DE102019008020A1 - Layer structure for a heat-emitting surface segment and method for producing such a layer structure - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau für ein wärmeemittierendes Flächensegment und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtaufbaus. Es soll ein flächiges Heizsegment mit einer auf einem Trägermaterial gebildeten, elektrisch leitfähigen Beschichtung mit Kohlenstoffnanoröhren bereit gestellt werden, bei dem im Betrieb eine thermisch bedingte Rissbildung vermieden ist. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schichtaufbau für ein wärmeemittierendes Flächensegment, aufweisend eine bei Stromdurchfluss Wärme erzeugende Emissionsschicht, die über einem Trägermaterial eine sich geschlossen über einen Emissionsbereich erstreckende Schicht bildet, welche einen Anteil Kohlenstoffnanoröhren umfasst, wobei zwischen dem Trägermaterial und der Emissionsschicht eine zähelastische Kompensationsschicht angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, eine thermisch bedingte Verformbarkeit des Trägermaterials in einem Betriebstemperaturbereich sowie beim Abkühlen auf eine Umgebungstemperatur über einen Teilbereich ihrer Schichtdicke durch Verformung zu kompensieren und hierbei gleichzeitig eine dimensionsstabile Oberfläche beizubehalten. Zur Herstellung des Schichtaufbaus wird auf die Oberfläche eines Trägermaterials eine filmbildende, flüssig verarbeitbare und im getrockneten Zustand zähelastische Kompensationsschicht mit den vorgenannten Merkmalen aufgetragen und auf die Oberfläche der getrockneten Kompensationsschicht eine flüssig verarbeitbare, nach dem Auftragen einen elektrisch leitfähigen Film bildende Beschichtung mit Kohlenstoffnanoröhren aufgetragen.The invention relates to a layer structure for a heat-emitting surface segment and a method for producing such a layer structure. The aim is to provide a flat heating segment with an electrically conductive coating with carbon nanotubes formed on a carrier material, in which thermally induced cracking is avoided during operation. The object is achieved by a layer structure for a heat-emitting surface segment, having an emission layer which generates heat when a current flows through it, which forms a layer over a carrier material which extends over an emission region and comprises a proportion of carbon nanotubes, with a viscoplastic compensation layer between the carrier material and the emission layer is arranged, which is designed to compensate for a thermally induced deformability of the carrier material in an operating temperature range and when cooling to an ambient temperature over a part of its layer thickness by deformation and at the same time to maintain a dimensionally stable surface. To produce the layer structure, a film-forming, liquid processable and in the dried state viscoplastic compensation layer with the aforementioned features is applied to the surface of a carrier material and a liquid processable coating with carbon nanotubes, which after application forms an electrically conductive film, is applied to the surface of the dried compensation layer.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau für ein wärmeemittierendes Flächensegment und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtaufbaus.The invention relates to a layer structure for a heat-emitting surface segment and a method for producing such a layer structure.
