DE1540182C - Masse für feuchtigkeitsstabile Kohleschicht widerstände - Google Patents

Description

bei denen diese Zusammensetzungsvorschriften eingehalten sind, weisen eine weiter verbesserte Stabilität bei Stromführung in einer Umgebung hoher Feuchtigkeit auf.

Zweckmäßig wird der Masse zum Erhalt einer Paste ein inertes Lösungsmittel zugesetzt, was die Zusammensetzung chemisch stabil sein läßt und die Herstellung der Kohleschichtwiderstände erleichtert.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Kohleschichtwiderstandes mit hohem Widerstandswert,

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Ergebnisses von Prüfungen von stromführenden Kohleschichtwiderständen in einer Umgebung von 90°/₀ relativer Feuchte und 25° C.

F i g. 1 zeigt einen Kohleschichtwiderstand 1 aus einer Masse, die aus einem Gemisch von feinverteiltem Kohlestoff, einem Harz und einem Metalloxid besteht, die auf einen keramischen Kern aufgebracht ist. Zur Erhöhung des "Widerstandswertes des Kohleschichtwiderstandes 1 ist die Kohleschicht auf dem keramischen Kern mit einer spiralförmigen Rille 2 versehen. Der Kohleschichtwiderstand 1 ist mit drahtförmigen Zuleitungen 3 versehen, die über Messingkappen 4 mit dem Kohleschichtwiderstand 1 verbunden sind.

Wird ein derartiger Kohleschichtwiderstand in einer Umgebung hoher Feuchtigkeit verwendet und fließt überdies ein elektrischer Strom durch ihn hindurch, so daß sich ein elektrisches Feld aufbaut, so kann sich der Widerstandswert des Kohleschichtwiderstandes aus folgenden Gründen verändern: In der Rille 2 setzt sich Wasser ab. Dieses wird unter Einfluß des elektrischen Feldes und auf Grund der Tatsache, daß die einander gegenüberliegenden Ränder der Rille 2 auf verschiedenen Potentialen liegen, einer Elektrolyse unterworfen. Bei der Elektrolyse wird das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Durch den entstehenden Sauerstoff werden die Kohleteilchen oxydiert, und der Widerstandswert der Kohleschicht nimmt beträchtlich zu.

Enthält nun die Masse, aus der, die Kohleschicht des Kohleschichtwiderstandes 1 hergestellt ist, ein reduzierendes Metalloxid aus der Gruppe Fe₃O₄, Mn₂O₃, Cu₂O oder V₂O₃, so wird die Oxydation des Kohlenstoffs wirkungsvoll verhindert, weil der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff an das in der Kohleschicht feinverteilte reduzierende Metalloxid gebunden wird. Die reduzierenden Metalloxide der angegebenen Gruppe sind deshalb für die gewünschte Wirkung geeignet, weil sich· in diesen Oxiden die Metallatome in niedriger Oxydationsstufe befinden und deshalb durch chemische Reaktion mit dem Sauerstoff leicht in höhere Oxydationsstufen überführt werden können.

Die elektrische Stabilität des Kohleschichtwiderstandes 1 nimmt mit steigendem Gewichtsverhältnis zwischen reduzierendem Metalloxid und Kohlenstoff zu. Ein hoher Wert dieses Gewichtsverhältnisses führt jedoch zu einer für die Herstellung des Kohleschichtwiderstandes weniger günstigen Masse. Gleichzeitig ist auch die Reproduzierbarkeit des Widerstandswertes verschlechtert.

Als Harz wird bei der Masse für Kohleschichtwiderstände ein Bindeharz hohen spezifischen Widerstandes verwendet. Geeignet sind Phenolformaldehyd-, Melamin-, Harnstoff- oder Epoxyharz sowie Mischungen dieser Harze. Hoher Harzgehalt der Kohleschicht führt auf Grund des hohen elektrischen Widerstandes der verwendeten Harze zu einem hohen Widerstandswert des Kohleschichtwiderstandes. Dieser ist bei hohem Harzgehalt nur schlecht reproduzierbar. Andererseits führt ein niedriger Harzgehalt zu einer schlechten Bindung zwischen den Kohlenstoff- und den Metalloxidteilchen. Der Harzanteil wird deshalb so gewählt, daß er in der gehärteten Kohleschicht zwischen 20 und 65 Gewichtsprozent liegt.

