DE3036315A1

DE3036315A1 - Verfahren zur haertung von synthetischen harzen mit mikrowellen

Info

Publication number: DE3036315A1
Application number: DE19803036315
Authority: DE
Inventors: John Lawrence Ballston Lake N.Y. Simonian
Original assignee: Schenectady Chemicals Inc
Current assignee: SI Group Inc
Priority date: 1979-10-04
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1981-04-23
Also published as: FR2466485A1; CA1157805A; AU6093480A; JPS5673574A; IT8024206A0; IT1193548B; ZA804842B

Description

103631

Beschreibung

In den letzten fünf Jahren hat der sparsame Umgang mit Kraftstoffen und Energie primäre Bedeutung für die Industrie gewonnen. Die Kosten für Öl, Gas und Elektrizität sind gestiegen und die Verfügbarkeit von Öl und Gas wurde zeitweilig kritisch, so daß die Industrie gezwungen war, ihren Energieverbrauch zu drosseln. Kohle steht den Vereinigten Staaten von Amerika im größten Umfange zur Verfugung, hat jedoch nicht die Vorteile von Öl oder Erdgas. Andererseits stellt Kohle eine geeignete Quelle für die Erzeugung von Elektrizität dar. Hydroelektrische und Atomkraftwerke tragen ebenfalls wesentlich zur Erzeugung von Elektrizität bei. Es ist daher wahrscheinlich, daß Elektrizität die verläßlichste Energiequelle der Zukunft sein wird.

Im Vergleich zu Gas oder Öl ist elektrisch erzeugte Wärme jedoch kostspieliger und wird nicht bevorzugt, wenn Alternativen hierfür bestehen. Wie in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt ist, betragen die Kosten für ein Erhitzen mit Elektrizität etwa das Vierfache des Erhitzens mit Erdgas (Stand vom 1. März 1979).

130017/0S77

3Q3631

Tabelle 1

Art des

Kraft- Wärme je US-$
Stoffs Maßeinheit je Einheit kJ je $ _Btu .-_e $

Elektri- 0

zität 3602 kJ/kWh 0,0282/kWh 127.750 121.028 (3413 Btu/kWh)

Erdgas 37260 kJ/m³ 0,0795/m³ 469.128 444.444 (1000 Btu/F ) (0,2250/100F)

Öl Nr.2 39043 kJ/1 0,1321/1 295.552 280.000 (140.000 Btu/ (0,5000/Gal.) GaI. )

Öl Nr.6 40157 kJ/1 0,0744/1 539.575 511.182 (144.000 Btu/ (o,2817/Gal.) GaI. )

Wenn eine beliebige Energieart zum Erhitzen von Luft in einem Ofen verwendet wird und elektrische Teile diese heiße Luft passieren, ist der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung ziemlich gering. Der Schlüssel für die Verwertung elektrischer Energie besteht in der wirksamen Übertragung dieser Energie auf die zu erhitzenden Teile.

Die Mikrowellentechnologie steht seit 20 Jahren für Haus und Industrie zur Verfügung. Mikrowellen werden bislang jedoch nur in geringem Umfange in der Industrie angewandt. Bei Metallen schien es auf der Hand zu liegen, daß sie die Mikrowellen reflektieren und sich daher nicht erhitzen würden.

Im Gegensatz zu dieser Annahme wurde jetzt gefunden, daß, wenn man Armaturen, Statoren, Transformatoren und

130017/0577

Magnetspulen in ein Mikrowellenfeld einbringt, ihre Temperaturen überraschend schnell ansteigen. Dies ermöglicht eine rasche Härtung von Lacken oder Lacküberzügen. Die Mikrowellenhärtung hat sich als wirksam erwiesen, unabhängig davon, ob das Metall in Spulenform oder als Verbundstoff mit einem dazwischen liegenden dielektrischen Material vorliegt, zum Beispiel als Kondensator.

Als Metalle können die folgenden verwendet werden: Eisen, Kupfer, Silber, Aluminium, Nickel, Zink oder deren Legierungen, zum Beispiel Stahl. Für elektrische Zwecke werden gewöhnlich Kupfer, Aluminium und Stahl für elektrische Zwecke verwendet.

In den nachstehenden Ausführungsbeispielen wurde ein Mikrowellenofen des Modells SMC 1-33H der Despatch Industries, Inc. verwendet, der in deren Katalog 600-978 auf den Seiten 16/17 beschrieben ist.

Für die Mikrowellenhärtung erwiesen sich die allgemeinen Bereiche von 900 bis 950 MHz und 2400 bis 2500 MHz als am geeignetsten. Aufgrund dieser Feststellung wurde eine Vorrichtung verwendet, die auf 2450 MHz mit einer variierbaren Energiezufuhr von 0 bis 1 kWh (3,6 χ 10 Joule) eingestellt war. Im Ofen befand sich eine Schwin-

130017/0577

!Q3631S

gungsrührvorrichtung und ein Drehtisch, um das Mikrowellenfeld beliebig auszurichten.

