導電材料的製作方法
2023-10-05 08:19:04 1
專利名稱：導電材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及導電材料並且特別涉及可用於加熱裝置的導電材料。
很早就知道導電的材料能產生熱量。這種現象已為數量眾多的各種用途創造出數不勝數的加熱手段。
雖然電加熱體總體上來說是成功的，並且遠能滿足其目標用途，但是已發現很難在相對較寬的區域內達到均勻的加熱效果而基本上不存在熱和冷的點或區。
目前已嘗試過製造片或網狀的電加熱體，以滿足各種廣泛的用途。但是，導電材料最有效的形式是混入載體或基體之內或塗布於其上的碳粒或炭黑。為了達到均勻的加熱效果，採用的是密度或濃度較高的碳粒，但是它所帶來的直接後果是材料的柔軟性更差並且更脆，妨礙了材料在許多應用領域中的潛在用途。
本發明的第一個目的是提供一種能以各種不同的物理形式應用從而適合多種電加熱體的起始原料或配料。
本發明的第二個和其它目的是將起始原料或配料轉變成可用於多種不同用途的電加熱體產品。
本發明的第一方面是，導電材料包含均勻分散於彈性載體中的細碳粒，相對於80％～25wt.％乾重的載體含量而言其碳粒含量為20％～75wt.％乾重。
可採用相對於80％～60wt.％乾重的載體含量而言20％～40wt.％乾重的碳粒含量。
碳粒可以是所謂的炭黑，一種細粉，而彈性載體則是彈性聚合物，並且按照本發明的另一個特點，半導體膜或塗層包含的是填載碳的彈性聚合物，優選相對於57％～27wt.％乾重的聚合物含量而言其碳粒含量為43％～73wt.％乾重，優選60wt.％～65wt.％乾重。進一步優選碳粒含量為57wt.％乾重。
彈性聚合物可以是溶液形式的脂肪族聚氨酯，並且在添加到聚氨酯溶液中之前碳粒最好是不經研磨就進行混合。
如果特定用途中要求的話，可提供阻燃材料。
按照本發明的另一方面，電加熱體用混合物的製造方法包含向含有防吸附化合物的聚合物基體中攪入細碳粒，相對於80～25wt.％乾重的聚合物使碳粒含量達到20wt.％～75wt.％乾重，並在保持混合物比預置值低的同時，將混合物在預置的時間內高速攪拌，使碳粒研磨至預置的最終細度。該預置值不超過25℃。
相對於聚合物含量而言所需的碳粒含量可能是20％～40wt.％乾重，但相對於聚合物則優選碳含量43％～73wt.％乾重，並且尤其是57wt.％乾重。
所得到的混合物顯示觸變型流變特性，而且如果需要的話，可通過添加適宜的溶劑如二甲基甲醯胺來降低混合物的粘度。
優選的炭黑粒子其粒徑約為30En nm。適宜的吸附劑可選自分子量達到要求的聚丙二醇和聚乙二醇。在該工藝結束之後，向主配料(master bach)中添加適當的聚合物溶液，比如脂肪族聚氨酯，從而聚合物與炭黑之比為1∶0.57，以乾重量為計。接著在進行任何塗布工藝之前再次過濾該成品混合物。
炭黑緩慢攪拌添加的時間沒有嚴格限制，但高速攪拌則希望限定在30min之內。
混合物製備後，取樣並經200目過濾器過濾而檢驗之，優選輔以低壓排代泵，並採用Heckman量儀檢驗之，以確保在混合過程中已不存在碳粒聚集的現象。如果檢測到有任何的聚集現象，混合物應再次進行高速攪拌。
所製備的起始原料或配料優選處以一個最後的過濾步驟，即將混合物比如藉助慢速低壓正排代泵流過300目的濾布，此時濾布上不應有殘留物剩餘，否則就視為碳粒仍殘存有一定程度的聚集現象。