Der Kohlenstoff wird vorzugsweise in der Form von Acethylenruß verwendet, in dem der Kohlenstoff in der Form kleiner Teilchen mit einem Durchmesser unter 0,1 Mikrometer gleichmäßiger Verteilung vorliegt.

Der feinverteilte Kohlenstoff, das Harz und das reduzierende Metalloxid werden auf herkömmliche Weise, beispielsweise in einer Mischtrommel, gegebenenfalls unter Hinzufügen eines flüssigen Lösungsmittels gemischt, das gegenüber im Kohlenstoff und den Metalloxiden inert ist, das Harz, löst und nach dem Erstarren des Harzes verdampft. Geeignet sind beispielsweise Benzylalkohol, Butylcarbitol, Methylcarbitol und Tetralin. Man erhält so eine Paste, die leicht zu Kohleschichtwiderständen verarbeitet werden kann.

Die Stabilität der Kohleschichtwiderstandsmasse unter Feuchtigkeit und Strombelastung kann als diejenige Elektrizitätsmenge definiert werden, die not-wendig ist, um den anfänglichen Widerstandswert einer als Anode verwendeten Kohleschichtwiderstandsmasse durch einen dauernd fließenden Strom um einen Faktor 10 zu verändern. Je höher die für die Veränderung des Widerstandswertes um den Faktor 10 erforderliche Elektrizitätsmenge ist, um so größer ist die Konstanz des Kohleschichtwiderstandes bei Strombelastung in einer Umgebung hoher Feuchtigkeit.

Man kann einen »Stabilitätsfaktor« als das Verhältnis der Elektrizitätsmengen definieren, die für die Veränderung des Widerstandswertes um einen Faktor 10 bei einer Schicht mit reduzierendem Metalloxid der oben erläuterten Zusammensetzung und ohne ein solches reduzierendes Metalloxid erforderlich sind. Ein großer Stabilitätsfaktor bedeutet dann eine lange Lebensdauer des Kohleschichtwiderstandes bei Strombelastung in einer Umgebung hoher Feuchtigkeit.

In den folgenden Tabellen I bis IV sind die Ergebnisse von derartigen Vergleichsversuchen zusammengestellt. Das verwendete Lösungsmittel war Benzylalkohol. Die erzielte pastenförmige Masse wurde auf einer als Anode verwendeten keramischen Unterlage 4 Stunden bei 150⁰C gehärtet.

Tabelle I

Probe	Phenolform aldehydharz	Acetylenruß	Fe3O1	Stabilitäts
	Gewichts	Gewichts	Gewichts	faktor
Nr.	teile	teile	teile
1	100	25	0	1
2	100	25	37,5	1,30
3	100	25	122	10,7
.4	100	25	275	13,1

Tabelle II

Probe Nr.	Phenolform aldehydharz Gewichts teile	Acetylenruß Gewichts teile	Mn2O3 Gewichts teile	Stabilitäts faktor
5 6 7	100 100 100	K) K) K) . Ln Ui Ui	37,5 122 250	1,2 6,9 9,2

	Phenolform- äldehydharz Gewichts teile	Tabelle III	Cu2O Gewichts teile	Stabilitäts faktor
Probe Nr.	100 100 100	Acetylenruß Gewichts teile	37,5 122 225	1,1 3,9 5,0
8 9 10	25 25 25

Man erkennt aus den Tabellen, daß der oben definierte Stabilitätsfaktor beträchtlich erhöht werden konnte.

Die in den Tabellen angegebenen Massen der Proben 1, 4, 7, 10 und 13 wurden auch auf einen zylindrischen Keramikkern auf einer Länge von 30 mm eines Durchmessers von 8 mm aufgebracht und bei 150⁰C 4 Stunden lang gehärtet. Sodann wurde in die Kohleschicht eine 0,2 mm breite Rille in Form einer Schraubenlinie eingebracht. Der fertige Kohleschichtwiderstand wies einen Widerstandswert von 1 ΜΩ auf. Auf diese Weise hergestellte Widerstände wurden bei der für sie zulässigen maximalen Strombelastung für 2000 Stunden einem Lebensdauertest in einer Umgebung einer relativen Feuchte von 90% bei 25° C unterworfen. „

F i g. 2 zeigt die mit verschiedenen reduzierenden Metalloxiden erzielten Ergebnisse. Die relative Wider-

	Phenolform aldehydharz Gewichts teile	Tabelle IV	V2O3 Gewichts teile	Stabilitäts faktor
Probe Nr.	100 100 100	Acetylenruß Gewichts teile	37,5 122 225	1,1 2,9 3,8
11 12 13	25 25 25

R-R₀

100 in °/„

Standsänderung ist durch die Größe - _D

wiedergegeben, worin R₀ der Widerstandswert zu Beginn des Versuches und R der jeweilige versuchszeitabhängige Widerstandswert ist. Man kann der Figur entnehmen, daß Kohleschichtwiderstandsmassen der angegebenen Zusammensetzung eine bemerkenswert hohe Stabilität haben: Die Proben 4, 7, 10 und 13 ergeben eine Masse mit dreizehn-, neun-, fünf- bzw. viermal so großer Stabilität, als sie bei herkömmlichen Massen erzielbar war.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Bekannt ist auch (deutsche Patentschrift 459 553), Patentansprüche· daß Hartkohlewiderstände nicht hygroskopisch sind. Solche Widerstände lassen sich aber nur schwer mit einem großen Spektrum von Widerstandswerten her-

1. Masse für Kohleschichtwiderstände zum 5 stellen. Vor allem ist auch der Herstellungsvorgang Aufbringen und Aufhärten auf keramischem von'Hartkohlewiderständen als solcher kompliziert, Material aus einem Gemisch von feinverteiltem da Hartkohleniederschläge nur in evakuierten Gefäßen Kohlenstoff, einem Harz und Metalloxiden, d a- mit sehr geringer Ablagerungsgeschwindigkeit erzielt durch gekennzeichnet, daß das Ge- werden können. Ein solches Herstellungsverfahren misch aus 6 bis 14 Gewichtsprozent feinverteiltem io ist für die Massenfertigung feuchtigkeitsfester WiderKohlenstoff, 20 bis 65 Gewichtsprozent Harz und stände ungeeignet und zu teuer.

21 bis 74 Gewichtsprozent eines reduzierenden . Bekannt sind schließlich Verfahren (deutsche Aus-Metalloxides aus der Gruppe Fe₃O₄, Mn₂O₃, legeschrift 1 013 736), nach denen Widerstände her-Cu₂O oder V₂O₃ mit einer Teilchengröße von gestellt werden können, deren Widerstandswerte 1 bis 10 Mikrometer mittlerem Durchmesser 15 gegen Feuchtigkeit stabil sind. Auch diese Verfahren besteht. sind kompliziert und entsprechend für die Massen-

2. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekenn- produktion wenig geeignet. Darüber hinaus können zeichnet, daß bei Verwendung von Fe₃O₄ oder sie nicht zu einer Verbesserung der mechanischen Mn₂O₃ das Gewichtsverhältnis von reduzierendem Stabilität der Widerstandswerte in feuchter Umgebung Metalloxid zu feinverteiltem Kohlenstoff 1,5 bis 20 und damit auch nicht zu einer Erhöhung der Lebens-12 beträgt. , dauer der Widerstände in einer solchen führen.

3. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Aus diesen Gründen wurden bisher derartige zeichnet, daß bei Verwendung von Cu₂O oder Kohleschichtwiderstände, die in feuchter Umgebung V₂O₃ das Gewichtsverhältnis von reduzierendem verwendet werden sollen, mit wasserabstoßendem Metalloxid zu feinverteiltem Kohlenstoff 2,0 bis 25 Material, wie Harz oder Glas, beschichtet, dessen 10 beträgt. . Schmelztemperatur unter derjenigen des in der Masse

4. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekenn- vorhandenen Harzes liegt. Dafür sind jedoch zusätzliche zeichnet, daß der Masse zum Erhalt einer Paste ein Verfahrensschritte erforderlich, und es entstehen inertes Lösungsmittel zugesetzt ist. zusätzliche Kosten. Das ist unerwünscht.