Üblicherweise wird Mikrowellenenergie als zu etwa 30 bis 35 % wirksam angesehen. Von jedem kWh angewandter Energie erreichen nur 0,300 bis 0,350 kWh (1,08 χ 10 bis 1,26 χ 10 Joule) den Mikrowellenraum. Man hat festgestellt, daß diese Annahmen ziemlich genau stimmen. Die Tabelle 2 veranschaulicht, daß der beste Wirkungsgrad erreicht wird, wenn der Bedarf hoch ist (größer als 50 %). Ein Amperemeter, ein Voltmeter und ein Leistungsmeßgerät wurden verwendet, um festzustellen, wie viele kWh bei jeder Leistungseinstellung verbraucht wurden. Gleichzeitig wurde die Anzahl der an den Mikrowellenraum abgegebenen kWh durch Messen des Wärmeanstiegs in einer vorbestimmten Menge Wasser genau festgestellt. Dieser durch die in den Ofen eintretende Gesamtenergie dividierte Wert gibt den Wirkungsgrad an. Zum Wirkungsverlust trug die Verwendung von Motoren für die Schwingungsrührvorrichtung, den Drehtisch und Entlüfter bei.

130017/0577

036315

Tabelle 2

	(1)	(2)	Wirkungs
		kWh (Joule x10⁶)	grad, %
		im Ofenraum,	ν -i oo
		berechnet aus	(D ^{x 10}°
	gesamte ange	dem Tempera
Leistungs	wandte kWh"	turanstieg	7,0
abgabe, %	(Joule χ 10 )	des Wassers	15,7
O(bereit)	0,699(2,516)	0(0)	24,0
10	0,754(2,714)	0^053(0,191)	26,4
20	0,967(3,481)	0,152(0,547)	30,2
30	1,118(4,025)	0,268(0,965)	32,8
40	1,328(4,781)	0,350(1,260)	36,0
50	1,528(5,501)	0,462(1,663)	35,4
60	1,738(6,257)	0,570(2,052)	34,2
70	1,985(7,146)	0,715(2,574)	35,3
80	2,262(8,143)	0,800(2,880)
90	2,576(9,274)	0,880(3,168)
100	3,062(11,023)	1,080(3,888)

Es wurde gefunden, daß die Sekundärwirksamkeit (die Umwandlung der Mikrowellenenergie zur Erhitzung der elektrischen Teile) die anfängliche Unwirksamkeit von der Quelle zum Ofenraum mehr als kompensiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Härtung beliebiger wärmehärtender Harze auf einer Metallspule oder einem Metallverbundstoff mit einem dazwischen liegenden dielektrischen Material verwendet werden. Das heißt, man kann beliebige herkömmliche Harze verwenden, die zum Überziehen von Metallen, zum Beispiel elektrischen Leitern in Form von Isolierlacken eingesetzt werden. Zum Beispiel kann

130017/0577

3038115

man härtbare Ester aus zweiwertigen .Alkoholen., wie Ethylenglykol, Propylenglykol, Neopenty.lglykol, Z],2_;,4,4-Tetra~ methyl-1 , S-cyclobutandio^ , Butandiol-1 ,4 und einem nr.ehrwertigen Alkohol, der mindestens dr.ei Hydroxylgruppen enthält, zum Beispiel Glycerin, Tris-(2-hydroxyethyl)-isocyanurat, Trimethylolpropan und einer Polycarbonsäure, zum Beispiel 4,4'-Benzoph.enondicarbonsäure, Terephthalsäure, Isophthalsäure, der aus Trimellithsäureanhydrid und Oxydianilin oder Methylendianilin hergestellten Imiddicarbonsäure, o-Phthalsäurs, Adipinsäure, Trimellithsäure und Trimesinsäure verwenden. Auch wärmehärtende Harze, wie Phenol-Formaldehyd, Kresol-Formaldehyd, Phenol-Furfural, Melamin-Formaldehyd / Epoxyharze, zum Beispiel Bisphenol-A-Epichlorhydrin, Glycerin-Epichlorhydrin, ungesättigte Polyester, zum Beispiel aus Glykolen der oben genannten Art mit einer ungesättigten Dicarbonsäure, zum Beispiel Maleinsäure, Fumarsäure oder Itaconsäure mit oder ohne andere Polycarbonsäuren, zum Beispiel Adipinsäure, Bernsteinsäure, Terephthalsäure, Isophthalsäure, o-Phthalsäure und einem ungesättigten Monomeren, wie Styrol, Diallylphthalat, tert.-Butylstyröl, Methylmethacrylat, Methylacrylat, Vinyltoluol usw. können eingesetzt werden.

Beispiele für wärmehärtende Harze sind in den US-Patentschriften 3 338 743 (Laganis), 3 342 780 (Meyer),

130017/0577

036315

3 425 866 (Meyer), 3 108 083 (Laganis), 3 249 578 (Meyer),

3 312 573 (Sheffer), 3 296 024 (Jordan), 4 016 330 (Laganis), 3 523 820 (Sheffer), 4 073 826 (Galkiewicz),

4 105 639 (Laganis), 4 119 758 (Keating), 4 133 787 (Laganis), 2 982 754 (Sheffer), 3 479 307 (Laganis), 3 480 589 (Jordan), 3 498 940 (Laganis), 3 646 374 (Jordan), 2 889 304 (Sheffer) und 4 196 109 (Laganis) beschrieben.

Die beigefügte Abbildung zeigt schematisch, wie fünf Spulen in einem Ofenraum angeordnet wurden.

Sofern nichts anderes angegeben ist, beziehen sich alle Teile und Prozentsätze auf das Gewicht.

Der erste Versuch wurde mit fünf kleinen Statoren durchgeführt, die jeweils etwa 340 g wogen. Das Gesamtkupfergewicht wurde auf etwa 450 g geschätzt. Der erste Satz Statoren wurde mit einem Lacküberzug versehen und durch Mikrowellen gehärtet, während der zweite lackierte Satz mit heißer Luft gehärtet wurde, die elektrisch erhitzt worden war.

