DE102008059780B3 - Keramischer Widerstandsheizkörper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit, Härte und Verschleißbeständigkeit, welche an sich elektrisch hoch isolierende Keramikwerkstoffe selbst bei hohen Betriebstemperaturen aufweisen, durch entsprechende Modifikationen des Materials bei elektrischen Widerstandsheizkörpern mit Querschnittsleitfähigkeit (in Abgrenzung zur Schicht- bzw. Oberflächenleitfähigkeit) zu nutzen. Diese Aufgabe wird durch einen keramischen Widerstandsheizkörper, vorzugsweise in Stabform, dadurch gelöst, dass in einer keramischen Matrix Kohlenstoffnanoröhrchen als elektrisch leitfähige Phase eingelagert sind. Anwendungsgebiet solcher keramischer Widerstandsheizkörper können beispielsweise beheizte Umlenk- und Kalanderwalzen in der Polymerfolientechnik sowie alle anderen Anwendungsfälle sein, wo neben der Heizfunktion mechanische Festigkeit sowie Oxidations- und Verschleißbeständigkeit bei der Heiz- und Betriebstemperatur gefordert werden.
Description
- Die Erfindung betrifft einen keramischen Widerstandsheizkörper, welcher mittels Stromdurchgang aufgeheizt wird sowie Verfahren zu seiner Herstellung. Auch im aufgeheizten Zustand soll dieser Widerstandsheizkörper eine mechanische Festigkeit aufweisen, wie sie für technische und Isolierkeramik typisch ist, um auch als elektrisch heizbarer Konstruktionswerkstoff Verwendung finden zu können.
- Keramische Widerstandsheizkörper sind seit langem bekannt und wegen ihrer Festigkeit und Beständigkeit im Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen geschätzt.
- Seit langem sind keramische Widerstandsheizkörper aus hochtemperaturfesten chemischen Verbindungen, beispielsweise aus Siliciumcarbid (siehe beispielsweise
DD 300 646 DE 35 12 483 ), bekannt, wobei diese Verbindungen dem Bauteil neben der elektrischen Leitfähigkeit auch eine gewisse Festigkeit verleihen. Die zuerst genannte Patentschrift, die sich speziell der Aufbringung von Schutzschichten auf Siliziumkarbid-Widerstandsheizkörper widmet, macht damit zugleich einen Hauptnachteil dieser Widerstandsheizkörper deutlich: Bei den hohen Betriebstemperaturen erfolgt in oxidierender Atmosphäre an der Oberfläche eine Oxidation zu Siliziumdioxid, wodurch neben anderen Nachteilen die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt wird, was durchaus plausibel ist. - Diesen Nachteil hat man durch einen anderen Typ von Widerstandsheizkörpern zu beseitigen gesucht, bei welchem in eine Matrix aus hochfester und temperaturbeständiger, aber isolierender „klassischer Keramik” elektrisch leitfähige, hoch schmelzende Metalle oder deren ebenenfalls elektrisch leitfähige Verbindungen, wie beispielsweise wiederum Molybdändisilicid) eingelagert sind (
DE 26 43 131 ). In einem speziellen Fall hat man dabei eine besonders feinteilige und innige Vermischung der beiden Phasen durch die Keramisierung eines Gemisches aus siliziumorganischen Verbindungen und der elektrisch leitfähigen Phase zu erreichen versucht (DE 195 38 695 ). Der Nachteil der technischen Lösung dieses Typs besteht darin, dass die Sinterung infolge des hohen kovalenten Bindungsanteils relativ gering ist, so dass bei relativ hohen Kosten nur eine begrenzte mechanische Festigkeit des fertigen Widerstandsheizkörpers erreichbar ist. - Eine besondere Modifikation des Kohlenstoffs, die sogenannten Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. „carbon nanotubes” bzw. „CNT”) weisen eine hohe Strombelastbarkeit auf, die sie zur Einbringung in Heizmatten geeignet machen. So ist ein Cellulosevlies bekannt, in welches die verschiedensten metallischen und Kohlenstoffpartikel, darunter auch, allerdings ohne nähere Angaben, Kohlenstoffnanoröhrchen, eingearbeitet sind (
DE 10 2006 014 171 ). Als maximale Betriebstemperatur dieser Heizmatten sind 100°C vorgegeben, was beim genannten Trägermaterial verständlich ist, aber zugleich in nachteiliger Weise die Anwendung als selbstragende Heizelemente bzw. bei höheren Temperaturen ausschließt. - Es sind auch zahlreiche technische Lösungen mit Kohlenstoffnanoröhrchen in Verbindung mit Keramik bekannt geworden. Jedoch haben die daraus gefertigten Bauteile keine mit der vorliegenden Erfindung vergleichbare Funktion bzw. Anwendungsgebiete.
