JP4846904B2 - 導電性材料 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は導電性材料に係り、特に、加熱手段の目的で使用される導電性材料に関する。
【０００２】
導電性である物質が熱を発生できることは古くから知られている。この現象は様々な目的の多様な加熱方法をもたらしてきた。
【０００３】
大型電気ヒーターは一般的に有用であり、その意図される目的以上に成功を収めているが、ホットスポットやコールドスポット、又はそれら領域が実質的に無い、広範な領域を均一に加熱する効果を得ることは困難であった。
【０００４】
このような理由から、広い目的に利用できるシート又はウェブ状の電気ヒーターの作製が試みられている。しかし、導電性材料として最も有用な形状はキャリアあるいは基材に埋め込まれた、あるいはコートされた炭素粒子又はカーボンブラックである。均一な加熱効果を得るためには、より高密度あるいは高濃度の炭素粒子が利用されるが、その直接的な結果として材料は、より低柔軟性で、より脆弱になるため、広範囲に利用できる材料への適用の妨げとなっている。
【０００５】
本発明の第１の目的は、各種導電性ヒーターの好適である、各種物理的形状に利用できる出発またはバッチ材料を提供することである。
【０００６】
本発明の第２及びその他目的は、出発またはバッチ材料を各種目的に合った導電性ヒーターである製品に変形することである。
【０００７】
本発明の第１の観点によれば、柔軟性半導電性材料はエラストマーポリマー中に均一に分散された細分割された炭素粒子を、乾燥重量８０％ないし２５％のエラストマーポリマーレベルに対し、乾燥重量で２０％ないし７５％の炭素粒子レベルで含み、この材料は吸着防止化合物を含む。
【０００８】
乾燥重量８０％ないし６０％のキャリアレベルに対し、乾燥重量２０％ないし４０％の炭素粒子レベルが利用できる。
【０００９】
本発明の別の特徴によれば、半導電性フィルムまたはコーティングは、炭素充填されたエラストマーポリマー、好ましくは乾燥重量５７％ないし２７％のポリマーレベルに対し乾燥重量４３％ないし７３％の炭素粒子レベルを持ち、好ましくは乾燥重量６５％に対し乾燥重量６０％を持つポリマーを含む。更に好ましくは、炭素粒子レベルは乾燥重量５７％である。
【００１０】
エラストマーポリマーは脂肪族ポリウレタン溶液であり、望ましくは炭素粒子はそれがポリウレタン溶液に添加する前に、微粉砕されることなく混合される。
【００１１】
特別な適用に必要とされる場合には、難燃材料を具備し得る。
【００１２】
本発明の別の観点によれば、柔軟性半導電性ヒーターに適した化合物の形成方法は、微細炭素粒子を吸着防止化合物を含むボリマーベースに撹拌し、乾燥重量８０％ないし２５％のポリマーに対し、乾燥重量２０％ないし７５％の対ポリマー 炭素粒子レベルを得ること、所定のレベル以下の混合物を維持しながら、得られた混合物を、所定時間、所定の高速攪拌に供し、所定の最終的な細かさまで炭素粒子を粉砕することを含む。所定のレベルは２５℃を越えない。
【００１３】
必要な炭素粒子レベルは、ポリマーレベルに対し乾燥重量で２０％ないし４０％であるが、好ましくは、炭素レベルは、ポリマーに対し乾燥重量で４３％ないし７３％であり、さらに特に好ましくは乾燥重量で５７％である。
【００１４】
得られた混合物は、チキソトロープ性の流動特性を示し、そして必要に応じて、混合物の粘度は、例えばジメチルホルムアミド等の好適な溶媒の添加によって低減し得る。
【００１５】
好ましくは、カーボンブラック粒子は、約３０ Ｅｎ ｎｍの粒子サイズを有する。好適な吸着防止化合物は、ポリプロピレングリコール及び必要な分子量のポリエチレングリコールを含む群から選択され得る。この工程終了後、好適ポリマー液、例えば脂肪族ポリウレタンが、カーボンブラックに対するポリマーの割合が乾燥状態で１：０．５７になる様にマスターバッチに添加される。その後、最終化合物をコーティング工程にかける前に再濾過する。
【００１６】
カーボンブラックの低速撹拌の持続時間は重要ではないが、高速撹拌は、３０分を越えないことが望ましい。
