JP2005259564A5

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Publication number: JP2005259564A5
Application number: JP2004070410A
Authority: JP
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2007-04-12

Description

高分子発熱体及び該発熱体の製造方法

本発明は、高分子抵抗体のジュール熱を利用した高分子発熱体及び該発熱体の製造方法に関し、更に詳しくは柔軟性を有し、かつ自己消火性や不燃性など難燃性機能を有する安全性の高い高分子発熱体及び該発熱体の製造方法に関するものである。

従来から、ＰＴＣ特性を利用したヒータユニットが数多く使用されている。ＰＴＣ特性とは、温度上昇によって抵抗値が上昇し、ある温度に達すると抵抗値が急激に増加する抵抗温度特性（正の抵抗温度特性を意味する英語ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔの略を意味する）による、自己温度調節機能を示し、特に結晶性高分子中に導電性材料を分散させた高分子抵抗体が広く知られている。その原理は、結晶性高分子が結晶質から非結晶質へ転換する際の急激な体積膨張のために、その中に分散している導電性材料の平均粒子間隔が急激に増大することにより、電流経路が断たれる確率が増大し、その結果、抵抗値も増大するものである。以上のような原理に基づいたヒータユニットは、それ自身で自己温度制御機能を保持するため、その他に安全機能を設ける必要性がなく、また部品点数を少なくできる点でメリットのあるデバイスとして知られている。

これらの構成は、図３に示すように、セラミックや絶縁処理された金属板など、筐体構造としての機能を有するベース材１２上に、導電性インキ組成物を印刷、あるいは塗布して得られる電極３と、これにより給電される位置に抵抗体インク組成物を印刷、あるいは塗布して得られる抵抗体４を設け、さらに電極３及び抵抗体４を被覆するカバー材１３からなり、発熱体１１を形成する。またベース材１２及び、カバー材１３としてポリエステル繊維などの柔軟性基材を用いる場合には、ベース材１２及びカバー材１３の内側に、あらかじめポリエチレン系などの熱融着性樹脂１４を接着しておき、加熱加圧することにより、ベース材１２とカバー材１３とを熱融着性樹脂１４を介して接合することができ、本発熱体を容易に構成することができる。図３（ａ）は発熱体の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のｘ−ｙ位置断面図である。櫛形電極３及び抵抗体４は、ベース材１２やカバー材１３、または熱融着性樹脂１４により外界から隔離されるため、長期信頼性を付与されることとなる。

従来から、印刷により高分子抵抗体を形成してこれを発熱体として用いた例としては、露・霜除去用として自動車のドアミラー、洗面台のミラー等がある。使用形態は折り曲げなどの機械的ストレスが加わるものではなく、ミラー背面に貼り付けて固定して用いられていた。また、安全対策として、温度ヒューズやサーモスタット等を面状発熱体の発熱温度を代表する部位に装着していた。そしてこれらの発熱体では、基材及び被覆材としてポリエステルフィルムを用いているため、折り曲げると破損に至るため、そうした用途には適用できない。さらにこうした柔軟性の欠如と併せて、伸縮性の欠如から、これら柔軟性と伸縮性が要求される発熱体として、例えば、座席ヒータのような人の着座感を損なわないことにも注意が必要な製品への応用はできなかった。その解決策として、例えば、柔軟性ＰＴＣ発熱体として考案されたものがあり、下記特許文献が挙げられる。
特開２００３−２１７９０４号公報

しかしながら、上記従来の柔軟性基材を用いた高分子発熱体は、通常、高分子樹脂や繊維などの燃えやすい材質で構成されており、家庭用電気器具や自動車用途への暖房用デバイスとしては、耐燃焼性の観点で不充分なものであった。

本発明はさらにこれら柔軟性に加え、難燃性（自己消火性もしくは不燃性）を付与した高分子発熱体及び該発熱体の製造方法を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するための本発明の高分子発熱体は、柔軟性を有する、ベース保持体及びカバー保持体と、前記ベース保持体及び前記カバー保持体とに狭持された一対の電極と、該一対の電極間に形成された高分子抵抗体とを備え、前記ベース保持体、前記カバー保持体及び前記高分子抵抗体の少なくとも一つが難燃性を有するものである。

本発明における柔軟性の定義としては、折り曲げなどの適度な機械的ストレスを受け形状変更が生じても、特性に影響を受けず、また耐久性の能力を保持する状態を意味するもので、形状を変更できないもの、形状変化により性能低下するもの以外を、柔軟性の対象とする。

