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機械工業雜誌
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摘要
傳統實心輪胎因厚度較大,硫化製程多採用電熱或蒸汽加熱,熱量需由外向內傳導,易產生「外熱內冷」現象,造成硫化不均、製程時間延長及能耗偏高。本研究採用最佳化微波腔體模擬設計技術與低碳微波預熱技術,利用微波的體積加熱特性直接作用於橡膠分子偶極,將電磁能轉換為熱能,使天然合成橡膠(NBR)輪胎材料由內而外同步升溫,有效避免橡膠材料受熱不均之現象,可使整體橡膠硫化製程時間縮短約40~50%,同時維持橡膠交聯均勻性、硬度與耐磨耗性能,並顯著降低單位產品能耗。微波加熱技術突破厚件製品熱傳限制,兼顧效率提升與節能減碳需求,具備高度產業應用潛力。
Abstract
Traditional solid tires are typically vulcanized using electric or steam heating, where heat transfers from the outside inward, often causing uneven heating, longer processing times, and high energy consumption.
This study applies optimized microwave cavity design and low-carbon microwave preheating. Microwave volumetric heating directly converts electromagnetic energy into heat within rubber dipole molecules, enabling uniform inside-out heating of NBR tire materials. As a result, vulcanization time is reduced by about 40~ 50%, while maintaining uniform crosslinking, hardness, and wear resistance, and significantly lowering energy consumption. Microwave heating overcomes heat transfer limitations in thick products and offers strong potential for efficient, low-carbon industrial applications. Microwave heating technology overcomes the heat transfer limitations of thick rubber products, achieving both improved efficiency and reduced carbon emissions, demonstrating strong potential for industrial applications.
前言
工業應用中的微波技術常見於食品之乾燥製程 [1],提升乾燥製程效率;橡膠與高分子材料的硫化 / 固化製程 [2],使用頻率為 2.45 GHz 的微波能量和矩形波導對天然橡膠(NR) 進行預硫化的新方法,微波能量可使材料在低於實際硫化溫度的條件下,產生部分交聯;複合材料與橡膠廢裂解製程 [3][4],針對難以回收的巨型熱固性複合材料(如風力發電機葉片、廢輪胎),文獻中開發了微波熱分解(Microwave-based recovery) 技術,以永續、低碳的方式將高分子基體裂解,成功回收並保留了高價值的玻璃纖維,能使微波能量能精準打斷橡膠的 S-C 與 S-S 交聯鍵,使廢舊玻璃纖維與橡膠得以回收再利用。
本研究將針對厚件橡膠產品完成一套高效率的橡膠微波製程技術,依序完成材料物性分析、微波腔體設計模擬、橡膠微波固化溫度均勻性、橡膠輪胎物性檢測等評估測試。也因傳統實心輪胎因厚度較大,固化過程多採用電熱或蒸汽加熱,加熱方式需由外向內傳導熱量,常出現「外熱內冷」的不均勻現象,導致硫化均勻性不足、製程效率偏低。
橡膠微波技術原理
材料的微波加熱吸收能力可由其複數介電常數描述,其中介電常數實部(ε’) 表示材料電能儲存能力,虛部(ε’’) 代表能量損耗轉成熱能能力,而損耗角正切(tanδ),如式(1),tanδ常用來評估材料對微波的吸收效率,且一般來說 tanδ> 0.1,則表示材料非常容易吸收微波,加熱效率高;反之,tanδ < 0.01,材料不吸收微波,難以被加熱。
DOI:10.30256/JIM.202606_(519).0010
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2026年06月號
(單篇費用:參考材化所定價)