Поверхностная нагревательная система - RU2439861C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к электропроводящей пленке, выполненной из термопластичной матрицы и электропроводящих армирующих волокон, причем электропроводящие волокна фактически изотропно распределены в электропроводящей пленке, а также к способу ее получения.

В уровне техники известны электропроводящие плоские материалы, которые содержат электропроводящие волокна или покрытия.

Так, в патенте США №4534886 описаны электропроводящие нетканые материалы или бумага, которые содержат от 5 до 50 мас.% электропроводящих частиц. Характерной чертой данного электропроводящего материала является то, что электропроводящие волокна соединены друг с другом посредством дисперсного связующего, и поэтому становится возможным образование нетканого материала.

Недостатком данного решения является то, что оно включает в себя нетканый материал, который является не очень надежным и трудно поддается обработке и в котором может происходить отделение волокон, в частности электропроводящих волокон. Поэтому электропроводящие волокна могут отделяться от нетканого композиционного материала и могут перемещаться целиком или фрагментами; таким образом, точки контакта между проводящими волокнами частично прерываются, что в итоге может привести к образованию искр вследствие электрической дуги и, следовательно, к возгоранию. Кроме того, неблагоприятным является отсутствие стабильно зафиксированного расположения токопроводящих компонентов (волокон) из-за структуры в виде нетканого материала. Путем приложения нагрузки в направлении z (поверхностное прессование) восстанавливают или улучшают точки контакта между электропроводящими компонентами, что приводит к возникновению зависимости сопротивления от давления на поверхность, а следовательно, также к тому, что невозможно установить определенное, воспроизводимое сопротивление. В связи с этим контактные дорожки приклеивают только на поверхности электропроводящего нетканого материала.

Из патента DE 19911519 А1 известен электропроводящий материал в виде радиационного нагревателя на основе нетканых материалов или бумаги. Данный электропроводящий материал также обладает описанными ранее недостатками, т.к. в нем также не достигают достаточной фиксации проводящих компонентов. Материал по DE 19911519 А1 фактически покрыт двумя ламинирующими пленками без волокон из данного материала, в частности также электропроводящих волокон, причем указанные ламинирующие пленки, кроме того, закреплены локально. Рыхлость структуры сохраняется. Контактные полосы, приклеенные на поверхность электропроводящего материала, также покрыты пленкой, в результате чего в области контактных полос получают сэндвичеобразную структуру, которая включает две изолирующие пленки, электропроводящий материал и медную контактную полосу. Данная многослойная конструкция сама по себе включает опасность локального полного отделения контактной полосы; таким образом, меняются переходные сопротивления, в результате чего возникают максимумы напряжения и силы тока, которые могут привести к локальному разогреву вплоть до возникновения искр и огня.

Другое решение для получения электропроводящего материала в слоистой форме известно из патента WO 01/43507 А1. В случае данного электропроводящего материала ткани, которые включают электропроводящие нити основы или поперечные нити на определенных расстояниях, прессуют с термопластичными пленками или тканями, чтобы получить многослойную сэндвичеобразную структуру, включающую два покровных слоя и промежуточный слой электропроводящей ткани. В случае данного плоского электропроводящего материала, помимо сложного способа получения из отдельных слоев, особенным недостатком является то, что из-за промежуточного слоя электропроводящей ткани наблюдается низкая однородность профиля распределения температур, т.к. только электропроводящие нити основы или поперечные нити могут выступать в качестве резистивного элемента и становятся горячими. В результате получают профиль распределения температур, имеющий форму полос, а не действительно равномерный однородный нагрев.

Исходя из этого целью настоящего изобретения является получение нового электропроводящего материала, в котором отсутствует электропроводящее покрытие, которое при эксплуатации разрывается, поднимается или отщепляется, а затем приводит к возникновению проблем, таких как образование искр, локальные максимумы напряжения, и, следовательно, максимумы температуры, и поэтому представляет угрозу для безопасности.

В данном электропроводящем материале электропроводящие компоненты должны быть надежно и жестко закреплены, чтобы зафиксировать определенным и неизменным образом точки контакта электропроводящих компонентов. Кроме того, электропроводящий материал должен иметь постоянную электропроводность по всей поверхности, а следовательно, и постоянное поверхностное сопротивление. Следовательно, должны быть обеспечены постоянные значения электрической и тепловой поверхностных мощностей, чтобы обеспечить возможность разнообразных применений. Кроме того, электрическое сопротивление данного материала не должно зависеть от давления и не должно зависеть от воздействий окружающей среды, таких как влажность воздуха, влага и другие среды. В связи с этим контактные полосы для нового материала должны быть включены в данный материал надежно и на постоянной основе, без применения клея.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение соответствующего способа получения такого электропроводящего материала.

