DE10038730A1 - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Heizelementen und deren Verwendung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von elektrischen Heizelementen und deren VerwendungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelements, bei dem die Heizschicht mit einer Beschichtungsmasse auf eine Unterlage aufgetragen wird. wobei die Beschichtungsmasse mindestens eine Dispersion von synthetischen Polymeren in einem Dispersionsmittel, mindestens ein gelöstes Dispergierharz von synthetischen Polymeren in dem Dispersionsmittel sowie Graphit und/oder elektrisch leitfähigen Ruß enthält, die Heizschicht nach dem Auftragen der Beschichtungsmasse auf die Unterlage getrocknet wird und elektrische Zuleitungen zur Heizschicht an der Unterlage angebracht werden, indem diese beabstandet zueinander und in elektrischem Kontakt zur Heizschicht auf der Unterlage angeordnet werden, sowie eine Verwendung des Heizelements zur Beheizung von Gebäuden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Heizele
menten. Derartige elektrische Heizelemente werden beispielsweise in Gebäu
den zur Raumheizung eingesetzt.
Zur Raumheizung werden neben herkömmlichen Heizungsanlagen, wie den
Warmwasser- oder Dampfheizungen mit Gas-, Öl- oder Kohlefeuerung und
elektrischen, als Konvektionsheizung ausgelegten Heizungsanlagen auch an
dere Systeme eingesetzt, beispielsweise elektrische Heizanlagen, bei denen
Wärmestrahlung von nahe bei Raumtemperatur betriebenen Wärmequellen
ausgesandt wird.
In DD 208 029 ist eine derartige Strahlungsfläche zur Erzeugung elektromagne
tischer Wellen und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Die Strah
lungsfläche dient u. a. zum Heizen von Gebäuden. Von der Strahlungsfläche
wird eine definierte Strahlung in einem Frequenzbereich von 1011 bis 1015 Hertz
abgestrahlt, die dann von den zu erwärmenden Gegenständen wieder absor
biert wird. Hierzu werden als Metallfolien ausgebildete Antennenbegrenzer und
eine Antennenzuleitung an der Strahlungsfläche angeordnet. Die Strahlungs
fläche wird aus einer Dispersion gebildet, die folgende Zusammensetzung auf
weist: 10 bis 30 Masse-% natürlich und/oder synthetisch hergestellter Binde
mittel, vorzugsweise Polyvinylacetate, Polyacrylate und Polypeptide, 5 bis 20
Masse-% Isolatoren, vorzugsweise Ruß, 0,1 bis 10 Masse-% Dispergierhilfs
mittel. Zur dieser Dispersion werden zusätzlich 5 bis 50 Masse-% Graphit zu
gegeben.
Gemäß DE 197 17 682 A1 werden zur Erzeugung der elektromagnetischen
Strahlung mit einem Beschichtungsmaterial ferner Strahlungsflächen herge
stellt, die a) 55 bis 65% Stoffmengenanteile einer Grundsubstanz aus 39 bis
49% Stoffmengenanteilen Bindemittel, 18 bis 23% Stoffmengenanteilen Isola
tionsmittel, 18 bis 24% Stoffmengenanteilen Dispergiermittel und 12 bis 16%
Stoffmengenanteilen destilliertem Wasser sowie b) 35 bis 45% Stoffmengen
anteile Graphit enthält. Das Bindemittel ist aus 64 bis 79% Stoffmengenantei
len destilliertem Wasser, 4 bis 6% Stoffmengenanteilen sulfuriertem Öl, 0,16
bis 0,24% Stoffmengenanteilen Phenolen, 15 bis 19% Stoffmengenanteilen
Casein, 0,8 bis 1,2% Stoffmengenanteilen Harnstoff, 2 bis 3% Stoffmengen
anteilen Verdünnungsmittel und 2,5 bis 3,5% Stoffmengenanteilen einer als
Carbolactan bezeichneten Substanz zusammengesetzt. Das Casein in dieser
Zusammensetzung stellt das eigentliche Bindemittel dar. Als Isolationsmittel
wird ein isolierender Ruß verwendet. Der Graphit soll zusammen mit dem isolie
renden Ruß eine Vielzahl elektrischer Dipole in der Strahlungsfläche ausbilden,
so daß ein hoher Abstrahlgrad im Hinblick auf die Erzeugung und Aussendung
elektromagnetischer Strahlung erreicht wird.
Als Druckfarben einsetzbare Beschichtungsmassen sind u. a. in
DE 32 26 368 A1, WO 98/44055 A2, DE 39 03 704 A1, DE 34 47 713 A1 und
DE 197 05 219 A1 beschrieben:
In DE 32 26 368 A1 ist eine Druckfarbe für ein Flexodruckverfahren angegeben. Die Druckfarbe enthält 15 bis 25 Gew.-% einer mit einem Cellulosenitratträger harz vordispergierten Pigmentpräparation, 5 bis 20 Gew.-% Cellulosenitrat, 5 bis 10 Gew.-% eines alkohollöslichen Polyamidharzes oder eines ester- und alkohollöslichen Polyurethanharzes, 10 bis 60 Gew.-% 1-Methoxypropanol-2, 2-Methoxypropanol-1 oder eines Gemisches dieser Lösungsmittel und/oder Ethylenglykolmonoethylether sowie 15 bis 50 Gew.-% Ethanol.
