JP2849405B2 - 導電性発熱体 - Google Patents

導電性発熱体

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発熱性塗料又はペースト及びそれより得られ
た発熱体、特に低電圧で適用可能な発熱体に関する。
〔従来の技術〕
従来、導電性微粉末とバインダーからなる導電性シー
ト或いは塗膜を有する発熱体は種々知られており、導電
性微粉末としてカーボングラック、グラファイト、金属
或いは金属酸化物の微粉末が用いられている（特開昭60
−59131号公報、特開昭54−149758号公報等）。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来のカーボングラック或いはグラファイトを導電性
微粉末として用いる発熱体は、一般商用電圧100〜200V
用には使用できるが、電源が電池の如き低電圧（1.2〜2
4V）用にはそのカーボングラック或いはグラファイトの
抵抗が高すぎるため発熱せず、使用できない。発熱体の
抵抗（Ω）を前記カーボングラック或いはグラファイト
微粉末を含有する発熱体の数10分の１から数100分の１
にするには金属粉が着目され得る。
しかしながら、これらの金属粉末は微粉化しても塗料
液に混合すると金属の比重が高いために導電性塗料とし
て保持している間、又は液状塗料膜が固化する製造過程
で金属微粉末が下部に沈殿する。したがって、金属粉を
用いて発熱体を製造する場合、均一な発熱面を得ること
が困難となる。又、この沈殿を防止するために増粘剤や
沈殿防止剤を該塗料に混合することが考えられるが、こ
れら従来の増粘剤や沈殿防止剤では、これらの金属粉末
を有効に分散させることはできず、部分的に抵抗の異な
る導電性発熱性塗膜しか得られないため、均一な温度分
布が要求される面状発熱体（Surface Heater:S.H.）に
は不向きとなる。
従って今日、電池を用いるような、低電圧の面状発熱
体は実用化されていないのが現状である。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は低電圧で使用可能なすぐれた発熱体を得るべ
く、種々研究の結果、中空の樹脂粉末或いはガラス中空
微粉体に金属をメッキしたものが、発熱塗膜中に均一に
分散でき、低電圧で使用できる発熱体が得られることを
見出し、本発明に到達したものである。
即ち、本発明は、（１）ガラス又は耐熱性樹脂の中空
球状微細粒子に金属をメッキした嵩密度0.2〜0.9未満
（g/cm3）の導電性球状体粒子と合成樹脂バインダーか
らなる導電性発熱性塗料又はペースト、（２）ガラス又
は耐熱性樹脂の微細中空球状微細粒子が４〜350μφで
ある請求項１記載の発熱性塗料又はペースト、（３）金
属メッキの厚さが0.03〜0.8μｍである請求項１記載の
発熱性塗料又はペースト、（４）導電性球状体粒子100
重量部に対して合成樹脂バインダー30〜360重量部の割
合である請求項１記載の発熱性塗料又はペースト、
（５）合成樹脂バインダーがシリコン樹脂、ウレタン樹
脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂から選択されたもの
である請求項１記載の発熱性塗料又はペースト、（６）
所望の形状の固体又は固体表面を請求項１、２、３、
４、又は５記載の塗料又はペーストで塗布或いは浸漬処
理して得られた導電性発熱体、（７）所望の形状の固体
又はその表面を請求項１、２、３、４、５又は６記載の
塗料又はペーストで塗布又は浸漬し、ついで70℃〜350
℃の温度で硬化することを特徴とする請求項６記載の導
電性発熱体の製造方法に関する。
本発明のガラス又は樹脂中空球状微細粒子は、例え
ば、ガラスではスコッチライト（登録商標）グラスバル
