DE2303389C2 - Elektrisch leitende Filze mit guten mechanischen Eigenschaften - Google Patents

Elektrisch leitende Filze mit guten mechanischen Eigenschaften

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DE2303389C2 DE19732303389 DE2303389A DE2303389C2 DE 2303389 C2 DE2303389 C2 DE 2303389C2 DE 19732303389 DE19732303389 DE 19732303389 DE 2303389 A DE2303389 A DE 2303389A DE 2303389 C2 DE2303389 C2 DE 2303389C2
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft nicht-gewcbte. elektrisch leitende Filze auf der Basis von Kohlenstoff- und Synthetik-Fasern. die Temperaturen bis zu 1200C aushallen, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu 3,5—62% aus Synthetik-Faser/i auf der Basis von Polyamiden, zu 7.5—65% aus Kohlenstoff-Fasern, zu 33—8% aus einem an sich bekannten Bindemittel und zu 23—28% aus einem synthetischen Latex bestehen.
Die Anwendungsbereiche solcher Fälle sind sehr zahlreich: Beheizte Kleidungen und Verkleidungen. Heizkörper. Straßenbeheizung etc.
Sie betrifft insbesondere Filze auf der Basis von Mischungen aus Kohlenstoff- und Polyamid-Fasern mit guten mechanischen Eigenschaften, die eine veränderliche Menge von Wärme abgeben können, entsprechend dem Gebrauch, die man davon machentirill.
Es ist bekannt (französisches Patent 14 30 617). elektrisch leitende poröse Blätter herzustellen, die zu I —35%
des Gewichtes aus Kohlenstoff-Fasern und zu mindestens 50% aus isolierenden und unschmelzbaren Fasern bestehen, wie Zellulose und ihre Derivate, Asbest, Gemische aus Glas-Asbest, Zellulose-Asbest, Glas-Zellulose usw, mit einem sDezifischen Widerstand zwischen 0,036 und 60 Ohm pro Zentimeter. Aber diese Stoffe werden in Form dünner Blätter hergestellt, die nicht zur Anwendung im Tcxlilbereich geeignet sind.
Es ist ebenfalls bekannt^franzöi-sches Patent 14 62 564), kohlenstoffhaltige elektrisch leitende faserige Stoffe.
die mindestens 5% Kohlen&toif-Fasem und eventuell andere Fasern enthalten, wie Kieselerde, Glas, Metall,
Tonerde, Aluminium-Silikat oder F.. jor-Kohlenstoff, durch Erhitzung eines Stoffes aus regenerierter Zellulose
und Verkokung herzustellen. Aber die aus solchen Fasermischungen gewonnenen Stoffe können keine guten mechanischen Eigenschaften haben und sind immer sehr steif.
Schließlich ist es bekannt (französisches Patent 20 49687) Heizelemente herzustellen, wobei man von einem Vlies ausgeht, durch das Kohlefaden gezogen sind, die an zwei auseinanderlegenden Elektroden angeschlossen sind, wobei das Vlies mit einer tragenden Gewebeschicht, einer Oberflächenschicht aus verfilztcm Gewebe und mit einer Deckschicht, die über der tragenden Schicht liegt, verbunden ist.
Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß hier nur Tücher, die mit Kohlenstoff-Fasern aufgekämmt sind, verwendet werden können. Das Aufkämmen aber ist ein umständlicher Vorgang, und die mit Kohlenstoff-Fasern aufgekämmten Tücher sind sehr zerbrechlich und schwierig zu handhaben.
Weiterhin betrifft die DE-OS 20 54 896 eine flexible Heizeinheit, welche aus einem nicht gewebten Tuch in Papier- oder Filzform, das untereinander verbundene Kohlcnsloffascrn und vorzugsweise mehrere, mit einem synthetischen Harz imprägnierte Schichten und die Elektroden enthält, um diese gegen die Atmosphäre abzudichten. Ein derartiges zusammengesetztes Material, das durch eine Wärmebehandlung unter Druck zusammengefügt wird, ist jedoch kompliziert herzustellen und besitzt nicht gleichzeitig Biegsamkeit und Festigkeit.