В отношении пленки этой цели достигают посредством отличительных признаков п.1 формулы изобретения, а в отношении способа получения - посредством отличительных признаков п.30 формулы изобретения.

В зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные варианты данного изобретения.

Таким образом, согласно данному изобретению, электропроводящий материал в виде пленки отличается тем, что армирующие волокна, которые содержатся в термопластичной матрице и образованы, по меньшей мере частично, из электропроводящих армирующих волокон, распределены в пленке практически изотропно относительно направления х,у. Следовательно, электропроводящие волокна внедрены в термопластичную матрицу относительно поперечного сечения пленки также однородно, фактически изотропно, в направлении х,у и не ориентированы в направлении z. В результате такой ориентации волокон достигают того, что соотношение электропроводности в направлении х и у составляет от 1 до 3, предпочтительно, от 1,2 до 2,2, а особенно предпочтительно, от 1,5 до 2. В результате того, что применяют длинные волокна точно определенной длины, а именно от 0,1 до 30 мм, а также в результате того, что они равномерно распределены и зафиксированы в термопластичной матрице, обеспечивают наличие сетеобразного соединения электропроводящих волокон друг с другом. Тогда данную электропроводящую сеть также можно локально разорвать без полной потери электропроводности, а следовательно, без прекращения функционирования в качестве электрического радиационного нагревателя. В результате конфигурации согласно данному изобретению, например, также можно конкретно регулировать электропроводность пленки с помощью снабжения высечками и/или отверстиями. Кроме того, в случае электропроводящей пленки согласно данному изобретению, необходимо отметить, что поскольку электропроводящие армирующие волокна надежно внедрены и, следовательно, закреплены в термопластичной матрице, как описано выше, получают очень стабильный композиционный материал. В результате дополнительного введения армирующих волокон (не обладающих электропроводностью) также можно регулировать механические свойства пленки соответственно области применения. Дополнительные преимущества проводящей пленки согласно данному изобретению перечислены ниже:

- не требуются ламинирование пленки и ламинирующий адгезив, следовательно, не происходит старение адгезива с возможностью изменения электрического переходного сопротивления,

- однослойная система, следовательно, отсутствует опасность отделения слоя (расслаивания),

- высокая внутренняя прочность пленки,

- отсутствует опасность внутреннего расслаивания пленки с возможность оголения концов электропроводящих волокон и образования искр и возникновения пожара,

- отсутствует разрушение электропроводящих волокон в результате сгибания или изгибания,

- отсутствует опасность образования искр между свободными фрагментами электропроводящих волокон,

- встроенные металлические полосковые проводники одинаковой высоты,

- стойкое к старению соединение полоскового проводника без адгезива,

- однородный профиль распределения температур по всей поверхности,

- локальное повреждение нагревательной пленки не приводит к нарушению ее основной функции,

- отсутствует изменение электрического сопротивления в зависимости от давления на поверхность,

- электрическое сопротивление не зависит от влажности.

В случае электропроводящей пленки, согласно данному изобретению, механические свойства можно определить путем выбора термопластичного полимера и волокон, концентрации и соотношения, в котором их смешивают, а также толщины пленки. Следовательно, можно конкретно регулировать такие параметры, как удлинение при разрыве, предел прочности на разрыв и модули упругости, сопротивление усталости при изгибе и т.д., таким образом, что, например, можно получить надежную пленочную нагревательную систему, которая пригодна для применения в строительстве. В результате того, что электропроводящие волокна в электропроводящих пленках согласно данному изобретению распределены фактически изотропно и однородно внутри термопластичной матрицы, электропроводность на поверхностях пленки нельзя исключить при работе в диапазоне так называемых безопасных сверхнизких напряжений (диапазон БСНН), настоящую пленку можно применять без дополнительной изоляции поверхности. Однако электропроводящую пленку также можно легко применять для более высоких напряжений, если поверхности электропроводящей пленки электрически изолированы.

