DE60305694T2 - Elektrisch leitendes garn - Google Patents
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Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein leitendes Metallgarn und ein Verfahren zum Bereitstellen eines solchen leitenden Metallgarns.
- Allgemeiner Stand der Technik
- Leitende Garne sind in der Technik wohlbekannt.
- Leitende Garne können entweder auf einem nichtmetallischen leitenden Material wie C-Faser basieren, oder auf metallischen oder Metallfasern.
- In dem Fall, dass ein relativ niedriger elektrischer Widerstand erzielt werden soll, werden vorteilhaft Filamentgarne verwendet.
- Solche Filamentgarne können eine Reihe von Metallfilamenten aufweisen, z.B. rostfreie Stahlfilamente, welche miteinander verdreht sind. Derzeit weisen solche Garne jedoch Filamente mit einem Durchmesser von mehr als 100μm auf, welche dazu führen, dass die Filamentgarne sich mehr wie relativ feine, aber eher steife Metallseile verhalten.
- Alternativ sind derzeit rostfreie Stahlfasergarne bekannt, welche aus rostfreien Stahlfasern eines Durchmessers < 30 μm bestehen, siehe zum Beispiel EP-A-0 505 936. Aufgrund des relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstandes von rostfreiem Stahl müssen Garne mit einem niedrigeren elektrischen Widerstand eine relativ grobe Struktur (oder eine hohe Feinheit, ausgedrückt in tex, was g/km bedeutet) aufweisen. Solche groben Garne verlieren in hohem Maße die Flexibilität der Garnstruktur.
- Kurzdarstellung der Erfindung
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisch leitendes Metallgarn bereitzustellen, welches einen verringerten elektrischen Widerstand je Linearmeter aufweist, und welches mindestens so flexibel ist, wie es von einem herkömmlichen Textilgarn erwartet werden kann.
- Ein erfindungsgemäßes Garn weist verschiedene rostfreie Stahlfasern auf. Die rostfreien Stahlfasern sind mit einer Metallschicht beschichtet (im Folgenden als „Metallbeschichtung" bezeichnet). Die Metallbeschichtung wird unter Verwendung eines Metallmaterials mit einem geringeren spezifischen elektrischen Widerstand als dem der rostfreien Stahllegierung der rostfreien Stahlfasern bereitgestellt.
- Wenn man einen Querschnitt durch die erfindungsgemäßen Garne vornimmt, beträgt der Gewichtsprozentsatz der Metallbeschichtung gegenüber dem Gesamtgewicht des elektrisch leitenden Garns vorteilhafterweise weniger als 50 Gewichtsprozent, am besten weniger als 40 Gewichtsprozent. Der Prozentsatz der Metallbeschichtung gegenüber dem Gesamtgewicht des elektrisch leitenden Garns beträgt vorteilhafterweise mehr als 1 Gewichts-%, am besten mehr als 5 Gewichts-%.
- Vorzugsweise weist die Metallbeschichtung eine mittlere maximale Dicke von weniger als 8 μm, insbesondere weniger als 4 μm, auf. Die Metallbeschichtung weist vorzugsweise eine mittlere maximale Dicke von mehr als 0,01 μm auf. Eine geringere mittlere maximale Dicke liefert keinen zuverlässigen elektrischen Widerstand über die Länge des erfindungsgemäßen Garns.
- Die maximale Dicke der Metallbeschichtung versteht sich als die größte Dicke der Metallschicht, welche in einem radialen Querschnitt des erfindungsgemäßen Garns vorliegt. Die mittlere maximale Dicke versteht sich als der Mittelwert der maximalen Dicke, gemessen unter Verwendung einer Anzahl verschiedener radialer Querschnitte des erfindungsgemäßen Garns, wobei die Anzahl durch die Anwendung eines statistisch geeigneten Verfahrens, z.B. den MIL-Standards, ermittelt wird.
- Nicht notwendigerweise, aber vorzugsweise, weist ein erfindungsgemäßes Garn eine Metallbeschichtung von im Wesentlichen identischer Dicke um jede der rostfreien Stahlfasern in dem elektrisch leitenden Garn auf.
