DE2306250A1

DE2306250A1 - Verfahren zur herstellung eines elektrischen heizelements

Info

Publication number: DE2306250A1
Application number: DE19732306250
Authority: DE
Inventors: Naojiro Ishi
Original assignee: Donetsu Kogyo K K
Current assignee: Donetsu Kogyo K K
Priority date: 1973-02-08
Filing date: 1973-02-08
Publication date: 1974-08-15

Description

" Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelements " Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement mit hoher thermischer Stabilität und ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften.
Zur Herstellung von Heizelementen, wie Heizplatten, die auf ihrer Oberfläche einen elektrisch heizbaren Überzug aufweisen, hat man bereits Beschichtungsmassen, z.B. ein Zinntetrachlorid enthalt tendes Lösungsgemisch, auf die Oberfläche einer Platte aus wärmebeständigem Glas aufgebracht und anschließend auf hohe Temperaturen erhitzt, wobei sich ein Zinnoxidiiberzug &is Heizfilm auf der Glasoberfläche ausbildet. rja bei diesem Verfahren die Beschichtung durch Aufspritzen erfolgt und der Uberzug anschließend erhitzt werden muß, sind komplizierte Verfahrens stufen und überdies hohe Temperaturen von obernalb 6000C erforderlich.
Außerdem können Heizelemente mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften nur dann hergestellt werden, wenn sehr teure feuerfeste Werkstoffe verwendet werden. Ein weiterer Nachteil ist die glasige Oberfläche.
Bei einem anderen bekannten Verfahren wird ein elektrisch leitender Film aus einem durch Pfropfcopolymerisation von Kohlenstoff und einem halbleitenden Harz hergestellt. Dieses Produkt hat den Nachteil, daß die thermische Stabilität des Films nur in der Größenordnung von 15OOC liegt und das Produkt keine besonders guten elektrischen Eigenschaften besitzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von elektrischen Heizelementen zu schaffen, die auf ihrer Oberfläche einen elektrisch heizbaren Uberzug aufweisen, und die eine hohe thermische Stabilität und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften besitzen. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelements, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Oberfläche eines wärmebeständigen, elektrisch nicht leitenden Trägers mit einem Gemisch aus einem Siliconharz, Graphitpulver und einem organischen Lösungsmittel beschichtet und den beschichteten Träger erhitzt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man Heizelemente mit hoher thermischer Stabilität und ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften, z.B. genügender Leitfähigkeit und stabilem Widerstand. Der Ausdruck "thermische Stabilität"bezeichnet die Eigenschaft eines Heizelements, Temperaturen in der Größenordnung bis zu etwa 450°C zu widerstehen. In dem erfindungsgem->ß hergestellten Heizelement treten also bei diesen hohen Temperaturen keine Spannungen, Risse und andere Schäden auf. Somit bedeutet thermische Stabilität auch ausgezeichnete mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen. Der Ausdruck "elektrische Eigenschaften" bedeutet, daß die elektrische Leitfähigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Heizelementes ausreichend und stabil gehalten werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Träger mit einem Gemisch aus dem Siliconharz, dem Graphitpulver, organischem Lösungsmittel sowie einem elektrisch isolierenden pulverförmigen Material beschichtet. Als elektrisch isolierendes pulverförmiges material wird vorzugsweise Siliciumdioxid, Glimmer, Na. gnesiumoxid oder deren Gemisch verwendet.
In der Praxis wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise folgendermaßen durchgeführt: 100 Gewichtsteile eines Siliconharzes (beispielsweise ein 30prozentiges Siliconlackharz "SR116", hergestellt von der Toshiba Siliconc Co., Ltd., Japan, das zur Hauptsache aus PolyZ alkyl- oder Polyarylsiloxanen besteht), und 80 bis 250 Gewichtsteile Graphitpulver werden miteinander vermischt urd hierauf mit der entsprechenden Menge eines organischen Lösungsmittels versetzt, so daß ein fließfähiges Gemisch entsteht. As organisches Lösungsmittel wird eine VerbIndung verivendet, die das Organopolysiloxan löst. Beispiele für diese Lösungsmittel siud Benzol, Toluol, Xylol, Erdölkohlemvttasserstoff-Lösungsmittel, wie Stoddart-Lösungsmittel und Kerosin, und Ketone, wie Methyläthylketon (MEK) und Methylisobutylketon (MIBK).
Das erhaltene fließfähige Gemisch wird in bestimmter Dicke auf die Oberflache eines wärmebeständigen, elektrisch nicht leitenden Trägers entsprechender Form, z.B. in Form einer Platte oder einesRohrs und aus einem Werkstoff, wie wärmebeständigem Glas, Asbestplatten oder einem wärmebes-tändigen, faserverstärkten Kunststoff, aufgetragen. Danach wird der Anstrichfilm getrocknet und hierauf während 60 bis 300 Minuten auf Temperaturen von 250 bis 4500C erhitzt. Das erhaltene Heizelement ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch heizbare Anstrich bzw. Überzug auf dem Träger fest haftet. Das Heizelement zeichnet sich durch hohe thermische Stabilität und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aus. Ein anderes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die elektrische Leitfähigkeit, d.h. der elektrische Widerstand des ueberzugs, durch Zusatz eines elektrisch isolierenden pulverförmigen Materials in geeigneter Menge zu dem Gemisch aus dem Siliconharz, Graphitpulver und dem organischen Lösungsmittel beliebig eingestellt werden kann. Als elektrisch isolierende, pulverförmige Materialien können z.B. die vorgenannten Stoffe verwendet werden, wie Siliciumdioxid, Glimmer oder Magnesiumoxid oder deren Gemische.
Zur Modifizierung der reologischen Eigenschaften der Beschichtungsmasse kann eine geeignete Verbindung zugesetzt werden, um ihre Fließfähigkeit auf den gewünschten Wert einzustellen.
Ein Beispiel für ein derartiges Mittel ist "Benton" ? das von der National Read Chemical Co., USt.,hergestel]t wird, und dessen Hauptbestandteil ein chemisch behandelter Bentonit ist.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1 Für die Proben 1 bis 5 werden Beschichtungsmassen aus einem Organopolysiloxan (30prozentiges Siliconlackharz SR116), Stoddart-Lösungsmittel, Graphitpulver, Siliciumdioxidpulver, Glimmerpulver und Benton in den in Tabelle I angegebenen Mengen hergestellt. Teile beziehen sich auf das Gewicht.

