CN101073290A - 透明塑料板关键视区中的热增强 - Google Patents

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CN101073290A CNA2005800422943A CN200580042294A CN101073290A CN 101073290 A CN101073290 A CN 101073290A CN A2005800422943 A CNA2005800422943 A CN A2005800422943A CN 200580042294 A CN200580042294 A CN 200580042294A CN 101073290 A CN101073290 A CN 101073290A
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瑞贝卡·诺西
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Abstract

能增大透明塑料窗板关键视区中产生的热量的塑料窗与除霜器组件。此组件包括透明塑料板和印刷上具有薄层电阻率小于约mΩ/□(于25.4μm(1mil))的导电油墨所形成的导电加热器格栅。

Description

透明塑料板关键视区中的热增强
相关申请
本申请要求2004年12月10日提交的美国临时申请No.60/635106的权益，后者的整体内容已综合于此供参考。
背景技术
在适合用作玻璃板或窗的加热器格栅与适合用作塑料板或窗的加热器格栅这两类导电材料之间存在众多的差别。特别是玻璃板或窗的制造工艺允许用导电金属膏来形成将于高温(＞300℃)烧结的加热器格栅。将这种金属膏暴露于高温下可使膏中的金属粒子软化而熔化到一起，由此获得烧结成的格栅线显示出较高程度的电导率或低的薄层电阻率(S，R≤2.5mΩ/□，于25.4μm(1mil))。此外，这种烧结过程可以形成氧化表面，在功能上可允许烧结的金属格栅线合适地粘合到玻璃板或窗的表面上。
作为比较，由绝大多数聚合物系统显示出的玻璃化转变温度(Tg)远低于300℃的处理温度。因此，塑料板或窗不能暴露在玻璃板或窗制造过程中所出现的较高温度下。对于塑料板或窗，导电金属膏通常可暴露在比塑料板显示的Tg低约10℃或更多的温度下。例如聚碳酸酯的Tg约为140℃。此时的金属膏的固化温度不应超过约130℃。在这样低的温度下，金属粒子便不会软化或熔化到一起。此外，为了粘合到塑料板或窗上，在导电膏中必须存在聚合物相。这种聚合物材料本征地具有在紧密分开的金属粒子之间的介电性质。这样，由固化的金属膏所显示的电导率将低于烧结的膏所显示的。
由于在塑料固化的导电膏所显示的电导率低于印在高温基片(例如玻璃)上的烧法的金属膏的，同时由于塑料的热导率低于玻璃的，于是加热器格栅当需要长的格栅线时就会严重地损害其功能。于是在工业上就需要提高和优化关键视区中所产生和分散的热量，以便为大型车辆后照光。后窗提供合格的除霜器。
发明内容
本发明用于增强塑料窗组件关键视区中产生的热量。本发明的一种实施形式描述了塑料窗组件，它包括：透明塑料板、至少一个保护层以及通过印刷“高导电性”油墨而形成的导电性加热管格栅，其中所印刷的“高导电性”油墨经固化后能显示出的薄层电阻率小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))。在另一方面，本发明包括加热器格栅，它具有的初始格栅线显示出小于约30Ω的电阻，而整个加热器格栅的总电阻小于约1Ω。在另一方面，本发明描述了采用“变宽度”法、“会聚线”法或“交叉线”法来增大流过该初始格栅线的电流量。
本发明还描述了对塑料窗组件的表面除霜与除雾的方法。根据此方法，将电压施加到印刷的导电性加热器格栅的初始格栅线上；流过此初始格栅线的电流导致此加热器格栅的初始格栅线电阻发热；初始格栅线的电阻加热促使透明塑料窗板的表面除霜与除雾；使流过此初始格栅线的电流大于约0.4A，同时使初始格栅线的电流密度时电阻之比大于约1AΩ-mm2而在透明塑料板的表面业已除霜与除雾后或在经过一定时间隔间后，中止给加热器格栅施加电压。
附图说明
图1是曲线图，示明在SAE J953(1999)汽车工业标准下，对4mm厚的聚碳酯酯窗板75％的可见区除霜时，表面温度与所需时间的关系；
图2以示意性横剖图，示明实施本发明的塑料窗组件的各种可能结构；
图3是曲线图，比较了作为流过0.6mm宽格栅线的电流的函数的此种格栅线的温度输出，此格栅线或者是塑料基片上传导的导电油墨线即塑料基片上的“高导电性”油墨线，或是烧结于玻璃基片上的釉料型油墨；
图4是曲线图，比较了作为允许流过格栅线中电流的函数的各种宽度格栅线的温度输出，此格栅线为“高度”导电性油墨线；
图5是“高度”导电性油墨的与传统导电性油墨的电流密度相对于格栅线电阻。在温度输出40℃、50℃、60℃与70℃下的曲线图。
图6是“高度”导电性油墨与传统导电性油墨的格栅线电阻相对于格栅线体积的，用幂律函数建模的曲线图。
图7是格栅线的示意图，示明了采用(i)“变宽度”法或(ii)“会聚线”法与(iii)“传统法”比较时所建立的除霜区；
图8A与8B示意地表明了以“交叉线”法来增大关键视区中电流的加热器格栅。
图9示明地表明了以“变宽度”法来增大关键视区中电流的加热器格栅。
图10示意地表明了以“变宽度”法与“会聚线”法来增大关键视区中电流的加热器格栅。
具体实施方式
本发明涉及用于透明塑料窗板，以使此窗板能够除霜到符合SAEJ953(1999)试验协议(机动工程师协会，Warrendale市，宾夕法利亚州)，此协议的名称为“客车后照光除霜系统”。为了满足这项试验，加热器格栅作为塑料窗组件的一部分，采用了一或多种结构来提高和优化此窗或窗板关键视区中产生的热量。这首先涉及到应用这样的导电性金属膏或油墨，它们能在初始基线显示出的薄层电阻率与加热器格栅设计显示出的总电阻方面，满足或超过特定的要求。另一种结构包括将附加的次级格栅线用于非关键视区中。此次级格栅线与初始格栅线会聚和相交。再一种结构则利用可变线宽来改进初始格栅线在关键视区中的加热分布。
