DE2436726B2

DE2436726B2 - Verfahren zur Kontaktierung von folienhaften drahtlosen elektrischen Widerstandselementen für hohe Leistungsdichten

Info

Publication number: DE2436726B2
Application number: DE2436726A
Authority: DE
Inventors: Hilmar 8000 Muenchen Daxer; Helmut Erwin 8131 Traubing Guenther; Johann Dipl.-Chem. Dr. 8000 Muenchen Kohl; Heinz 8031 Gilching Rockinger; Dietrich Dr. Untereching Wolfer (Oesterreich)
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 1974-07-30
Filing date: 1974-07-30
Publication date: 1978-11-02
Also published as: FR2280958B1; FR2280958A1; JPS5138139A; NO752666L; SE7508502L; AT341050B; CH597682A5; BE831848A; GB1516874A; ATA582075A; SE399780B; DE2436726A1; JPS5531596B2; DE2436726C3

Description

Drahtlose großflächige Widerstandsmaterialien für den Einsatz bis ca. 500 Watt pro qm Flächenleistung werden üblicherweise durch Aufnähen von metallischen Bändern (DE-OS 21 11 277), wie z. B. Kupferbändern, auf das drahtlose Widerstandsmaterial kontaktiert. Dieses Verfahren ist bei einer größeren Leistungsdichte als der angegebenen nicht mehr praktikabel, da sich wegen der hohen Stromdichte zwischen Leiterbahn und Widerstandsmaterial Mikrofunken ausbilden, die zur Zerstörung des drahtlosen Widerstandsmaterials bei Dauerbetrieb führen. Weiterhin ist bekannt, daß man auch mit leitfähig gemachten Klebern (DE-OS 16 15 257, Seite 23) die metallische Stromzuführung auf dem Widerstandsmaterial ankleben kann. Hierzu benützt man z. B. acrylathaltige Haftkleber (US-PS 35 95 720) oder vulkanisierbare Kleber (OE-PS 2 14 025 und DE-OS 21 11 277), denen beispielsweise Kupferspäne zugesetzt sind. Auch Bindemittel verschiedener Zusammensetzung mit Silberpulver und Kohlenstoffpulver als Leitpigmente sind bekannt (FR-PS 9 81 643).

Diese Methoden sind aber nicht universell anwendbar, da z. B. die acrylathaltigen Haftkleber auf drahtlosem Widerstandsmaterial aus Silicon und Fluor- so kohlenwasserstoffen nicht haften. Außerdem bleiben diese Kleber nur bis zu einer Temperatur von ca. 100⁰C funktionsfähig, was in der Praxis zur Ablösung der Metallstreifen bei Temperaturen über 100⁰C führt. Drahtlose großflächige Widerstandsmaterialien mit Leistungsdichten über 500 Watt werden aber oft bei Temperaturen bis 200⁰C eingesetzt.

Mit Silberpigmenten gefüllte Kleber, die temperaturbeständiger sein können, sind unter Kupferbändern als Leiterstreifen oder auch unter Aluminiumbändern als w> Leiterstreifen für den Dauereinsatz nicht geeignet, da sie zu Korrosionserscheinungen an den Grenzflächen Anlaß geben.

Aufgabe war es daher, ein Kontaktierungsverfahren zu finden, das die oben beschreibenen Nachteile nicht ir> hat.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kontaktierung von folienhaften drahtlosen elektrischen Widerstandselementen für hohe Leistungsdichten durch Aufkleber metallischer Leiterstreifen mittels eines heiß vulkanisierenden Klebemittels und anschließender Ausvulkanisierung. Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren der genannten Art dadurch, daß erfindungsgemäß als heiß aufvulkanisierendes Klebemittel ein heiß vulkanisierender Silikonkleber verwendet wird, und nach dem Ausvulkanisieren der metallische Leiterstreifen durch mechanisches Recken bei Raumtemperatur auf die Länge gestreckt wird, die er bei der Vulkanisationstemperatur hatte.

Unter drahtlosen ohmschen Widerstandselementen für hohe Leistungsdichten werden erfindungsgemäß solche verstanden, die eine Leistungsaufnahme von mehr als 500 Watt pro qm haben. Es sind Anwendungen bekannt, bei denen drahtlose ohmsche Widerstandsmaterialien mit Leistungsdichten bis 20 000 Watt pro qm eingesetzt werden.

