DE3635286A1 - Flaechenheizelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Flaechenheizelement und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Flächenheizelement, das aus einem elektrisch leit
fähigen, rußgefüllten Thermoplastkern und aus an der Ober- und Unterseite mit
diesem Kern verbundenen Isolierschichten, die nach außen mit Metallblechen
abgedeckt sind, besteht, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Flächenheizelemente, die aus einem rußgefüllten, ein Haftvermittlerpolymer
enthaltenden Thermoplastkern bestehen, die an der Ober- und Unterseite mit
Metallblechen verbunden sind, sind beispielsweise aus der EP-A-1 08 710 oder der
DE-A-26 55 543 bekannt. Bei diesen Heizelementen dienen die Metallbleche
gleichzeitig als elektrische Kontakte, so daß der Stromfluß senkrecht zwischen
den Metallblechen erfolgt. Der Nachteil dieser Heizelemente liegt vor allem
darin, daß die Metallbleche, die die äußere Oberfläche der Verbunde bilden, bei
ihrer Verwendung unter Spannung stehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Flächenheizelemnt mit beidseitig
metallkaschierter Oberfläche zu schaffen, bei dem die Metallbleche nicht
stromführend sind. Dies wird dadurch erreicht, daß die äußeren Metallbleche
nicht gleichzeitig als Elektroden ausgebildet sind, sondern daß diese von der
elektrisch leitenden Kernschicht durch Isolationsschichten getrennt sind, und daß
die Zuleitung des Stromes über Kontakte an den beiden Enden der Kernschicht
erfolgt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Flächenheizelement,
enthaltend einen Kern aus einem oder mehreren rußgefüllten Schichten aus einem
Thermoplasten, der an der Ober- und Unterseite mit Metallblechen verbunden
ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen Kern und Metallblechen eine
oder mehrere Isolierschichten aus einem Thermoplasten angeordnet sind, wobei
zumindest die jeweils äußeren, den Metallblechen anliegenden Isolierschichten
ein Haftvermittlerpolymer enthalten, und daß im Kern Metallkontakte ange
bracht sind, die den Stromfluß nur in der Ebene zwischen den Metallkontakten,
parallel zu den Oberflächen, ermöglichen.
Der leitfähige Kern kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein,
wobei die elektrischen Kontakte entweder in Ausnehmungen in einer Schicht oder
zwischen den einzelnen Schichten angeordnet sind. Die Kontakte bestehen
beispielsweise aus Metalldrähten oder aus Streifen oder Bändern aus Blechen
oder Metallnetzen, z. B. aus Aluminium oder Kupfer. Bevorzugt sind zwischen
den Kernschichten zwei oder mehrere parallel liegende Metallstreifen an
geordnet, die sich über die gesamte Länge des Heizelementes erstrecken. Beim
Betrieb des Heizelementes werden jeweils zwei benachbarte Kontakte an ver
schiedene Pole der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen, wodurch ein
Stromfluß zwischen den Kontakten im Kern zustande kommt, der den Kern
erwärmt.
Beispiele für im Kern eingesetzte Thermoplaste sind Polyethylen, Polypropylen,
Polymethylpentene, Polybutadiene, Polyamide, PVC, Polyvinylidenchlorid, Po
lyetetrafluorethylen, Polyacrylate und Polysilikone. Besonders bevorzugt ist
Polypropylen, worunter sowohl Propylen-Homopolymere als auch Propylen-Ethy
len-Copolymere zu verstehen sind. Die Verwendung eines Haftvermittlerpoly
mers im Kern ist nicht notwendig. Die Leitfähigkeit des Kerns kommt durch
seinen Gehalt an Ruß zustande, wobei vorzugsweise ein Leitfähigkeitsruß ver
wendet wird. Besonders vorteilhaft hat sich ein Rußgehalt von 10-25 Gew.-%
gezeigt, obwohl erfindungsgemäß auch niedrigere bzw. höhere Rußgehalte etwa
von 5-50 Gew.-% möglich sind.
Die mit der Ober- und Unterseite des Kerns fest verbundenen Isolierschichten
können ebenfalls ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein und bestehen wie der
Kern aus einem Thermoplasten, bevorzugt aus einem Propylen-Homopolymeren
oder einem Propylen-Ethylen-Copolymeren. Sie enthalten keinen Ruß, und auch
die Verwendung eines Haftvermittlerpolymeren ist mit Ausnahme bei den jeweils
äußeren Schichten, die mit den Metallblechen verbunden sind, nicht notwendig.
