DE2148191B2

DE2148191B2 - Drahtlose Flächenheizelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2148191B2
Application number: DE2148191A
Authority: DE
Inventors: Tankred Menzel; Gottfried Dipl.-Chem. Dr. Reuter
Original assignee: Reuter Maschinen- und Werkzeugbau 2844 Lemfoerde GmbH
Current assignee: Reuter Maschinen- und Werkzeugbau 2844 Lemfoerde GmbH
Priority date: 1971-09-27
Filing date: 1971-09-27
Publication date: 1974-12-05
Also published as: DE2148191C3; IL48165A; BR7206668D0; ZA726586B; JPS534237A; IL48165A0; DE2148191A1

Description

Die Erfindung betrifft cn drahtloses elektrisches Fla- }-■ chenheizelemeiit. bestellend aus einem mit Kunststoff überzogenen Gewebe, auf dessen einer Seite eine elektrisch leitende Partikelchen enthaltende mit Elektroden versehene Kunststoffschicht a (gebracht ist, auf der sich eine elektrisch isolierende Schicht befindet.

Bei herkömmlich verwendeten elektrischen Wärmeerzeugern wird elektrische Energie durch sogenannte Widerstandsdrähte, nach den Joulschen Gesetzen, ;ii Stromwärme überführt, wobei die erzeugte Wärme vom Widerslandsdraht über eine Isolation an die eigentliche, wärmeabstrahlende Nutzfläche gHeitet wi.d. Diese Heizleiterdrähte, die z. B. aus Nickelin oder Rheutan und Konstantündraht bestehen, brechen leicht bei mechanischer Beanspruchung auf Grund von Ermüdungserscheinungen. Die damit verbundenen Nachteile liegen auf der Hand. Es ist verständlich, daß nach diesem System aufgebaute schmiegsame Wärmeerzeuger empfindlich gegen jede Art mechanischer Beanspruchung sind und weder als biegsam, flexibel, noch elastisch benannt werden dürften. Für schmiegsame Elektrowärmegeräte wird vom VDE der Aufdruck »nicht falten« empfohlen. In der allgemeinen Technik, im Haushalt und in der Medizin sind jedoch elastische, flexible Wärmeerzeuger erwünscht, z. B. wenn komplizierte Konturen erwärmt werden sollen oder wenn Druck-Biegeauslenkungen gefordert werden, wie es ;z. B. bei einem sich den Körperkonturen anpassendem Heizkissenpolster erwünscht ist. Man hat deshalb verschiedentlich versucht, die Widerstandsdrähte durch ein anderes Material zu ersetzen, das eine wesentlich bessere mechanische Stabilität aufweist.

So ist es bekannt, ein flexibles Trägermaterial mit leitendem Graphit zu imprägnieren und das so geschaffene Heizelement für heizbare Bettdecken u.dgl. zu verwenden. Bei dem Trägermaterial kann es sich um anorganisches Fasermaterial handeln (britische Patentschrift 747 257), um organisches Gewebe, beispielsweise Baumwolle (USA.-Patentschrift 2 255 376), um Kautschuk (deutsche Patentschrift b25 77J) oder auch um Kunststoff (britische Patentschrift 071 881).

In der deutschen Offeinlegungsschrift 1 565 3|b, die der britischen Patentschrift I 079 402 entspricht, ist ferner ein flexibles Flüchenheizelement beschrieben, das aus zwei flexiblen Isolierschichten besteht, zwischen denen sich eine elektrisch leitfähige Schicht aus Silikonkautschuk und Kuß mit entsprechenden Elektroden befindet. Die beiden flexiblen Isolierschichten, die praktisch gleich sind, können aus mit Alkydhavz überzogenem Glasgewebe bestehen. Nachteilig wirkt sich bei diesen Heizelementen jedoch insbesondere das Verfahren zu ihrer Herstellung aus, da die aufgetragene elektrisch leitfähige Silikonschicht einer etwa 20minütigen Aushärtung bei Temperaturen zwischen 150 und 200"C unterworfen werden muß, wodurch als Isolierschichten nur eine bestimmte Gruppe von Materialien in Frage kommen. Außerdem ist es nachteilig, daß zum Aufbringen der zweitcn Isolierschicht die '. .-; ■- ::c!ung von ?<i sat/lichen Klebstoffen notwendig ist.