In DE 32 26 368 A1 ist eine Druckfarbe für ein Flexodruckverfahren angegeben. Die Druckfarbe enthält 15 bis 25 Gew.-% einer mit einem Cellulosenitratträger harz vordispergierten Pigmentpräparation, 5 bis 20 Gew.-% Cellulosenitrat, 5 bis 10 Gew.-% eines alkohollöslichen Polyamidharzes oder eines ester- und alkohollöslichen Polyurethanharzes, 10 bis 60 Gew.-% 1-Methoxypropanol-2, 2-Methoxypropanol-1 oder eines Gemisches dieser Lösungsmittel und/oder Ethylenglykolmonoethylether sowie 15 bis 50 Gew.-% Ethanol.
In WO 98/44055 A2 ist eine Polymerdispersion als Additiv für Lackzubereitun
gen offenbart, die sich als Viskositätseinstellmittel und Stabilisator für insbeson
dere wäßrige Lackzubereitungen zur Verbesserung der rheologischen Stabilität
dieser Lacke hervorragend eignen soll. Durch Zusatz der Polymerdispersion zu
den Lackzubereitungen kann das Viskositätsverhalten (Rheologieverhalten) der
Lacksysteme derart verändert werden, daß selbst bei Längsbeanspruchung der
Lacke durch Scherungen in einer Ringleitung in industriellen Lackieranlagen
keine signifikanten Viskositätsänderungen auftreten, die zu schlechten Lackier
ergebnissen führen würden. Die Polymerdispersion enthält ein (i) Acrylatpoly
mer auf der Basis von 30 bis 60 Gew.-% C1-C8-Alkyl(meth)acrylat-Monomeren,
30 bis 60 Gew.-% vinylaromatischen Monomeren und 0,5 bis 10 Gew.-%
(Meth)acrylsäure und (ii) einen nicht-assoziativ wirkenden Rheologie-Stabilisa
tor, der ein Acrylat-Copolymer auf Basis von C1-C6-Alkyl(meth)acrylat und
(Meth)acrylsäure enthält.
In DE 39 03 704 A1 sind wäßrige Beschichtungszusammensetzungen auf der
Basis von Polyurethan-Dispersionen beschrieben. Diese Zusammensetzungen,
die nach dem Trocknen festhaftende, schützende Filme bilden, dienen zum
Auftragen auf zu schützende Körperteile. Die Filme müssen eine möglichst ho
he Wasserdampfdurchlässigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen. Die Zusam
mensetzungen enthalten 70 bis 99 Gew.-% einer wäßrigen, nichtreaktiven, phy
sikalisch trocknenden Polyurethan-Dispersion und 1 bis 30 Gew.-% Casein
und/oder eines Casein/ε-Caprolactam-Copolymers. Die Zusammensetzungen
können außerdem 1 bis 10 Gew.-% einer wäßrigen Polyvinylalkohol-Lösung
enthalten.
In DE 34 47 713 A1 ist eine wäßrige Überzugsmasse angegeben, die auf eine
auf ein Blatt aufgedruckte Druckfarbe auf Ölbasis aufgetragen wird und dort fest
haftet, um die Filmeigenschaften der Druckfarbe, wie Glanz und Abriebfestigkeit
zu erhöhen, das Abfärben und Kleben beim Aufstapeln nach dem Drucken zu
verhindern und das Abbinden und Trocknen der Druckfarbe in der Weise zu
verbessern, daß es möglich ist, eine anfallende Nachbearbeitung der Drucksa
che unmittelbar nach dem Drucken zu beginnen. Die Überzugsmasse enthält
eine wäßrige Dispersion einer Harzkomponente, die überwiegend aus einem
Acryl-Copolymer besteht. Es wird angegeben, daß die Wasser- und Chemika
lienbeständigkeit des aus der Dispersion gebildeten Films dann beeinträchtigt
wird, wenn die Dispersion eine Säurezahl von mehr als 50 aufweist. In diesem
Falle werden auch die Filmbildungs- und Trocknungsfähigkeit des Filmes verschlechtert.
Ferner enthält die Dispersion mindestens 1 Gew.-% eines Poly-
(alkylenglykol-dialkylethers), Alkylenglykol-monoalkylethers, Alkylenglykol-mo
noesters, Alkylenglykol-etheresters und/oder Dialkylesters von Dicarbonsäuren.
Diese Verbindungen sind erforderlich, um die genannten Eigenschaften der
Verarbeitbarkeit der Überzugsmasse sowie deren Einwirkungseignung auf die
Eigenschaften der Druckfarbe auf Ölbasis günstig zu beeinflussen. Einwertige
und mehrwertige Alkohole, wie Glykole, können zugegeben werden, um die
Trocknungseigenschaften der Überzugsmasse einzustellen. Der Dispersion
können zusätzlich auch hochmolekulare anionische Emulgatoren zugegeben
werden, beispielsweise Acrylsäure-Copolymere. Diese Stoffe verleihen der
Überzugsmasse eine besonders gute Wasserbeständigkeit.
