DE2138580C3 - Flexibles Widerstandselement aus einem Körper aus elastomerem Material - Google Patents

Flexibles Widerstandselement aus einem Körper aus elastomerem Material

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Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Widerstandselement aus einem Körper aus elastomerem Material, welcher aus einer Dispersion von Ruß in einem Elastomer besteht und in welchem flexible Elektroden eingebettet sind, wobei zumindest über der leitenden Schicht eine Folie aus elektrisch isolierendem polymerem Material haftend anliegt
Ein Widerstandselement der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 15 40 843 bekannt, bei welchem als Träger für die leitenden Teilchen ein Organopolysiloxanelastomer verwendet wird.
Die Widerstanuselemente können als dünne, biegsame Folien hergestellt werden, die' ;i der Strahlungsbeheizung von Räumen un-i dergleichen oder als Beheizung für Rohrleitungen, Be1 ilter und andere Arten von Apparaten verwendet werden.
Die mit bekannten Siloxanelastomeren als Träger erzielbaren spezifischen Widerstandswerte sind verhältnismäßig hoch und liegen zwischen 3,6 und 92 Ohm/cm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Widerstandselement zu schaffen, welches bei leichter Verarbeitbarkeit einen sehr niedrigen spezifischen Widerstandswert aufweist, so daß für eine vorgegebene Heizleistung sehr dünne Folien eingesetzt werden können.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erzielung eines niedrigen, spezifischen elektrischen Widerstands als Elastomer ein Fluorkohlenr.toffelastomer verwendet wird. Das erfindungsgemäße Widerstandselement weist den weiteren Vorteil auf, daß es im Gegensatz zu den gemäß der DE-OS 15 40843 verwendeten Siloxan-Elastomeren kein Aushärten erfordert, so daß kein Aufwand durch erforderliche öfen und Weiterverarbeitungszeit erforderlich ist.
Die Erzielung vergleichsweise niedriger spezifischer Widerstände mit einem Träger aus Polytetrafluorethylen ist aus der US-PS 32 77 419 der Anmelderin bekannt, jedoch handelt es sich bei Polytetrafluorethylen um kein elastomeres Material, was zur Folge hat. daß es bezüglich der erzielbaren Elastizität, Biegsamkeit und Löslichkeit nicht die Eigenschaften eines elastomeren Stoffes erreicht,
Ruß bzw. Acetylenruß werden bei leitendem Kunststoff Vielfach als Leitpigment verwendet.
Durch die Verwendung eines Fluorkohlenstoffelastomers als Träger wird es beim erfindungsgemäßen Widerstandselement möglich, die Elästörriefschicht mittels eines Tauchverfahren ais sehr dünne Schicht
mit niedrigem Widerstandswert auf eine Isolationsfolie aufzubringen, wobei die getrocknete Schicht auf der Isolationsfolie haftet Demgegenüber erfordert die Herstellung des bekannten Widerstandselements mit Polytetrafluorethylen als Träger eine Vielzahl von Verfahrensschritten, welche die Herstellung des Elements erheblich verteuern und welche zudem eine Herstellung sehr dünner Schichten mit sehr niedrigen Widerstandswerten gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nicht gestatten.
Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnung erläutert.
Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform des Widerstandselements ist in der Dicke stark vergrößert. Die isolierende Folie 2 liegt haftend über dem leitfähigen Elastomer 3, und die isolierende Folie I haftet an der unteren Oberfläche des Elastomers 3. Die beiden Elektroden 5 sind aus Kupferstreifen hergestellt; die eine befindet sich an der linken Kante des Elastomers und die andere an der revh'en Kante. Beide sind mit dem Elastomer 3 verbunden und enthalten nicht gezeigte Anschlußelemente.
Beide Elektroden sind zwischen den Folien 1 und 2 gebunden. Ein Teil des Elastomers 3 ist haftend zwischen jeder Elektrode und der Folie 2 eingefügt.
