JPH0722035B2 - 面状発熱体 - Google Patents

面状発熱体

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JPH0722035B2
JPH0722035B2 JP1343993A JP34399389A JPH0722035B2 JP H0722035 B2 JPH0722035 B2 JP H0722035B2 JP 1343993 A JP1343993 A JP 1343993A JP 34399389 A JP34399389 A JP 34399389A JP H0722035 B2 JPH0722035 B2 JP H0722035B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、約100℃以下の低温領域で自己温度制御機能
を有し、別途に複雑で不完全な温度検知機構と過熱防止
用の安全ヒューズを要しない、安全で可撓性に富み使用
に便利な新規な抵抗発熱素子を備えた面状発熱体に関す
る。
〔従来の技術〕
従来、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂に黒鉛、カーボ
ンブラック又は金属粉などの導電性物質を配合して導電
性樹脂もしくは半導電性樹脂を形成し、これら有機質の
優れた特性を利用して電子部品或いは発熱体として広く
使用されている。
しかし、これらの宿命的欠点は安定性に欠けて居り、信
頼されるものが無いことである。特に、長期使用後の経
時変化等を免れ得なかった。
〔発明が解決しようとする課題〕
例えば約100℃以下の低温領域において安定な温度−導
電特性をもち、昇温−冷却を繰返しても電気抵抗値に経
時変化がなく、しかも特定温度検知及び特定温度領域で
の正の特性変化の大きな自己温度制御機能をもつ、安定
性の優れた低抗発熱体の開発が要請されている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者は、上記の課題を達成すべく鋭意検討した結
果、自己温度制御面状発熱体の発熱素子として、黒鉛ま
たはカーボンブラックが二次元の典型的六員環網目平面
状の堅固な共有結合構造を有し、平面層間では結合力が
比較的ゆるく、よくスリップするが、かなりの吸着力を
有して面間膨潤、縮退すること、および二次平面内では
いわゆる共役系共有結合として絶縁性を示すが、層面間
はいわゆるπ電子雲の存在により金属と同様の導電性を
示すことに着目し、この黒鉛またはカーボンブラックの
層間に吸着特性の強い誘導体などを吸着させて層間距離
を拡大するとともに、その上下の無機層間に結晶性低分
子量有機化合物を浸入させ、吸着した誘導体の一部又は
全量を置換し、又は無機層と直接吸着させて架橋化し、
その架橋分子の長さを変えることにより層間の導電抵抗
を自由にコントロールすることができ、さらに、これら
に無機化合物たとえば酸化イットリウムを複合させるこ
とにより自己温度制御特性が格段に向上し、しかもより
安定化しうることを見出し、本発明を完成させるに至っ
た。
すなわち、本発明の面状発熱体は、黒鉛またはカーボン
ブラックに、架橋型高分子、線状高分子を主体とする低
次元物質および無機化合物を複合させてなる自己温度制
御特性をもつ感温素子または抵抗発熱素子を布状の基材
にコーティングしてなることを特徴とする。
本発明による面状発熱体の素子は導電性黒鉛またはカー
ボンブラックに架橋型高分子のモノマーと低次元物質で
ある線状高分子化合物の微粉末又は液状ポリマー及び低
分子量有機化合物を配合し、さらに無機化合物を配合
し、有機溶媒中でブレンドおよび重合させた液を例えば
綿#20双糸1mm間隙織りの綿織布に銅箔線を織り込み埋
設された基材に塗布又は含浸させて反応乾燥させること
により製造することができる。上記の面状発熱体の基材
は、綿織布に限らず有機・無機質を問わず、又板状、フ
ィルム状、線状、織布、不織布又緻密質、多孔質等その
形質を問わない。自己温度制御性導電特性を害じないも
のであれば良い。
本発明において、黒鉛またはカーボンブラックとして
は、天然または人造黒鉛、フォーネスブラック、アセチ
レンブラックなどが挙げられる。
架橋型高分子としては、三次元網状構造を形成する熱硬
化樹脂のモノマー、たとえばエポキシ樹脂、メラミン樹
脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂などとその変性樹
脂などのモノマーが好適に使用される。
線状高分子化合物としてはポリエチレン、エチレン酢酸
ビニル共重合体、エチレン−塩化ビニル共重合体、ポリ
プロピレンなどのオレフィン系重合体、アイオノマレジ
ンなどが挙げられ、好ましいのは液状ポリブタジエン結
晶性を有する微粉末ポリエチレンである。
また、低分子量有機化合物としての代表例としては炭素
数20以上のアルカン系直鎖炭化水素またはその脂肪酸が
挙げられる。
無機化合物としては、塩化ナトリウム、臭化ナトリウ
ム、塩化カリウム、臭化カリウムなどのアルカリ金属の
ハロゲン化物、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムなどのア
ルカリ金属の硫酸塩、炭酸バリウムなどのアルカリ土類
金属の炭酸塩、塩化第二鉄、塩化亜鉛、四塩化チタン、
四塩化スズなどの金属のハロゲン化物、酸化クロム、酸
化チタン、酸化ジルコニウムなどの遷移金属の酸化物、
硝酸などの酸素酸、塩化アンチモンなどのルイス酸があ
げられる。
有機溶媒または反応誘導剤としては、ベンゼン、トルエ
ン、キシレンなどの芳香族炭化水素、n−ブタノール、
n−プロパノールなどのアルコール類、エチレングリコ
ール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオールな
どの脂肪族グリコール、シクロペンタン−1,2−ジオー
ルなどの脂環族ジオール、ヒドロキノンなどのフエノー
ル類、メチルエチルケトン(MEK)などのケトン類やテ
トラヒドロフランなどが挙げられる。
本発明の自己温度制御特性をもつ面状発熱体の抵抗発熱
素子の製造に際し、上記関連物質の配合は、黒鉛と架橋
型高分子とからなる導電性高次元物質100部に対し、黒
鉛は10〜60部、架橋型高分子は30〜90部の範囲とするの
が適当である。
架橋型高分子が90部をこえると導電性が悪くなる。ま
た、30部より少ないと、すなわち黒鉛が70部をこえても
増量効果に乏しい、そして黒鉛又はカーボンブラックの
配合は種類と量によって室温での基本導電率はそれぞれ
違ってくるが、特定温度検知及び自己温度制御特性に対
しては一律的に決めてよい。又架橋型高分子もカーボン
ブラックとグラフト化すれば導電性物質のマトリックス
(母体)となるから基本導電率はそれぞれ違ってくる
が、やはり一律的に決められてよい。
線状(鎖状)高分子化合物は、導電性の安定化を図るた
め、上記架橋型高分子の配合量と黒鉛の配合量を合算し
た量100部に対し5〜100部の範囲で加えるのがよい。10
0部をこえると、導電性が極度に低下し、実用範囲をこ
える。
低分子量有機化合物、例えば上記の炭化水素は3〜30部
の範囲とする。30部をこえると製品の靭性が低下し、3
部以下では特性の効果が乏しくなる。
無機化合物の配合量はとくに限定されず、感温素子の前
記正特性を安定、強化する範囲で添加するが、架橋型高
分子と黒鉛100部に対し通常1〜20部の範囲が適当であ
る。たとえば、酸化イットリウムは20部を超えると製品
の靭性が極端に低下し、1部より少ないと特性の効果が
乏しくなる。
有機溶媒は、最少25部以上必要であるが、溶媒として希
釈の必要に応じて任意に増量し得る。
〔作用〕
本発明の自己温度制御特性をもつ面状発熱体の素子は、
前記配合成分と順次混合する過程でまず架橋型高分子モ
ノマーが黒鉛にグラフト化され、そのモノマーに線状高
分子化合物が混合されることにより形成される。そし
て、このポリマーは熱処理過程で架橋型高分子の重合反
応と同時によじり合いブレンドされる。このことは、素
子製品の均質性から判断される。また、素子製品に可撓
性を与え、特性の安定化のために架橋型高分子の三次元
化および重合度と関連して非常に重要な役割をしてい
る。
こうして、線状高分子化合物は、とかく硬くなりがちな
三次元網状化合物に柔軟性とエントロピ−剛性を与え、
低温でフレキシビリティーを付与し、高温で逆にゆるく
なるのを防ぎ、しまりを与えて全系を安定化している。
低分子有機化合物及び無機化合物は、直接に或いは反応
誘導剤との協働によって黒鉛層間に浸入し、或いはこれ
を拡大し、黒鉛層に強力に吸着して層間化合物を形成す
るものとみられる。
