DE102019004836A1 - Process for stimulating or accelerating chemical reactions by applying electromagnetic radiation to the reaction mixture, whereby the activation energy is not supplied thermally, but rather directly in the intramolecular bonds to be broken through appropriate coordination with the reaction mixture, in that the electrons are excited by resonant electromagnetic excitation State to be transferred. - Google Patents
Process for stimulating or accelerating chemical reactions by applying electromagnetic radiation to the reaction mixture, whereby the activation energy is not supplied thermally, but rather directly in the intramolecular bonds to be broken through appropriate coordination with the reaction mixture, in that the electrons are excited by resonant electromagnetic excitation State to be transferred. Download PDFInfo
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Abstract
Anregung und/oder Beschleunigung von chemischen Reaktionen durch elektromagnetische Strahlung. Wobei das Reaktionsgemisch nicht oder höchstens geringfügig thermisch angeregt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die elektromagnetische Strahlung so auf die jeweilige Reaktion abgestimmt wird, dass sie direkt in die innermolekularen Bindungen, die für die Reaktion aufgebrochen werden müssen, einkoppelt. So wird die Aktivierungsenergie direkt dorthin gebracht wo sie gebraucht wird und nicht als Wärme willkürlich über das gesamte Reaktionsgemisch und die Umgebung verteilt. Durch die resonante elektronische Anregung kommt es direkt dazu, dass die Elektronen des Moleküls, die zu der jeweiligen Bindung gehören, in einen angeregten Zustand überführt werden. Es kommt nicht zu einer signifikanten Erhöhung der Temperatur und dies bei Wellenlängen oberhalb des sichtbaren Lichtes.Stimulation and / or acceleration of chemical reactions by electromagnetic radiation. The reaction mixture is not or at most slightly thermally excited. This is achieved by adapting the electromagnetic radiation to the respective reaction in such a way that it couples directly into the intramolecular bonds that have to be broken for the reaction. In this way, the activation energy is brought directly to where it is needed and not distributed as heat arbitrarily over the entire reaction mixture and the environment. The resonant electronic excitation directly results in the electrons of the molecule belonging to the respective bond being transferred into an excited state. There is no significant increase in temperature and this at wavelengths above visible light.
Description
Gemäß dem Stand der Technik existieren drei resonante Anregungsarten von Molekülen:
- a) erstens die resonante elektronische Anregung, bei denen die Elektronen des Moleküls von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand überführt werden,
- b) zweitens die resonante Vibrationsanregung, bei denen das Molekül in Schwingungen versetzt wird und
- c) drittens die resonante Rotationsanregung, bei denen das Molekül in eine Drehbewegung versetzt wird.
- a) first, the resonant electronic excitation, in which the electrons of the molecule are transferred from a ground state to an excited state,
- b) second, the resonant vibration excitation, in which the molecule is set in vibration and
- c) thirdly, the resonant rotational excitation, in which the molecule is set in a rotary motion.
Die beiden letztgenannten resonanten Anregungsarten (Vibrations- und Rotationsanregung) führen zu einer Erwärmung des mit einer elektromagnetischen Strahlung beaufschlagten Materials, da dadurch die Moleküle in eine Bewegung versetzt werden, die vereinfacht gesagt letztendlich zu einer Temperaturerhöhung in der bestrahlten Zone führt. Daher werden diese beiden Anregungsarten im Folgenden auch resonante thermische Anregung genannt.The two last-mentioned types of resonance excitation (vibration and rotation excitation) lead to a heating of the material exposed to electromagnetic radiation, as this sets the molecules in motion, which, in simple terms, ultimately leads to an increase in temperature in the irradiated zone. Therefore, these two types of excitation are also called resonant thermal excitation in the following.