Auf der äußeren Oberfläche der Folie 1 ist ein haftender Überzug 6 aus einem wärmereflektierenden Material aufgebracht. Der offene Rand 4 der linken Seile des Wulcrstandselemen-s veranschaulicht eine Kante, an der die Folien 1 und 2 nicht zusammengeführt und nicht verbunden oder verschweißt worden sind. Der Rand 4' an der rechten Seite veranschaulicht eine Kante, ar. der die Folie miteinander verbunden worden sind, ζ B mittels bekannten Folienschweiß- oder Klebeverfahren, tier isolierte Randtyp wird aus offensichtlichen Gründen bei vielen Anwendungen, beispielsweise dort, wo es wahrscheinlich ist. daß Personen mit dem Rand des Widerstandselements während des Gebrauchs in Berührung kommen, bevorzugt.
Einen bevorzugten Typ von Fluorkohlenstoff-Elastomeren stellen elastomere Mischpolymere aus Vmyhden fluorid und mindestens einem anderen fluorierten Monomeren dan z< B, ein Mischpolymer aus Vinylene fluorid und Hexafluorpropylen, ein Mischpolymer aus Vinylidenfluorid und Chlortrifluorälhylen, ein Terpoly* mer aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluoräthylen oder eine Mischung aus zwei oder mehreren solcher Mischpolymeren. Besonders bevor·
zugt sind Vinylidenfluorid/Hexafluorpropylen-Mischpolymere, in denen die Monomeren in einem Molverhältnis von etwa 85:15 bis 50:50 kombiniert sind. Bevorzugt ist auch ein Mischpolymer aus etwa 30 bis 80 Mo! Vinylidenfluorid, 15 bis 40 Mol Hexafluorpropylen und 5 bis 30 Mol Tetrafluoräthylen. Mischpolymere von Vinylidenfluorid mit Dichlordifluoräthylen oder Chlorfluoräthylen, mit fluorierten Vinylestern, mit Derivaten der Pprfluoracrylsäure und mit fluorierten Alkylvinyläthern sind ebenfalls nützlich; die letzteren werden von Mischpolymeren aus Vinylidenfluorid und einem Perfluoralkyl-perfluorvinyl-äther (vgl. USA-Patentschrift 31 36 745) und von Terpolymeren aus Vinylidenfluorid, Tetrafluoräthylen und dem genannten Äther (vgl. USA-Patentschrift 32 35 537) veranschaulicht. Das »andere fluorierte Monomer« des Fluorelastomers ist vorzugsweise ein äthylenisch ungesättigtes Monomer, das mindestens so viele Fluoratome wie Kohlenstoffatome enthält Andere bekannte Fluorelastomere können ebenfalls verwendet werden, z. B. ein Mischpolymer aus etwa 50 bis 70 Mol Tetrafluoräthylen und 30 bis 50 Mol eines Perfluoralkyl-perfluo-vinylathers.
Zur Herstellung des leitfähigen Elastomers wird das Elastomer mit genügend viel Ruß gemischt, damit sich die gewünschte Leitfähigkeit ergibt und dabei noch die geeignete Festigkeit und die anderen notwendigen ligenschaften erhalten bleiben. Gewöhnlich wird das Elastomer mit etwa 10 bis 100 Teilen leitfähigen Ruß je 100 Teile Elastomer vermischt; oft werden etwa 35 bis 100 Teile Ruß bevorzugt Acetylenruß findet bei vielen der besten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Verwendung. Die meisten anderen Rußarten verursachen leicht Probleme bei der Herstellung der Elastomerenschicht oder neigen dazu, die Erzielung der gewünschten Güte des Widerstandselements zu erschweren oder unmöglich zu machen. Ergebnisse, welche für einige Anwendungszwecke brauchbar sind, können jedoch auch mit anderen Rußarten, die hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, z. B. mit einem stark agglomerierten Ofenruß erhalten werden.