Da der gleiche Mikrowellenofen auch Luft elektrisch erhitzen konnte, wurde er für beide Statorensätze verwen-

1300 17/0577

'»^specTe0

303631

det. Auf diese Weise wurden viele der unkontrollierbaren Variablen ausgeschaltet, die bei Verwendung eines anderen Ofens auftreten würden. Bemerkenswert ist, daß beim Erhitzen von Teilen in einem elektrischen Heißluftofen das Eisen anscheinend leichter erhitzt wird, als die Kupferspule. Bei Anwendung von Mikrowellen war jedoch das Gegenteil der Fall. Die Spulentemperatur war immer höher als die des Eisens, vergleiche die Tabelle 3.

Die Tabelle 3 veranschaulicht, daß die mit Mikrowellen gehärteten Teile Spulentemperaturen aufweisen, die um etwa "14 C höher sind als die des Eisens. Die Mikrowellenhärtung ist daher wesentlich besser, weil der aufgetragene Lack in den an die Spule angrenzenden Bereichen am besten härtet. Das ist genau das, was mit der besten Härtung erreicht werden soll.

Ein zweiter zu berücksichtigender Punkt ist, daß beim Erhitzen mit elektrisch beheizten Heißluftöfen die Widerstandsheizstäbe zuerst in Betrieb gesetzt werden. Danach wird die Wärme an die Luft abgegeben, die sich über die Stäbe bewegt. Anschließend muß die heiße Luft die Wände des Ofens erhitzen und de°ren Temperatur aufrechterhalten. Die heiße Luft muß auch die eingebrachten Teile erhitzen. Heiße Luft im Entlüftungssystem stellt

130017/0577

_ -ι ■

einen vollkommenen Verlust dar. Schließlich wird, wenn der Ofen nicht in Betrieb ist, die gleiche Anzahl kW je Stunde verbraucht. Insgesamt treten von den Heizstäben bis zu den schließlich bearbeiteten Teilen in einem elektrischen Heißluftsystem viele Mangel auf.

Tabelle

Versuch - Mikrowelle, kWh (Joule)

	Zeit, Min .	Lei stungs abgabe	Temperatur, °C	Spule	ange wandte kWh (Joule χ 10 )	Bemerkung
	2	60 %	Eisen	93	0,058 (0,209)	—
Vorer hitzung	0,5	0 %	82	-	0,006 (0,022)	—
Ein tauchen	5	0 %	-	-	0,058 (0,209)	—
Ab fließen	5	70 %	-	132	0,165 (0,594)	leicht klebrig
Härtung 1	5	70 %	116	149	0,165 (0,594)	nicht klebend Spulen weich
Härtung 2	5	60 % ο	132	160	0,145 (0,522)	voll ig gehärtet
Härtung 3	22,5		149		0,597 (2,149)
insgesamt

130017/0577

ORiGlNAL INSPECTED

36315

Tabelle 3 (Fortsetzung)

Versuch - Elektrischer Heizofen (Ofentemperatur 163°C/ Druckluft/3,805 kWh (13,698 χ 10⁶ Joule) durchschnittlich)

angewandte

o_ kWh Zeit, _(J

Min.

Vorerhitzung

Eintauchen 0,5 Abfließen Härtung 1 Härtung 2 Härtung 3 Härtung 4 Härtung 5 insgesamt

15

82,5

Eisen Spule χ 10 ) Bemerkung

49 0,127

(0,457)

0,032 (0,115)

0,317 (1,141)

71 0,951

(3,424)

104 0,951

(3,424)

116

naß

naß.

113 0,951 klebrig

(3,424)

0,951 nicht klebend (3,424) Spulen weich

135 0,951 gehärtet

(3,434)

5,231 (18,832)

Bei Anwendung von Mikrowellen tritt keine Wärmeübertragung durch Luft ein. Vielmehr werden die Mikrowellen, die auf den Teil fallen, wirksam in Wärme umgewandelt.

13001770577.

.,, ORJGiNAL INSPECTED

036315

Die Ofenwandungen und die Luft werden nicht heiß. Die Menge der an die Umgebung abgegebenen Luft kann verringert werden, da es lediglich notwendig ist, Lösungsmitteldämpfe aus der Heizvorrichtung zu entfernen. Schließlich kann, wenn der Ofen nicht in Betrieb ist, die Mikrowellenelektronik auf "Bereitschaft" gestellt werden, wo sehr wenig Energie verbraucht wird. Die am stärksten ins Gewicht fallende Ersparnis liegt jedoch in der Zeit. Das herkömmliche Heizsystem erforderte 82,5 Minuten vom Beginn bis zum Ende, um eine zufriedenstellende Härtung zu bewirken, während für den Mikrowellenversuch nur 22,5 Minuten erforderlich waren. Setzt man lediglich die Härtungszyklen in Vergleich, so erforderte die Mikrowellenhärtung nur 15 Minuten gegenüber einer Stunde und 15 Minuten für die Härtung mit elektrisch erhitzter Heißluft.

Ein wirtschaftlicher Vergleich für die fünf Statoren geht aus der Tabelle 4 hervor. Dabei wurden die Werte für Erdgas, Öl (Nr. 2) und Öl (Nr. 6) errechnet. Die Werte für das elektrische Erhitzen der Luft wurden genau gemessen. Die für das elektrische Erhitzen der Luft angewandte Anzahl kWh wurde in MJ/kWh umgewandelt (vgl. die Tabelle 1). Dann wurden die Kosten für Gas und Öl errechnet, unter der Annahme, daß man mit der gleichen

130017/0577 INSPECT^

I C- —

036315

Anzahl MJ die Temperatur des Ofens auf die gleiche Temperatur von 163 C bringen würde. Die Tabelle 4 zeigt die MJ, die für das elektrische Erhitzen (Heißluftofen), das Erhitzen mit Erdgas und mit den beiden Ölen erforderlich sind. Die für das Erhitzen mit Mikrowellen angewandte elektrische Energie wurde genau gemessen und ist in den beiden Tabellen 3 und 4 wiedergegeben.

