DE2148191C3 - Drahtlose Flächenheizelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein drahtloses elektrisches Flä-Chenheizelement, bestehend aus einem mit Kunststoff Gberzogenen Gewebe, auf dessen einer Seite eine elektrisch leitende Partikelchen enthaltende mit Elektroden versehene Kunststoffschicht aufgebracht ist auf der sich eine elektrisch isolierende Schicht befindet.

Bei herkömmlich verwendeten elektrischen Wärttieerzeugern wird elektrische Energie durch sogenannte Widerstandsdrähte, nach den Joulschen Gesetzen, in Stromwärme überführt, wobei die erzeugte Wärme vom Widerstandsdraht über eine Isolation an die eigentliche, wärmeabstrahlende Nutzfläche geleitet wird. Diese Heizleiterdrähte, die z. B. aus Nickelin oder Rheotan und Konstantandraht 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 e. 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 625 773) oder auch um Kunststoff (britische Patentschrift 671 881).

In der deutschen Offenlegungsschrift 1 565 316, die der britischen Patentschrift 1 079 902 entspricht, ist ferner ein flexibles Flächenheizelement beschrieben, das aus zwei flexiblen Isolierschichten bssteht zwischen denen sich eine elektrisch leitfähige Schicht aus Silikonkautschuk und Ruß mit entsprechenden Elektroden befindet Die beiden flexiblen Isolierschichten, die praktisch gleich sind, können aus mit Alkydharz 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 200⁰C unterworfen werden muß, wodurch als Isolierschichten nur eine bestimmte Gruppe von Materialien in Frage kommen. Außerdem ist es nachteilig, daß zum Aufbringen der zweiten Isolierschicht die Verwendung von zusätzlichea Klebstoffen notwendig ist.

Es sind auch z. B. flexible Heizelemente aus Textilge webe bekannt, die ihre Leitfähigkeit durch Bestreichen oder Imprägnieren mit einer Graphitdispersion erhalten. Mit Textilgewebe ist hierbei e^!ne mechanische Verbindung von Kett- und Schußfaden gemeint. Die mit Hilfe einer Dispersion auf die Textilfaden aufgetragene Graphitschich« liegt auf den Kett- und Schußfäden und verbindet sie. Diese Verbindung ist weder flexibel noch elastisch, so daß eine leichte Zugbelastung eines einzelnen Kett- 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 belastet, so verändern sich die elektrischen Werte auf Grund der Fadenbewegungen zu nicht reproduzierbaren Werten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, drahtlose, flexible F!äehenhei?e!emente 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 Gewebe einseitig kaschiert ist, auf der nichtkaschierten Gewebeseite sich eine aus einer wäßrigen elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion hergestellte Kunststoffschicht befindet und auf diese eine Schicht aus Polyurethanweichschaumstoff 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 quadratmetergroßen 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. Textilgewebe, bestehend aus dem Gewebe 1 und der Kunsv

stoffkaschierung 2,

Fig.2 ein mit elastischen Elektroden 3 und AnschluSflächen für Stromzuführung 4 versehenes kaschiertes Gewebe,

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

F i g. 4 das behandelte, einseitig kaschierte Gewebe zusammen mit einem Rahmen 6 zur Herstellung der •Schaumstoffschicht,

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

Es lassen sich grundsätzlich alle einseitig kaschierten Gewebe verwenden, wobei das Gewebe aus organischen oder anorganischen Materialien bestehen kann. Vorzugsweise werden jedoch saugfähige Gewebe eingesetzt, da bei der Behandlung dieser Gewebe mit der wäßrigen Dispersion eine bessere Haftung des zu bil denden elektrisch leitfähigen Films erzielt wird. Die Verwendung von nicht saugfähigen Geweben ist natürlich auch möglich, nämlich dann, wenn die aufzubringenden elektrisch leitfähigen Filme ausreichend auf dem Gewebe haften. Als Textilgewebe können solche aus Natur- wie aus Kunstfasern eingesetzt werden. Hinsichtlich der Kaschierung haben sich erfindungsgemäß insbesondere solche einseitig kaschierten Gewebe bewährt, bei denen die Kunststoffbeschichtung etwa 100 g/m² beträgt. Besonders bevorzugt werden gemäß der Erfindung die einseitig mit flexiblem Kunststoff 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, beispielxweise wie er im Handel in Form einer wäßrigen nispersion erhältlich ist.

/ur Herstellung der flexiblen und elas' sehen drahtlosen Flächenhei?elemente eignen sich „λ Kunststoffdispersionen, die vor dem Aufbringen auf das Gewebe mit den elektrisch leitenden Partikelchen vermischt werden, alle Kunststoffdispersionen, die einen elastischen, altcrungsheständigen Film bilden. Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung eine 60%ige wäßrige Dispersion von Polyisobutylen verwandt.

Zur Herstellung der wäßrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion vermischt man 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 8O⁰C künstlich gealtert. Die Alterung ist für eine Widerstandsstabilisierung notwendig, weil die vorher in der Kunststoffdispersion vorhandenen Kunststoffpartikel, durch künstliche Alterung, eine Schrumpfung zeigen. Die Schrumpfung wirkt sich dadurch aus, daß der Kontakt der an den Kunststoffpartikeln anhaftenden, leitfähigen Partikeln etwas gelockert wird, wodurch der elektrische Widerstand dea Films etwas ansteigt Die den Heizfilm bildende Dispersion besteht vorzugsweise aus einer wäßrigen Kunststoffdispersion, die durch Hinzumischen einer wäßrigen Rußdispersion auf die gewünschten Werte bezüglich einer Leitfähigkeit und der Verarbeitungseigenschaft eingestellt wird Eine fertige Folie mit dem auf der Rückseite aufgetragenen elektrisch leitfähigen Film ist flexibel und zeigt überraschend gutes elastisches Verhaiten.