- Es ist möglich, dass die Metallbeschichtung nur an der nach außen zeigenden Mantelfläche der Fasern vorliegt, welche sich an der äußeren Seite des elektrisch leitenden Garns befindet. Die „nach außen zeigende Mantelfläche" versteht sich als der Teil der Mantelfläche der Faser, der nicht auf die anderen Fasern zeigt, welche in dem elektrisch leitenden Garn enthalten sind.
- Vorzugsweise ist die Metallbeschichtung bewährt und aus Cu, Al, Ag, Au, Ni, Ti, W, Zn, Cr, Sn, Pt, Cu-Legierung, Al-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung, Ni-Legierung, Ti-Legierung, W-Legierung, Zn-Legierung, Cr-Legierung, Sn-Legierung, Pt-Legierung und Kombinationen von diesen. Am meisten wird bevorzugt, Cu oder eine Cu-Legierung zu verwenden. Der spezifische elektrische Widerstand der Metallbeschichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 15 bis 500 Ω·mm2/km, am besten im Bereich von 15 bis 90 Ω·mm2/km.
- Ein elektrisch leitendes Garn weist rostfreie Stahlfasern auf, welche entweder rostfreie Stahlfilamente oder rostfreie Stahlstapelfasern sind.
- Ein erfindungsgemäßes Garn weist mehr als ein Bündel rostfreier Stahlfilamente auf. Solche Bündel weisen mehrere rostfreie Stahlfilamente auf. Diese Bündel können beschichtet werden und danach durch Verdrehen und/oder Verzwirnen der beschichteten Bündel zu einem Garn umgeformt werden. Alternativ werden die Bündel rostfreier Stahlfilamente verdreht und/oder verzwirnt, um ein Garn zu ergeben, welches dann erfindungsgemäß mit einer Metalllegierung beschichtet wird.
- Als Alternative kann ein erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Garn rostfreie Stahlfasern als Stapelfasern aufweisen, welche zunächst zu einem elektrisch leitenden einfachen Gespinst gesponnen werden. Mehrere elektrisch leitende einfache Gespinste können dann zu einem mehrfach verzwirnten gesponnenen elektrisch leitenden Garn verzwirnt werden. Das einfache Gespinst oder mehrfach verzwirnte elektrisch leitende Garn kann dann erfindungsgemäß mit einer Metallbeschichtung beschichtet werden. Alternativ wird ein Bündel rostfreier Stahlfilamente beschichtet und zu beschichteten rostfreien Stahlfasern gebrochen und unter Anwendung geeigneter Spinntechniken zu einem einfachen Gespinst oder mehrfach verzwirnten erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Garn gesponnen.
- Vorzugsweise werden rostfreie Stahlfasern mit einem Äquivalentdurchmesser im Bereich von 0,5 μm bis 50 μm, am besten zwischen 1 μm und 25 μm, verwendet. Der Äquivalentdurchmesser einer Faser versteht sich als der Durchmesser eines imaginären Kreises, welcher denselben Flächeninhalt wie der Querschnitt der Faser aufweist.
- Vorzugsweise wird eine rostfreie Stahllegierung aus der AISI Serie 300 oder der AISI Serie 400 verwendet, wie z.B. AISI 302, AISI 316 oder AISI 316L oder AISI 430. Alternativ ist die rostfreie Stahllegierung eine Fe-Cr-Al-Legierung (z.B. Fecralloy®) oder eine Ni-Cr-Al- Legierung. Der spezifische elektrische Widerstand liegt vorzugsweise im Bereich von 500 bis 900 Ω·mm2/km.
- Vorzugsweise weisen die Bündel rostfreier Stahlfasern oder jedes elektrisch leitende einfache Gespinst jedes weniger als 1000 rostfreie Stahlfasern je Querschnitt auf, während die Anzahl der rostfreien Stahlfasern je Querschnitt jedes elektrisch leitenden Garns vorzugsweise weniger als 3000 Fasern beträgt.
- Abhängig von der Anzahl rostfreier Stahlfilamente in den Bündeln und der Dicke und der Metalllegierung der Beschichtung kann ein erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Garn erhalten werden, welches einen linearen elektrischen Widerstand (Ω/m) vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 400 Ω/m aufweist, am besten weniger als 400 Ω/m oder sogar weniger als 100 Ω/m, wie z.B. weniger als 80 Ω/m. Der lineare elektrische Widerstand (Ω/m) ist vorzugsweise größer als 0,1 Ω/m oder sogar größer als 0,2 Ω/m, wie z.B. 0,2 Ω/m, 0,5 Ω/m, 2 Ω/m, 7 Ω/m, 14 Ω/m.