Es sind auch /. B, flexible Heizelemente aus Textilgewebe bekannt, die ihre Leitfähigkeit durch Bestreichen oder Imprägnieren mit einer Graphiidispersion erhalten. Mu Textilgewebe ist hierbei eine mechanische Vor bindung um Ken- und Sehußladen gemeint. Die mit Hilfe eiiier Dispersion auf die Textilfaden aulgetragene Graphitschichi ' egt auf den Kett- und Schußfäden und verbindet sie. Diese Verbindung ist weder flexibel noch vAistiseh. so daß eine leichte Zugbelastung eines einzelneu Ken oder Schußfadens die Graphitschicht aufreißen läßt, auch dann, wenn zusätzliche Bindemittel, wie Kunstharze, die Haftung verstärken sollen. Wird dieses leitfähige Gewebe dann mit einer elektrisch isolierenden Abdeckfolie kaschiert, oder anders mechanisch bclastet, so verändern sich die elektrischen Werte auf Grund der Fadenbewegungen zu nicht reproduzierbaren Werten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, drahtlose, flexible riäehcnheizclementc zu schaffen, die eine mechanische und elektrische Stabilität aufweisen sowie reproduzierbare elektrische Werte liefern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein drahtloses, flexibles flächenheizelement, bei dem erfindungsgemäß das Gewehe einseitig kaschiert ist. auf der nichtkaschicrt.n Gewebeseite sich eine aus einer wäßrigen elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion hergestellte Kunststoffschicht befindet und auf diese eine Schicht aus Polviirethanweichschaumstoff aufgeschäumt ist.

Die erfindungsgemäßen Heizelemente zeigen insbesondere drei Vorteile:

1. Die erzeugte Wärme wird über die Nutzfläche abgegeben, so daß minimale Konduktionsverluste auftreten.

2. Bedingt durch die geringen Wärmeverluste und den Aufbau der Heizfläche sind die Aufheizzeiten selbst bei quadratmetergroßcn Heizflächen sehr kurz.

3. Dadurch, daß die Polyurethanrückseite weich, federnd elastisch oder hart ausgelegt werden kann ist die Fertigung heizbarer Polyesterelemente und Wand- und Großflächenheizungen in nur einen· Arbeitsgang möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Bei spiels erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein einseitig kaschiertes Gewebe, z. B. Textil gewebe, bestehend aus dem Gewebe 1 und der Kunst

stoffkaschierung 2,

F ι g. 2 ein mit elastischen Elektroden 3 und An sehlußfläehen für Stromzuführung 4 versehenes kaschiertes Gewebe,

F i g 3 den gleichen Gegenstand wie F i g. 2, auf den jedoch nachträglich ein Heizfilm 5 aufgetragen wurde,

f^: ι g. 4 das behandelte, einseitig kaschierte Gewebe zusammen mit einem Rahmen 6 zur Herstellung der Schaumstoff schicht,

F ι g. 5 ein drahtloses Flächenheizelement, bestehend aus dem mit der elektrisch leitende Partikel enthaltenden Kunstsioffdispersion behandelten einseitig kaschierten Gewebe 7 und dem Schaumstoffpolster 8 sowie der Anschlußschiiur 9.