In DE 197 05 219 A1 sind Pigmentpasten angegeben, die als Bindemittel min
destens ein Polyurethanacrylat in Form einer zumindest teilweise neutralisierten
Dispersion enthalten. Die Dispersion wird durch Polymerisation eines Polyure
thanharzes mit ethylenisch ungesättigten Monomeren, beispielsweise (Meth)
acrylsäure, den aliphatischen oder cycloaliphatischen Estern oder Hydroxyalkyl
estern der (Meth)acrylsäure, Styrol, Styrolderivaten und verwandten Verbindun
gen, erhalten. Die Pigmentpasten sollen insbesondere eine hohe Pigmentie
rungshöhe, ausreichende Lagerstabilität, gute Dispergierbarkeit, gute Verarbeit
barkeit (beispielsweise Pumpbarkeit), gute Auflackierbarkeit und Colorisitk und
hohe coloristische Sättigung sowie gute Farbstärke, gutes Deckvermögen und
gutes Fließverhalten aufweisen. In den Pigmentpasten können außerdem Dis
pergierhilfsmittel, beispielsweise Gemische aus Acrylaten mit Tensiden oder
Fettsäuren oder Blockpolymere mit pigmentaffinen Ankergruppen sowie Poly
urethanoligomere, ferner organische Lösemittel, weitere Bindemittel, beispiels
weise Polyurethane, Polyester und Polyacrylate, Emulgatoren und Rheologie
hilfsmittel, wie Poly(meth)acrylsäuren, Poly(meth)acrylamid und Polyvinylalkohol,
Assoziativverdicker, wie hydrophob modifizierte, ethoxylierte Urethane, Netz
mittel, wie Alkylenphenolethoxylate, Entschäumer, wie Silikonölentschäumer,
sowie Biozide und Fungizide enthalten sein. Als Pigment wird u. a. Ruß angege
ben.
Die vorgenannten Zusammensetzungen zu Druckzwecken sind nicht ohne wei
teres zur Herstellung von elektrischen Heizelementen geeignet. Die in
DD 208 029 und DE 197 17 682 A1 beschriebenen Zusammensetzungen wei
sen den Nachteil auf, daß die elektrischen Eigenschaften der aus den Zusam
mensetzungen hergestellten Strahlungsfläche nicht konstant eingestellt werden
können. Außerdem ist die Verdruckbarkeit dieser Zusammensetzungen im
Siebdruckverfahren nicht zufriedenstellend. Nachteilig ist auch, daß sich der in
der Zusammensetzung enthaltene Graphit von der Flüssigkeit leicht absetzt.
Diese Zusammensetzungen sind bereits nach zwei bis vier Wochen unbrauch
bar.
Der vorliegenden Erfindung liegt von daher das Problem zugrunde, ein Verfah
ren zur Herstellung eines elektrischen Heizelements aus einer Heizschicht und
zugehörigen elektrischen Zuleitungen zu finden, das insbesondere auch zur
Raumheizung in Gebäuden geeignet ist. Das Verfahren soll einfach durchführ
bar sein und die hergestellte Heizschicht geeignete chemische, mechanische
und elektrische Eigenschaften aufweisen. Die zur Herstellung der Heizschicht
verwendete Beschichtungsmasse soll insbesondere eine ausreichende Stabili
tät bei der Lagerung und eine gute Verarbeitbarkeit, insbesondere Verdruckbar
keit vor allem bei einem Siebdruckverfahren, besitzen. Die Schicht soll eine
gute Haftfestigkeit auf unterschiedlichen Unterlagen und eine höhere Wasser
festigkeit aufweisen. Außerdem sollen die elektrischen Eigenschaften der
Schicht nicht nur nach der Herstellung für die Wärmeabstrahlung günstige Ei
genschaften aufweisen sondern auch unter wechselnden klimatischen Bedin
gungen und/oder nach längerer Betriebszeit.
Gelöst wird dieses Problem durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Ver
wendung nach Anspruch 12. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines elektrischen Heiz
elements, mit dem Wärmestrahlung beispielsweise an sich in einem Raum be
findende Personen abgegeben werden kann. Das Heizelement wird insbesondere
zur Beheizung von Gebäuden eingesetzt. Zur Herstellung des Heizelements
- a) wird mit einer Beschichtungsmasse eine Heizschicht auf eine Unterla
ge aufgetragen, wobei die Beschichtungsmasse
- a) mindestens eine Dispersion von synthetischen Polymeren in einem Dispersionsmittel,
- b) mindestens ein gelöstes Dispergierharz von synthetischen Poly meren in dem Dispersionsmittel sowie
- c) Graphit und/oder elektrisch leitfähigen Ruß enthält,
- b) wird die Heizschicht nach dem Auftragen der Beschichtungsmasse auf die Unterlage getrocknet und
- c) werden elektrische Zuleitungen zur Heizschicht an der Unterlage an gebracht, indem diese beabstandet zueinander und in elektrischem Kon takt zur Heizschicht auf der Unterlage angeordnet werden.
Die Dispersion kann Wasser als Dispersionsmittel enthalten. Grundsätzlich
kann auch ein organisches Lösungsmittel eingesetzt werden, beispielsweise ein
einwertiger Alkohol, wie Methanol, Ethanol und Propanol, oder auch Propylen
carbonat oder Mischungen dieser Lösungsmittel untereinander oder mit Was
ser. Aus Umweltschutzgründen wird jedoch Wasser bevorzugt. Das Disper
sionsmittel ist vorzugsweise in einer Menge von 30 bis 75 Gew.-%, insbesonde
re 40 bis 75 Gew.-%, in der Beschichtungsmasse enthalten.
