DE102020125375A1 - Method of heating objects with microwaves - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Erzeugen eines zumindest teilvernetzten Polymerprodukts (12; 60) oder Polymer-Verbundprodukts durch Energieeintrag in ein harzhaltiges Ausgangsmaterial, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energie ganz oder teilweise mittels Mikrowellen (34) übertragen wird; zumindest ein Teil der mittels Mikrowellen (34) übertragenen Energie über einen Suszeptor (32; 33, 35, 37; 52, 54, 56, 58) auf das Material (12; 60) übertragen wird, und der Suszeptor (32; 33, 35, 37; 52, 54, 56, 58) außerhalb des Produkts angeordnet ist.A method for producing an at least partially crosslinked polymer product (12; 60) or polymer composite product by introducing energy into a resinous starting material is characterized in that the energy is transmitted entirely or partially by means of microwaves (34); at least part of the energy transmitted by means of microwaves (34) is transmitted to the material (12; 60) via a susceptor (32; 33, 35, 37; 52, 54, 56, 58), and the susceptor (32; 33, 35, 37; 52, 54, 56, 58) is located outside the product.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines zumindest teilvernetzten Polymerprodukts oder Polymer-Verbundprodukts durch Energieeintrag in ein harzhaltiges Ausgangsmaterial.The invention relates to a method for producing an at least partially crosslinked polymer product or polymer composite product by introducing energy into a resinous starting material.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zum Erzeugen eines zumindest teilvernetzten Polymerprodukts durch Energieeintrag in ein harzhaltiges Ausgangsmaterial und einen Nachrüst-Bausatz zum Nachrüsten eines Mikrowellengenerators mit einem Suszeptor.The invention also relates to an arrangement for producing an at least partially crosslinked polymer product by introducing energy into a resinous starting material and a retrofit kit for retrofitting a microwave generator with a susceptor.
Ein Beispiel für ein Polymerprodukt sind Prepregs. Prepregs (von preimpregnated fibers) sind Halbzeuge faserverstärkter Kunststoffe, in denen eine Harzmatrix durch die Zufuhr von Wärme leicht vorvernetzt ist und die daher bis zu ihrer endgültigen Verarbeitung lagerstabil sind. Um diesen Prepreg-Zustand einzustellen, müssen harzgetränkte Glasfasergelege für einige Minuten bei Temperaturen zwischen typischerweise 100°C und 200°C getempert werden. Wichtig ist es dabei, dass weder zuviel, noch zuwenig Energie für die Vernetzung eingetragen wird. Zuviel Energie führt zu einer vollständigen Vernetzung, welche eine Weiterverarbeitung verhindert. Bei Zufuhr von zu wenig Energie ist das Prepreg nicht lagerfähig.An example of a polymer product is prepregs. Prepregs (from preimpregnated fibers) are semi-finished products made of fiber-reinforced plastics in which a resin matrix is slightly pre-crosslinked by the addition of heat and which are therefore storage-stable until their final processing. In order to achieve this prepreg condition, resin-impregnated glass fiber fabrics must be annealed for a few minutes at temperatures typically between 100°C and 200°C. It is important that neither too much nor too little energy is used for networking. Too much energy leads to complete cross-linking, which prevents further processing. If too little energy is supplied, the prepreg cannot be stored.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem „Handbuch Faserverbundkunststoffe/Composites - Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen“, Springer Vieweg, 4. Auflage, 2013; „Faserverbundwerkstoffe - Prepregs und ihre Verarbeitung“, Carl Hanser Verlag, 1./2. Auflage 2014/2020 ist bekannt, die Einstellung des Prepreg-Zustandes in Öfen oder über Wärmebäder auf der Basis von Thermalölen vorzunehmen. Dabei müssen beträchtliche Mengen Öl über die Zieltemperatur hinaus erhitzt werden. Das Verfahren erfordert viel Energie. Die Erwärmung des Öls ist langsam. Die Einstellung auf eine ausgewählte Temperatur ist entsprechend ungenau und träge.From the "Handbook Fiber Reinforced Plastics/Composites - Basics, Processing, Applications", Springer Vieweg, 4th edition, 2013; "Fiber composite materials - prepregs and their processing", Carl Hanser Verlag, 1./2. Edition 2014/2020 it is known to adjust the prepreg state in ovens or in heat baths based on thermal oils. Considerable quantities of oil have to be heated above the target temperature. The process requires a lot of energy. The heating of the oil is slow. Adjusting to a selected temperature is correspondingly imprecise and sluggish.