【００１７】
混合物を調製した後、直ちに、サンプルを取り、それを２００メッシュのフィルターに、好ましくは低圧の置換ポンプを使って通し、Ｈｅｃｋｍａｎゲージを使用して確認し、混合中に炭素粒子の凝集を生じなかったことを確実にする。凝集が検出された場合には、混合物を更に高速撹拌にかける。
【００１８】
好ましくは、調製された出発またはバッチ材料は、混合物を３００メッシュのフィルター布に、例えば低速、低圧容積式ポンプを使って通すことにより最終濾過工程に供し、その段階で、フィルター布上に残渣が残らず、炭素粒子の残余凝集体が存在するのみという状態にする必要がある。
【００１９】
原材料又はバッチ材料がジメチルホルムアミドを溶媒として利用し、ポリエチレンまたはポリエチレングリコールをポリマーベースに利用する場合には、コーティングまたはベース、あるいはキャリア材料として利用される理想的な材料を構成する。
【００２０】
本発明の別の観点によれば、ウェブまたはシートは、上記の最終化合物の一定量をトランスファーコーティングの手法により剥離紙に適用、一平方メートル当たり乾燥重量で９０ないし１００ｇの範囲の化合物の均一なコーティング又はフィルムを得、続いてそのウェブまたはシートを１１０℃から１５０℃に漸次加熱に供し、溶媒を制御しながら飛ばすことによって形成され、ピンホールの無いコーティングまたはフィルムを得る。
【００２１】
電気伝導率のように、これにより得られる加熱効果は、コーティング又はフィルムの厚みの関数であることから、上記の工程は所望のコーティング、又はフィルムの厚さが得られるまで繰り返される。
【００２２】
この段階では、網状化がないことを確実にするために、十分に注意しなければならず、最終化合物は剥離紙上にドクターブレードを使って塗布されることが望ましいことから、同様に、ブレードのエッジに汚れやゴミがないことを確実にし、コーティングまたはフィルム中に窪みのラインが形成し、広がることを防ぐことが重要である。
【００２３】
望ましくは、剥離紙は艶消し等級であり、非型押しシリコンコーティング紙である。
【００２４】
本発明のさらにまた別の観点によれば、導電性ヒーターの目的に利用できる柔軟ファブリックは、その上を被覆する最終化合物コーティングを持つ剥離紙に、さらに一定量の最終化合物を作用させ、剥離紙を柔軟なファブリックキャリアシート又はウェブに載せ、その複合体を、固定ギャップローラーに通し、その化合物をそのシート又はウェブのファブリック中に前記化合物を制御して浸透させ、その後、そのシート又はウェブを、１１０℃から１５０℃に漸次加熱して、溶媒を制御しながら放出させ、ピンホールの無いフィルムのコーティングを得ることで形成される。最終化合物のコーティングをファブリックキャリアに直接適用することもできる。
【００２５】
この様なシートまたはウェブは、利用する固定されたギャップローラーの範囲内の、好適な長さ及び幅を有する。
【００２６】
コーティング又はフィルムの特性により、ポリマー材料中に負荷されたカーボンブラックの実質的に全体の広がりでさえ、これまで信じられていた以上に広いが、同時にフィルム又はコートを有するファブリックは全体として柔軟性を残している。
【００２７】
ファブリックは編まれたコットン材料であるが、その好適な形状、例えば横編みポリビニルアルコールファブリックであり得る。
【００２８】
化合物の調製、及びキャリアへのその適用方法は、視覚的に滑らかなコーティング又はフィルムを提供する様なものである。しかし、コーティングは顕微鏡レベルでは粗さを有し、露出表面に於いては炭素粒子による凹凸が形成されている。また、コーティング又はフィルムへの電気接続の準備についても特別な注意を払うことは重要である。
【００２９】
本発明の更に他の観点によれば、カーボン粒子と組み合わされたコーティング又はフィルムへの電気接続は、まずニッケル化合物をコーティング又はフィルム領域に吹き付け、次に吹きつけされた領域に銀を負荷した導電性接着剤でコーティングされたスズ−銅テープを適用することで形成される。電気接続が取り付けられたら、シート又はウェブは、電気接続において短絡又はアーク放電がないこと、それによりホットスポットの発生によるダメージが無いことを実質的に保証する適当な電源に接続することができる。