- So geht es beispielsweise unter Ausnutzung der günstigen Festigkeitseigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen um hochfeste Materialien für schussfeste Bekleidung (
WO 2005/047181 DE 197 41 580 ), Herstellung hochfester makroskopischer Fasern (EP 1 375 460 ), schwindungsarme Formteile (GB 2 360 244 WO 2005/033036 WO 2002/018296 WO 2004/110950 WO 2005/028394 US 2007/0134496 JP 2004076044 - Eine elektrische Funktion ist beispielsweise bei der Herstellung eine „Chemiresistors” gegeben, wobei eine isolierende Matrix mit elektrisch leitfähigen Einlagerungen bei Einwirkung bestimmter Chemikalien „quillt” und sich dadurch der spezifische Widerstand der Anordnung erhöht (US-Patentanmeldung 2002081397) oder bei einer Heizplatte mit in einem Isolierstoff derart verteilten Kohlenstoffnanoröhrchen, dass sie untereinander Kontakt haben (
WO 2004/023845 - Bei diesen letztgenannten Veröffentlichungen sind Keramiken im übrigen nicht zwingend vorgeschrieben sondern eher beiläufig als Alternative zu vielen anderen isolierenden Stoffen, hauptsächlich organischen Polymeren, erwähnt und bei der Veröffentlichung
WO 2004/023845 US 2002081397 kommt hinzu, dass dort auch die Kohlenstoffnanoröhrchen nur als eine beiläufige Alternative beispielsweise zu an deren Kohlenstoffpulvern oder Metallpulvern als elektrisch leitfähige Phase erwähnt sind. - Eine Zwischenform zwischen den zuletzt erwähnten Polymeren einerseits und Silikat- und Oxidkeramik nach der vorliegenden Erfindung andererseits, jeweils mit eingelagerten Kohlenstoffnanoröhrchen, stellt ein Werkstoff dar, welcher durch Pyrolyse von elementorganischen Polymeren hergestellt wird, wobei organischer Kohlenstoff entsteht und zugleich eine innige Bindung der entstandenen Precursor-Keramik zu eingelagerten Kohlenstoffnanoröhrchen angestrebt wird (
DE 103 33 961 A1 ). Zur elektrischen Leitfähigkeit dieses Werkstoffes sowie zum Beitrag der möglicherweise durch Bindung an die Keramik veränderten Kohlenstoffnanoröhrchen zu derselben ist dieser Veröffentlichung nichts zu entnehmen. - Weiterhin ist eine bei der vorliegenden Erfindung nicht verwendete Aluminiumnitridkeramik mit eingelagerten Kohlenstoffnanoröhrchen bekannt (
US 7.250.215 B2 ), deren Hauptfunktion in einer elektrostischen Spannwirkung besteht, was eine Plattengestalt voraussetzt und deren elektrische Leitfähigkeit auch durch eingelagerte Carbide oder Metallteilchen bewirkt werden kann. - Schließlich ist ein gleichfalls plattenförmiges Heizelement mit Kohlenstoffnanoröhrchen vorzugsweise in einer Polymer- aber auch in einer Keramikmatrix bekannt (
WO 2004/023 845 A1 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit, Härte und Verschleißbeständigkeit, welche an sich elektrisch hoch isolierende Keramikwerkstoffe selbst bei hohen Betriebstemperaturen aufweisen, durch entsprechende Modifikationen des Materials bei elektrischen Widerstandsheizkörpern mit Querschnittsleitfähigkeit (in Abgrenzung zur Schicht- bzw. Oberflächenleitfähigkeit) zu nutzen. Anwendungsgebiet solcher keramischer Widerstandsheizkörper können beispielsweise beheizte Umlenk- und Kalanderwalzen in der Polymerfolientechnik sowie alle anderen Anwendungsfälle sein, wo neben der Heizfunktion mechanische Festigkeit sowie Oxidations- und Verschleißbeständigkeit bei der Heiz- und Betriebstemperatur gefordert werden.
- Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.
- Für die keramische Matrix der erfindungsgemäßen Widerstandsheizkörper findet die ganze Palette der Keramikisolierstoffe von C 110 bis C 250 sowie von C 410 bis C 799 nach DIN EN 60672 mit den bekannten hervorragenden Festigkeitseigenschaften aber auch mit einem hohem elektrischen Isolationsvermögen ausgedrückt durch typische spezifische Widerstandswerte von ρ > 1010 Ω·m Anwendung. Überraschend wurde erfindungsgemäß gefunden, dass mittels Masseanteilen von Kohlenstoffnanoröhrchen im einstelligen Prozentbereich nicht nur resultierende spezifische Widerstandswerte erreichbar sind, welche einen Einsatz als elektrischen Widerstandsheizkörper gestatten, sondern dass dadurch auch, wie die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen werden, die Festigkeit im rohen wie im gebrannten Zustand weiter gesteigert werden konnte. Was die Beständigkeit der Widerstandsheizkörper bei hohen Betriebstemperaturen angeht, so bietet dafür beispielsweise der Einsatz von Hochtemperatur-Isolier-keramik der Typen C 510 bis C 530 nach der oben erwähnten Norm als keramische Matrix im Sinne der vorliegenden Erfindung beste Voraussetzungen.
- Der erfindungsgemäße keramische Widerstandsheizkörper zeichnet sich aus durch:
- – sehr gute, d. h. sehr gleichmäßige Temperaturverteilung,
- – geringe erforderliche elektrische Heizleistung,
- – praktisch vernachlässigbare Wärmeverluste über die Anschlussleitungen,
- – kurze Aufheizzeiten,
- – eine ausgezeichnete Temperaturschockfestigkeit und
- – eine verbesserte Bruchfestigkeit.
- Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei logischerweise, anders als bei der patentrechtlich bestimmten Anordnung der Patentansprüche, mit dem Herstellungsverfahren begonnen wird.
- Die beigefügten Abbildungen zeigen:
-
1 : eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Bruchfläche eines erfindungsgemäßen Widerstandsheizkörpers in etwa 14.000facher Vergrößerung und -
2 : eine grafische Darstellung des Temperaturverlaufes des spezifischen Widerstandes eines erfindungsgemäßen Widerstandsheizkörpers. - Ausführungsbeispiel Herstellungsverfahren
- Aus einer Tonerdeporzellanmasse entsprechend C 130 nach DIN EN 60672 und Kohlenstoffnanoröhrchen des Typs Nanocyl 7000 mit Mehrfachwandungen (durchschnittlicher Durchmesser 9,5 nm; durchschnittliche Länge 1,5 μm; Reinheit 90%; spezifische Oberfläche 250 bis 300 m2/g) werden Versätze mit Anteilen an Kohlenstoffnanoröhrchen von 2, 4 und 6 Masseprozent hergestellt. Entsprechende Versätze mit 2 und 4 Masseprozent an Kohlenstoffnanoröhrchen werden parallel hergestellt, um sie nach dem Mischen durch Rühren noch einer intensiveren Mischung durch Nassmahlung über 1 Stunde in einer Trommelmühle zu unterziehen.
- Die Aufbereitung erfolgt nach folgendem Regime:
- – zunächst werden die Kohlenstoffnanoröhrchen in Wasser gegeben und 4 h lang gerührt,
- – danach wird die Tonerdeporzellanmasse in Form von Spänen einer Pressmasse zugeführt,
- – dieses Gemisch wird mindestens 16 h lang gerührt und erforderlichenfalls zusätzliches Wasser eingebracht,
- – Der mit * versehene Versatz wird danach noch mindestens 1 h lang in einer Trommelmühle nass gemahlen.