Aus der
D. Teufl, S. Zaremba Materials 11, 838, 2018 offenbart die Bestrahlung von glasfaserverstärkten Kunststoffen mittels Mikrowellen. Bei dem Verfahren wird ein Vakuumsack-Aufbau verwendet. Das ist aufwändig und für die Serienfertigung ungeeignet. Ziel des bekannten Verfahrens ist die vollständige Aushärtung eines einzelnen Bauteils. Eine Einstellung der Dosis des Energieeintrags ist nicht offenbart.D. Teufl, S. Zaremba Materials 11, 838, 2018 discloses the irradiation of glass fiber reinforced plastics using microwaves. The method uses a vacuum bag assembly. This is complex and unsuitable for series production. The aim of the known method is the complete curing of an individual component. An adjustment of the dose of the energy input is not disclosed.
Die in der Praxis bei Mikrowellen vorhandenen Inhomogenitäten der elektrischen Feldstärke und der Materialeigenschaften, etwa der dielektrischen Permittivität und Leitfähigkeit, verursachen häufig eine inhomogene Erwärmung. Das ist unerwünscht. Der Effekt tritt besonders bei Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Kunststoffen auf.The inhomogeneities in the electric field strength and the material properties, such as the dielectric permittivity and conductivity, which occur in practice with microwaves, often cause inhomogeneous heating. This is undesirable. The effect occurs particularly in materials with low thermal conductivity such as plastics.
Aus der Veröffentlichung von M. Bhattacharya, T. Basak Energy 97, 306, 2016 sind Suszeptoren bekannt. Suszeptoren absorbieren Mikrowellenenergie und heizen sich auf. Die aufgenommene Energie wird durch Konvektion und/oder IR-Strahlung wieder abgegeben. Es sind zwei Arten von Suszeptoren zu unterscheiden: partikuläre oder granuläre Suszeptoren werden in das zu erwärmende Material eingebracht. Makroskopische Suszeptoren befinden sich im Strahlungsfeld der Mikrowellen außerhalb des zu erwärmenden Materials. Die Druckschrift offenbart im Abschnitt „Polymere“ Materialien mit partikulären Suszeptoren in Klebstoffen, mit denen Polymer-Bauteile verbunden werden. Nachteilig an partikulären Suszeptoren ist es, dass diese das Material, dessen Aussehen und seine Eigenschaften verändern. Außerdem bilden partikuläre Suszeptoren ein Verbrauchsmaterial, das mit Kosten und Aufwand verbunden ist. In der Praxis hat sich gezeigt, dass partikuläre Suszeptoren nur mit Aufwand gleichmäßig in dem Polymer verteilbar sind. Auch hier erfolgt eine vollständige Vernetzung.Susceptors are known from the publication by M. Bhattacharya, T. Basak Energy 97, 306, 2016. Susceptors absorb microwave energy and heat up. The absorbed energy is given off again by convection and/or IR radiation. There are two types of susceptors: Particulate or granular susceptors are introduced into the material to be heated. Macroscopic susceptors are located in the microwave radiation field outside of the material to be heated. In the “Polymers” section, the publication discloses materials with particulate susceptors in adhesives, with which polymer components are connected. A disadvantage of particulate susceptors is that they change the material, its appearance and its properties. In addition, particulate susceptors are a consumable that involves cost and effort. In practice it has been shown that particulate susceptors can only be distributed uniformly in the polymer with a great deal of effort. Here, too, there is complete networking.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen eines zumindest teilvernetzten Polymerprodukts oder Polymer-Verbundprodukts durch Energieeintrag in ein harzhaltiges Ausgangsmaterial der eingangs genannten Art mit geringerem Energiebedarf und schnelleren Reaktionszeiten zu schaffen.The object of the invention is to create a method for producing an at least partially crosslinked polymer product or polymer composite product by introducing energy into a resinous starting material of the type mentioned at the outset, with lower energy requirements and faster reaction times.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem genannten Verfahren dadurch gelöst, dass
- (a) die Energie ganz oder teilweise mittels Mikrowellen übertragen wird;
- (b) zumindest ein Teil der mittels Mikrowellen übertragenen Energie über einen Suszeptor auf das Material übertragen wird, und
- (c) der Suszeptor außerhalb des Produkts angeordnet ist.