为汽车工业采纳的SAE J953(1999)标准试验包括十个步骤：从于窗板上形成霜或冰到测量作为时间函数的清明化的视区的百分率。全部过程统一示于表1。包括有加热器格栅的窗。在上述标准下能于30分钟内对此视区除霜达至少75％。便可接受供汽车应用。但是许多汽车制造厂商则愿意选用这样的加热器格栅；它们能在更窄的期限内例如20分钟而尤为更好的是在10分钟内给窗板去霜。
表1
    1 于-18～-20℃的温度下水浸窗板数小时
    2 以水喷射窗板多次
    3 再水浸窗板＞1小时以平衡水/冰
    4 确保窗板于垂直位置
    5 监控温度与空气运动(2.24m/s)
    6 接通除霜器(加13.1v)
    7 记录电压、电流，热电偶(T)于时间零
    8 在“穿透”时且至少每5分钟进行测量(图像等)
    9 在100％视区清明后或在30分钟时结束试验
    10 分析将视区清明75％时所要求的分析时间
设计用于塑料板(聚碳酸酯、4mm厚)的加热器格栅已在美国专利申请公告2005-0252908 A1中描述到，其内容已综合于此供参考。当将此加热器格栅设于窗板的内表面上并将处于此窗板的相对的外表面上的冰霜进行除去时，可以符合SAE J953(1999)标准。采用此种加热器格栅时，约55℃的初始格栅线温度能于30分钟内除去塑料窗板上的霜。在约60℃，能于20分钟内除霜；在约70℃，能于10分钟内除霜。图1示明了在此塑料板内表面(载有加热器格栅的一面)与外表面(结霜的一面)上的温度曲线，分别记为曲线10与曲线12。为方便起见，此格栅线温度的测量结果(热分布)是在环境温度(22.5℃)下取得的。此塑料板外表面上显示的温度也是在环境温度(22.5℃)下测量的。如图1所示，与冰或霜接触的塑料板的外表面的平衡温度约比塑料板内表面上格栅线的温度低15～20℃。
为了于10、20或30分钟内除去塑料板的霜，此板外表面的温度需分别达到约50℃、45℃与40℃。据此可把热度比(thermal ratio)定义为对塑料板外表面除霜所需的内表面温度(据SAE J953协议测定)与环境温度22.5℃之比。这样，为了在10、20或30分钟内除去塑料板上的霜，初始格栅线与外表面必须分别有约为2.2、2.0与1.8的热度比。本发明人确信，格栅线的(板的内表面的)温度与外表面(板的外表面)温度的温度不同。乃是由于塑料板显示出较差的热导率或热扩散性。
应用上述试验协议，于图1中可以绘出一用来为汽车的塑料窗除霜的最佳设计区，以在例如接触霜或冰的窗板外部形成一种表面温度，即40～70℃，由于塑料板上的初始格栅线与加热器格栅线中的母线可允许的最大温度是70℃，出于安全方面的考虑，加热器格栅相对于此窗外表面的位置对于优化加热器，格栅能显示出的除霜与去雾能力使成为一个重要的设计考虑参数。
从图2可以看到，加热器格栅16可以定位在塑料窗组件20(示意图A)的内表面18附近、于塑料窗组件20(示意图B与C)的内表面22上或是封装于塑料板(示意图D)内。加热器格栅16的各个可能位置在总体性能与成本方面提供了不同的优点。将加热器格栅16定位于塑料窗组件20的外表面18附近(示意图A)，能理想地使塑料板24除霜所需的时间最少。将加热器格栅1 6定位于塑料窗组件的内表面22上(示意图C)则能最好地便于应用和降低整个系统的制造费用。
透明塑料板24可以由任何热塑性聚合物树脂或其混合物或是组合物构成。这类热塑性树脂可以包括但不限于聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、聚丙烯酸酯、聚酯树脂与聚砜树脂以及它们的共聚物与混合物。此种透明板24可以通过应用内行人所知的任何相应技术例如模制、热成形或挤压形成窗。此透明板24还可包括不透光区域，例如由于印刷不透光油墨或用不透光树脂模制边框而形成的。消隐式边框26与边印。
加热器格栅16可以成整体地直接印刷到塑料板24的内、外表面28、30上或是保护层32上，其对应用了导电油墨和内行人周知的任何相应方法，包括但不限于经网印刷、喷墨或自动分配法。自动分配法则包括熟悉涂布粘合剂工艺的人周知的方法，例如滴流与顺流、倾流以及简单流量分配等方法。
塑料板24可以通过采用单一的保护层32或在需要时另加保护层34到板24的外侧面和/或内侧面上，用以防止这样一些自然发生的现象如紫外辐射、氧化与磨损。具有至少一个保护层32的透明塑料板24在此定义为透明塑料窗板。
保护层32、34可以包括：塑料膜、有机涂层、无机涂层或它们的混合形式。塑料膜可以具有与此透明板相同或不同的组成。这种膜与涂层可以包括紫外吸收剂(UVA)分子、流变控制添加剂如分散剂、表面活化剂与透明填料(例如氧化硅、氧化铝等)以提高耐磨性，还可以包括其他添加剂以改进光学、化学或物理性质。
有机涂层的例子包括但不限于氨基甲酸酯、环氧化合物与丙烯酯酯以及它们的混合物或混和物，无机涂层的某些例子包括：硅氧烷、氧化铝、氟化钡、氮化钡、氧化铪、氟化镧、氟化镁、氧化镁、氧化钪、一氧化硅、二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳氧化硅、碳化硅、氧化钽、氧化锡、氧化铟锡、氧化钇、氧化锌、硒化锌、硫化锌、氧化锆、钛酸锆或玻璃以及它们的混合物或混和物。
上述涂层可以用内行人所知的任何适当方法涂布。这类方法包括从例如真空支持的沉积工艺中所用的反应物质进行沉积，以及大气涂层工艺，例如用以给基片涂布溶液、凝胶涂层的这种工艺。真空支持的沉积方法例子包括但不限于：等离子体增强的化学汽相沉积法、离子支持的等离子体沉积法、磁控管溅射法、电子束蒸镀法以及离子束溅射法。大气除层工艺的例子包括但不限于屏蔽涂层法、喷涂法、旋涂法、浸涂法与流涂法。