Der Gehalt an Haftvermittlerpolymeren in den äußeren Schichten ermöglicht
eine ausreichende und feste Haftung zwischen dem Metall und dem Thermo
plasten. Als Haftvermittlerpolymere werden bevorzugt mit ungesättigten Car
bonsäuren gepfropfte Thermoplaste verwendet. Als ungesättigte Carbonsäuren
kommen beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, Chloracrylsäure, Croton
säure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Norbornensäure, sowie deren Ester
als auch ein von solchen Säuren abstammendes Anhydrid in Frage. Die Her
stellung derartiger gepfropfter Thermoplaste erfolgt beispielsweise durch Reak
tion einer ungesättigten Carbonsäure oder ihres Anhydrids mit dem Thermo
plasten in einem organischen Lösungsmittel in Anwesenheit eines Peroxides, wie
sie beispielsweise bei M. Michailow und I. Iliewa in Plaste und Kautschuk, Band
30 (1983), Seite 130, in der AT-PS 24 71 095 oder AT-PS 3 68 181 beschrieben ist.
Derartige gepfropfte Thermoplaste sind auch im Handel erhältlich, wie z. B.
PropatheneR PXC 81 792 (ICI), PolybondR 1001 (Reichold), MPC QF 550 (Mitsui
Petrochemical).
Der Gehalt an ungesättigter Carbonsäure, eines davon abgeleiteten Esters oder
Anhydrids in der äußeren, dem Metallblech anliegenden Schicht liegt vorzugs
weise bei 0,01 bis 0,1 Gew.-%.
Als äußere Deckschichten des Flächenheizelementes erweisen sich Aluminium
bleche als besonders vorteilhaft, obwohl jede Art von Blechen, wie beispielsweise
Kupfer-, Nickel-, Messing- oder Stahlbleche möglich sind.
Die erfindungsgemäßen Flächenheizelemente werden durch Verpressen sämtli
cher Kern-, Isolier- und Metalldeckschichten bei erhöhter Temperatur und Druck
hergestellt. Dabei können auch gleichzeitig die Metallkontakte mitverpreßt
werden. Es ist jedoch gleichfalls möglich, diese erst nachträglich an der
leitenden Kernschicht des fertig verpreßten Verbundes zu befestigen. Dies
empfiehlt sich, wenn die Flächenheizelemente keine rechteckige Platten- oder
Bahnform aufweisen, z. B. bei runden Platten. Hierbei wird beispielsweise in die
Außenkanten des Verbundes eine schmale Nut gefräst, in die z. B. ein Kupfer
litzendraht eingelegt, der mit PP-Schweißdraht abgedeckt wird, wodurch eine
kreisförmige Elektrode gebildet wird. Der Gegenpol befindet sich in einer
Ausnehmung in der Mitte der Scheibe. Dabei wird durch eine Deckschicht eine
kreisförmige Vertiefung bis in die Kernschicht gefräst und eine scheibchen
förmige Elektrode eingelegt und abgedeckt.
Das Verpressen der einzelnen Schichten, gegebenenfalls einschließlich der Kon
taktstreifen, erfolgt bevorzugt kontinuierlich auf einer Doppelbandpresse bei 180
-220°C und einem Druck von 2-15 bar.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Metall-Kunststoff-Verbunde liegt vor allem
darin, daß sie ohne zusätzliche Heizung selbst als Heizelement dienen, und daß
ihre Oberflächen nicht unter Spannung stehen. Dies ist vor allem dort von
Bedeutung, wo derartige Verbunde, beispielsweise im Freien verwendet werden
und wo auch bei Kälte und Schnee die Oberfläche frei von Eis, Schnee, Tau oder
Reif gehalten werden soll, wie dies z. B. bei Straßenschildern, Verkehrszeichen,
Verkehrsspiegeln, Parabolspiegeln, Parabolantennen, Autorückspiegeln, Anzeige-
und Reklametafeln, Heizelementen an Bauwerken und Fahrzeugen oder der
gleichen der Fall ist. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich beispiels
weise bei der Raum- und Straßenheizung, für Boilerheizungen oder für Warm
haltebehälter. Entsprechend dem Anwendungsgebiet besitzen die Heizelemente
beispielsweise die Form von Platten, Zylindern, Teilen von Kugelschalen oder
dergleichen.
In den folgenden Beispielen stellen die Angaben von Teilen und % jeweils
Gew.-Teile und Gew.-% dar.
Das in den Beispielen verwendete Polypropylen war Daplen BE 50 von Petro
chemie Schwechat, ein Homopolymer mit einem gemäß DIN 53 735 gemessenen
Schmelzindex von 0,3 g/10 Minuten (230°C/2,16 kg).