- (a) the energy is transmitted in whole or in part by means of microwaves;
- (b) at least a portion of the microwave energy is transferred to the material via a susceptor, and
- (c) the susceptor is located outside the product.
Die Verwendung von Suszeptoren ermöglicht auch den Einsatz von Mikrowellen mit mikrowellentransparenten Polymeren und deren Verbundstoffen. Der Energiebedarf sinkt gegenüber der bekannten Heizung mittels Öl-basiertem Wärmebad. Es wird eine homogene, genauere und schnellere Einstellung der Temperatur ermöglicht. Anders als bei bekannten Suszeptoren, die für Polymere verwendet werden, wird das zu erwärmende Material bei diesem Verfahren nicht verändert, denn die Suszeptoren sind außerhalb des Produkts angeordnet. Dadurch wird es möglich, das Produkt selber und nicht etwa nur Fügematerialien mit Mikrowellen zu behandeln.The use of susceptors also allows the use of microwaves with microwave transparent polymers and their composites. The energy requirement decreases compared to the well-known heating by means of an oil-based heat bath. A homogeneous, more precise and faster setting of the temperature is made possible. Unlike the known susceptors used for polymers, the material to be heated is not changed in this process, since the susceptors are located outside the product. This makes it possible to treat the product itself and not just the joining materials with microwaves.
Der außerhalb des Produkts angeordnete Suszeptor kann granulär oder partikulär ausgebildet sein. Dann ist ein zusätzliches Behältnis außerhalb des Produkts erforderlich. Der Suszeptor hat daher vorzugsweise makroskopische Abmessungen. Dann kann der Suszeptor selber beispielsweise mit einer Halterung im Mikrowellenfeld außerhalb des zu erwärmenden Produkts angeordnet werden. Er ist leicht zu handhaben und seine Lage kann gut justiert werden.The susceptor arranged outside the product can be granular or particulate. An additional container outside the product is then required. The susceptor is therefore preferably of macroscopic dimensions. The susceptor itself can then be arranged, for example with a holder, in the microwave field outside of the product to be heated. It is easy to handle and its position can be adjusted well.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Suszeptor eine makroskopische, steife geometrische Form hat und insbesondere aus Platten, Stäben, Rohren, Gittern, Schalen, Kugeln, deren Kombinationen und/oder deren geometrischen Derivaten gebildet ist. Je nach Anordnung kann der Suszeptor ohne Halterung verwendet werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Lage des Suszeptors, insbesondere der Abstand zu dem zu heizenden Produkt einstellbar ist. Das ist besonders vorteilhaft, wenn verschiedene Produkte geheizt werden sollen und/oder wenn verschiedene Vernetzungsgrade erzielt werden sollen.In particular, it can be provided that the susceptor has a macroscopic, rigid geometric shape and is formed in particular from plates, rods, tubes, grids, shells, spheres, combinations thereof and/or geometric derivatives thereof. Depending on the arrangement, the susceptor can be used without a holder. In a particularly preferred embodiment, it is provided that the position of the susceptor, in particular the distance from the product to be heated, can be adjusted. This is particularly advantageous when different products are to be heated and/or when different degrees of crosslinking are to be achieved.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Suszeptor ganz oder teilweise aus einem Mikrowellenabsorber mit einem Wert
Für die vorliegende Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn der Suszeptor ganz oder teilweise aus SiC gebildet ist. Es versteht sich, dass der Suszeptor aber auch aus einem anderen Material mit vergleichbaren Eigenschaften gebildet sein kann.It is particularly advantageous for the present invention if the susceptor is made entirely or partially of SiC. It goes without saying that the susceptor can also be formed from a different material with comparable properties.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Dosis des Energieeintrags auf einen ausgewählten Wert eingestellt wird. Dann kann der Vernetzungsgrad beispielsweise von Prepregs sehr genau eingestellt und die Qualität der Produkte verbessert werden.The method according to the invention is particularly advantageous if the dose of the energy input is set to a selected value. Then the degree of crosslinking of prepregs, for example, can be adjusted very precisely and the quality of the products can be improved.