また難燃性の定義としては、その規格によりＨＢグレードやＶ０グレードなどが種々存在するが、難燃処方されていないものに比べ燃焼性が改善された程度のものでも構わない。本発明に示す発熱体がそのまま最終製品として扱われる場合もあるが、発熱体は製品中に組み込まれて使用される場合が多い。そのため発熱体のカバーとしてクッション材やその他樹脂基材などが使用される場合、それら最終製品として要求される難燃性が満たされるような設計となっておれば、発熱体自身が単独で難燃基準を満たさなくても構わない。それぞれの製品が要求される規格値を満たす難燃性を発熱体自身で示し、加工性、コスト条件などの諸条件をクリアするのであればより好ましいのは当然である。

保持体としては、樹脂フィルムのみに挟み込まれた発熱体であっても良いし、またそれら樹脂フィルムと、織布あるいは不織布などで代表される柔軟性を有する保護部材の両方を有していても良い。保持体としては、発熱体を構成する最低機能である電極と高分子抵抗体を被覆する樹脂フィルムを有しておればよい。

これら構成によって、樹脂や不織布といった高分子を主体とする材料を用いて柔軟性を発現させながら、難燃性能を有する構成を提供できるため、最終形態として難燃化仕様が要求される製品などへの展開を図ることが容易となる。

より具体的には柔軟性保持体に難燃性を付与する場合と、高分子抵抗体に難燃性を付与する場合の２通りの手法が存在し、さらに好ましくはそれら両方法を採用しても構わない。これにより、さらに難燃効果を実現でき、より安全性の高い発熱体を提供することができる。

本発明の高分子発熱体は、柔軟性と難燃性を両立させることが可能となるため、従来は限定されていた用途を一気に拡大でき、量産性、安全性、耐久性に優れた商品を安価に提供できることとなる。

第１の発明は、柔軟性を有する、ベース保持体及びカバー保持体と、前記ベース保持体及び前記カバー保持体とに狭持された一対の電極と、該一対の電極間に形成されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体とを備え、前記ベース保持体、前記カバー保持体及び前記高分子抵抗体の少なくとも一つが難燃性を有しており、柔軟性と難燃性を有する高分子型の発熱体を提供できる。

第２の発明は、ベース保持体及びカバー保持体の少なくとも一方が、樹脂フィルムからなり、難燃性を有する発熱体を提供できる。

第３の発明は、ベース保持体及びカバー保持体の少なくとも一方が、ベース保持体及びカバー保持体の少なくとも一方を、樹脂フィルムとし、該樹脂フィルムの外表面を保護部材で被覆されたものからなり、柔軟性、耐熱性、電極や高分子抵抗体との密着性、難燃性に優れた発熱体を提供できる。

第４の発明は、保護部材が、難燃性を有する、織布あるいは不織布からなり、柔軟性、および難燃性に優れた基材を提供できる。

第５の発明は、ベース保持体とカバー保持体の少なくとも一方が、熱可塑性樹脂からなり、難燃効果の高い柔軟性被覆材を提供できる。

第６の発明は、難燃性が、リン系難燃剤、窒素系難燃剤のいずれか、またはこれらを組み合わせてなり、難燃効果の高い保持体を提供できる。

第７の発明は、ＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体に、結晶性重合体、導電性微粉末及び難燃剤が含まれており、抵抗体自身も難燃性能を保持する。

第８の発明は、難燃剤には、膨張性黒鉛を含み、導電性微粉末との加工時の難燃剤添加樹脂の流動性を改善できる。

第９の発明は、ベース保持体及びカバー保持体の少なくとも一方が、樹脂フィルムと保護部材からなる場合の貼り合わせを、Ｔダイ押出し、接着芯、または接着剤のいずれかを用いるか、またはこれらを組み合わせてなり、柔軟性を損なうことなく難燃性を示す高分子発熱体が得られる。

第１０の発明は、電極およびＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体に、Ｔダイ押し出しにより樹脂フィルムを貼り合わせた後、接着芯、接着剤のいずれかにより前記樹脂フィルムに保護部材を貼り合わせてなり、柔軟性および量産性に優れた難燃性を有する高分子発熱体を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本第１及び第２の発明における高分子発熱体の概略切り欠き構成図を示すものであり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は（ａ）のｘ−ｙ線断面図である。