ブ（S60/10000等、住友スリーエム株式会社製）等が、
樹脂ではポリメタクリル酸メチル（PMMA）、ポリスチレ
ン等が挙げられる。
これらのガラスはソーダ石灰硼珪酸ガラス（SiO254,A
l2O314,BeO38.3,FeO30.2,Na2O0.5,MgO1,CaO22）等であ
り、又耐熱性樹脂は、ポリアミド樹脂等が用いられる。
これらガラス又は耐熱性樹脂の中空球状微細粒子の大
きさは４〜350μφが適当であり、好ましくは10〜200μ
φである。４μφ以下では面状発熱体としての抵抗
（Ω）が過大になり、350μφ以上では分散が困難とな
るので好ましくない。又、中空体のガラス又は樹脂の厚
みは0.5〜２μであることができる。
これらのガラス又は樹脂の中空球状微細粒子への金属
メッキは無電解メッキ法、又は無電解メッキ法と電解メ
ッキ法の併用等で行なわれるが、中空球状微細粒子の表
面をコートし、その作用機能を同じくするものであれば
いずれの方法のものも採用できる。金属メッキをする場
合の金属の種類は、Pt、Au、AgおよびNiが適当である。
他の金属、例えばCu、Sn等は発熱体の使用中に酸化され
電気抵抗が上昇するため適当でない。
金属のうち、コスト及び品質の安定性の双方を満足さ
せ得るものはAgであった。
金属メッキの厚さは特に限定されないが、コスト及び
分散性を考慮して選択することができ、0.03〜0.8μｍ
程度がよく、好ましくは0.1〜0.3μｍである。この厚さ
が0.03μｍ以下では抵抗（Ω）が過大になり、0.8μｍ
以上となると分散が困難になり、そのためコストアップ
することになる。
金属メッキされたガラス又は樹脂の中空球状微細粒子
粉末の嵩密度は合成樹脂バインダーと同程度のものであ
り、0.2〜0.9未満（g/cm3）であり、0.2以下だと偏折
（segregation）し強度不足となり、又0.9以上となると
沈殿するため分散性が悪く好ましくない。
導電性物質の合成樹脂バインダーとしては熱可塑性、
熱硬化性及び電子線硬化樹脂が用いられ、その発熱体の
適応分野に応じて適宜に選択することができる。熱可塑
性樹脂としては、軟化点が15℃以上、平均分子量が数千
〜数十万のものであり、熱軟化性樹脂又は反応型樹脂と
しては塗布液の状態では200,000以下の分子量であり、
塗布乾燥後、加熱により縮合、付加等の反応により分子
量は無限大のものとなる。又ラジカル重合性を有する不
飽和二重結合を示すアクリル酸、メタクリル酸、あるい
はそれらのエステル化合物のようなアクリル系二重結
合、ジアリルフタレートのようなアリル系二重結合、マ
レイン酸、マレイン酸誘導体等の不飽和結合等の、放射
線照射による架橋あるいは重合乾燥する基を熱可塑性樹
脂の分子中に含有または導入した放射線軟化系樹脂を用
いることができる。
これらの合成樹脂は例えば、ポリイミド樹脂、ポリア
ミド樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、シリコーン
樹脂、ポリチタノカルボシラン樹脂、フェノール樹脂、
エポキシ樹脂、ポリパラバン酸樹脂、ポリウレタン樹
脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹
脂、ポリフェニレンサルフィド樹脂、ポロフロン樹脂、
ポリオレフィン樹脂、塩ビ樹脂等であり、塗膜又は被膜
の所望の目的温度に応じて軟化温度或いは分解温度を有
する樹脂を選択することができる。
本発明の導電性中空球状微細粒子粉末と合成樹脂バイ
ンダーの量割合は、所望する発熱温度、発熱面の大きさ
等により、該導電性微細粒子粉末、及び合成樹脂の種類
及び組合せ等により種々選択されるが、一般的には該導
電性微細粒子粉末100重量部（以下部と略す）に対し