- Hiermit zusammenhängend kann der elektrische Widerstand je Garngewicht (Ω/g) des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Garns auf 25 % oder sogar 10 % des feinheitsbezogenen elektrischen Widerstandes des unbeschichteten elektrisch leitenden rostfreien Stahlgarns verringert werden.
- Die rostfreien Stahlfaserbündel können unter Anwendung verschiedener Beschichtungstechniken mit der Metallbeschichtung versehen werden.
- Am besten wird die Metallbeschichtung über elektrochemische Beschichtungstechniken aufgebracht. Es können jedoch alternativ Tauchbeschichtungs-, Aufdampfungs- oder Plasmabeschichtungstechniken angewendet werden.
- Das erfindungsgemäße Garn kann z.B. verwendet werden, um elektrische Widerstandsgarne in elektrisch heizbaren Textilprodukten oder Stoffen bereitzustellen.
- Aufgrund der Flexibilität der erfindungsgemäßen Garne können die Garne ohne größere Probleme zu gewebten, geflochtenen oder gestrickten Textilstoffen umgewandelt werden.
- Auf der anderen Seite kann der elektrische Widerstand leicht variiert werden, da die Dicke der Metallschicht in großem Ausmaß und auf einfache Weise angepasst werden kann.
- Solche elektrisch leitenden Garne werden vorzugsweise in textilen Anwendungen wie heizbaren Textilien, Kleidungsstücken oder Decken oder zum Bereitstellen heizbarer Fahrzeugsitze und Sitzbezüge verwendet. Die elektrisch leitenden Garne können auch verwendet werden, um elektrischen Strom und/oder Signale zu leiten, z.B. in gewebten oder gestrickten Textilstoffen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die Erfindung wird nun detaillierter beschrieben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, wobei
-
1 ,2 und3 schematisch radiale Querschnitte durch das erfindungsgemäße elektrisch leitende Garn darstellen. - Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
- Als Beispiel wird ein rostfreies Einfachgespinst-Stahlfaserbündel, welches 275 Filamente eines Äquivalentdurchmessers von 12 μm aufweist, mit einer Cu-Schicht beschichtet. Die rostfreien Stahlfilamente werden aus AISI 316L bereitgestellt und mit einer Drillung von 100 Drehungen je Meter in der Z-Richtung versehen. Ein solches Garn weist eine Feinheit von 250 tex, einen linearen Widerstand von 30 Ω/m und einen gewichtsbezogenen Widerstand von 120 Ω/g auf.
- Dieses rostfreie Einfachgespinst-Stahlfaserbündel wird mit einer Cu-Beschichtung beschichtet, welche eine maximale Dicke von 6μm aufweist. Je Meter wurden durch elektrolytische Beschichtung 48 mg Cu aufgebracht. Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Garn weist eine Feinheit von 298 tex und einen linearen elektrischen Widerstand von nur 4 Ω/m auf. Dieses erfindungsgemäße elektrisch leitende Garn weist einen gewichtsbezogenen Widerstand von 13,4 Ω/g auf.
- Ein radialer Querschnitt dieses erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Garns
11 ist in1 schematisch dargestellt. Die rostfreien Stahlfasern12 sind miteinander verzwirnt, und eine Anzahl von Filamenten13 nehmen einen Teil der Mantelfläche14 ein, welche nach außen zeigt, weg von dem elektrisch leitenden Garn. Die Cu-Beschichtung15 wird auf dieser nach außen zeigenden Mantelfläche bereitgestellt. Die Beschichtung weist eine maximale Dicke16 auf. Es wurde eine mittlere maximale Dicke von 6 μm gemessen. - Die rostfreien AISI-316L-Stahlfasern weisen einen spezifischen elektrischen Widerstand von 983 Ω·mm2/km auf, während die Cu-Beschichtung einen spezifischen elektrischen Widerstand von 17 Ω·mm2/km aufweist.