Für den weiteren Aufbau eines Heizelementes werden darüber hinaus mindestens zwei Elektroden benötigt Die Elektroden haben die Aufgabe, eine zwischen den Elektroden, über die gesamte leitfähige Fläche gleichmäßigen Widerstandswert einzustellen. Wird eine elektrische Spannung an die Elektroden gelegt, so bildet sich, auf Grund des Filmwiderstandes, ein homogenes Spannungspotential zwischen den Elektroden. Die Elektroden können aus flexiblem Metallband oder z. B. aus kupferkaschierten Kunststoffolien gefertigt werden, solange die Elektroden nicht mechanisch beansprucht verden.

Für beheizbare Autositze, Heizkissen, Heizdecken u. dgl. 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 mechanischen Anforderungen müssen die Elektroden eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die etwa den metallischen Leitern entspricht. Es wurde gefunden, daß Elektroden mit elastischen und gut leitenden Eigenschaften, die wie nachfolgend beschrieben 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 Teilchendurchmesser von etwa 180 Mikron unter Rühren in eine 50%ige wäßrige Acrylharzdispersion. Es wird soviel Pulver zugegeben, daß die Mischung gerade noch streichfähig ist.

Da die relativ großen Metallpulverpartikeln neben den tangentialen Berührungspunkten größere Zwischenräume zeigen, wird in die vorhandene Mischung eine 25%ige wäßrige Rußdispersion eingerührt. Die Rußdispersion mit 25% gut leitendem Azetylenrußgehalt (23 Millikron-Teilchendurchmesser) füllt die vorher unausgefüllten Zwischenräume nach dem Abtrocknen der filmbildenden Trägerflüssigkeit vollständig mit Rußpartikeln aus. Dadurch wird der Korngrenzenwiderstand der Metallpartikeln erheblich entlastet. Es handelt sich hierbei um eine Parallelschaltung von Einzelwiderständen.

Diese sehr gut leitenden Filme haben je nach Schichtstärke einen Widerstand von etwa 0,1 Ohm/cm² und zeigen nach einer Trocknungszeit von etwa 1 Stunde bei Raumtemperatur ein gutes flexibles und elastisches Verhalten.

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-

webeschicht anschäumen läßt. Die Herstellung der verschiedenartigen Polyurethanschäume ist dem Fachmann bekannt.

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

Das Gewicht einer 1 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. Je nach Anwendungsgebiet werden die Heizelemente für die unterschiedlichsten 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 heizfilmbildende 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 und Acrylsäure, 100 Gewichts-Teilen mit Silber beschichtetem Kupferpulver und 100 Gewichts-Teilen einer 25%igen Acetylenrußdispersion.

Anschließend wird mit Hilfe einer Rahmenschablone (270 χ 370 mm) der eigentliche Heizfilm aufgetragen Zur Herstellung des Heizfilms wird eine wäßrige Dispersion von Polyisobutylen unter Rühren mit einer 25%igen wäßrigen Acetylenrußdispersion gut vermischt. Die gut streichfähige Mischung wird gleichmäßig auf das Gewebe aufgetragen. Die Elektroden werden von dem Heizfilm gut überdeckt. Anschließend wird der Film getrocknet. Ein Kontaktplättchen und ein Kerbkabelschuh wird mit Hilfe von Kunststoffnieten an jeder Elektrode befestigt, um den Spannungsanschluß zu ermöglichen (vergleiche F i g. 3).

Der gesamte Heizfilm kann gegebenenfalls mit einer elektrisch isolierenden Kunststoffdispersion versiegelt werden.

Die Bildung eines weichelastischen Polyurethanschaumstoffpolsters auf dem Heizfilm wird nun vorbereitet. Das Anschäumen des Polyurethanschaumstoffes erfolgt in bekannter Weise und braucht daher nicht näher beschrieben werden. Ein Formenrahmen, mit z. B. 40 mm Seitenhöhe, wird so auf die Heizfolie gelegt, daß die Innenseite des Formrahmens zu jeder Seite des Heizfilms einen Mindestabstand von 15 mm zeigt (vergleicht F i g. 4). Das den Schaumstoff bildende Reaktionsgemisch wird in den Formraum gegossen. Ein Formdeckel wird auf die Form gelegt und angepreßt, um ein Austreten des aufschäumenden Schaumstoffes zu vermeiden.

Nach 10 Minuten kann der Formrahmen entfernt werden. Das Heizelement zeigt auf der Rückseite das elastische Schaumstoffpolster (vergleiche F i g. 5). Die bei einer angelegten Spannung erzeugte Wärme wird nur von der kaschierten Oberfläche abgegeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. I« Patentansprüche:

   j."t)rahtloses flexibles Flächenheizelement bestefceiid aus einem mit Kumtstoff überzogenen Gewe- S be, 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 kaschiert ist, auf der nichtkaschierten Gewebeseite sich eine aus einer wäßrigen elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdisnersioa hergestellte Kunststoffschicht befindet und auf diese eine Schicht aus Polyurethanweichschaumstoff aufgeschäumt ist
2. 2. Flächenheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Partikelchen Edelmetalle, mit Edelmetall beschichtete andere Metalle oder Substanzen, oder Kohlenstoff, z. B. Ruße und Graphit, sind, wobei Ruß bevorzugt ist.
3. 3. Flächenheizelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dispergierte Kunststoff ein Polyisobutylen ist.