Schließlich betrifft die DE-OS 20 57 017 ein Heizelement ausschließlich aus Kohlcfascrn zusammen mit einem Bindemittel, das durch einen isolierenden kautschukartigen Überzug geschützt ist. Jedoch besitzt ein solches, ausschließlich aus Kohlefasern bestehendes Material keine mechanische Festigkeit, welche zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten erlauben würde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, elektrisch leitende Filze zu schaffen, die mehr oder weniger ausgeprägte leitende Eigenschaften je nach den Mengenverhältnissen an Kohlenstoff- und Polyamidfasern und ausgezeichnete mechanische (Festigkeits-)Eigenschaften infolge des Gehalts an Polyamidfasern haben.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die wie oben beschriebenen erfindungsgcmnßcn. nicht gewebten elektrisch leitenden Filze haben folgende Eigenschaften:
Ihr elektrischer Widerstand (für eine quadratische Oberfläche) schwankt zwischen ungefähr 4 und 200 Ohm.
ihre Reißlänge beträgt mindestens 1190 m,
ihr Reißindex beträgt mindestens 10,4, und
sie halten gut der Doppel-Faltung stand.
b5 Die verwendeten Kohlenstoff-Fasern werden aus Gründen der Herstellungskosten vorzugsweise aus zellulose-haltigen Fasern hergestellt.
Unter »Polyamiden« versteht man die Verbindungen, die aus einer Aminosäure oder einem Lactam oder deren Derivaten, oder aus einer im wesentlichen äquimolekularen Menge von mindestens einem Diamin und mindestens einer Disäurc oder dercin Derivaten entstanden sind, gleichgültig ob diese Verbindungen aliphatisch oder aromatisch sind, z. B. aus Polycaprolactam, das Polyhexamethylcnadipamid, das Polybenzamid, die Polydicyclohexylmcthan-Phthalamide, die Polyphenylcnphlhalamiäe etc. Ebenfalls kann man Polyamide verwenden. die Imid-Ketten enthalten, d.h. die Verbindungen, die durch Reaktion in im wesentlichen stöchiometrischen Mengenverhältnissen von mindestens einem aromatischen Diisocyanat und einer Mischung aus mindestens einem armatischen Säureanhydrid und mindestens einer aromatischen, aliphatischen oder cyclo-aliphatischen Disäure, oder durch die Einwirkung von Diaminen und entsprechenden Säurechloriden, erhalten wurden.
Die Synthetikfasern aus Polyamidimiden oder aus aromatischen Polyamiden sind eine bevorzugte Gruppe. und damit hergestellte Filze können sogar Temperaturen bis zu 180" C aushalten.
Unter »Reiß-Längfi« versteht man die berechnete Grenzlänge, bei der ein Streifen Papier oder Karton, Von beliebiger, jedoch einheitlicher Länge, der auf einer Seite gehalten wird, unter seinem eigenen Gewicht reißt (N. F. 0 03-004, Mai 1S57). Diese Meßwerte werden für die Länge und Breite bestimmt.
Der »Reißindex« ist der Quotient aus Druck in g/cm2, geteilt durch Papier-Masse in Gramm pro Quadratmeter(N. F. Q 03-014. Juni 1961).
Die »Widerstandskraft gegenüber der doppelten Faltung« ist die Anzahl von Doppelfa'.tungen, der das Material unter konstanter Spannung (500 Gramm) standhält ohne zu brechen, wobei das Material 13cm ± 0,lmmbreitist(N.F.Q03-001).
Der »elektrische Widerstand« wird in bezug auf eine quadratische Oberfläche gemessen, aber er ist unabhängig von der wirklichen Oberfläche, d h. er ist für ! cm2 genau so groß wie für ! m2.
