DE2025027C3 - Elektrisches Flächenheizelement - Google Patents

Elektrisches Flächenheizelement

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DE2025027C3 DE2025027A DE2025027A DE2025027C3 DE 2025027 C3 DE2025027 C3 DE 2025027C3 DE 2025027 A DE2025027 A DE 2025027A DE 2025027 A DE2025027 A DE 2025027A DE 2025027 C3 DE2025027 C3 DE 2025027C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Flächenheizelement, bestehend aus einer orientierten Kunststofffolie, auf die als elektrisch leitendes Material Kohlenstoffpartikeln festhaftend aufgebracht sind.
Es ist die Verwendung eines elektrischen Flächenheizelementes zum Zwecke der Flächenbeheizung bekannt, das aus einem flächenhaften, textlien Gebilde besteht, das mit einer Leitpigment enthaltendes; Kunststoffdispersion imprägniert ist.
Bei den bekannten elektrischen Flächenheizelementen, die zur Flächenbeheizung Verwendung finden, sind die elektrisch leitfähigen Partikeln oder Agglomerate derselben in elektrisch isolierendem Kunststoff verteilt; es liegt eine feste Dispersion von elektrisch leitenden Teilchen in Kunststoff vor. Die Leitpigmentpartikeln oder Agglomerate derselben sind dadurch teilweise durch eine isolierende Zwischenschicht von der benachbarten Leitpigmentpartikel bzw. vom Agglomerat getrennt.
Bei den mit einer festen Dispersion aus Leitpigment und Kunststoff imprägnierten, faserigen Flächengebilden ist die genannte Dispersion zwischen den Fasern des textlien Flächengebildes abgelagert. Die Fasern des Flächengebildes haben dabei eine andere chemische Zusammensetzung als der die Leitpigmentpartikeln umhüllende Kunststoff.
Der das Dispersum der vorgenannten festen Dispersion bildende Kunststoff wirkt als mechanisches Bindemittel zwischen der Trägeroberfläche und der Oberfläche der Leitpigmentpartikeln sowie zwischen diesen selbst; es hat einen anderen chemischen Aufbau als das Trägermaterial.
Die bekannten elektrischen Flächenheizelemente, die für die Flächenbeheizung verwendet werden, haben aus diesem Grunde den Nachteil, daß nur ein Teil der Leitpigmentpartikeln zur elektrischen Stromleitung des Flächenheizelementes beiträgt. Um die angestrebte hohe Leitfähigkeit des elektrischen Flächenheizelementes zu erreichen, muß die Kunststoffdispersion mit einem hohen Anteil von Leitpigment versehen \y;erden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß entweder infolge des relativ hohen Leitpigment-
gehaltes die Festigkeit der Schicht abnimmt oder der Anteil des polymeren Bindemittels entsprechend erhöht werden muß, was zu unerwünschten großen Schichtdicken führt.
Es ist auch ein elektrisch isoliertes Heizelement bekannt, bei dem eine Kohleschicht auf siner isolierenden Grundschicht aus kunststoffimprägniertem Glasfasergewebe angeordnet ist, wobei diese Kohleschicht durch eine Deckschicht aus kunststoffimprägniertem Glasfasergewebe bedeckt ist. Bei dem be-
kannten Flächenheizelement sind die Kohlenstoffpartikeln — von den Berührungsstellen abgesehen — allseitig von elektrisch isolierendem Material umschlossen.
Ferner ist ein biegsames Heizelement bekannt, das
aus einer Trägerschicht aus elektrisch isolierendem Material und einem sich auf seiner Oberfläche befindlichen Überzug aus einem Elastomeren besteht, wobei in der Elastomerenschicht Ruß gleichmäßig verteilt ist. Auch bei diesem bekannten Flächenheizelement sind die elektrisch leitfähigen Partikeln in elektrisch isolierendem Material verteilt.