Vorzugsweise werden als Filmbildner synthetische Polymere eingesetzt, ausge
wählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyacrylat und Polyurethanharzen. Die
Polyurethane können durch Emulsionspolymerisation hergestellt werden, wobei
in üblicher Weise zwei- oder höherwertige Alkohole mit Isocyanaten umgesetzt
werden. Als zwei- oder höherwertige Alkohole können insbesondere Polyethy
lenglykole, Polypropylenglykole, Glycerin, Zuckeralkohole, Polyesteralkohole
und Polyetheralkohole verwendet werden. Die Polyurethan-Dispersionen kön
nen auch durch mehrstufige Polymerisation unter nachträglicher Vernetzung
von zunächst leichter löslichen linearen Präpolymeren aus bifunktionellen Alko
holen und Diisocyanaten gebildet werden, indem diese beispielsweise mit Diaminen
ausgehärtet werden. Die in der Beschichtungsmasse enthaltene Menge
des Filmbildners beträgt vorzugsweise 1,5 bis 5,0 Gew.-% (Feststoffgehalt in
der Dispersion).
Als Dispergierharze werden vorzugsweise alkalilösliche Harze, beispielsweise
Polyacrylatharze, eingesetzt. Zur Herstellung der Dispergierharze werden vor
zugsweise synthetische Polymere und/oder Copolymere von ethylenisch unge
sättigten Verbindungen eingesetzt. Als ethylenisch ungesättigte Verbindungen
werden insbesondere Verbindungen aus der Gruppe der Vinylaromaten,
(Meth)acrylsäure, (Meth)acrylsäureester, (Meth)acrylsäureamide und (Meth)
acrylnitril verwendet. Als Vinylaromaten kommen vor allem Styrol, Divinylben
zol, Vinyltoluole u. a. in Betracht. Die Menge des in der Beschichtungsmasse
enthaltenen Dispergierharzes beträgt vorzugsweise 2,0 bis 6,0 Gew.-%.
Der verwendete Graphit soll möglichst einen mittleren Plättchendurchmesser
(Anzahlmittel) von höchstens 40 µm aufweisen. Vorzugsweise beträgt der mitt
lere Durchmesser mindestens 6 µm. Die Menge des in der Beschichtungsmas
se enthaltenen Graphits beträgt vorzugsweise 15,0 bis 30,0 Gew.-%.
Zusätzlich zu Graphit kann die Beschichtungsmasse gegebenenfalls auch elek
trisch leitfähigen Ruß enthalten. Dadurch werden der elektrische Widerstand,
die Induktanz und Kapazitanz der Heizschicht optimiert, so daß ein hoher Wir
kungsgrad für die IR-Energieabstrahlung erhalten wird. Der leitfähige Ruß soll
möglichst eine Teilchengröße von höchstens 20 µm aufweisen. Falls die Be
schichtungsmasse leitfähigen Ruß enthält, wird dieser in einer Konzentration
von vorzugsweise 0 bis 15,0 Gew.-% eingesetzt.
Die erfindungsgemäße Beschichtungsmasse weist eine hervorragende Lager
stabilität auf. Auch nach einer Lagerung von zwölf Monaten haben sich insbe
sondere noch keine beobachtbaren Absetzungen von Feststoffen gebildet. Da
durch wird ein häufiges Aufrühren der leitfähigen Partikel (von Graphit, leitfähi
gem Ruß) vermieden mit der Folge, daß der Dispergierzustand konstant bleibt
und sich insbesondere keine Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der
mit der Beschichtungsmasse hergestellten Heizschicht einstellen. Vor allem löst
sich die Schicht nicht wie die in DE 197 17 682 A1 beschriebene Zusammen
setzung in Wasser auf oder quillt in feuchter Atmosphäre. Beim Vergleich einer
bekannten mit der erfindungsgemäßen Heizschicht wurde hierzu festgestellt,
daß sich die elektrischen Eigenschaften der bekannten Heizschicht beispiels
weise beim Aufkleben von mit der Zusammensetzung beschichteten Tapeten
bahnen mit herkömmlichem Tapetenkleber auf wäßriger Cellulosebasis nicht
nur zeitweilig sondern dauerhaft verändern, während sich die Eigenschaften der
mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsmasse hergestellten Heizschichten
unter diesen Bedingungen nicht ändern.
Die erfindungsgemäße Heizschicht weist eine hervorragende Wasserbeständig
keit auf. Dadurch wird gewährleistet, daß sich die elektrischen Eigenschaften
der Heizschicht auch bei sich ändernden klimatischen Bedingungen, insbeson
dere schwankender Luftfeuchtigkeit nicht ändern.
Die Beschichtungsmasse ist auch leicht verdruckbar. Beispielsweise kann das
Siebdruckverfahren zur Herstellung der Heizschicht eingesetzt werden. Indem
die Beschichtungsmasse wegen eines Anteils von Koaleszenzmittel eine äu
ßerst geringe Neigung aufweist, am Sieb anzutrocknen, ist die Masse sehr
leicht verarbeitbar. Dadurch wird eine gleichmäßigere Dicke der Schicht erreicht
als mit den bekannten Beschichungsmassen.
Indem insbesondere eine Polyurethanharz- oder Polyacrylharz-Dispersion für
den Filmbildner verwendet wird, können auch Unterlagen aus unterschiedlichen
Materialien sehr haftfest mit der Heizschicht beschichtet werden. Dies ist wich
tig, da die Heizelemente in unterschiedlichen Ausführungen für die Gebäude
heizung herstellbar sein sollen, beispielsweise auf einer Tapete, unter einem
Teppichboden oder an anderen Gebäude-Innenflächen. Im Gegensatz hierzu
haftet die in DE 197 17 682 A1 beschriebene Zusammensetzung an nicht porö
sen und nicht Wasser aufnehmenden Substraten in nur sehr geringem Maße.