【００３０】
シートまたはウェブの用途によっては、電気接続は反対端までの長い長い距離に亘って設けられ、銀負荷導電性テープ上に導電性レールを配置することによって広い範囲のコーティングまたはフィルムへの一様な電力入力さえも支援することができる。望ましくは、導電性レールには接合防止化合物が被覆されており、好ましくはレールよりも広く被覆されている。
【００３１】
本発明の重要な観点は、コーティング又はフィルムに得られる全体に均一な加熱効果が比較的低電圧、例えば２４ボルトで可能であることであり、そして電極またはレール間の幅及びコーティング又はフィルムの厚さをコントロールすることで特定の目的を得るために必要ないずれのレベルでも一定の温度を達成し、これを維持し得ることにある。
【００３２】
柔軟シート又はウェブの形では、外側絶縁層を噴霧して、水／液耐性電極絶縁体を形成することができる。好適材料はポリウレタン、シリコンまたはアクリル酸エラストマーである。本発明は非常に多様な用途を有している。物体を包んでその温度を維持したり、同時に極端に寒い地方での利用に適した布と組合せ、着用者の温度を維持することもできる。
【００３３】
しかし、このファブリックは医療関係に利用したときに極めて有益である。手術台あるいは回復室のベッドのマットレスやブランケットと組合せ、手術後の患者の体温を上げたり、維持することができる。
【００３４】
高熱に苦しむ事故の犠牲者をから緊急的に救うことを目的とした救急隊によるサービスの用途に適した寝袋、または運搬用バックにこのファブリックを利用することができる。
【００３５】
この様な利用に関しても、必要とされる電圧が低いことは、利用者にとって全体として安全である。電圧及びコーティング又はフィルムの厚さによって、ファブリックの全幅及び全長にわたる最大温度及び一定温度を決定することができる。
【００３６】
必要とされる温度を得るまで、電力を導電性ヒーターに供給し、その後必要に応じてスイッチ配置を適当にオン及びオフにすることでその温度を維持する。しかしながら、電力は、電力が所定期間中断され、そして温度検知が行われる切断時間を有する一定時間の一連のパルスとして供給されることが好ましい。電源の形に関わらず、本発明は、電力を極めて効果的に利用させる。
【００３７】
電極間の間隔をコントロールすることや、コーティングの厚さをコントロールすることで、電圧コントロールにより最大温度を制御できることに加え、特定の応用に適した所定の最大温度を、電源入力から適度な時間内に達成でき、その後温度を所定のレベルに制御し、維持することができることも非常に有益な特徴である。この事は医療分野のみならず、食品産業、特に必要な温度を迅速に得て維持しなければならない食品加工産業に於いても極めて重要である。
【００３８】
柔軟ファブリックと組合せての利用に加え、該化合物は様々に利用できる。例えば、これは製品上に噴霧され、それにより複雑な製品の全表面に均一に熱を提供できるだろう。該化合物は支持体表面にスクリーン印刷でき、又は製品正面に直接コーティングすることができる。同時に、それは乾燥した化合物をカレンダーにかけ、又はホットメルトコーティングし、柔軟シートを作ることができ、あるいは粉末コーティング技術を適用して、加熱可能なラミネートを作ることができる。
【００４０】
図１において、ブランケット又はマット１はファブリック支持体４上にある導電性材料３により形成されたコア部２を持つ。この導電性材料は上記方法により作られ、そして連続するコーティングとしてファブリック層に適用され、各コーティングは、後続するコーティングを行う前にオーブン又は一連のオーブンを通過することで、１１０℃から１５０℃に加熱した。医療使用に関しては、コーティングは１４４ミクロン厚である。そのファブリック支持体４上にある導電性材料３には、電気絶縁体層５が重層され、両層はその裏側又は非作動側７の厚さが正面又は作動側８に比べ厚くなっている難燃性絶縁体６に包まれている。
【００４１】