Als Haftvermittlerpolymer enthaltender Thermoplast wurde MPC QF 550 von
Mitsui Petrochemical eingesetzt. Die erzielte Schälfestigkeit betrug im Winkel
schälversuch nach DIN 53 278, 100 N/cm.
Folgende Rußcompounds wurden verwendet:
- A. ColcolorR P 25/P von Degussa, Schmelzindex 1(230°C/10 kg), bestehend aus 25% Ruß und 75% Polypropylen.
- B. ColcolorR RKK P 25/L 6 von Degussa, Schmelzindex 20 (230°C/10 kg), bestehend aus 25% Ruß und 75% Polypropylen.
- C. erhalten durch Extrusion eines Gemisches von 85% Polypropylen mit einem Schmelzindex von 0,3 (230°C/2,16 kg) und 15% KetjenblackR EC (Leitfähigkeitsruß) von Akzo.
- D. erhalten durch Extrusion eines Gemisches von 75% Polypropylen mit einem Schmelzindex von 0,3 (230°C/2,16 kg) und 25% KetjenblackR EC (Leitfähigkeitsruß) von Akzo.
- E. erhalten durch Extrusion eines Gemisches von 80% Polypropylen mit einem Schmelzindex von 0,3 (230°C/2,16 kg) und 20% KetjenblackR EC (Leitfähigkeitsruß) von Akzo.
Die verwendeten Aluminiumbleche waren 0,5 mm dick und 1,5 m breit (DIN
Werkstoff Nr. 3.3315.24).
Auf einem Extruder mit Breitschlitzdüse wurde eine 1 mm dicke und 1,5 m breite
Endlosplatte "L" (leitfähige Kernschicht) aus 43 Teilen Polypropylen und 100
Teilen Rußcompound A hergestellt. Der Rußgehalt der Platte lag bei 17,5%.
Ebenso wurde eine 1,6 mm dicke und 1,5 m breite Endlosplatte "I" (Isolierschicht)
aus Polypropylen, jedoch ohne Rußzusatz extrudiert.
Desgleichen wurde aus MPC QF 550 eine 0,1 mm dicke und 1,5 m breite
Folienbahn "H" (Haftvermittlerpolymer enthaltende Isolierschicht) extrudiert.
Zur Herstellung des Flächenheizelementes wurden je 2 dieser Platten bzw. Folien
gemeinsam mit 2 Aluminiumblechen als äußere Deckschichten einer kontinuier
lichen Doppelbandpresse zugeführt und gemäß folgender Anordnung der einzelnen
Lagen: Al-H-I-L-L-I-H-Al, bei 200°C, 5 bar Preßdruck und einer Geschwindigkeit
von 2 m/Minute verpreßt, wobei ein 6 mm dicker Verbund erhalten wurde.
Gleichzeitig wurde zwischen den beiden L-Schichten 3 Aluminiumstreifen von 5
mm Breite und 0,5 mm Dicke, die der Presse ebenfalls kontinuierlich zugeführt
wurden, als Kontakte mitverpreßt, und zwar 2 Kontaktstreifen im Abstand von
jeweils 5 cm von den beiden Rändern und 1 Kontaktstreifen in der Mitte des
Verbundes. Der Abstand zwischen zwischen den Kontakten betrug 70 cm.
Zur Messung der Heizleistung wurde an einem 2 m langen Teil dieser Verbund
platte an den 3 Kontaktstreifen eine Wechselspannung von 220 V derart angelegt,
daß die beiden äußeren Kontakte mit dem einen Pol und der Mittelkontakt mit
dem anderen Pol verbunden wurde. Nach 10 Minuten wurde eine Erwärmung des
Heizelementes auf 45°C gemessen. Die aus dem Stromverbrauch und der
Spannung errechnete Heizleistung betrug 100 W/m2.
Auf einer Doppelbandpresse wurde analog zu Beispiel 1 ein Verbund hergestellt,
wobei jedoch zwischen den beiden L-Schichten 4 Aluminiumstreifen im Abstand
von jeweils 47 cm zueinander mitverpreßt wurden. Der Abstand der beiden
äußeren Aluminiumstreifen zum Rand betrug 5 cm.
Zur Messung der Heizleistung wurde an einem 2 m langen Plattenstück an den 4
Aluminiumstreifen eine Wechselspannung von 220 V angelegt, wobei jeweils zwei
benachbarte Streifen mit unterschiedlichen Polen verbunden wurden. Die Platte
erwärmte sich auf 50°C, die Heizleistung betrug 220 W/m2.