Außerdem ist die gebildete Heizschicht äußerst elastisch, so daß sie auch auf
flexible Unterlagen aufgetragen werden kann, die nach dem Auftragen im Ge
bäude montiert werden, ohne daß sich Risse in der Schicht ausbilden.
Vorteilhaft ist außerdem, daß die Beschichtungsmasse sehr einfach herstellbar
ist. Es brauchen keine komplizierten Herstellvorschriften befolgt und insbeson
dere kein mehrstufiges Herstellverfahren eingesetzt zu werden. Vor allem ist es
nicht nötig, die Mischungen in mehrstufigen Verfahren zu produzieren. Außer
dem ist der erforderliche Energieeintrag auch relativ gering. Im Gegensatz zu
den Angaben in DD 208 029 zur Herstellung der Dispersion sind ferner auch
keine intervallartigen Scherkräfte erforderlich, die nach der Lehre in diesem
Dokument auf die Substanz einwirken sollen, um die gewünschten ausgezeich
neten Strahlungseigenschaften der Strahlungsquelle zu erreichen. Auch der
Einsatz von Ultraschall zum Dispergieren ist nicht erforderlich.
Der pH-Wert der Beschichtungsmasse wird vorzugsweise auf 7,5 bis 9,0 einge
stellt. Hierzu werden alkalische pH-Regulatoren in einer Menge von vorzugs
weise 0 bis 1,0 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,1 Gew.-%, verwendet,
insbesondere Ammoniak oder Amine, beispielsweise Aminomethylpropanol,
Mono-, Di- oder Triethanolamin. Falls die Acrylpolymere Säuregruppen auf
weisen, kann die Dispersion einen pH-Wert unterhalb von 7 aufweisen. In die
sem Falle ist die Anhebung des pH-Wertes erforderlich. In gleichem Maße kann
auch die Verwendung von Rußen zu einer Ansäuerung der Dispersion führen,
so daß auch in diesen Fällen eine Anhebung des pH-Wertes notwendig wird.
Zur Unterstützung geschlossener Schichten auf der Unterlage beim Auftragen
wird der Dispersion vorzugsweise mindestens ein Koaleszenzmittel zugegeben.
Als Koaleszenzmittel können insbesondere polare organische Lösungsmittel
eingesetzt werden, insbesondere Alkylenglykole, wie Ethylenglykol und Propy
lenglykol, oder Glykolether, wie Ethylenglykolmonoethylether oder Diethylen
glykol-monobutylether. Grundsätzlich sind auch die zweifach veretherten Glyko
le einsetzbar. Durch Verwendung dieser Mittel wird die Neigung der Beschich
tungsmasse, nach dem Auftragen Poren zu bilden, verringert. Die Menge des in
der Beschichtungsmasse enthaltenen Koaleszenzmittels beträgt vorzugsweise
0 bis 3,0 Gew.-%.
Zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften der Heizschicht kann die Be
schichtungsmasse ferner zusätzlich zu Graphit und gegebenenfalls elektrisch
leitfähigem Ruß auch isolierenden Ruß enthalten.
Die Dispersion kann ferner mindestens ein Benetzungsmittel enthalten. Das
Benetzungsmittel ist vorzugsweise nicht-ionisch. Die als Benetzungsmittel ein
gesetzten Stoffe werden ausgewählt, um gegebenenfalls auftretende Unver
träglichkeiten der Bestandteile der Dispersion untereinander zu besetigen. Da
durch wird eine Entmischung oder Flockulation vermieden. Im Gegensatz zu
ionischen Benetzungsmitteln können bei Verwendung nicht-ionischer Benet
zungsmittel weniger schäumende Dispersionen hergestellt werden, so daß die
Verarbeitung der Beschichtungsmasse vereinfacht ist. Als nicht-ionische Benet
zungsmittel werden beispielsweise Alkoxylate, insbesondere Phenolalkoxylate,
eingesetzt. Bevorzugt sind Phenolethoxylate, beispielsweise ethoxyliertes No
nylphenol. Geeignet sind auch Ethylenoxid/Propylenoxid-Blockpolymerisate. Die
Menge des in der Beschichtungsmasse enthaltenen Benetzungsmittels beträgt
vorzugsweise 0 bis 1,0 Gew.-%.
Außerdem kann in der Dispersion mindestens ein Viskositätsregulator, ausge
wählt aus der Gruppe, bestehend aus Celluloseverdickern, Polyurethanverdic
kern, Copolymeren und Terpolymeren von Acrylsäure und/oder Methacrylsäure,
enthalten sein. Es handelt sich hierbei um nicht vernetzte Polymere mit relativ
hohem Molekulargewicht, die geeignete polare funktionelle Gruppen enthalten.
Beispielsweise kann es sich bei den Celluloseverdickern um methylierte oder
carboxylierte Cellulose handeln. Durch den Methylierungs- bzw. Carboxylie
rungsgrad wird die Wasserlöslichkeit der Celluloseverdicker gesteuert, die sich
wiederum auf die Wasserbeständigkeit der Heizschicht auswirkt. Eine zu hohe
Wasserlöslichkeit der Celluloseverdicker ist also zu vermeiden.
Polyurethanverdicker bestehen aus über Urethangruppen verknüpften hydrophi
len, relativ hochmolekularen Polyethersegmenten, die mit mindestens zwei end
ständigen, hydrophoben Molekülgruppen verkappt sind. Dadurch erhalten diese
Moleküle Tensidcharakter, so daß die Polyurethanverdicker zur Bildung von Mizellen
befähigt sind. Diese treten in Wechselbeziehung mit den dispersen Teil
chen des Filmbildners und verbinden diese über sog. "Mizellbrücken". Dies führt
zur Verdickung der Beschichtungsmasse.