Nach allgemein anerkannter Lehrbuchmeinung werden für die elektronische Anregung von Molekülen hochenergetische Strahlung wie beispielsweise elektromagnetische UV-/Vis-Strahlung benötigt, bei denen die Photonen eine Quantenenergie von einigen eV besitzen und die entsprechende Wellenlänge unter 700 nm, besser noch unter 300 nm, liegen sollte. Eine niedrigere Photonenenergie bzw. höhere Wellenlänge führt im Allgemeinen nicht zu einer elektronischen Anregung (vergleiche auch UV/Vis-Spektroskopie).According to generally accepted textbook opinion, high-energy radiation such as electromagnetic UV / Vis radiation is required for the electronic excitation of molecules, in which the photons have a quantum energy of a few eV and the corresponding wavelength should be below 700 nm, better still below 300 nm . A lower photon energy or higher wavelength generally does not lead to electronic excitation (compare also UV / Vis spectroscopy).
Außerdem wird gemäß Lehrbuchmeinung für die Vibrationsanregung von Molekülen elektromagnetische Strahlung aus dem nahen und mittleren IR-Bereich benötigt (Photonenenergie ca. 1 eV und Wellenlängen über 700 nm), damit die Moleküle anfangen zu schwingen (vergleiche auch IR-Vibrationsspektroskopie).In addition, according to the textbook opinion, electromagnetic radiation from the near and middle IR range is required for the vibration excitation of molecules (photon energy approx. 1 eV and wavelengths over 700 nm) so that the molecules start to oscillate (see also IR vibration spectroscopy).
Gemäß allgemeiner Lehrbuchmeinung sind für die Rotationsanregung elektromagnetische Strahlung aus dem fernen IR-Bereich (Photonenenergie weit unterhalb 1 eV und Wellenlängen weit über 2 µm) notwendig, damit das Molekül zur Rotation angeregt werden kann (vergleiche auch IR-Rotationsspektroskopie).According to general textbook opinion, electromagnetic radiation from the far IR range (photon energy well below 1 eV and wavelengths well over 2 µm) is necessary for rotational excitation so that the molecule can be excited to rotate (see also IR rotational spectroscopy).
Es ist aber auch bekannt, dass zahlreiche Ausnahmen existieren: beispielsweise können auch sehr stark delokalisierte -Elektronensysteme mittels IR-Strahlung elektronisch resonant angeregt werden, wie es beispielsweise bei aromatischen Systemen oft der Fall ist; oder durch Mehrphotonenprozesse kann man bei ausreichender Fluenz / Intensität auch aliphatische Moleküle mittels IR-Strahlung elektronisch resonant anregen. Außerdem kann man oft elektronische und Vibrationsanregung nicht eindeutig voneinander trennen, da oft eine elektronische Anregung zu einer Neuformierung der Elektronenwolke führt und somit sich die Ladungsverteilung innerhalb des Moleküls ändert, was schließlich zu einer Schwingungsbewegung des Moleküls führt. Daran lässt sich erkennen, dass bei einem angeregten Molekül eine eindeutige Trennung zwischen den einzelnen resonanten Anregungsarten oft nicht möglich ist.However, it is also known that there are numerous exceptions: for example, very strongly delocalized electron systems can also be excited electronically resonantly by means of IR radiation, as is often the case, for example, with aromatic systems; or by multi-photon processes, if the fluence / intensity is sufficient, aliphatic molecules can also be excited electronically by means of IR radiation. In addition, it is often not possible to clearly separate electronic and vibration excitation from one another, since electronic excitation often leads to a re-formation of the electron cloud and thus changes the charge distribution within the molecule, which ultimately leads to a vibrational movement of the molecule. This shows that, with an excited molecule, a clear separation between the individual resonant types of excitation is often not possible.