Als heiß aufvulkanisierende Klebemittel, die mit Kohlenstoffpulver, meistenteils Ruß, leitfähig gemacht sind, kommen insbesondere Silikonkleber, wie sie beispielsweise in der DE-OS 23 07 776 beschrieben sind, in Frage. Ein Beispiel für ein solches Klebemittel ist die folgende Mischung:

78 g einer Mischung aus 100 Teilen eines als endständige Einheiten Dimethylvinylsiloxygruppen aufweisenden Diorganopolysiloxans aus 99,8 Mol—% Dimethylsiloxan-Einheiten und 0,2 Mol—% Vinylmethylsiloxan-Einheiten mit einer Viskosität von 1 ■ 10³ Pa s bei 25°C, 13 Teilen Dimethylpolysiloxanen mit 7 Gew.—% an Si-gebundene Hydroxylgruppen und 40 Teilen pyrogen in der Gasphase erzeugtem Siliciumdioxid werden mit 702 g Perchloräthylen vermischt. Die so erhaltene 10 Gew.— %ige Dispersion wird in einem mit 2800 Umdrehungen je Minute betriebenen mechanischen Hochfrequenzgerät 15 Minuten mit 22 g eines Acetylenrußes mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von kleiner als 50 nm und einer Oberfläche nach BET von größer als 70 m²/g vermischt und nach 4 Tagen Lagerung mit !475 g Perchloräthylen verdünnt. Dabei sind keine Absetzungserscheinungen zu beobachten. Durch Zusatz von 0,1%, bezogen auf ihr Gewicht, von einem Mischpolymerisat aus 98 Mol.% Methylhydrogensiloxan und 2 Mol.% Trimethylsiloxan-Einheiten mit einer Viskosität von etwa 3 · 10-² Pa s bei 25°C und 0,05%, bezogen auf ihr Gewicht, von einer l%igen Lösung von Platin (IV)-chlorosäure in Cyclohexanon, kann diese Dispersion bei 300° C zu einem elastischen Film mit guter Haftung auf Metall ausgehärtet werden. Dieser elastische Film hat einen spezifischen Widerstand von 5 Ohm · cm.

Im allgemeinen werden die metallischen Leiterstreifen bei Temperaturen zwischen 100 und 300⁰C auf das drahtlose Widerstandsmaterial aufvulkanisiert. Dabei tritt folgendes Problem auf: Der metallische Leiterstreifen hat einen wesentlich größeren Ausdehnungskoeffizienten als das drahtlose Widerstandsmaterial. Der faltenfrei auf das drahtlose Widerstandsmaterial aufvulkanisierte Metallstreifen zieht sich nach der Vulkanisation bei Raumtemperatur wieder auf seine ursprüngliche Länge zusammen, die geringer ist als die des Widerstandsmaterials und verursacht dadurch Falten des drahtlosen Widerstandselements.

Bei Widerstandselementen mit hohen Leistungsdichten muß für eine gute Wärmeabführung gesorgt werden, da sich sonst die Heizelemente örtlich auf Temperaturen erhitzen, die über der Zersetzungstemperatur des

drahtlosen Widerstandsmaterials liegen. Dadurch würde der Heizleiter zerstört.

Durch das nachträgliche mechanische Recken bei Raumtemperatur auf die Länge, die der Metallstreifen bei der Vulkanisationstemperatur hatte, lassen sich die Falten in den Heizelementen beseitigen und dadurch ein einwandfreier Wärmeübergang zwischen drahtlosem Widerstandsmaterial und wärmeabführender Fläche erreichen. Als Maß für die notwendige Reckung des Metallstreifens kann bei Raumtemperatur z. B. die völlige Faltenfreiheit des kontaktierten Widerstandselementes gelten. Unter Raumtemperatur wird in diesem Zusammenhang der Temperaturbereich 10 bis 4O⁰C verstanden.

Drahtlose elektrische Widerstandselemente können z. B. bestehen aus einer Kunststoff-Folie, die mit Ruß beschichtet ist, aus einem Trägergewebe, wie z. B. Glasgewebe oder Glasvlies, oder Kunststoffvlies als Trägermaterial und einer leitfähigen Schicht aus einer Mischung aus Kohlenstoffpulver und verschiedenen Kunststoffen, wie z. B. SiJiconen, FJuorkohlenwasserstoffen, Vinylacetatpolymeren und -copolymeren, gesättigten und ungesättigten Polyestern. Vorzugsweise werden Mischungen aus Kohlenstoffpulver und Siliconmassen eingesetzt.

Als metallische Leiterstreifen werden bevorzugte Kupfer- oder Aluminiumstreifen verwendet, oder geflochtene Kupfer- oder Aluminiumlitzen. Technisch ist auch Silber hervorragend geeignet.

Das Klebemittel wird vorzugsweise auf den Metallstreifen mittels eines Lösungsmittels aufgebracht und das Lösungsmittel so entfernt, daß die Vulkanisationstemperatur des Klebemittels nicht erreicht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die metallischen Leiterstreifen um zwei gegenüberliegende Ränder des Widerstandsmaterials gefalzt aufgeklebt. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die metallischen Leiterstreifen so um die gegenüberliegenden Ränder des Widerstandselements gefalzt werden, daß auf beiden leitfähigen Flächen des elektrischen Widerstandselements die dadurch entstehenden metallischen Leiterbahnen den gleichen elektrischen Querschnitt haben.