- In
2 ist ein radialer Querschnitt durch ein alternatives erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Garn dargestellt. Zwei elektrisch leitende Garne21 , wie sie oben beschrieben sind (in1 mit der Bezugsziffer11 bezeichnet), werden miteinander verzwirnt, wodurch ein zweifach verzwirntes erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Garn22 bereitgestellt wird. Es wird ein erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Garn mit einem linearen elektrischen Widerstand von etwa 2 Ω/m bereitgestellt. - Ein Querschnitt durch eine andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in
3 dargestellt. Zwei Bündel rostfreier Stahlfasern, welche 275 Filamente eines Äquivalentdurchmessers von 12 μm aufweisen, werden miteinander verzwirnt, was zu einem zweifach verzwirnten elektrisch leitenden Garn führt. Dieses zweifach verzwirnte elektrisch leitende Garn31 wird mit einer Cu-Schicht32 beschichtet. Die Cu-Schicht liegt nur auf den Fasermantelflächen der Fasern33 vor, welche von dem erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Garn nach außen zeigen. Diese werden im Unterschied zu der Ausführungsform in2 , wo die Mantelflächen der Filamente von dem Bündel nach außen zeigen, beschichtet. - Das erhaltene Garn kann als Heizelement (Widerstandsheizung) in einem gewebten oder gestrickten Textilstoff verwendet werden, welcher als heizbare Textilie benutzt werden kann, um z.B. Autositze zu heizen oder Textilstoffe, welche benutzt werden, um solche Sitze zu bedecken.
Claims (15)
- Elektrisch leitendes Garn, welches rostfreie Stahlfasern aufweist, wobei die rostfreien Stahlfasern einen spezifischen elektrischen Widerstand des rostfreien Stahls aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die rostfreien Stahlfasern mit einer Metallbeschichtung beschichtet sind, wobei die Metallbeschichtung aus einem Metallmaterial mit einem spezifischen elektrischen Widerstand der Metallbeschichtung besteht, der kleiner ist als der spezifische elektrische Widerstand des rostfreien Stahls.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1, wobei der Gewichtsprozentsatz der Metallbeschichtung gegenüber dem Gesamtgewicht des elektrisch leitenden Garns weniger als 50 Gewichts-% beträgt.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Prozentsatz der Metallbeschichtung gegenüber dem Gesamtgewicht des elektrisch leitenden Garns mehr als 1 Gewichts-% beträgt.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Metallbeschichtung eine maximale Dicke aufweist, welche geringer als 8 μm ist.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Metallbeschichtung eine maximale Dicke aufweist, welche größer als 0,01 μm ist.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 bis 5, wobei die rostfreien Stahlfasern einen Äquivalentdurchmesser im Bereich von 0,5 bis 50 μm aufweisen.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 bis 6, wobei die Metallbeschichtung aus einem Element aus der Gruppe, bestehend aus Cu, Al, Ag, Au, Ni, Ti, W, Zn, Cr, Sn, Pt, Cu-Legierung, Al-Legierung, Ag-Legierung, Au-Legierung, Ni-Legierung, Ti-Legierung, W-Legierung, Zn-Legierung, Cr-Legierung, Sn-Legierung, Pt-Legierung und Kombinationen von diesen, besteht.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 7, wobei die Metallbeschichtung aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 bis 8, wobei das elektrisch leitende Garn weniger als 3000 rostfreie Stahlfasern je Querschnitt des elektrisch leitenden Garns aufweist.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 bis 9, wobei der lineare elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Garns weniger als 400 Ω/m beträgt.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 bis 10, wobei die rostfreien Stahlfasern rostfreie Stahlfilamente sind.
- Elektrisch leitendes Garn nach Anspruch 1 bis 10, wobei die rostfreien Stahlfasern rostfreie Stahlstapelfasern sind.
- Verwendung eines elektrisch leitenden Garns nach einem der vorhergehenden Ansprüche in heizbaren Textilien.
- Verwendung eines elektrisch leitenden Garns nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bereitstellen eines heizbaren Fahrzeugsitzes oder heizbarer Fahrzeugsitzbezüge.
- Verwendung eines elektrisch leitenden Garns nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Leiten von elektrischem Strom oder elektrischen Signalen.
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