Insbesondere kann die Dosis des Energieeintrags über einen oder mehrere der folgenden Parameter eingestellt werden: Bestrahlungsdauer, Mikrowellenenergie, Abstand des Suszeptors von der Produktoberfläche und/oder Material des Suszeptors oder durch Kombinationen daraus. Eine längere Bestrahlungsdauer, eine höhere Mikrowellenenergie und/oder ein geringerer Abstand des Suszeptors von der Produktoberfläche führt zu einer höheren Dosis.In particular, the dose of the energy input can be adjusted via one or more of the following parameters: irradiation duration, microwave energy, distance of the susceptor from the product surface and/or material of the susceptor or combinations thereof. A longer irradiation time, a higher microwave energy and/or a smaller distance of the susceptor from the product surface leads to a higher dose.
Mit der Anordnung können einzelne Teile in einem Mikrowellenfeld geheizt werden. Es ist aber auch möglich, dass das Produkt und/oder der mikrowellenbeaufschlagte Suszeptor während des Energieeintrags lateral zur Bestrahlungsrichtung bewegt wird. Dies ist besonders bei sog. Endlosmaterial vorteilhaft, dessen Abmessungen in einer Richtung größer sind, als das Mikrowellenfeld. Bei einer solchen Relativbewegung zwischen Suszeptor, ggf. Mikrowellengenerator und Produkt kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Dosis des Energieentrags zumindest teilweise über einen oder mehrere der folgenden Parameter eingestellt wird: Bewegungsgeschwindigkeit und zurückgelegte Strecke. In der Praxis kann beispielsweise das Endlosmaterial oder die einzelnen Bauteile auf einem Förderband durch den Behandlungsraum mit den Mikrowellen gefahren werden. Bei hoher Geschwindigkeit wird eine geringe Dosis eingetragen, bei niedriger Geschwindigkeit eine höhere Dosis.With the arrangement, individual parts can be heated in a microwave field. However, it is also possible for the product and/or the susceptor to which the microwave is applied to be moved laterally to the irradiation direction during the energy input. This is particularly advantageous in the case of so-called endless material, the dimensions of which are larger in one direction than the microwave field. With such a relative movement between the susceptor, possibly the microwave generator, and the product, it can be provided in particular that the dose of the energy input is adjusted at least partially via one or more of the following parameters: speed of movement and distance covered. In practice, for example, the endless material or the individual components can be moved on a conveyor belt through the treatment room with the microwaves. At high speed, a small dose is injected, at low speed, a higher dose.
Das Polymerprodukt oder Polymer-Compositeprodukt kann zumindest teilweise aus Thermoplasten, Duromeren und/oder Verbundmaterialien mit Polymermatrix bestehen. The polymer product or polymer composite product can consist at least partially of thermoplastics, duromers and/or composite materials with a polymer matrix.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst mit einer Anordnung zum Erzeugen eines zumindest teilvernetzten Polymerprodukts durch Energieeintrag in ein harzhaltiges Ausgangsmaterial, das gekennzeichnet ist durch
- (a) wenigstens einen Mikrowellengenerator zur Bestrahlung des Materials mit Mikrowellen mit auswählbarer Dosis; und
- (b) einen von den Mikrowellen beaufschlagten Suszeptor außerhalb des Materials zum Übertragen zumindest eines Teils der Energie der Mikrowellen auf das Material.
- (a) at least one microwave generator for irradiating the material with microwaves at a selectable dose; and
- (b) a microwave impacted susceptor external to the material for transferring at least a portion of the energy of the microwaves to the material.
Eine solche Anordnung ermöglicht das Heizen von Polymeren unabhängig davon, ob diese mikrowellentransparent sind oder nicht. Das zu heizende Produkt muss dabei nicht verändert werden. Anders als bei bekannten Anordnungen mit externen Suszeptoren, die außerhalb des Produkts angeordnet sind, dient die erfindungsgemäße Anordnung nicht zum Sintern von Keramiken bei hohen Temperaturen oberhalb von beispielsweise 1000°C, sondern zum Erzeugen eines zumindest teilvernetzten Polymerprodukts. Bei bekannten Anordnungen wird daher anders als bei der vorliegenden Erfindung immer mit höchstmöglicher Dosis behandelt um ein Endprodukt zu erhalten. Eine Teilvernetzung kann damit nicht erreicht werden.Such an arrangement makes it possible to heat polymers regardless of whether they are microwave-transparent or not. The product to be heated does not have to be changed. In contrast to known arrangements with external susceptors arranged outside the product, the arrangement according to the invention is not used for sintering ceramics at high temperatures above 1000° C., for example, but for producing an at least partially crosslinked polymer product. In contrast to the present invention, in known arrangements, treatment is therefore always carried out with the highest possible dose in order to obtain an end product. A partial network cannot be achieved with this.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Antrieb vorgesehen, mit welchem das mit Mikrowellen zu behandelnde Material kontinuierlich durch das Mikrowellenfeld des Mikrowellengenerators bewegbar ist. Insbesondere kann der Antrieb ein Förderband oder einen Wagen umfassen, auf welchem das Material lagerbar ist.In an advantageous embodiment of the invention, a drive is provided with which the material to be treated with microwaves can be moved continuously through the microwave field of the microwave generator. In particular, the drive can include a conveyor belt or a carriage on which the material can be stored.