全構成要素はポリウレタン性材料の外キャスティング９に包まれており、その端部は完全にブランケット又はマットレス全周縁部を密封しており、ブランケット又はマットレスは完全な防水性を確保しており、容易に洗浄及び滅菌できる。
【００４２】
導電性材料３上、及び電気的絶縁層５の下には図２に特に示されている様に導電性レール１０が導電性材料の端部に沿って、長い方の２辺に配置されている。医療利用に関しては、レール間の間隔は４６０ｍｍであろう。
【００４３】
導電性レールに保証された電気接続を設置することは特に重要であり、電源のアーク放電又は短絡は避けなければならない。その他重要事項はブランケット又はマットレス内の導電性材料への電流の供給であるが、これは図１、３及び４に示す様に、導電性レール１０により占有されるべき導電性材料の長さ及び幅にはニッケルコーティング１１が施され、その上には銀負荷接着テープ１２が適用され、これにレール１０が取り付けられる。レール１０のアーク放電が無いことを保証するために、接合防止化合物１３を被覆する。導電性層内にある共通の開口を通して、ニッケルコーティング及び接着テープは導電性スタッド１４に延び、導電性材料３の裏面にハンダ付けされたスタッドベース１５に延びて、スタッドはファブリックの裏打ちを経てキャップ１６に通り、キャップはクリップされ電気リード１７への接続を提供する。図５は接続を示す展開図である。
【００４４】
図２に示されるように、ブランケット又はマットレスの特定の使用に適するように選択されたサーモカップラー又はサーミスター１８（サーミスターは高感度応用に、サーモカップラーはより苛酷な利用に適している）は意図的に導電性材料上に配置され、リード線は接続部１９に延びる。図５に示されるように、そこから導電性スタッド１４に関する電極線２１が延びているコントロールユニット２０があり、導電性スタッド１４の一つに延びるリードには、１回用又はリセット可能型ヒューズ２２が配置されている。
【００４５】
上記のブランケット又はマットレスは現場の手術台用のマットレス又は上敷き、あるいは回復室の回復用ベッド、又は患者にかけるブランケットとしての医療用途に理想的に適合している。この場合には上敷きマットレス又はブランケットの温度の検知にはより高感度であるサーミスターが利用されるだろう。図５に示す様に、上敷きマットレスまたはブランケットはコントロールユニット２３に接続しており、更にそれ自体が主要電源に接続している変圧ユニット２４に接続している。これにより低電圧、好ましくは２４ボルトが上敷きマットレス又はブランケットに供給される。
【００４６】
図５は主要電源からブランケットまたはマットレスに至る電気回路のブロック図である。変圧ユニット２４には、フィルター２５と低圧変圧器２６を導く主入力がある。これによりコントロールユニット２３への２４ボルト電圧の供給が確保される。ここから電力はスイッチング回路２７に供給され、さらに過温度隔離回路２８に至り、ここから上記の様な上敷きマットレス又はブランケットへの接続に適した電力出力をする。同時に、電力は温度コントロール手段３０を有するコントロールモジュール２９にも供給され、視覚アラーム３１、音声アラーム３２、及びスイッチング回路２７に出力する。上敷きマットレス又はブランケット上にある温度検知サーミスター（又はサーモカップラー）１８はコントロールユニット２３に接続され、温度を表示する温度隔離回路２８に信号を供給する。アラーム試験３３はこのユニット上に設けられており、アラーム試験はコントロールモジュールに接続され、過温度状態をシュミレーションすることができる。
【００４７】
作動直前に、温度コントロール手段はブランケット又はマットレスが必要とする温度、典型的にはヒトの体温に設定される。変圧ユニット及び、コントロールユニットと上敷きマットレス／ブランケットは主要電源に接続され、アラーム試験が作動して全回路が作動しているか確認する。
【００４８】
