DE2148191A1

DE2148191A1 - Drahtlose flaechenheizelemente und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2148191A1
Application number: DE2148191A
Authority: DE
Inventors: Tankred Menzel; Gottfried Reuter
Original assignee: Reuter Maschinen et Al
Current assignee: Reuter Maschinen et Al
Priority date: 1971-09-27
Filing date: 1971-09-27
Publication date: 1973-04-05
Also published as: DE2148191B2; IL48165A; IL48165A0; BR7206668D0; JPS534237A; DE2148191C3; ZA726586B

Description

Drahtlose Flächenheizelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft drahtlose elektrische Flächenheizelemente, die beispielsweise aufgrund ihrer elastischen und flexiblen Eigenschaften insbesondere für die Verwendung schmiegsamer Blektrowärmegeräte, z.B. Heizkissen, vorgesehen sind, jedoch auch für bestimmte technische Aufgaben mit Vorteil anwendbar sind, bei denen starre Anordnungen erwünscht sind.
Bei herkömmlich verwendeten elektrischen Wärmeerzeugern wird elektrische Energie durch sogenannte Widerstandsdrähte, nach den Joul'schen Gesetzen, in Stromwärme überführt, wobei die erzeugte Wärme vom Widerstandsdraht über eine Isolation an die eigentliche, wärmeabstrahlende Nutzfläche geleitet wird. Diese Ifcizlciterdrahte, die z.B. aus Nickelin oder Rheotan und Konstantandraht bestehen, brechen leicht bei mechanischer Beanspruchung aufgrund von Ermüdungserscheinungen. Die damit verbundenen Nachteile liegen auf der Hand. Es ist verständlich, daß nach diesem System aufgebaute schmiegsame Wärmeerzeuger empfindlich gegen jede Art mechanischer Beanspruchung sind und weder als biegsam, flexibel noch elastisch benannt werden dürften. Für schmiegsame Elektrowärmegeräte wird vom VDE der Aufdruck "nicht falten" empfohlen. In der allgemeinen Technik, im Haushalt und in der Medizin, sind jedoch elastische, flexible Wärmeerzeuger erwünscht, z.B. wenn komplizierte Konturen erwärmt werden sollen oder wenn Druck-Biegeauslenkungen gefordert werden, wie es z.B. bei einem sich den Körperkonturen anpassendem Heizkissenpolster erwünscht ist. ran hat deshalb verschiedentlich versucht, die Widerstandsdrähte durch ein anderes Itaterial zu ersetzen, das eine wesentlich bessere mechanische Stabilität aufweist.
So ist es bekannt, ei flexibles Trägermaterial mit leitendem Graphit zu imprägnieren und das so geschaffene Heizelement fur heizbar Bettdecken und dergleichen zu verwenden. Bei dem Trägermaterial kann es sich um anorganisches Fasermaterial handeln (britische Patentschrift 747 257), um organisches Gewebe, beispielsweise Baumwolle (USA-Patentschrift 2 255 376),' um Kautschuk (deutsche Patentschrift 625 773) oder auch um Kunststoff (britische Patentschrift 671 881).
Bei diesen bekannten Heizelementen ist die Gefahr des Leiterbruchs vor allem bei organischen Trägern elimealiert.
Trotz dieses Vorzuges haben sie sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen können. Der Grund dafür dürfte darin zu suchen sein, daß die Trägermaterialien, sowie die Seite substanzen, nicht den gewünschten mechanischen Beanspruhunger standhalten, sobald Zug- oder Druckkräfte einwirken.
