DE102020213275A1 - Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs, Verwendung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs zur Herstellung eines Heizelements, Heizelement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs (1), bei dem einem elektrisch isolierenden Kunststoff (2), insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, mindestens ein elektrisch leitfähiger Füllstoff (3), beispielsweise ein Metallpulver, Metallfasern, Kohlenstofffasern, Graphit, Ruß und/oder Carbon Nano Tubes, beigemischt wird. Erfindungsgemäß wird zusätzlich mindestens ein weiterer Füllstoff (4) beigemischt, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten > 200*10-61/K, vorzugsweise > 220*10-61/K, weiterhin vorzugsweise > 240*10-61/K, aufweist.Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs (1) zur Herstellung eines Heizelements (10) sowie ein Heizelement (10), das aus dem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff (1) hergestellt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs zu Herstellung eines Heizelements sowie ein Heizelement, das aus einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff hergestellt ist.
- Stand der Technik
- Elektrisch leitfähige Verbundwerkstoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie finden Einsatz sowohl in der Industrie als auch im Haushalt, beispielsweise als selbstregelnde Heizungskabel. Diese bestehen aus zwei elektrischen Leitern, die unter Einhaltung eines konstanten Abstands mit einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff extrudiert werden.
- Elektrisch leitfähige Verbundwerkstoffe weisen eine Matrix aus einem elektrisch nicht leitfähigen bzw. elektrisch isolierenden Kunststoff auf, die mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff in Form von Partikeln und/oder Fasern enthält. Häufig werden Partikel und/oder Fasern aus Metall und/oder Kohlenstoff als elektrisch leitfähige Füllstoffe zugegeben. Der Füllgrad muss ein gewisses Mindestmaß überschreiten, so dass sich die in der Matrix enthaltenen elektrisch leitfähigen Füllstoffe berühren und es dadurch zur Ausbildung elektrisch leitfähiger Pfade kommt. Diesen Effekt nennt man auch Perkolation. Der Füllgrad kann soweit gesteigert werden bis die Grenze der Verarbeitbarkeit des Verbundwerkstoffs erreicht ist.
- Durch einen elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff kann bei geeigneter Kontaktierung ein elektrischer Strom fließen, wobei - aufgrund des elektrischen Widerstands - Joulesche Wärme erzeugt wird. Elektrisch leitfähige Verbundwerkstoffe eignen sich daher insbesondere zur Ausbildung von Heizelementen. Die Heizleistung des Heizelements ist dabei abhängig vom spezifischen elektrischen Widerstand und damit von den Füllstoffen, dem Füllgrad sowie der Verarbeitung des Verbundwerkstoffs.
- Häufig werden von derartigen Heizelementen große Heizleistungen bzw. hohe Temperaturen gefordert, so dass nur temperaturbeständige Kunststoffe, insbesondere Hochtemperaturthermoplaste, wie beispielsweise PEEK, PPS, PPA, PA, PES, PPSU oder PSU, als Matrixmaterial einsetzbar sind. Ferner kann eine Selbstabregelung der Heizelemente verlangt sein, um eigensichere Heizsysteme herzustellen. Dies ist möglich durch Verwendung von Verbundwerkstoffen mit selbstregelnden Eigenschaften. Beispielsweise kann der PTC („Positive Temperature Coefficient“) -Effekt eines Verbundwerkstoffs genutzt werden. Dieser bewirkt, dass sich aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Matrixwerkstoff bei Erwärmung stärker ausdehnt als die darin enthaltenen elektrisch leitfähigen Füllstoffe. Diese werden somit auseinandergezogen, was zur Folge hat, dass der elektrische Widerstand steigt.
- Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, einen neuen elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff für die Herstellung von Heizelementen anzugeben, der sich durch einen hohen positiven Temperatur-Koeffizienten (PTC) auszeichnet.
- Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Heizelement mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
- Offenbarung der Erfindung
- Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs wird einem elektrisch isolierenden Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, mindestens ein elektrisch leitfähiger Füllstoff, beispielsweise ein Metallpulver, Metallfasern, Kohlenstofffasern, Graphit, Ruß und/oder Carbon Nano Tubes, beigemischt. Erfindungsgemäß wird zusätzlich mindestens ein weiterer Füllstoff beigemischt, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten > 200*10-61/K, vorzugsweise > 220*10-6 1/K, weiterhin vorzugsweise > 240*10-6 1/K, aufweist.
- Thermoplastische Kunststoffe, die üblicherweise als elektrisch isolierende matrixbildende Kunststoffe verwendet werden, weisen thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 200*10-6 1/K auf, wobei Hochtemperaturthermoplaste, wie beispielsweise PEEK, PPS, PPA, PA, PES, PPSU oder PSU, eher im unteren Bereich liegen, das heißt bei 20 bis 80*10-6 1/K. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von beispielsweise PEEK beträgt 47*10-6 1/K unterhalb der Glasübergangstemperatur, der von PPS 60*10-6 1/K zwischen 23 und 60°C, danach geringfügig zunehmend.
- Der zusätzlich zu dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff beigemischte weitere Füllstoff weist demnach einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der deutlich über dem der Kunststoffmatrix liegt. Dies hat zur Folge, dass die Kunststoffmatrix bei einer Erwärmung des elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs durch die enthaltenen weiteren Füllstoffe stärker gedehnt wird. Das heißt, dass die elektrisch leitfähigen Füllstoffe bei steigender Temperatur stärker auseinandergezogen werden.
- Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann somit der positive TemperaturKoeffizient (PTC) des herzustellenden elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs beeinflusst, insbesondere erhöht werden. Dies wiederum ermöglicht eine Einstellung des PTC, so dass der PTC-Effekt im Bereich der Perkolation nutzbar ist.
- Bevorzugt ist der mindestens eine weitere Füllstoff, der beigemischt wird, ein Elastomer, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer, ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und/oder ein Silikon. Elastomere weisen nicht nur den gewünschten hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, sondern sind zudem inkompressibel, so dass bei einer thermischen Ausdehnung zugleich eine hohe Kraft ausgeübt werden kann. Die Kunststoffmatrix wird dabei über die Füllstoffe mechanisch gedehnt. Darüber hinaus weisen Elastomere eine hohe Temperaturbeständigkeit, insbesondere bei einer dauerhaften Beanspruchung. Die Dauergebrauchstemperatur von beispielsweise Silikon liegt bei 200°C und kann kurzzeitig bis zu 300°C betragen.
- Ferner bevorzugt wird der mindestens eine weitere Füllstoff in Partikelform beigemischt. Die Partikelform vereinfacht die Beimischung des weiteren Füllstoffs. Insbesondere fördert sie eine gleichmäßige Verteilung des weiteren Füllstoffs im die Matrix ausbildenden elektrisch isolierenden Kunststoff. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Matrix bei Erwärmung des Verbundwerkstoffs gleichmäßig gedehnt wird.
- Bevorzugt weisen die einzelnen Partikel des weiteren Füllstoffs eine Kugel- oder Linsenform auf. Derartige Partikelformen begünstigen eine dichte Packung, so dass sich die weiteren Füllstoffe leichter zwischen die elektrisch leitfähigen Füllstoffe legen und diese bei Erwärmung auseinanderdrücken können.
- Vorteilhafterweise sind die Partikel des mindestens einen weiteren Füllstoffs kleiner als die Partikel des mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoffs. Diese Maßnahme trägt ebenfalls dazu bei, dass die Partikel des weiteren Füllstoffs gut zwischen die Partikel des mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoffs gelangen. Vorzugsweise beträgt die mittlere Partikelgröße D50 des mindestens einen weiteren Füllstoffs zwischen 0,8 µm und 5 µm, beispielsweise D50 = 2 µm. Versuche haben gezeigt, dass durch Partikelgrößen im Mikrometerbereich und eine enge Partikelgrößenverteilung konstante elektrische Widerstandswerte erzielbar sind.