Stand der TechnikState of the art
In etlichen Bereichen des täglichen Lebens besteht Bedarf für energie- und kosteneffiziente Heizsysteme. Hierbei ist in vielfältigen Anwendungssituationen der Einsatz elektrischer Flächenheizungen sinnvoll, durch welche Wärme bei einer relativ niedrigen Systemleistung über eine verhältnismäßig große Fläche abgegeben wird. Elektrische Flächenheizungen werden in der Praxis beispielsweise zur Beheizung der Innenräume von Gebäuden als Wand- oder Fußbodenheizung oder in Fahrgastkabinen von Verkehrsmitteln als Sitzheizungen, zur Beheizung des Armaturenbretts, Lenkrads, Dachhimmels oder der Türflächen eingesetzt. Zur Herstellung elektrischer Flächenheizungen ist im Stand der Technik allgemein bekannt, flächenförmige Elemente mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung zu versehen. Hierzu werden beispielsweise Kunststoffe oder Lacke verwendet, die mit Leitfähigkeitsrußen elektrisch leitfähig gemacht wurden. In jüngerer Zeit werden hierzu anstatt Rußpartikeln auch sog. Kohlenstoffnanoröhren (englisch als carbon nanotubes, abgekürzt CNT, bezeichnet) verwendet, mit welchen eine gewünschte Leitfähigkeit bereits mit erheblich geringeren Stoffmengen erreichbar ist. Kohlenstoffnanoröhren sind relativ kleine röhrenförmige Partikel aus Kohlenstoff, die unter anderem sehr gute elektrothermische Eigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dispersionen oder kunststoff- oder kunstharzbasierte Verbundsysteme mit einem prozentualen Gewichtsanteil von Kohlennanostoffröhren in Höhe von 0,1 bis 10 % erzeugen schon bei einem niedrigen Stromfluss verhältnismäßig viel Wärme, wie dies beispielsweise in den Druckschriften
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die dargestellten Nachteile zu vermeiden. Insbesondere soll ein flächiges Heizsegment mit einer auf einem Trägermaterial gebildeten, elektrisch leitfähige Beschichtung mit Kohlenstoffnanoröhren bereit gestellt werden, bei dem im Betrieb eine thermisch bedingte Rissbildung vermieden ist.The invention is based on the object of avoiding the disadvantages presented. In particular, a planar heating segment with an electrically conductive coating with carbon nanotubes formed on a carrier material is to be provided, in which thermally induced cracking is avoided during operation.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schichtaufbau nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus nach Anspruch 6 gelöst, vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved according to the invention by a layer structure according to
Der Kern der Erfindung bildet ein Schichtaufbau für ein wärmeemittierendes Flächensegment, aufweisend eine bei Stromdurchfluss Wärme erzeugende Emissionsschicht, die über einem Trägermaterial eine sich geschlossen über einen Emissionsbereich erstreckende Schicht bildet, welche einen Anteil Kohlenstoffnanoröhren umfasst, wobei zwischen dem Trägermaterial und der Emissionsschicht eine zähelastische Kompensationsschicht angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, eine thermisch bedingte Verformbarkeit des Trägermaterials in einem Betriebstemperaturbereich sowie beim Abkühlen auf eine Umgebungstemperatur über einen Teilbereich ihrer Schichtdicke durch Verformung zu kompensieren und hierbei gleichzeitig eine dimensionsstabile Oberfläche beizubehalten. Die bestimmungsgemäße Verwendung des wärmeemittierenden Flächensegments hat im Betriebstemperaturbereich einen Wärmeeintrag von der Emissionsschicht in die darunter befindlichen Schichten und damit auch in das Trägermaterial zur Folge. Der Betriebstemperaturbereich der Emissionsschicht liegt allgemein zwischen 45°C und 80°C, beim Einsatz im Innenbereich von Fahrgastkabinen vorzugsweise zwischen 50°C und 60°C. Abhängig vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Trägermaterials kann sich dieses durch einen Wärmeeintrag aus der Emissionsschicht im Betrieb ausdehnen und auf seiner Oberfläche dimensional verformen. Eine dimensionale Verformung der Oberfläche des Trägermaterials führt zur entsprechenden Verformung der darüber befindlichen zähelastischen Kompensationsschicht. Aufgrund ihrer zähelastischen Materialeigenschaft nimmt die Kompensationsschicht diese Verformung durch Nachgeben über einen Teil ihrer Schichtdicke auf, wobei ihre an die Emissionsschicht angrenzende Oberfläche aufgrund einer gleichzeitig ausreichenden Zähigkeit hinreichend dimensionsstabil bleibt. Abhängig vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Materialeigenschaften des jeweiligen Trägermaterials kann sich dieses nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur wieder zusammenziehen, was eine erneute dimensionale Verformung seiner Oberfläche zur Folge hat. Aufgrund ihrer zähelastischen Materialeigenschaft nimmt die Kompensationsschicht diese Verformung durch Ausdehnung über einen Teil ihrer Schichtdicke auf, wobei ihre an die Emissionsschicht angrenzende Oberfläche aufgrund einer gleichzeitig ausreichenden Zähigkeit wiederrum hinreichend dimensionsstabil bleibt. Die Kompensationsschicht kompensiert mithin dimensionale Verformungen der Oberfläche des Trägermaterials. Hierzu wird die Schichtdicke der Kompensationsschicht abhängig von ihrer spezifischen zähelastischen Materialeigenschaft und dem thermischen Ausdehnungsverhalten des jeweiligen Trägermaterials derart gewählt, dass im Betriebstemperaturbereich sowie beim Abkühlen auf die Umgebungstemperatur stets eine ausreichende Kompensationswirkung gegeben ist, bei der die Oberfläche der Kompensationsschicht zur Vermeidung einer Rissbildung in der Emissionsschicht ausreichend dimensionsstabil bleibt. Wenn sich das Trägermaterial beim Abkühlen zusammenzieht und wieder sein ursprüngliches Ausgangsvolumen bei Umgebungstemperatur einnimmt, wird durch das Ausdehnen der Kompensationsschicht zudem die Bildung von Kavitäten innerhalb des Schichtaufbaus verhindert.The core of the invention is a layer structure for a heat-emitting surface segment, having an emission layer that generates heat when current flows through it, which forms a closed layer over a carrier material, which extends over an emission area and comprises a proportion of carbon nanotubes, with a viscoplastic compensation layer between the carrier material and the emission layer is arranged, which is designed to compensate for a thermally induced deformability of the carrier material in an operating temperature range and when cooling to an ambient temperature over a part of its layer thickness by deformation and at the same time to maintain a dimensionally stable surface. The intended use of the heat-emitting surface segment results in an input of heat from the emission layer into the layers below and thus also into the carrier material in the operating temperature range. The operating temperature range of the emission layer is generally between 45 ° C and 80 ° C, preferably between 50 ° C and 60 ° C when used in the interior of passenger cabins. Depending on the thermal expansion coefficient of the respective carrier material, it can expand during operation due to the introduction of heat from the emission layer and dimensionally deform on its surface. A dimensional deformation of the surface of the carrier material leads to a corresponding deformation of the viscoplastic compensation layer located above it. Due to its viscoplastic material properties, the compensation layer absorbs this deformation by yielding over part of it Layer thickness, with its surface adjacent to the emission layer remains sufficiently dimensionally stable due to a simultaneously sufficient toughness. Depending on the thermal expansion coefficient and the material properties of the respective carrier material, it can contract again after cooling to ambient temperature, which results in a new dimensional deformation of its surface. Due to its viscoplastic material property, the compensation layer absorbs this deformation by expanding over part of its layer thickness, with its surface adjacent to the emission layer in turn remaining sufficiently dimensionally stable due to a simultaneously sufficient toughness. The compensation layer therefore compensates for dimensional deformations of the surface of the carrier material. For this purpose, the layer thickness of the compensation layer is selected depending on its specific viscoplastic material properties and the thermal expansion behavior of the respective carrier material in such a way that there is always a sufficient compensation effect in the operating temperature range and when cooling to the ambient temperature, in which the surface of the compensation layer to avoid cracking in the Emission layer remains sufficiently dimensionally stable. If the carrier material contracts when it cools and returns to its original volume at ambient temperature, the expansion of the compensation layer also prevents the formation of cavities within the layer structure.