て、25〜330部好ましくは30〜200部である。
合成樹脂の割合が25部以下では抵抗値の小さいものが
得られ、高温の発熱体（広い発熱面をもつものに応用で
きる）が得られるが、塗膜強度が不足すると共に電気抵
抗の温度係数が小さくなって、温度むらが生じやすい。
一方、合成樹脂の量が330部以上では発熱に必要な電流
が得られず（抵抗値が過大になって）実用に適さないも
のとなる。
本発明において使用可能な印加電圧は0.5〜200Vであ
り、使用可能な印加電圧は合成樹脂バインダーと導電性
微粉末の割合及び膜厚を変える等により調節することが
でき、例えば低電圧電池用には膜を厚くし、又導電性微
粉末の量割合を多くすることにより調節することができ
る。本発明では、発熱体の表面温度を塗料配合、塗布厚
さ、印加電圧等の組合せにより最大約450℃までの任意
温度に（環境温度−30℃〜40℃で）長時間安定して得る
ことができる。
この発明の導電性微細粒子粉末と合成樹脂とを主成分
とする塗料は各種塗装方式、例えば、はけぬり塗装、ロ
ーラー塗装、吹き付け塗装、静電塗装、電着塗装或いは
粉体塗装等の塗装剤に又は浸漬用に応じて他の添加剤或
いは補助剤を加えることができる。これらの添加剤、補
助剤は、例えば希釈溶剤、沈降防止剤或いは分散剤、酸
化防止剤、他の顔料その他の必要な添加剤であることが
できる。
希釈溶剤としては、塗料に使用される溶剤、例えば脂
肪族炭化水素、芳香族石油ナフサ、芳香族炭化水素（ト
ルエン、キシレンなど）、アルコール（イソプロピルア
ルコール、ブタノール、エチルヘキシルアルコール
等）、エーテルアルコール（エチルセロソルブ、プチル
セロソルブ、エチレングリコールモノエーテル等）、エ
ーテル類（ブチルエーテル）、酢酸エステル、酸無水
物、エーテルエステル（エチルセロソルブアセテー
ト）、ケトン（メチルエチルケトン、メチルイソブチル
ケトン）Ｎ−メチル２−ピロリドン、ジメチルアセトア
ミド、テトラヒドロフラン等が使用される。これらはバ
インダーである合成樹脂に応じて適宜、好ましいものが
選択される。この希釈溶剤の使用量は樹脂100部に対し
て400部以下の範囲で選択される。
必要により用いる沈降防止剤としては、メチルセルロ
ーズ、炭酸カルシウム、変成ペントナイト微粉等が挙げ
られ、又分散剤としては、各種界面活性剤が使用され、
アニオン系活性剤（脂肪酸塩類、液体脂肪油硫酸エステ
ル塩類）、カチオン系活性剤（脂肪族アミン塩類、第４
級アンモニウム塩類）、両性系活性剤或いはノニオン系
活性剤が挙げられる。又塗料又はペーストの乾燥固化又
は硬化を短時間で容易に行なうために硬化剤を加えるこ
とができる。
これらの硬化剤は樹脂に応じて、それぞれ選択し得、
脂肪族、或いは芳香族ポリアミン、ポリイソシアネー
ト、ポリアミド、アミン、チオ尿素、酸無水物などの通
常の硬化剤が用いられる。
その他、安定剤、可塑剤、酸化防止剤などが適宜に用
いられる。
本発明の導電性発熱性塗料又はペーストは、プラスチ
ック、セラミックス、木質、繊維、紙、電気絶縁被覆し
た金属材料その他の基剤から形成される所望の形状の固
体或いは固体表面に塗布或いは浸漬して発熱体を製造す
ることができる。
本発明の塗料には導電性球状体粒子と合成樹脂（エポ
キシ樹脂、塩ビ樹脂等）とがペースト状や固形粉体状の
混合も含まれ、ペースト状となる場合には、押出しある
いはロール成形することもでき、又粉体状の混合物とな
る場合はそのまま例えば二重パイプの隙間に注入する等
して成形する方法をとることもでき、導電性粉末と合成
樹脂との混合物から公知の方法で発熱体を成型する方法
は当然本発明にも適用できるものである。
例えば、２本以上の金属製端子を固定した電気絶縁被
覆した金属材料、セラミックス、プラスチックス、木質
体又はそれらの組合せ体の基台に、本発明の塗料を約0.