Mikrowellengeneratoren sind teuer und werden auch für andere Zwecke als zur Verwendung für die erfindungsgemäße Aufgabe eingesetzt. Die Erfindung sieht daher auch einen Nachrüst-Bausatz vor zum Nachrüsten eines Mikrowellengenerators mit einem Suszeptor zum Erzeugen eines zumindest teilvernetzten Polymerprodukts oder Polymer-Verbundprodukts durch Energieeintrag in ein harzhaltiges Ausgangsmaterial. Der Nachrüst-Bausatz ermöglicht dann die Verwendung eines herkömmlichen Mikrowellengenerators für die Erzeugung eines zumindest teilvernetzten Polymerprodukts oder Polymer-Verbundprodukts. Das ist erheblich kostengünstiger, als die Neubeschaffung der kompletten Anordnung.Microwave generators are expensive and are also used for purposes other than use for the object of the invention. The invention therefore also provides a retrofit kit for retrofitting a microwave generator with a susceptor for producing an at least partially crosslinked polymer product or polymer composite product by introducing energy into a resinous starting material. The retrofit kit then enables a conventional microwave generator to be used to produce an at least partially crosslinked polymer product or polymer composite product. This is considerably cheaper than purchasing the entire arrangement from scratch.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.Refinements of the invention are the subject matter of the dependent claims. An embodiment is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.
Figurenlistecharacter list
-
1 ist eine Seitenansicht einer Anordnung zum Behandeln von Materialien mit Mikrowellen mit einem Multimodeapplikator, einem Monomodeapplikator und einer Infrarot-Strahlungsquelle.1 Figure 12 is a side view of an arrangement for treating materials with microwaves having a multimode applicator, a single mode applicator and an infrared radiation source. -
2 ist eine Draufsicht auf die Anordnung aus1 .2 Figure 12 is a plan view of theassembly 1 . -
3 ist eine Vorderansicht der Anordnung aus1 .3 12 is a front view of the arrangement of FIG1 . -
4 zeigt ein Detail aus1 mit Suszeptor.4 shows adetail 1 with susceptor. -
5 ist eine schematische Seitenansicht einer Anordnung zum Behandeln von Materialien mit Mikrowellen und Infrarot-Strahlung.5 Fig. 12 is a schematic side view of an arrangement for treating materials with microwaves and infrared radiation. -
6 ist illustriert eine alternative Anordnung von Suszeptoren für eine Mikrowellenanordnung nach1 .6 Fig. 11 illustrates an alternative arrangement of susceptors for a microwave assembly according to Figs1 .