在起始原料或配料以二甲基甲醯胺為溶劑而以聚乙二醇或丙二醇為聚合物基體的情況下，就組合出一種可用作塗層、基體或載體材料的理想材料。
按照本發明的另一方面，一種網或片的製造方法是，經由轉移塗布法向脫膜紙上施用一定量的上述成品混合物，得到該混合物90～100g/m2乾重的均勻塗層或膜，並且使網或片逐步從110℃升溫至150℃，實現溶劑的可控釋除並給出不含針孔的塗層或膜。
由於導電性，和因而所能達到的熱效應是塗層或膜厚度的函數，重複上述工藝直至塗層或膜達到所需的厚度。
此時千萬要注意避免產生成網現象，並且由於優選藉助刮刀將成品混合物鋪塗在脫膜紙上，同樣要特別注意刮刀邊緣上不要有灰塵或沙礫，從而避免劃痕在塗層或膜上出現並延伸。
脫膜紙最好是無光級的並且是塗有有機矽的無紋紙。
按照本發明的再一方面，一種能用於電加熱體的柔軟織物的製造方法是，取一片塗有成品混合物的上述脫膜紙，在其上再鋪塗一定量的所述混合物，脫膜紙放在柔軟的織物載體片或網上，並使該複合體通過一個恆間隙輥而確保所述混合物受控滲透到織物片或網中，接著將片或網逐步從110℃升溫至150℃，實現溶劑的可控化釋除並給出不含針孔的塗層或膜。也可直接在織物載體上直接施用成品混合物的塗層。
片或網可以是任何所需的長度，以及恆間隙輥所許用的任何寬度。
藉助塗層或膜的性質，填載的炭黑基本完全均勻地分布於聚合物材料中，而同時使織物和其膜或塗層完全保留柔軟性，這比現今認為可行的都要優越得多。
織物可以是針織的棉料，但也可是其它任何適宜的形式，比如緯織的聚乙烯醇織物。
所述混合物的製備及其在載體上的施用方式要確保能得到一張目測光滑的塗層或膜。但塗層可保留其顯示由裸露表面上碳粒形成的峰和谷的微觀粗糙度的特性。接下來需要特別關心的是為塗層或膜提供一種導電接頭。
按照本發明的再另一方面，一種接在含有碳粒的塗層或膜上的導電接頭的製造方法，首先在塗層或膜的某一區域上噴塗一種鎳化合物，並在噴塗過的區域處貼上一根塗有銀填載的導電粘合劑的錫銅條。安設了導電接頭之後，在基本保證導電接頭處不會短路或放電，進而不會因為產生熱點而造成破壞的前提下，將片或網連接在適當的電源上。
根據片或網用途的不同，通過將導電線柱固定在添載銀的導電條上，導電接頭可一直延伸到另一側，從而有助於在寬範圍內向塗層或膜均勻地輸入能量。導電線柱最好覆以一層隔離化合物，優選比線柱寬。
本發明一個重要的方面是塗層或膜所提供的總體而言均勻的加熱效果可在較低能量下實現，比如24V，並通過控制電極或線柱之間的寬度以及塗層或膜的厚度，就可實現溫度恆定並維持在任何所需的數值之下，以滿足特定用途的要求。
對於柔軟的片或網而言，可在其表面上噴塗外絕緣層而製成防水/液型電絕緣體。適宜的材料可以是聚氨酯、有機矽或丙烯酸酯彈性體。本發明可涉及的用途很廣。可封裹在需要保溫的物品的外圍，也可引入需要在極冷氣候下穿著的衣物中，以保持穿著者的體溫。
但是，該織物在醫藥行業中應用時則更具優勢。可引入到墊子中或用作手術臺或特護室病床的毯子，用以升高並維持術後患者的體溫。
可在救援服務機構所用的睡袋或救護袋中使用該織物，為罹受體溫過低的事故受害者提供現時的救助。
所有這些情況下只需低電壓說明對使用者是完全安全的。電壓以及塗層或膜的厚度決定了織物沿整個寬度和長度方向上溫度的最高和恆定值。
具體的運作方式可能是，經由適當的開關步驟按需要切換電源到開和關，從而向電加熱體中輸送電力直至達到所需的溫度並隨後維持該溫度。但優選以一系列時間預置的脈衝形式輸送電力，在間隔期內將電源切斷一段預置的時間，使溫度感應器件開始動作。無論以什麼形式輸送電力，本發明使電能的高效利用成為可能。
