DE2508562A1

DE2508562A1 - Vorrichtung zum erwaermen polarer polymere auf ihre plastizitaetstemperatur

Info

Publication number: DE2508562A1
Application number: DE19752508562
Authority: DE
Inventors: Jean Chauffoureaux
Original assignee: Solvay SA
Current assignee: Solvay SA
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1975-09-11
Also published as: BE826209A; US4003554A; GB1478784A; LU69549A1; FR2263089B1; FR2263089A1

Description

PAT E N T A N WA LT E

DR. ING. A. VAN DERWERTH DR. FRANZ LEDERER

(1934-1974) 8 MÖNCHEN 80

LUCILE-ORAHN-STR 22 TEL. (089)47 29 47.

14. Februar 1975 M/ta

S .74/2

Solvay & Cie., 33, rue du Prince Albert,1050 Brüssel/Belgien

Vorrichtung zum Erwärmen polarer Polymere auf ihre Plastizitatstemperatur

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen polarer Polymere auf ihre Plastizitätstemperatur unter Ausnutzung der gegenseitigen Wirkung zwischen dem dipolaren elektrischen Moment der Polymere und dem zu einer Mikrowelle gehörenden elektromagnetischen Feld.

Mikrowellen, d.h. elektromagnetische Wellen, deren Wellenlängen zwischen denjenigen von Radiowellen und denjenigen von Infrarotwellen liegen, sind bereits mit einem gev/issen Erfolg zum Erwärmen diverser Materialien verwendet worden.

Des weiteren sind bereits Mikrowellen- Herde zum Wiederaufwärmen und Kochen von Nahrungsmitteln vorgeschlagen worden. Da sich die Wellenlänge dieser Mikrowellen in der Größenordnung von Zentimetern hält, können diese Strahlungen im rohr- bzw. schlauchförmigen WeIlenführungen geführt werden und stationäre Wellen in geschlossenen oder halbgeschlossenen Hohlräumen, wie

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_M O ·.

beispielsweise Herden, bilden.

In jüngster Zeit sind des weiteren auch bereits Tunnelofen vorgesehen worden, die mit Erfolg zum Trocknen oder Gelieren wässriger oder anderweitiger Lösungen polaren Kunststoffs verwendet worden sind, die auf provisorischen oder endgültigen Trägern aufgebracht waren.

Die Verwendung dieser Wellen als Heizmittel für polare Materialien bietet in der Tat bestimmte Vorteile gegenüber Strahlungen weniger hoher Frequenzen, die bisher im großen Umfang verwendet worden sind.

So ist beispielsweise die Energieabsorption durch das behandelte Material höher, da diese Absorption im Verhältnis einer Umkehrfunktion zur Wellenlänge steht. Darüber hinaus müssen sich die Elektroden nicht in der Heizzone befinden.

Die Mikrowellen stellen somit ein sehr interessantes Heizmittel dar, und ihre Verwendung bei üblichen Vorrichtungen zur Herstellung von Polymeren, beispielsweise bei Extrudern oder anderweitigen Plastifizierungs- oder Gelierungsvorrichtungen, ist also im hohen Maße wünschenswert.

Dennoch wurde bisher die Zuhilfenahme von Mikrowellen als Heizmittel bei den klassischen Vorrichtungen nie vorgesehen, wahrscheinlich, weil die Fachv/elt angenommen hat, daß die bei diesen Vorrichtungen vorgesehene Schnecke jede Möglichkeit zur Ausnutzung dieser Strahlungen ausschließen würde.

Darüber hinaus sind Mikrowellen für die Verarbeitung von Polymeren in zu diesem Zweck besonders bekannten Vorrichtungen überhaupt noch nie verwendet worden. Tatsächlich muß ein sehr bedeutungsvolles Phänomen berücksichtigt werden, wenn das Erwärmen bestimmter polarer Polymere, beispielsweise der Polyviny-Ie, mit Hilfe elektromagnetischer Strahlungen in Betracht gezogen wird. Es ist in zahlreichen Fällen festgestellt worden,

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daß die Kapazität der Energieabsorption dieser Materialien mit ihrer Temperatur zunimmt. Dies führt dazu, daß dann, wenn die Ausgangstemperatur dieser Produkte aus irgendeinem Grund heterogen ist, die Energieabsorption an den wärmsten Punkten die intensivste ist. Dies führt zu einer bevorzugten Erwärmung der warmen Punkte, welche Erwärmung unter Berücksichtigung der geringen thermischen Leitfähigkeit dieser Materialien schnell zu einem thermischen Abbau führt, insbesondere dann, wenn das Material wärmeempfindlich ist.