Es sind auch z.3. flexible Heizelemente aus Textilgewebe bekannt, die ihre Leitfähigkeit durch Bestreichen oder Imprägnieren mit einer Graphitdispersion erhalten. Mit Textilgewebe ist hierbei eine mechanische Verbindung von Kett- und Schußfaden gemeint. Die mit Hilfe einer Dispersion auf die Textilfäden aufgetragene Graphitschicht liegt auf den Kett- und Schußfäden und verbindet sie. Diese Verbindung ist weder flexIbel noch elastisch, so daß eine leichte Zugbelastung eines einzelnen Kett- oder Schußfadens die Graphitschicht aufreißen läßt, auch dann, wenn zusätzliche Bindemittel, wie Kunstharze, die Haftung verstärken sollen. Wird dieses leitfähige Gewebe dann mit einer elektrisch isolierenden Abdeckfolie kaschiert, oder anders mechanisch belastet, so verändern sich die elektrischen Werte aufgrund der Fadenbewegungen zu nicht reproduzierbaren Werten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, drahtlose Fläch@nheizelemente und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, das die Herstellung flexibler, elastischer Heizelemente mit mechanischer und elektrischer Stabilität sowie reproduzierbaren elektrischen Werten ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe unter anderem dadurch, daß die Bewegungsfreiheit der Einzelfäden eingeschränkt wird, inde;; das Gewebe einseitig mit einer Kunststoffkaschierung versehen wird, und daß als Bindemittel für die leitfähigen Substanzen ein hochelastischer, alterungsbeständiger Kunststoff gewählt wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein drahtloses Flächenheizeiement, das aus einem einseitig kaschierten Gewebe und einer auf der nicht kaschierten Seite des Gewebes angebrachten Kunststoffschicht besteht, bei dem die nicht kaschierte Seite des Gewebes vor dem Arbringen der Kunststoffschicht mit einer wässrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion behandelt und mit elastischen Elektroden und entsprechenden elektrischen Anschlußstellen versehen wurde.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen drahtlosen Heizelemente ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, dem Ausführungsbeispiel und den Zeichnungen. Es zeigen: Fig. 1 ein einseitig kaschiertes Gewebe, z.B.
Textilgewebe, bestehend aus dem Gewebe 1 und der Kunststoffkaschierung 2, Fig. 2 ein mit elastischen Elektroden 3 und Anschlußflächen für Stromzuführung 4 versehenes kaschiertes Gewebe, Fig. 3 den gleichen Gegenstand wie Fig. 2, auf den jedoch nachträglich ein Heizfilm 5 aufgetragen wurde, Fig. 4 das erfindungsgemäß behandelte, einseitig kaschierte Gewebe zusammen mit einem Rahmen 6 zur Herstellung der Schaumstoffschicht, Fig. 5 ein erfindungsgemäßes drahtloses Plächenheizelement, bestehend aus dem mit der elektrisch leitende Partikel enthaltenden Kunststoffdispersion behandelten einseitig kaschierten Gewebe 7 und dem Schaumstoffpolster 8 sowie der Anschlußschnur 9.
Für die Zwecke der Erfindung lassen sich grundsätzlich alle einseitig kaschierten Gewebe verwenden, wobei das Gewebe aus organischen oder anorganischen Materialien bestehen kann. Vorzugsweise werden jedoch saugfähige Gewebe eingesetzt, da bei der Behandlung dieser Gewebe mit der wässrigen Dispersion eine bessere Haftung des zu bildenden elektrisch leitfähigen Films erzielt wird.
Die Verwendung von nicht saugfähigen Geweben ist natürlich auch möglich, nämlich dann, wenn die aufzubringenden elektrisch leitfähigen Filme ausreichend auf dem Gewebe haften. Als Textilgewebe können solche aus Natur- wie aus Kunstfasern eingesetzt werden. Hinsichtlich der Kaschierung haben sich erfindungsgemäß insbesondere solche einseitig kaschierten Gewebe bewährt, bei denen die Kunststoffbeschichtung etwa 100 g/m2 beträgt. Besonders bevorzugt werden gemäß der Erfindung die einseitig mit flexiblem Kunststoff kaschierten Textilgewebe, beispielsweise die, die im Handel unter den Bezeichnungen Vistram und Knautschlack erhältlich sind. Selbstverständlich kann man gemäß der vorliegenden Erfindung auch starre Heizelemente, .sçB. Wand- oder Deckeriheizungen, herstellen, wobei man dann auf die nicht kaschierte Seite des Gewebes beispielsweise einen Polyurethanhartschaum ausbringt ür solche Zwecke könnte das Gewebe natürlich auch mit einem starren Kunststoff kaschiert sein.