Die Co- und Terpolymere von (Meth)acrylsäure werden als saure Emulsionen
eingesetzt, die durch Neutralisation in hochviskose gelartige Lösungen überge
hen. Werden diese Emulsionen zur Beschichtungsmasse zugegeben, so wird
die Beschichtungsmasse infolge des darin enthaltenen pH-Regulators verdickt.
Die Verdicker werden als vorzugsweise 2%ige bis 3%ige alkalisch-wäßrige
Lösung eingesetzt. Die Menge des in der Beschichtungsmasse enthaltenen
Viskositätsregulators beträgt vorzugsweise 0 bis 5,0 Gew.-%, insbesondere
mindestens 0,1 Gew.-%.
Vorzugsweise kann zusätzlich auch mindestens ein Schaumverhütungsmittel in
der Beschichtungsmasse enthalten sein. Typische Schaumverhütungsmittel
sind Polysiloxane oder Mischether, beispielsweise Umsetzungsprodukte von
Fettalkoholpolyglykolethern mit Alkylhalogeniden. Durch Verwendung der
Schaumverhütungsmittel wird die Verarbeitbarkeit der Beschichtungsmasse
noch weiter erhöht, da die Bildung von Gasbläschen, insbesondere Luftbläs
chen, während der Herstellung der Heizschicht verhindert wird. Die Menge des
in der Beschichtungsmasse enthaltenen Schaumverhütungsmittels beträgt vor
zugsweise 0 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,05 Gew.-%.
Um ferner eine Zersetzung der Beschichtungsmasse durch mikrobiellen Abbau
oder anderweitige Zersetzung zu verhindern, können der Masse schließlich
zusätzlich Konservierungsmittel zugegeben werden, beispielsweise Thiazolino
ne bzw. Isothiazolinone, wie Benzisothiazolinon, ferner Carbamate und/oder
Phenol(derivate). Die Menge des in der Beschichtungsmasse enthaltenen Kon
servierungsmittels beträgt vorzugsweise 0 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere min
destens 0,1 Gew.-%.
Die Summe aller Bestandteile der Beschichtungsmasse beträgt 100 Gew.-%.
Die Beschichtungsmasse kann aus den angegebenen Bestandteilen in einem
einstufigen Verfahren durch Mischen bzw. Lösen des Filmbildners und der übri
gen Bestandteile, portionsweises Zufügen von Ruß (falls eingesetzt) und Gra
phit sowie Dispergieren mit einem hochtourigen Dissolver hergestellt werden.
Dispergiergeräte mit stärkerer Wirksamkeit, d. h. stärkerem Energieeintrag beim
Mischen, beispielsweise mit Perl- oder Sandmühlen, und der Einsatz von Ul
traschallgeneratoren sind nicht erforderlich. Erst nach Vermischen aller übrigen
Bestandteile wird der gegebenenfalls verwendete Viskositätsregulator einge
rührt.
Die hergestellte Beschichtungsmasse kann danach beispielsweise mit dem
Siebdruckverfahren auf eine geeignete Unterlage übertragen werden, beispiels
weise auf Tapetenbahnen, Gipskarton-Platten oder Kunststofffolien, wie Poly
esterfolien. Zur elektrischen Kontaktierung der Heizschichten werden hierzu
zunächst elektrisch leitfähige Kontaktstreifen, beispielsweise Kupfer- oder
Aluminiumstreifen, in einem Abstand von beispielsweise etwa 80 cm parallel
zueinander auf der Unterlage plaziert. Zur Fixierung auf der Unterlage können
die Streifen auf die Unterlage geklebt werden. Die Streifen dienen später zum
Anschluß an eine Strom/Spannungsversorgung. Alternativ kann auch ein an
ders strukturiertes Metallmuster auf die Unterlagen aufgebracht werden, bei
spielsweise durch Kleben oder Aufdrucken. Beispielsweise kann ein rautenför
miges oder aus Rechtecken oder Quadraten bestehendes Gitter gebildet wer
den.
Die Beschichtungsmasse wird dann so auf die Unterlage gedruckt, daß die
durch das Drucken entstehenden Heizschichten die Kontaktstreifen zumindest
teilweise überdecken, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen den Streifen
und den Schichten entsteht. Die gedruckten Flächen haben typischerweise eine
Größe von 60 cm × 80 cm. Indem die Schichten zwischen bzw. auf jeweils zwei
parallel zueinander plazierte Streifen gedruckt werden, führt eine an die jeweili
gen Streifenpaare angelegte Spannung nach dem Trocknen der Schicht zu
einem entsprechenden Stromfluß durch die Heizschicht, so daß die Heizschicht
IR-Strahlung aussenden und damit als Heizelement wirken kann. Zur Fertigstellung
des Heizelements wird die Heizschicht entweder langsam an der Luft
oder beschleunigt mit Wärmeeinwirkung getrocknet.
Grundsätzlich können die Kontaktstreifen oder anderen Metallmuster auch nach
dem Aufdrucken und Trocknen der Heizschicht auf der Unterlage angebracht
werden. In diesem Falle muß aber separat Sorge dafür getragen werden, daß
die Heizschicht mit den Kontaktstreifen oder -mustern elektrisch kontaktiert
wird.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung:
Aus den in Tabelle 1 angegebenen Bestandteilen wurde eine Beschichtungs
masse hergestellt.