При этом, в случае электропроводящей пленки согласно данному изобретению, предпочтительно длина электропроводящих армирующих волокон составляет от 0,1 до 30 мм, предпочтительно от 2 до 18 мм, а особенно предпочтительно от 3 до 6 мм. Выбор длины волокна важен по причине того, что посредством электропроводящих длинных волокон данного типа можно обеспечить возможность достижения электропроводности путем формирования электропроводящей однородной сетевой структуры в самой пленке. Таким образом, в свою очередь, предпочтительно толщина волокон составляет от 1 до 15 мкм, особенно предпочтительно, от 5 до 8 мкм. Путем выбора волокон данного типа также остается возможным получение проводимости самой пленки при относительно низких концентрациях электропроводящих армирующих волокон. Согласно настоящему изобретению при условии, что термопластичная матрица содержит от 3 до 45 мас.% армирующих волокон, требуемая доля электропроводящих армирующих волокон предпочтительно составляет по меньшей мере 0,1 мас.%, предпочтительно, от 0,5 до 20 мас.%. При этом было показано, что даже при очень малых количествах электропроводящих армирующих волокон, например при 0,5 мас.%, еще возможно получить электропроводящую пленку с высоким электрическим сопротивлением, которое при приложении нормального напряжения (230 В) дает возможность достижения достаточно низких значений электрической поверхностной мощности, и, следовательно, низких температур.

В результате однородного, фактически изотропного, распределения волокон по изобретению, при заданных параметрах также можно регулировать электрические свойства термопластичной пленки. Так, электропроводность пленки по изобретению можно регулировать при заданной плотности пленки через количество (массовую долю) применяемых электропроводящих армирующих волокон. С другой стороны, также возможно, при заданной массовой доле электропроводящих армирующих волокон в термопластичной матрице, достичь соответствующего изменения электропроводности путем изменения плотности пленки, т.к. таким образом можно влиять на число точек контакта. Наконец, также можно влиять на электропроводность пленки посредством уменьшения электропроводящей поверхности на пленке при заданной доле электропроводящих армирующих волокон или при заданной плотности пленки в результате снабжения пленки отверстиями и/или высечками. Это воплощение обладает тем решающим преимуществом, что пленку можно применять везде, где это целесообразно, при этом, например, связующие или клей могут проникать через высечки или отверстия, не ухудшая проводимость. Это целесообразно, в частности, в секторе строительства, когда применяют нагревательную пленку между напольными плитками и стяжкой; здесь достигают хорошего сцепления между слоями путем проникновения через пленку мастики для приклеивания плитки. В случае строительных композиционных материалов также благоприятно, если клей, нанесенный на одну сторону, проникает через отверстия и обеспечивает возможность хорошего соединения слоев.

Возможность обеспечения высечек и/или отверстий также позволяет наносить рисунки, например названия или товарные знаки, на саму пленку заданным образом. В результате можно обеспечить отличительные особенности электропроводящей пленки, которые можно сделать видимыми даже в собранном состоянии также с помощью термографии.

При этом плотность пленки по изобретению может составлять от 0,25 г/см³ до 6 г/см³, предпочтительно от 0,8 до 1,9 г/см³. В зависимости от параметров способа отверждения толщину пленки можно устанавливать от 30 мкм до 350 мкм.

Дополнительное преимущество пленки по изобретению состоит в том, что в предпочтительном способе электрический контакт является неотъемлемым компонентом термопластичной матрицы, т.е. электропроводящей пленки. При этом, чтобы реализовать такое воплощение настоящего изобретения, требуется только, как описано далее, внедрить металлическую контактную полосу в пленку в ходе способа получения. При этом электрическому контакту предпочтительно придают форму полоскового проводника. В предпочтительном воплощении данного изобретения такой электрический контакт представляет собой металлическую контактную полосу, предпочтительно медную фольгу.

В качестве преимуществ можно упомянуть следующее:

- механически надежный контакт и защита полоскового проводника без выступающей точки перехода, которая потенциально является механическим или оптическим дефектом (обогрев стены, например, за обоями),

- отсутствие проблемы старения электропроводящих клеев для обеспечения контакта,

- предотвращение проблем коррозии в точке перехода от проводника тепла к медному контакту,

- кроме того, в пленку можно заделывать заподлицо контактные полосы, которые защищены от коррозии с верхней стороны, например, покрытые алюминием медные контактные полосы,

- надежное бесклеевое соединение металлической контактной полосы обеспечивает возможность применения всех типов электрического соединения, а также соединения полос нагревательной пленки друг с другом:

- обжатие,

- фрикционное соединение с зубчатыми пружинными шайбами,

- пайка,

- сварка (ультразвуковая, лазерная, точечная сварка),

- заклепочное соединение,

- штекерные соединения,

- кнопочные контакты,

- имеющиеся в продаже электропроводящие клейкие ленты.

