DE102017205296A1 - Elektrischer Leiter - Google Patents

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Abstract

Es sind schon Garne zur elektrischen Leitung bekannt, die jeweils einen Verbund von Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren und/oder einer Vielzahl von Schichten aus Graphen umfassen und eine bestimmte Porosität aufweisen. Die Garne weisen eine elektrische Isolationsschicht auf, die durch das Auftragen einer Polymerbeschichtung hergestellt ist. Die elektrische Isolationsschicht muss so gut an dem Garn haften, dass sich die Isolation auch bei mechanischer Beanspruchung, beispielsweise einer Umlenkung mit einem kleinen Biegeradius, nicht ablöst. Außerdem soll die elektrische Isolationsschicht möglichst dünn ausgebildet sein, um einen niedrigen Wärmeleitwiderstand zu erreichen. Darüber hinaus muss die elektrische Isolationsschicht elastisch genug sein, um die möglichen geometrischen Veränderungen des biegeschlaffen Garns mitmachen zu können, ohne sich abzulösen.Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter wird die elektrische Isolierung verbessert.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die äußeren Fasern des Verbunds derart fluoriert sind, dass sie eine elektrische Isolationsschicht (2) bilden, und dass die Fasern in einem Innenbereich (3) elektrisch leitend sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Leiter, insbesondere einem Garn, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
  • Es ist schon ein Garn zur elektrischen Leitung aus der WO2012/106406 A1 bekannt, das ein Verbund von Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren und/oder aus einer Vielzahl von Schichten aus Graphen umfasst und eine bestimmte Porosität aufweist. Das Garn weist eine elektrische Isolationsschicht auf, die durch das Auftragen einer Polymerbeschichtung hergestellt ist. Die elektrische Isolationsschicht muss so gut an dem Garn haften, dass sich die Isolation auch bei mechanischer Beanspruchung, beispielsweise einer Umlenkung mit einem kleinen Biegeradius, nicht ablöst. Außerdem soll die elektrische Isolationsschicht möglichst dünn ausgebildet sein, um einen niedrigen Wärmeleitwiderstand zu erreichen. Darüber hinaus muss die elektrische Isolationsschicht elastisch genug sein, um die möglichen geometrischen Veränderungen des biegeschlaffen Garns mitmachen zu können, ohne sich abzulösen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße elektrische Leiter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die elektrische Isolierung des elektrischen Leiters verbessert wird, indem die äußeren Fasern des Verbunds von Fasern derart fluoriert sind, dass sie eine elektrische Isolationsschicht bilden, und dass die Fasern in einem Innenbereich elektrisch leitend sind. Auf diese Weise bilden die äußeren Fasern des Verbunds selbst eine elektrische Isolation. Diese erfindungsgemäße Isolation ist sehr flexibel und kann auch an kleinste Biegeradien angelegt werden, ohne dass ein Lösen oder Abreißen der elektrischen Isolation zu befürchten ist.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektrischen Leiters möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass der Fluorierungsgrad der Fasern ausgehend von den äußeren, die Isolationsschicht bildenden Fasern mit zunehmendem Abstand von einem Außenumfang des elektrischen Leiters abnimmt, da der innere Kern des elektrischen Leiters auf diese Weise elektrisch leitfähig ist.
  • Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel hat die durch die äußeren Fasern gebildete Isolationsschicht eine Dicke von mindestens 100 nm und maximal 100 µm.
  • Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Porosität des Verbunds von Fasern derart ausgeführt ist, dass die äußeren Fasern durch das Zusammenwirken mit Fluor elektrisch nichtleitend und die im Innenbereich liegenden Fasern durch keinen oder geringen Kontakt mit dem Fluor elektrisch leitend sind. Auf diese Weise kann eine elektrische Isolation des elektrischen Leiters allein durch Fluorierung des elektrischen Leiters und ohne Auftragen einer zusätzlichen Beschichtung erreicht werden.
  • Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Porosität des elektrischen Leiters kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 7%.
  • Auch vorteilhaft ist, wenn eine zusätzliche Polymerbeschichtung des elektrischen Leiters vorgesehen ist. Auf diese Weise wird die durch Fluorierung gebildete Isolationsschicht des elektrischen Leiters verstärkt. Außerdem kann dadurch eine besonders gute Haftung der Polymerbeschichtung auf den fluorierten äußeren Fasern des elektrischen Leiters erreicht werden.