Wahrend der Herstellung des Widerstandselements kann eine Schichl des lcitfähigen Elastomers auf einer oder beiden (vorzugsweise beiden) isolierenden Folien nut der W;il/e als Überzug aufgetragen werden, um die gesamte oc'.-r einen Teil der leitfä'ugen flastomer schicht zu bilden. Bei dieser Methode kann d.is Elastomer .ils flüssige Überzugsmasse .ingesetzt wer den. in welcher das Elastomer in einem organischen Lösungsmittel das der isc'-erenden folie nicht schadet, gelost oder dispergiert oder in Wasser unter Bildung eines Latex dispergiert ist. (ine Methode, bei der der Überzug .ms einer Lösung aufgebracht wird, wird be sonders bevorzugt.
Das leitfähige Elastomer kann auch durch Sprühbeschichtung. Extrusion, Rakelbeschichtung. Seidenrasterbeschichtung und nach anderen bekannten Methoden zur Herstellung von Überzügen. Folien und dgl. aus ElastomeriTiassen gebildet werden.
Da-> Widerstandszellen! vermag mindestens 270 Watt Wär'ne je m2 Erzeugnis (1 ψ Erzeugnis enthält 2 m2 Heizfläche, während jede Seite des Erzeugnisses für die Wirkung als Heizvorrichtung frei ist) bei einer Temperatur von etwa 46°C zu erzeugen. Vorzugsweise erzeugt es mindestens 380 Watt Wärme je m2 bei etwa 570C.
Das Widerstandselemf-.n.t weist einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von etwa 0 bis 0,02 jeαC1 vorzugsweise von etwa 0 bis 0,005 je °C auf.
Das leitfähige Elastomer 3 ist etwa 0,0013 bis 0,13 mm, vorzugsweise 0,003 bis 0,05 mm dick.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung. Alle Mengen sind als Gewichtsmengen angegeben, soweit nicht anders angezeigt
Beispiel 1
Herstellung eines Widerstandselements aus einem
elektrisch leitfähigen Fluorkohlenstoff-Elastomer und Polyesterfolie
Eine elektrisch-leitfähige Fluorkohlenstoff-Elastomermasse folgenden Ansatzes wird in einer Kugelmühle hergestellt.
Gramm
Mischpolymer 100
Acetylenruß 40
MgO 15
N,N'%-Dicinnamyliden-
!,6-hexandiamin 3
Aceton 258
Butylacetat 297
Das Mischpolymer ist zusammengesetzt aus VinylidenfluorJ und Hexafluorpropen (60/40 Gew.-°/o) mit einer Mooney-Viskosität von 35(ML-IO bei 100°C).
Es wurde auch noch Methyläthylketon in genügender Menge zugefügt, damit sich eine Mischung ergab, die eine für Tiefdruckbeschichtung genügende Fließfähigkeit aufweis.
Zwei Streifen einer Polyester (Polyäthylenterephthalat-Folie (38 cm breit, 230 m lang und 0,23 mm dick) werden jeweils auf einer Seite unter Verwendung einer gleichsinnig-laufenden Tiefdruckwalzen-Auftragmaschine mit einem 3 m langen Drucklufttrockner mit der Elastomermasse beschichtet Die Folie läuft durch die Beschichtungs- und Trocknungsapparatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 9 m je Minute. Die Temperatur in der Trocknungszone beträgt etwa 110° C. Die Dicke (trockene Folie) des Elastomerüberzuges auf jeder Folie beträgt 0,0075 mm.
Zwei Kupfer-Elektroden, von denen jede 0,05 mm dick und 1.3 cm breit ist, werden in den Späh zwischen glatten Metallwalzen (Durchmesser: 15,5 cm) einer Zweiwalzen-Presse eingeführt; gleichzeitig werden die oben beschriebenen beiden beschichteten und getrockneten Folienstreifen den Walzen derart zugeführt, daß die Elektroden in Zwischenlage in Berührung mit den Elastomerschichten stehen. Der auf dem Aufbau lastende Druck befägt an dem Walzenspalt etwa 10 bar. und die Walzentemperatur ist 175°C. Jede Walze ist etwa 70 cm lang, und die Lineargeschwindigkeit be'räfe. eiwa 9 m/Min. Der Aufbau aus den beschichteten Folienstreifen und Kupfer-Elektroden verläßt die Presse als ein zusammengesetztes Folienschichtstoff-Material.