2mm〜3.5mmの厚さに塗布する（硬化後の塗膜厚0.1mm〜3
mm）。
前記基台の形状は平面、曲面ともに格別限定されず、
線状、棒状、円筒状、平面状、又はその他の３次元曲面
状のものからなる発熱体とすることができる。
基台表面はセラミックス皮覆が望ましいが、150℃以
下の所望温度であれば、木質によっても使用可能な場合
がある。さらに木質、又はプラスチック体又は金属体
に、セラミックスを表面被覆し、複合体とする等の組合
せ体も可能である。
塗布される固体表面が広く、ハケ塗り、ロール塗り、
スプレイ塗りをする時には、塗料の流動性を上げて作業
性をよくする。この場合は希釈用に溶媒を伝導粉末の合
計100部に対して、400部以下の範囲で混合することがよ
く、それ以上では塗料がながれすぎて所定の塗膜又は被
膜厚さになりにくく、所望の塗膜表面温度をうるのに適
当でない。
塗膜又は被膜の表面固化又は硬化は約350℃〜70℃の
温度で硬化或いは乾燥固化するか或いは電子線（放射
線）硬化される。
乾燥固化或いは硬化を約350℃〜70℃で充分な時間を
かけると、平滑な所定厚さの膜がえられる。それより高
温では、発砲、波動、亀裂、変質の危険があり70℃以下
では長時間を要するので好ましくない。
膜厚約0.2mm〜3.5mmに塗布して、該塗料を350℃以下
の温度で反応硬化させると約0.1mm〜3.0mm厚さの乾燥固
化した塗膜又は被膜を得て、低温は勿論、高温の電気抵
抗発熱塗膜体を得る。塗布厚は約0.1mm〜3.0mmが好まし
く0.1mm以下では電気抵抗が過大となり、単位面積当り
電力が過小となり、又膜強度が不足し、3.0mm以上で
は、粒子の沈降分離が起って偏析しやすく、又均一な塗
膜又は被膜が得られにくい。この塗膜又は被膜の金属端
子間の電気抵抗は、前述のとおり常温で0.1〜300Ω／□
（Ω／□とは正方形面積に対する電気抵抗値を表わす）
である。
漏電の心配がある場合は、発熱塗膜又は被膜体の上に
電気絶縁皮膜を強度上必要限度に薄くカバーする。厚す
ぎると熱の移動が妨げられる。
又、繊維、又は紙を本発明の金属メッキ中空球状微細
粒子と合成樹脂とを含有する塗料又はペーストで処理す
ることにより、同様に発熱体とすることができる。
又電子線（放射線）及び硬化性樹脂を用いることによ
り、すぐれた表面性を有する発熱体を得ることができ
る。
本発明の導電性発熱性塗料又はペーストでは、金属メ
ッキ中空球状微細粒子及び合成樹脂の種類、配合比及び
膜厚とそれらの組合せを選択することにより、更に発熱
面積を選択したり、又使用電圧を選択することにより、
発熱体の温度を所望の温度に調節することができる。
〔作用〕
本発明の導電性発熱性塗料は自己温度制御作用があ
り、サーモスタット等の制御装置が不要であるという作
用効果があり、特に厳密に塗膜又は被膜の厚さを均一化
する必要がなく、所望の形状の固体表面を手塗りで塗膜
が形成でき、又、所望の形状の含浸性固体物質（繊維、
紙）に浸漬して発熱体を製造できるので、種々の分野、
例えば室内壁面、床、屋根、炉内面、管内外面、カーペ
ット、毛布、簡易ヒーター、保温器、凍結防止器、信号
カバー、鍋等で広く利用される発熱体とすることができ
る。特に暖房、保温、加熱部品のものとして、すぐれた
発熱体とすることができる。そして、本願発明では、自
己温度制御作用があるので、サーモスタット等の制御装
置を設けることなく、約450℃迄の間の温度範囲におい
て、所望の温度に自由に調節でき、又広い発熱面から狭
い発熱面にわたり、又種々の形状及び面（凹凸面等、含
めて）において、均一の温度分布を有する発熱体とする
ことができる。
実施例 本発明を実施例にて更に詳細に説明するが、本発明は
これらの例に限定されるものでないことは言う迄もな
い。
実施例１ ガラス（ソーダ石灰硼珪酸）の中空球状粒子（30〜70
μφ）に無電解メッキ法によりAgメッキ（メッキ厚0.1
〜0.2μｍ）して得た嵩密度0.6〜0.8（g/cm3）の導電性
Agメッキガラス中空球状粒子粉末（PM）とバインダーと
して各種樹脂（Ｒ）を用いた場合のR/PMとΩ／□の関係
を第１図に示す。これは両端に端子を設けた3cm×3cmの
ガラス板上にPM100部に対して、Ｒを50部、100部、200
部及び300部配合した塗料を用いて膜厚1mmの発熱体を製
作し、Ω計によってその抵抗Ω／□を測定すると、上下
二つの曲線の範囲に入る。樹脂の種類により抵抗が相違
し、例えばR/P.M＝２において、高抵抗のものでは常温
で10Ω／□を示し（常温硬化１液型シリコン、ウレタン
樹脂等）、低抵抗のものでは３Ω／□を示した（不飽和
ポリエステル樹脂）。エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、
ポリフロン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、オ
リチタノカルボシラン樹脂、ポリフェニレンオキサイド
樹脂等は中間に入り、樹脂の種類や製造条件によって変
った値を表し、この２つの曲線の間の範囲であることが
わかった。
これから明らかなように樹脂バインダーを増すと抵抗
Ω／□が増加することがわかり、樹脂の種類、割合によ
り、種々の温度の発熱体を得ることができることを示す
ものである。
実施例２ 実施例１と同様にして得られたAgメッキガラス中空球
状粉末〔30〜70μφ、0.1〜0.2μｍメッキ厚、嵩密度0.