Auf einer Doppelbandpresse wurde analog zu Beispiel 1 ein Verbund hergestellt,
wobei jedoch zwischen den beiden L-Schichten 2 Aluminiumstreifen, jeweils im
Abstand von 5 cm vom Rand, mit einem gegenseitigen Abstand von 140 cm
voneinander, mitverpreßt wurden.
Nach Anlegen von 220 V Wechselspannung an die beiden Kontaktstreifen eines 2
m langen Plattenstückes erwärmte sich die Platte auf 35°C, die Heizleistung
betrug 65 W/m2.
Aus einem analog zu Beispiel 1 hergestellen Verbund, der jedoch keine Kontakt
streifen enthielt, wurde eine kreisrunde Scheibe mit dem Durchmesser 70 cm
ausgeschnitten. Anschließend wurde in die 6 mm dicke Außenkante mittig eine 1
mm dicke und 2 mm tiefe Nut gefräst und ein 1 mm dicker Kupferlitzendraht als
Kontakt eingelegt. Die Nut wurde dann mit einem Polypropylenschweißdraht
verschlossen. In der Mitte der Platte wurde eine Kupferscheibe von 3 cm
Durchmesser und 1 mm Dicke als zweiter Kontakt in eine 3 mm tiefe Aus
nehmung eingelegt. Ein mit der Scheibe verlöteter Kupferdraht wurde nach
außen geführt. Die verbleibende Öffnung wurde mit PP-Schweißdraht ver
schlossen.
Nach Anlegen einer Wechselspannung von 220 V an die beiden Kontakte er
wärmte sich die Platte bei einer Heizleistung von 250 W/m2 auf 50°C.
Auf einem Extruder mit Breitschlitzdüse wurde eine 2 mm dickie und 1,5 m breite
Endlosplatte "L" (leitfähige Kernschicht) aus 43 Teilen Polypropylen und 100
Teilen Rußcompound B hergestellt. Der Rußgehalt der Platte lag bei 17,5%.
Weiters wurde aus MPC QF 550 eine 1,6 mm dicke und 1,5 m breite Endlosplatte
"H" (Haftvermittlerpolymer enthaltende Isolierschicht) extrudiert.
Zur Herstellung des Flächenheizelementes wurden eine L-Platte als Kern, 2
Isolierplatten und 2 Aluminiumbleche als Deckschichten gemäß der Lagen
anordnung Al-H-L-H-Al auf einer Presse bei 5 bar Preßdruck, 220°C Preß
temperatur und 5 Minuten Preßzeit zu 1,5 × 2 m Verbundplatten mit einer Dicke
von 6 mm verbunden. Kontakte aus Kupferlitzendraht wurden nachträglich an
den Rändern der Platten in eine mittig gefräste Nut von 1 mm Dicke und 2 mm
Tiefe eingelegt und mit PP verschweißt.
Bei Anlegen von 220 V Wechselspannung erreichte die Platte eine Temperatur
von 40°C bei einer Leistung von 95 W/m2.
Auf einem Extruder mit Breitschlitzdüse wurde eine 1 mm dicke und 1,5 m breite
Endlosplatte "L" (leitfähige Kernschicht) aus 100% Rußcompound B hergestellt.
Weiters wurde aus MPC QF 550 eine 1,6 mm dicke und 1,5 m breite Endlosplatte
"H" (Haftvermittlerpolymer enthaltende Isolierschicht).
Zur Herstellung des Flächenheizelementes wurden 2 Aluminiumbleche, 2 Isolier
platten und 2 Leitfähigkeitsplatten gemäß der Lagenanordnung Al-H-L-L-H-Al
auf einer kontinuierlichen Doppelbandpresse bei 5 bar Druck, 200°C Tempeatur
und 2 m/Minute Geschwindigkeit zu einem Verbund gepreßt, wobei 4 Alumi
niumkontaktstreifen im Abstand von 47 cm mitgeführt wurde.
Nach Anlegen von 220 V Wechselspannung an die 4 Kontaktstreifen eines 2 m
langen Plattenstückes erwärmte sich dieses auf 70°C, bei einer Heizleistung von
500 W/m2.
Auf einer Doppelbandpresse wurde analog zu Beispiel 1 eine Verbundplatte
hergestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß die L-Platten aus 100% Ruß
compound C (15% Ruß) hergestellt wurden, und daß 4 Aluminiumkontaktstreifen
im Abstand von jeweils 47 cm zueinander kontinuierlich mitverpreßt wurden.