Aluminiumanstiichfarbe wird auf eine Seite des Schichtstoffs aufgesprüht und unter Bildung eines wärmereflektierenden Überzugs trocknen gelassen (vgl. Position 6 der Zeichnung). Der Anstrich ist etwa 0,0013 mm dick. Das erhaltene Widerstandselement hat einen ähnlichen Querschnitt wie das in der Zeichnung dargestellte Gebilde, wobei jedoch ein Teil des Elastomers 3 auch unterhalb der Elektroden liegt.
Die folgenden elektrischen Eigenschaften des Schichtstoffes, die unter Verwendung einer Kelvin* Brücke bestimmt werden, werden beobachtet:
Spezifischer elektrischer Widerstand^ Ohm-cni
Vor dem Erhitzen Nach dem Erhitzen Nach einer Gc-
und Pressen und Pressen brauchsdauer
von 1000 Stunden bei 71 C
Gramm
0,7
0*63
Das Widerslandselement ist biegsam Und reißt weder vor noch nach der elektrischen Prüfung, wenn es um 360° um einen Dorn mit einem Durchmesser von 0,3 cm gewickelt wird. Das Widerstandselement zeigt gute Haftung der leitfähigen Elastomere an die Polyesterfolie. Die Wärmeerzeugung (Leistüngsverbrauch) beträgt für dieses Erzeugnis bei 230 Volt 1500 Watt je m2 Erzeugnis bei etwa 116 bis 119°C und bei 115 Volt 375 Watt je m2 Erzeugnis bei etwa 54 bis 57° C (Oberf lächentemperaiur). Das Erzeugnis weist einen Tefnperäiürküeffizienten des elektrischen Widerstands von 1,3 χ 10-3 je °C auf. Über die teilweise Härtung hinaus, die während der Trocknungs- und Preßvorgänge erhalten wurde, wurde die Elastomerschicht nicht weiter gehärtet.
Beispiel 2
Herstellung von Widerstandselementen aus elektrischleitfähigem Fluorkohler.stoffelastomer und Kunststoff-Folie
Eine elektrisch-leitfähige Fluorkohlenstoff-Elastomermasse wird gemäß der folgenden Vorschrift in eine Kugelmühle hergestellt:
Tabelle I
Mischpolymer des 100
Beispiels I 50
Acetylenruß 15
MgO
Ν,Ν'-Dicinnamyliden- 3
1,6-hexandiamin
10 Die Elastomermasse wird mit etwa 2800 g einer 50/50-MIschung aus Aceton und Butylacetat verschnitten. Für jeden Schichtstoff wird die verschnittene Masse auf je eine Seite von zwei undurchlässigen Grundstoff-Folienschichten, deren Abmessungen 30,5 cm χ 30,5 cm betragen, durch Sprühbeschichten als Überzug aufgebracht. Der Fc!icr,typ für jeden Schichtstoff wird in Tabelle I gezeigt.
Zwei Kupfer-Elektroden, wie sie in Beispiel 1 beschrieben wurden, werden zwischen jeden Satz der beschichteten und getrockneten Folienstreifen gebracht, und es wird ein Aufbau gebildet, in welchem die
»j Elektroden als Zwischenlage in Berührung mit den leitfähigen Fluorelastomerschichtcn stehen. Jeder Aufbau wird bei 100°C und 7 bar 15 Minuten lang in einer norma'sin Werkstatt-Etagenpresse unter Bildung eines Schichlstoffes heißgepreßt. In den mit den ersten drei
jo Folientypen der Tabelle I hergestellten Schichtstoffen ist die Fluorelastcmerschicht insgesamt 0,05 mm dick; bei dem letzten Folientyp ist die Elastomerschicht 0,076 mm dick.