Кроме того, структура проводящей пленки согласно данному изобретению делает возможным не только ламинирование обеих поверхностей пленки изолирующим слоем, но также позволяет придать электропроводящей пленке трехмерную форму с помощью соответствующего фасонного инструмента.

С точки зрения материала, в частности, углеродные волокна, металлические волокна, термопластичные полимерные волокна с электропроводными добавками пригодны для применения в качестве электропроводящих армирующих волокон для электропроводящей пленки по изобретению.

В случае применения дополнительных армирующих волокон можно применять по существу все армирующие волокна, известные в области техники. Примерами подходящих армирующих волокон являются стекловолокно, арамидные волокна, керамические волокна, полиэфиримидные волокна, полибензоксазольные волокна, натуральные волокна и/или их смеси. Эти армирующие волокна, в принципе, могут иметь такие же размеры, как электропроводящие армирующие волокна, уже описанные выше. Следовательно, подходящая длина волокна составляет от 0,1 до 30 мм, предпочтительно от 6 до 18 мм, а особенно предпочтительно от 6 до 12 мм.

В качестве термопластичной матрицы можно применять по существу все термопластичные полимеры. Их подходящими примерами являются термопластичные полимеры, выбранные из полиэфиркетонов, поли-п-фениленсульфида, полиэфиримида, полиэфирсульфона, полиэтилена, полиэтилентерефталата, перфторалкокси-полимера, полиамида и/или полисульфонов.

В зависимости от термостойкости термопластичных полимеров, таким образом можно получить нагревательную пленку, которую можно применять периодически при температуре до 300°С и постоянно все еще выше 220°С.

Кроме того, чтобы регулировать свойства электропроводящей пленки можно вводить добавки, предпочтительно, в количестве до 10 мас.%. В качестве добавок могут выступать упомянутые здесь связующие, и, фактически, предпочтительными являются связующие, которые применяют в производстве нетканых матов, как дополнительно описано далее. Кроме того, подходящими добавками являются трибологические добавки, добавки для повышения прочности, ударной вязкости, термостойкости, теплопроводности, износостойкости и/или электропроводности.

При этом добавки предпочтительно применяют в виде волокон, элементарных волокон, фибридов, волокнистой массы, порошков, наночастиц и нановолокон и/или их смесей.

Что касается связующих, с точки зрения материала, подходящими примерами добавок являются соединения на основе полиакрилата, поливинилацетата, поливинилового спирта, полиуретана, смол, полиолефинов, ароматических полиамидов и/или их сополимеров.

Кроме того, данное изобретение относится к способу получения описанной выше электропроводящей пленки.

При этом, согласно изобретению, способ состоит в получении нетканого мата на первой стадии, а затем превращения данного нетканого мата в электропроводящую пленку после введения контактов путем прессования под давлением в нагретом приспособлении.

При этом существенной стадией способа по изобретению является получение нетканого мата. В связи с этим получение нетканого мата осуществляют по существу аналогично патенту ЕР 1618252 В1. В указанном документе описан нетканый мат и способ его получения. При этом существенным признаком данного способа является использование так называемых плавящихся волокон и армирующих волокон, из которых затем создают нетканый мат. Плавящиеся волокна представляют собой именно те волокна, которые образуют термопластичную матрицу в ходе последующего осуществления данного способа. Таким образом, с помощью способа получения нетканого мата можно получить армирующие волокна, которые в данном случае образованы, по меньшей мере частично, из электропроводящих армирующих волокон, посредством подходящего способа укладки на проходящую по диагонали сетку, соответствующего распределения плавящихся волокон и электропроводящих армирующих волокон. В данной процедуре физические свойства электропроводящей пленки также можно регулировать путем смешивания электропроводящих волокон и армирующих волокон в соответствующих соотношениях.