  • Die durch Fluorierung gebildete Isolationsschicht des elektrischen Leiters kann vorteilhafterweise durch Behandlung des elektrischen Leiters mit einem fluorhaltigen Gas oder Plasma erreicht werden.
  • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Der erfindungsgemäße elektrische Leiter 1 ist aus einem Verbund von Fasern gebildet, wobei die Fasern Kohlenstoffnanoröhren (CNT-Nanotubes) und/oder eine Vielzahl von Schichten aus Graphen umfassen, insbesondere aus Kohlenstoffnanoröhren (CNT-Nanotubes) und/oder aus einer Vielzahl von Schichten aus Graphen hergestellt sind. Zwischen den Fasern des Verbunds sind Hohlräume gebildet, so dass eine bestimmte Porosität besteht. Der elektrische Leiter 1 umfasst eine Vielzahl von Fasern, die in Richtung einer Längserstreckung 1.1 des elektrischen Leiters 1 verlaufen und auf bekannte Weise zusammengehalten sind, beispielsweise durch Verdrillen, Flechten oder Verknoten. Beispielsweise ist der elektrische Leiter 1 ein Garn.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die äußeren Fasern des Verbunds derart fluoriert sind, dass sie eine elektrische Isolationsschicht 2 bilden, und dass die Fasern in einem Innenbereich 3 elektrisch leitend sind. Die Isolationsschicht 2 kann eine geschlossene oder eine zum Innenbereich 3 hin offene Schicht sein.
  • Die äußeren Fasern, die die elektrische Isolationsschicht 2 bilden, liegen am Außenumfang des elektrischen Leiters 1 und in einem bestimmten Bereich darunter. Diese äußeren Fasern sind durch eine Behandlung mit Fluor elektrisch nichtleitend. Die Isolationsschicht 2 kann beispielsweise eine Dicke von mindestens 100 nm und maximal 100 µm aufweisen.
  • Die unterhalb der Isolationsschicht 2 liegenden Fasern bilden den Innenbereich 3, in dem die Fasern elektrisch leitend sind. Der Fluorierungsgrad, also das Verhältnis von Kohlenstoffatomen zu Fluoratomen, der Fasern des elektrischen Leiters 1 nimmt ausgehend von den äußeren, die Isolationsschicht 2 bildenden Fasern nach radial innen hin bezüglich der Achse 1.1 mit zunehmendem Abstand von dem Außenumfang des elektrischen Leiters 1 ab, so dass die Fasern innerhalb der Isolationsschicht 2 elektrisch leitfähig sind. Beispielsweise beträgt die elektrische Leitfähigkeit des elektrischen Leiters 1 auf 90% des Leiterquerschnitts des elektrischen Leiters 1 nach der Fluorierung noch mindestens 90% des ursprünglichen Wertes.
  • Die Porosität des Verbunds von Fasern ist derart ausgeführt, dass die äußeren Fasern des elektrischen Leiters 1 durch das Zusammenwirken mit Fluor elektrisch nichtleitend und die im Innenbereich 3 liegenden Fasern durch keinen oder geringen Kontakt mit dem Fluor elektrisch leitend sind.
  • Nach dem Ausführungsbeispiel werden die Fasern des elektrischen Leiters 1 mit einem fluorhaltigen Gas oder einem fluorhaltigen Plasma behandelt, um die Isolationsschicht 2 herzustellen. Beispielsweise kann der elektrische Leiter in einer Plasmakammer angeordnet werden, in welcher ein Unterdruck herrscht und in der Argon und ein fluorhaltiges Gas, beispielsweise Tetrafluormethan oder Fluorgas, vorgesehen ist, damit ein Plasmagenerator das Plasma auf bekannte Weise in der Plasmakammer erzeugen kann.
  • Beispielsweise ist die Porosität des elektrischen Leiters 1 kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 7%, ausgeführt. Graphit reagiert mit dem Fluor im Temperaturbereich von 200 bis 550 °C zu Graphitfluorid, wie in DE 3231238 A1 offenbart. Bei einem Fluorierungsgrad unterhalb von 0,9 leitet Graphitfluorid den elektrischen Strom ebenso wie Graphit. Bei einem Fluorierungsgrad von 1,0 ist Graphitfluorid ein elektrischer Isolator. Die Erfindung beinhaltet, dass die Fluorierung nur im Bereich der äußeren Fasern stattfindet, so dass der Innenbereich 3 nicht oder nur teilweise oder nur geringfügig fluoriert wird. Dies bedeutet, dass erfindungsgemäß die äußeren Fasern annähernd vollständig fluoriert sind, so dass die Isolationsschicht 2 entsteht. Darunter befindet sich eine Schicht, die nur teilweise fluoriert ist und deren Fluorgehalt mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Leiters 1 stark abnimmt. Im Kern 3 bleibt sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die mechanische Festigkeit der Fasern erhalten. Damit dies sichergestellt ist, besitzt der elektrische Leiter eine Porosität von maximal 10%, insbesondere maximal 7%. Ist die Porosität größer als dieser Maximalwert, wird die Eindringtiefe der Fluorierung zu hoch.
  • Verschiedene Fluorierungsmethoden wurden betrachtet, wie beispielsweise das Mischen mit reaktiven fluorhaltigen Lösungen, die Reaktion mit fluorhaltigen Gasen bei erhöhter Temperatur und die Behandlung mit fluorhaltigem Plasma. Von diesen Methoden stellt die Plasmabehandlung ein vorteilhaftes Verfahren dar. Neben der Möglichkeit, die Fluorierungstiefe über die Parameter Plasmaleistung, verwendete fluorhaltige Gase, Druck und Zeitdauer exakt einzustellen, bietet die Plasmabehandlung auch die Möglichkeit, bei Raumtemperatur zu fluorieren und die Fluorierung in kurzer Zeit durchzuführen. Darüber hinaus bietet ein Plasmaprozess auch die Möglichkeit, zusätzlich zur Fluorierung eine PTFE-ähnliche Substanz auf der Oberfläche des elektrischen Leiters 1 aufzubauen.
  • Der elektrische Leiter 1 kann zusätzlich zu der Isolationsschicht 2 eine auf die Isolationsschicht 2 aufgebrachte Polymerbeschichtung 4 haben. Die Polymerbeschichtung besteht aus einem elastischen Polymer, beispielsweise aus Polyvinylchlorid (PVC), vernetztem Polyethylen (XLPE), Silikongummi oder Nitrilbutylkautschuk.
  • Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung auf der Oberfläche der Fasern ist so stark, dass diese starke Wasserstoffbrücken zu Molekülen ausbilden kann, die OH-Gruppen besitzen. Dies ermöglicht eine starke Verbesserung der Haftung von Polymeren mit OH-Gruppen auf der Oberfläche des elektrischen Leiters 1.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/106406 A1 [0002]
    • DE 3231238 A1 [0018]

Claims (7)

  1. Elektrischer Leiter, insbesondere Garn, der ein Verbund von Fasern umfasst und eine bestimmte Porosität aufweist, wobei die Fasern Kohlenstoffnanoröhren und/oder eine Vielzahl von Schichten aus Graphen umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Fasern des Verbunds derart fluoriert sind, dass sie eine elektrische Isolationsschicht (2) bilden, und dass die Fasern in einem Innenbereich (3) elektrisch leitend sind.
  2. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluorierungsgrad der Fasern ausgehend von den äußeren, die Isolationsschicht (2) bildenden Fasern mit zunehmendem Abstand von einem Außenumfang des elektrischen Leiters (1) abnimmt.
  3. Elektrischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die äußeren Fasern gebildete Isolationsschicht (2) eine Dicke von mindestens 100 nm und maximal 100 µm aufweist.
  4. Elektrischer Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des Verbunds von Fasern derart ausgeführt ist, dass die äußeren Fasern durch das Zusammenwirken mit Fluor elektrisch nichtleitend und die im Innenbereich (3) liegenden Fasern durch keinen oder geringen Kontakt mit dem Fluor elektrisch leitend sind.
  5. Elektrischer Leiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des elektrischen Leiters (1) kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 7% ist.
  6. Elektrischer Leiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Polymerbeschichtung (4) des elektrischen Leiters (1) vorgesehen ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters, insbesondere Garns, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (1) mit einem fluorhaltigen Gas oder einem fluorhaltigen Plasma behandelt wird.
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