Zuerst wurde hierzu das Dispersionsmittel (Wasser) vorgelegt. Dann wurden
das Benetzungsmittel und das Dispergierharz bei langsam laufendem Dissolver
eingerührt bzw. aufgelöst. Danach wurde der Filmbildner bei laufendem Dissol
ver langsam zugefügt und die entstehende Dispersion homogenisiert. Anschlie
ßend wurden das Koaleszenzmittel, der pH-Regulator, das Konservierungs
mittel und das Schaumverhütungsmittel in der angegebenen Reihenfolge bei
laufendem Dissolver zugefügt und die Dispersion wieder homogenisiert. Da
nach wurde der leitfähige Ruß zugegeben und die Dispersion 30 min lang am
Dissolver dispergiert. Nach anschließender Zugabe und Dispergieren des Gra
phits (30 min lang am Dissolver) wurde schließlich noch der pH-Wert überprüft
(Sollwert im Bereich von 7,5 bis 9,0). Gegebenenfalls wurde weiterer pH-Regu
lator zugegeben. Zum Schluß wurde der Viskositätsregulator zugegeben. Des
sen Menge richtete sich nach der einzustellenden Viskosität im Bereich von 800
bis 1500 mPas. Daher war die angegebene Menge von 36,0 Gewichtsteilen nur
als Richtgröße anzusehen. Wegen schwankender Qualitäten des Dispergierhar
zes und des leitfähigen Rußes richtete sich die exakte Menge des zuzugeben
den pH-Regulators nach der Zusammensetzung der Beschichtungsmasse.
2,50 m × 1,90 m große Gipskartonplatten wurden zum nachfolgenden Druck
vorbereitet, indem vier 1 cm breite und 50 µm dicke Kupferstreifen längs der
größeren Länge der Platten parallel zueinander aufgeklebt wurden. Jeweils
zwei Streifen wiesen einen Abstand von 78 cm auf. Zwischen den mittleren
Streifen war ein Abstand von etwa 10 cm vorgesehen.
Die homogenisierte Beschichtungsmasse wurde dann im Siebdruckverfahren in
jeweils 60 cm × 80 cm großen ganzflächigen rechteckigen Heizschichtfeldern
auf die Gipskartonplatte gedruckt. Die Felder wurden parallel zueinander und so
auf die Gipskartonplatte gedruckt, daß sie die jeweils 78 cm voneinander be
abstandeten Kupferstreifen um jeweils 1 cm überdeckten. Dadurch kam ein
elektrischer Kontakt zwischen der Schicht und den Kupferstreifen zustande.
Zwischen den 78 cm voneinander beabstandeten Kupferstreifen wurden jeweils
mehrere Felder hintereinander erzeugt.
Beim Verdrucken der Beschichtungsmasse zeigte sich, daß die Masse an dem
Sieb nicht antrocknete, so daß auch mit einer einstündigen Pause zwischen
zwei Druckvorgängen ohne zwischenzeitliche Reinigung des Siebes unmittelbar
weitergedruckt werden konnte.
Anschließend wurden die Druckfelder durch Wärmeeinwirkung getrocknet, in
dem ein IR-Strahler den Druckfeldern in geringem Abstand gegenüber angeord
net wurde. Nach Anlegen einer Wechselspannung (50 Hz) von etwa 40 V wurde
eine Leistungsaufnahme einer 60 cm × 80 cm großen Heizschicht von etwa
40 Watt gemessen. Die Schicht strahlte merkbar Wärmeenergie ab, wobei die
Schicht selbst aber kaum über Raumtemperatur hinaus erwärmt wurde.
In einem Lagerversuch wurde die Beschichtungsmasse 12 Monate lang stehen
gelassen. Während dieser Zeit setzten sich die Feststoffe in der Masse nicht
ab.
Nach zwei Monaten wurde der Versuch von Beispiel 1 mit der für Beispiel 1
hergestellten Beschichtungsmasse wiederholt, wobei die Heizelemente unter
identischen Bedingungen hergestellt wurden. Eine 60 cm × 80 cm große Heiz
schicht nahm in diesem Falle eine Leistung von 40 Watt auf.
Der Versuch von Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei die Beschichtungsmasse in
diesem Falle nicht auf eine Gipskarton-Platte sondern auf eine Tapetenbahn
aufgedruckt wurde.
Nach Fertigstellung der Heizelemente wurde die Leistungsaufnahme einer
60 cm × 80 cm großen Heizschicht gemessen. Es wurde eine Leistungsauf
nahme von 38 Watt ermittelt.
Weitere Tapetenbahnen mit unter identischen Bedingungen gemäß Beispiel 3
hergestellten Heizelementen wurden mit herkömmlichem Tapetenkleber auf
wäßriger Cellulosebasis an ein verputztes Mauerwerk geklebt. Die Leistungs
aufnahme einer 60 cm × 80 cm großen Heizschicht einer verklebten Tapeten
bahn wurde nach dem Verkleben gemessen. Es ergab sich ein Wert der Lei
stungsaufnahme von 38 Watt.
Es wurde eine weitere Beschichtungsmasse mit der Zusammensetzung gemäß
Tabelle 2 hergestellt. Die Herstellvorschrift entsprach der der Beschichtungs
masse gemäß Beispiel 1. Im Unterschied zu letzterer wurde jedoch kein Benet
zungsmittel verwendet. Dafür wurde aber zusätzlich isolierender Ruß nach der
Zugabe des leitfähigen Rußes in die Masse eingerührt und die Dispersion
30 min lang am Dissolver homogenisiert. Außerdem wurde das Schaumverhü
tungsmittel erst nach Zugabe des Graphits zugegeben.