図１において、発熱体１の構成は以下の通りである。２は、柔軟性を有するベース保持体として、難燃性を有する樹脂フィルムを用いた場合であり、オレフィン系の熱可塑性樹脂７０部とオレフィン系の接着性樹脂３０部からなる樹脂組成物で、リン酸アンモニウム系の難燃剤を１０重量パーセント、難燃性助剤としてテフロン（登録商標）微粉末を０．３重量パーセントからなり、Ｔダイ押し出しにより５０〜６０ミクロンの厚みを得た。図には示していないが、その後の加工工程での扱い上、離型紙を保護部材とし平面性を保持した。この難燃性を有するベース保持体２上に銀ペーストの印刷・乾燥により一対の櫛形の電極３と、電極３により給電される位置に高分子抵抗体インクの印刷・乾燥により高分子抵抗体４を作製した。高分子抵抗体はＰＴＣ特性を有し、発熱温度が４５℃程度に成るように作製されている。高分子抵抗体インクは、エチレン酢酸ビニル共重合体を数種類組み合わせ、カーボンブラックを混練・架橋したものにアクリロニトリルブチルゴムをバインダーとして溶剤でインク化して作製した。

カバー保持体５は、ベース保持体２とほぼ同様の樹脂組成物であり、さらに、上述したものと同様、リン酸アンモニウム系の難燃剤を１０重量パーセントと、難燃助剤としてテフロン（登録商標）微粉末を０．３重量パーセントからなり、Ｔダイ押し出しにより得られ、５０〜６０ミクロンの厚みを有しており、上述した電極３及び高分子抵抗体４に貼り合わせ、発熱体１を作成した。

この構成により、自動車用難燃規格（ＦＭＶＳＳ３０２）の評価を行ったところ、柔軟性保持体２及び５に難燃剤を全く使用していない場合に比較して、燃焼速度を半分まで抑えられることを確認した。またカーシートのクッション材に貼り合わせ難燃性評価を行ったところ、難燃化の規格条件をクリアできた。また発熱体１の柔軟性は難燃性を付与した場合であっても損なわれることなく、柔軟性と難燃性を満足するものであった。

難燃性能としては、難燃剤の添加濃度は高いほど高い難燃性を付与できる。しかしながら難燃剤を多く添加すると被覆材の柔軟性が損なわれたり、また加工コストがかさむことが考えられる。

難燃剤に要求される最大の特性は、難燃特性はもとより、高分子抵抗体の電気特性（抵抗値、ＰＴＣ特性を有する場合には抵抗温度特性）に影響を与えないことである。難燃剤種としては、リン系、リン＋窒素系、窒素系などの有機系難燃剤やホウ素化合物、酸化アンチモン、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの無機系の難燃剤を利用することができる。中でも難燃剤として、リン系難燃剤、窒素系難燃剤のいずれか、またはこれらを組み合わせて用いたものが有効であった。ハロゲン系難燃剤は、電極として用いている銀との反応性が悪く、また環境問題の点で取り扱わなかった。特に、リン系難燃剤として、リン酸アンモニウム、窒素系難燃剤としてトリス−（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレートを組み合わせて用いたものは難燃効果も高く有効であった。

また、リン酸アンモニウム構造を有する難燃剤は２５０℃程度の高温まで熱分解しにくいものもあり、加工性の点で有利であると考えられる。その他難燃剤以外の添加剤としては、ＰＴＣ特性や柔軟性、難燃性を阻害しない範囲で適宜用いることができ、例えば流動性付与剤、難燃助剤、発泡防止剤、酸化防止剤、分散剤などを挙げることができる。流動性付与剤としては、フッ素系化合物、シリコーンの改質剤のいずれか、またはこれらを組み合わせて用いることができる。フッ素系化合物はリンの難燃助剤としてその機能を発現する場合もあり併用して用いられる場合がある。

その他の難燃助剤としては酸化アンチモンなどが挙げられる。発泡防止剤として、生石灰、シリカゲル、ゼオライトの粉末のいずれか、またはこれらを組み合わせて用いることができる。酸化防止剤としてはヒンダードフェノール系やアミン系、イオウ系などのいずれか、またはこれらを組み合わせて用いることができる。また分散剤としては、ステアリン酸の金属塩などを用いることができる。

また、柔軟性被覆材として使用される難燃性樹脂フィルムの作成方法としては、Ｔダイ以外に、インフレーション法やプレス法、延伸法などにより得ることができる。

（実施の形態２）
図２は、本第３の発明における高分子発熱体の概略切り欠き構成図を示すものであり、図２（ａ）は平面図、図３（ｂ）は（ａ）のｘ−ｙ線断面図である。

図２において、発熱体６の構成は以下の通りである。本発明におけるベース保持体並びにカバー保持体は、それぞれ電極あるいは高分子抵抗体を被覆する樹脂フィルムと、樹脂フィルムの外表面を被覆する保護部材を用いた場合であり、本実施の形態としては、保護部材のみを難燃化処理した場合について具体的に示す。