Da es darüber hinaus während und damit wegen der Weiterbewegung einer Mikrowelle in einer Wellenführung nicht möglich ist, eine konstante Energieverteilung in jedem Punkt des zur Wellenführung rechtwinkeligen Querschnitts zu erreichen, führt eine Bewegung des zu erwärmenden Materials mit einer konstanten Geschwindigkeit in der Wellenführung unvermeidbarerweise zu vorzugsweise lokalen überhitzungen, die sich verstärken und eine Gefahr für den Abbau des behandelten Materials darstellen.

So wurde beispielsweise ganz generell festgestellt, daß bei der Hindurchführung eines polaren Polymers mit einer konstanten linearen Geschwindigkeit durch eine geradlinige Wellenführung mit kreisförmigem Querschnitt, die von einem Mikrowellengenerator aus versorgt und derart bemessen ist, daß sich lediglich der Wellentyp mit der größten Wellenlänge ausbreiten kann, der zentrale Teil der Strömung die Tendenz besitzt, sich stärker als der Umfang zu überhitzen, und daß diese Differenz dann, wenn sie einmal begonnen hat sehr schnell zunimmt. Diese Phänomene sind offensichtlich äußerst nachteilig, wenn die Zuhilfenahme von Mikrowellen zur Erwärmung eines polaren Polymers beabsichtigt ist, wobei dieses durch eine Wellenführung hindurchbewegt wird.

Durch die vorliegende Erfindung ist jetzt eine Vorrichtung geschaffen, die es möglich macht, ein polares Polymer mit Hilfe von

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Mikrowellen während seiner Hindurchbewegung durch eine Wellenführung homogen zu erwärmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zum Erwärmen polarer Polymere auf ihre Plastizitätstemperatur, wobei diese Vorrichtung gekennzeichnet ist durch einen Mikrowellengenerator, durch ein rohrförmiges Element als Führung für die Wellen bezüglich des Generators, durch Mittel zur Speisung des- rohrförmigen Elementes mit polarem Polymer und zur Hindurchbewegung durch das rohrförmige Element und durch mindestens eine im Inneren des rohrförmigen Elementes fest angeordnete Kneteinrichtung.

Vorzugsweise gehört der Mikrowellengenerator zu dem mit einem Magnetron oder einem Klystron ausgestatteten Typ. Es ist selbstverständlich, daß, sofern dies gewünscht wird, mehrere miteinander in Verbindung stehende und an in Abständen voneinander angeordneten Stellen des rohrförmigen Elementes angeordnete Generatoren verwendet werden können. In diesem Fall ist jedes Element der Reihe des vorangehenden Generators einerseits und des nachfolgenden Generators andererseits isoliert, und zwar mittels einer tafelförmigen Einrichtung mit großen Löchern oder mittels eines Reflexionselementes für die Welle. Die von diesem Generator oder diesen Generatoren ausgestrahlte Mikrowelle ist vorzugsweise polarisiert. Ihre Frequenz liegt im allgemeinen

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zwischen 10 und 10 Hz.

Das als Wellenführung dienende rohrförmige Element ist vorzugsweise geradlinig ausgebildet und besitzt einen konstanten kreisförmigen Querschnitt. Es ist von einem Rohr aus einem elektrisch leitfähigen Material und insbesondere aus Metall gebildet. Seine Geometrie wird derart gewählt, daß sich lediglich der Wellentyp TE..,dessen elektrische Feldkomponente in der Ausbreitungsrichtung der Welle 0 ist, durch das rohrförmige Element hindurch ausbreiten kann. Für die Berechnung der Wellenführung stellen "Waveguide Handbook" herausgegeben von N. Marcuvitz, Mc Grawhill Book Cv Ltd. 1951 und "Microwave Transmission Circuits", herausgegeben von G.L. Ragandover

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Publications Incorp. 1965 nützliche Werke dar.

Die Mittel zur Speisung des rohrförmigen Elementes mit polarem Polymer und zur Weiterbewegung des letzteren durch das als Wellenführung dienende rohrförmige Element hindurch, können beliebiger Art sein. Des weiteren läßt sich zu diesem Zweck ein Speisung- bzw. Versorgungssystem mit einer Schnecke oder einem Schiebekolben verwenden, das bzw. der mit einem Vorratsbehälter in Verbindung steht. In vorteilhafter Weise kann dieses Versorgungssystem mit klassischen Heizmitteln ausgestattet werden, und zwar in Hinblick auf die Einleitung der Erwärmung der polaren Polymere bereits in diesem Stadium ihrer Behandlung.