Die Filze gemäß der Erfindung werden im allgemeinen auf nassem Weg, wie bei der Papierherstellung gewonnen. Sie besteht darin, daß man ein Gemisch aus Kohlenstoff- und Kunst-Fasern, letztere aus den oben definierten Polyamiden hervorgegangen, in eine wäßrige Suspension bringt, wobei dieses Gemisch zu 5—80 Gew.-% aus Polyamid- oder Polyamid-Imid-Fasern, zu 10—85 Gew.-% aus Kohlenstoff-Fasern und zu 5—10 Gew.-% aus einem Bindemittel besteht, welches das Ganze gut binden soll. Das Bindemittel kann z. B. Polyvinylalkohol sein, es können jedoch auch andere bekannte Bindemittel verwendet werden. Man erhält ein Blatt, das auf übliche Art ausgepreßt und getrocknet wird, z. B. auf einem Trockenzylinder, der auf eine Temperatur bis zu ungefähr 120 oder 1300C erhitzt wird.
Dann gibt man dem Filz seine endgültigen Eigenschaften, indem man ihn mit einem Latex imprägniert, z. B. mit einem Harz des Typs ABS (Acrylnitril-Buladien-Styrol), und man trocknet das erhaltene Produkt auf übliche Art.
Der gewonnene Filz ist außergewöhnlich haltbar und gleichzeitig sehr flexibel, was bei weiteren Behandlungen und verschiedenen Anwendungen von großem Wert ist. Er besitzt ebenfalls alle Vorteile des Gewebes, d. h. er kann geklebt, gefaltet und geschichtet werden, ohne deshalb seine elektrische Leitfähigkeit und mechanische Qualität zu verlieren.
In gewissen Grenzen und entsprechend dem Artikel, den man herstellen will, kann man die elektrischen Eigenschaften des Filzes durch Nadelung oder Perforation verändern. Durch die Nadelung eines >-spunbonded«-Arlikels zum Beispiel auf einen solchen nicht-gcwebtcn Filz kann man außer der Veränderung der elektrischen Eigenschaften eine wirksame Isolierung einer der Seiten erzielen. Wie weit diese Isolation geht, hängt natürlich von der Art der Fasern ab, aus denen der »spur.bonded« besteht
Unter »spunbonded« versteht man ein niehl gewebtes Vlies, das aus verfilzten Endlos-Fasern besteht, die direkt durch Spinnen hergestellt werden.
Wenn man zwei Leiter mit Haken auf dem Filz anbringt und an die Klemmen eine Spannung anlegt, gibt der Filz Wärme ab, die sehr stark variiert werden kann, je nach Zusammensetzung. Abmessungen, Form und Gewicht des Filzes. Mil ihm kar>n man sehr wirtschaftlich heizende Widerstände erhalten, da die Wärme gleichmäßig verteilt wird.
Der so hergestellte Fi!/ isi von besonderem Interesse, wenn man die Temperatur nicht über etwa 8O0C steigen läßt. Es ist besonders günstig, gewöhnliche und leicht verarbeitbare Kunststoffe, wie z. B. Bakelit, für jede Vorrichtung, die in Kontakt mit dem nicht gewebten Material steht, zu verwenden. Die Lebensdauer des Filzes kann hier sehr groß sein. Das gilt ganz besonders für Verwendungsberciche wie z. B. bei Heizkörpern.
Der Heizwiderstand kann auch vollkommen isoliert werden, z. B. mit Gummifolien oder durch einen Überzug aus Stoffen wie Silikonen, wobei die gleiche Wärmemenge aufgestrahlt wird. Er kann auch mit Bitumen angestrichen oder in Bitumen eingelegt werden, im Hinblick auf Straßenbeheizungen zum Beispiel, um Eisbildung zu vermeiden und gegebenenfalls zum Auftauen von Straßen.
Außerdem kann man durch Veränderung des Abstandes der Leiter Artikel erhalten, deren Oberflächentemperatur je nach Entfernung der beiden Leiter variiert. Diese Variationen sind nach Wunsch regulierbar. Ein solches Material kann z. B. im Bereich der wärmenden Verkleidungen oder der Kleidung angewandt werden.