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
In den
Die Figuren zeigen beispielhaft ein Produkt 12 beispielsweise in Form eines harzimprägnierten Glasfaser-Geleges, welches auf einem Förderband 14 aus glasfaserverstärktes Teflon-Gitter befördert wird. Das Förderband ist durchlässig für Mikrowellen. Die Förderrichtung ist mit einem Pfeil 28 angezeigt. Die Fördergeschwindigkeit kann am Antrieb 21 und/oder am Antrieb 19 eingestellt werden. Das Förderband 14 tritt in eine von einem Gehäuse begrenzten Behandlungskammer 16 ein. Die Behandlungskammer 16 wird in einem ersten Behandlungsraum 20 von Mikrowellen der Frequenz 2,45 GHz eines Multimodeapplikators 18 durchstrahlt. In einem zweiten, optionalen Behandlungsraum 22 wird die Behandlungskammer 16 von Mikrowellen der Frequenz 2,45 GHz eines Monomodeapplikators 24 durchstrahlt. Ein dünnes Produkt 12, wie es in den Figuren dargestellt ist, kann mit dem Förderband 14 durch beide Behandlungsräume 20 und 22 der Behandlungskammer 16 bewegt werden. Wenn beide Applikatoren eingeschaltet sind, wird das Produkt 12 zwei Mal einer Behandlung mit Mikrowellen ausgesetzt.The figures show an example of a
Zur Behandlung von dicken oder gekrümmten Materialien oder Materialien mit größeren Abmessungen in vertikaler Richtung kann der Monomode-Applikator 24 auseinandergefahren oder entfernt werden.To treat thick or curved materials, or materials with larger dimensions in the vertical direction, the
Jeder der Mikrowellenapplikatoren kann unabhängig voneinander eingeschaltet werden, so dass sich vielfältige Möglichkeiten der Behandlung für verschiedenartige Materialien in einer Anordnung ergeben. Es versteht sich, dass auch Anordnungen mit nur einem Mikrowellenapplikator geeignet sein können.Each of the microwave applicators can be switched on independently of one another, resulting in a wide range of treatment options for different types of materials in one arrangement. It goes without saying that arrangements with only one microwave applicator can also be suitable.
Es gibt Polymer-Materialien, die mikrowellentransparent sind. Diese Materialien werden in der beschriebenen Anordnung nicht oder nur wenig erwärmt und es erfolgt keine ausreichende Vernetzung für die Erzeugung beispielsweise eines Prepregs. Insbesondere bei geringen Abmessungen des Produkts gegenüber den Abmessungen des Mikrowellen-Applikators besteht die Gefahr einer inhomogenen Erwärmung. Die Anordnung 10 weist daher im Behandlungsraum 20 einen oder mehrere Suszeptoren 32 auf.There are polymer materials that are microwave transparent. These materials are not or only slightly heated in the arrangement described and there is insufficient crosslinking for the production of a prepreg, for example. There is a risk of inhomogeneous heating, in particular when the dimensions of the product are small compared to the dimensions of the microwave applicator. The
Jeder der Suszeptoren 32 ist aus SiC gefertigt. Es versteht sich, dass auch andere Materialien als Suszeptor geeignet sein können, die einen hohen dielektrischen Verlust aufweisen. Die Suszeptoren 32 sind zwischen Mikrowellengenerator 18 und Produkt 12 im Mikrowellenfeld des Behandlungsraums 20 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Suszeptoren 32 vom Förderband 14 entkoppelt. Sie bilden einen ortsfesten Teil des Mikrowellen-Applikators. Optional kann ein Reflektor und/oder eine Isolierung beispielsweise aus Teflon an der Rückseite des Suszeptors vorgesehen sein. Ein Reflektor und/oder eine Isolierung ermöglicht eine verbesserte Energieausnutzung. Zu beachten ist bei der Auswahl der Reflektormaterialien, dass Metalle beispielsweise ihrerseits mikrowellenaktiv sind und unerwünschte Wirbelströme induzieren können.Each of the
Der Suszeptor 32 ist in vertikaler Richtung, d.h. in Richtung des Pfeils 38 in
Die Anordnung ist in üblicher Weise mit Temperatursensoren versehen. Diese können beispielsweise von einem Pyrometer und/oder faseroptischen Sensoren für Kontaktmessung am Material gebildet sein. Für den Aufbau mit den Suszeptoren kann eine Halterung für ein bestimmtes Bauteil/Material individuell angepasst werden. Die Suszeptoren bestehen vorteilhafterweise aus Siliziumcarbid, bevorzugt in der hexagonalen α-Struktur, und Kupferoxid-Pulver CuO. Viele Suszeptormaterialien, die für die thermische Behandlung von Keramiken gängig sind, sind für Polymere nicht geeignet. Bei niedrigen Temperaturen, bei denen die thermische Behandlung von Polymeren erfolgt, sind die dielektrischen Eigenschaften vieler Suszeptor-Materialien