Zur Vermeidung einer heterogenen und somit fehlerhaften Erwärmung des polaren Polymers während seiner Weiterbewegung in dem rohrförmigen Element wird das Material einer Knetung mittels eines ortsfesten, mechanischen Systems unterzogen, welches das mit der Mikrowelle in Verbindung stehende elektromagnetische Feld nicht stört.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird diese Knetung mittels mindestens einer statischen Kneteinrichtung erreicht, die von einer dünnen und verlängerten Trennwand gebildet, die das rohrförmige Element diametral in zwei separate Kanäle unterteilt. Diese Trennwand besitzt vorteilhafterweise die Form einer spiralförmigen Fläche, deren Erzeugende die Durchmesser der Querschnitte des rohrförmigen Elementes sind. Mit anderen Worten ausgedrückt, besitzen diese statischen Elemente die Form einer spiralförmigen Fläche, die durch die gleichzeitige Translationsund Rotationsbewegung eines Durchmessers des als Wellenführung dienenden rohrförmigen Elementes erzeugbar ist und sich auf der

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Achse des rohrförmigen Elementes abstützt.

Das besondere Profil dieser Trennwand und ihre Länge werden in Hinblick darauf gewählt, daß eine Inversion bzw. Umlenkung des Materialstroms hervorgerufen wird. Das Material, das sich der Wand des als Wellenführung dienenden rohrförmigen Elements gegenüber am Eingang der Kneteinrichtung befindet, wandert in Richtung auf das Zentrum und anschließend wiederum in Richtung auf die Wand.

Wenn die polarisierte Welle, die sich entsprechend dem Wellentyp TE., in dem rohrförmigen Element weiterbewegt,auf eine statische Kneteinrichtung auftrifft, d.h. auf eine,metallische Trennwand, die die Wellenführung in zwei gleiche Teile unterteilt, können zwei extreme Situationen eintreten.

Im ersten Fall verlaufen die Kraftlinien des elektrischen Feldes rechtwinkelig zur Trennwand und die Kraftlinien des Magnetfeldes tangential hierzu. In diesem Fall sind die Grenzbedingungen der Ausbreitung der Felder stets erfüllt, und kann die Welle sich ohne erhebliche Störung und ohne Schwächung ausbreiten. Der statischen Kneteinrichtung steht zwecks ihrer Drehung ausschließlich die Polarisationsebene der Welle entsprechend dem Profil der Spirale zur Verfügung. Somit dreht sich die Polarisationsebene der Welle, wenn diese Einrichtung einen Rotationswinkel von 180° besitzt, ebenfalls um 180 . Dennoch ist es zweckmäßig, die Ganghöhe der Spirale zu beschränken, um das Auftreten einer reflektierten Komponente zu vermeiden.

In dem zweiten Fall verlaufen die Kraftlinien des elektrischen Feldes tangential zur Trennwand und die Kraftlinien des Magnetfeldes rechtwinkelig hierzu. In diesem Fall kann sich die Welle nicht mehr ausbreiten, da es keine Komponente der Felder gibt, die den Grenzbedingungen entspricht.

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Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, die Polarisationsebene der Welle genau derart zu wählen, daß sie sich unter den günstigsten Bedingungen für ihre Bewegung zu der statischen Kneteinrichtung darbietet (erster angegebener Fall) und experimentell die günstigste Ganghöhe der Spirale festzulegen.

Zur Erreichung einer sehr intensiven Knetwirkung und damit einer sehr homogenen Gelierung oder Plastifizierung ist es häufig vorteilhaft, mehrere statische Kneteinrichtungen vorzusehen, die in einer Reihe und in geringen gegenseitigen Abständen angeordnet sind. In diesem Fall ist es vorzuziehen, die aufeinander^folgenden statischen Kneteinrichtungen derart anzuordnen, daß die Trennwand am Eintritt jeder nachfolgenden Einrichtung um einen Winkel von 90° zur Trennwand am Ausgang der vorhergehenden Einrichtung angeordnet ist.

Des weiteren ist es für diesen Fall vorteilhaft, daß die Trennwände der aufeinanderfolgenden Einrichtungen Spiralen entgegengesetzter Steigung beschreiben.

Unter Berücksichtigung dieser verschiedenen Bedingungen werden dem behandelten Material aufeinanderfolgende Behandlungen zur Teilung des Materialstroms, zur Umlenkung des Abfließsinnes und zur Umkehr des Materialstroms aufgezwungen, die einen wirkungsvollen Beitrag zur Verstärkung der Knetwirkung leisten.