除了通過控制電極間隙和塗層厚度來控制電壓從而能控制最高溫度以外，本發明的一個高度有利特徵在於從啟動電源開始在合適的時間內就能達到符合應用要求的預置最高溫度，然後調節溫度並維持在預置的值。這不僅在醫療行業，而且比如食品工業，尤其是所需溫度要求必須儘快達到並保持的食品加工業中也是非常重要的。
除了與柔軟織物配合使用以外，所述的混合物可按其它方式取得應用。比如可噴塗在制品上，從而在複合製品的整個表面上提供均勻的加熱效果。所述的混合物可篩網印刷在載體表面上，或者直接塗布在制品表面上。也可由幹混合物藉助壓延或熱熔融塗布法而製得柔軟的片，或者按粉末塗布法進行施用而製造出可加熱型層壓材料。
本發明還有一個可能是提供一種所述的混合物，其中攪拌有炭黑的聚合物材料能達到使混合物適於模塑或澆鑄的要求。因此可製造出形狀穩定的片體或成型材料，它們可用於許多工業領域，比如電廠中的地板底層加熱墊、土表下層加熱墊、飛灰給料鬥內襯等，溫度在這裡需要保持恆定以避免灰受潮或滯留在比如泵和閥門鑄件的四周，防止這些機件因被卡死而失靈。除此之外，所述的混合物可模塑在容器的外壁上用來溫熱化學品或液體。
以下參照附圖對本發明的一個實施方案進行說明，其中
圖1是含有本發明導電材料的墊子或毯子的部分截面示意圖；圖2是圖1墊子或毯子的平面示意圖；圖3是連接在導電材料上的導電接頭的上半部分及其視圖；圖4是圖3導電接頭的局部分解視圖；圖5是導電流程圖，表示的是一個能在導電材料中產生加熱效果並維持恆溫作用的電路；而圖6和7是與圖1相同的毯子的示意圖，成型為製品構件或管線的外包物或封罩；圖1中，毯子或墊子1有一個由處於織物載體4上的導電材料3形成的內核2。導電材料是經由前述方法進行製造的，並施用在織物層上成為系列塗層，每個塗層在塗布下一層之前通過進出一個烘箱或多個烘箱而加熱到110℃～150℃。對於醫療用途而言，塗層厚度為144μm。織物載體4上的導電材料3為電絕緣層5所覆蓋，且二者都裹在耐火絕緣層6之中，該絕緣層的後側或非工作側7比前側或工作側8要厚。
整個複合體都封裹在聚氨酯質的外包層9中，且邊緣完全被毯子或墊子的整個表面所密封，從而確保毯子或墊子完全能防水且可隨意清洗和消毒。
導電線柱10處於導電材料3之上而電絕緣層5之下，如圖2所示，在導電材料的兩個邊緣上沿長度方向延伸。就醫藥應用而言，線柱之間的間隙可以是460mm。
為導電線柱配以保險的導電接頭是非常重要的，並且必須避免供電時的放電和短路現象。向毯子或墊子內的導電材料供電也是非常重要的，如圖1、3和4所示，方法是在待貼附導電線柱10的導電材料的長方形區域內施塗一層鎳塗層11，然後在上面粘上一條用來粘結線柱10的載銀粘合帶12。以隔離化合物13覆蓋住線柱10，確保不會產生任何放電現象。穿過導電層中的配合孔，鎳塗層和粘合帶就變成延伸到焊接在導電材料3後表面上的雙頭螺栓座15的導電雙頭螺栓14，雙頭螺栓穿過背對頂蓋16的織物，頂蓋捲曲而連接在導電導線17上。圖5是接頭的局部分解視圖。
如圖2所示，符合毯子或墊子應用特定要求的熱電偶或熱敏電阻18(熱敏電阻用於敏感的情況而熱電偶則較為粗略一些)，戰略性地固定在導電材料上，而導線則一直拉到接頭19上。如圖5所示，有一個控制單元20，它所伸出的導線21連接在導電雙頭螺栓14上，在連接到其中一個導電雙頭螺栓14的導線路徑上還有一個單觸髮型或復位型保險絲22。