Es lassen sich grundsätzlich alle einseilig kaschierten Gewebe verwenden, wobei das Gewebe aus organischen oder anorganischen Materialien bestehen kann. Vorzugsweise werden jedoch saugfähige Gewebe eingi.-M.-tzi. da bei der Behandlung dieser Gewebe mit der v..il\ngen Dispersion eine bessere Haftung de·, zu bil-CIl-IIlU-Ii elektrisch leitfahigen l-'ilms erzieh wird. Die \ erwendung von nicht saugfähigen Gi λ eben ist natür-Ii. ii auch möglich, nämlich dann, wenn die aufzubringenden elektrisch leitfahigen Filme ausreichend aiii v!l■■<! Gewebe haften. Als Textilgewebe können solche ai. Natur- wie aus Kunstfasern eingesetzt werden. H.iisichilich der Kaschierung haben sich erfindung-gemäli insbesondere solche einseitig kaschierten Gewebe bewahrt, bei denen die Kunststoffbeschichuing etwa 100 g/m-¹ betragt. Besonders bevorzugt werden gemäß der Erfindung die einseitig mit flexiblem KunstMoif kaschierten Textilgewebe, beispielsweise die. die im Handel unter den Bezeichnungen Vistram und Knautschlack erhältlich sind.

Die in der wäßrigen Kunststoffdispersion enthaltenen elektrisch leitenden Partikelchen können aus Kohlenstoff, z. B. Ruß oder Graphit, aus Edelmetall oder aus mit Edelmetall beschichteten anderen Metallen oder anderen Nichtmetallen bestehen. Vorzugsweise wird Ruß eingesetzt, insbesondere ein Acetylenruß, beispielsweise wie er im Handel in Form einer wäßrigen Dispersion erhältlich ist.

Zur Herstellung der flexiblen und elastischen drahtlosen Flächenhcizelemcntc eignen sich als Kunststoffdispersionen, die vor dem Aufbringen auf da;. Gewebe mit den elektrisch leitenden Partikelchen vermischt werden, alle Kunststoffdispersionen, d'e einen elastischen, alterungsbeständigen Film bilden. Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung eine 60%ige wäßrige Dispersion von Polyisobutylen verwandt.

Zur Herstellung der wäßrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion vcimischt m;in beispielsweise eine wäßrige Dispersion von Polyisobutylen mit einer wäßrigen Rußdispersion, wobei man die Viskosität der Kunststoffdispersion durch das Abmischen mit der Rußdispersion so einstellt, daß man eine gut streichfähige Mischung erhält. Diese Mischung wird dann beispielsweise auf die Gewebeseite des einseitig kaschierten Textilgewebes aufgetragen, d. h. auf das Textilgewebe, wobei das Textilgewebe die heizfilmbildende Mischung schnell aufsaugt. Der Film bildet sich innerhalb 30 Minuten bei Raumtemperatur. Anschließend wird der Film, je nach aufgetragener Schichtdicke einige Stunden bei 80°C künstlich gealtert. Die Alterung ist für eine Widerstandsstabilisierung notwendig, weil die vorher in der Kunststoffdispersion vorhandener! Kunststoffpartikel, durch künstliche Alterung, eine Schrumpfung zeigen. Die Schrumpfung wirkt sich dadurch aus, daß der Kontakt der an den Kunststoffpartikeln anhaftenden, leitfahigen Partikeln etwas gelockert wird, wodurch der elektrische Widerstand des Films etwas ansteigt. Die den Heizfilm bildende Dispersion besteht vorzugsweise aus einer wäßrigen Kunststoffdispersion, die durch Hinzumischen einer wäßrigen Rußdispersion auf die gewünschten Went bezuglich einer Leitfähigkeit und der Verarbeitungseigenschaft eingestellt wird. Eine fertige Folie mit dem

ίο auf der Ruckseite aufgetragenen elektrisch leitfähigen Film ist flexibel und zeigt überraschend gutes elastisches Verhalten.

Fur den weiteren Aufbau eines Heizelementes werden darüber hinaus mindestens zwei Elektroden benöligt. Die Elektroden haben die Aufgabe, eine zwischen den Elektroden, über die gesamte leitfähige Fläche gleichmäßigen Widerstandswert einzustellen. Wird eine elektrische Spannung ar. die Elektroden gelegt, so bildet siL-li. auf Grund des Filmwiderstandes, ein homo-

: genes Spannungspotential zwischen den Elekfoden. Die Elektroden können aus .cxiblem Metallband oder /. B. aus kupferkaschicrten Kunststoffolien gefertigt werden, solange die Elektroden nicht mechanisch beansprucht werden.