ベース側の保護部材７は、難燃剤を共重合したポリエステル繊維（東洋紡績（株）製）から形成したスパンレース（目付４０ｇ／ｍ^２）と、伸びを規制する方向（電極の主電極の長手方向）に配置したポリエステルのストレート繊維（新日石プラスト（株）、目付２０ｇ／ｍ^２）とをサーマルボンドにより作製したスパンボンド（目付６０ｇ／ｍ^２）である。ベース側の樹脂フィルム８は、オレフィン系の熱可塑性樹脂７０部とオレフィン系の接着性樹脂３０部からなる樹脂組成物からなり、Ｔダイ押し出しにより５０〜６０ミクロンの厚みを有し、ベース側の保護部材７に貼り合わされ一体化されたベース保持体が形成される。

このベース側の保護部材７とベース側の樹脂フィルム８からなるベース保持体上に銀ペーストの印刷・乾燥により一対の櫛形の電極３と、電極３により給電される位置に高分子抵抗体インクの印刷・乾燥により高分子抵抗体４を作製した。高分子抵抗体は、ＰＴＣ特性を有し、発熱温度が４５℃程度に成るように作製されている。高分子抵抗体インクは、エチレン酢酸ビニル共重合体を数種類組み合わせ、カーボンブラックを混練・架橋したものにアクリロニトリルブチルゴムをバインダーとして溶剤でインク化して作製した。

カバー側の樹脂フィルム９は、ベース側の樹脂フィルム７とほぼ同様の樹脂組成物であり、Ｔダイ押し出しにより５０〜６０ミクロンの厚みを有し、カバー側の保護部材１０に貼り合わされる。カバー側の保護部材１０は、液状の難燃剤を含浸・乾燥してなる難燃剤含浸ポリエステルからなるニードルパンチ（目付１５０ｇ／ｍ^２）とした。カバー側の樹脂フィルム９とカバー側の保護部材１０とを予めラミネーターにより貼り合わせたものを用いてカバー保持体を構成し、電極３及び高分子抵抗体４を密閉して発熱体６を作製した。

この構成により、自動車用難燃規格（ＦＭＶＳＳ３０２）の評価を行ったところ、不燃性を確認した（水平に配置、端面より着火、標線３８ｍｍまで達することなく燃焼停止）。また発熱体６の柔軟性は損なわれることなく、柔軟性と難燃性を満足するものであった。

難燃性を付与した柔軟性基材としては、上述したように分子内に難燃剤を共重合したものや、難燃剤を含浸させたもの、またはこれらを組み合わせたものを用いることができる。分子内に難燃剤を共重合したものは限られた種類の難燃剤しか用いることができないが、液状の難燃剤は種々市販されており、タイプの異なる難燃剤を組み合わせて効果的な難燃性を持たせることができる。

また、本実施の形態では基材のみを難燃化処理した場合を示したが、樹脂フィルムを難燃した場合であっても良いことは言うまでもない。また条件や基材、被覆材の難燃化比率によっては、上下とも同一の難燃剤含有量にする必要はなく、どの様な比率の組合せであっても良い。それら難燃化の比率は、発熱体を加工する際の量産加工性や量産時のコストによって決まることが多い。また本実施の形態では上下に柔軟性基材を有した場合について記述したが、最終製品に準じた形態でどちらか一方にのみ基材を有する場合であっても構わない。

また、樹脂フィルムと保護部材との貼り合わせを、Ｔダイ押し出し、接着芯、または接着剤のいずれか、またはこれらを組み合わせて強度を調整することにより、柔軟性を付与できる。通常、Ｔダイ押し出しによるフィルムと、不織布や織布との貼りあわせは、一段で加工ができるために低コストで魅力があるが、そのままではフィルム樹脂が高温で流動性の高い状態で不織布に接触するためにフィルム樹脂が不織布内に含浸する。不織布として用いているポリエステル繊維どうしが滑ることで柔軟性を発揮しているが、フィルム樹脂含浸によりこの滑りを抑制することで柔軟性が損なわれる。それをＴダイ押し出しによる樹脂含浸量の調節により、柔軟性を発現できることを見出した。熱融着性樹脂によりネット状に構成された接着芯では不織布とフィルムとの接合が部分的となるので柔軟性を維持できる。接着剤を用いれば、スプレーコート等によって塗布量が少なく、柔軟な接着剤、例えばスチレン系エラストマー等を用いることができるため、柔軟性に優れた発熱体を提供できる。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、本第１及び第７の発明における高分子抵抗体が難燃かされた場合についての構成を示す。構成例としては図１と同様である。