Weiterhin können Inhomogenitäten des bestrahlten Materials wie Dotierung, Verschmutzungen und zugeführte Additive eine Rolle bei der Absorption von eingestrahlter elektromagnetischer Strahlung spielen.Furthermore, inhomogeneities in the irradiated material such as doping, contamination and added additives can play a role in the absorption of irradiated electromagnetic radiation.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren konnte experimentell nachgewiesen werden, dass es mittels elektromagnetischer Strahlung aus dem Mikrowellen- und Hochfrequenzbereich (10 GH bis 300 TH) bei den verwendeten Klebstoffen zu einer nicht-thermischen resonanten Anregung kommt, d.h. durch die Beaufschlagung des Klebstoffsystems mittels Mikro- oder Hochfrequenzstrahlung werden die Klebstoffmoleküle (wahrscheinlich hauptsächlich) elektronisch resonant angeregt, und sie werden nicht thermisch angeregt. Anders ausgedrückt, durch die Beaufschlagung mit Mikro-oder Hochfrequenzstrahlung werden die Elektronen der Klebstoffmoleküle von einem unteren in einen höheren angeregten Zustand überführt, aber sie werden nicht in Form von Schwingungen und/oder Rotationen angeregt (und falls doch, dann überhaupt nur in einem sehr geringen Maße, das für diese Anwendung keine Rolle spielt). Dies steht im Widerspruch zur bereits weiter oben beschriebenen allgemeinen Lehrbuchmeinung. Aber wie bereits oben ebenfalls dargelegt, ist eine eindeutige Trennung zwischen den einzelnen resonanten Anregungsarten in der Praxis nicht immer möglich. So ein Fall scheint auch hier vorzuliegen, da die experimentellen Ergebnisse gezeigt haben, dass durch die Beaufschlagung des Klebstoffsystems mittels elektromagnetischer Strahlung aus dem Mikrowellen- oder Hochfrequenzbereich eine chemische Reaktion ausgelöst wird, die zu einer Verklebung führt, ohne dass sich die Temperatur merklich signifikant erhöht (eine Temperaturerhöhung um 10°C von 20°C auf 30°C wird in diesem Kontext als nicht relevant angesehen).With the method according to the invention it could be proven experimentally that by means of electromagnetic radiation from the microwave and high frequency range (10 GH to 300 TH) a non-thermal resonant excitation occurs in the adhesives used, ie by applying the adhesive system by means of micro or The adhesive molecules are excited electronically (probably mainly) by high frequency radiation, and they are not thermally excited. In other words, when micro- or high-frequency radiation is applied, the electrons of the adhesive molecules are transferred from a lower to a higher excited state, but they are not excited in the form of vibrations and / or rotations (and if they do, then only to a very great extent small dimensions that are irrelevant for this application). This contradicts the general textbook opinion described above. But as already explained above, a clear separation between the individual resonant types of excitation is not always possible in practice. Such a case seems to be the case here as well, since the experimental results have shown that exposure to the adhesive system with electromagnetic radiation from the microwave or high frequency range triggers a chemical reaction that leads to a bond without the temperature increasing significantly (A temperature increase of 10 ° C from 20 ° C to 30 ° C is not considered relevant in this context).
Die meisten bekannten chemisch reaktiven Klebesystemen haben einen in etwa linearen zeitlichen Zusammenhang zwischen der offenen Zeit, in der der Kleber verarbeitet werden kann und der Abbindezeit, die der Kleber benötigt, um aus zu reagieren und die feste Verbindung herzustellen. Um dieses Zeitverhältnis zu verändern, gibt es heute übliche Verfahren.Most known chemically reactive adhesive systems have an approximately linear temporal relationship between the open time in which the adhesive can be processed and the setting time that the adhesive needs to react and to establish the firm connection. Around To change this time relationship, there are now common procedures.
Zum einen kann der Klebstoff, nachdem die Fügeteile in die richtige Position gebracht wurden, erwärmt werden, was die Reaktionsgeschwindigkeit alle +10°C etwa verdoppelt.On the one hand, the adhesive can be heated after the parts to be joined have been brought into the correct position, which roughly doubles the reaction speed every + 10 ° C.
Beispielsweise ist es in der Holzwerkstoffplattenindustrie üblich, ein Klebesystem einzusetzen, dessen offene Zeit bei 20°C 60 Minuten oder mehr beträgt und bei 20°C eine Abbindezeit von 120 Minuten oder mehr benötigt. Um mit Presszeiten von 30 Sekunden bis zu 5 Minuten, je nach Plattendicke auszukommen, wird die gesamte Platte inclusive des Klebstoffes auf ca. 100°C erwärmt, wodurch sich die Reaktionsgeschwindigkeit um das ca. 256 zigfache erhöht.For example, it is common in the wood-based panel industry to use an adhesive system whose open time is 60 minutes or more at 20 ° C. and a setting time of 120 minutes or more at 20 ° C. In order to get by with pressing times of 30 seconds up to 5 minutes, depending on the panel thickness, the entire panel including the adhesive is heated to approx. 100 ° C, which increases the reaction speed by approx. 256 tens of times.