- An dieser Stelle muss angemerkt werden, dass das einleitende Deagglomerieren und Dispergieren nur der Kohlenstoffnanoröhrchen in Wasser gefolgt von einem Mischen und Homogenisieren mit den Bestandteilen der späteren keramischen Matrix für das Herstellungsverfahren erfindungswesentlich ist, um den Dispersionsgrad der Kohlenstoffnanoröhrchen gegenüber dem Anlieferzustand zu erhöhen, was für die elektrischen Eigenschaften des fertigen Erzeugnisses von Bedeutung ist. Diese dispergierten Kohlenstoffnanoröhrchen werden dann im zweiten Verfahrensschritt mit der keramischen Masse vermischt.
1 zeigt wegen der Bedeutung der Dispergierung der Kohlenstoffnanoröhrchen für die elektrischen Eigenschaften eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Bruchfläche eines erfindungsgemäßen keramischen Widerstandsheizkörpers, wobei die dunklen Bereiche im unterschiedlichen Maße dispergierte Kohlenstoffnanoröhrchen sind. - Anschließend wird der Schlicker auf einer Filterpresse bei einem Abpressdruck von etwa 9 kp/cm2 entwässert und auf einer Strangpresse zu Rohren verpresst. Die nachfolgende Tabelle 1 gibt die erzielten keramischen Eigenschaften für die ungebrannten Rohlinge an: Tabelle 1
Masseanteil Kohlenstoffnanoröhrchen 2% 4% 6% 4%* 2%* Litergewicht [g/l] 1318 1253 1189 1243 1315 Feuchte [%]: filtriert extrudiert 27,2 33,8 36,5 33,6 28,4 27,3 33,3 37,5 33,5 27,8 Rohdichte [g/cm3] 1,75 1,59 1,48 1,62 1,77 Trockenschwindung in % 5,7 8,5 9,7 n. b. n. b. - Ausführungsbeispiele Erzeugnisse
- Nachfolgend sind in Tabelle 2 insgesamt 17 Wertepaare erfindungsgemäßer keramischer Widerstandsheizkörper nach Zusammensetzung und Brenntemperatur aufgeführt und den erreichten Keramikeigenschaften der gleichen Wertepaare in Tabelle 3 gegenübergestellt. Tabelle 2
Lfd. Nr. Versuch Nr. Keramikmasse Masseprozent Kohlenstoffnanor. Brenntemperatur in °C 1 0 Vergleichswerte Al2O3-Porzellan 0 1300 2 7 Al2O3-Porzellan 3 1000 3 7 Al2O3-Porzellan 3 1100 4 7 Al2O3-Porzellan 3 1200 5 7 Al2O3-Porzellan 3 1300 6 8 Al2O3-Porzellan 4 1000 7 8 Al2O3-Porzellan 4 1100 8 8 Al2O3-Porzellan 4 1200 9 8 Al2O3-Porzellan 4 1300 10 9 Al2O3-Porzellan 7 1000 11 9 Al2O3-Porzellan 7 1100 12 9 Al2O3-Porzellan 7 1200 13 9 Al2O3-Porzellan 7 1300 14 0 Vergleichswert Cordierit porös 0 1300 15 12 Cordierit porös 4 1300 16 11 Cordierit porös 5 1300 17 13 Cordierit porös 6 1300 Lfd. Nr. Biegefestigkeit in MPa Sinterdichte in g/cm3 Wasseraufnahme in % Offene Porosität in % Gesamtschwindung in % 1 160 2,67 0 0 12 2 16,0 1,65 22,5 37,0 9,92 3 27,5 1,76 17,7 31,1 10,89 4 42,9 1,88 15,1 28,5 12,03 5 53,4 1,99 11,3 22,5 7,48 6 17,2 1,60 24,3 38,9 10,00 7 25,6 1,68 20,3 34,2 12,44 8 17,2 1,80 17,5 31,5 14,63 9 44,6 1,89 14,5 27,3 8,94 10 13,2 1,41 33,5 47,1 10,33 11 15,8 1,45 30,3 44,2 12,44 12 23,2 1,63 17,5 42,1 14,31 13 27,7 1,57 25,3 39,9 11,87 14 60 2,1 7 15 9 15 29,8 1,66 20,9 34,8 12,20 16 25,7 1,50 25,7 39,5 14,07 17 20,5 1,48 28,0 41,4 15,20 - Der spezifische Widerstand des Widerstandsheizkörpers mit der lfd. Nr. 4 mit 3 Masseprozent Kohlenstoffnanoröhrchen beträgt ρ = 0,42 Ω·m und derjenige des Widerstandsheizkörpers mit der lfd. Nr. 12 mit 7 Masseprozent Kohlenstoffnanoröhrchen ρ = 0,057 Ω·m.
