CN101816218A - 表面加热系统 - Google Patents

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汉斯古恩特·考奇
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Frenzelit Werke GmbH
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Abstract

本发明涉及导电薄片，该薄片由热塑性塑料基质以及导电增强纤维形成，该导电纤维被大体上均质地布置在该导电薄片中，本发明还涉及用于生产该薄片的方法。

Description

表面加热系统
技术领域
本发明涉及由热塑性塑料基质和导电增强纤维制成的导电薄片，其中，导电纤维被大体上均质地布置在导电薄片中，本发明还涉及该导电薄片的制造方法。
背景技术
包括导电纤维或涂层的平坦导电材料在现有技术中是已知的。
在此，US 4,534,886描述了包括按重量计为5％至50％的导电粒子的导电无纺织物或纸张。该导电材料的特征在于：导电纤维通过分散黏合剂保持在一起，因此可形成无纺织物。
该解决方案的缺点在于：其中涉及的无纺织物并不相当结实耐用并且很难处理，并且在其中可能发生纤维的分离，特别是导电纤维的分离。因此，在这里，导电纤维可能与无纺织物复合材料分离，并且可能完全或不完全地迁移，因此导电纤维之间的接触点被部分中断，这最终可能由于电弧导致形成火花，进而导致燃烧。此外，不利的是：因为形成为无纺织物，所以不存在电流传导部件(纤维)的稳定的固定布置。通过在z-方向上施加负荷(表面挤压)，再次形成或优化所述导电部件之间的接触点，使得产生与表面压力有关的电阻，因而也不能设置确定的、可再现的电阻。在此，接触轨道仅表面地被粘附在导电无纺织物上。
从DE 19911519A1中已知基于无纺织物或纸张的辐射加热器形式的导电材料。因为在此也不能实现导电部件的充分固定，所以该导电材料也具有前述缺点。根据DE 19911519A1所述的材料事实上被两个层压薄片所覆盖，该材料的纤维(特别地，还有导电纤维)也未被额外地局部固定。保持了松散的特征。被表面地粘附在导电材料上的接触带同样被薄片覆盖，结果，在接触带的区域中产生夹层结构，并且该夹层结构包括两个绝缘薄片、导电材料以及铜接触带。该多层结构自身具有接触带局部完全分解的危险；因此，过渡电阻随着电压峰值和电流峰值而变化，这可能导致局部热区域，直至导致产生火花和火焰。
从WO 01/43507A1中已知另一用于生产层式导电材料的方法。对于该导电材料，在此，包括整齐隔开的导电经线或纬线的织物由热塑性薄片或织物压缩，以形成包括两个覆盖层以及导电织物中间层的多层夹层结构。对于该平坦导电材料，除了基于多个单独的层的复杂生产方法之外，特别不利的是，由于导电织物中间层的原因，因为只有导电经线或纬线能够作为电阻元件并且能够变热，所以加热图案存在低均匀性。因此，产生条形加热图案而非真正平面均匀加热。
发明内容
由此，本发明的目的为提供新型导电材料，其中不存在于使用情况下裂开、翘起或剥落进而导致问题(例如形成火花、局部电压峰值进而温度峰值)并且存在安全风险的导电涂层。
在该导电材料中，导电部件应被安全且稳固地固定，使得导电部件的接触点被以确定且不变的方式固定。此外，该导电材料应在整个表面中具有导电能力恒定性，进而具有表面电阻恒定性。因此，应确保电表面功率和热表面功率的恒定性，使得多种应用成为可能。此外，该材料不应具有电阻的压力相关性，并且应与环境影响例如空气湿度、湿气或其他介质无关。因此，新材料的接触带应在不使用黏合剂的情况下固定且不变地存在，并且集成在材料中。
本发明的另一目的在于针对这样的导电材料的相应的生产方法。
该目的通过具有权利要求1所述特征的薄片以及具有权利要求30所述特征的生产方法实现。
从属权利要求示出有利的改进方案。
为薄片形式的根据发明的导电材料的区别在于：被包含在热塑性塑料基质中且至少部分地由导电增强纤维形成的增强纤维以关于x/y方向大体上均质地存在于该薄片中。导电纤维因此关于薄片的横截面被嵌入热塑性基质中，并且在x/y方向上均匀、大体均质，并且不朝向z方向。由于该纤维定向的原因，可以实现x方向与y方向的电导率的比在1至3之间变化，优选在1.2至2.2之间，并且特别优选在1.5至2之间。由于使用具有限定的特定长度即0.1mm至30mm的长纤维，并且所述长纤维也被均匀地分布和固定在热塑性塑料基质中，所以确保存在导电纤维关于彼此的网络状连接。该导电网络能够被局部中断，但不会出现完全失去导电性，进而不会出现完全失去作为电辐射加热的功能。由于根据本发明的构造，因此例如还可通过切口和/或穿孔而特定地调整薄片的导电性。此外，对于根据本发明的导电薄片，应强调，由于导电增强纤维是如上所述被稳固嵌入热塑性塑料基质中进而被固定在热塑性塑料基质中，所以产生非常稳定的组合。由于额外引入增强纤维(不具有导电性)，因而还能够对应于使用情况而控制薄片的机械特性。根据本发明的导电薄片的其他优点如下：