これは、本発明の自己温度制御特性をもつ面状発熱体が
反復高温加熱(低分子量有機化合物の融点よりもはるか
に高い温度、例えば融点65℃の配合物に対して130℃ま
で)にも耐え、特性が殆ど変化しないという実験結果か
ら裏付けられる。
また、無機化合物は、感温素子の比抵抗値に大きな影響
を与えるから、その添加の有無により感温素子の昇温特
性を変えることが容易になる。無機化合物は、その種類
により初期のある温度範囲で負特性を示すものである
が、それ以上の温度ではいずれも正特性を示す。
〔実施例〕
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
なお、以下の説明において記載されている各成分の部は
重量部を表す。
実施例1 〈自己温度制御導電塗料の配合〉 黒鉛及びカーボンブラック 45部 アルキドメラミンレジンモノマー 55部 酸化イットリウム 10部 n−パラフィン(平均粒径5μ以下の微粉末) 15部 高分子量ポリエチレン(平均粒径15μ以下の粉末)10部 液状ポリブタジエン 10部 トルエン 45部 MEK 25部 n−ブタノール 30部 キシレン 50部 〈自己温度制御面状発熱体試片の作製〉 比抵抗測定用試片として厚さ1mm×76mm×26mmの市販ス
ライドガラスの上に上記の配合液をロールしごきで約20
μの厚さに塗布し、室温乾燥後、塗膜を10mm幅に残して
カットした。
又温度−低抗特性及びその他の特性試験用試片として20
#双糸綿糸1mm角織り綿織布に銅箔導線を織り込み埋設
し、かつ電極間巾60mm×極長23mmにカットした試片基材
に上記の配合液を含浸させてシリコーンゴム製の2本の
ロール(硬度50押し圧1kgf)で塗布した後、室温乾燥し
試片にした。
〈特性試験と結果〉 上記の配合によって得られた混合溶液は黒汁状の液で、
これを上記の各々の試片基材上に塗布し、遠赤外線照射
により被照射温度105℃×10分程反応させた上、続いて1
35℃×2分以上程で反応固定させると塗膜表面にクラッ
クの無いものに仕上がった。
ガラス基台の試片の比抵抗値は25℃で3.6×10゜Ω−cm
であった。
また、綿布基材の試片素子をアルミナウールで素子面の
上下を保温して電圧を印加した。電圧印加直前の素子電
気抵抗値は26.34KΩ、素子表面温度5℃であったが、AC
100Vで印加すると温度の上昇に従って抵抗値も比例し
て、35.0KΩに上昇した。温度は52.5℃に達し、この温
度を8000時間以上キープし、それ以上温度の上昇がなか
った。
その後、同一試験片に141VAC印加すると発熱温度は75℃
を長時間維持して、それ以上温度上昇は全く無かった。
この温度での素子の抵抗測定値は49.5KΩに上昇してい
た。
また、試片素子に電圧印加をカットして常温5.0℃に戻
ったときの素子の抵抗は完全に9.3KΩに復帰した。これ
を12回反復してしかも最終回には62μ厚みのPET(東レ
社製)フィルムを両面に重ねた上、約115℃×数秒で熱
接着加工を施した後の常温(25℃)抵抗値は25.40KΩに
正確に復帰し、上記と全く同一の結果であったので、本
配合の素子は完全な安定化された温度依存性自己温度制
御素子であることが確認された。
第1図aは、本実施例で得られた試片素子に対する印加
電圧を変えたときの素子表面温度と抵抗値との関係を示
すグラフである。
第1図bは、同じく面状発熱体の昇温特性を示すグラフ
であり、横軸は時間(分)、縦軸は温度(℃)を表す。
実施例2 〈自己温度制御導電塗料の配合〉 黒鉛及びカーボンブラック 60部 アルキドメラミンレジンモノマー 40部 n−パラフィン(平均粒径5μ以下の微粉末) 30部 高分子量ポリエチレン(平均粒径15μ以下の粉末)10部 液状ポリブタジエン 20部 臭化カリウム 10部 トルエン 45部 MEK 25部 n−ブタノール 30部 キシレン 40部 シクロヘキサノン 10部 上記の配合によって得られた混合溶液は黒汁状の液で、
これを実施例1と同様に硝子板の上に塗布し、遠赤外線
照射により被照射温度155℃×10分程反応させると塗膜
表面にクラックの無いものに仕上がった。
試片は極間巾30mm×極長23mm、比抵抗値は25℃で9.8×1
0-1Ω−cmであった。
この試片を加熱昇温したときの抵抗値の変化は温度依存
性が非常に強く示された。即ち、約50℃までは平均−0.
