專利名稱：導電材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及導電材料并且特別涉及可用于加熱裝置的導電材料。
很早就知道導電的材料能產(chǎn)生熱量。這種現(xiàn)象已為數(shù)量眾多的各種用途創(chuàng)造出數(shù)不勝數(shù)的加熱手段。
雖然電加熱體總體上來說是成功的，并且遠能滿足其目標用途，但是已發(fā)現(xiàn)很難在相對較寬的區(qū)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(qū)。
目前已嘗試過制造片或網(wǎng)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涂布于其上的碳?；蛱亢?。為了達到均勻的加熱效果，采用的是密度或濃度較高的碳粒，但是它所帶來的直接后果是材料的柔軟性更差并且更脆，妨礙了材料在許多應用領域中的潛在用途。
本發(fā)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(fā)明的第二個和其它目的是將起始原料或配料轉變成可用于多種不同用途的電加熱體產(chǎn)品。
本發(fā)明的第一方面是，導電材料包含均勻分散于彈性載體中的細碳粒，相對于80％～25wt.％干重的載體含量而言其碳粒含量為20％～75wt.％干重。
可采用相對于80％～60wt.％干重的載體含量而言20％～40wt.％干重的碳粒含量。
碳?？梢允撬^的炭黑，一種細粉，而彈性載體則是彈性聚合物，并且按照本發(fā)明的另一個特點，半導體膜或涂層包含的是填載碳的彈性聚合物，優(yōu)選相對于57％～27wt.％干重的聚合物含量而言其碳粒含量為43％～73wt.％干重，優(yōu)選60wt.％～65wt.％干重。進一步優(yōu)選碳粒含量為57wt.％干重。
彈性聚合物可以是溶液形式的脂肪族聚氨酯，并且在添加到聚氨酯溶液中之前碳粒最好是不經(jīng)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(fā)明的另一方面，電加熱體用混合物的制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，相對于80～25wt.％干重的聚合物使碳粒含量達到20wt.％～75wt.％干重，并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℃。
相對于聚合物含量而言所需的碳粒含量可能是20％～40wt.％干重，但相對于聚合物則優(yōu)選碳含量43％～73wt.％干重，并且尤其是57wt.％干重。
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酰胺來降低混合物的粘度。
優(yōu)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。在該工藝結束之后，向主配料(master bach)中添加適當?shù)木酆衔锶芤?，比如脂肪族聚氨酯，從而聚合物與炭黑之比為1∶0.57，以干重量為計。接著在進行任何涂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。
混合物制備后，取樣并經(jīng)200目過濾器過濾而檢驗之，優(yōu)選輔以低壓排代泵，并采用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(xiàn)象。如果檢測到有任何的聚集現(xiàn)象，混合物應再次進行高速攪拌。
所制備的起始原料或配料優(yōu)選處以一個最后的過濾步驟，即將混合物比如借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余，否則就視為碳粒仍殘存有一定程度的聚集現(xiàn)象。
在起始原料或配料以二甲基甲酰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涂層、基體或載體材料的理想材料。
按照本發(fā)明的另一方面，一種網(wǎng)或片的制造方法是，經(jīng)由轉移涂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干重的均勻涂層或膜，并且使網(wǎng)或片逐步從110℃升溫至150℃，實現(xiàn)溶劑的可控釋除并給出不含針孔的涂層或膜。
由于導電性，和因而所能達到的熱效應是涂層或膜厚度的函數(shù)，重復上述工藝直至涂層或膜達到所需的厚度。
此時千萬要注意避免產(chǎn)生成網(wǎng)現(xiàn)象，并且由于優(yōu)選借助刮刀將成品混合物鋪涂在脫膜紙上，同樣要特別注意刮刀邊緣上不要有灰塵或沙礫，從而避免劃痕在涂層或膜上出現(xiàn)并延伸。
脫膜紙最好是無光級的并且是涂有有機硅的無紋紙。
按照本發(fā)明的再一方面，一種能用于電加熱體的柔軟織物的制造方法是，取一片涂有成品混合物的上述脫膜紙，在其上再鋪涂一定量的所述混合物，脫膜紙放在柔軟的織物載體片或網(wǎng)上，并使該復合體通過一個恒間隙輥而確保所述混合物受控滲透到織物片或網(wǎng)中，接著將片或網(wǎng)逐步從110℃升溫至150℃，實現(xiàn)溶劑的可控化釋除并給出不含針孔的涂層或膜。也可直接在織物載體上直接施用成品混合物的涂層。
片或網(wǎng)可以是任何所需的長度，以及恒間隙輥所許用的任何寬度。
借助涂層或膜的性質，填載的炭黑基本完全均勻地分布于聚合物材料中，而同時使織物和其膜或涂層完全保留柔軟性，這比現(xiàn)今認為可行的都要優(yōu)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。
所述混合物的制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涂層或膜。但涂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涂層或膜提供一種導電接頭。