如上所述，通过将格栅图案涂布到塑料板上、保护层32上或两个保护层之间，可以将加热器格栅设于窗组件20的内、外表面22、18之上。在一种结构中，加热器格栅16可以印到塑料板的内表面28之上和在任一与所有的保护层32，34之下(示意图B)，而另一种结构则包括印到最内(车内)保护层时表面上的加热器格栅(示意图C)。例如包括Exatec 900汽车窗板系统带有印刷的除霜器16的聚碳酸酯板24便对应于示意图C的实施例。在此特殊案例中，透明的聚碳酸酯板24由多层涂层系(Exatec SHP-9X，Exatec 9HX)和再淀积上的一层“玻璃质”涂层(SiOxCyHz)进行保护，然后在面向车内的保护层34的暴露表面印刷上加热器格栅16。作为又一种结构，可将加热器格栅设于保护涂层32或34的顶层之上，然后再外涂此另加的一或多层保护涂层。例如加热器格栅16可以设于硅树脂保护涂层(例如AS4000，GE硅树脂)之上，再外涂以“玻璃质”薄膜。在示意图A的结构中，加热器格栅16设于组件20的外表面18邻近，而在另一实施形式(示意图D)中，加热器格栅16则设于塑料板24本身之内。这两种实施形式可以包括开始时将加热器格栅16加到透明塑料的薄膜或板上，然后可将此透明膜或板热成形为窗形，再置入模具内且暴露向塑料熔体，经注射模塑而形成塑料板或窗20。此薄膜与透明板24或两块透明板24也可叠层或粘合到一起。上面设有加热器格栅16的薄塑料板24或膜也可包括装饰性油墨或陷隐式边框26以及其他增设的功能。
为了使加热器格栅16的初始格栅线达到合格的除霜与除雾性能所需的温度(参看图1)，已知必须采用高电导率的膏或油墨。传统的导电膏或油墨可用作汽车塑料窗的除霜器的能力受到很大限制。首先是传统的导电油墨与膏显示出较低的电导率使格栅线的长度限制到750mm(～30″)以使其能合适地起作用。但不幸的是，绝大多数车辆的后窗都比750mm宽，因而需要有所具格栅线超过750mm的加热器格栅16，传统的导电油墨或膏及其有关制造厂商的例子示于表2。如表2所示，传统导电油墨或膏所显示的薄层电阻率≥10.0mΩ/□(于25.4μm(1mil))。
表2
薄层电阻率
(毫Ω/□，1mil厚)
传统油墨
1  CSS-015A  20  Precisia LLC(Ann Arbor，MI)
2  CSS-010A  32-35  Precisia LLC(Ann Arbor，MI)
3  AG-755  23  Conductive Compounds(Londondeny，NH)
4  Pl-2500  11-22  Dow Coming Corp.(Midiand，MI)
5  ElectrodagPF-007  20  Acheson Colloids Co.(Port Huron，MI)
6  Electrodag28RF107  10  Acheson Colloids Co.(Port Huron，MI)
7  ElectrodagSP-405  60  Acheson Colloids Co.(Port Huron，MI)
8  118-09  19  Creative Materials Inc.(Tyngs boro.MA)
9  PTF-12A/B  20  Advanced Conductive Materials(Atascadero，CA)
10  Silver 26-8204 ＞20  Coates Screen(Si，Chartas，IL)
11  5000  15  DuPont Microcircuit Materials (RosearchTriangle Park，NC)
12  5029  0  DuPont Microcircuit Materials (RosearchTriangle Park，NC)
13  5021  15-17  DuPont Microcircuit Materials (RosearchTriangle Park，NC)
油墨，本发明的
1  Exatec 3064  4-8  Fuj ikura Kasei Co.Ltd.(Tokyo，JP)
2  Exatec 100/101  4-8  Pareiec Inc.(Rocky HIII，NJ)
3  Exatec 31-3A  4-8  Methode Development Company(Chicago，IL)
对各种材料的性能进行了细致的分析，合格的性能水平类似于为玻璃窗所制的除霜器中印刷与烧结的格栅线所表明的。另一方面，不合格的性能则是传统的银膏或油墨所显示的，同于以前所述。对宽0.6mm、高约8-10μm和长约1000mm(～35″)的各类格栅线的性能比较示明于图3中。玻璃窗上烧结成的格栅线即曲线36需要约0.85A的电流流过来实现约40℃的温度。作为比较，由印在聚碳酸酯表面上的传统油墨的类似尺寸的格栅线即曲线38则只要求约0.28A便可达到约40℃。之所以如此，据信是由于印刷到聚碳酸酯的油墨显示出高的薄层电阻率：大于10mΩ/□，于25.4μm(1mil)厚度下；相比之下，在玻璃上则小于2.5mΩ/□(于25.4μm(1mil))。电阻加热时，所产生的热量密切地与通过位于塑料板24本身中格栅线的电流量以及格栅线的电阻相关。较大电阻的格栅线只需较少量的电流来产生所需的温度，但如欧姆定律所表明的，也需要有较高的电压来形成这种电流。
本发明人业已发现，某些类型的导电油墨或膏当用于塑料板上时可以获得颇近似于在玻璃板上的烧结油墨中所观察到的性能。本发明人发现，一种“高电导率”的印刷油墨显示出薄层电阻率小于约8mΩ/[□(于25.4μm(1mil))，且更好是小于约6mΩ/□(于25.4μm(1mil))，可以用来于塑料板上制作有效的除霜器而其格栅线的长度则超过750mm(30″)。如图3中曲线40所示，具有0.6mm宽度的用“高电导率”油墨制成的格栅线为实现40℃的最低温度只需大于约0.6A的电流。当有大于约0.8A与1A的电流流过格栅线上，可分别获得50℃与60℃的更理想的温度。