Die Anwendungsbereiche der oben beschriebenen Filze sind von sehr verschiedener Art: Heiz-Kleidung. Hciz-Sitze, alle heizenden oder vorheizenden Apparate in der Industrie oder im Haus, wie das Vorwärmen von ω Dieselmotoren oder Tanks im Straßen- oder Eisenbahn-Transport, Enteisung von Flugzeugtragflächen, Straßenbeheizung, Boden- oder Maucrnverklcidung usw.
Die so hergestellten Filze können mil anderen Textilien verbunden werden, z. B. durch dem Fachmann wohlbekannte Mittel wie Nadelung, Kleben etc.
Die folgenden Beispiele, in denen sich die einzelnen Anteile auf das Gewicht beziehen, erläutern die Erfindung, hs Beispiel I
Man stellt Filze A, B, C. D von verschiedenem Gewicht auf nassem Wege her, die 85% Kohlenstoff-Fasern, entstanden aus Zcllulosc-Fasern. 5% Polyhexamcthylenadipiimiil-Ri.scrn und 10% Polyvinylalkohol enthalten. Der Filz wird anschließend mit 35% Latex — bezogen auf den Filz — imprägniert, wobei die Latex aus einem ABS-Har/. besteht. Die Eigenschaften der Filze A, B, C, D sind in der folgenden Tabelle aufgezeigt.
Filze Gewicht Widerstand Reißlänge in m der Reißindex Faltwidcrstiind
g/m2 im Quadrat Längc/Brcile nach Doppcl-Fallung
in Ohm
A 67 7,2 1790/2090 10.4 6
B 81 b.l 1480/1970 11.1 9
C 122 5 1800/- 11.4 12
D 135 5,3 1630/1920 12.6 10
Die erhaltenen Artikel haben einen sehr schwachen Widerstand im Quadrat und können deshalb beträchtliche Leistungen in der Größenordnung von 8(K)O Watt oder sogar mehr abgeben.
Beispiel 2
Man stellt auf nassem Weg, wie in Beispiel !,die Filze E, F. Ci. H her.die 80% Kohlenstoff-, 10% Polyhcxamethylenadipamid-Fasern und 10% Polyvinylalkohol enthalten. Der Filz wird mit 35% — bezogen auf das Filzgewicht — ABS-Harz imprägniert. Die Eigenschaften der gewonnenen Produkte sind in der folgenden Tabelle aufgezeigt.
lilze Gewicht Widerstand Reißlänge in m der Reißindex Fallwidcrsland
30 pm1 iniQuadral IJinge/llreiic nach Doppcl- Faltung
in Ohm
E 81 7,9 2220/2960 123 22
F 95 6.0 2730/3150 12.6 33
J5 G 108 4.5 2960/3140 123 35
H 135 4.3 2660/3260 12.9 53
Beispiel 3
Man stellt auf nassem Weg die Filze 1.1. K. L her. die 70% Kohlenstoff-, 20% Polyhcxamcthylenadipamid-Fasern und 10% Polyvinylalkohol enthalten. Dann wird der Filz, wie vorher, mit einem ABS-Harz imprägniert. Die gewonnenen Stoffe haben folgende Eigenschaften:
Filze Gewicht Widerstand Reißlänge in linier RciUindcx Faltwidersland
g/m-' im Quadrat I ^Inge/Breite nach Doppcl-Faltung
in Ohm
I 67 112 2090/3280 19.4 620
J 95 8,5 1890/2940 16,8 425
K 108 6.6 2400/3150 16,6 420
L 148 4.4 2700/2830 14.8 179
Beispiel 4
Man stellt auf nassem Wege die Filze M, N. O, P her. die 50% Kohlenstoff-Fasern.40% Polyhexamcthylcnadipamid-Fasern und 10% Polyvinylalkohol enthalten. Dann wird der Filz wie vorher imprägniert. Die gewonnenen Stoffe haben folgende Eigenschaften:
Filze Gewicht Widerstand Reißlänge in m der Reißindex Faltwiderstand
g/m2 im Quadrat Länge/Breite nach Doppel-Faltung
in Ohm
M 67 15.0 2380/2980 40.2 12 320
N 95 11.1 2100/2520 41.0 7 430
O 122 9,2 2290/2950 313 7 120
P 162 7.4 2090/2470 30.8 4 100
Beispiel 5
Man stellt wie vorher die Filze Q, R, S. T her, die 30% Kohlenstoff-Fasern, 60% Polyhcxaincthylenadipamid-Fascrn und 10% Polyvinylalkohol enthalten und die man mit 35% — bezogen auf das Filzgewicht — AEJS-Harz imprägniert. Die gewonnenen Filze haben folgende Eigenschaften; ·>
f-i'.c Gewichl Widerstand UciUlangc in ni der Reißindex Faltwidersiand
g/m' im Quadrat
in Ohm		 Lange/Breite naeh Doppel-Faltung
0 81 57.0 2700/4200 71,6 77 790
R 108 21.3 2220/2590 52,7 77 790
S 122 20,2 2460/2950 57.3 77 790
T 148 19.8 2430/2700 58.1 77 790
Beispiel 6
Die Fil/.c V. W. X, Y werden wie vorher hcrgcsicüs. Sie enthalten !0% Kohlenstoff-. 80% Pnlyhcxamcthylenadipamid-Fasern und 10% Polyvinylalkohol. Sie werden mit 35% — in bezug auf das Filzgewicht — ABS-Harz 20 imprägniert.Sie haben folgende Eigenschaften:
Filze Gewichl Widerstund Reißlänge in ni der ReiBindcx Faltwidcrstand
g/m1 im Quadrat Lange/Breite nach Doppel-Faltung
in Ohm
V 108 215 3330/4070 81.4 277 710
W 122 182 3280/3770 68.0 277 710
X 148 218 4050/5000 75.6 277 710
V 175 220 3660/4110 74.7 277 710
Beispiel 7
Man stellt auf nassem Wege wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben einen Filz her, der 50% Kohlenstoff-Fasern. 40% Fasern aus einem Copolyamid-Imid.das aus 4,4'-Diisocyanatodiphcnylmethan. Trimellithsäureanhydrid und Terephthalsäure erhalten wurde, und 10% Polyvinylalkohol enthält und mit 35% — bezogen aufdas Filzgewicht — ABS-Har/ imprägniert wird. Der erhaltene Filz hat folgende Eigenschaften:
Gewicht prom- 103 g
Reißlänge
der Länge nach
Ausdehnung (in der l.angc)		 3100
4.5
Reißlänge
der Breite nach
Ausdehnung (in der Breite)		 2340
4,1
Reißindex 22.4
Widerstand gegen begonnenes Reißen in kg
der Länge nach
der Breite nach		 0.51
0,46
55 Widerstand, gemessen in einem Quadrat in Ohm 10.5 a
im obigen Versuch wird der Widerstand gegen begonnenes Reißen auf einem Versuchsstoff von trapezartiger Form von der amerikanischen Norm ASTM D 2263 abgeleitet.
Dieser Filz hat zusätzlich den Vorteil, thermostabil zu sein. eo
Beispiel 8
Man stellt in der gleichen Weise wie in den vorhergehenden Beispielen einen Filz her. der zu 72,5% aus Kohlenstoff-Fasern, tv 17,5% aus Fasern auf der Basis von Hexamethylenadipamid, zu !0% aus Polyvinylalko- 55 hol und zu 35% — in bezug auf den Grund-Filz — aus ABS-Har/. besteht, mit einem Gewicht von 90 g/m2.