derart, dass die Suszeptoren noch mikrowellentransparent erscheinen. Sie werden erst absorbierend bei höheren Temperaturen (700...800°C), bei denen aber eine Polymerbehandlung wegen des Risikos der Zersetzung etc. nicht mehr möglich ist. Folgende Suszeptormaterialien sind für die thermische Behandlung von Polymeren geeignet: Komposite aus einem mikrowellentransparenten Thermoplasten (z.B. Polypropylen oder PEEK) oder auch Al2O3 als Matrix und leitfähigen Partikeln wie Metallpulvern oder verschiedenen Formen kohlenstoffhaltiger Partikel, wobei hier bevorzugt (multi wall) carbon nanotubes und Leitruß sinnvoll sind. Als Material für die Halterungen sind insbesondere mikrowelleninaktive Materialien wie Teflon, Keramiken oder Glas geeignet.The arrangement is provided with temperature sensors in the usual way. These can be formed, for example, by a pyrometer and/or fiber optic sensors for contact measurement on the material. For the structure with the susceptors, a holder can be individually adapted for a specific component/material. The susceptors advantageously consist of silicon carbide, preferably in the hexagonal α-structure, and copper oxide powder CuO. Many susceptor materials that are common for the thermal treatment of ceramics are not suitable for polymers. At low temperatures, at which the thermal treatment of polymers takes place, the dielectric properties of many susceptor materials are such that the susceptors still appear transparent to microwaves. They only become absorbent at higher temperatures (700...800°C) at which, however, polymer treatment is no longer possible due to the risk of decomposition etc. The following susceptor materials are suitable for the thermal treatment of polymers: Composites made of a microwave-transparent thermoplastic (e.g. polypropylene or PEEK) or Al2O3 as a matrix and conductive particles such as metal powders or various forms of carbon-containing particles, with (multi-wall) carbon nanotubes and conductive carbon black being preferred here are. Microwave-inactive materials such as Teflon, ceramics or glass are particularly suitable as the material for the holders.
Durch Hinein- und Herausbewegen von Suszeptorfläche 32 in das Mikrowellenfeld des Behandlungsraums 20 kann die Wegstrecke in Bewegungsrichtung 28 verändert werden. Auf diese Weise kann der Grad der Erwärmung des Produkts 12 ebenfalls eingestellt werden. Die in das Produkt eingetragene Wärmeenergie kann auch durch die Fördergeschwindigkeit des Förderbands 14 eingestellt werden. Schließlich kann die Energie der Mikrowellenstrahlung eingestellt werden.By moving the
Die genannten Parameter zur Einstellung der Dosis lassen sich leicht anpassen. Auf diese Weise kann ein Vernetzungsgrad in einem Prepreg sehr genau eingestellt werden. Dadurch wird der Energiebedarf gesenkt und die Genauigkeit und Qualität bei der Vernetzung verbessert.The parameters mentioned for setting the dose can be easily adjusted. In this way, a degree of crosslinking in a prepreg can be adjusted very precisely. This reduces the energy requirement and improves the accuracy and quality of networking.
Für das Ausführungsbeispiel zeigt die Energiebilanz die energetischen Vorteile der beschriebenen Anordnung:
- Für die in
4 gezeigte Anordnung stellt sich nach ca. 20 min eine Prepreg-Temperatur von 160°C ein. Aus der dafür erforderlichen Leistung der Mikrowelle lässt sich ein Energie-Bedarf von ca. 5 kWh abschätzen. Im Vergleich dazu erfolgt die Temperatureinstellung bei der Herstellung von Prepregs in herkömmlichen Imprägnieranlagen unter Einsatz großer Mengen von Thermalöl, das mit langer Vorlaufzeit mittels elektrisch getriebener Heizung auf Temperaturen gebracht wird, die typischerweise um 10 K gegenüber der eigentlichen Zieltemperatur liegen. Diese Temperaturdifferenz ist erforderlich, um Wärmeverluste über den Transportweg des Thermalöls hinweg zu kompensieren. Der Energiebedarf zur Einstellung einer Prepreg-Temperatur von 160°C liegt dabei um wenigstens eine Größenordnung höher als bei der in4 gezeigten mikrowellengetriebenen Heizung mit Suszeptoren. Im Vergleich zur Einstellung der Temperatur mittels IR-Strahlern lässt sich abschätzen, dass diese zur Einstellung einer Prepreg-Temperatur von 160 °C ähnlich viel Energie benötigen wie die in4 gezeigte mikrowellengetriebene Heizung mit Suszeptoren. Während durch IR-Strahler nicht nur die Prepregs sondern auch deren Umgebung beträchtlich erwärmt wird, gewährleistet der mikrowellenbasierte Ansatz in4 eine selektive Erwärmung nur der Suszeptoren.