按照本發(fā)明的再另一方面，一種接在含有碳粒的涂層或膜上的導電接頭的制造方法，首先在涂層或膜的某一區(qū)域上噴涂一種鎳化合物，并在噴涂過的區(qū)域處貼上一根涂有銀填載的導電粘合劑的錫銅條。安設了導電接頭之后，在基本保證導電接頭處不會短路或放電，進而不會因為產(chǎn)生熱點而造成破壞的前提下，將片或網(wǎng)連接在適當?shù)碾娫瓷稀?br> 根據(jù)片或網(wǎng)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，從而有助于在寬范圍內向涂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(yōu)選比線柱寬。
本發(fā)明一個重要的方面是涂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(xiàn)，比如24V，并通過控制電極或線柱之間的寬度以及涂層或膜的厚度，就可實現(xiàn)溫度恒定并維持在任何所需的數(shù)值之下，以滿足特定用途的要求。
對于柔軟的片或網(wǎng)而言，可在其表面上噴涂外絕緣層而制成防水/液型電絕緣體。適宜的材料可以是聚氨酯、有機硅或丙烯酸酯彈性體。本發(fā)明可涉及的用途很廣?？煞夤谛枰氐奈锲返耐鈬部梢胄枰跇O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(yī)藥行業(yè)中應用時則更具優(yōu)勢?？梢氲綁|子中或用作手術臺或特護室病床的毯子，用以升高并維持術后患者的體溫。
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(xiàn)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。電壓以及涂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恒定值。
具體的運作方式可能是，經(jīng)由適當?shù)拈_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并隨后維持該溫度。但優(yōu)選以一系列時間預置的脈沖形式輸送電力，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。無論以什么形式輸送電力，本發(fā)明使電能的高效利用成為可能。
除了通過控制電極間隙和涂層厚度來控制電壓從而能控制最高溫度以外，本發(fā)明的一個高度有利特征在于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，然后調節(jié)溫度并維持在預置的值。這不僅在醫(yī)療行業(yè)，而且比如食品工業(yè)，尤其是所需溫度要求必須盡快達到并保持的食品加工業(yè)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。比如可噴涂在制品上，從而在復合制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(wǎng)印刷在載體表面上，或者直接涂布在制品表面上。也可由干混合物借助壓延或熱熔融涂布法而制得柔軟的片，或者按粉末涂布法進行施用而制造出可加熱型層壓材料。
本發(fā)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于模塑或澆鑄的要求。因此可制造出形狀穩(wěn)定的片體或成型材料，它們可用于許多工業(yè)領域，比如電廠中的地板底層加熱墊、土表下層加熱墊、飛灰給料斗內襯等，溫度在這里需要保持恒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(fā)明的一個實施方案進行說明，其中

圖1是含有本發(fā)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(chǎn)生加熱效果并維持恒溫作用的電路；而圖6和7是與圖1相同的毯子的示意圖，成型為制品構件或管線的外包物或封罩；圖1中，毯子或墊子1有一個由處于織物載體4上的導電材料3形成的內核2。導電材料是經(jīng)由前述方法進行制造的，并施用在織物層上成為系列涂層，每個涂層在涂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℃。對于醫(yī)療用途而言，涂層厚度為144μm?？椢镙d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，該絕緣層的后側或非工作側7比前側或工作側8要厚。
整個復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處于導電材料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(yī)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，并且必須避免供電時的放電和短路現(xiàn)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(qū)域內施涂一層鎳涂層11，然后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(chǎn)生任何放電現(xiàn)象。穿過導電層中的配合孔，鎳涂層和粘合帶就變成延伸到焊接在導電材料3后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，頂蓋卷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(熱敏電阻用于敏感的情況而熱電偶則較為粗略一些)，戰(zhàn)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發(fā)型或復位型保險絲22。