Die räumlich-strukturelle Ausbildung der stromleitenden Schicht bekannter Flächenheizelemente, in der von der Gesamtzahl der darin verteilten, zur clektrischen Stromleitung befähigten Partikeln eine nicht unbeachtliche Anzahl von der Stromleitung dadurch ausgeschlossen ist, daß diese Partikeln allseitig von isolierendem Material in Gestalt des Bindemittels (Dispersionsmittel der festen Dispersion) umschlossen und demzufolge ohne Berührungskontakt mit benachbarten leitfähigen Partikeln sind, hat in Mikrobereichen der elektrisch leitfähigen Schicht eine Inhomogenität des Stromflusses zur Folge, die ihrerseits eine inhomogene Erwärmung des Flächenheizelementes bewirkt.
Bei den bekannten FlächenheizHementen besteht die zur Stromleitung befähigte Masse-Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln, beispielsweise aus Ruß. und einen Bindemittel aus elektrisch isolierendem Kunststoff: an der Leitung des elektrischen Stroms nimmt demzufolge nur ein bestimmter prozentualer Anteil der gesamten Masse teil.
Bei der bei bestimmungsgemäßer Benutzung des Flächenheizelementes notwendigerweise auftretenden Erwärmung der stromleitenden Schicht machen sich Unterschiede von temperaturabhängigen physikalischen Kenngrößen gleicher Art des Bindemittels einerseits und des Leitpigments andererseits bemerkbar. So wirkt sich beispielsweise ein geringerer thermischer Ausdehnungskoeffizient von Leitpigment im Vergleich zum Bindemittel dahingehend aus, daß mechanische Spannungen in der Schicht auftreten, die zum Trennen von vorher in leitender Verbindung stehenden stromleitenden Partikeln führen. Als Folge daraus ergibt sich eine Erhöhung des Widerstandes, die in der Regel unerwünscht ist, weil Flächenheizelemente, um den einschlägigen Vorschriften zu genügen, eine definierte Anschlußleistung haben müssen.
3 4
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elek- Dünnere oder dickere als die genannten Folien lastrisches Flächenheizelement vorzuschlagen, das die sen sich ebenfalls verwenden. Nachfolgend wird die sich aus der Struktur der bekannten·Flächenheiz- Herstellung eines besonders vorteilhaften elektrischen elemente ergebenden Nachteile nicht besitzt, indem es Flächenheizelementes beschrieben: eine dünne, zur Leitung des elektrischen Stromes be- 5 Auf eine oder auf beide Oberflüchen einer orienfähigte Schicht aufweist, deren quadratischer Ober- tierten Polyesterfolie läßt man Lösungs- oder Quellflächenwiderstand im Gegensatz zu den bekannten mittel, welche die Oberfläche der Polyesterfolie an-Flächenheizelementen dieselbe Temperaturabhängig- quellen oder anlösen, einwirken und bringt sodann keit aufweist wie der elektrische Widerstand des leit- auf die behandelte Folienoberfläche Kohlenstoffparfihigen Materials selbst. 10 tikeln, vorzugsweise RuS, in der auf den etstrebten
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird quadratischen Oberllächenwiderstand abgestimmten
dadurch gelöst, daß die Kohlenstoffpartike'n als Konzentration auf unc? unterwirft die Folie dann einer
Schicht ohne Bindemittelzusatz mit der Oberfläche Wärmebehandlung. Dazu werden die Kohlenstoffpar-
der Kunststoffolie festhaftend verbunden sind. tikeln in den Lösungs- oder Quellmittel dispergieri.