Geeignete, am Markt kostengünstig erhältliche und gut verarbeitbare Materialien zur Bildung der Kompensationsschicht sind filmbildende, bei Verarbeitung sprüh-, spritz- oder streichfähige kunststoff-, kunstharz- oder bitumenbasierte Beschichtungsmaterialien oder Beschichtungssysteme aus entsprechenden Materialmischungen. Die zähelastische Materialeigenschaft der Kompensationsschicht ist hierbei zusätzlich durch die Zugabe von Additiven einstellbar.Suitable, inexpensive and easily processable materials for forming the compensation layer that are available on the market are film-forming, plastic, synthetic resin or bitumen-based coating materials or coating systems made from appropriate material mixtures that can be sprayed, sprayed or brushed during processing. The tough elastic material properties of the compensation layer can also be adjusted by adding additives.
Ein verarbeitungstechnisch erfahrungsgemäß besonders gut geeignetes Material zur Bildung der Kompensationsschicht ist eine filmbildende, bei Verarbeitung sprüh-, spritz- oder streichfähige Dispersion auf Kunstharzbasis, die einen Feststoffanteil eines polymeren Pulvers auf PVC-Basis und einen Weichmacher enthält. Der Feststoffanteil der zu verarbeitenden Dispersion beträgt vorzugsweise 50-60 %.In terms of processing experience, a particularly suitable material for forming the compensation layer is a film-forming dispersion based on synthetic resin which can be sprayed, sprayed or brushed on during processing and which contains a solid fraction of a polymeric powder based on PVC and a plasticizer. The solids content of the dispersion to be processed is preferably 50-60%.
Einen weiteren Kern der Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtaufbaus für eine wärmeemittierende Oberfläche mit den Schritten
- - Auftrag einer filmbildenden, flüssig verarbeitbaren und im getrockneten Zustand zähelastischen Kompensationsschicht mit den vorbeschriebenen Merkmalen auf die Oberfläche eines Trägermaterials,
- - Auftrag einer flüssig verarbeitbaren, nach dem Auftragen einen elektrisch leitfähigen Film bildende Beschichtung mit Kohlenstoffnanoröhren auf die Oberfläche der getrockneten Kompensationsschicht.
- - Application of a film-forming, liquid processable and in the dried state viscoplastic compensation layer with the above-described features on the surface of a carrier material,
- - Application of a liquid processable, after application, an electrically conductive film-forming coating with carbon nanotubes on the surface of the dried compensation layer.
Zur Verbesserung der Stabilität des Schichtaufbaus wird auf die Oberfläche des Trägermaterials vor dem Auftrag Kompensationsschicht ein Haftvermittler aufgetragen.To improve the stability of the layer structure, an adhesion promoter is applied to the surface of the carrier material before the application of the compensation layer.
Der Auftrag des Haftvermittlers und/oder der Kompensationsschicht und/oder der Beschichtung mit Kohlenstoffnanoröhren erfolgt verfahrenstechnisch einfach durch ein Sprüh- oder Spritzverfahren.The application of the adhesion promoter and / or the compensation layer and / or the coating with carbon nanotubes is carried out in a process-technically simple manner by means of a spraying or spraying process.
Weitere Vorteile der Erfindung sind nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
-
1 einen schematischen Querschnitt eines Schichtaufbaus, -
2 den Schichtaufbau gemäß1 als schematische Teilschnittdarstellung in Aufsicht.
-
1 a schematic cross section of a layer structure, -
2 the layer structure according to1 as a schematic partial sectional view from above.
Zur Herstellung des Schichtaufbaus
Die Auslegung der Voltage und Stromstärke für die Stromversorgung der Emissionsschicht
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SchichtaufbauLayer structure
- 22
- TrägermaterialCarrier material
- 33
- HaftvermittlerAdhesion promoter
- 44th
- KompensationsschichtCompensation layer
- 55
- EmissionsschichtEmission layer
- 6a, 6b6a, 6b
- KupferleitbahnCopper conductor
- 7a, 7b7a, 7b
- KontaktstreifenContact strips
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 202005013822 U1 [0002]DE 202005013822 U1 [0002]
- US 2007/0295714 A1 [0002]US 2007/0295714 A1 [0002]
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