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Die
Erfindung betrifft einen Stoff in Form eines gewirkten, gewebten
oder vliesähnlichen
Kleidungsteils oder für
eine Sitzfläche
oder für
eine textile Fläche
oder für
ein textiles Element mit in diesem integrierten oder daran angebrachten
oder ganz oder teilweise daraus gebildeten Fasern oder Faserbündeln, die
eine Vielzahl von Kunststofffilamenten aufweisen, welche auf ihrer
Oberfläche
eine leitfähige Beschichtung
tragen.
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Zur
Herstellung von elektrischen Leiterbahnen in Textilien werden in
immer stärkerem
Umfang Kunststofffasern oder -fäden
verwendet, die mit einer Metallschicht ummantelt sind. Diese Art
der Leiter verwendet in erster Linie thermoplastische Kunststoffe
als Kern, auf denen eine Gold- oder Silberauflage aufgebracht wird.
Mit diesen Materialien ist es möglich,
hoch flexible, reiß-
und biegewechselfähige
Leiter und Litzen herzustellen, die als Signal-, Stromzuführungs-
oder Heizleiter eingesetzt werden können.
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Insbesondere
Leiter mit Durchmessern, die kleiner als 20 μm sind, erreichen die Flexibilität und Biegewechselfähigkeit
von reinen textilen Fasern.
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Leiterstrukturen,
der vorstehenden Art, haben den Nachteil, dass der Einsatz in Textilen,
die höheren
Temperaturen ausgesetzt sind, nur bedingt möglich ist, da die verwendeten
Kunststoffe nur bis ca. 200°C
temperaturstabil sind. Für
Anwendungen in Textilien, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, beispielsweise
in Schutzbekleidungen gegen Feuer und in Textilien zur Abschirmung
gegen Strahlungswärme,
sind diese Leiter folglich ungeeignet.
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Setzt
man dagegen fluorhaltige Kunststoffe (FEP, PTFE) ein, die Temperaturen
im Bereich von 300 bis 400°C
standhalten, so ergibt sich zwar eine verbesserte Temperaturstabilität, jedoch
ist die Zugfestigkeit dieser Kunststoffe so gering, dass die gewünschte Lebensdauer
in Textilien, die ständigen
Bewegungen ausgesetzt sind, nicht erreicht werden kann. Die Verwendung
von Aramiden könnte
zwar dieses Problem beheben, allerdings würde die Haftung eines Leitermaterials
auf der Faseroberfläche des
Aramides ungenügend
sein, so dass die Biegewechselfähigkeit
in Verbindung mit einem konstanten elektrischen Leitwert nicht erreicht
werden kann.
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Eine
Lösung
dieses Problems wird in der
DE 102 06 336 A1 beschrieben, die sich mit
elektrischen Heizelementen für
Sitzheizungen und Lenkradheizungen befasst. Es werden unter anderem
Heiz- und Zuleitungen angegeben, bei denen der Kern aus Stahl besteht,
so dass ein solcher Leiter für
höhere Temperaturen,
wie beispielsweise für
Heizleiter, einsetzbar ist. Derartige Drähte sind als Kern-Mantel-Drähte bekannt.
Offensichtlich ist die Haftung zwischen dem Stahlkern und einem
Leitermaterial, wie z.B. Kupfer, für Anwendungen ausreichend,
bei denen diese Leiter zum Einsatz kommen, beispielsweise in textilen
Materialien, die ständigen
Bewegungen ausgesetzt sind. Derartige Leiter sind allerdings, im Vergleich
zu Leitern mit einem Kunststoffkern, durch die sehr harten und wenig
flexiblen Stahlkerne sowie die bei dieser Technik verwendeten Durchmesser
der Einzelfäden
nachteilig. Übliche
Verfahren der Ziehtechnik, um Kern-Mantel-Drähten zu bilden, lassen kaum
Durchmesser von weniger als 30 μm
zu, so dass diese Art der Leiter wegen ihrem Durchmesser von minimal
30 μm nur
bedingt geeignet ist. Besteht der Kern aus Metall, so ergibt sich
weiterhin ein Problem aufgrund des recht hohen spezifischen Gewichts
der Faser im Vergleich zu reinen textilen Strukturen, was gerade
Anwendungen, die einen hohen Materialeinsatz fordern, problematisch
macht.