Zum Erwärmen des Klebstoffes ist viel Energie nötig, da es sich nicht vermeiden lässt, dass auch die umgebenden Fügeteile und Produktionsanlagen miterwärmt werden. Außerdem sind Grenzen gesetzt bei dem, was die Fügeteile oder das Verfahren an Temperaturen vertragen. So ist in der Holzwerkstoffplattenindustrie die Grenze die Verdampfungstemperatur von Wasser, 100°C. Über 100 C lässt der Dampfdruck die fertige Platte platzen.A lot of energy is required to heat the adhesive, since it cannot be avoided that the surrounding parts to be joined and production systems are also heated. In addition, there are limits to what the joining parts or the process can tolerate in terms of temperatures. In the wood-based panel industry, for example, the limit is the evaporation temperature of water, 100 ° C. Above 100 C, the steam pressure causes the finished panel to burst.
Zum anderen kann man bestimmte Klebstoffe mit UV-Licht bestrahlen, um sie schneller auszuhärten.On the other hand, certain adhesives can be irradiated with UV light in order to cure them more quickly.
UV-Licht wird beispielsweise eingesetzt in der Zahnmedizin, bei künstlichen Fingernägeln und beim Kleben auf Glas.UV light is used, for example, in dentistry, on artificial fingernails and when gluing on glass.
Mit UV-Licht ist der Kleber nur optisch erreichbar und die Eindringtiefe ist sehr begrenzt. Daher werden Füllungen, die mit UV-Licht gehärtet werden, in der Zahnmedizin in dünnen Schichten aufgebaut. Beim Kleben auf Glas kann das UV-Licht durch das durchsichtige Glas den Kleber erreichen; sind beide zu verklebenden Fügeteile für UV-Licht undurchlässig, so lassen sie sich so nicht verbinden.The adhesive can only be reached visually with UV light and the penetration depth is very limited. This is why fillings that are hardened with UV light are built up in thin layers in dentistry. When gluing on glass, the UV light can reach the glue through the transparent glass; if both parts to be bonded are impermeable to UV light, they cannot be connected in this way.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine kostengünstige, vielseitig einsetzbare und leicht zu handhabende Alternative, die die Nachteile von Erwärmen oder UV-Bestrahlung nicht aufweist.The method according to the invention is an inexpensive, versatile and easy-to-use alternative that does not have the disadvantages of heating or UV radiation.
Erfindungsgemäß ist somit ein Verbinden, insbesondere Verkleben, eines ersten Fügeteils mit einem zweiten Fügeteil mittels eines ein- oder mehrkomponentigem Klebesystems vorgesehen. Das Klebesystem wird auf das erste Fügeteil und/oder das zweite Fügeteil aufgetragen und die Fügeteile werden dann in ihre vorgesehene Position gebracht. Eine Reaktion der Komponenten miteinander beginnt zumeist schon mit dem Vermischen der Komponenten, eine Reaktion mit den Fügeteilen beginnt mit dem Auftragen auf die Fügeteile. Mittels der elektromagnetischen Welle, welche ein oder beide Fügeteile durchdringt, wird mit der auf die chemischen Komponenten abgestimmten Frequenz den reaktiven Gruppen der Moleküle gezielt Energie zugeführt ohne den Klebstoff und umgebenden Fügeteile merklich signifikant zu erwärmen. Die elektromagnetische Welle koppelt direkt in der chemischen Bindung, die getrennt werden muss ein. Dadurch wird die chemische Reaktion der Komponenten des Klebstoffes ausgelöst und/oder beschleunigt. Die chemische Reaktion wird beschleunigt dadurch, dass die elektromagnetische Schwingung direkt auf die reaktiven Bindungen innerhalb der Moleküle des Klebstoffes einwirkt.According to the invention, a connection, in particular gluing, of a first joining part with a second joining part by means of a one- or multi-component adhesive system is provided. The adhesive system is applied to the first assembly part and / or the second assembly part and the assembly parts are then brought into their intended position. A reaction of the components with one another usually begins with the mixing of the components, a reaction with the parts to be joined begins with the application to the parts to be joined. By means of the electromagnetic wave that penetrates one or both parts to be joined, energy is supplied to the reactive groups of the molecules in a targeted manner at a frequency tuned to the chemical components without noticeably significant heating of the adhesive and the surrounding parts to be joined. The electromagnetic wave couples directly into the chemical bond that has to be separated. This triggers and / or accelerates the chemical reaction of the components of the adhesive. The chemical reaction is accelerated because the electromagnetic oscillation acts directly on the reactive bonds within the molecules of the adhesive.
