DE10021803B4

DE10021803B4 - Heizmatte und Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung derselben

Info

Publication number: DE10021803B4
Application number: DE2000121803
Authority: DE
Inventors: Franz Koppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2000-05-04
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2020-05-05
Also published as: DE10021803A1

Abstract

Heizmatte mit einem mindestens dreischichtigem Aufbau, bei der zwischen zwei elektrisch leitfähigen Außenschichten eine Mittelschicht aus einem elastomeren Werkstoff angeordnet ist, die einen Gehalt an unverformbaren, leitfähigen Partikeln aufweist, wobei der polymere, eine Matrix bildende Werkstoff elektrisch nichtleitend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel durch 5 bis 30 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mittelschicht, in einer Wirrstruktur verteilter leitfähiger Fasern mit einer Fasermaterialdichte von weniger als 2,0 g/cm³, einer Länge von 0,05 bis 5 mm und einer Dicke von 0,5 bis 50 μm gebildet sind, und daß neben den Partikeln 10 bis 60 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Mittelschicht, unregelmäßig geformter Sekundärpartikel mit einem Äquivalentdurchmessers von 10 bis 80 μm in der Mittelschicht enthalten sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Heizmatte mit einem mindestens dreischichtigen Aufbau. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizmatte sowie die Verwendung derselben.
Unter Stoffen mit einem positiven Temperatur Coeffizient (positive temperature coefficient – PTC) werden solche verstanden, die im Gegensatz zu metallischen Leitern nicht einen relativ gleichmäßigen Anstieg des Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur sondern einen sehr starken Anstieg ihres elektrischen Widerstandes ab einer bestimmten Temperatur oder über einen Temperaturbereich, der sogenannten Schalttemperatur (T_s), zeigen. Diese Eigenschaft von PTC-Elementen kann für die Herstellung von Überstrom-Sicherungen benutzt werden, die den Stromfluß auf maximale Werte begrenzt, weil das PTC-Element durch den ihn durchfließenden Strom in einem solchen Maße erwärmt wird, daß die Schalttemperatur erreicht wird, sein Widerstand stark ansteigt und damit ein weiteres Ansteigen des Stromflusses verhindert wird. Der Effekt kann auch für sich selbst regulierende Heizelemente ausgenutzt werden, die ihre Leistungsabgabe selbst regulieren und damit für eine relative Temperaturkonstanz im Bereich ihrer Schalttemperatur sorgen.

Aus den Dokumenten US-A 5,280,263 und EP-A 0730282 sind PTC-Elemente bekannt, die einen leitfähigen Füllstoff in einer kristallinen Polymermatrix enthalten. Diese steifen Elemente sind nur für kleinflächige Anwendungen geeignet.

Weiterhin sind aus dem Dokument US 4,775,778 leitfähige Polymergemische bekannt, die in einer polymeren Matrix fein verteilte leitfähige Füllstoffe wie Ruß enthalten und einen positiven Temperatur Coeffizient (positive temperature coefficient – PTC) aufweisen. Dabei soll die polymere Matrix aus einem vernetzten Elastomer insbesondere Polysiloxan bestehen, welches eine Reißfestigkeit von weniger als 70 kPa (10 psi) bei 20 % Dehnung besitzt. Weiterhin sollen die leitfähigen Teilchen eine Größe von mindestens 18 nm haben.

Zudem ist aus DE 27 08 504 A1 ein Heizelement bekannt, welches ein paar Elektroden und ein laminares Bauelement enthält, das aus einem organischen Polymer besteht und darin dispergierte elektrisch leitende Teilchen in einer zur Überführung in den leitenden Zustand ausreichenden Menge aufweist.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine einfach herstellbare Heizmatte anzugeben, die flexibel und leicht verformbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizmatte sowie deren bevorzugte Verwendung.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Heizmatte der eingangs genannten An dadurch gelöst, daß der elastomere Werkstoff elektrisch nichtleitend ist, daß die Partikel durch 5 bis 30 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Mittelschicht, in einer Wirrstruktur verteilter leitfähiger Fasern mit einer Fasermaterial-Dichte von weniger als 2,0 g/cm³, einer Länge von 0,05 bis 5 mm und einer Dicke von 0,5 bis 50 μm gebildet sind, und daß neben den Partikeln 10 bis 60 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mittelschicht, unregelmäßig geformter Sekundärpartikel eines Äquivalentdurchmessers von 10 bis 80 μm in der Mittelschicht enthalten sind.