Folie
Polyäthylen (zwei 0.076 mm dicke Folien)
Polyäthylenterephthalat
(zwei 0,126 mm dicke Folien)
Polyvinylfluorid (zwei 0,025 mm dicke Folien)
Polytetrafluorethylen (zwei 0,076 mm dicke Folien)
Spezifischer elektrischer
(Ohm-cm)		 Nach dem
Pressen		 Widerstand
Vor dem
Pressen		 0,965
0,775
1,52		 Ander
3,0
3,45
3,12		 0,615
0,615
0,55		 310
445
205
2,68
2,5
2,72		 0,835
0.715
0,70		 435
405
495
3,0
3,0
3,04		 0,834
0,757
0,834		 360
420
435
3,26
3,37
3,35		 391
445
402
Jeder Schichtstoff ist biegsam und reißt nicht, wenn er um 360° um einen Dorn mit einem Durchmesser von 0,3 cm gewickelt wird, und zeigt gute Haftung des leitfähigen Elastomers an der Folie.
Beispiel 3
Ein Widerstandselement aus einer leitfähigen Fluorelastomerschicht und Polyesterfolien wird in der in Beispiel 1 beschriebenen Art und Weise mit der Abänderung hergestellt, daß (1) in der Elastomermasse mehr Aceton und Butylacetat und weniger Methyläthylketon verwendet werden und eine dickere Schicht auf die Folien aufgebracht wird, wie unter (4) gezeigt wird; (2) die Zweiwalzen-Presse Walzen mit einem Durchmesser von 20 cm besitzt und der Druck, der auf dem Aufbau am Spalt lastet, etwa 35 bar beträgt; (3) die Breite des Aufbaus, der die leitfähige Fluorelastomer-Zwischenschicht enthält, 56 cm beträgt; und (4) die Fluorelastomerschicht eine Gesamtdicke von 0,023 mm im Erzeugnis aufweist
Das Erzeugnis vermag mindestens 375 Watt Wärme
je rri2 Heizfläche bei einer Temperatur von etwa 57° C zu erzeugen. Es weist einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von 0,9 χ 10-3je°Cauf,und seine Biegsamkeit und Schicht-an-Schicht-Haftung sind gut.
Ungefähr 24 Stunden; nachdem das Widerstandsele-
ment fertiggestellt ist, beträgt sein spezifischer elektrischer Widerstand 1,25OhIn-Cm. Nachdem der Widerstand 18 Monate lang bei 24°C und 50% relativer Feuchtigkeit gelagert worden ist, weist er einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,18 Ohm-cm auf (geringfügig niedriger als 18 Monate vorher).
Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (5)

  1. Patentansprüche:
    1, Flexibles Widerstandselement aus einem Körper aus elastomerem Material, welcher aus einer Dispersion von Ruß in einem Elastomeren besteht und in welchem flexible Elektroden eingebettet sind, wobei zumindest über der leitenden Schicht eine Folie aus elektrisch isolierendem polymeren Material anhaftend anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines niedrigen spezifischen Widerstandes als Elastomer ein Fluor-Kohlenstoffelastomer verwendet wird.
  2. 2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch
    gekennzeichnet, daß der Rußgehalt der Schicht (1) etwa 10 bis 100 Teile je 100 Teile Elastomer beträgt
  3. 3. Widerstandselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruß Acetylenruß ist,
  4. 4. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rußgehalt etwa 35 bis 100 Teile je 100 Teile Elastomer beträgt
  5. 5. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastomere leitende Schicht (1) eine Dicke von etwa 0,0013 bis 0,13 mm aufweist
DE2138580A 1970-08-03 1971-08-02 Flexibles Widerstandselement aus einem Körper aus elastomerem Material Expired DE2138580C3 (de)

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