Nach Anlegen von 220 V Wechselspannung an die 4 Kontaktstreifen eines 2 m
langen Plattenstückes erwärmte sich dieses auf 55°C, bei einer Heizleistung von
220 W/m2.
Auf einer Doppelbandpresse wurde analog zu Beispiel 1 eine Verbundplatte
hergestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß die L-Platte aus 100% Ruß
compound D (25% Ruß) hergestellt wurden, und daß 4 Aluminiumkontaktstreifen
im Abstand von jeweils 47 cm zueinander kontinuierlich mitverpreßt wurden.
Nach Anlegen von 220 V Wechselspannung an die 4 Kontaktstreifen eines 2 m
langen Plattenstückes erwärmte sich dieses auf 85°C, bei einer Heizleistung von
700 W/m2 .
Auf einer Doppelbandpresse wurde analog zu Beispiel 1 eine Verbundplatte
hergestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß die L-Platten aus 100% Ruß
compound C (15% Ruß) hergestellt wurden, und daß 2 Aluminiumkontaktstreifen
im Abstand von 140 cm zueinander kontinuierlich mitverpreßt wurden.
Nach Anlegen von 220 V Wechselspannung an die beiden Kontaktstreifen eines 2
m langen Plattenstückes erwärmte sich dieses auf 30°C, bei einer Heizleistung
von 60 W/m2.
Auf einer Doppelbandpresse wurde analog zu Beispiel 1 eine Verbundplatte
hergestellt, jedoch mit dem Unterschied daß die L-Platten aus 100% Ruß
compound E (20% Ruß) hergestellt wurden, und daß 2 Aluminiumkontaktstreifen
im Abstand von 140 cm zueinander kontinuierlich mitverpreßt wurden.
Nach Anlegen von 220 V Wechselspannung an die beiden Kontaktstreifen eines 2
m langen Plattenstückes erwärmte sich dieses auf 45°C, bei einer Heizleistung
von 150 W/m2.
Claims (9)
1. Flächenheizelement, enthaltend einen Kern aus einer oder mehreren
rußgefüllten Schichten aus einem Thermoplasten, der an der Ober- und
Unterseite mit Metallblechen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Kern und Metallblechen eine oder mehrere Isolierschich
ten aus einem Thermoplasten angeordnet sind, wobei zumindest die
jeweils äußeren, den Metallblechen anliegenden Isolierschichten ein
Haftvermittlerpolymer enthalten, und daß im Kern Metallkontakte
angebracht sind, die den Stromfluß nur in der Ebene zwischen den
Metallkontakten, parallel zu den Oberflächen ermöglichen.
2. Flächenheizelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der im Kern und in den Isolierschichten verwendete Thermoplast ein
Polypropylen ist.
3. Flächenheizelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das zumindest in den äußeren Isolierschichten enthaltende Haft
vermittlerpolymer aus einem Thermoplasten mit aufgepfropfter un
gesättigter Carbonsäure oder deren Anhydrid besteht.
4. Flächenheizelement gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die äußeren Isolierschichten 0,01 bis 0,1 Gew.-% ungesättigte Carbon
säure oder deren Anhydrid enthalten.
5. Flächenheizelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Thermoplastkern 5 bis 50 Gew.-% Ruß enthält.
6. Flächenheizelement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Thermoplastkern 10 bis 25 Gew.-% Ruß enthält.
7. Flächenheizelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Metallbleche aus Aluminium bestehen.
8. Flächenheizelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die im Kern angebrachten Metallkontakte aus zwei
oder mehreren parallel liegenden, sich über die gesamte Plattenlänge
erstreckenden Metallstreifen bestehen.
9. Verfahren zum Herstellen von Flächenheizelementen gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schichten auf
einer Doppelbandpresse kontinuierlich zusammengeführt und bei 180 bis
220°C und einem Druck von 2 bis 5 bar verpreßt werden.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19863635286 DE3635286A1 (de) | 1986-10-16 | 1986-10-16 | Flaechenheizelement und verfahren zu dessen herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19863635286 DE3635286A1 (de) | 1986-10-16 | 1986-10-16 | Flaechenheizelement und verfahren zu dessen herstellung |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3635286A1 true DE3635286A1 (de) | 1988-04-21 |
Family
ID=6311871
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19863635286 Withdrawn DE3635286A1 (de) | 1986-10-16 | 1986-10-16 | Flaechenheizelement und verfahren zu dessen herstellung |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3635286A1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1986
- 1986-10-16 DE DE19863635286 patent/DE3635286A1/de not_active Withdrawn
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