Tabelle 4

	Mikrowelle	elektrischer Heizofen	angewandte Joule χ 10	)	Kosten für die Härtung der 5 Teile (US-Währung)
Gewicht der fünf Teile	1700 g	1772 g	2,150	$ 0,01684
angenähertes Kupfergewicht	465 g	487 g	18,835	$ 0,14751
Art der Kupferwindungen	30 AWG (0,302 mm)	30 AWG (0,302 mm)	18,835	$ 0,04017
verwendeter Lack	AQUANEL®600 (Polyester)	AQUANEl®600 (Polyester)	18,835	$ 0,06376
Wirtschaftlichkeit (vgl. die Kraftstoff-Kostentabelle 1	18,835	$ 0,03492
für die Umwandlung

elektrisch, Mikrowelle
elektrisch, Heizofen
Erdgas, Heizofen
Öl Nr. 2, Heizofen
Öl Nr. 6', Heizofen

Öl Nr. 6 wird im allgemeinen in Kochern für die Erzeugung von Wasserdampf oder zum Erhitzen einer Wärmeaustauschflüssigkeit verwendet. Es wurde kein Versuch gemacht, diesen Wert in Bezug auf die Wärmeaustauscheffizienz zu korrigieren.

130017/0577 ORIGINAL INSPECTED

3036311

Der Vergleich der Kosten für die Härtung der fünf Teile zeigt, daß die verbrauchte Menge Energie bei Anwendung der Mikrowellenerhitzung wesentlich geringer war. Selbst beim Vergleich der Kosten mit denen für Erdgas ist die Ersparnis beträchtlich. Der primäre, die niedrigen Kosten beeinflussende Faktor ist die verhältnismäßig kurze Zeit, die zur Härtung des Lackes auf den Teilen erforderlich ist.

AquanelMsoO ist ein modifizierter Polyesterisolierlack, der gemäß der US-Patentschrift 4 196 109 hergestellt wird. Lr besteht aus einer Mischung eines ölmodifizierten Alkydharzes, das aus Tallölfettsäuren, Dipropylenglykol, Trimethylolpropan, Isophthalsäure und Trimellithsäureanhydrid hergestellt ist, mit einem p-tert.-Butylphenol-Bisphenol-A-Salicylsäure-Formaldehyd Harz, Hexamethylether oder Hexamethylolmelamin (Resimene X-745) und Dimethylethanolamin in einer Mischung von 2-Butoxyethanol (Butylcellosolve) und Wasser und hat eine Viskosität nach Gardner-Holdt von K-M.

In diesem Versuch wurden zwei Automobil-Wechselstromerzeuger verwendet. Die beiden Teile hatten zusammen ein Gewicht von 5,4 kg. Wiederum wurde ein Vergleich zwischen der Mikrowellenhärtung und der Härtung mit elektrisch erhitzter Luft vorgenommen, vgl. die Tabelle 5.

1 3001 7/0577

036315

Um den Anstieg der Temperatun im Ofen zu steuern, wurde die zugeführte Energie variiert. Durch Erhöhung der Energie wurde ein rascher Temperaturanstieg erreicht. Eine Energieverringerung, zum Beispiel um 10 % hielt die Temperatur aufrecht oder verringerte den Temperaturanstieg. Wie aus der Tabelle 5 ersichtlich ist, erforderte der Mikrowelleii-Härtungszyklus (Härtung Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3 und Nr. 4) insgesamt nur 17 Minuten und führte zu einer vollständigen Härtung, während das übliche Erhitzen in einem Ofen selbst nach 60 Minuten nur zu einem weichen Überzug führte.

Die wirtschaftliche Seite dieses Versuchs geht aus der Tabelle 6 hervor. Die Kostenersparnis der Mikrowellenerhitzung gegenüber dem Erhitzen mit Erdgas ist nicht so gravierend wie beim ersten Versuch. Die geringere Menge verbrauchter Joule ist dennoch wesentlich.

Tabelle 5 Versuch - Mikrowelle (kWh (Joule) variiert)

Vorerhitzung

Eintauchen

Lei-Zeit, stungs-

Min.

abgabe 70 %

angewandte kWh

(Joule Temperatur, C χ 10 ) Bemerkung

49

0,5 0 %

130017/0577

0,165 (0,594)

0,006 (0,022)

036315

Tabelle 5 (Fortsetzung

	Zeit, Min .	Lei stungs abgabe	5	Temperatur,	88	ange wandte kWh (Joule °C χ 10^δ)	Bemerkung
Ab fließen	5	O %	-	132	0,058 (0,209)	—
Härtung 1	5	80 %	154	0,189 (0,680)	leicht klebrig
Härtung 2	5	90 %	160	0,215 (0,774)	leicht klebrig
Härtung 3	5	90 %		0,215 (0,774)	nicht klebend weiches Gel
Härtung 4	2	90 %	0,086 (0,309)	gehärtet
insgesamt	27,	0,934 (3,362)