Die in der wässrigen Kunststoffdispersion enthaltenen elektrisch leitenden Partikelchen können aus Xohlenstoff, z.B. Ruß oder Graphit, aus Edelmetall oder aus mit Edelmetall beschichteten anderen Metallen oder anderen Nichtmetallen bestehen. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß Ruß eingesetzt, insbesondere ein Acetylenruß, beispielsweise wie er im Handel in Form einer wässrigen Dispersion erhältlich ist.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen flexiblen und elastischen drahtlosen Flächenheizelemente eignen sich als Kunststoffdispersionen, die vor dem Aufbringen auf das Gewebe mit den elektrisch leitenden Partikelchen vermischt werden, alle Kunststoffdispersionen, die einen elastischen, alterungsbeständigen Film bilden. Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung eine ziege wässrige Dispersion von Polyisobutylen verwandt.
Zur Herstellung der wässrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion vermischt man beispielsweise eine wässrige Dispersion von Polyisobutylen mit einer wässrigen Rußdispersion, wobei man die Viskosität der Kunststoffdispersion durch das Abmischen mit der Rußdispersion so einstellt, daß man eine gut streichfähige Mischung erhält. Diese Mischung wird dann beispielsweise auf die Gewebeseite des einseitig kaschierten Textilgewebes aufgetragen, d.h. auf das Textilgewebe, wobei das Textilgewebe die heizfilmbildende Mischung schnell aufsaugt. Der Film bildet sich innerhalb 30 Min. bei Raumtemperatur. Anschließend wird der Film, je nach aufgetragener Schichtdicke, einige Stunden bei 800 C künstlich gealtert. Die Alterung ist für eine Widerstandsstabilisierung notwendig, weil die vorher in der Kunststoffdispersion vorhandenen Kunststoffpartikel, durch i;ünstliche Alterung, eine Schrumpfung zeigen. Die schrumpfung wirkt sich dadurch aus, daß der Kontakt der an den Kunststoffpartikeln anhaftenden, leitfähigen Partikel etwas gelockert wird, wodurch der elektrieche Widerstand des Films etwas ansteigt. Die den Heizfilm bildende Dispersion besteht vorzugsweise aus einer wässrigen Kunststoffdispersion, die durch H nzumischen einer wässrigen Rußdispersion auf die gewünschten Werte bezüglich einer Leitfähigkeit und der Verarbeitungseigenschaft eingestellt wird. Eine fertige Folie mit dem auf der Rückseite aufgetragenen elektrisch leitfähigen Film ist flexibel und zeigt überraschend gutes elastisches Verhalten.
Für den weiteren Aufbau eines Heizelementes werden darüber hinaus mindestens zwei Elektroden benötigt.
Die Elektroden haben die Aufgabe, einen zwischen den Elektroden, über die gesamte leitfähige Fläche gleichmäßigen Widerstandswert einzustellen. Wird eine elektrische Spannung an die Elektroden gelegt, so bildet sich, aufgrund des Pilmwiderstandes, ein homogenes Spannungspotential zwischen den Elektroden. Die Elektroden können aus flexiblem Metallband oder z.B. aus kupferkaschierten Kunststoffolien gefertigt werden, solange die Elektroden nicht mechanisch beansprucht werden.
Für beheizbare Autosltze, Xeizkissen, Heizdecken und dergleichen ist eine flexible und in gewissen Grenzen elastische Elektrode erforderlich, weil diese Heizelemente über die gesamte Fläche mit Druck- und Biegeauslenkungen belastet werden. Neben der Erfüllung dieser mechanischen Anforderungen müssen die Elektroden eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die etwa den metallischen Leitern entspricht. Es wurde gefunden, daß Elektroden mit elastischen und gut leitenden Eigenschaften, die wie nachfolgend beschrieben hergestellt werden, besonders gut für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignet sind. Als Leitsubstanz wird nicht Pulver aus Massivsilber, sondern ein Pulver aus versilbertem Kupfer verwendet. Das Pulver ist im Handel erhältlich. Die Teilchengröße liegt bei etwa 180 Mikron. Andere Metallpulver, außer mit Edelmetallen beschichtete, sind hierfür nicht brauchbar. Zur Herstellung der Elektroden gibt man beispielsweise ein Pulver aus versilbertem Kupfer mit einem Deilchendurchmesser von ca. 180 Mikron unter Rühren in eine ziege wässrige Acrylharzdispersion. Es wird soviel Pulver zugegeben, daß die Mischung gerade noch streichfähig ist.