- In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Partikel des mindestens einen weiteren Füllstoffs vor dem Beimischen mit einem hydrophoben Beschichtungsmaterial, insbesondere mit einem Polymer, beispielsweise mit Polymethylsilsesquioxan, beschichtet werden. Die hydrophobe Beschichtung bietet einen Schutz vor thermischem Abbau bei der Verarbeitung in der heißen Kunststoffschmelze. Da die Partikel des weiteren Füllstoffs mit der hydrophoben Beschichtung zudem freifließend sind, lassen sie sich hervorragend einmischen.
- Des Weiteren wird die Verwendung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs zur Herstellung eines Heizelements vorgeschlagen. Denn die Vorteile des Werkstoffs kommen in dieser Anwendung besonders deutlich zum Tragen. Insbesondere können über die konkrete Zusammensetzung, vor allem über den zusätzlich beigemischten weiteren Füllstoff, die selbstregelnden Eigenschaften des Verbundwerkstoffs bzw. des Heizelements eingestellt werden.
- Darüber hinaus wird ein Heizelement aus einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff vorgeschlagen, das eine Matrix aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff umfasst, die mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff, beispielsweise ein Metallpulver, Metallfasern, Kohlenstofffasern, Graphit, Ruß und/oder Carbon Nano Tubes, enthält. Erfindungsgemäß enthält die Matrix zusätzlich mindestens einen weiteren Füllstoff, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten > 200*10-61/K, vorzugsweise > 220*10-6 1/K, weiterhin vorzugsweise > 240*10-6 1/K, aufweist.
- Das vorgeschlagene Heizelement ist demnach aus einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff hergestellt, so dass die zuvor beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs optimal zum Tragen kommen.
- Der mindestens eine weitere Füllstoff ist daher bevorzugt ein Elastomer, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer, ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und/oder ein Silikon. Elastomere weisen die gewünschten hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, sind inkompressibel und gegenüber hohen Temperaturen beständig. Alles Vorteile, die förderlich für den Einsatz in einem Heizelement sind.
- Ferner bevorzugt ist der mindestens eine weitere Füllstoff in Partikelform enthalten und die Partikel weisen eine mittlere Partikelgröße D50 zwischen 0,8 µm und 50 µm, beispielsweise D50 = 2 µm, auf. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Verteilung der Partikel in der Kunststoffmatrix sichergestellt. Das heißt, dass sich diese bei Erwärmung gleichmäßig ausdehnt.
- In Weiterbildung der Erfindung sind die Partikel des mindestens einen weiteren Füllstoffs mit einem hydrophoben Beschichtungsmaterial, insbesondere mit einem Polymer, beispielsweise mit Polymethylsilsesquioxan, beschichtet. Die hydrophobe Beschichtung trägt ebenfalls zu einer gleichmäßigen Verteilung der weiteren Füllstoffe in der Kunststoffmatrix bei.