スイッチング回路は、開始時に上敷きマットレス又はブランケットに対して設定された時間、典型的には１分間電力を供給し、続いて設定された時間、典型的には１０秒間スイッチを切る様な回路である。電力のスイッチが切られている間、サーミスター１８により検知された温度はコントロールモジュール２９を介して過温度隔離回路２８に伝えられ、検知温度が設定温度より低い場合には検知温度が必要とされるブランケット又はマットレス温度に達するまで電源のスイッチをを繰り返しオン及びオフする。この様な状況では、電源はブランケット又はマットレス温度の低下が検知されるまでオフにされる。
【００４９】
上敷きマットレスの上の、あるいはブランケットにくるまれた患者に関し、体温が低下するとマットレス又はブランケットからの熱抽出を招き、これが直ぐにサーミスターにより感知され、そのシグナルが過温度コントロール回路に伝えられて、回路のスイッチが入れられ、ブランケット又はマットレスの温度が設定レベルに回復するまで電力がパルス状に供給される。
【００５０】
ポリマー密度に対する炭素における炭素負荷材料の製造方法の利点、及びその結果としての支持体ファブリックへの応用に関する利点により、ホットスポット及びコールドスポットが実質的に無く、ブランケットの全領域に関し実質均一に加熱され、その結果、患者の全長及び全幅について患者体温を全身的にサポートできることで、手術中及びその後の快復期間の患者にとって重要な体温コントロールの維持を確実に行う。
【００５１】
ブランケット又はマットレスが加熱する様な最も好ましくない状況では、視覚及び音声アラームの両方が作動し、そして過温度隔離回路はブランケット又はマットレスに対する更なる電力供給を阻止するよう切り換わる。一時的な電力の急増による過剰温度を防御するために、電力のスイッチが切られてから第１の１０秒間の期間に検知された過剰温度は無視され、そしてスイッチが切られ温度検知が行われる第２の連続する２つの期間に過剰温度が検知された場合だけアラームが作動し、温度隔離回路が作動する。
【００５２】
ブランケット又はマットレス、及びそのコントロールに関する上記構造体は、医療応用に理想的であるが、本質的な変更なしにその他の産業応用にも利用できる。
【００５３】
図６及び７に図示される様に、図１に例示されたものと実質同一の性質を持つ一般的な長方形の構造体３４を使い、加熱を必要とする物体３５を包むことができる。
【００５４】
この物体は住居用温水タンクでも良く、均一な加熱硬化がその全長にわたり提供されることにより、冷水をより迅速に加熱すること、そしてタンク内の水温をより効率的に維持できることから電力節約上大きな利点があるだろう。
【００５５】
物体は配管、例えば食品産業に於ける配管でもよく、その場合本発明は加熱され液動化された食品材料が流れる配管の保温手段と、配管全長にわたり均一に加熱する設備を供給する。これは通常時の作業にとって重要なだけでなく、何れかの理由により食品材料が固形化し、作業を中断しなければ成らない場合にも重要である。この場合、パイプライン内で固形化した油をベースとした産物が主な問題である。本発明では、ブランケットを加熱する装置を利用し、食品減量を緩和且つ迅速に再加熱し液状に戻し、流れを再開する。
【００５６】
対象物は非常に寒冷な地域での屋外物、例えばバルブやポンプでも良く、この場合には本発明の物質によってそれらを包み込み、雰囲気温度が低下してもそれらが問題なく正常に機能できる温度に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る導電性材料を含むマットレス又はブランケットの一部の断面斜視図である。
【図２】 図２は、図１のマットレス又はブランケットの概略平面図である。
【図３】 図３は、導電性材料に接続した電気接続の上面図である。
【図４】 図４は、図３の電気接続の展開斜視図である。
【図５】 図５は、導電性材料内を加熱し、そして一定温度に保つための電気回路を例示する電気ブロック図である。
【図６】 図６は、構造体又はパイプを包み、又は取り囲む用に形成された図１に本質示したブランケットの概略例示である。
【図７】 図７は、構造体又はパイプを包み、又は取り囲む用に形成された図１に本質示したブランケットの他の概略例示である。
【符号の説明】
１…マット
２…コア部