Da die relativ großen etallpulverpartikel neben den tangentialen Berührungspunkten größere Zwischenräume zeigen, wird in die vorhandene Mischung eine 25%ige wässrige Rußdispersion eingerührt. Die Rußdispersion mit 25 % gut leitendem Azetylenrußgehalt (23 Millikron-Teilchendurchmesser) füllt die vorher unausgefüllten Zwischenräume nach dem Abtrocknen der filmbildenden Trägerflüssigkeit vollständig mit Rußpartikeln aus. Dadurch wird der Korngrenzenw.derstand der Metallpartikel erheblich entlastet. Es handelt sich hierbei um eine Parallelschaltung von Einzeiwiderständen.
Diese sehr gut leitenden Filme xi' aben je nach Schichtstärke einen Widerstand von etwa 0,1 Ohm/cm2 und zeigen nach einer Trocknungszeit von etwa 1 Stunde bei Raumtemperatur ein gutes flexibles und elast sches Verhalten.
Die auf der nicht kaschierten Seite des Gewebes nach der Behandlung mit der wassrigen, elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion, aufgebrachte Kunststoffschicht kann irgendein beliebiger homogener oder geschäumter Kunststoff sein, der den gewünschten Anforderungen entspricht. Vorzugsweise besteht die Kunststoffschicht aus Polyurethang insbesondere aus weichelastischem Polyurethanschaurn, der sich besonders leicht direkt an die Gewebeschicht anschäumen läßt. Die Herstellung der verschiedenartigen Polyurethanschäume, d.h. der Weich- und Hartschäume, ist dem Fachmann bekannt.
Die erfindungsgemäßen drahtlosen Widerstandsheizungen, die vorzugsweise mit einer rückseitigen Polyurethanschaumbeschichtung kaschiert sind, sind universell einsetzbar. Polyurethanmaterialien zeichnen sich neben ihrer guten Verarbeitbarkeit zu Weich- und Hartschäumen besonders durch ihr ausgezeichnetes thermisches Isoliervermögen aus. Die erfindungsgemäßen Heizelememte zeigen insbesondere drei. Vorteile: 1. Die erzeugte Wärme wird nur über die Nutzfläche abgegeben, so daß minimale Konduktionsverluste austreten.
2. Bedingt durch die geringen Wärmeverluste und den Aufbau der Heizfläche sind die Aufheizzeiten selbst bei quadratmetergroßen Heizflächen sehr kurz.
3. Dadurch, daß die Polyurethanrückseite weich, federnd elastisch oder hart ausgelegt werden kann, ist die Fertigung heizbarer Polsterelemente und Wand- und Großflächenheizungen in nur einem Arbeitsgang möglich.
Das Gewicht einer 1 m2 großen und 20 mm starken heiz flache beträgt etwa 1000 g. Die wärmeabstrahlende Seite besteht aus flexiblem Material, das in den unterschiedlichsten Designs geliefert werden kann. Um Gefahren zu eliminieren, die z.B. durch Einschlagen von Nägeln in die Heizfläche entstehen, arbeiten diese Üei -elemente vorzugsweise mit Kleinspannungen. Je nach Anwendungsgebiet werden die Heizelemente für die unterschiedlichsten Temperaturbereiche eingestellt und können für alle Betriebsspannungen entworfen werden.
Wenn aufgrund einer schlechten Wärmeableitung eine obere Temperaturbegrenzung vorgesehen werden muß, dann kann ein "Kaltleiter" oder ein anderer Temperaturbegrenzer direkt in oder an den Heizfilmstromkreis geschaltet werden.
Für beheizbare Polster mit geringen Betriebsspannungen ist lediglich die heizfilmildende Mischung etwas zu ändern, indem der Widerstand durch Zugabe von mit Silber beschichtetem Metallpulver den gewünschten Werten entsprechend herabgesetzt wird.