Die Oberfläche der orientierten Kunststoffolie 15 Die Konzentration der Dispersion, bezogen auf den
weist keine zusätzlichen chemischen Bindemittel auf, Anteil der KohlenstolTpartikeln. soll im Bereich zwi-
dic für die mechanische Bindung der Kohlenstoffpar- sehen 2,5 bis 5° 0 liegen. Es wird dann eine derartige
tikc!n mit der Folienoberfläche verantwortlich sind. Menge der Dispersion pro m2 Folienoberfläche auf-
AIs zusätzliche itindemittel sollen dabei solche Mittel getragen, daß die auf diese Weise auf die Foliennber-
gelun, die eine andere chemische Zusammensetzung 20 fiäche aufgebrachte Gewichtsmenge an leitfähigen
als die Trägerfolie haben und Tür die haftfeste Bin- Kohlenstoffpartikeln zwischen 0,6 bis 3 g beträgt. "
dur.s; zwischen Kohlenstoff partikel η und der Ober- Als Lösungs- oder Quellmittel für Polypropylen-
fliklie der Trägerfolie verantwortlich sind. folien eignen sich Dekalin. Tetralin und Tetrahydro-
!)as elektrische Flächenheizelement stellt somit ein furan. Als Lösungs- oder Quellmittel für Polyvinyl-
zwvischichtiges Gebilde dar, das aus zwei chemisch 25 chlorid- oder Polyamidfolien ist Tetrahydrofuran ec-
unlcrschiedlichen Materialien aufgebaut ist, nämlich eignet. Geeignete Lösungs- oder Quellmittel für die
einer Schicht, bestehend aus der orientierten Poly- bevorzugten Folien sind dabei die für ihre Fähigkeit,
esterfolie, und einer zweiten Schicht aus Kohlenstoff- Polyester hinreichend wirkungsvoll und ausreichend
partikeln. schnell anzuquellen oder anzulösen. bekannten. Man
Es ist ein weiteres essentielles Kriterium des elek- 30 kann diese in drei Gruppen einteilen: Phenole bzw. Irischen Flächenheizelemuitcs, Cjß die elektrisch leit- deren Derivate wie Monochlorphenol oder Tetrafähige Schicht auf der Obe· fläche der Trägerfolie aus chlorphenol. Kresole. Monochlorthymolc. Di- oder Kohlenstoffpartikeln besteht, die trei von sie allseitig Trioxybenzole wie Resorcin oder Pyrogallol, haloumhüllendem elektrisch isolierendem Bindemittel genierte Kohlenwasserstoffe wie Mcthylenchlorid. vorliegen. 35 Chloroform. Tri-. Tetra- oder Pentachloräthan oder
Die orientierte Kunststoff-Trägerfolie des elektri- Trichlortoluol sowie halogenierte niedere Fettsäuren
sehen Heizelementes kann aus allen hinreichend wie Bromessigsäure. Dibrompropionsäure. Dichlor-
festcn und im Gebrauchstemperaturbereich des elek- essigsäure, Trichloressigsäure, Trichlorphcnoxyessiy-
trischen Heizelementes ausreichend wärmebeständi- säure, Trifluoressigsäure oder Trifluorpropionsäure.
gen Kunststoffen bestehen. Als Gebrauchstemperatur- 40 Hiervon sind die halogenierten niederen Fettsäuren
bereich ist dabei eine Temperaturspanne im Bereich besonders gut geeignet. Sie werden als wäßrige Lösung
zwischen 20 und 70" C, insbesondere eine solche im in Konzentration von 5 bis 30" „ eingesetzt, beson-
Bereich zwischen 30 bis 60~" C anzusehen. ders vorteilhaft jedoch werden sie in einer Konzcn-
AIs ausreichend wärmebeständig ist der Kunststoff tration von 10 bis 20% angewandt. In besonderen
in dem genannten Temperaturbereich anzusehen, 45 Fällen kann es von Vorteil sein, die geeigneten halo-
wcnn er keiner oder im wesentlichen keiner durch genierten Carbonsäuren oder deren wäßrige Lösun-
Wärmeeinfluß bedingten Destruktion unterliegt. Hin- gen in Abmischuncen untereinander zu verwenden,
reichend feste Folien aus Kunststoff sind insbesondere In manchen Fällen kann es besonders vorteilhaft
orientierte Folien auf Basis von Polypropylen. Folien sein, wenn die Schicht aus leitfähigen Partikeln aut
aus Polyvinylchlorid sowie aus Polyamid, insbeson- 50 der Oberfläche der Trägerfolien aus einer Ab-
dere bevorzugt ist eine orientierte Folie auf Basis von mischung von Ruß und Graphit besteht.