2ΐ Für beheizbare Autositze. Heizkissen. Heizdecken u. dal. ist eine flexible und in gewissen Grenzen elastische Elektrode erforderlich, weil diese Heizelemente über die gesamte Fläche mit Druck- und Biegeauslenkungen belastet werden. Neben der Erfüllung dieser

γ mechanischen Anforderungen müssen die Elektroden eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die etwa den metallischen Leitern entspricht. Es wurde ge funden. daß Elektroden mit elastischen und gut leitenden Eigenschaften, die wie nachfolgend beschrieben

if hergestellt werden, besonders gut dafür geeignet sind. Als Leitsubstanz wird nicht Pulver aus Massivsilber, sondern ein Pulver aus versilbertem Kupfer verwendet. Das Pulver ist im Handel erhältlich. Die Teilchengröße liegt bei etwa 180 Mikron. Andere Metallpulver, außer mit Edelmetallen beschichtete, sind hierfür nicht brauchbar. Zur Herstellung der Elektroden gibt man beispielsweise ein Pulver aus versilbertem Kupfer mit einem Teilchendurchmcsscr von etwa 180 Mikron unter Rühren in eine "lO'Voige wäßrige Aerylharzdispcr-

4-, sion. Es wird soviel Pulver zugegeben, daß die Mischung gerade noch streichfähig ist.

Da die relativ großen Metallpulverparlikeln neben den mngentialen Berührungspunkten größere Zwischenräume zeigen, wird in die vorhandene Mischung

so eine 25°.'.",ige wäßrige Rußdispersion eingerührt. Die Rußdispersion mit 25% gut leitendem Azetylenrußgehalt (2 3 Millikron-Teilchendurchmesser) füllt die vorher unausgefüllten Zwischenräume nach dem Abtrocknen der fiimbildcnden Trägerfliusigkeit vollständig mit

5S Rußpartikeln aus. Dadurcn wi-d der Korngrcnz.enwiderstand der Metallpartikeln erheblich entlastet. Es handc¹'. sich hierbei um eine Parallelschaltung von Einzclwiderständcn.

Diese sehr gut leitenden Filme haben je nach

Schichtstärke einen Widerstand von etwa 0,1 Ohm/cm^J und zeigen nach einer Trocknungszeit von etwa 1 Stunde bei Raumtemperatur ein gutes flexibles und elastisches \ erhalten.

Die auf der nicht kaschierten Seite des Gewebes nach der Behandlung mit der wäßrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion, aufgebrachte Kunststoffschicht besteht aus Polyurethanschaum, der sich besonders leicht direkt an die Ge-

webcschichl anschäumen IaDt. Die Herstellung der verschiedenartigen Polyurcthanschäumc ist dem Fachmann bekannt.

Die erfindungsgemäßen drahtlosen Widerstandsheizungen, die mit einer rückseitigen Polyurethanschaumbeschichtung kaschiert sind, sind universell cinsetzbar. Polyurelhanmaterialien zeichnen sich neben ihrer guten Verarbeitbarkeit zu Weichschäumen besonders durch ihr ausgezeichnetes thermisches Isoliervermögen aus.

Das Gewicht einer I m² großen und 20 mm starken Heizfläche beträgt etwa 1000 g. Die wärmeabstrahlende Seite besteht aus flexiblem Material, das in den unterschiedlichsten Designs geliefert werden kenn. Um Gefahren zu eliminieren, arbeiten diese Heizelemente vorzugsweise mit Kleinspannungen. |e nach Anwendungsgebiet werden die Heizelemente für die unterschiedlichsiten Temperaturbereiche eingestellt und können für alle Betriebsspannungen entworfen werden. Wenn auf Grund einer schlechten Wärmeableitung eine obere Temperaturbegrenzung vorgesehen werden muß, dann kann ein »Kaltleiter« oder ein anderer Temperaturbegrenzer direkt in oder an den Heizfilmstromkreis geschaltet werden.

Für beheizbare Polster mit geringen Betriebsspannungen ist lediglich die hcizfilmbildende Mischung etwas zu ändern, indem der Widerstand durch Zugabe von mit Silber beschichtetem Metallpulver den gewünschten Werten entsprechend herabgesetzt wird.