Bei einem Aufbau des Widerstandselements Trägerfolie bzw. Trägervlies oder -gewebe mit leitfähiger Beschichtung kann das Trägermaterial die beiden leitfähigen Schichten so stark elektrisch gegeneinander isolieren, daß kein einwandfreier Übergang des elektrischen Stroms zwischen den beiden leitenden Flächen gewährleistet ist. Das spielt insbesondere bei hohen Leistungsdichten eine Rolle. Durch die Falzung werden die beiden elektrisch leitenden Flächen kurzgeschlossen und dadurch eine gleichmäßige Leistungsaufnahme gewährleistet.

Besteht die Gefahr, daß bei speziellen Anwendungen die Klebefuge zwischen Heizleiter und Kupferstreifen besonderen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, kann als zusätzliche Maßnahme die KSebefuge durch Nähen oder Klammern vor einer mechanischen Beschädigung geschützt werden.

Elektrische Widerstandselemente mit hohen Leistungsdichten eignen sich z. B. zur Beheizung von hydraulischen Pressen, elektrischen Warmwasserbereitern, Kaffeemaschinen, Bügelmaschinen, Speichergeräten für die Wohnraumbeheizung sowie zur Beheizung von Aquarien für Zierfische, Terrarien und Tropenfenstern.

Beispiel

Ein elektrisches Widerstandsmaterial aus einem Glasgewebe mit einer leitfähigen Siliconbeschichtung (Siliconmasse mit Kohlenstoffpulver) wird auf die Maße 30 cm χ 150 cm zugeschnitten. Das Meteria! hat die Form eines Rechtecks. Gefordert wird eine Leistungsaufnahme von 4000 Watt.

Die Längsseiten des Rechtecks werden in der Weise kontaktiert, daß ein metallisches Kupferband geeigneten elektrischen Querschnitts um diese Begrenzungslinien gefalzt wird. Das Kupferband wird vorher mit einem hochleitfähigen Siliconkleber — wie auf Seite 2 beschrieben — klebefähig gemacht und das Lösungsmittel entfernt. Anschließend wird in einer Klebepresse bei einer Temperatur von 200°C das Kupferband anvulkanisiert. Vulkanisationsdauer 1,5 Min. Bei dieser Temperatur erhält man ein völlig faltenfreies Heizelement. Nach Abkühlen des Verbundes auf Raumtemperatur bilden sich auf dem drahtlosen Widerstandselement zwischen den beiden anvulkanisierten Kupferstreifen zahlreiche Falten. Spannt man ein solches Widerstandsmaterial auf ein mit kaltem Wasser gefülltes zylindrisches Rohr, so ergeben sich zwischen der metallischen, wärmeabführenden Fläche und dem Heizelement zahlreiche Falten und Luftpolster zwischen Widerstandsmaterial und Rohr, die den Wärmeübergang behindern. Beim Anlegen der Betriebsspannung an ein solches Heizelement (Leistungsaufnahme 4000 Watt), insbesondere im Dauergebrauch, wird an der Stelle dieser Luftpolster das Heizelement zerstört.

Dehnt man die Kupferstreifen bei Raumtemperatur auf die Länge, die sie bei der Vulkanisationstemperatur hatten, so verschwinden diese Falten und der geschilderte Nachteil der Zerstörung der Elemente tritt nicht mehr auf. Die thermische Ausdehnung der Kupferstreifen, wie sie bei der späteren Betriebstemperatur, die im allgemeinen niedriger ist als die Vulkanisationstemperatur, auftritt, hat keine nachteiligen Auswirkungen, da die Überdehnung des drahtlosen elektrischen Heizelements von diesem aufgenommen werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kontaktierung von folienhaften drahtlosen elektrischen Widerstandselementen für hohe Leistungsdichten durch Aufkleben metallischer Leiierstreifen mittels eines heiß vulkanisierenden Klebemittels und anschließender Ausvulkanisierung, dadurch gekennzeichnet, daß als heiß vulkanisierendes Klebemittel ein heiß vulkanisierender Silikonkleber verwendet wird, und nach dem Ausvulkanisieren der metallische Leiterstreifen durch mechanisches Recken bei Raumtemperatur auf die Länge gestreckt wird, die er bei der Vulkanisationstemperatur hatte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Leiterstreifen um zwei gegenüberliegende Ränder des Widerstandselements gefalzt aufgeklebt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Leiterstreifen so aufgefalzt werden, daß auf beiden Flächen des Widerstandselementes metallische Leiterbahnen von gleichem elektrischen Querschnitt entstehen.

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