Da in diesem besonderen Fall jedoch die statischen Kneteinrichtungen um 90 versetzt sind, kann die polarisierte Welle, die sich genau durch eine Einrichtung hindurchbewegt, ihrer Bahn in der nachfolgenden Einrichtung nicht folgen, da es keine Komponente der Felder gibt, die den Grenzbedingungen entspricht. Damit diese Welle dieses Hindernis überwinden kann, ist es also erforderlich, daß ihre Polarisationsebene um 90°gedreht

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wird, bevor sie in die nachfolgende Einrichtung eintritt. Zur Erreichung dieses Ergebnisses ist es somit zweckmäßig, zwischen aufeinanderfolgenden Kneteinrichtungen Elemente vorzusehen, die in der Lage sind, eine derartige Rotation der Polarisationsebene der Welle zu bewirken.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Elemente von ebenen Deflektoren in der Form eines rechtwinkeligen Dreiecks gebildet , dessen eine Kathete einem der Enden einer der Kneteinrichtungen benachbart ist und diese verlängert und dessen andere Kathete sich auf der Innenwand des rohrförmigen Elements abstützt.

Auf diese Weise verteilt sich die polarisierte Welle, die auf diese dreieckigen Flächen trifft, fortschreitend in zwei Komponenten entgegengesetzter Phasen, deren Polarisationsebenen um + und um - 90 verdreht worden sind. Dies führt dazu, daß sich die Welle dann durch die nachfolgende statische Kneteinrichtung hindurch ausbreiten kann. Im allgemeinen ist zu bevorzugen, daß die vom Eintritt aus jeweils zweiten statischen Kneteinrichtungen je mit einer ebenen,dreieckigen Trennwand an ihren beiden Enden ausgestattet sind.

Die Länge der Basis dieser dreieckigen Deflektoren muß experimentell bestimmt werden, um die Reflexion der Welle auf diesen Flächen maximal zu begrenzen.

Es ist des weiteren empfehlenswert, den nützlichen Teil des zur Wellenführung dienenden rohrförmigen Elements elektrisch zu isolieren, wobei an seinen Enden Isolierwände, beispielsweise metallische Tafeln mit großen Löchern vorgesehen werden, die das zu behandelnde Material leicht hindurchtreten lassen

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und eine Reflexionsebene für die Mikrowelle bilden.

Der Ausgang des rohrförmigen Elementes kann darüber hinaus mit einem Kopf zum Profilieren des plastifizieren Polymers, beispielsweise in der Form eines runden oder flachen Ziehsteins ausgestattet sein, dies derart, daß die direkte Herstellung hohler oder voller Profile beliebigen Querschnitts möglich ist. Dieser Profilkopf ist hinter der isolierten Trennwand angeordnet, wodurch die elektrische Isolierung des rohrförmigen Elementes sichergestellt ist.

Entsprechend einer bevorzugten Ausfuhrungsform kann der Profilierungskopf in vorteilhafter Weise vor einer Knetschnecke angeordnet sein, wobei beispielsweise eine Versetzung dieser Schnecke um 90 in Hinblick auf das rohrförmige Element vorgesehen wird. Diese Schnecke ist also zwischen die abschließende Isoliertrennwand des als Wellenführung dienenden rohrförmigen Elements und dem Profilierungskopf eingebaut. Diese Schnecke hat insbesondere die Aufgabe, die Vergleichmäßigung der Temperatur des behandelten Materials durch Kneten zu bewirken. Darüber hinaus kann dieser Bereich der Vorrichtung in vorteilhafter Weise zur Entgasung des gelierten Kunststoffs benutzt werden. Schließlich kann diese Schnecke die Druckenergie aufbringen, die benötigt wird, um die endgültige Form des Materials mittels des Profilierungskopfes auszubilden und somit die stromaufwärts des als Wellenführung dienenden rohrförmigen Elements gelegene Versorgungseinrichtung zu entlasten.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Bezugnahme auf die einzige Figur erläutert, in der eine für die Praxis geeignete Ausführungsform schematisch und im Schnitt dargestellt ist. Entsprechend dieser ausschließlich beispielhaft zu verstehenden Figur ist das wesentliche Element der erfindungsgemäßen Gelierungsvorrichtung von dem als Wellenführung dienenden

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rohrförmigen Element 1 gebildet, das mit einem industriellen Mikrowellengenerator 2 in Verbindung steht.

Eine Speisung- bzw. Versorgungseinrichtung 3, die mit einer Schnecke 4 und mit einem Vorratsbehälter 5 ausgestattet ist, ist an- das als Wellenführung dienende rohrförmige Element 1 über eine Platte mit großen Löchern 6 angeschlossen, die die Versorgungseinrichtung 3 gegenüber der Wellenführung elektrisch isoliert.

Der nützliche Teil der Wellenführung ist innenseitig mit einer Serie von in Abständen voneinander angeordneten statischen Kneteinrichtungen 7,8 ausgestattet. Die Einrichtungen sind von einer verlängerten Trennwand gebildet, die das rohrförmige Element diametral in zwei voneinander getrennte Kanäle unterteilt. Die beschriebene Trennwand ist eine Spirale, deren Drehwinkel zwischen dem Eintritt und dem Austritt 180° mißt. Des weiteren ist zu ersehen, daß die Trennwand am Eintritt 10 jeder statisehen Einrichtung um 90 gegenüber der Trennwand Austritt/der "vorhergehenden Einrichtung" versetzt ist. Schließlich sind beide Enden jeder zweiten Einrichtung 8 je mit einem ebenen, dreieckigen Deflektor 9 ausgestattet, dessen Aufgabe darin besteht die Polarisationsebene der von dem Generator 2 ausgestahlten Mikrowelle um 90 zu verdrehen.

Das Ende des rohrförmigen Elementes ist mit einem Ziehstein 12 ausgestattet, der gegenüber diesem Element unter Zwischenschaltung einer Platte mit großen Löchern 13 elektrisch isoliert ist.

Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist folgende: Das polare Polymer, das vorzugsweise vorerwärmt und mit seinen Additiven in einem nicht dargestellten schnellen Mischer gemischt worden ist, wird in dem Vorratsbehälter 5 eingeführt und von der Schnecke 4 durch das als Wellenführung dienende rohrförmige Element hindurchgedrückt. Während seiner Bewegung

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in der Wellenführung wird das Material mittels der von dem Generator 2 ausgestrahlten Mikrowelle erwärmt und von den statischen Kneteinrichtungen 7,8 intensiv geknetet. Das so in homogener Weise plastifizierte oder gelierte Material wird dann beim Durchgang durch den Ziehstein 12 ausgeformt .

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Claims

P atentansprüche

Vorrichtung zum Erwärmen polarer Polymere auf ihre Piastizitätstemperatur, gekennzeichnet durch einen Mikrowellengenerator (2) , durch ein rohrförmiges Element (1) als Führung für die Mikrowellen bezüglich des Generators (2),durch Mittel (4,5) zur Speisung des rohrförmigen Elements (1) mit polarem Polymer und zur Hindurchbewegung durch das rohrförmige Element (1) und durch mindestens eine im Inneren des rohrförmigen Elements (1) fest angeordnete Kneteinrichtung (7,8).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element (1) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und daß die Kneteinrichtung (7,8) von einer Trennwand gebildet ist, die das rohrförmige Element (1) in zwei separate Kanäle unterteilt und die Form einer Spiralfläche besitzt, deren Erzeugende die Durchmesser der Querschnitte des rohrförmigen Elementes (1) sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere im Abstand voneinander und hintereinander in einer Reihe angeordnete statische Kneteinrichtungen (7,8) aufweist, wobei die Trennwand am Eintritt (10) jeder Einrichtung einen Winkel von 90 gegenüber der Trennwand am Ausgang/der vorhergehenden Einrichtung einschließt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden statischen Kneteinrichtungen (7,8) die Form von Spiralflächen mit abwechselnden Steigungsrichtungen besitzen.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte statische Kneteinrichtungen (8) durch Deflektoren (9) verlängert sind, die die Polarisationsebene der Mikrowelle um 90 drehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Polarisationsebene der Mikrowelle um 90 drehenden Deflektoren (9) von ebenen Trennwänden in der Form eines rechtwinkeligen Dreiecks gebildet sind, dessen eine Kathete einem der Enden einer der statischen Kneteinrichtungen (7) benachbart ist und dessen andere Kathete sich auf der Innenwand des rohrförmigen Elements (1) abstützt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Speisung des rohrförmigen Elements (1) von einem Schneckensystem (I) gebildet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Speisung des rohrförmigen Elements (1) von einem Schiebekolben-Versorgungssystem gebildet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Versorgung des rohrförmigen Elements (1) mit Heizelementen ausgestattet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärts gelegene Ende des rohrförmigen Elements (1) ist mit einem ProfiIierungskopf (12) ausgestattet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des Profilierungskopfes (12) eine weitere Knetschnecke angeordnet ist.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des rohrförmigen Elements (1) Isoliertrennwände (6,13) aufweisen, die das Polymer hindurchtreten lassen und eine Reflexionsebene für die Mikrowelle bilden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliertrennwände Metallplatten mit großen Löchern (6,13) sind.

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