Versuch - elektrischer Heizofen (Ofentemperatur 163 C/ Druckluft/3,891 kWh (14,008 χ 10⁶ Joule) durchschnittlich)

	Zeit, Min .	Temperatur,	-	127	ange wandte kWh (Joule C x 10 )	Bemerkung
Vor erhitzung	5	54	-	146	0,324 (1,166)	—
Eintauchen	0,5		0,032 (0,115)	—
Abf1ießen	5	0,324 (1 ,166)	—
Härtung 1	30	1 ,946 (7,006)	klebrig
Härtung 2	30	1 ,946 (7,006)	nicht kle weich
insgesamt	70,5	4,282 (15,415)

130017/0577
ORIGINAL INSPECTED

Gewicht der beiden Teile rechteckiger Kupferdraht

verwendeter Lack

Tabelle Mikrowelle

5580 g

(2,286 χ 3,81 mm)

AQUANEL^feOO (Polyester)

elektrischer Heizofen

5444 g

(2,286 χ 3,81 mm)

AQUANEL^OO (Polyester)

Wirtschaftlichkeit (vgl. Kraftstoff-Kostentabelle

für die Umwandlung)

angewandte Joule χ

3,374 15,418 15,418 15,418 15,418

elektrisch, Mikrowelle elektrisch, Heizofen Erdgas, Heizofen Öl Nr. 2, Heizofen Öl Nr. 6", Heizofen

Ol Nr. 6 wird im allgemeinen in Kochern für die Erzeugung von Wasserdampf oder zum Erhitzen einer Wärmeaustauschflüssigkeit verwendet. Es wurde kein Versuch gemacht, diesen Wert in Bezug auf die Wärmeaustauschwirksamkeit zu korrigieren.

Kosten für die Härtung der 2 Teile (US-Währung )

$ 0,0264 $ 0,12075 $ 0,03288 $ 0,05219 $ 0,02859

In diesem Versuch wurde ein großer Stator als Teststück verwendet. Er wog etwas mehr als 4,5 kg. Die Tabelle zeigt zwei verschiedene Arten der Mikrowellenhärtung sowie die übliche Härtung mit elektrisch erhitzter Luft, Im Versuch A (Mikrowelle) wurde die Energie langsam über einen bestimmten Zeitraum angewandt. Im Versuch B wurde die Temperatur rasch für einen kürzeren Zeitraum

130017/05 7 7

erhöht. Diese Modifizierung wurde vorgenommen, um Variationen zu veranschaulichen, die bei der Härtung mit Mikrowellen möglich sind. In den Versuchen A und B waren die Härtungszeiten viel kürzer als bei der herkömmlichen Methode.

Dieser Versuch zeigt auch, daß die Wärmehärtungseigenschaften des Lackes wesentlich von der Temperatur abhängen. Je schneller Temperaturen oberhalb 135 C erreicht werden, desto kurzer ist die Gesamthärtungszeit. In den Teilen, bei denen 30 Minuten erforderlich waren, bis eine Temperatur von 118 bis 121°C erreicht war (siehe den elektrischen Erhitzungsteil der Tabelle 7), war nur das Lösungsmittel abgetrieben worden und es war nur eine sehr geringe Wärmehärtung des Polymeren eingetreten. Im Versuch B (Mikrowelle) wurde die Temperatur von 163 C nach 20 Minuten erreicht. Zu diesem Zeitpunkt war das gesamte Lösungsmittel abgetrieben und es ging bereits eine gute chemische Vernetzung vor sich.

130 017/0577

Tabelle 7

Versuch A - Mikrowelle (kWh (Joule) variiert)

angewandte

	Zeit, Min.	Lei stungs abgabe	Tempera- tür, ⁰C	kWh (Joule χ 10 )	Bemerkung
Vor erhitzung	5	70 %	74	0,165 (0,594)	—
Eintauchen	0,5	0 %	—	0,006 (0,022)	—.
Abfließen	5	0 %	—	0,058 (0,209)	—
Härtung 1	20	70 %	116	0,0662 (2,383)	naß
Härtung 2	15	70 %	127	0,496 (1,786)	klebrig
Härtung 3	15	80 %	149	0,566 (2,038)	nicht klebend
Härtung 4	5	88 %	160	0,210 (0,756)	gehärtet
insgesamt	65,5			2,163 (7,787)

Versuch B - Mikrowelle (kWh (Joule) variiert)

Vor	5	70
erhitzung	0,5	0
Eintauchen	5	0
Abfließen	10	80
Härtung 1	10	90
Härtung 2	3	90
Härtung 3	33,5
insgesamt

74

104

163

177

0,175 (0,630)

0,006 (0,022)

0,058 (0,209)

0,329 (1 ,184)

leicht klebrig

0,423 nicht (1,523) klebend

0,127 gehärtet (0,457)

1 ,168 (4,205)

130017/0S77

ORIGINAL INSPECTED

Tabelle 7 (Fortsetzung)

Versuch C - elektrischer Heizofen (Ofentemperatur 163°C/ Druckluft/3,953 kWh (14,231 χ 10⁶ Joule) durchschnittlich)

angewandte

kWh

_, ., Tempera- , , , Zeit, ^K (Joule

Min.

tur,

χ 10 ) Bemerkung

Vorerhitzung	5	54	0,329 (1,184)	—
Eintauchen	0,5	-	0,032 (0,115)	—
Abfließen	5	—	0,329 (1,184)	—
Härtung 'i	30	118	1 ,977 (7,117)	naß
Härtung 2	30	135	1 ,977 (7,117)	klebrig
Härtung 3	30	143	1 ,977 (7,117)	nicht klebend weich
insgesamt	100,5		(23,836)