Tabelle I

I

s < robe Nr. 1 2 3 4 5

Bestandteile

Siliconlackharz SR116, 300 300 300 300 300

Harzgehalt etwa 30 Prozent

Stoddart-Lösungsmittel 30 30 30 30 30

(natUrlicher A Graphit) 150

(natürlicher A 150 - - -

Graphitpulver B

(synthetischer Graphit) 1

Siliciumdioxidpulver | - 20 32 40 20

m . 1 - - - -

Glimmerpulver ~ ~ 12 1

beton | 1,5 1,5 1,5 1,5

Die erhaltenen Proben werden auf eine Seite einer 5 bis 5 mm dicken Asbestplatte mit den Abmessungen 550 x 380 mm in solcher Stärke aufgetragen, daß der Überzug in trockenem und erhitztem Zustand 0,2 mm dick ist. Die Asbestplatte wird danach an der Luft getrocknet und hierauf 180 Minuten in einem Ofen auf 350 0C erhitzt. In Tabelle II sind die Eigenschaften der Heizelerezente zusammengestellt.

Tabelle II

Heizelement Nr. 1 2 3 4 5

Laderichtung longitudinal

Stromleistungs- 1900 1100 3600 1860 1200

faktor (V . A) Watt (200 (200 (200 (200 (200

x9,5) x5,5) x18) x9,3) x6,0>

Oberflächentemperatur, °C

280 200 360 270 220

(beide Oberflächen of-

fen, horizontal)

Oberflächentemperatur,

°C - 260 - - 280

(obere Oberfläche of-

fen, horizontal)

Jedes Heizelement wird in der Längsrichtung mit dem in Tabelle II angegebenen Stromleistungsfaktor (Watt = Volt x Ampere) in der Längsrichtung beaufschlagt. Die hierdurch erhaltene Temperatur ist in Tabelle II angegeben. Bei keinem der Heizelemente der Proben 1 bis 5 treten irgendwelche schäden auf, z.B. Spannungen oder Risse. Außerdem sind praktisch keine Schwankungen in der Oberflächentemperatur festzustellen. Somit sind die elektrischen Eigenschaften dieser Heizelemente ausgezeichnet.