Es wurde eine homogenisierte Beschichtungsmasse mit einem pH-Wert von 7,5
bis 9,0 und einer Viskosität von 800 bis 1500 mPas erhalten. Die Masse wurde
entsprechend Beispiel 1 auf eine 100 µm dicke Polyesterfolie aufgedruckt und
getrocknet. Beim Drucken trocknete die Schicht auch innerhalb von 2 Stunden
nicht auf dem Sieb an. Die elektrischen Eigenschaften der leitfähigen Heiz
schicht entsprachen denen nach Beispiel 1 ermittelten Werten.
Es wurde eine Beschichtungsmasse hergestellt, die sich von der in Beispiel 5
beschriebenen Masse nur durch die Zusammensetzung des Dispersionsmittels
unterschied. Anstelle von 40 Gew.-% Wasser wurde nunmehr eine Mischung
aus 30 Gew.-% Wasser und 10 Gew.-% Isopropanol eingesetzt.
Im Vergleich zu der gemäß Beispiel 5 hergestellten Beschichtungsmasse wurde
eine schnellere Trocknungszeit der Masse auf der Folie erreicht.
Es wurde eine Beschichtungsmasse mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle
3 hergestellt. Die Herstellvorschrift entsprach der der Beschichtungsmasse ge
mäß Beispiel 1. Im Unterschied zu letzterer wurden jedoch kein Koaleszenz
mittel und kein Ruß zugegeben.
Die erhaltene Beschichtungsmasse eignete sich insbesondere zum Aufdrucken
auf Tapetenpapier. Die elektrischen Eigenschaften der aufgedruckten und ge
trockneten Heizschicht auf dem Tapetenpapier entsprachen im wesentlichen
denen der gemäß Beispiel 1 hergestellten Heizschicht: Unter gleichen Bedin
gungen wurde eine Leistungsaufnahme eines 60 cm × 80 cm großen Heizfeldes
von 42 Watt gemessen.
Es wurde eine Beschichtungsmasse mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle
4 hergestellt. Die Herstellvorschrift entsprach der der Beschichtungsmasse ge
mäß Beispiel 1. Im Unterschied zu letzterer wurde jedoch kein Koaleszenzmittel
verwendet. Außerdem wurde die Reihenfolge der Zugabe von Graphit und Ruß
vertauscht.
Die erhaltene Beschichtungsmasse wurde in einem Fall mit einem Sieb und in
einem anderen Fall mit einer Schablone in dickeren Schichten auf ein saugfähi
ges Substrat (Karton, Textilmaterial) aufgetragen und getrocknet.
Die elektrischen Eigenschaften der hergestellten Heizschichten wurden ermit
telt. Es wurde festgestellt, daß die Leistungsaufnahme von 60 cm × 80 cm gro
ßen Heizflächen beim Anlegen einer Spannung von 40 V etwa 43 Watt betrug.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelements, umfassend eine
Heizschicht und elektrische Zuleitungen zu der Heizschicht, bei dem
- a) die Heizschicht mit einer Beschichtungsmasse auf eine Unterlage auf
getragen wird, wobei die Beschichtungsmasse
- a) mindestens eine Dispersion von synthetischen Polymeren in einem Dispersionsmittel,
- b) mindestens ein gelöstes Dispergierharz von synthetischen Poly meren in dem Dispersionsmittel sowie
- c) Graphit und/oder elektrisch leitfähigen Ruß enthält,
- b) die Heizschicht nach dem Auftragen der Beschichtungsmasse auf die Unterlage getrocknet wird und
- c) elektrische Zuleitungen zur Heizschicht an der Unterlage angebracht werden, indem diese beabstandet zueinander und in elektrischem Kon takt zur Heizschicht auf der Unterlage angeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens
eine Filmbildner aus synthetischen Polymeren besteht, ausgewählt aus der
Gruppe, bestehend aus Polyacrylat und Polyurethanharzen.
3. Verfahren nach einem der vorsehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß das mindestens eine Dispergierharz ausgewählt ist aus der Gruppe,
bestehend aus Polymeren und/oder Copolymeren von ethylenisch ungesättig
ten Verbindungen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ethylenisch
ungesättigten Verbindungen ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus
Vinylaromaten, (Meth)acrylsäure, (Meth)acrylsäureestern, (Meth)acrylsäure
amiden und (Meth)acrylnitril.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß der pH-Wert der Beschichtungsmasse auf 7,5 bis 9,0 eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß zusätzlich mindestens ein Alkylenglykol und/oder Alkylenglykolether
als Koaleszenzmittel enthalten ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß zusätzlich elektrisch isolierender Ruß enthalten ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß zusätzlich mindestens ein nicht-ionisches Netzmittel enthalten ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß zusätzlich mindestens ein Viskositätsregulator enthalten ist, ausge
wählt aus der Gruppe, bestehend aus Celluloseverdickern, Polyurethanverdic
kern, Copolymeren und Terpolymeren von (Meth)acrylsäure.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Schaumverhütungsmittel enthalten ist.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Konservierungsmittel enthalten ist.
12. Verwendung des nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11
hergestellten elektrischen Heizelements zur Beheizung von Gebäuden.
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