如图4所示，当将典型的汽车用的12V(13.1V期望输出)蓄电池连接“高电导率”油墨的宽约≥0.225mm的格栅线时，在有大于约0.4A的电流流过此格栅线时，可以获得40℃的最低温度。当以0.6A的电流流过宽于约0.3mm的“高电导率”油墨的格栅线时，则可求得更佳的温度50℃，而当以0.85A的电流流过宽于约0.5mm的“高电导率”格栅线时，将可获得更为理想的温度60℃。若是以大于约1A的电流流过宽于约0.6mm的“高电导率”格栅线时，便能取得最大温度70℃。为此，对于这种“高电导率”油墨的最佳设计准则即如图4中箭头42所标明的：电流大于0.4A两线宽至少为0.225mm。
上述“高电导率”油墨可以包括分散于载体介质中的导电粒子(例如薄片或粉末)。这种“高电导率”油墨还可具有聚合物粘合剂，包括但不限于环氧树脂、聚酯树脂、聚乙酸乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚氨酯树脂或是它们的混合物与共聚物。在这种“高电导率”油墨中还可以有各种其他的添加剂，仅举很少几个例子而言，如分散剂、触变剂、抗微生物剂、抗氧化剂、金属盐、金属化合物以及金属分解产物等。金属盐与金属化合物的一些例子包括叔脂肪酸银盐、金属碳酸盐与金属醋酸盐化合物。金属有机分解产物的例子包括羧酸金属皂、新癸酸银以及金胺2-乙基己酸酯。“高导电率”墨水的其他例子以及金属盐、金属化合物与金属分解产物的进一步描述见之于欧洲专利No.01493780、美国专利公告2004/0248998以及美国专利No.5882722、6036889、6379745与6824603，它们的整体内容已综合于此供参考。
适用于本发明的这种“高”导电性膏或油墨可以含有金属，包括但不限于银、氧化银、铜、锌、银、镁、镍、锡或它们的混合物与合金，以及任何金属化合物如二硫属元素化合物。这些导电性粒子、碎片或粉末还可包括内行人所知的某些导电物质如聚苯胺、无定形碳与碳—石墨。虽然任何粒子、碎片或粉末的尺寸可以不同，但它们的粒径宜小于约40μm而最好是小于约1μm。可以混合不同类型与不同粒度的粒子，通过优化粒子的堆砌来提高电导率与降低薄层电阻率。在“高电导率”膏或油墨中用作载体介质的任何溶剂可以是为上述有机树脂、添加剂或导电粒子提供可溶性或分散稳定性的任何有机溶媒的混合物。
本发明人业已发现，对于适用于本发明的“高导电性”油墨，电流密度(通过格栅线横剖面积的以A/mm2为单位的电流)对格栅线电阻之比宜大于1A/Ω-mm2而最好是大于约2A/Ω-mm2，如图5中箭头43的点线所示。此外，各格栅线的电阻(R)应小于约30Ω。电流密度与电阻是任何内行人易于测量的，材料与电路设计两者的周知电性质。对于显示出在40℃与70℃之间的各种温度而由传统导电油墨构成的格栅线其电流密度相对于电阻的曲线即曲线44，以及用于本发明的“高导电性”油墨的此种曲线46示明于图5中。
对于各个给定的温度，电流密度相对于格栅线电阻的曲线图提供了一条可以用传统的线性回归分析法模拟为直线的曲线。此曲线拟合的直线的斜率提供了电流密度对电阻的比。如图5所示，传统的导电油墨具有的薄层电阻率大于10mΩ/□(于25.4μm(1mil))。显示出的电流密度对电阻之比(曲线拟合分析的斜率)小于1A/Ω-mm2，而适用于本发明的“高导电性”油墨所具有的薄层电阻率则小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))，显示出的电流密度对电阻之比大于1A/Ω-mm2，此比最好是大于约2A/Ω-mm2而尤为最好是大于约3A/Ω-mm2。
本发明人还发现到，所测量的格栅线电阻数据当作为格栅线体积的函数标绘曲线图时，可以用图6所示的幂律函数模拟。如曲线48所示，对于由传统银油墨组成的格栅线，其薄层电阻率大于10mΩ/□(于25.4μm(1mil))，比例常数(y)约510，与此幂律函数相关的指数约为-1.28。由“高导电性”油墨组成的格栅线显示出极其不同的幂律关系式，它所具有的比例常数宜小于500，更好是小于约300而最好是小于约200。如图6所示，此比例常数约为145。类似地，对于“高电导率”油墨且薄层电阻率小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))，此幂律函数相关的指数约为-1.0。幂律模型对所测数据的适用指示明于图6的子图中。幂律函数标绘于双对数曲线图中时将产生一直线，此直线的斜率表示此函数的指数或幂而y截矩则为所示的比例常数。
本发明人业已发现，流过初始格栅线或其中一段的电流量可以通过采用“变宽度”法、“会聚线”法或组合这两种方法来提高。图7将显示出(i)变宽度法与(ii)会聚线法的格栅线与没有会聚线或未改变宽度74的传统格栅线72的结构进行了比较。
“变宽度法”包括使初始格栅线52在进入塑料窗组件的关键视区54时递减其宽度51的步骤。此关键视区54是由车辆制造商根据车辆的设计确定的。但是这种关键视区54通常表示的是司机用后视镜可观察到的后窗区。换言之，初始格栅线52的宽度至少有一次是在此关键视区54中于各母线或终端线端56与线段58之间变窄。
“会聚线”法则是使二次格栅线60以恒定的宽度61与初始格栅线62最好在关键视区54之外或在非关键视区中相交。在这种方法中，(初始格栅线62的)终端线段64的宽度61当与(二次格栅线60的)会聚线段66的宽度相结合，便大于初始格栅线61的中心线段58的宽度。在关键视区中加大了流过初始格栅线52、62或初始格栅线的线段58中的电流，便相应地增强了此区中格栅的电阻加热效应，从而也就减少了为给塑料窗系统除霜或除雾所需的时间。
“变宽度”法可以用来倍增初始格栅线52的长度。换言之，初始格栅线52的宽度57可以成倍地减小以优化通过关键视区54中初始格栅线52的线段58的电流，要是在各个步骤中对格栅线宽度的变更是相对于各初始格栅线52的相对的、左与右的端部对称地进行，则能最后地优化初始格栅线中的电流。类似地，将二次格栅线60用于“会聚线”法中时，也应将此二次线60对称地用于初始格栅线62的右端与左端。这两种方法都已证明能使流过初始格栅线的电流增大约10％。
表明采用“变宽度”法或“会聚线”法来优化电流量的优点的例子给出于表3，这里利用了图7所示的格栅线。在此例子中，以58、64、66与56标明的各个格栅线段，都是用薄层电阻率小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))的高电导率油墨印刷至厚度或高度约为9.0μm，各个格栅线的长度与宽度给出于表3中。然后对图7中所示的各个格栅线测定各个线段的电阻以及总电阻的近似值。“传统”法(iii)的格栅线结构的总电阻最高，为16.80Ω；采用“会聚线”法(ii)与“变宽度”法(i)时，分别给出较低的总电阻12.06Ω与14.10Ω。施加13.1V时，用欧姆定律确定的通过各初始格栅线的电流对于方法i，ii与iii分别约为0.93、1.09与0.78A。这样，“变宽度”法与“会聚线”法能使流过关键视区中初始格栅线的电流量提高约10％或更多。
表3
线段 宽(mm) 长(mm) 线段电阻(Ω)
 A  0.8  625  11.00
 B  0.8  325  5.73
 C  1.0  225  3.18
 D  1.5  325  3.06
方法     总的线段    总电阻(Ω)  电流(A)施加13.1V电压  电流增加(％)
  i   2D+A   14.10   0.93   19.1％
  ii   2B+2C+A   12.06   1.09   39.3％
  iii   2B+A   16.80   0.78   x
作为另一种结构，上述“变宽度”法可以在印刷的格栅线52中有多种宽度变化，由此而形成多个区域，它们相对于时间显示出不同的除霜性能。例如若是从各端时印刷格栅线52的宽度作两次减小，则总共形成了五个区且这些区中只有三个在除霜能力上是不同的。对格栅线宽度所作的各次减小可以在几个毫米的长度上以顿变的方式(宽度阶跃)或以渐变的方式(宽度渐缩)进行。在此特定的实施形式中，靠近关键视区中心处各格栅线的这种部分即线段58应具有最小的宽度，而从各格栅线的中心移动到各格栅线的两端(线段56)各格栅线的宽度则渐增。
所述“会聚线”法(ii)可以交替地包括：一条二次格栅线60，它在与另一初始格栅线62会聚之前与至少一条初始格栅线62交叉；以及与同一初始格栅线62会聚的多条二次线60。这种二次格栅线60可以与初始格栅线62有相同或不同的宽度。此外，二次格栅线60还可在其全长上有宽度变化。这样，二次格栅线60也可于其长度上结合使用变宽度法。
本发明人还发现流过初始格栅线74或其一段的电流量可以采用图8所示的“相交线”法来增大。此“相交线”法可使二次格栅线76在关键或非关键视区中与一或多条初始格栅线74相交。“相交线”法与“会聚线”法的区别在于二次格栅线76不与初始格栅线74会聚；相反，在此“相交线”法中的二次格栅线76是从第一母线78出发而最终则与此同一母线78或是与第二母线80相交。要是在这种除霜器结构中存在多于两条母线78、80时，则此第一与第二母线78、80分别代表所有的负与正母线。二次线76可以垂直于初始栅线74(如图示)或以其他角度与初始线74相交。这种“相交线”法可以与“变宽度”法或“会聚线”法或与此两者结合使用。
给出在下面的具体例子是用于解释而并非是为了限制本发明。
例1-测量薄层电阻率的方法
用适合本发明的高导电性油墨将格栅线印刷到塑料基片上。本例中的这种高导电性油墨是商品名为Exatec 100/101(表2)的银充填导电油墨。然后将此已印刷的油墨于约129℃下固化约1小时。用千分尺测量了此格栅线的长度，同时用轮廓测定器测量了格栅线的宽度与高度。还用欧姆计测量了此格栅线的总电阻、本例中对格栅线测得的结果以及为求得这种“高导电性”油墨所显示的薄层电阻率值而所需的计算值都列于表4中。
表4
测量值格栅线长度＝200.0mm格栅线长度＝1.1mm格栅线长度＝9.41μm格栅线长度＝2.375Ω计算值#□＝长/宽＝200.0mm/1.1mm＝181.8方形薄层电阻率＝(电阻×(高/25.4μm))/方形数薄层电阻率＝(2.375Ω×(9.41μm/25.4μm))/181.8方形薄层电阻＝0.0048Ω/□＝4.8mΩ/□
首先以格栅线所测宽度去除格栅线所测长度求出格栅线中存在的方形。本例中的格栅线中出现有181.8方形。然后将测得的格栅线电阻乘以调节到参考高度25.4μm(1mil)的格栅线的测量高度，再除以计算出的方形数。对本例中所用油墨求得了4.8mΩ/□的薄层电阻率。这样，本例便说明了用此种方法测定的由传统的导电性油墨或“高导电性”油墨所显示出的薄层电阻率。
例2-导电性油墨的比较
表2中示明了从各制造厂商获得的十三种传统的导电性油墨以及可适用于本发明的高导性油墨的三个例子。用各种不同的导电油墨将格栅线印刷到聚碳酸酯基片上。然后按照制造厂推荐的程序将各种所印刷的油墨固化。这些高导性油墨则是在约129℃下固化约1小时。再据例1所述方法测定各固化了的油墨所显示出的薄层电阻率。由各种传统的导电性银油墨以及上述高导电性油墨显示出的薄层电阻率示明在表2中。本例表明传统的导电性油墨显示出的薄层电阻率值≥10mΩ/□(于25.4μm(1mil))，而适用于本发明的高导电性油墨所显示出的薄层电阻率值则小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))，而最好时小于约6mΩ/□(于25.4μm(1mil))。
例3-变宽度法
用2004年5月17日提交的美国专利申请10/847250中所述的基础性加热器格栅设计，设计了拟装配到汽车(sebring敞蓬小客车，chrysler公司)上的塑料窗系统所用的加热器格栅，上述申请的内容已综合于此供参考。这种加热器格栅结构81包括主格栅线组82与副格栅线组84，这两个组只要它们的宽度大于0.4mm，在本发明中即视之为“初始”格栅线。加热器格栅81中九条主格栅线82其宽度为约0.9-1.5mm，而二十四条副格栅线84的宽度为约0.25-0.30mm，如图9所示。这样，在此具体例子中，按照本发明的定义，只有主格栅线才被视作为初始格栅线。除霜器81是用具有小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))的薄层电阻率的高导电性油墨(Exatec 100/101)印刷出的。对于此种除霜器，通过采用“变宽度”法，普遍改变两重线86中存在的宽度来增大流过的电流。
除霜器结构81中所有格栅线82、84的宽度都从各格栅线的两端对称地作一次性地减小，由此形成两个不同的加热区A与B，而区B则重视于此除霜器的各侧。在格栅线82、84之间的宽度减小是不等的，但对于主格栅线82与副格栅线84分别约为0.40mm与0.05mm，如图9中的表所示。区A视作为关键视区。长度从710mm至约778mm的主/初始格栅线的以及长约600mm的各格栅线存在于区A中。各格栅线的印刷高度经测量对于主初始格栅线82约为9μm而对于副格栅线84约为11μm。
在除霜器81印刷到4mm厚的聚碳酸酯基片上之后，将它于124℃固化处理1小时，再以Exatec 900上釉系统(Exatec LLC，Wixom，MI)涂层。依据SAE J953协议测试了加热器格栅的除霜性能，得知可于约8分钟内对整个视区的约75％进行除霜。
在施加13.1V的电压下，在主格栅线82由形成的电流通过“变宽度”法有了提高，示明于表5中。作为比较，表5中也列出了在区B中无任何线宽变化的同一种除霜器结构的电流，并将这种情形称之为传统的除霜器法。在这种传统方法中，区A中确立的格栅线宽度于整个区中保持不变。
表5
格栅线   格栅线     格栅线   格栅线
＞0.4mm  ＜0.4mm    ＞0.4mm  ＜0.4mm
Figure A20058004229400222
3条线中的各个    3条线中的各个
线#              线#
总计  10.70    7.19    总计  9.82    5.80
Figure A20058004229400232
如表5所示，采用“变宽度”法时，流过这九条主格栅线82中各条的电流平均约为1.19A。作为比较，采用传统法(线宽不变)的相一致的主格栅线在相似的条件下显示出各条平均的电流为1.07A。这样，本例中的“变宽度”法在流过各主格栅线8L的电流量方面显示出增加了约10％(～0.12A)。类似地，与传统法(平均为0.28A)比较，采用“变宽度”法时(平均为0.30A)在副格栅线84中观察到电流约增加10％。但是，副格栅线84(宽度＜0.40mm)中0.02A这样小的电流增加是不足以提供主格栅线82中所观察到的显著增强的电阻加热效应。
此例也表明了本发明的加热器格栅能够显示示出总的格栅线图案电阻小于约1Ω，而更好时小于约0.8Ω，如表5所示。此外，此加热器格栅的功率输出大于约200W，这就大于现场区的约600w/m2。
例4-“会聚线”法
用2004年5月17日提交的美国专利申请10/847250一般描述的加热器格栅构型，设计了拟装配到汽车(Corvette，通用汽车公司)上的塑料窗系统的本发明的加热器格栅88。这种加热器格栅88包含主、副两组格栅线90、92，这两种格栅线只要其宽度大于0.4mm在本发明中既可视作初始格栅线。十一条主格栅线90的宽度范围从约0.70至1.50mm而三十条副格栅线90的宽度范围到从约0.23至0.30mm，如图10中的表所示。于是在这一具体例子中，按照本发明的定义只是主格栅线90才被看作是主格栅线。加热器格栅线88是用显示出的薄层电阻率小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))的“高导电性”油墨印刷成，用以增大电流。可以如以上所述，采用“变宽度”法与“会聚线”法两者来增大图10所示关键视区(区A)中的电流，使这种电流进一步优化。
“会聚线”法是用于最长的格栅线90(图10中的线号8-11)。变宽度法则是用于所有的主-副格栅线90与92。在这种涂霜器结构中所有格栅线的宽度都普遍地在两重线94之间，从各格栅线的两端对称地作一次性减小，由此形成两个不同的加热区A与B，而区B则重现于此除霜器的每一侧。在这些格栅线之间的宽度变化是不等的，但对于主格栅线90与副格栅线92则分别约为0.45mm与0.07mm，如图10所示，格栅线90、92的长度范围从约689mm至约1391mm，而长约520mm的各格栅线则存在于区A之中。测量了各格栅线的印刷高度，主格栅线90的约为9μm而副格栅线92的约为11μm。
加热器格栅88在印到4mm厚的聚碳酸酯基片96上后，于129℃热固化1小时再以Exatec 900上釉系统(Exate LLC，Wixom MI)涂层。依照SAE J953协议测试了加热器格栅88的涂霜特性。查明其于约10分钟内能对整个视区的约75％进行除霜。
用三种不同的方法：(a)“会聚线与变宽度法”、(b)只用“变宽度”法与(c)“传统法”(格栅线宽度不变)，比较了主格栅线90与副格栅线92两者在关键视区(区A)中形成的电流，其结果示明于表6。
表6
加入线B-11←加入所有的格栅线  ←所有的格栅线
Figure A20058004229400251
格栅线  格栅线    格栅线  格栅线    格栅线  格栅线
＞0.4mm ＜0.4mm   ＞0.4mm ＜0.4mm   ＞0.4mm ＜0.4mm