Interessant fällt der Vergleich der angewandten Megajoule bei den beiden Mikrowellenhärtungen aus. Grundsätzlich wurde beim ersten Versuch, das heißt dem Versuch A in der Tabelle 7 die optimale Bedingung (Leistungsabgabe) für die schnellste Härtung nicht erreicht. Die für den Versuch A angegebenen Bedingungen könnten jedoch für bestimmte Anwendungszwecke erwünscht sein. Die Kosten für den Versuch A (Mikrowelle) waren höher als die geschätzten Kosten für Erdgas, während der Versuch B kosten-

1 30017/0577

036315

günstiger war als den mit Erdgas. In der Tabelle 8 ist die Wirtschaftlichkeit und der Energieverbrauch für jeden der drei Versuche angegeben.

Tabelle 8

Gewicht des Teiles Art des Drahtes

verwendeter Lack

Mikrowelle

4753 g

22 AWG
(0,643 mm)
18 1/2 AWG
(1,OO mm)

AQUANEL^OO
(Polyester)

elektrischer Heizofen

4753 g

22 AWG (0,643 mm) 18 1/2 AWG (1,00 mm)

AQUANEL⁰OOo (Polyester)

Wirtschaftlichkeit (siehe die Kraftstoff-Kostentabelle 1

für die Umwandlung)

elektrisch, Mikrowelle

- Versuch A -

elektrisch, Mikrowelle

- Versuch B -

elektrisch, Heizofen Erdgas, Heizofen Öl Nr. 2, Heizofen Öl Nr. 6*, Heizofen

angewandte- Joule χ 10	Kosten für die Härtung der 5 Teile (US-Währung)
7,788	$ 0,06099
4,2055	$ 0,03294
23,840	$ 0,18671
23,840	$ 0,05084
23,840	$ 0,08070
23,840	$ 0,04421

Öl Nr. 6 wird im allgemeinen in Kochern für die Erzeugung von Wasserdampf oder zum Erhitzen einer Wärmeaustauschflüssigkeit verwendet. Es wurde kein Versuch gemacht, diesen Wert in Bezug auf die Wärmeaustauschwirkung zu korrigieren.

130017/0577

3Q36315

Damit wird deutlich, daß elektrische Teile in einem Mikrowellenofen wirksam erhitzt werden können. Zum besseren Verständnis der Mikrowellenerhitzung wurden zwei weitere Grundtests durchgeführt.

Zuerst wurde ein fester Block aus Stahl in den Ofen gegeben. Es trat nur ein geringer oder kein Temperaturanstieg ein. Ein deutlicher Temperaturanstieg wurde jedoch beobachtet, wenn ein Statorkern, der kein Kupfer enthielt, in den Ofen gebracht wurde. Der Temperaturanstieg von 41 C war nicht so hoch wie bei Vorhandensein von Kupferwindungen.

Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, warum sich wärmehärtende synthetische Harze auf Metallspulen oder Verbundstoffen erfolgreich mit Mikrowellen härten lassen, scheint der Grund dafür darin zu liegen, daß beim Auftreffen eines Hochfrequenz-R-F-Feldes auf eine Metallschleife, sei es daß diese als ebenes Metallblech oder als Drahtschleife vorliegt, ein zirkulierender Strom induziert wird, der sich gegen die angewandte Magnetkomponente des R-F-Feldes richtet. Die Stärke dieses Stromes hängt von der Stärke des R-F-Feldes und dem Widerstand des Metalles ab. Bei Drahtspulen ergänzt die kapazitive Kopplung die Schleife und ermöglicht eine VJiderstandserhitzung des Drahtes in Beziehung

130017/0577

ORIGINAL INSPECTED

zur Dimension des Drahtes und der Anzahl der Windungen. Bei Verbundstoffen erklärt die Existenz des gegen das Kupfer gerichteten Magnetfeldes die beobachtete Erhitzung der Verbundstruktur. Die bei einem festen Block festgestellte geringere Erhitzung steht zu dem erhöhten Hauteffekt in Beziehung.

Im zweiten Versuch wurden die Windungen auf einer Kunststofftrommel aufgewickelt. Diese Stücke erhitzten sich ebenfalls sehr gut. Bei diesem Versuch wurden vier verschiedene Drahtarten verwendet, nämlich AWG-Draht Nr. 35, 31, 30 und 23 von 0,160, 0,274, 0,302 bzw. 0,643 mm. Für alle Versuche wurde die Leistungsabgabe konstant auf 40 % (etwa 0,350 kWh (1,26 χ 10⁶ Joule) im Ofenraum) gehalten. Alle Versuche wurden eine Minute lang durchgeführt. Fünf Spulen von jedem Draht wurden auf den Drehtisch aufgebracht, so daß jede während der Rotation im Ofenraum einen verschiedenen Bereich passierte.

Die Abbildung veranschaulicht dies.

In der Tabelle 9 gibt der Versuch 1 die Kupfergewichte für die voll umwickelten Trommeln wieder, während der Versuch 2 die Kupfergewichte nach der Entfernung mehrerer Windungen anzeigt. Die Spalte "Temperatur nach 2 Minuten"

130017/057 7 ORIGINAL INSPECTED

^036315

gibt die angenäherte Temperatur an, nachdem man zwei Minuten gewartet hatte, damit die Teile in ein Gleichgewicht kommen.