Polyäthylenterephthalat. Auch Folien aus Copoly- Die wie vorbeschriebcn behandelte Folie wird
merisaten auf Basis vonIsophthal-Terephthalsäure im dann einer Wärmebehandlung unterworfen, bei der
Mengenverhältnis 20:80 bis 70:30 sind in besonders das Lösungsmittel vollständig oder im wesentlichen
vorteilhafter Weise geeignet. 55 vollständig von der Folienoberfläche entfernt wird.
Als Polyesterfolien,welche die Forderungen bezug- Die Wärmebehandlung der Folie erfolgt wenigstens
lieh der Festigkeit erfüllen, kommen solche in Frage, eine Sekunde, aus praktischen Gründen vorzugsweise
die durch einachsige Streckung im Verhältnis 1:1,5 1 bis 60 Sekunden, bei Temperaturen oberhalb des
bis 1,6, vorzugsweise 1:2,5 bis 1:4,5 orientiert sind. sogenannten Glasumwandlungspunktes (Nitsche/
Besonders vorteilhaft geeignete, durch Streckung bi- 60 Wolf, »Kunststoffe«, 1. Band: »Struktur und physi-
axial orientierte Polyäthyienterephthalatfolien weisen kaiisches Verhalten der Kunststoffe«, Berlin 1962,
ein Flächenstreckverhältnis im Bereich zwischen 1:6 S. 160 ff.) des die Trägerfolie bildenden Kunststoffs,
bis 1:8 auf. Die genannten Polyesterfolien sind be- Es werden im allgemeinen Temperaturen im Bereich
vorzugt thermofixiert. von 120 bis 160 C angewandt, insbesondere ist es
Sofern die KunststofT-Trägerfolie des elektrischen 65 jedoch vorteilhaft, im Bereich zwischen 130 und Flächenheizelementes aus orientierter Polyesterfolie 135' C zu arbeiten. Dabei ist eine Wärmeeinwirkung besteht, hat diese bevorzugt eine Dicke im Bereich von langer als 60 Sekunden nicht kritisch, sofern im
zwischen 10 und 50 μΐη. bevorzugten Temperaturbereich gearbeitet wird. Man
ist nur aus Gründen einer rationellen Verfahrensweise daran interessiert, die Wärmebehandlung möglichst kurz zu halten.
In besonderen Fallen wird das flüchtige Lösungsoder Quellmittel auf wenigstens eine Folienoberfiäche aufgebracht, die Folie einer Wärmebehandlung ausgesetzt, bis die behandelte Oberfläche frei oder im we:enuichen frei von den zuvor aufgebrachten Lösungs- oder Quellmitteln ist, anschließend werden die dampfen desselben. Die kontaktierten Stellen werden mit elektrischen Zuleitungen verbunden. Das elektrische Flächenheizelement kann in Form von Bahnen oder Zuschnitten vorliegen.
Das elektrische Flächenheizelement läßt sich besonders vorteilhaft als Fußboden-, Wand- und/oder Deckenheizung verwenden. Ferner lassen sich daraus Paneelheizkörper herstellen. Das Flächenheizelement kann zur Heizung von Zelten und Hallen, als Heiz
elektrisch leilfähigen KohlensiofTpartikeln auf die vor- io bandage für die Beheizung von Rohrleitungen, zur behandelte Folienoberfläche aufgebracht. Bodenerwärmung, in Gärtnereibetrieben, zur Behei
zung von Brückenfahrbahndecken, Garageneinfahr-
Das erfindungsgemäße elektrische Flächenheizelement weist bevorzugt einen quadratischen Oberflächenwiderstand im Bereich von 10- bis 10· Ohm auf.
Der quadratische Oberflächenwiderstand des elektrischen Flächenheizelementes ändert sich auch nach länger einwirkender reibender Beanspruchung der Schicht aus Kohlenstoffpartikeln nur geringfügig, wie aus dem nachfolgenden Versuch ersichtlich ist.