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Eine
andere Lösung
sind galvanisch oder mittels Vakuumbedampfung ummantelte Stahlfilamente.
Die rohen Stahlfilamente, d.h. solche ohne Beschichtung, sind dabei
aus der
US 3,472,289 bekannt;
solche Stahlfilamente erreichen zum heutigen Zeitpunkt minimale
Durchmesser von bis zu 8 μm. Das
umgebende Mantel-Material kann Nickel, Gold, Silber oder ein anderes
leitfähiges
Metall sein. Zwar konnte die Flexibilität gegenüber einem Kern-Mantel-Leiter
mit einem Durchmesser von 30 μm
erheblich gesteigert werden, doch ergeben sich durch den zähen Stahlkern
und das recht hohe spezifische Gewicht immer noch gravierende Unterschiede
zu reinen textilen Fasern.
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Ausgehend
von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik, und insbesondere
von einem Stoff der eingangs beschriebenen Art, liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Stoff derart auszubilden, dass er die
anhand des Stands der Technik dargelegten Nachteile nicht aufweist
und insbesondere in Verbindung mit in oder an Textilien angebrachten,
elektrischen Systemen einsetzbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung
liegt darin, flexible, mit Metall beschichtete Fasern in unterschiedlichen
Arten von Stoffen für
Textilen zu integrieren und dadurch Haltbarkeit, Lebensdauer, Temperaturbeständigkeit
und elektrische Eigenschaften so einzustellen, dass ein Gebrauch
in einer mechanisch und thermisch oder optisch hoch belasteten Umgebung
möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird, ausgehend von einem Stoff der eingangs genannten Art,
dadurch gelöst, dass
die Kunststofffilamente aus Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)
mit einem Überzug
aus einer leitfähigen
Schicht gebildet sind. Diese Kunststofffilamente mit leitfähigem Überzug können zu
Faserbündeln
zusammengefasst werden. Jedes Faserbündel umfasst dabei eine entsprechende
Anzahl an Kunststofffilamenten aus Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol).
Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol), auch in abgekürzter Form
als p-phenylene-2,6-benzobisoxazol, oder PBO, bezeichnet, hat einen
fast doppelt so hohen Elastizitätsmodul
wie übliche
Aramidfasern. In Verbindung mit der hohen Zugfestigkeit von ca.
5,5 bis 6,0 GPA, was etwa der 10-fachen Zugfestigkeit von Stahl
entspricht, können
Stoffe, die ganz oder teilweise aus diesen Fasern gebildet sind,
sehr vorteilhaft in mechanisch hoch belasteten Textilien eingesetzt
werden. Geeignete Beschichtungsmaterialien, die eingesetzt werden
können,
sind prinzipiell alle Metalle, insbesondere aber Silber oder Nickel, wobei
Nickel bei Hochtemperaturanwendungen und unter elektrochemischer
Belastung (Elektrokorrosion) in Verbindung mit Salzlösungen (Natriumchlorid) Vorteile
zeigt.
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Derartige
Belastungen treten vor allem durch Körperschweiß in Kleidung und Sitzflächen, beispielsweise
in Kraftfahrzeugen, auf.
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Es
wurde in überraschender
Weise festgestellt, dass die Haftung von Metallen auf Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)-Filamenten
gegenüber Materialien
wie Polyester oder Poly-amid sehr stark verbessert ist und die Fasern
somit widerstandsfähiger
sind. Die Ursache hierfür
wird hauptsächlich
in der Oberflächenbeschaffenheit
der Fasern und der geringen Bruchdehnung von ca. 4 % in Verbindung mit
der Zugfestigkeit gesehen. Bei derart geringer Bruchdehnung erfolgt
eine Ermüdung
der Metallschicht und damit eine Rissbildung erheblich später.
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Weiterhin
wird ein Nachteil der Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)-Filamente,
nämlich
die Zersetzung unter ultravioletter Strahlung, insbesondere durch
die Metallschicht, wirksam verhindert.