Viele chemische Prozesse lassen sich auf diese Weise beeinflussen. Voraussetzung ist lediglich, dass die Bindung innerhalb der Moleküle einer oder mehrerer Ausgangsstoffe mit Hilfe Ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden können, um die Bindungskräfte herab zu setzen.Many chemical processes can be influenced in this way. The only requirement is that the bond within the molecules of one or more starting materials can be excited with the aid of their resonance frequency in order to reduce the binding forces.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Fügeteile in besonders einfacher und kostengünstiger Weise montiert bzw. verklebt werden.With the method according to the invention, parts to be joined can be assembled or glued in a particularly simple and cost-effective manner.
Eine Erwärmung innerhalb des Klebesystems und insbesondere in den Fügeteilen durch die elektromagnetische Welle findet nicht merklich signifikant statt. Die Beschleunigung des chemischen Prozesses wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur unwesentlich durch Erwärmung hervorgerufen, sondern ist im Wesentlichen die resonante elektronische Anregung zurück zu führen.There is no noticeably significant heating within the adhesive system and in particular in the parts to be joined by the electromagnetic wave. In the method according to the invention, the acceleration of the chemical process is only caused to an insignificant extent by heating, but is essentially due to the resonant electronic excitation.
Die elektromagnetischen Wellen die erfindungsgemäß den gewünschten Effekt hervorrufen liegen in einem Frequenzbereich zwischen 10 GHz und 300 THz. Wobei bevorzugt Frequenzen aus einem Frequenzbereich zwischen 10 GHz und 30 GHz eingesetzt werden.The electromagnetic waves that produce the desired effect according to the invention are in a frequency range between 10 GHz and 300 THz. Frequencies from a frequency range between 10 GHz and 30 GHz are preferably used.
Es lassen sich auf diese Weise eine Vielzahl von Reaktionen anregen und/oder beschleunigen und teilweise auch steuern. Experimentell bewiesen wurde die Beschleunigung von Polyurethanreaktionen. Das Isocyanat mit seiner Cyanat-Gruppe (R-N=C=O) und das Polyol mit seiner Hydroxygruppe (R-O-H) läßt sich auch durch andere Materialien hindunr gut mit Hilfe der elektromagnetischen Welle anregen. Die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht sich um ein Vielfaches mehr, als dies durch Erwärmung zu erklären wäre.In this way, a large number of reactions can be stimulated and / or accelerated and in some cases also controlled. The acceleration of polyurethane reactions has been proven experimentally. The isocyanate with its cyanate group (R-N = C = O) and the polyol with its hydroxyl group (R-O-H) can also be excited by other materials with the help of electromagnetic waves. The reaction speed increases many times more than can be explained by heating.
Bei den erfindungsgemäßen Frequenzen kann die elektromagnetische Welle die meisten Materialien gut durchdringen, so dass die Welle durch die Fügeteile hindurch den Klebstoff gut erreichen kann. Schlecht durchdrungen werden Metalle, so dass das Verfahren zum Verkleben von zwei Metallkörpern aneinander schlecht geeignet ist.At the frequencies according to the invention, the electromagnetic wave can penetrate most materials well, so that the wave can easily reach the adhesive through the parts to be joined. Metals are badly penetrated, so that Method for gluing two metal bodies to one another is poorly suited.