本実施の形態における発熱体１の構成は以下の通りである。２は、ベース保持体として、オレフィン系の熱可塑性樹脂７０部とオレフィン系の接着性樹脂３０部からなる樹脂組成物で、Ｔダイ押し出しにより５０〜６０ミクロンの厚みを有する。この時その後の加工工程での扱い上、離型紙などで平面性を保持した状態で用いることもできる。このベース保持体２上に銀ペーストの印刷・乾燥により一対の櫛形の電極３と、電極３により給電される位置に高分子抵抗体インクの印刷・乾燥により高分子抵抗体４を作製した。高分子抵抗体はＰＴＣ特性を有し、発熱温度が４５℃程度に成るように作製されている。高分子抵抗体インクは、エチレン酢酸ビニル共重合体を数種類組み合わせ、カーボンブラックを混練・架橋したものにアクリロニトリルブチルゴムと、難燃剤として膨張性黒鉛を有する膨張材とを加え、バインダーとして溶剤でインク化した後作製した。

また、カバー保持体５は、ベース保持体２とほぼ同様の樹脂組成物であり、Ｔダイ押し出しにより得られ、５０〜６０ミクロンの厚みを有し、上述した電極３及び高分子抵抗体４に貼り合わせ、発熱体１を作成した。

この構成により、自動車用難燃規格（ＦＭＶＳＳ３０２）の評価を行ったところ、高分子抵抗体に難燃剤を全く使用していない場合に比較して、燃焼速度を半分まで抑えられることを確認した。またカーシートのクッション材に貼り合わせ難燃性評価を行ったところ、難燃化の規格条件をクリアできた。また発熱体１の柔軟性は損なわれることなく、柔軟性と難燃性を満足するものであった。

本実施の形態においては、高分子抵抗体のみに難燃性を付与させる場合について紹介したが、実施の形態１及び２で記述した構成との組合せ、つまりベース保持体やカバー保持体、高分子抵抗体の全てに難燃機能を付与させても、さらに難燃性能が向上するため都合よい。

以上のように、本発明にかかる発熱体は、柔軟性と難燃性を併せ持つ安全性の高い発熱体を提供できるので、カーシートヒータやハンドルヒータ等への応用展開が可能となる。

（ａ）本発明の実施の形態１における発熱体の構成を示す切り欠き平面図（ｂ）同発熱体の断面図（ａ）本発明の実施の形態２における発熱体の構成を示す切り欠き平面図（ｂ）同発熱体の断面図（ａ）従来の発熱体を示す平面図（ｂ）同発熱体の断面図

符号の説明

１、６、１１発熱体
２ベース保持体
３電極
４高分子抵抗体
５カバー保持体
７ベース側の保護部材
８ベース側の樹脂フィルム
９カバー側の樹脂フィルム
１０カバー側の保護部材
１２ベース材
１３カバー材
１４熱融着性樹脂

Claims

柔軟性を有する、ベース保持体及びカバー保持体と、前記ベース保持体及び前記カバー保持体とに狭持された一対の電極と、該一対の電極間に形成されたＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体とを備え、前記ベース保持体、前記カバー保持体及び前記高分子抵抗体の少なくとも一つが難燃性を有する高分子発熱体。
ベース保持体及びカバー保持体の少なくとも一方が、樹脂フィルムである請求項１記載の高分子発熱体。
ベース保持体及びカバー保持体の少なくとも一方を、樹脂フィルムとし、該樹脂フィルムの外表面を保護部材で被覆した請求項１記載の高分子発熱体。
保護部材は難燃性を有する、織布あるいは不織布である請求項３記載の高分子発熱体。
ベース保持体とカバー保持体の少なくとも一方が、熱可塑性樹脂である請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子発熱体。
難燃性が、リン系難燃剤、窒素系難燃剤のいずれかまたはこれらを組み合わせて発現される請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子発熱体。
ＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体には、結晶性重合体、導電性微粉末及び難燃剤が含まれている請求項１〜６のいずれか１項に記載の高分子発熱体。
難燃剤には、膨張性黒鉛が含まれている請求項７記載の高分子発熱体。
ベース保持体及びカバー保持体の少なくとも一方が、樹脂フィルムと保護部材からなる場合の貼り合わせを、Ｔダイ押出し、接着芯、または接着剤のいずれかを用いるか、またはこれらを組み合わせて用いてなる請求項３記載の高分子発熱体の製造方法。
電極及びＰＴＣ特性を有する高分子抵抗体に、Ｔダイ押し出しにより樹脂フィルムを貼り合わせた後、接着芯、接着剤のいずれかにより、前記樹脂フィルムに保護部材を貼り合わせてなる請求項３または９に記載の高分子発熱体の製造方法。