05%/℃でほとんど抵抗の変化はなかったが、その後は
温度上昇と共に抵抗値は急激に増加した。又、素子温度
を常温に戻し、10時間以上放置した後の素子の低抗値は
172.0KΩであった。これは、最初の昇温前の抵抗値169.
9KΩとほとんど変わらず、非常に安定であることを示し
ている。
第2図aは本実施例で得られた感温素子の表面温度と抵
抗値の関係を示すグラフであり、第2図bは実施例と同
様に作製した面状発熱体の通電昇温特性を示すグラフで
あり、印加電圧に対応して一定の温度に保たれる。
実施例3 臭化カリウムに代えて無水クロム酸(CrO3)を使用した
ほかは、実施例1と同様の処理を行って素子試片と面状
発熱体を作製した。
この試片の比低抗値は、8.7Ω−cmであった。外部加熱
昇温試験の結果、約50℃に昇温する迄は、その温度1℃
の上昇に対する抵抗値の変化率、即ち温度係数は平均0.
61%/℃であったが、50℃では急激に増加し、68.0KΩ
(50℃)から174KΩ(85℃)に達し、その平均変化率は
4.1%/℃に急上昇した。
また、常温での低抗値は10回の繰り返しサイクル加熱を
行い、10時間放置後61.0KΩであった。これは、初期の
常温抵抗値60.7KΩに対して僅かに0.5%の変化に過ぎ
ず、すぐれた安定性を有することが確認された。
第3図a,bに本実施例で得られた感温素子と面状発熱体
の各々の昇温特性グラフを示した。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、繰り返し使用に
よっても抵抗値の経時変化が極めて少なく、安定な温度
−導電特性を有し、しかも局部過熱のおそれがなく、分
子レベルのセンサとして種々の段階の自己温度感知およ
び制御機能をもつ面状発熱体を提供することができる。
また、この面状発熱体の抵抗発熱素子は昇温時において
も柔軟で弾性に富み、しかも適度の剛性を有するフレキ
シブルエラストマーとしての性質を備え、種々の形態に
加工することができ、製造方法も容易で低コストで製造
することが可能であり、巾広い用途が期待される。
【図面の簡単な説明】
第1図a,bはそれぞれ実施例1で得られた感温素子を外
部加熱によって測定された表面温度と抵抗値との関係を
示すグラフ(a)と、上記感温素子を用いた面状発熱体
に各種の電圧を印加した場合、一定(臨界)温度に保持
されることを示すグラフ(b)である。 第2図a,bおよび第3図a,bは、それぞれ実施例2,3で得
られた結果を示し、aは感温素子を外部加熱によって測
定された表面温度と抵抗値との関係を示すグラフ、bは
各感温素子を用いた面状発熱体に各種の電圧を印加した
場合、一定(臨界)温度に保持されることを示すグラフ
である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】黒鉛またはカーボンブラックに、架橋型高
    分子、線状高分子を主体とする低次元物質および無機化
    合物を複合させてなる自己温度制御特性をもつ感温素子
    または抵抗発熱素子を布状の基材にコーティングしてな
    ることを特徴とする面状発熱体。
JP1343993A 1989-12-29 1989-12-29 面状発熱体 Expired - Lifetime JPH0722035B2 (ja)

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