30 Aufgabe der Erfindung ist es, für Kohleschichtwiderstände eine Masse anzugeben, die bei einfacher und für die Massenfertigung geeigneter Verarbeitung

bei genügender Steuerungsmöglichkeit des Widerstandswertes Widerstände ergibt, die in feuchter 35 Umgebung eine gute Stabilität aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gemisch aus 6 bis 14 Gewichtsprozent

Die Erfindung betrifft eine Masse für Kohle- feinverteiltem Kohlenstoff, 20 bis 65 Gewichtsprozent

schichtwiderstände zum Aufbringen und Aufhärten Harz und 21 bis 74 Gewichtsprozent eines reduzieren-

auf keramischem Material aus einem Gemisch von 40 den Metalloxids aus der Gruppe Fe₃O₄, Mn₂O₃,

feinverteiltem Kohlenstoff, einem Harz und Metall- Cu₂O oder V₂O₃ mit einer Teilchengröße von 1 bis

oxiden. 10 Mikrometer mittlerem Durchmesser besteht.

Massen für Kohleschichtwiderstände dieser Art Eine solche Masse ist zunächst überaus einfach sind bekannt (deutsche Patentschrift 567 024). Neben herstellbar, da sie durch einfaches Mischen der Be-Kupferoxiden sind dabei der Masse Sulfide von Eisen 45 standteile erzielt wird und nach beliebigen Verfahren oder anderen Materialien zugesetzt, die eine Steuerung zu Kohleschichtwiderständen verarbeitet werden kann, des Widerstandswertes ermöglichen, der überdies Es ist dabei nicht erforderlich, besonders schwierige innerhalb weiter Temperaturbereiche konstant bleibt. Verfahrensbedingungen zu beachten und einzuhalten. Die Anwesenheit von Eisensulfid oder anderen Metall- Darüber hinaus ergibt sich, daß aus einer solchen sulfiden führt jedoch dazu, daß die Lebensdauer von 50 Masse hergestellte Kohleschichtwiderstände eine beaus einer solchen Masse hergestellten Kohleschicht- sonders gute Stabilität unter hoher Feuchte aufweisen, widerständen in feuchter Umgebung gering ist. Auch wobei sowohl die Konstanz des Widerstandswertes der Kohlenstoff selbst kann oxydieren oder verdampfen als auch die mechanische Beständigkeit des gesamten und damit die Lebensdauer des Widerstandes für Kohleschichtwiderstandes voll befriedigen. Ein Überseine vorgegebenen Kenndaten vermindern. 55 zug des Kohleschichtwiderstandes mit einer wasser-Zur Beseitigung dieses Nachteils ist es schon bekannt abweisenden Masse wie Glas ist dafür nicht erforder-(deutsche Patentschrift 389 686), eine gewisse Oxy- lieh. Überdies kann der Widerstandswert des Widerdationssicherung des Kohlenstoffes dadurch zu errei- Standes leicht gesteuert werden. Man erhält also eine chen, daß man die einzelnen Graphitteilchen mit einer Masse, die eine billige Großserienherstellung von Kohdünnen Metallhaut überzieht. Dafür wird Aluminium 60 leschichtwiderständen beliebiger Widerstandswerte erverwendet, das eine Luftoxydation des Kohlenstoffs möglicht, die auch in einer Umgebung hoher Feuchtigbei Erwärmung des Widerstandes mehr oder weniger keit eine hohe Lebensdauer aufweisen,
verhindert. Lediglich das Aluminium wird dabei Werden Fe₃O₄ oder Mn₂O₃ als reduzierendes Metalloxydieren. Aluminiumoxid hat jedoch selbst keine oxid verwendet, ist es vorteilhaft, wenn dessen Gegroße Standfestigkeit in feuchter Umgebung, weshalb 65 wichtsverhältnis zum Kohlenstoff 1,5 bis 12 beträgt, auch aus derartigen Massen hergestellte Kohleschicht- Bei Verwendung von Cu₂O oder V₂O₃ ist es vorteilwiderstände in einer solchen nur eine geringe Lebens- haft, wenn das Gewichtsverhältnis von reduzierendem dauer aufweisen. Metalloxid zu Kohlenstoff 2,0 bis 10 beträgt. Massen,