4,5 g Ruß werden in einer Lfsung aus 15,0 g Trichloressigsäure und 80,5 g Wasser dispergiert und 66,6 g dieser Dispersion pro m2 auf die eine Oberfläche einer mit Flächenstreckverhältnis 16 gestreckten, 10 sec/200° C unter schrumpfverhindernden Bedingungen behandelten Polyäthylenterephthalatfolie aufgetragen, so daß diese Oberfläche pro m2 3 g Ruß aufweist, und 10 Minuten bei 150 C getrocknet. Mit dem rußbeschichteten Polyesterfilm wurdsn folgende Prüfungen vorgenommen:
Ein endloses Band der Probe wird zwischen zwei Filzscheiben hindurchgeführt und in der Führung mit 150 p/cm2 belastet. Die Bandgeschwindigkeit ist so reguliert, daß 50 Zyklen pro Minute durchlaufen werten und frostgefährdeten Straßenstellen, von Sportplätzen und zur Beheizung von Wärmeschränken
verwendet werden. Das Flächenheizelement kann ferner als heizbarer Bodenbelag unter Teppichen oder Bodenauslegware, zur Herstellung von Heizkissen, Heizdecken und für bcheizbare Liegestühle und Sitzkissen verwendet werJcn.
ao Als weiteres Anwendungsgebiet für das elektrische Flächenheizelement sind /tutositze, heizbare Bekleidungen, beispielsweise FliegerVombinationen, zu nennen.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern.
Beispiel 1
Es wird als elektrisches Flächenheizelement ein Zuschnitt des Formats 77 · 40 cm einer mit Flächenstreckverhältnis 16 gestreckten Polyäthylenterephthalatfolie der Dicke 36 um, die auf einer Oberfläche eine festhaftende Rußschicht (3 g Ruß pro m2 Folienoberfläche) aufweist und einen an der rußbeschichte-
_o , j r.„ .... ten Oberfläche nach VDE 0303 gemessenen quadra-
den. Als Maß für die Abriebfestigkeit wird der qja- 35 tischen Oberflächenwiderstand von 34 Ohm besitzt, dratische Oberflächenwiderstand der Folie nach verwendet. Der genannte Materialzuschnitt wird je-VDE 0303, Teil 3/10, 55 mit Federzungcnelektroden weiis entlang der ganzen Länge der 40 cm langen gemessen. Breitseite auf der rußbeschichteten Oberfläche durch
Als quadratischer Oberflächenwiderstand soll der- Aufbringen einer 1 cm breiten Schicht eines üblichen jenige gelten, der an einem beliebig großen quadra- 4" Leitlackes in an sich bekannter Weise kontaktiert. tischen Werkstofflächcngebildo ccmcsscn wird, wo- Der flüssige Leitlack vird im Siebdruckverfahren auf
die genannte Oberfläche des Zuschnitts aufgetragen. Als Leitlack wird das Erzeugnis AuromaP 37 H der Firma Dr. E. Dürrwächter verwendet. Der Leitlack besteht aus Silberteilchen, die in einer Flüssigkeit, bestehend aus in einem Lösungsmittel gelösten filmbildenden Material, dispergiert sind. Das filmbildcnde Material muß im Gcbrauchstcmperaturbcreich des elektrischen Flächenheizelemcntes beständig gegen Temperatureinwirkung sein und darf sich nicht von der Unterlage ablösen.
bei zwei gegenüberliegende Seilen des Quadrates die Meßelektroden bilden.
Tabelle
Dauer
Abricbhcanspiiichung
25 min
65 min
7h
5 min
250 mal
I 250 mal
3 250 mal
21 000 mal
Quadratischer
Oberfljchcnwiderstand
(Ohm)
2.0· 10' ■■
unpigmcntier'e Folie
1.4·
1.5·
1.5·
1.6·
2.0·
10' 10' 10' 10' 10'
erfindungsgcmüßes Flächenheizelement
55
Bei der Verwendune des elektrischen Flächenheiz-Nach Aufbringen der Leitlackschicht läßt man das Lösungsmittel bei Raumtemperatur aus derselben abdunsten.