Der Heizüberzug ist mit der Asbestplatte fest verbunden und kann nicht abgelöst werden. Aus Tabelle II ist ersichtlich, daß die Oberflächentemperatur der Heizelemente 2 bis 5 vom Gehalt an Oiliciumdioxid und Glimmer in den Proben 2 bis 5 abhängt. Durch Steuerung des Gehalts an diesen elektrisch isolierenden Stoffen kann somit der elektrische Widerstand der Yeizelemente auf jeaen gewünschten Wert eingestellt werden.
Die Heizelemente 1 bis 5 geben Strahlungswärme entsprechend der Oberflächentemperatur ihrer Heizüberzüge ab. Die thermische Strahlung bei Temperaturen von 180 bis 2200C von den Heizelementen 2 bis 5 ist reich an strahlender Wellenlänge von 4 bis 9 Mikron. Diese Strahlung liefert angenehme Wärme für den menschlichen Körper. Eine thermische Strahlung bei einer Temperatur von 220 bis 3600C enthält Ultrarotstrahlung der Wellenlänge von 3 bis 6 Mikron, die besonders geeignet ist für technische Vorrichtungen zum Trocknen.
Beispiel 2 Das in- Tabelle I angegeb-ene fließfähige Gemisch der Probe Nr. -1-wird auf die Oberfläche verschiedener Asbestplatten aufgetragen und in gleicher Weise wie in Beispiel 1 getrocknet. Sodann werden die Asbestplatten 180 Minuten in einem Ofen auf Temperaturen von 100, 200, 250, 300, 350, 400, 450 und 5000C erhitzt. Man erhält die Heizelemente A bis H. Die Eigenschaften dieser Heizelemente sind in Tabelle III zusammengestellt.

Tabelle III

Heizelement Erhitzungs- elektrischer Schäden

temperatur, °C Widerstand,

#/cm²

A 100 179 keine

B 200 152 keine

C 250 55 - 62 keine

D 300 41,5 - 48 keine

E 350 28 - 34,5 keine

F 400 17 - 21 keine

G 450 17 - 21 keine

H 500 17 - 21 Träger zeigt

Rissbildung

Aus der Tabelle ist ersichtlich, üaß die Proben A und B eine instabile elektrische Leitfähigkeit aufweisen, während die Proben C bis H eine stabile elektrische Leitfähigkeit besitzen.

Bei den Proben A bis G treten beim Erhitzen keine Schäden auf, das Erhitzen über 450°C verursacht im Trägermaterial Risse. Aus Tabelle III ist ersichtlich, daß die bevorzugte Erhitzungstemperatur im Bereich von 250 bis 4500C liegt,

Claims

Patentanspruche 1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizelements, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man die Oberfläche eines wärmebeständigen elektrisch nicht leitenden Trägers mit einem Gemisch aus einem Organopolysiloxan (Sili onharz), Graphitpulver und einem organischen Lösungsmittel beschichtet und den beschichteten Träger erhitzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein organisches Lösungsmittel verwendet, das das Organopolysiloxan löst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mn als organisches Lösungsmittel ein F.rdölkohlenwasserstoff-Lösungsmittel verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ran als organisches Lösungsmittel, Benzol, Toluol1 Xylol oder ei Keton verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Beschichtung vor dem Erhitzen trocknet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß men den beschichteten Träger auf Temperaturen von 250 bis 45OOC erhitzt.
7. Verfahren nach !inspruch 15 dadurch gelecnnzeichnet, daß man einen Träger aus Asbest verwendet.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Träger aus wärmebeständigem Glas, keramischem Naterial, wärmebeständigem faserverstärktem Kunststoff oder aus einer Kombination dieser Werkstoffe verwendet.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch aus 100 Gewichtsteilen Organopolysiloxan, p0 bis 250 Gewichtsteilen Graphitpulver und einer ausreichenden Menge des organischen Lösungsmittels verwendet.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Träger mit einem Gemisch aus dem Siliconharz, Graphitpulver, organischem Lösungsmittel sowie einem chemisch isolierenden pulverförmigem Material beschichtet.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch aus 100 Gewichtsteilen Organopolysiloxan, 80 bis 250 Gewichtsteilen Graphitpulver, einer ausreichenden Menge des organischen Lösungsmittels sowie des elektrisch isolierenden pulverförmigen Materials verwendet.
12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß man als elektrisch isolierendes pulverförmiges Material Siliciumdioxid, Glimmer, Magnesiumoxid oder deren Gemisch verwendet.