Конечно, во время получения нетканого мата также можно вводить соответствующие добавки, как уже известно из патента ЕР 1618252 В1, чтобы оказать дополнительное влияние на свойства электропроводящей пленки. При этом существенным признаком является добавление соответствующих связующих, здесь, фактически, на стадии (а) способа, чтобы достичь фиксации нетканого мата, как такового, включающего плавящиеся волокна и армирующие волокна.

Введение электрических контактов (стадия (b) способа) также можно осуществлять во время стадии (а) способа, т.е. во время получения нетканого мата, или во время стадии последующего прессования (стадия (с) способа), так что эти контакты представляют собой неотъемлемый компонент электропроводящей пленки по изобретению.

Количественные соотношения, которые следует использовать при реализации данного способа, а также выбор материалов, описаны выше в связи с электропроводящей пленкой.

Кроме того, изобретение относится к применению электропроводящей пленки в качестве радиационного нагревателя, как описано выше. Было показано, что пленка по изобретению пригодна, в частности, для низкотемпературных применений в системах радиационного нагрева пола, стен, потолка как в области строительства, так и в автомобильной промышленности.

В частности, для применений в строительстве также может являться благоприятным, если на пленку также наносят грунтовочный слой, чтобы достичь минимального сцепления между напольными плитками и нагревательной пленкой и/или стяжкой. Такие грунтовочные слои сами по себе известны из уровня техники.

Рулонная форма нагревательной пленки обеспечивает возможность применения простой конструкции из полос также для больших площадей. При этом контакт обеспечивают просто и экономично посредством параллельного соединения разложенных полос с применением кольцевых схем, контактных рельсов или контактных перемычек и т.д.

Кроме того оказалось, что конкретные воплощения данного изобретения пригодны для применения в качестве высокотемпературных систем радиационного нагрева, вспомогательных нагревательных систем и в качестве источника энергии для технологического тепла.

В других применениях система радиационного нагрева пригодна для:

- обогрева зеркал

- дополнительного обогрева в установках кондиционирования воздуха

- обогрева сидений

- обогрева электронных компонентов.

Далее данное изобретение поясняют более подробно со ссылкой на примеры составов и результаты испытаний, а также на Фиг.1-5.

1. Примеры составов

1.1 НIСОТЕС ТР-1

Матрица: ПЭТ, 60 мас.%

Электропроводящие волокна: углеродное волокно, 3 мас.%

Армирующие волокна: стекловолокно + арамидное волокно, 32 мас.%

Связующие: 5 мас.%

1.2 НIСОТЕС ТР-2 и 3

Матрица: ПЭТ, 75 мас.%

Электропроводящие волокна: углеродное волокно, 3,9 мас.%

Армирующие волокна: стекловолокно или арамид, 16,1 мас.%

Связующие: 5 мас.%

2. Результаты испытаний

Фиг.1 представляет собой график зависимости паропроницаемости от поверхностного сопротивления для материала HICOTEC ТР-1 (см. пример состава 1.1).

На Фиг.2 показана зависимость паропроницаемости от плотности для того же примера состава (HICOTEC TP-1). Изменения плотности достигали путем изменения давления прессования. График получен в качестве примера для v=2 м/мин.

На Фиг.3 показана зависимость поверхностного сопротивления от концентрации электропроводящих углеродных волокон.

На Фиг.4 и 5 представлено в качестве примера влияние выбора армирующих волокон на удлинение при разрыве (Фиг.4) и на предел прочности на разрыв (Фиг.5). При этом на графиках показаны значения удлинения при разрыве как для армирующего стекловолокна (состав НIСОТЕС ТР-2), так и для состава НIСОТЕС ТР-3 (арамид).

Реферат

Изобретение относится к электропроводящей пленке, изготовленной из термопластичной матрицы и электропроводящих армирующих волокон, причем электропроводящие волокна фактически изотропно распределены в электропроводящей пленке, а также к способу ее получения. Электропроводящая пленка содержит от 3 до 45 мас.% армирующих волокон, электрических контактов, причем армирующие волокна по меньшей мере частично включают электропроводящие армирующие волокна длиной от 0,1 до 30 мм, которые распределены в направлении х-у в термопластичной матрице. При этом электрические контакты включены в данный материал надежно и на постоянной основе без применения клея. Обеспечение постоянной электропроводности по всей поверхности, и следовательно, поверхностного сопротивления пленки, а также отсутствие изменения электрического сопротивления в зависимости от давления на поверхность, является техническим результатом изобретения. 4 н. и 42 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула