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Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen mittels elektrodenloser
Entladungen mit Außenelektroden Chemische Reaktionen elektrischer Gasentladungen
werden häufigmitHilfe von elektrodenlosen Entladungen mit Außenelektroden (früher
auch stille elektrische Entladungen genannt) durchgeführt, z B. in den bekannten
Ozonröhren. Bei dieser Entladungsform findet die elektrische Entladung in einem
Raume statt, in dem sidh quer zu den elektrischen Feldlinien eine oder mehrere dielektrische
Schichten aus festem oder flüssigem Isolationsmaterial befinden. Beispielsweise
strömt das Reaktionsgas zwischen zwei in geringem Abstand voneinander befindlichen
parallelen Glasplatten entlang, die auf der Außenseite mit einer metallischen Belegung
versehen sind. Wird zwischen diese Belegungen eine genügend hohe elektrische Wechselspannung
geschaltet, so findet zwischen den Glasplatten eine elektrische Entladung statt,
die die chemischen Umsetzungen bewirkt.
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Die dielektrischen Schichten dieser Entladungsform werden elektrisch
und thermisch sehr stark beansprucht, da im allgemeinen ihre Dicke nur einige Millimeter
beträgt und senkrecht zu ihnen eine Wechselspannung von mehreren IOOO V liegt. Außerdem
setzttan der Oberfläche der dielektrischen Schicht unmittelbar die elektrische Entladung
an, deren Charakter sehr den Glimmentladungen ähnelt und die deshalb entsprechende
Temperaturen wie die Glimmentladungen besitzt. Die mittleren Temperaturen von Glimmentladungen
sind, über das ganze Entladungsgefäß genommen, zwar im allgemeinen gering, weshalb
sich auch bei dieser Entladungsform die Gefäßwände nicht stark erwärmen. In der
Entladungszone selbst dagegen ist die Temperatur stets sehr hoch. So beläuft sich
die Èlektronentemperatur in der positiven Säule, wie bekannt, auf ungefähr IO 0000;
in den übrigen Teilen des Entladungsgebietes, vor allem in der Kathodenschicht,
sind die Temperaturen noch höher. Wenn auch die Ionen und neutralen Moleküle eine
geringere Temperatur
aufweisen, so sind doch die Flächen, auf die
die Elektronen stoßen, stellenweise deren hoher Temperatur ausgesetzt. Bei den Glimmentladungen
stoßen die Elektronen nur auf die aus Metall bestehenden Elektroden auf, während
die Gefäßwände davon nicht betroffen werden.
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Bei der elektrodenlosen Entladung mit Außenelektroden dagegen erfährt
die dielektrische Schicht selbst diese starke Beanspruchung des Aufpralls der Elektronen.
Solch eine hohe thermische Beanspruchung findet natürlich nur auf ganz eng begrenztem
Raum der festen Oberfläche statt, sonst würden alle Materialien weg schmelzen. Aber
auf diesem eng begrenzten Raum wirkt diese hohe Energie der Elektronen doch und
zerstört auch an solchen Stellen das -feste Material, was sich in der allgemein
bekannten und wissenschaftlich vielfach untersuchten Mattierung und Zerstäubung
der festen Oberflächen äußert. Bei der elektrodenlosen Entladung mit Auß enelektroden
bewirkt der Aufprall der Elektronen auf die dielektrische Schicht zusammen mit dem
hohen elektrischen vechselfeld - und der damit bekanntlich verbundenen, durch die
Um'polarisierung im Innern des Materials entstehenden Wärme eine so hohe Beanspruchung
des Isolationsmaterials, daß das Durchschlagen und Zerspringen der meist aus Glas
bestehenden dielektrischen Schichten eine in der Praxis leider sehr häufige Erscheinung
ist, selbst dann, wenn das dielektrische Material von außen dauernd gekühlt wird.
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Unter- diesen Verhäknissen . erschien es aussichtslos, für das dielektrische
Material, das im allgemeinen aus Glas, Quarz oder Glirnmer besteht, organische Isolationsmaterialien,
insbesondere Kunststoffe, nehmen zu wollen. Es ist bekannt, daß sich organische
Stoffe oberhalb von 400 bis 500° alle zersetzen, die meisten aber schon bei wesentlich
niedrigeren Temperaturen. Ferner erscheinen organische Stoffe im allgemeinen als
zu weich, um der Zerstäubung durch die Elektronen und Ionen genügend Widerstand
leisten zu können. Es ist zwar schon von anderer Seite vorgeschlagen worden, Kunststoffe
als Gefäßwandungen für Leuchtröhren und Röntgenröhren und auch für Glühlampen zu
verwenden. Bei den Leuchtröhren und Röntgenröhren sind aber aus den obenerwähnten
Gründen die Gefäßwandungen keiner großen thermischen Beanspruchung ausgesetzt, und
die elektrische Beanspruchung ist praktisch nicht vorhanden, da sich die Gefäßwandungen
von den Elektroden entfernt befinden. Bei den Gefäßwandungen von Glühlampen ist
allerdings die thermische Beanspruchung sehr groß, doch haben sich gerade deshalb
Glühlampen mit Wandungen aus Kunststoffen praktisch nicht bewährt. Es ist auch vorgeschlagen
worden, Gefäßwandungen für Unterbrecher von elektrischen Lichtbögen aus Kunststoffen,
vor allem aus Aminoplasten, herzustellen. Der Grund hierfür ist aber gerade die
Tatsache, daß diese Kunststoffe die hohe, wenn auch nur kurzzeitige Temperatur des
Lichtbogens nicht aushalten, sondern durch sie unter Entwicklung von Gasen zersetzt
werden. Diese Gasentwicklung bewirkt eine schnelle Löschung des Lichtbogens. Diese
Tatsachen, zusammen mit der Erfahrung, daß Kunststoffe für den Bau von elektrischen
Kondensatoren nur dann als geeignet befunden wurden, wenn das Auftreten höherer
Temperaturen vermieden wurde, ließen es äußerst unwahrscheinlich erscheinen, daß
sich organische Kunststoffe als Dielektrikum für die elektrodenlose~ Entladung mit
Außenelektroden eignen würden, wo sie einer dauernden außerordentlich großen Temperaturbeanspruchung
und gleichzeitig einer sehr großen elektrischen Beanspruchung unterworfen sind.
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Trotzdem wurden von der Erfinderin eingehende Untersuchungen mit
über hundert verschiedenen Kunststoffen angestellt in der Reich tung, ob diese sich
als dielektrische Schicht für die elektrodenlose Entladung mit Außenelektroden,
insbesondere bei der Benutzung dieser Entladungsform für chemische Reaktionen, eignen
würden. In der Tat zeigte sich bei den Versuchen der Erfinderin, daß die meisten
organischen Stoffe, gleichgültig ob es sich um Naturprodukte oder Kunststoffe handelte,
bei ihrer Benutzung in der elektrodenlosen Entladung mit Außenelektroden vollkommen
versagten. Manche Kunststoffe quellen unter - dem Einfluß der elektrischen Entladungen
blasenartig auf. Andere führen zur Ausbildung eines kleinen Lichtbogens in der Plattenmitte,
der den Durchschlag einleitet. \wieder andere Kunststoffe verkohlen allmählich auf
der Oberfläche. Abgesehen davon, daß sich die Verkohlung allmählich spitzenartig
in das Innere des Kunststoffes hineinfrißt und in einiger Zeit zu einem elektrischen
Durchschlag führt, wird durch die Verkohlung die Oberflächenleitfähig keit der dielektrischen
Schicht in unangenehmer Weise vergrößert. Die Gleichmäßigkeit der Entladungen, die
für die chemischen Reaktionen erfahrungsgemä<3 sehr wichtig ist, wird durch die
Verkohlung der Oberfläche so gestört, daß sich allmählich einige helle Entladungskanäle
mit hoher Temperatur ausbilden, wodurch die chemische Ausbeute auf Bruchteile zurückgeht.
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Andere Kunststoffe wieder zerstäuben unter dem Einfluß der elektrischen
Entladungen so gründlich, daß sie nach einiger Zeit vollkommen verschwunden sind.
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Unter all den untersuchten Kunststoffen hat sich nun wider Erwarten
doch eine Gruppe als sehr geeignet erwiesen, nämlich die auf der Basis von Vinyl
aufgebauten Kunststoffe. Obwohl diese Kunststoffe zum Teil nur eine sehr geringe
Temperaturbeständigkeit (z. B. 65 °)
besitzen, ergaben sich hohe
und zeitlich konstante chemische Ausbeuten der Reaktionen, wenn diese Kunststoffe
als Material für das Dielektrium benutzt werden. Es hat den Anschein, als ob die
unter der Einwirkung der Entladungen sicher auftretende Verkohlung der Oberfläche
durch eine gleichzeitige schwache Zerstäubung derselben unschädlich gemacht würde.
Diese Zerstäubung ist so gering, daß sie nur an der Mattierung der Oberfläche zu
erkennen ist, während eine Dickenabnahme der dielektrischen Schicht auch bei sehr
langer Benutzungsdauer bisher nicht gemessen werden konnte. Daß die Wärmebeständigkeit
nicht die einzige wichtige Eigenschaft für die Eignung eines Kunststoffes für seine
Benutzung als Dielektrikum in elektrodenlosen Entladungen mit Außenelektroden ist,
geht z. B. daraus hervor, daß härtbare Kunststoffe, z. B. Harnstoffharze, bei den
Untersuchungen der Erfinderin wesentlich schlechtere Ausbeuten lieferten, obwohl
die härtbaren Kunststoffe bekanntlich eine höhere Temperaturbeständigkeit (bis über
2000) erreichen können als die nichthärtbaren, thermoplastischen Kunststoffe, zu
denen die auf der Basis von Vinyl aufgebauten Kunststoffe gehören (die höchste Temperaturbeständigkeit
dieser Kunststoffgruppebesitzen bei dem jetzigen Stand der Forschungen bekanntlich
die Vinyl-Karbazol-Produkte, die bis zu I50" Wärmebeständigkeit erreichen).
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Abgesehen davon, daß bei Benutzung von auf der Basis von Vinyl aufgebauten
Kunststoffen die Ausbeuten der chemischen Reaktionen der elektrischen Entladungen
sehr groß sind und sogar die mit Quarz erhaltenen Ergebnisse übertreffen, bestehen
weitere Vorteile in dem geringeren Preis dieser Kunststoffe und darin, keinerlei
Beschränkungen hinsichtlich der Größe und Form der dielektrischen Schichten unterworfen
zu sein. Da es sich bei den von Vinyl abstammenden Kunststoffen ausnahmslos um thermoplastische
Kunststoffe handelt, können auch kompliziertere Formen der dielektrischen Schicht
hergestellt werden, die mit Glas, Glimmer oder Quarz nicht entwickelt werden können.