Beispielsweise wird ein flexibles Heizpolster wie folgt hergestellt: Ein mit Kunststoff einseitig kaschiertes Textilgewebe (vergleiche F i g. 1) wird auf der nichtkaschierten Seite mit flexibel-elastischen Elektroden versehen (vergleiche F i g. 2). Die Elektroden werden mit Hilfe einer Schablone (14 mm breit, 270 mm lang) und einem gegenseitigen Abstand von 370 mm aufgetragen. Die Mischung der Elektroden besteht aus 80 Gewichts-Teilen einer 50%igen Dispersion eines Mischpolymerisats aus Butylacrylat, Vinylacetat unt Acrylsäure, 100 Gcwichts-Tcilcn mit Silber beschichte tem Kiipfcrpulver und 100 Gewichts-Teilen cinei 25%igen Acetylenrußdispersion.

Anschließend wird mit Hilfe einer Rahmenschablonc (270 χ 370 mm) der eigentliche Heizfilm aufgetragen Zur Herstellung des Heizfilms wird eine wäßrige Di spcrsion von Polyisobutylen unter Kühren mit einei 25%igcn wäßrigen Acctylenrußdispcrsion gut ver

ίο mischt. Die gut streichfähige Mischung wird gleichmä ßig auf das Gewebe aufgetragen. Die Elektroden wer den von dem Heizfilm gut überdeckt. Anschließenc wird der Film getrocknet. Ein Konlaktplättchen unc ein Kerbkabelschuh wird mit Hilfe von Kunststoffnie ten an jeder Elektrode befestigt, um den Spannungsan schluß zu ermöglichen (vergleiche F i g. 3).

Der gesamte Heizfilm kann gegebenenfalls mit einei elektrisch isolierenden Kunststoffdispersion versiegeil werden.

Die Bildung eines weichelastischen Polyurethanschaumstoffpolsters auf dem Heizfilm wird nun vorbe reitet. Das Anschäumen des Polyurethanschaumstoffe; erfolgt in bekannter Weise und braucht daher nicht nä her beschrieben werden. Ein Formenrahmen, mit ζ. Β 40 mm Seitenhöhe, wird so auf die Heizfolie gelegt, daC die Innenseite des Formrahmens zu jeder Seite de; Heizfilms einen Mindestabstand von 15 mm zeigt (ver gleicht Fig.4). Das den Schaumstoff bildende Reak tionsgemisch wird in den Formraum gegossen. Eir Formdeckel wird auf die Form gelegt und angepreßt um ein Austreten des aufschäumenden Schaumstoffe; zu vermeiden.

Nach 10 Minuten kann der Formrahmen entfern werden. Das Heizelement zeigt auf der Rückseite da; elastische Schaumstoffpolster (vergleiche F i g. 5). Di( bei einer angelegten Spannung erzeugte Wärme wire nur von der kaschierten Oberfläche abgegeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drahtloses flexibles Flächenheizelement, bestehend aus einem mit Kunststoff überzogenen Gewebe, auf dessen einer Seite eine elektrisch leitende Partikelchen enthaltende mit Elektroden versehene Kunststoffschicht aufgebracht ist, auf der sich eine elektrisch isolierende Schicht befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe einseitig iu kaschiert ist, auf der nichtkaschierten Gewebeseite sich eine aus einer wäßrigen elektrisch leitende Partikelehen enthaltenden Kunststoffdispersion hergestellte Kunststoffschicht befindet und auf diese eine Schicht aus Polyurethanweichschaumstoff aufge- !5 schäumt ist.

2. Flächenheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Partikelchen Edelmetalle, mit Edelmetall beschichtete andere \^! Malle oder Substanzen, oder Kohlenstoff, :·> /. B. Ruße und Graphit, sind, w.ibei Ruß bevorzugt

3. i-'lächenheizelen nt nach Anspruch I und 2. dadurch gekennzeichi. daß der disperyicnc Kunst-Motl ein Polusobun !en ist ;■>