- Es ergibt sich eine flache Perkolationskurve (sprunghafte Änderung des spezifischen Widerstandes mit dem Masseanteil an Kohlenstoffnanoröhrchen, d. h. der spezifische Widerstand ändert sich anders als bei den obenerwähnten Werkstoffsystemen mit Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Polymermatrix mit der Erhöhung des Masseanteiles von 3% auf 7% nur von beispielsweise 0,42 Ω·m auf 0,057 Ω·m. Diese flache Perkolationskurve macht zum einen das Auftreten von „hot spots”, welche die Zuverlässigkeit des Widerstandsheizkörpers beeinträchtigen würden, weniger wahrscheinlich und erlaubt es zum zweiten, den spezifischen Widerstand über den Masseanteil einzustellen.
- Wie
2 zeigt, haben die erfindungsgemäßen keramischen Widerstandsheizkörper einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, d. h. es sind Heißleiter, die im Betrieb eine externe Strombegrenzung erfordern, da sie ansonsten „durchgehen” würden. Der Betrag dieses Temperaturkoeffizienten nimmt mit zunehmendem Masseanteil der Kohlenstoffnanoröhrchen ab. - Eine typische Ausführungsform eines ordnungsgemäßen Widerstandsheizkörpers hat beispielsweise die folgenden Abmessungen und Betriebskennwerte:
- – zylindrischer Stab mit den Abmessungen Durchmesser 10 mm und Abstand der Stromzuführungen 150 mm,
- – spezifischer Widerstand ρ = 0,00853 Ω·m (Widerstandsheizkörper mit der lfd. Nr. 10),
- – 33 s Aufheizzeit auf 230°C bei 100 W Heizleistung,
- – benötigte Leistung um die Temperatur im gegebenen Anwendungsfall auf dem genannten Sollwert zu halten: etwa 10 W,
- – Abkühlung auf Raumtemperatur nach Abschalten des Heizstromes in etwa 12 Minuten.
Claims (21)
- Keramischer Widerstandsheizkörper in Stabform, dadurch gekennzeichnet, dass in einer silikat- oder oxidkeramischen Matrix 1 bis 8 Masseprozent Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer mittleren Länge von bis zu 1,9 μm als elektrisch leitfähige Phase eingelagert sind.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser im Bereich von 100 bis 200 haben.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus Alkalialuminiumsilicat besteht.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus Magnesiumsilicat besteht.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus Erdalkalialuminiumsilicat besteht.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus Zirkonporzellan besteht.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus porösen Aluminiumsilicat besteht.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus porösem Magnesiumaluminiumsilicat besteht.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus Mullitkeramik besteht.
- Keramischer Widerstandsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus hoch-Al2O3-haltiger Keramik besteht.
- Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsheizkörpers nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Masseaufbereitung, bei welcher der spezifische Widerstand an der Perkolationsschwelle über die Dispersität der Kohlenstoffnanoröhrchen in der aus der Masse hergestellten Keramik eingestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Masseaufbereitung, bei welcher spezifische Widerstand der aus der aus der Masse hergestellten Keramik für Werte oberhalb der Perkolationsschwelle über den Masseanteil der Kohlenstoffnanoröhrchen eingestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Masseaufbereitung zunächst die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, deagglomeriert und dispergiert werden, dann die Massebestandteile zur Bildung der keramischen Matrix zugegeben und die Masse gemischt und homogenisiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Deagglomerieren und Dispergieren durch Rühren erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Massebestandteile zur Bildung der keramischen Matrix als Schlicker zugegeben werden.
- Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Massebestandteile zur Bildung der keramischen Matrix als Späne oder Granulat einer Pressmasse zugegeben werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen und Homogenisieren durch Rühren erfolgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen und Homogenisieren durch Nassmahlen erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Nassmahlen nach dem Rühren erfolgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Homogenisieren durch einen Strangpressarbeitsgang vor der eigentlichen Formgebung erfolgt bzw. fortgesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Formgebung durch Strangpressen erfolgt.
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