３…導電性材料
４…ファブリック支持体
５…電気絶縁体層
６…難燃性絶縁体
７…非作動側
８…作動側
９…外キャスティング
１０…導電性レール
１１…ニッケルコーティング
１３…接合防止化合物
１４…導電性スタッド
１５…スタッドベース
１６…キャップ
１７…電気リード

Claims (12)

1. 細かく分割されたカーボンブラックが脂肪族ポリウレタンキャリア中に均一に分散され、乾燥重量の８０％ないし２５％であるキャリアレベルに対し、カーボンブラックレベルが乾燥重量の２０％ないし乾燥重量の７５％であり、かつポリプロピレングリコール類及びポリエチレングリコール類からなる群から選択される吸着防止化合物を含む電気的に加熱可能な材料によって形成されたコーティングが柔軟性キャリアに直接形成されることを特徴とする導電性ヒーターの目的に利用できる柔軟性ファブリック。
2. 前記柔軟性ファブリックが編みコットン材料であることを特徴とする請求項１に記載の柔軟性ファブリック。
3. 前記柔軟性ファブリックが横編みポリビニルアルコールファブリックであることを特徴とする請求項１に記載の柔軟性ファブリック。
4. 乾燥重量の８０％ないし６０％のキャリアレベルに対し乾燥重量の２０％ないし４０％のカーボンブラックレベルを使用することを特徴とする請求項１に記載の柔軟性ファブリック。
5. 半導体フィルムまたはコーティングが、乾燥重量５７％ないし２７％のポリマーレベルに対し乾燥重量４３％ないし７３％のカーボンブラックレベルを持つカーボンブラック充填脂肪族ポリウレタンポリマーを含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の柔軟性ファブリック。
6. 前記カーボンブラックレベルは、ポリマーの乾燥重量４３％に対し、５７％の乾燥重量であることを特徴とする請求項５に記載の柔軟性ファブリック。
7. 細かく分割されたカーボンブラックが脂肪族ポリウレタンキャリア中に均一に分散され、乾燥重量の８０％ないし２５％であるキャリアレベルに対し、カーボンブラックレベルが乾燥重量の２０％ないし乾燥重量の７５％であり、かつポリプロピレングリコール類及びポリエチレングリコール類からなる群から選択される吸着防止化合物を含む電気的に加熱可能な材料によって形成された最終化合物で剥離紙を被覆し、さらに該一定量の最終化合物を該コーティング上に広げ、該剥離紙を柔軟なファブリックキャリアシート又はウェブに載せ、その複合体を、固定ギャップローラーに通し、該化合物を該シート又はウェブのファブリック中に前記化合物を制御して浸透させ、その後、該シート又はウェブを、１１０℃から１５０℃に漸次加熱して、溶媒を制御しながら放出させ、ピンホールの無いフィルムのコーティングを提供することを特徴とする柔軟性ファブリックの製造方法。
8. 前記柔軟性ファブリックが編みコットン材料であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記柔軟性ファブリックが横編みポリビニルアルコールファブリックであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 乾燥重量の８０％ないし６０％のキャリアレベルに対し乾燥重量の２０％ないし４０％のカーボンブラックレベルを使用することを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 半導体フィルムまたはコーティングが、乾燥重量５７％ないし２７％のポリマーレベルに対し乾燥重量４３％ないし７３％のカーボンブラックレベルを持つカーボンブラック充填脂肪族ポリウレタンポリマーを含むことを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記カーボンブラックレベルは、ポリマーの乾燥重量４３％に対し、５７％の乾燥重量であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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