，确定微波固化设备各区功率大小、出风口流量分布及设置、热能补偿量、以及传送带速度；

步骤2，在微波固化设备启用阶段，各区微波随物料进程开启；当物料走过预热区后，打开出风系统，当物料走过固化区后，打开热风系统；其中，预热区中磁控管功率占总功率的2/5～3/5，固化区中磁控管功率占总功率的3/10～1/2，后处理区中磁控管功率占总功率的1/10；预热区中出风流量不低于总出风流量的3/5，固化区中出风量不低于总出风流量的3/20，后处理区无出风流量；

步骤3，物料出微波固化设备且微波固化设备建立热环境平衡后，依据功率分区进行磁控管关停调整，关闭预热区1/5～1/4功率，关闭后处理区全部功率。

13.根据权利要求12所述的固化工艺，其特征在于，该固化工艺制备的保温板采用无机纤维和水溶性热固性树脂为原料。

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