6〜0.8（g/cm3）〕100部に硬化剤ドデセニル無水コハク
酸（DDSA）を配合した１液性エポキシ130部配合して得
られた導電性塗料を用い、これを10cm×10cmガラス基板
に2mm厚に塗布し、100℃で硬化して得られた面状発熱体
におけるΩ／□と温度の関係は第２図に示すとおりであ
る。第２図は、温度が50℃を超えると急激に抵抗値（Ω
／□）が上昇し、電流が低下し、70℃以上の温度にはな
らなくなり、その温度において加熱が持続することを示
すものであり、この発熱体は自己温度制御（PTC:Positi
ve Temperature Coefficient）作用があるものである。
この発熱体に6Vの電圧を印加すると55℃の表面温度とな
った（室温18℃）。
この実験から推定すると10Ω／□の塗膜は100Vを印加
すると172cm×172cmサイズを55℃に昇温することができ
る。
実施例３ Agメッキガラス中空球状粉末〔30〜70μφ,0.1〜0.2
μｍメッキ厚、嵩密度0.6〜0.8（g/cm3）〕100部に対し
て60部のポリアミド樹脂からなる塗膜を95％Al2O3のセ
ラミック板（20cm×20cmサイズ,2cm厚）に形成して24Vo
lt（144W）を板両端に平行して塗膜に埋め込んだ銅電極
に印加すると210℃の高温を得た（室温20℃）。100Vを
印加すると144Wが2,500Wになり、約80cm×80cmサイズ21
0℃になって従来考えられなかった大面積のS.H.が可能
になった。これに対して、従来のS.H.は15cm×30cm、10
0V,200℃,SiC,Ni−Cr発熱体が最大寸法である。
【図面の簡単な説明】
第１図は樹脂と導電性粉末との割合に対する抵抗を示す
グラフ、第２図は本発明の発熱体の6Vにおける発熱温度
と電気抵抗の関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｃ０９Ｄ 177/00 Ｃ０９Ｄ 177/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガラス又は耐熱性樹脂の中空球状微細粒子
    に金属をメッキした嵩密度0.2〜0.9未満（g/cm3）の導
    電性球状体粒子と合成樹脂バインダーからなる導電性発
    熱性塗料又はペースト。
  2. 【請求項２】ガラス又は耐熱性樹脂の微細中空球状微細
    粒子が４〜350μφである請求項１記載の発熱性塗料又
    はペースト。
  3. 【請求項３】金属メッキの厚さが0.03〜0.8μｍである
    請求項１記載の発熱性塗料又はペースト。
  4. 【請求項４】導電性球状体粒子100重量部に対して合成
    樹脂バインダー30〜360重量部の割合である請求項１記
    載の発熱性塗料又はペースト。
  5. 【請求項５】合成樹脂バインダーがシリコン樹脂、ウレ
    タン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂から選択され
    たものである請求項１記載の発熱性塗料又はペースト。
  6. 【請求項６】所望の形状の固体又は固体表面を請求項
    １、２、３、４又は５記載の塗料又はペーストで塗布或
    いは浸漬処理して得られた導電性発熱体。
  7. 【請求項７】所望の形状の固体又はその表面を請求項
    １、２、３、４又は５記載の塗料又はペーストで塗布又
    は浸漬し、ついで70℃〜350℃の温度で硬化することを
    特徴とする請求項６記載の導電性発熱体の製造方法。
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