Alle reaktiven chemischen Gemische haben ihre eigenen optimalen Frequenzen, Eigenfrequenzen, Resonanzfrequenzen bei denen der Effekt erzielt wird. Die optimale Frequenz, Resonanzfrequenz lässt sich theoretisch berechnen; sie wird jedoch in der Praxis durch die Fügeteile die durchdrungen werden müssen und die verschiedenen Komponenten des Klebesystems beeinflusst, so dass sich empirisch herauszufinden eventuell abweichende Frequenz mit noch einem höheren Effekt finden lassen.All reactive chemical mixtures have their own optimal frequencies, natural frequencies, resonance frequencies at which the effect is achieved. The optimal frequency, resonance frequency can be calculated theoretically; In practice, however, it is influenced by the parts to be joined that have to be penetrated and the various components of the adhesive system, so that it is possible to empirically find out any deviating frequencies with an even higher effect.
Die bereits bekannten Systeme mit einer Frequenz von 2,45 GHz basieren nicht auf dem Effekt, der der Erfindung zugrunde liegt, sondern basieren auf der Absorption der Energie der Welle durch alle vorhandenen Komponenten, insbesondere auch durch vorhandenes Wasser und die damit verbundene Erwärmung des Klebstoffes. Bei dem Erfindungsgemäßen Verfahren wird keine oder nur eine sehr geringe Erwärmung erreicht. Es wird die Energie der elektromagnetischen Welle vielmehr direkt der chemischen Bindung die sich in dem Reaktionsprozess ändern soll zugeführt. Die notwendige Energie ist damit weniger als ein Zehntel der Energie, die für dieselbe Beschleunigung benötigt wird, wenn man diese durch Erwärmen erreichen will.The already known systems with a frequency of 2.45 GHz are not based on the effect on which the invention is based, but are based on the absorption of the energy of the wave by all the components present, in particular also by the water present and the associated heating of the adhesive . In the method according to the invention, no or only very little heating is achieved. Rather, the energy of the electromagnetic wave is fed directly to the chemical bond that is supposed to change in the reaction process. The energy required is therefore less than a tenth of the energy required for the same acceleration if you want to achieve it by heating.
Als Reaktionsgemische kommen insbesondere in Betracht:
- • ein Polyurethan-Klebesystem oder ein Polyurethan-Schaumsystem,
- • ein Isocyanat vermengt mit zellulosehaltigen Partikeln oder Fasern,
- • ein Formaldehydharnstoffharzsystem,
- • ein Melaminharzsystem,
- • ein Methylmethacrylat-Klebstoff,
- • ein Epoxidharz-Klebstoff oder
- • Silikone.
- • a polyurethane adhesive system or a polyurethane foam system,
- • an isocyanate mixed with cellulose-containing particles or fibers,
- • a formaldehyde urea resin system,
- • a melamine resin system,
- • a methyl methacrylate adhesive,
- • an epoxy resin adhesive or
- • Silicones.
Das in der Patentanmeldung
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Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt weniger als ein Zehntel der Energie, die in allen vorgenannten Verfahren benötigt wird.The method according to the invention requires less than a tenth of the energy that is required in all of the aforementioned methods.
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 10037884 A1 [0027]DE 10037884 A1 [0027]
- US 4083901 A [0028]US 4083901 A [0028]
- DE 102013003612 A1 [0029]DE 102013003612 A1 [0029]
- WO 88/09712 [0030]WO 88/09712 [0030]
- DE 102005051637 A1 [0031]DE 102005051637 A1 [0031]
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| DE102009002231A1 (en) * | 2009-04-06 | 2010-10-07 | Wacker Chemie Ag | Self-adherent Pt-catalyzed addition-crosslinking silicone compositions at room temperature |
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Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Kappe, C. O.; Pieber, B.; Dallinger, D.: Microwave Effects in Organic Synthesis: Myth or Reality? In: Angew. Chem Int. Ed. 2013, Vol. 52, S. 1088-1094. - ISSN 1521-3773 * |
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