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In
einer Ausgestaltung des Stoffs werden mehrere Fasern oder Faserbündel so
angeordnet, dass sie, sich nicht berührend, parallel zueinander verlaufen.
Hierbei können
die Fasern oder Faserbündel
wellenförmig,
parallel zueinander verlaufend angeordnet werden.
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Die
Fasern oder Faserbündel
aus den Kunststofffilamenten, die aus Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)-Filamenten
gebildet sind, können
auf einer Basisfläche
aufgestickt oder in die Maschen einer solchen Basisfläche eingewirkt
werden. Hierdurch können
elektrische Zuleitungen realisiert werden, bei denen es notwendig
ist, Hin- und Rückleiter
getrennt und parallel zu führen,
da sichergestellt werden muss, dass sich diese unter Bewegung nicht
berühren.
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Die
Fasern oder Faserbündel
können
als elektrische Zuleitungen für
in Kleidungsteile oder Sitzflächen
integrierte elektrische Verbraucher dienen.
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Eine
besonders sichere Führung
der Fasern oder Faserbündel
ist mittels Sticktechnik zu erreichen, bei der die Nähfäden das
Faserbündel
auf dem Textil fixieren.
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Weiterhin
können
die Fasern oder Faserbündel
als Heizleiter ausgelegt werden. Dies ist möglich, da die beschichteten
Fasern oder Faserbündel
eine Temperaturstabilität
bei Temperaturen von bis zu 600°C
gewährleisten
können.
Die Anschlüsse
und damit die hohe Zahl der Einzelfilamente können einfach mittels Löttechnik
verbunden werden, da die Schmelztemperatur beispielsweise dann,
wenn Zinn zum Verlöten
eingesetzt wird, weit unter der Zersetzungstemperatur der Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)-Filamente
liegt.
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Die
Fasern sind je nach Querschnitt als Heizleiter, Zuleitung oder in
dünnerer
Form zum Übertragen
von Daten geeignet. Somit ist es möglich, über die Fasern oder Faserbündel sowohl
die Versorgung elektrischer Verbraucher als auch eine elektrische Datenübertragung
zu den Verbrauchern vorzunehmen.
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Um
Kurzschlüsse
zu verhindern, können
die mit Metall beschichteten Einzelfilamente zusätzlich mit einer isolierenden
Lackschicht überzogen
werden. Geeignete Lacke sind solche auf der Basis von Polyurethan
oder Polyimid. Insbesondere Lackschichten aus Polyurethan können im
heißen Lötzinnbad
bei ca. 400°C
entfernt werden, wodurch gleichzeitig alle Filamente verbunden werden,
ohne die Fasern zu zerstören.
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Auch
können
für eine
Isolation die einzelnen Fasern oder die Faserbündel eine äußere elektrische Isolationsschicht
tragen. Eine solche äußere Isolationsschicht
kann auch durch eine Lackschicht gebildet werden; vorzugsweise wird
hierfür
Polyurethan verwendet.
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Da
die geringe Dehnung der Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)-Filamente
in der Regel unter der Dehnung von gängigen textilen Fasern liegt,
ist es vorteilhaft, diese wellenförmig und parallel auf oder
in der Ebene der textilen Fläche
zu führen.
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Auch
ist es möglich,
die Fasern oder Faserbündel
in einer engen, gitterähnlichen
Struktur verlaufen zu lassen, so dass eine homogene, leitfähige Fläche gebildet
wird. Ordnet man die leitfähigen
Fasern in einer solchen Gitterstruktur an, können elektrische und elektromagnetische
Felder wirksam abgeschirmt werden. Die Vorteile der beschichteten
Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)-Filamente
sind in erster Linie eine flexible Abschirmung bei hohen Temperaturen,
wie sie zum Beispiel in elektrisch gesteuerten oder überwachten
Verbrennungsmaschinen auftreten.
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Die
Fasern oder Faserbündel
können
dazu eingesetzt werden, Drucksensoren für eine Sitzbelegungs- oder
Berührungserkennung,
die in die Sitzfläche
oder in Kleidungsteile integriert sind, untereinander zu verbinden,
und können
auch als Verbindung mit einem Hauptanschluss dienen.
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Auch
ist es möglich,
dass die Fasern oder Faserbündel
dazu einzusetzen, Lüftermotore
zur Belüftung,
die an dem Sitz oder einem Kleidungsteil angebracht sind, untereinander
verbinden, und können auch
als Verbindung mit einem Hauptanschluss dienen.
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Stoffe,
wie sie vorstehend beschrieben sind, können als integraler Bestandteil
von Feuerwehr-, Polizei- oder Militärbekleidung eingesetzt werden.
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Auch
können
solche Stoffe als Abschirmung gegen elektromagnetische und elektrische
Felder für Hochtemperaturanwendungen über 200°C eingesetzt
werden.
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Schließlich sind
solche Stoffe als Schutz gegen schnell fliegende Projektile in Umgebungen
unter ultravioletter Bestrahlungsbelastung, insbesondere für Schutzwesten
oder für
Fahrzeugpanzerungen, einsetzbar. Es hat sich gezeigt, dass eine
mit Metall beschichtete Faserstruktur die Zersetzung der Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)-Filamente
unter UV-Licht, wie dieses zum Beispiel im Sonnenlicht vorhanden
ist, wirksam unterbinden kann und so die Schutzeinrichtung langzeitstabil
halten kann.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
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1 einen
Ausschnitt eines Flächenheizelements,
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2 ein
Element mit in gitterförmiger
Struktur angeordneten Fasern oder Faserbündeln,
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3 ein
mattenformiges Heizelement mit einem mäanderförmigen Heizleiter,
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4 einen
Querschnitt eines einzelnen Fadens mit Kunststofffilamenten, die
durch einen Überzug
umhüllt
sind, und
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5 einen
Querschnitt, durch ein Faserbündel,
das durch eine isolierende Hülle
umgeben ist.
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In 1 ist
ein Flächenheizelement 1 gezeigt,
bei dem Heizleiter 2 in Form von Kunststofffilamenten,
die aus Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol) gebildet sind und einen
metallischen Überzug aufweisen,
verwirkt sind und eine Heizfläche
oder Heizmatte 3 bilden. An den zwei gegenüberliegenden
Randbereichen der Heizmatte 3 befinden sich Kontaktleiter 4, 5,
die der Stromzu- und -abführung dienen.
Diese Kontaktleiter 4, 5 sind aus Faserbündeln gebildet,
wobei jedes Faserbündel
aus mehreren Fasern, jede Faser aus einer Vielzahl von Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)-Filamenten, auch
mit einem metallischen Überzug,
zusammengesetzt ist. Sowohl die Heizleiter 2 als auch die
Kontaktleiter 4, 5 stehen somit über den
metallischen Überzug
in leitendem Kontakt miteinander.
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2 zeigt
ein Flächenelement 6 mit
in gitterförmiger
Struktur auf einem Trägerstoff 7 angeordneten
Fasern oder Faserbündeln 8,
die über
deren metallischen Überzug
in elektrischem Kontakt miteinamder stehen. Dieses Flächenelement
kann beispielsweise als abschirmendes Teil eingesetzt werden.
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3 zeigt
ein mattenformiges Heizelement 9 mit einem mäanderförmig verlaufenden
Heizleiter 10, der durch einen Isolationsüberzug isoliert
ist.
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In 4 ist
eine einzelne Faser 11 dargestellt, die einen Kern aus
mehreren Kuststofffilamenten 12, die aus Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazol)
gebildet sind, aufweist. Die Kunststofffilamente 12 sind
jeweils mit einem Metallüberzug
versehen. Der Kern bzw. das Filament-Bündel 12 ist mit einem elektrisch
nicht leitfähigen Überzug 13 versehen.
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5 zeigt
ein Faserbündel 14,
das aus mehreren einzelnen Fasern 15 zusammengesetzt ist, die
durch eine Ummantelung 16 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material,
beispielsweise einer Lackschicht aus Polyurethan, umgeben sind.
Bei den einzelnen Fasern 15 kann es sich um solche Fasern handeln,
die in 4 dargestellt sind, also demnach solche, die mit
einer Isolationsschicht 13 versehen sind; es ist aber auch
möglich,
die einzelnen Fasern ohne einen Überzug
einzusetzen.