上述的毯子或墊子是醫療行業的理想之選，可用作手術室中手術臺或特護室中護理床的墊子或鋪布，或者是患者所躺的毯子。可採用靈敏度更高的熱敏電阻來感應墊子、鋪布或毯子的溫度。如圖5所示，將墊子、鋪布或毯子連接在控制單元23上，接著連接到變壓器單元24上，而後者本身就連接在電源上。這保證了輸送到墊子、鋪布或毯子中的是低壓，優選24V。
圖5以流程圖的形式表示了從電源到毯子或墊子之間的電路。在變壓器單元24中，有一個通往濾波器25和低壓變壓器26的電源輸入端。這能確保向控制單元23有24V的輸入。從入口端開始，電力輸送到開關電路27中，然後是過溫度隔離電路28，接著來到與上述墊子、鋪布或毯子相連的能量輸出端。同時，向帶溫度控制裝置30以及多個連接光學報警器31、聲學報警器32和開關電路27的輸出端的控制模塊29中輸送能量。墊子、鋪布或毯子上的溫度感應熱敏電阻(或熱電偶)18連接在控制單元23上，向顯示溫度的溫度隔離電路28發出信號。該單元上還有一個報警測試裝置33，該報警測試裝置連接在控制模塊上，並且能模擬過溫度的狀況。
在手術即將開始之前，溫度控制裝置設置成毯子或墊子所需的溫度，典型地是人的平均體溫。將變壓器單元、控制單元和墊子/毯子連接在電源上，並激活報警測試裝置，從而確定所有的電路都處於正常狀態。
開關電路的操控方式是，開始時，在預置的一段時間內，典型的是1min，向墊子或毯子輸送電力，然後再關閉一段預置的時間，典型地是10s。在電源切斷期間，熱敏電阻18所感應的溫度經由控制模塊29發送到過溫度隔離電路28中，並且如果所感應到的溫度比預置溫度低，重複開關電源並感應溫度直至毯子或墊子的溫度達到要求。在該狀態下，切斷電源直至感應到毯子或墊子的溫度有所降低時為止。
當患者躺在墊子上或者裹在毯子中時，體溫上的任何下降都會導致從墊子或毯子吸收熱量，熱敏電阻馬上就能感應到，並向過溫度控制電路和開關電路發送信號，於是脈衝供能重新開始直至毯子或墊子的溫度恢復其預置值。
由於採用了特定的碳與聚合物含量之比的載碳材料製造方法本身，及其在載體織物上的施用形式，因此能夠在整個毯子表面區域內產生了完全均勻的加熱效果，從根本上完全消除了熱點和冷點，從而為患者的體溫提供遍及全身的呵護，確保對手術過程中和隨後康復的患者而言關鍵的體溫控制機能能得以維持。
如果在極其意外的情況下毯子或墊子產生了過熱現象，那麼就會激活光學和聲學報警器，並且過溫度隔離電路也會切換到停止向毯子或墊子進一步供電的狀態。為了避免因電源暫時波動而致的過溫度現象，忽略掉第一個10s斷電期間所感應到的過溫度現象，只有在兩個連續的斷電和溫度感應周期之間感應到過溫度現象，才激活報警器和溫度隔離電路。
毯子或墊子的上述構造及其控制方式，雖然非常適用於醫療領域，但也可在不作太多改動的情況下而用於許多的其它工業用途。
如圖6和7所示意，採用本質上與圖1所示基本相同的近長方形結構34來封裹在待加熱物品35的周圍。
物品可以是家用的熱水罐，如果能沿著其整個高度方向提供均勻的加熱效果，那麼因為其由冷致熱的速度更快並且能更高效地維持罐中水的溫度，所以節省了更多的能量。
物品比如可以是食品工業中的管線，其中本發明既可為液態的熱食品經由其流動的管線提供一個外包絕緣層又能沿著整個管線的有效長度方向提供均勻的加熱效果。這不僅在正常生產過程中意義重大，而且是因故停止生產所必需的，此時食品可能會凝固。就目前而言，油類產品在管線中凝固已成為一個大的問題。藉助本發明，為外罩並進而為管線重新供熱可以溫和且快速地使食品再次受熱，恢復其液體狀態，此時又可以開始流動了。
物品也可以是極冷氣候條件下的戶外用品，比如閥門和泵，可用本發明的材料封裹之以保持其正常運轉的溫度，而無論外界溫度怎麼下降。
權利要求
1.一種導電材料，其特徵在於細碳粒均勻分散在彈性載體中，相對於80～25wt.％乾重的載體含量而言其碳粒含量為20wt.％～75wt.％乾重。
2.權利要求1的導電材料，其特徵在於採用了相對於80％～60％乾重的載體含量而言20～40wt.％乾重的碳粒含量。
3.權利要求1或2的導電材料，其特徵在於碳粒是所謂的炭黑，是一種細粉，而彈性載體是彈性聚合物。
4.權利要求1～3任意一項的導電材料，其特徵在於半導體膜或塗層包含一種填載有碳的彈性聚合物，相對於57％～27wt.％乾重的載體含量而言其碳粒含量為43％～73wt.％乾重。
5.權利要求4的導電材料，其特徵在於相對於40％～35％乾重的聚合物含量其碳粒含量是60～65％乾重。
6.權利要求4或5的導電材料，其特徵在於碳粒含量相對於43wt.％乾重的聚合物含量為57％。
7.權利要求3～6任意一項的導電材料，其特徵在於彈性聚合物是溶液形式的脂肪族聚氨酯。
8.一種製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於向含防吸附化合物的聚合物基體中攪拌添加細碳粒，相對於80～25wt.％乾重的聚合物使碳粒含量達到20wt.％～75wt.％乾重，並在保持混合物比預置值低的同時，將混合物在預置的時間內高速攪拌，使碳粒研磨至預置的最後細度。
9.權利要求8製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於預置溫度值不超過25℃。
10.權利要求8和9製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於通過添加適宜的溶劑如二甲基甲醯胺來改變混合物的粘度。
11.權利要求10製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於溶劑是二甲基甲醯胺。
12.權利要求8～11任意一項製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於炭黑粒子的粒徑約為30En nm。
13.權利要求8～12任意一項製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於吸附劑可選自分子量符合要求的聚丙二醇、聚乙二醇。
14.權利要求8～13任意一項製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於向主配料中添加聚合物溶液，從而聚合物與炭黑之比為1∶0.57，按乾重計算。
15.權利要求14製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於聚合物溶液是脂肪族聚氨酯。
16.權利要求8～14任意一項製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於成品混合物在使用前再過濾一次。
17.權利要求8～16任意一項製備電加熱體用混合物的方法，其特徵在於第一次向聚合物基體中攪拌細碳粒時要緩慢攪拌，並且高速攪拌的時間限定在不超過30min。
18.一種可用作電加熱體的網或片，其特徵在於經由轉移塗布法向脫膜紙上施用一定量的權利要求1～17任意一項的成品混合物，得到該混合物90～100g/m2乾重的均勻塗層或膜，並且使網或片逐步從110℃升溫至150℃，實現溶劑的可控化釋除並給出不含針孔的塗層或膜。
19.權利要求18的網或片，其特徵在於施用了多層塗層以得到所需厚度的塗層或膜。
20.權利要求18或19的網或片，其特徵在於脫膜紙是無光級的並且是塗有有機矽的無紋紙。
21.一種可用作電加熱體的柔軟織物，其製造方法是，取一片塗有成品混合物的脫膜紙，在其上再鋪塗一定量的所述混合物，脫膜紙放在柔軟的織物載體片或網上，並使該複合體通過一個恆間隙輥而確保所述混合物受控滲透到織物片或網中，接著將片或網逐步從110℃升溫至150℃，實現溶劑的可控化釋除並給出不含針孔的塗層或膜。
22.一種可用作電加熱體的柔軟織物，其特徵在於權利要求1～17任意一項成品混合物的塗層直接施塗在織物載體上。
23.權利要求21和22可用作熱材料的柔軟織物，其特徵在於織物是針織的棉料。
24.權利要求21～23可用作電加熱體的柔軟織物，其特徵在於織物是緯織的聚乙烯醇織物。
25.一種接在如權利要求1～24所定義含有碳粒的塗層或膜上的導電接頭，其特徵在於首先在塗層或膜的某一區域上噴塗一種鎳化合物，並在噴塗過的區域處貼上一根塗有銀填載的導電粘合劑的錫銅條。
26.權利要求25接在含有碳粒的塗層或膜上的導電接頭，其特徵在於導電線柱覆蓋一層隔離化合物，優選比線柱寬。
27.權利要求18～26的網或片，其特徵在於存在一個完全封裹住網或片的外絕緣和防水/液層。
28.權利要求27的網或片，其特徵在於防水/液絕緣層是聚氨酯、有機矽或丙烯酸酯彈性體。
29.權利要求1～28任意一項的電加熱體的操作方法，其特徵在於經由變壓器和控制單元連接在電源上，以一系列持續時間預置的脈衝的形式提供電力，在間隔期內將電源切斷一段預置的時間。
30.權利要求29的方法，其特徵在於在電源切斷的期間內，經由按一定方式排布的溫度感應器感應加熱器的溫度，告之控制單元連續提供脈衝電力或者告之已達到預置溫度並中斷電源供應。
31.一種在制品或設備上加以電加熱體的方法，其特徵在於向製品或設備上噴塗、網板印刷或直接塗布權利要求1～17所定義的混合物。
32.一種在制品或設備上加以電加熱體的方法，其特徵在於採用一種攪拌添加有碳粒的適當聚合物材料，使得該混合物適於模塑或澆鑄，從而得到應用在制品或設備上的預製成型製品。
全文摘要
本發明涉及電加熱體,並且其目的是提供一種在加熱體整體區域內顯示出均勻加熱效果的材料,熱點和冷點極少,進一步的目的是保留了加熱體的柔軟性。藉助一種包含均勻分散在彈性載體中的細碳粒的導電材料就能實現這些目的,相對於載體含量的碳粒含量為20～75wt.%。載體優選彈性聚合物。本發明另一方面是電加熱體用混合物的製備方法,包含向含防吸附化合物的聚合物基體中攪拌添加細碳粒,相對於聚合物的含量使碳粒含量達到20wt.%～75wt.%乾重,並在保持混合物比預置值低的同時,將混合物在預置的時間內高速攪拌,使碳粒研磨至預置的最後細度。
文檔編號C08L75/04GK1338107SQ9981538
公開日2002年2月27日 申請日期1999年12月3日 優先權日1998年12月4日
發明者P·J·歐格拉迪, J·巴克利 申請人:Pjo(因蒂塞姆)有限公司