Zum Vergleich stellt man einen FiI/ mit einem Gewicht von 90 g/m2 entsprechend Beispiel 4 der FR-PS 14 30 617 her. Der Filz besteht aus:
Kohlenstoff- Fasern Glasfasern Phenol-Han Asbest
13%
12%
24%
51%
Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche sind in der untenstehenden Tabelle aufgeführt.
Gewicht in g/m2 Widerstand im Quadrat in Ohm Reißlänge in Breitenrichtung Verlängerung in Brcitcr.ri 20 Reißlänge in Längsrichtung Verlängerung in Längsrichtung Reißindex
chtung
Beispiel des
französischen
Patents 14 JOhl7		 FiI/ gcmäu der
vorliegenden
Erfindung
90
46
810m		 90
too
3780
V1UTO
516 m
1,1%
5,6		 3000
21%
71
0,140
0,115
0.57%		 0.8
1
8%
Weiterreißfestigkeit in Längsrichtung in Breitenrichtung Luftdurchiässigkeit
Die Luftdurchlässigkeit wird auf einem Schmerber-Apparat gemessen, mit dem man den Prozentsatz von Hohlraum auf einer Papier-Oberfläche bestimmen kann. Jc poröser ein Papier ist, desto leichter kann es imprägniert werden.
Die obigen Versuche zeigen die guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften, die die Filze besitzen. Beispiel 4
Man baut einen Heizkörper mit Zwangsluftführung, der drei Widerstände aus nicht gewebtem Stoff enthält, die man aus Filzen V des Beispiels 6 gewinnt, welche die Abmessungen !0 cm χ 50 cm besitzen und von denen jeder eine Leistung von 80 Watt bei 220 Volt hat. leder von ihnen ist um einen Motor gewickelt und durch Bakelit-Teile getrennt.
In F i g. 1 ist ein schematischer Längsschnitt des Apparates dargestellt, der eine durchbrochene Abdeckung I. die kalte Luft durchläßt, zeigt, ferner einen Ventilator 2, der von einem kleinen Interrupt-Motor 3 vom Ty; 40 L — 40 W angetrieben wire and eine durchbrochene Platte 4. die den Apparat schützt. Die drei Widerslände 5 sind spiralförmig aufgerollt und durch gewellte Bakelit-Teile 6 getrennt, die die warme Luft rasch durchströmen lassen. Der Apparat wird durch drei Gewindestäbe 7 und Muttern zusammengehalten.
Fig.2 zeigt eine Teilansicht von oben, ohne die durchbrochene Abdeckung. Man sieht den Ventilator 2. angetrieben von dem Motor 3, die drei spiralförmig aufgerollten Widerstände 5. die durch die wellenförmigen Bakelit-Teile 6 getrennt werden.
Wird an den Apparat eine Spannung von 220 Voll angelegt, dann hat er eine Leistung von 240 Watt. Er ist sehr leicht und gut zu handhaben, da er außer den Widerständen zum größten Teil aus Kunststoff besteht.
Der Apparat ist leicht zerlegbar, um eventuell die Widerstände auswechseln zu können. Die Maximal-Temperatur beträgt 800C.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Nichtgewebte, elektrisch leitende Filze auf der Basis von Kohlenstoff- und Synthetikfasern, die Temperaturen bis zu 1200C aushalten, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu 3.5 bis 62% aus Synthelikfasern auf der Basis von Polyamiden, zu 73 bis 65% aus Kohlenstofffasern, zu 3,5 bis 8% aus sinem an sich bekannten Bindemittel und zu 23 bis 28% aus einem synthetischen Latex bestehen.
2. Nichtgewebte, elektrisch leitende Filze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synthetikfasern aus Polyamidimiden oder aus aromatischen Polyamiden stammen und daß sie Temperaturen bis zu 180° C standhalten.
3. Nichtgewebte Filze gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der synthetische
Latex ein ABS-Harz (Acrylnitril-Butadien-Styrol) ist
4. Verwendung der nichtgewebtcn, elektrisch leitenden Filze nach den vorhergehenden Ansprüchen für Heizzwecke und Heizvorrichtungen.
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