Die Heizmatte ist leicht und kostengünstig herstellbar und durch ihren homogenen Aufbau problemlos verwendbar. Dadurch, daß in der Heizmatte keine feinen Füllstoffe und insbesondere kein Staub oder Ruß enthalten sind, ist sie leicht verformbar und von guter Elastizität. Hierbei versteht es sich von selbst, daß es bei einer großtechnischen Herstellung nicht völlig vermeiden läßt, daß ein geringer Staubanteil entsteht und in die Heizmatte eingebettet wird, beispielsweise als Folge des Materialabriebs, der beim Transport der Partikel in Rohrförderern entsteht. Der Anteil solcher Stäube muß jedoch möglichst gering gehalten werden und darf einen Anteil von 2 Gew.% am Gesamtgewicht der Matte nicht übersteigen. Die Heizmatte kann dadurch auch auf Gebieten zur Anwendung gelangen, die bisher derartigen Heizmatten verschlossen waren.

Vorzugsweise bestehen die Fasern aus Kohlenstoff. Weiterhin ist vorgesehen, daß die Fasern aus einem polymeren Werkstoff oder Glas bestehen und mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen sind.

Die Heizmatte ist durch eine chemische Veränderung des elastomeren Werkstoffes sowie eine Änderung des anteilmäßigen Gehalts der Kohlenstoffasern und der Sekundärpartikel hinsichtlich ihrer Elastizität an den jeweiligen Einsatzzweck anpaßbar und dadurch auch in problematischen Fällen verwendbar. Insbesondere ist die Heizmatte durch ihre kostengünstige Verfügbarkeit für einen großflächigen Einsatz geeignet und auf einfache Weise durch Zuschneiden an die örtlichen Gegebenheiten anpaßbar.

Vorzugsweise bestehen die Sekundärpartikel aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff wie Ferriten, Metalloxiden, pyrogener Kieselsäure, Mineralien und/oder Glas.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist, daß die Sekundärpartikel aus einem polymeren Werkstoff bestehen, der eine größere Härte als die Elastomermatrix besitzt.

Besonders bevorzugt ist, daß die Mittelschicht aus einem elektrisch nichtleitfähigen, elastischen Material einer Dicke von 0,05 bis 10 mm und einer Härte Shore-A von 30 bis 90 besteht.

Vorzugsweise ist die Mittelschicht 0,5 bis 3 mm dick. Mittelschichten mit dieser Stärke eignen sich am besten für die vielfaltigsten Einsatzzwecke.

Vorzugsweise besteht die Mittelschicht aus Silikongummi oder elastomerem Polyurethan. Wegen ihrer schnelleren Vernetzbarkeit gelangt zweckmäßig eine Zweikomponentenmischung zur Anwendung. Die zur Herstellung verwendete Ausgangsmischung läßt sich dabei in einfacher Weise kalt vernetzen und in weiten Bereichen hinsichtlich ihrer Härte einstellen. Durch die Zuführung von Wärme bei der Herstellung läßt sich die Verfestigung weiter beschleunigen. Das Auftreten von Sedimentationsprozessen wird hierdurch noch mehr unterdrückt. Die Wärme kann durch Strahlung zugeführt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die beiden Ausgangskomponenten vorzuwärmen und im erwärmten Zustand in einem Schnellmischer zu vermischen und sofort anschließend, am besten kontinuierlich fortschreitend zu der Mittelschicht zu formen.

Vorzugsweise ist die Mittelschicht von Außenschichten aus einer Metallfolie mit einer Dicke von 0,005 bis 0,1 mm überdeckt. Die entsprechenden Metallfolien aus beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Gold weisen bei einem geringen Materialeinsatz eine besonders gute Verarbeitbarkeit und Flexibilität auf.

Vorzugsweise ist mindestens eine der Außenschichten gelocht, geschlitzt oder netzförmig gestaltet. In Abhängigkeit von der Gestaltung der Lochung oder des Netzes kann hierdurch die Elastizität der Heizmatte nachträglich vergrößert und auf bestimmte Werte eingestellt werden, was die Verwendungsbreite vergrößert. Außerdem ergibt sich ein Werkstoffersparnis, was unter Kostengesichtspunkten von Vorteil ist.

Weiterhin ist vorgesehen, daß zumindest eine geschlitzte Außenschicht zur Anwendung gelangt, bei der in benachbarten, sich parallel zueinander erstreckenden Zeilen Schlitze in der Weise angeordnet sind, daß die Schlitze einander benachbarter Zeilen einander überlappend zugeordnet sind.