-不需要薄片层压和层压黏合剂，因此不存在黏合剂老化，不会有过渡电阻变化；
-单层系统，因此无分层(脱层)的危险；
-薄片内的内部强度高；
-不存在由于断开的导电纤维端断开的风险以及产生火花或火焰的风险引起的薄片内部分离的风险；
-受到弯曲或卷曲时导电纤维不会毁坏；
-不存在由于导电的自由纤维碎片导致形成火花的风险；
-集成的、等高金属带导体；
-无黏合剂的带导体的抗老化连接；
-均匀的、全表面加热图案；
-对加热薄片的局部破坏不会破坏基本功能；
-不存在取决于表面压力的电阻变化；
-独立于湿度的电阻。
对于根据本发明的导电薄片，通过选择热塑性塑料和纤维、其含量和混合比以及薄片的厚度能够限定机械特性。因此，各参数，例如延伸率、抗张强度以及弹性模数、抗弯曲疲劳模数等，能够被特定调整，使得例如能够产生适用于建筑工地的耐用加热薄片系统。由于在根据本发明的导电薄片中导电纤维大体上均质且均匀地布置在热塑性塑料基质中，在所谓的极低安全电压范围(SELV范围)内的操作中不能排除薄片表面上的导电性，本薄片可在没有额外表面绝缘的情况下使用。然而，如果该导电薄片的表面被电绝缘，则导电薄片也可用于更高的电压。
对于根据本发明的导电薄片，在此优选的是，导电增强纤维的长度为0.1mm至30mm，优选为2mm至18mm，特别优选为3mm至6mm。因为通过这种导电长纤维能够保证通过在该薄片本身中形成导电的均匀网络实现导电性，所以纤维的长度选择是重要的。在此，有利的是，纤维最大具有的厚度为1μm至15μm，特别优选为5μm至8μm。通过选择该类型的纤维，还能够以相对低的导电增强纤维含量产生薄片自身的导电性。根据本发明，提出在热塑性塑料基质中包含按重量计为3％至45％的增强纤维，其中，需要导电增强纤维的比例优选是至少按重量计为0.1％，优选是按重量计为0.5％至20％。在此，申请人能够表明，即使以最少量的导电增强纤维(例如按重量计为0.5％)也能够生产具有高电阻的导电薄片，其在使用普通电压(230V)时能够实现足够低的表面功率，进而实现低的温度。
由于根据本发明的具有指定参数的纤维的均匀且大体上均质的分布，可以控制热塑性塑料薄片的电特性。因此，在该薄片的指定密度下，能够通过要使用的导电增强纤维的量(重量比)控制根据本发明的薄片的导电性。另一方面，对于在热塑性塑料基质上的导电增强纤维的指定的重量比，通过改变薄片的密度，因为能够导致影响接触点的数量，所以可以实现导电性的相应的改变。最后，对于导电增强纤维的指定的比例或对于薄片的指定的密度，由于薄片的穿孔和/或切口，通过薄片上的导电表面的减少变化，由此也能够影响薄片的导电性。该实施例的决定性的优点在于：该薄片能够用在对例如黏合物或粘合剂可能渗透切口或穿孔的任何地方，但不削弱导电性。当在地板砖与地板砂浆底层之间使用加热薄片时，这在建筑领域中是特别有意义的；在此，通过瓷砖黏合剂的渗透实现良好的层间粘合。当构造复合材料时，如果涂敷在一侧上的黏合剂渗透穿孔并且实现各层的良好连接，则同样是有利的。
在薄片自身中，引入切口和/或穿孔的可能性也使得可以以预定的方式在该薄片中引入图案，例如名称或商标。由此，能够保证导电薄片的独特性，该独特性还能够通过热摄影术在建造后的状态下可见。
在此，根据本发明的薄片能够具有0.25g/cm3至6g/cm3的密度，优选具有0.8g/cm3至1.9g/cm3的密度。该薄片能够取决于所设置的方法参数而被调整为厚度在30μm至350μm的范围内。
根据本发明的薄片的另一优点在于，电接触在优选方式下为热塑性塑料基质即导电薄片的集成部件。为实现根据本发明的这样的实施例，在此仅要求如下所述在生产方法中将金属接触带共同集成在薄片中。在此，电接触优选是被构造成带状导体。在一优选实施例中，这样的电接触为金属接触带，优选为铜箔。
优点描述如下：
-对带状导体的机械上耐用的接触和保护，不具有为潜在的机械或光学缺陷的升高的转变点(壁加热，例如在壁纸后面)；
-避免用于接触的导电黏合剂的老化问题；
-防止从加热导体至铜接触部的转变点处的腐蚀问题；
-在上侧的防腐蚀的接触带(例如镀铝的铜接触带)能够被额外以平齐的方式引入薄片中；
-金属接触带的安全无黏合剂的连接能够实现所有类型的电连接技术以及加热薄片带关于彼此的装配技术；
-起皱；
-与锯齿形螺帽的摩擦连接；
-焊接；
-熔接(超声波、激光、点熔接)；
-铆接；
-插入连接；
-按钮；
-市场上可获得的导电胶带。
此外，根据本发明的导电薄片的结构不仅使得可以以绝缘层层压在该薄片的两个表面上，而且能够通过相应的成形工具将导电薄片变为三维形状。
从材料方面看，碳纤维、金属纤维、导电掺杂热塑性塑料纤维特别适于根据本发明的导电薄片，用于导电增强纤维。
对于其他增强纤维，可使用在现有技术中所有本身已知的增强纤维。合适的增强纤维的示例为玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、聚醚酰亚胺纤维、聚苯并噁唑(polybenzooxazole)纤维、天然纤维和/或其混合物。这些增强纤维原则上能够具有与上述导电增强纤维相同的尺寸。因此，合适的纤维长度为0.1mm至30mm，优选为6mm至8mm，特别优选为6mm至12mm。
大体上，所有热塑性塑料材料能够被用作为热塑性塑料基质。这些热塑性塑料的合适示例选自聚醚酮、聚对苯硫醚(poly-p-phenylene sulfide)、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate)、全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚酰胺和/或聚砜。
根据热塑性塑料的耐热性，在此能够生产可被暂时用在直至300℃的温度范围中以及被长期用在220℃以上的加热薄片。
为控制导电薄片的特性，可额外包括添加剂，优选地，所述添加剂按重量计为10％以下的重量。黏合物在此可被描述成添加剂，事实上，优选为在无纺织物的生产中使用的黏合物，如在下文中另外描述的那样。其他合适的添加剂为摩擦有效添加物，用于强度、冲击强度、耐热性、热传导性、抗磨损性和/或导电性的添加物。
在此，所述添加剂优选以纤维、小纤维、纤条体、纸浆、粉末、纳米粒和纳米纤维和/或其混合物的形式使用。
从材料方面看，对于黏合剂而言的添加剂的合适示例为基于聚丙烯酸酯、多乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚亚安酯、树脂、聚烯烃、芬芳聚酰胺和/或其共聚物的化合物。
此外，本发明涉及用于生产上述导电薄片的方法。
在这里，根据本发明，工艺包括：在第一步骤中，生产非织毡，随后该非织毡在引入接触部后通过在加热工具中于压力下压缩而被转化，以形成导电薄片。
因此，在根据本发明的方法中的基本要素为生产非织毡。在此，非织毡的生产基本上类似于EP 1618252B1来实现。在其中描述了非织毡及其生产方法。在此，该方法的基本要素为使用所谓的熔化纤维和增强纤维，由其形成非织毡。该熔化纤维正是在所述方法的后续过程中形成热塑性塑料基质的纤维。借助于该非织毡的生产工艺，通过在对角延伸的网(screen)上的合适的敷设方法、熔化纤维和导电增强纤维的相应分布，在此可生产出所述增强纤维，所述增强纤维在本情况下至少部分地由导电增强纤维形成。在该步骤中，导电薄片的物理特性也能够通过导电纤维与增强纤维的相应的混和比来调整。
在生产非织毡期间，当然也能够添加如来自EP 1618252B1的相应添加剂，以实现对于导电薄片的其他影响。在此，基本要素为添加相应的黏合物，并且实际上在于方法步骤a)中，以实现非织毡的固定，使得包括熔化纤维与增强纤维。
电接触部的插入(方法步骤b))也能够在方法步骤a)期间，即在该非织毡的生产期间或在随后的压缩步骤(方法步骤c))期间实现，使得这些接触部作为根据本发明的导电薄片的组成部分存在。
关于在所述方法中所使用的量比以及关于材料选择，参考导电薄片的上述描述。
此外，本发明还涉及所述导电薄片作为辐射供暖的用途，如上所述。已经示出，根据本发明的薄片特别适用于在地板、墙壁、辐射天花板供热系统中的低温应用，既用在建筑领域又用在汽车应用中。
特别地，对于在建筑中的应用，若底层涂料也被涂覆在该薄片上以实现地板砖与加热薄片和/或地板砂浆底层之间的最小黏合，则也能够是有利的。
加热薄片的辊型能够实现简单的、带状的设计，以及大的空间区域。因此，使用环形电路、接触轨或接触桥等，通过所布置的带状物的平行连接可简单且经济地实现接触。
此外，已证实特定的实施例适合作为高温辐射加热系统、辅助加热系统以及作为工艺加热的能量源。
在其他使用中，该辐射加热系统适合作为：
-镜加热
-空调单元中的附加加热
-座椅加热
-电子部件的加热
在下文中参考配方示例以及图1至图5所示的测试结果更加详细的描述本发明。
配方示例
1.1HICOTEC TP-1
基质：          按重量计为60％的PET
导电纤维：      按重量计为3％的碳纤维
增强纤维：      按重量计为32％的玻璃纤维+芳纶纤维
黏合剂：        按重量计为5％
1.2HICOTEC TP-2和3
基质：          按重量计为75％的PET
导电纤维：      按重量计为3.9％的碳纤维
增强纤维：      按重量计为16.1％的玻璃或芳纶
黏合剂：        按重量计为5％
测试结果
图1示出一曲线图，参考材料HICOTEC TP-1(参考配方示例1.1)，水蒸汽渗透性为表面电阻的函数。
关于同一配方示例(HICOTEC TP-1)，图2示出水蒸汽渗透性为密度的函数。通过改变压缩压力产生了密度变化。该曲线图例如是针对v＝2m/min产生。
图3示出表面电阻对导电碳纤维的含量的相关性。
在图4和图5中通过举例示出增强纤维的选择如何影响断裂伸长(图4)和抗张强度(图5)。在曲线图中，示出增强玻璃纤维(配方HICOTEC TP-2)以及配方HICOTEC TP-3(芳纶)的断裂伸长的值。

Claims (46)

1.一种由具有电接触和按重量计为3％至45％的增强纤维的热塑性塑料基质形成的导电薄片，所述增强纤维至少部分包括纤维长度为0.1mm至30mm的导电增强纤维，并且至少所述导电增强纤维在所述热塑性塑料基质中在x-y方向上大体上均质地存在于所述薄片中。
2.根据权利要求1所述的导电薄片，其特征在于，x方向与y方向的电导率的比在1至3之间，优选在1.2至2.2之间。
3.根据权利要求1或2所述的导电薄片，其特征在于，所述导电增强纤维具有的纤维长度在2mm至18mm的范围内，优选为3mm至6mm。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，至少所述导电增强纤维具有的厚度为1μm至15μm，优选为5μm至8μm。
5.根据权利要求1至4中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，所述导电增强纤维选自碳纤维、金属纤维和/或导电掺杂热塑性塑料纤维。
6.根据权利要求1至5中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，所述导电增强纤维的比例按重量计至少为0.1％至20％，优选为0.5％至20％。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，除所述导电纤维之外还存在其他增强纤维，选自玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、聚醚酰亚胺纤维、聚苯并噁唑纤维、天然纤维和/或其混合物。
8.根据权利要求7所述的导电薄片，其特征在于，所述其他增强纤维具有的纤维长度为0.1mm至30mm，优选为6mm至18mm，特别优选为6mm至12mm。
9.根据权利要求1至8中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，所述热塑性塑料基质由选自聚醚酮、聚对苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚酰胺和/或聚砜的热塑性塑料形成。
10.根据权利要求1至9中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，其另外包括按重量计不多于20％、优选为按重量计不多于10％、特别优选为按重量计不多于7％的添加剂。
11.根据权利要求10所述的导电薄片，其特征在于，含有作为添加剂的黏合剂、摩擦有效添加物，用于强度、冲击强度、耐热性、热传导性、抗磨损性和/或导电性的添加物。
12.根据权利要求10或11中任意一项所述的导电薄片，其特征在于，所述添加剂以纤维、小纤维、纤条体、纸浆、粉末、纳米粒、纳米纤维和/或其混合物的形式使用。
13.根据权利要求11所述的导电薄片，其特征在于，所述黏合剂选自基于聚丙烯酸酯、多乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚亚安酯、树脂、聚烯烃、芬芳聚酰胺和/或其共聚物形成的化合物。
14.根据权利要求1至13中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，在所述导电增强纤维的指定的重量比下的所述薄片的导电性通过改变所述薄片的密度来调整。
15.根据权利要求1至13中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，在所述薄片的指定密度下所述薄片的导电性通过选择所述导电增强纤维的重量比来调整。
16.根据权利要求1至15中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，所述薄片具有相同或不同几何形状的切口。
17.根据权利要求1至16中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，所述薄片具有穿孔。
18.根据权利要求16或17中任意一项所述的导电薄片，其特征在于，所述穿孔和/或切口形成图案。
19.根据权利要求1至18中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，在所述导电增强纤维的指定厚度和/或指定重量比下的所述薄片的导电性通过穿孔和/或切口来调整。
20.根据权利要求1至19中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，具有的密度为0.25g/cm3至6g/cm3。
21.根据权利1至20中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，具有的厚度在30μm至350μm范围内。
22.根据权利要求1至21中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，所述电接触为所述导电薄片的组成部分。
23.根据权利要求22所述的导电薄片，其特征在于，所述电接触被构造成至少在所述薄片的两个边缘区域内的带状。
24.根据权利要求22或23所述的导电薄片，其特征在于，所述电接触由金属接触带形成。
25.根据权利要求22至24中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，所述导电接触带为铜箔。
26.根据权利要求1至25中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，其以板的形状存在，并且至少两个板以导电的方式通过接触点相互连接。
27.根据权利要求26所述的导电薄片，其特征在于，所述连接通过起皱、锯齿形螺帽、焊接、熔接、铆接、插入连接、按钮和/或胶带实现。
28.根据权利要求1至27中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，所述薄片被以三维形式形成。
29.根据权利要求1至28中至少一项所述的导电薄片，其特征在于，优选包括电绝缘材料的层被施加在至少一个表面上。
30.根据权利要求29所述的导电薄片，其特征在于，在两侧提供有绝缘层。
31.用于产生根据权利要求1至30中至少一项所述的导电薄片的方法，包括下述步骤：
a)生产包括热塑性塑料熔接纤维和增强纤维的非织毡，以形成热塑性塑料基质；
b)引入接触部；以及
c)在加热工具中、在压力下压缩所述非织毡，以形成导电薄片。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，使用按重量计为55％至97％的熔接纤维以及按重量计为3％至45％的增强纤维生产所述非织毡，所述熔接纤维的纤维长度小于所述增强纤维的纤维长度。
33.根据权利要求31或32中任意一项所述的方法，其特征在于，在生产期间向所述非织毡添加按重量计为1％至10％的黏合剂作为添加剂。
34.根据权利要求31至33中至少一项所述的方法，其特征在于，所述熔接纤维的纤维长度在2mm至6mm的范围内，优选在2.5mm至3.5mm的范围内。
35.根据权利要求31至34中至少一项所述的方法，其特征在于，所述熔接纤维选自包括聚醚酮、聚对苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚酰胺以及聚砜和/或其混合物的纤维。
36.根据权利要求31至35中至少一项所述的方法，其特征在于，所述黏合剂选自基于聚丙烯酸酯、多乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚亚安酯、树脂、聚烯烃、芬芳聚酰胺和/或其共聚物形成的化合物。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述黏合物以小纤维、纤条体和/或纤维黏合物的形式存在。
38.根据权利要求31至37中至少一项所述的方法，其特征在于，在成产所述非织毡期间额外添加其他添加剂(方法步骤a))。
39.根据权利要求31至38中至少一项所述的方法，其特征在于，所述非织毡被调整成表面质量为8g/cm2至400g/cm2。
40.根据权利要求31至39中至少一项所述的非织毡，其特征在于，所述非织毡被调整为密度为30kg/m3至500kg/m3。
41.根据权利要求31至40中至少一项所述的方法，其特征在于，所述非织毡具有0.1mm至4mm的厚度。
42.根据权利要求31至41中至少一项所述的方法，其特征在于，插入铜带作为接触部。
43.根据权利要求31至42中至少一项所述的方法，其特征在于，在0.05N/mm2至15N/mm2的压力下实现对所述非织毡的压缩(方法步骤c))。
44.根据权利要求31至43中至少一项所述的方法，其特征在于，在形成所述导电薄片后，所述导电薄片至少被部分地穿孔和/或切口。
45.使用根据权利要求1至30中至少一项所述的导电薄片作为地板砖下的地板加热的用途。
46.根据权利要求1至30中至少一项所述的导电薄片作为木质地板下的地板加热。
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