Das nachfolgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie jedoch einzuschränken.
Beispiel Herstellung eines flexiblen Heizpolsters.
Ein mit Kunststoff einseitig kaschiertes Textilgewebe (vergl. Fig. 1) wird auf der nichtkaschierten Seite mit flexibel-elastischen Elektroden versehen (vergl. Fig.2).
Die Elektroden werden mit Hilfe einer Schablone (14 mm breit, 270 mm lang) und einem gegenseitigen Abstand von 370 mm aufgetragen. Die Mischung der Elektroden besteht aus 80 Gew.-Teilen einer eigen Dispersion eines Mischpolymerisats aus Butylacrylat, Vinylacetat und Acrylsäure, 100 Gew.-Teilen mit Silber beschichtetem Kupferpulver und 100 Gew.-Teilen einer eigen Acetylenruß dispersion.
Anschließend wird mit Hilfe einer Rahmenschablone (270 x 370 mm) der eigentliche Heizfilm aufgetragen. Zur Herstellung des Heizfilms wird eine wässrige Dispersion von Polyisobutylen unter Rühren mit einer 25%igen wässrigen Azetylenrußdispersion gut vermischt. Die gut streichfähige Mischung wird gleichmäßig auf das Gewebe aufgetragen. Die Elektroden werden von dem Heizfilm gut überdeckt. Anschließend wird der Film getrocknet.
Ein Kontaktplättchen und ein Kerbkabelschuh wird mit Hilfe von Kunststoffnieten an jeder Elektrode befestigt, um den Spannungsanschluß zu ermöglichen (vergl. Pig. 3).
Der gesamte Heizfilm kann gegebenenfalls mit einer elektrisch isolierenden Kunststoffdispersion versiegelt werden.
Die Bildung eines weichelastischen Polyurethanschaumstoffpolsters auf dem Heizfilm wird nun vorbereitet.
Das Anschäumen des Polyurethanschaumstoffes erfolgt in bekannter Weise und braucht daher nicht näher beschrieben werden. Ein Formenrahmen, mit z.B. 40 mm Seitenhöhe, wird so auf die Heizfolie gelegt, daß die Innenseite des Pormrahmens zu jeder Seite des Heizfilms einen Mindestabstand von 15 mm zeigt (vergl. Fig. 4). Das den Schaumstoff bildende Reaktionsgemisch wird in den Formraum gegos,,sen. Ein Formdeckel wird auf die Form gelegt und angepresst, um ein Austreten des aufschäumenden Schaumstoffes zu vermeiden.
Nach 10 Minuten kann der Formrahmen entfernt werden.
Das Heizelement zeigt auf der Rückseite das elastische Schaumstoffpolster (vergl. Fig. 5). Die bei einer angelegten Spannung erzeugte Wärme wird nur von der kaschierten Oberfläche abgegeben.

Claims

Patentansprüche

;i. Drahtloses Flächenheizelement, bestehend aus einem einseitig kaschierten Gewebe und einer auf der nicht kaschierten Seite des Gewebes angebrachten Eunststoffschicht, bei dem die nicht kaschierte Seite des Gewebes vor dem Anbringen der Kunststoffschicht mit einer wässrigen elektrisch leitende Partikelchen enthaltenden Kunststoffdispersion behandelt und mit elastischen Elektroden und entsprechenden elektrischen Anschlüssen versehen wurde.
2. Flächenheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kaschierte Gewebe flexibel und elastisch ist.
3. Flächenheizelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Partikelchen Edelmetalle, mit Edelmetall beschichtete andere Metalle oder Substanzen, oder Kohlenstoff, z.B. Ruße und Graphit, sind, wobei Ruß bevorzugt ist.
4. Flächenheizelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dispergierte Kunststoff ein Polyisobutylen ist.
5. Plächenheizelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der angeschäumte Kunststoff ein Polyurethanschaumstoff, insbesondere ein weichelastischer, gegebenenfalls geschlossenporiger Polyurethanschaumstoff ist.