Dabei sind vorteilhafterweise die Schlitze in einer jeden Zeile durch Zwischenräume getrennt, in denen quer zur Richtung der Schlitze angeordnete Querschlitze angeordnet sind. Die vorgeschlagene Anordnung der Schlitzung gestattet eine kontrollierte Dehnung der erfindungsgemäßen Heizmatte.

Vorzugsweise bestehen die Außenschichten wegen der großen Verformbarkeit und Kostengründen aus Kupfer. Im Sinne der Erfindung hat sich die Ausbildung der Außenschichten aus Kupferfolien als am günstigsten hinsichtlich des Einsatzes der erfindungsgemäßen Heizmatte erwiesen. Eine Verwendung von feinen Kupfervliesen oder -geweben ist ebenfalls möglich. Die Verformbarkeit ist bei solchen Ausführungen deutlich vergrößert, was die Heizmatte geeignet für die Umhüllung oder Auskleidung verschiedenster Raumformen macht. So ist zum Beispiel die erfindungsgemäße Heizmatte sehr gut für die Temperierung von Geräten der Hochfrequenztechnik geeignet, weil sie eine gute Temperaturkonstanz gewährleisten und problemlos an die räumlichen Gegebenheiten anpaßbar ist.

Erfindungsgemäß sind die Außenschichten und die Mittelschichten ohne die Verwendung eines sekundären Klebersverklebt. Die sich daraus ergebende, unmittelbare Verbindung der Außenschichten mit der Mittelschicht verhindert elektrische Leitungsprobleme und bedingt eine besonders guten PTC-Effekt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Heizmatte besteht darin, daß die Zwischenschicht im unverfestigten Zustand in den Zwischenraum zwischen den Außenschichten eingebracht und während ihrer Verfestigung zugleich mit den Außenschichten verbunden wird. Das Einbringen erfolgt zweckmäßig in einem Stranggießverfahren, bei dem die flüssige, die Partikel und Fasern in gleichmäßiger Verteilung enthaltende Elastomermischung in den Spalt zwischen den Außenschichten senkrecht eingebracht und unmittelbar anschließend zügig verfestigt wird. Dieses kann durch eine zusätzliche Erwärmung begünstigt werden, beispielsweise durch eine Induktionserwärmung der die Außenschichten bildenden Folien. Sedimentationsprozesse werden hierdurch zuverlässig verhindert.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Heizmatte als flexible Flächenheizung in Wohnräumen.

Nach einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Heizmatte als flexible Flächenheizung in Automobilsitzen zu verwenden. Zweckmäßig sind dabei die Randzonen wasserdicht und flexibel eingefaßt, um in diesen Bereichen Kurzschlußbildungen zu verhindern. Eine Benetzung mit Nässe steht bei einer solchen Ausführungen der Funktionssicherheit nicht entgegen, wobei es zweckmäßig ist, die Nutzseite mit einem gut Wärme durchlässigen, elektrisch isolierenden Belag zu bedecken und auf die gegenüberliegende Seite eine sowohl thermisch als auch elektrisch isolierende Schicht aufzubringen. Solche Abdeckungen und die Heizmatte können natürlich auch untrennbar verbunden werden, beispielsweise durch eine gegenseitige Verklebung, und gemeinsam in den Handel gebracht sowie eingesetzt werden. Dem Auftreten von unbeabsichtigten Beschädigungen der Außenschichten während des Transports, der Montage und der Benutzung läßt sich hierdurch besonders einfach vorbeugen.

Bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Heizmatte zur Temperierung von Automobil-Außenspiegeln. Die Heizmatte läßt sich dazu leicht an beliebige Spiegelgrößen anpassen, wodurch die Lagerhaltung vereinfacht wird und auch eine nachträgliche Ausrüstung einer Außenspiegel-Heizung möglich ist.

Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Heizmatte auch zur Temperierung von elektronischen Geräten zum Beispiel für die lokale Temperierung von Flugzeuginstrumenten, die thermische Stabilisierung von elektronischen Baugruppen und Sensoren, die Probentemperierung von Analysengeräten oder von Satellitenantennen eingesetzt werden.

Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel näher dargestellt.
Zur Herstellung einer Heizmatte wird aus jeweils 8 g einer kaltvernetzbaren Zweikomponenten-Silikonkautschuk-Masse und einem homogen darin verteilten Gehalt von 4,8 g Eisenoxidpulver eines mittleren Partikeldurchmessers von ca. 45 μm und 2,5 g Kohlenstoffasern mit einer Länge von ca. 250 μm in einem Schnellmischer eine fließfähige Masse zubereitet und kontinuierlich in einen senkrecht nach oben offenen Spalt zwischen zwei Außenschichten einer Dicke von 0,05 m aus Kupfer überführt, die einen Abstand von 2,5 mm voneinander haben. Die Temperatur der Masse beträgt beim Einspeisen in den Spalt 24°C. Die Abzugsgeschwindigkeit ist so bemessen, daß sich eine kontinuierlich fortschreitende Verfestigung und Verklebung der Mittelschicht mit den Außenschichten noch während der Einspeisung ergibt, was Sedimentationsprozesse völlig verhindert. Die so gebildete Mittelschicht besteht zu 68,7 Gew.% aus Silikonpolymer, zu 20,6 Gew.% aus Eisenoxidpulver und zu 10,7 Gew.% aus Kohlenstoffasern. Die Shore-A Härte der Mittelschicht beträgt 75, nach Abschluß der Vernetzungsreaktion im Zuge eines nachfolgenden Temperaturprozesses von 10 Minuten Dauer bei einer Temperatur von 100°C.
Die Heizmatte ist unmittelbar anschließend gebrauchsfertig. Sie kann durch einfaches Verlöten der die Außenschichten bildenden Kupferfolien mit Kontaktfahnen an die Stromversorgung eines Kraftfahrzeugs angeschlossen und in Betrieb genommen werden. Bei der üblichen Batteriespannung in einem Kraftfahrzeug wurde eine Temperatur von ca. 50°C auf einer Fläche von etwa 50 × 100 mm gemessen, die für das Abtauen von Eis bzw. für das Freihalten von Feuchtigkeitsbeschlägen ausreicht.

Claims

Heizmatte mit einem mindestens dreischichtigem Aufbau, bei der zwischen zwei elektrisch leitfähigen Außenschichten eine Mittelschicht aus einem elastomeren Werkstoff angeordnet ist, die einen Gehalt an unverformbaren, leitfähigen Partikeln aufweist, wobei der polymere, eine Matrix bildende Werkstoff elektrisch nichtleitend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel durch 5 bis 30 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mittelschicht, in einer Wirrstruktur verteilter leitfähiger Fasern mit einer Fasermaterialdichte von weniger als 2,0 g/cm³, einer Länge von 0,05 bis 5 mm und einer Dicke von 0,5 bis 50 μm gebildet sind, und daß neben den Partikeln 10 bis 60 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Mittelschicht, unregelmäßig geformter Sekundärpartikel mit einem Äquivalentdurchmessers von 10 bis 80 μm in der Mittelschicht enthalten sind.
Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Kohlenstoff bestehen.
Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus einem polymeren Werkstoff oder Glas bestehen und mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen sind.
Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Sekundärpartikel aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff bestehen, der eine größere Härte als die Elastomermatrix besitzt.
Heizmatte nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärpartikel aus Ferriten, einem Metalloxid, pyrogener Kieselsäure, einem Mineral und/oder Glas bestehen.
Heizmatte nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärpartikel aus einem polymeren Werkstoff bestehen.
Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht eine Dicke von 0,05 bis 10 mm und eine Härte Shore-A von 30 bis 90 aufweist.
Heizmatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht eine Dicke von 0,5 bis 3 mm hat.
Heizmatte nach Anspruch 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht aus Silikongummi oder elastomerem Polyurethan besteht.
Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten aus Metallfolien einer Dicke von 0,005 bis 0,1 mm bestehen.
Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Außenschichten gelocht, geschlitzt oder netzförmig gestaltet ist.
Heizmatte nach Anspruch 11, bei der zumindest eine geschlitzte Außenschicht zur Anwendung gelangt, bei der in benachbarten, sich parallel zueinander erstreckenden Zeilen angeordnete Schlitze vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze einander benachbarter Zeilen einander überlappend zugeordnet sind.
Heizmatte nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze in einer jeden Zeile durch Zwischenräume getrennt sind, in denen quer zur Richtung der Schlitze angeordnete Querschlitze angeordnet sind.
Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten aus Kupfer bestehen.
Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten und die Mittelschicht ohne einen sekundären Kleber miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Heizmatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht im unverfestigten Zustand in den Zwischenraum zwischen den Außenschichten eingebracht und während ihrer Formgebung und Verfestigung mit den Außenschichten verklebt wird.
Verwendung der Heizmatte nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als flexible Flächenheizung in Wohnräumen.
Verwendung der Heizmatte nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als flexible Flächenheizung in Automobilsitzen.
Verwendung der Heizmatte nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Temperierung von Automobil-Außenspiegeln.
Verwendung der Heizmatte nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Temperierung von elektronischen Geräten.