Figure A20058004229400252
3种线中的各个    3种线中的各个    3种线中的各个
线#              线#              线#
Figure A20058004229400253
总计  11.78  6.22  总计  10.50  0.22  总计 0.78  7.45
Figure A20058004229400254
结果表明：“变宽度”法使流过所有主格栅线90与副格栅线92的电以比“传统法”提高了约100％。观察到使用“变宽度”法使主格栅线90中的电流增加了约0.2A。但在副格栅线92(宽度＜0.40mm)中只有0.02A的少量增加，这就不足以像主格栅线90中那样可观察到能显著地增强电阻加热效应。
应用“会聚线与变宽度法”时在主格栅线90(线号8-11)中使通过各个这些格栅线90的电流另增加了30％。在没有结合会聚线98的任何格栅线92(线号1-7)中都观察到没有电流增大。各个会聚格栅线98都是用拟与之会聚的在区B中的主格栅线90的相同宽度印刷的。
这一例子还表明，采用显示出薄层电阻率小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))的“高导电性”油墨的本发明的加热器格栅88，可以使得整个格栅图案的电阻小于约1Ω，而更好时小于约0.8Ω，如表6所示。此外，加热器格栅88的功率输出大于约200W，这就大于视场区的约400w/m2。
例5-“相交线”法
构造了未图示的加热器格栅用于可装配到汽车上的塑料窗系统，它包括有17条宽约0.5mm、高约6.0μm和长约1100mm的初始格栅线。此除霜器是用适合本发明的且具有小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))的薄层电阻率的“高导电性”油墨印成的，用以增大电流。通过使用“会聚线”法以增大关键视区中的电流可进一步对这种除霜器的电流进行优化。为此印刷了两条二次线，它们与所有的这些初始格栅线在其与这两条二次线所起源的同一母线相交之前，以约90°的角与所有的初始格栅线大致正交，类似于图8A中所示，这种二次线宽约0.6mm而高约30μm。
在此除霜器的原型印刷到4mm厚的聚碳酸酯基片上之后，将其于129℃固化1小时。用IR摄像机对采用和未采用“交叉线”法的加热器格栅求出了它们的热分布图。在对传统的加热器格栅(未用任何二次线)施加13.1V电压后，可知通过整个加热器格栅的电流为5.2A，只使初始格栅线的温度稍有提高，从环境温度(22.5℃)升至约33℃。但是采用了“相交线”法的加热器格栅到已证明能使通过此加热器格栅的总电流增大到约10A，同时使两条二次线之间的窗中心处的格栅线线段的温度可达到65-70℃。
上例说明“交叉线”法能提高初始格栅线线段中的电流，得以实现更大的电阻加热效应(有较高的热输出，亦即有更高的温度)。
内行的人可据以上的说明，在不脱离下面的权利要求书所规定本发明范围的前提下，对本发明的最佳实施形式作出种种改型与变更。内行的人也应认识到，在上述最佳实施形式中所描述的所有测量结果是可以通过种种不同的测试方法取得的。

Claims (53)

1.一种塑料窗与除霜器组件，此组件包括：
透明塑料板；
由此透明塑料板支承而且为导电油墨形成且具有多条初始格栅线的导电性加热器格栅，各格栅线的相对两端分别连接第一和与第二母线，上述导电油墨的薄层电阻率小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))，上述初始格栅线的电阻小于约30Ω而此加热器格栅的总电阻小于约1Ω；且
对上述第一与第二母线至少有一个电连接(件)以形成封闭电路。
2.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中所述导电油墨的薄层电阻率小于约6mΩ/□(于25.4μm(1mil))。
3.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中所述加热器格栅的总电阻小于约0.8Ω。
4.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中各初始格栅线的电阻小于约25Ω。
5.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中所述透明塑料板是由塑性树脂形成，而此塑性树脂是聚碳酸酯树脂、丙烯酸类树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、或聚砜树脂、它们的共聚物树脂或其混合物。
6.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，此中此组件还包括保护层，其形式为塑料膜、有机涂层、或无机涂层。
7.根据权利要求6的塑料窗与除霜器组件，其中所述塑料膜与该透明塑料板具有相同组成。
8.根据权利要求6的塑料窗与除霜器组件，其中所述有机涂层是氨基甲酸酯、环氧化合物、丙烯酸酯或是它们的混合物。
9.根据权利要求6的塑料窗与除霜器组件，其中所述无机涂层包括一种或多种选自下述组中的物质：硅氧烷、氧化铝、一氧化硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、碳化硅、氧化钽、氧化铟锡、氧化锌、氧化锆、钛酸酷、或玻璃。
10.根据权利要求6的塑料窗与除霜器组件，其中所述保护层是多层涂层系。
11.根据权利要求10的塑料窗与除霜器组件，其中此多层涂层包括丙烯酸涂层、硅氧烷涂层与SiOxCyHz涂层。
12.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中此导电油墨包括分散于载体介质中的导电粒子。
13.根据权利要求12的塑料窗与除霜器组件，其中的导电粒子是银、氧化银、铜、锌、铝、镁、镍、锡及其合金中的至少一种。