Versuch 1

Durchschnitt

Tabelle

36 AWG (0,160 mm)

Kupfer in

jeder Spule, g

27,6 27,4 27,3 26,7 27 3

27,3

Temperaturanstieg, °C

135 135 154 127 127

136

Temperatur nach 2 Min,

⁰C

93 93 93 93 93

Durchschnitt

31 AWG (0,274 mm)

Versuch 1	39,7	88	74
a)	40,8	107	74
b)	41,3	107	74
O	41 ,2	91	74
d)	39,1	91	74
e)

40,4 97

74

Durchschnitt

30 AWG (0,302 mm)

Versuch 1	49,7	85	74
a)	49,5	93	71
b)	49,5	96	74
c)	50,0	79	68
d)	49,6	77	68
e)

49,7

86

130017/0577

3Q36315

Versuch 1

Durchschnitt

Tabelle 9 (Fortsetzung)

	23	AWG (0,643 mm)	Temperatur nach 2 Min.
	in Γ	Temperatur	°C
Kupfer jede	g	anstieg, C	52
Spule ,		57	52
93.		60	52
93.		57	54
93.		63	52
93,		60
93,
,7
,7
,6
,9
,6

93,7

59

52

Durchschnitt

36 AWG (0,160 mm)

Versuch 2	19,4	>160	127
a)	19,4	>160	127
b)	19,3	^160	127
C)	18,3	>160	127
d)	19,3	>160	127
e)

19,1

>160

127

	31	21 ,4	AWG (0,274 mm)	93
Versuch 2		21 ,4		99
a)	21 ,0	160	93
b)	23,1	138	96
C)	21,1	121	82
d)	160
e)	121

Durchschnitt

21 ,2

140

93

	30 AWG	29,7	(0,302 mm)	93
Versuch 2		29,5		93
a)	29,5	132	93
b)	29,9	121	88
c)	29,6	116	88
d)	104
e)	99

Durchschnitt

29,6

114

91

13001 7/0577

- c'J -

Tabelle 9 (Fortsetzung)

	Kupfer jeder	23	AVJG (0,643 mm)	Temperatur nach 2 Min.
Versuch 2	Spule,			°C
	43,7 43,7 43,6 43,9 43,4	in	Temperatur	83 79 82 82 77
	43,7	g	anstieg, ⁰C	81
a) b) c) d) e)		104 107 110 99 99
Durchschnitt		104

Versuchsdauer nur 30 Sekunden mit 36 AWG infolge Schmelzens des Kunststoffes.

Be'i den Versuchen mit etwa dem gleichen Kupfergewicht ist der Temperaturanstieg etwa gleich, vgl. 30 AWG (0,302 mm) im Versuch 1 mit 23 AWG (0,643 mm) im Versuch 2. Bei Auftragung dieser Werte unter Verwendung der durchschnittlichen Gewichtswerte auf der Abszisse und des durchschnittlichen Temperaturanstieges unter Verwendung entweder der Anfangswerte oder der Werte nach 2 Minuten auf der Ordinate ist die Kurve nahezu hyperbolisch.

In weiteren Versuchen wurden andere Isolierlacke auf Spulen auf einer 25,4 mm Trommel aufgetragen, um die Wirkung der Mikrowellen festzustellen. In allen Fällen wurden die aufgetragenen flüssigen Lacke nach 4 Minuten bei einer Leistungsabgabe von 40 %=0,350 kWh (entweder

130017/0577 ORIGINAL INSPECTED

303S315

vollständig oder partiell gehärtet. Die endgültige Temperatur des Teiles betrug mehr als 149°C, was anzeigt:

1) daß das gesamte Lösungsmittel entfernt war, so daß die Temperatur des Teiles auf über 127°C steigen konnte;

2) die Temperatur des Teiles gut innerhalb des üblicherweise angewandten Härtungstemperaturbereiches lag.

Die einzelnen Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt:

verwendeter Lack

ISOLITE® 2991 (nicht katalysiert )

ISOLITE® 2991 (katalysiert mit 1 % TBP)

ISONEL^ 32E50

ISOPOXV®
433-50A

Dow DC-997

Klassifizierung

ungesättigter Polyester

phenolmodifizierter Polyester

phenolmodifiziertes Epoxyharz

Silikon

Temperatür, °C

Härtungszustand

gehärtet gehärtet gehärtet gehärtet klebrig

Im Falle des DC-997 ist die Klebrigkeit nicht unerwartet, da Silikone üblicherweise die vierfache Härtungszeit von phenolmodifizierten Polyestern erfordern.

130017/0577

Isolite 2991 ist eine Mischung aus ungesättigtem Polyester und reaktionsfähigem ungesättigtem Monomeren, nämlich einem Polyester, der aus dimerisierten Fettsäuren (Empol 1018), Propylenglykol und Maleinsäureanhydrid hergestellt ist, und Vinyltoluol als ungesättigtem Monomeren. Hierzu wird Glyceryl-tris-(12-hydroxystearat) als thixotropes Mittel gegeben sowie Resimene X-745. Das Isolite 2991 enthält etwa 60 % Feststoffe in Vinyltoluol als Lösungsmittel. Ferner sind geringe Mengen Hydrochinon und tert.-Butylkatechin als Polymerisationsinhibitoren enthalten .

Es ist völlig überraschend, daß diese Harzzusammensetzung ohne Katalysator härtet.

Isolite 2991, das mit 1 % tert.-Butylperoxid (TBP) katalysiert is-t, entspricht dem Isolite 2991 mit der Abweichung, daß 1 % TBP, bezogen auf das Gewicht der Harzlösung, vor der Anwendung des Produkts auf dem Draht zugegeben wurde.

Isonel 32E5C ist ein phenolmodifizierter Polyesterisolierlack, der einen Polyester aus Tallölfettsäure, Trimethylolethan, Isophthalsäure, Sojabohnenöl und Glycerin sowie ein Phenolharz aus Bisphenol-A, p-Alkylphenol und Formaldehyd, gelöst in einer Mischung aus Xylol und Lackbenzin

130017/0577

bis auf einen Feststoffgehalt von etwa 50 % enthält. Seine Viskosität beträgt 190 bis 245 cps bei einem Feststoffgehalt von 77 % in diesem Lösungsmittel.

Isopoxy 433-50A ist ein Isolierlack, der besonders für die hermetische Anwendung geeignet und aus einem Phenolharz und Epon 1007 (Bisphenol-A-Epichlorhydrin) hergestellt und in einer Mischung von n-Butanol, Monomethylether von Propylenglykol und Xylol gelöst ist. Feststoffgehalt etwa 50 % und eine Viskosität von T-V.

Dow DC-997 ist ein silikonharzhaltiger Isolierlack.

Die Erfindung ermöglicht auch die Herstellung miteinander verbindbarer Drähte. Solche Drähte bestehen zum Beispiel aus Kupferdraht, der mit einem Drahtlack, zum Beispiel Polyvinylformal (Formvar) oder einem Polyamidimidpolyester überzogen und mit einem Topcoat von Polyvinylbutyral (Butvar) oder einem anderen thermoplastischen Polymeren, zum Beispiel einem linearen Polyester, wie Polyethylenterephthalat (zum Beispiel Dacron) versehen ist. Der zu verbindende Draht wird als Spule aufgewickelt und dann den Mikrowellen ausgesetzt, um das Produkt zu erhitzen, damit der thermoplastische letzte Überzug fließt und angrenzende Teile der Spule verbindet.

130017/0577

In einem speziellen mit einem zu verbindenden Kupferdraht durchgeführten Beispiel wurde der Kupferdraht mit Formvar überzogen und darauf mit einem weiteren Überzug aus
phenolmodifiziertem Butvar versehen (p-Phenylphenol-Formaldehyd modifiziertes Polyvinylbutyral). Der Draht
wurde auf einer Kunststofftrommel aufgewickelt und in
einem Mikrowellenofen einer Leistungsabgabe von 0,268 kWh ausgesetzt. Nach 1 Minute im Ofen betrug die Temperatur
der Spule 157 C und nach 2 Minuten war der letzte Überzug weich geworden und verband Draht mit Draht.

Scha:kö

130017/0577

ι ³^-_t

Leerseite

Claims

UEXKÜLL & STOLBERG

: .-. ' 1 ·: · ." ■. .·. A L τ Ε D 200C HAMBURG 52

ί · KIiE ImL ί 'JBi. "ΕΑΝ PAH^-. ;.' ^; ι

DR J D FRHR von UEXKULL DR ULRICH GRAF STOlBERG DIPL ING JÜRGEN SUCHANTKE DIPL ING ARNULF HUBER DR ALLARD von KAMEKE DR KARL HEINZ SCHULMEYER

Schenectady Chemicals, Inc.

"lOth and Congress Streets Schenectady, N.Y./V.St.A.

(Prio: 4. Okt. 1979, US 081 901 - 16941)

September 1980

Verfahren zur Härtung von synthetischen Harzen mit Mikrowellen

Patentansprüche

₍ 1^ Verfahren zur Härtung von auf Metallteilen in Form einer Spule oder eines Metallverbundstoffes mit einem dazwischen liegenden Dielektrikum aufgebrachten synthetischen Harzen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Härtung durch Mikrowellen bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Mikrowellen von 900 bis 950 oder 2400 bis 2500 MHz anwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Mikrowellen von 2450 MHz anwendet.

13Q017/Q577
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische Harz einen Polyester enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyester aus einem zweiwertigen Alkohol,
einem dreiwertigen Alkohol und einer Dicarbonsäure hergestellt wurde.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyester aus Ethylenglykol, Glycerin oder tris-(2-Hydroxyethyl)-isocyanurat und einer Dicarbonsäure, nämlich Terephthalsäure oder Isophthalsäure hergestellt wurde.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Polyester aus einem ölfreien Polyester besteht
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyester aus einem ethylenisch ungesättigten Polyester besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ungesättigte Polyester in einem ethylenisch ungesättigten Monomeren gelöst ist.

130017/0577
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das ungesättigte Monomere aus Styrol, Butylstyrol, Methylmethacrylat, Vinyltoluol oder Diallylphthalat besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das ungesättigte Monomere aus Diallylphthalat und der Polyester aus einem ölmodifizierten Polyester besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der ölmodifizierte Polyester mit Tallölsäure modifiziert ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der ölmodifizierte Polyester mit Sojabohnenöl modifiziert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische Harz auf eine Spule aufgebracht ist.
15. Verfahren nach Anspruch14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus einer Kupferspule besteht.

130017/0577
ORiGIHAU

O 3 6 31S
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil, auf dem das synthetische Harz aufgebracht ist, Kupfer enthält.
17. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Drahtspule Mikrowellen aussetzt, die mit einem unter der Einwirkung der Mikrowellen weich werdenden, die Drähte der Spule verbindenden Überzug versehen ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus Kupferdraht besteht, der mit einem Drahtlack und einem Topcoat aus thermoplastischem Polymeren überzogen ist.

130017/0577

ORIGINAL INSPECTED