- for the inside
4 In the arrangement shown, a prepreg temperature of 160° C. is reached after approx. 20 minutes. From the microwave power required for this, an energy requirement of approx. 5 kWh can be estimated. In comparison, the temperature setting in the production of prepregs in conventional impregnation plants uses large quantities of thermal oil, which is brought to temperatures that are typically 10 K above the actual target temperature with a long lead time using electrically driven heating. This temperature difference is required to compensate for heat losses over the transport route of the thermal oil. The energy required to set a prepreg temperature of 160°C is at least an order of magnitude higher than in4 shown microwave powered heater with susceptors. In comparison to setting the temperature using IR emitters, it can be estimated that they require a similar amount of energy to set a prepreg temperature of 160 °C as in4 shown microwave powered heater with susceptors. While not only the prepregs but also their surroundings are heated considerably by IR emitters, the microwave-based approach in4 selective heating of only the susceptors.
Optional können aber auch Infrarotlampen 42 zur Bestrahlung mit Infrarot (IR)-Strahlung 44 vorgesehen sein. Die Bestrahlung mit IR-Strahlung 44 kann beispielsweise simultan erfolgen, wobei die Suszeptoren die IR-Strahler nicht abschirmen sollen. Eine solche Anordnung ist nachstehend anhand von
Die IR-Strahler 42 sind zwischen den Mikrowellengeneratoren 18 und 24 bzw. in Bewegungsrichtung 29 dahinter angeordnet. Die IR-Strahler 42 bestrahlen das zu erwärmende Material 46 von oben. Die plattenförmigen Suszeptoren 32 und 37 sind außerhalb des Strahlungsfeldes der IR-Strahler 42 oberhalb des Bandmaterials 46 angeordnet. Die plattenförmigen Suszeptoren 33 und 35 sind außerhalb des Strahlungsfeldes der IR-Strahler 42 unterhalb des Bandmaterials 46 angeordnet. Die Suszeptoren 32, 33, 35 und 37 sind an Haltern 40 gehalten, die hier nur schematisch illustriert sind. Die gesamte Anordnung befindet sich in einem gestrichelt illustrierten Gehäuse 48, welches den Austritt von Strahlung verhindert. Ein Pyrometer 50 am Ende der Behandlungsstrecke misst die Strahlungstemperatur des behandelten Materials 46.The
Statt das Bandmaterial 46 kontinuierlich in Bewegungsrichtung 29 zu bewegen, kann auch eine oszillierende Bewegung vorgesehen sein. Dies ist durch einen Pfeil 31 illustriert.Instead of moving the
Bei einer weiteren Alternative ist eine Durchlaufmikrowellen-Anordnung vorgesehen, bei der vier Suszeptoren 52, 54, 56 und 58 beispielsweise in Form von Platten senkrecht zur Laufrichtung 66 des Transportbandes 60 in einer mikrowellentransparenten Halterung 62 stehen. Das zu behandelnde Produkt 64 wird von vier Suszeptoren erwärmt. Diese Alternative ist anhand von
Es versteht sich, dass neben den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen auch andere Anordnungen zwischen optionalen Infrarotstrahlern und Mikrowellengeneratoren möglich sind. Wenn man aus Sicht des zu erwärmenden Materials von 6 Raumrichtungen (+/-x, +/y, +/- z) eine Richtung für das Transport-Band auslegt, wo weder IR-Strahler noch Suszeptor angeordnet sind, verbleiben 5 Richtungen, in denen wahlweise Suszeptor oder IR-Strahler angeordnet sein können, ohne dass es zu Abschirmungen kommt. Auf diese Weise wird die gleichzeitige Nutzung beider Kanäle des Wärmeeintrags, IR und Suszeptor, möglich.It goes without saying that, in addition to the exemplary embodiments listed above, other arrangements between optional infrared radiators and microwave generators are also possible. If, from the point of view of the material to be heated, one lays out a direction for the conveyor belt from 6 spatial directions (+/-x, +/y, +/- z), where neither IR emitters nor susceptors are arranged, 5 directions remain, in where either a susceptor or an IR radiator can be arranged without shielding occurring. In this way, the simultaneous use of both heat input channels, IR and susceptor, is possible.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102015111555 B3 [0005]DE 102015111555 B3 [0005]
- DE 102018123261 A1 [0006]DE 102018123261 A1 [0006]
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2020
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Patent Citations (2)
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