14.根据权利要求12的塑料窗与除霜器组件，其中的导电粒子的粒度尺寸小于约40μm。
15.根据权利要求12的塑料窗与除霜器组件，其中的导电油墨包括聚合物粘合剂。
16.根据权利要求15的塑料窗与除霜器组件，其中的聚合物粘合剂是环氧树脂、聚酯树脂、聚乙酸乙烯酯树脂、聚氯乙烯树脂、聚氨酯树脂、及其共聚物或混和物。
17.根据权利要求15的塑料窗与除霜器组件，其中的共聚物粘合剂可溶于载体介质中。
18.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中的导电油墨包括：添加剂，此添加剂是金属盐、金属化合物、金属分解产物或它们的混合物。
19.根据权利要求18的塑料窗与除霜器组件，其中的金属盐是叔脂肪酸银盐。
20.根据权利要求18的塑料窗与除霜器组件，其中的金属化合物是金属碳酸盐、金属醋酸盐化合物或是它们的混合物。
21.根据权利要求18的塑料窗与除霜器组件，其中的金属有机分解产物是羧酸金属皂、新癸酸银以及金胺2-乙基己酸酯、或它们的混合物。
22.根据权利要求□的塑料窗与除霜器组件，其中的导电性加热器格栅是直接粘合到透明塑料板的表面上。
23.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中的导电性加热器格栅是直接粘合到保护层的表面上。
24.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中的导电性加热器格栅还包括至少一条二次格栅线，后者的一端与第一和第二母线连接而其另一端则与初始格栅线中之一连接。
25.根据权利要求24的塑料窗与除霜器组件，其中此二次格栅线与这些初始格栅线中至少一条相交。
26.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中初始格栅线的宽度至少有一次使初始格栅线的两端与其中点处变窄。
27.根据权利要求1的塑料窗与除霜器组件，其中的导电性加热器格栅还包括至少一条二次格栅线，后者以一端与第一母线相连而以另一端与此第一和第二母线之一相连。
28.根据权利要求27的塑料窗与除霜器组件，其中的二次格栅线与这些初始格栅线中至少一条相交。
29.一种塑料窗与涂霜器组件的表面除霜与除雾的方法，此方法包括：
对导电油墨已固化的印刷的导电加热器格栅施加电压，使电流流过此导电加热器的初始格栅线；
使大于约0.4A的电流流过此初始格栅线的一段使此格栅线产生电阻加热，其中的初始格栅线中电流密度对电阻之比大于约1A/Ω-mm2；
通过此初始格栅线的电阻加热给透明塑料窗板的表面除霜与除雾；
在此透明塑料窗板的表面除霜与去雾后切断对加热器格栅施加电压。
30.根据权利要求29的方法，其中使流过初始格栅线的电流大于约0.7A。
31.根据权利要求29的方法，其中使流过初始格栅线的电流大于约0.85A。
32.根据权利要求29的方法，其中使流过初始格栅线的电流大于约1.0A。
33.根据权利要求29的塑料窗与除霜器组件，其中的加热器格栅是以导电油墨印刷的，此油墨固化后显示的薄层电阻率小于约8mΩ/□(于25.4μm(1mil))。
34.根据权利要求33的塑料窗与除霜器组件，其中此导电油墨固化后显示出的薄层电阻率小于约6mΩ/□(于25.4μm(1 mil))。
35.根据权利要求29的塑料窗与除霜器组件，其中所提供的电流使得此初始格栅线一段中的电流密度对电阻之比大于约2A/Ω-mm2。
36.根据权利要求29的塑料窗与除霜器组件，其中所提供的电流使得此初始格栅线一段中的电流密度对电阻之比大于约3A/Ω-mm2。
37.根据权利要求29的塑料窗与除霜器组件，其中此导电加热器格栅的初始格栅线的宽度大于约0.4mm。
38.根据权利要求29的塑料窗与除霜器组件，其中此初始格栅线经形成为使显示的热度比≥1.8。
39.根据权利要求29的方法，其中的初始格栅线形成为使显示出的热度比≥2.0。
40.根据权利要求29的方法，其中的初始格栅线形成为使显示出的热度比≥2.2。
41.根据权利要求29的方法，其中的导电油墨包括金属粒子。
42.根据权利要求41的方法，其中的金属粒子包括选自下述组中的一种物质：银、氧化银、铜、锌、铝、镁、镍、锡或它们的混合物与合金。
43.根据权利要求41的方法，其中的导电油墨还包括一种添加剂，后者选自金属盐、金属化合物、金属分解产物或它们的混合物或混和物。
44.根据权利要求29的方法，其中的导电加热器格栅经形成为具有至少一条二次格栅线，且以此二次格栅线的一端与母线连接而其另一端与初始格栅线连接。
45.根据权利要求44的方法，其中的二次格栅线与至少一条初始格栅线相交。
46.根据权利要求29的方法，其中初始格栅线的宽度至少有一次使此初始格栅线的中心与此初始格栅线的各端之间变窄。
47.根据权利要求29的方法，其中导电加热器格栅形成为具有至少一条二次格栅线，且以此二次格栅线的一端与第一母线连接而以另一端与从第一与第二母线中所选择的一条母线连接。
48.根据权利要求47的方法，其中所述二次格栅线与至少一条初始格栅线相交。
49.根据权利要求29的方法，其中此透明塑料窗板形成为包括透明塑料板与至少一层保护层。
50.根据权利要求49的方法，其中此保护层包括选自塑料膜、有机涂层或无机涂层之一。
51.根据权利要求49的方法，其中的透明塑料板包括的塑性树脂选自聚碳酸酯树脂、丙烯酸类树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚酯树脂或聚砜树脂。
52.根据权利要求49的方法，其中的导电加热器格栅是直接印刷在透明塑料板上的。
53.根据权利要求49的方法，其中的导电加热器格栅是直接印刷在所述保护层的表面上的。
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