Auf die wie vorbeschrieben hergestellten Kontaktronen des elektrischen Flächenheizelcmentes wird mittels versilberter Kupferniete jeweils eine Kupferlitze (0,5 mm2) befestigt. Die Litzen werden mit den Anschlußstellen einer Wechselstromquelle
elemcntes erfolgt die Zufuhr des elektrischen Stroms 6° von 220 Volt verbunden. Dei einem gemessenen
von der Stromquelle zu dem elektrischen Flächen- Widerstand von 637 Ohm stellt sich ein Strom von
heizelement zum Zwecke der Aufheizung desselben in an sich bekannter Weise, z. B. durch Auftragen einer an «-.ich bekannten. Leitpigment enthaltenden Dispersion iitif den oder die zur Kontaktierune vorgesehenen Bereich oder Bereiche der Rußschicht des Flächcnhcrnlemcntcs und Vertreiben des KontiiHiums der Dispersion, beispielsweise durch Vcr-0,34 Ampere ein. Dies entspricht einer Leistung von 75 Watt bzw. einer Flächenleistung von 250 Watt pro m2.
Beispiel 2
Eine rußbcschichtctc Folienbahn der im Beispiel 1 genannten Art einer Länge von 200 cm und einer
Breite von 27 cm wird jeweils auf der 200 cm langen Breitseite über deren gesamte Länge mit einer Breite von 1 cm durch Auftragen von Leitlack in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise mittels eines 1 cm breiten Leitlackauftrags kontaktiert und mit elektrischen Zuleitungen versehen.
Das elektrische Flächenheizelement wird an eine Wechselstromquelle von 40 Volt angeschlossen. Bei einem gemessenen Widerstand von 42,5 Ohm stellt sich ein Strom von 0,94 Ampere ein. Dies entspricht einer Leistung von 37 Watt bzw. einer Flächenleistung von 47 Watt pro m4.
• Beispiel 3
Es wird ein elektrisches Flächenheizelement gemäß Beispiel 1 mit einem Format von 26 · 30 cm verwendet. Der genannte Zuschnitt wird jeweils entlang der ganzen Länge der 26 cm langen Breitseite, wie im Beispiel 1 beschrieben, mit einer Leitlackschicht auf der rußtragenden Oberfläche versehen. Die Breite der Leitlackschicht beträgt 1 cm.
Der an eine Wechselstromquelle von 220 Volt Spannung angeschlossene Zuschnitt wird auf eine 20 mm dicke Platte aus Kunststoffschaum in der Weise gelegt, daß die rußbeschichtete Seite des elektrischen Flächenheizelements nach oben weist.
ίο 3 mm oberhalb des Schnittpunktes der Diagonalen der wirksamen Heizfläche des elektrischen Flächenheizelements wird ein Thermoelement befestigt. Das Thermoelement wird in bekannter Weise mit einem Anzeigegerät zur Messung der Thermospannung verbunden, das in Temperatureinheiten geeicht ist. 5 Minuten nach Einschalten des Stromes zeigt das Temperaturanzeigegerät eine Temperatur von 42° C an.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Elektrisches Flächenheizelement, bestehend aus einer orientierten Kunststoffolie, auf die als elektrisch leitendes Material Kohlenstoffpartikeln festhaftend aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die KohlenstofTpartikeln als Schicht ohne Bindemittelzusatz mit der Oberfläche der Kunststoffolie festhaftend verbunden sind.
2. Elektrisches Flächenheizelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitpartikeln aus Ruß bestehen.
3. Elektrisches Flächenheizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der quadratische Oberfiächenwiderstand der schichttragenden Oberfläche im Bereich zwischen 102 und 10' Ohm liegt.
4. Elektrisches Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolie ausPolyäthylenterephthalat besteht.
5. Elektrisches Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyäthylenterephthalatfolie eine Dicke im Bereich zwischen 10 und 50 mm hat
6. Elektrisches Flächenheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie aus Polypropylen besteht.
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