- Die Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen nochmals näher erläutert. Diese zeigen:
-
1 den Zustand eines erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs bei Raumtemperatur, -
2 a) bis e) den Zustand bei stetiger Erwärmung des elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs und den Anstieg des spezifischen Widerstands p bei steigender Temperatur, -
3 den Zustand bei Selbstabregelung. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- In der
1 ist ein elektrisch leitfähiger Verbundwerkstoff 1 zur Herstellung eines Heizelements 10 dargestellt, der eine Matrix aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff 2 sowie hierin eingebundene Füllstoffe 3, 4 aufweist. Bei dem Füllstoff 3 handelt es sich um mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff 3, wie beispielsweise Metallpulver oder Ruß. Bei dem mindestens einen weiteren Füllstoff 4 handelt es sich um eine Füllstoff 4 mit einer hohen thermischen Ausdehnungsfähigkeit, vorzugsweise einem Elastomer. -
1 sowie2a) zeigen den Zustand des Verbundwerkstoffs 1 bei Raumtemperatur. Die elektrisch leitfähigen Füllstoffe 3 liegen derart dicht beieinander, dass sie einander berühren und elektrisch leitfähige Pfade 5 ausbilden. Wird nun an den Verbundwerkstoff eine elektrische Spannung angelegt, erwärmt sich dieser über die elektrisch leitfähigen Pfade 5. Von der2a) bis zur2e) steigt die Erwärmung kontinuierlich an. - Über die elektrisch leitfähigen Pfade 5 erwärmen sich auch die an den elektrisch leitfähigen Füllstoffen 3 anliegenden weiteren Füllstoffe 4 bzw. die Elastomere. Diese dehnen sich mit zunehmender Erwärmung aus und drücken dabei die elektrisch leitfähigen Füllstoffe 3 auseinander. Mit Erreichen des Perkolationsbereichs nimmt der elektrische Widerstand zu (siehe den Kurvenverlauf in der Graphik unter den
2a) bis2e) ). Schließlich wird ein Zustand erreicht, in dem der elektrische Widerstand soweit angestiegen ist, dass keine weitere Erwärmung erfolgt und die Heizleistung komplett an die Umgebung abgegeben wird. Dieser Zustand ist in der2e) bzw. in der3 erreicht.
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs (1), bei dem einem elektrisch isolierenden Kunststoff (2), insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, mindestens ein elektrisch leitfähiger Füllstoff (3), beispielsweise ein Metallpulver, Metallfasern, Kohlenstofffasern, Graphit, Ruß und/oder Carbon Nano Tubes, beigemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens ein weiterer Füllstoff (4) beigemischt wird, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten > 200*10-6 1/K, vorzugsweise > 220*10-6 1/K, weiterhin vorzugsweise > 240*10-6 1/K, aufweist.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Füllstoff (4), der beigemischt wird, ein Elastomer, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer, ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und/oder ein Silikon ist. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Füllstoff (4) in Partikelform beigemischt wird, wobei vorzugsweise die einzelnen Partikel eine Kugel- oder Linsenform aufweisen. - Verfahren nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des mindestens einen weiteren Füllstoffs (4) kleiner als die Partikel des mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoffs (3) sind, wobei vorzugsweise die mittlere Partikelgröße D50 des mindestens einen weiteren Füllstoffs (4) zwischen 0,8 µm und 50 µm, beispielsweise D50 = 2 µm, beträgt. - Verfahren nach
Anspruch 3 oder4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des mindestens einen weiteren Füllstoffs (4) vor dem Beimischen mit einem hydrophoben Beschichtungsmaterial, insbesondere mit einem Polymer, beispielsweise mit Polymethylsilsesquioxan, beschichtet werden. - Verwendung eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffs (1), der nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt worden ist, zur Herstellung eines Heizelements (10).
- Heizelement (10) aus einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff (1), umfassend eine Matrix aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff (2), die mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff (3), beispielsweise ein Metallpulver, Metallfasern, Kohlenstofffasern, Graphit, Ruß und/oder Carbon Nano Tubes, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix zusätzlich mindestens einen weiteren Füllstoff (4) enthält, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten > 200*10-6 1/K, vorzugsweise > 220*10-6 1/K, weiterhin vorzugsweise > 240*10-6 1/K, aufweist.
- Heizelement (10) nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Füllstoff (4) ein Elastomer, insbesondere ein thermoplastisches Elastomer, ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und/oder ein Silikon ist. - Heizelement (10) nach
Anspruch 7 oder8 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Füllstoff (4) in Partikelform enthalten ist und die Partikel eine mittlere Partikelgröße D50 zwischen 0,8 µm und 5 µm, beispielsweise D50 = 2 µm, aufweisen. - Heizelement (10) nach einem der
Ansprüche 7 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des mindestens einen weiteren Füllstoffs (4) mit einem hydrophoben Beschichtungsmaterial, insbesondere mit einem Polymer, beispielsweise mit Polymethylsilsesquioxan, beschichtet sind.
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