上述的毯子或墊子是醫(yī)療行業(yè)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。可采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，而后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(yōu)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，然后是過溫度隔離電路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(fā)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，并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，并激活報警測試裝置，從而確定所有的電路都處于正常狀態(tài)。
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，然后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(jīng)由控制模塊29發(fā)送到過溫度隔離電路28中，并且如果所感應到的溫度比預置溫度低，重復開關電源并感應溫度直至毯子或墊子的溫度達到要求。在該狀態(tài)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，并向過溫度控制電路和開關電路發(fā)送信號，于是脈沖供能重新開始直至毯子或墊子的溫度恢復其預置值。
由于采用了特定的碳與聚合物含量之比的載碳材料制造方法本身，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(qū)域內產(chǎn)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后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(chǎn)生了過熱現(xiàn)象，那么就會激活光學和聲學報警器，并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(tài)。為了避免因電源暫時波動而致的過溫度現(xiàn)象，忽略掉第一個10s斷電期間所感應到的過溫度現(xiàn)象，只有在兩個連續(xù)的斷電和溫度感應周期之間感應到過溫度現(xiàn)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，雖然非常適用于醫(yī)療領域，但也可在不作太多改動的情況下而用于許多的其它工業(yè)用途。
如圖6和7所示意，采用本質上與圖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，那么因為其由冷致熱的速度更快并且能更高效地維持罐中水的溫度，所以節(jié)省了更多的能量。
物品比如可以是食品工業(yè)中的管線，其中本發(fā)明既可為液態(tài)的熱食品經(jīng)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(chǎn)過程中意義重大，而且是因故停止生產(chǎn)所必需的，此時食品可能會凝固。就目前而言，油類產(chǎn)品在管線中凝固已成為一個大的問題。借助本發(fā)明，為外罩并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(tài)，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(fā)明的材料封裹之以保持其正常運轉的溫度，而無論外界溫度怎么下降。
權利要求
1.一種導電材料，其特征在于細碳粒均勻分散在彈性載體中，相對于80～25wt.％干重的載體含量而言其碳粒含量為20wt.％～75wt.％干重。
2.權利要求1的導電材料，其特征在于采用了相對于80％～60％干重的載體含量而言20～40wt.％干重的碳粒含量。
3.權利要求1或2的導電材料，其特征在于碳粒是所謂的炭黑，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，其特征在于半導體膜或涂層包含一種填載有碳的彈性聚合物，相對于57％～27wt.％干重的載體含量而言其碳粒含量為43％～73wt.％干重。
5.權利要求4的導電材料，其特征在于相對于40％～35％干重的聚合物含量其碳粒含量是60～65％干重。
6.權利要求4或5的導電材料，其特征在于碳粒含量相對于43wt.％干重的聚合物含量為57％。
7.權利要求3～6任意一項的導電材料，其特征在于彈性聚合物是溶液形式的脂肪族聚氨酯。
8.一種制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于向含防吸附化合物的聚合物基體中攪拌添加細碳粒，相對于80～25wt.％干重的聚合物使碳粒含量達到20wt.％～75wt.％干重，并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后細度。
9.權利要求8制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于預置溫度值不超過25℃。
10.權利要求8和9制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于通過添加適宜的溶劑如二甲基甲酰胺來改變混合物的粘度。
11.權利要求10制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于溶劑是二甲基甲酰胺。
12.權利要求8～11任意一項制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于炭黑粒子的粒徑約為30En nm。
13.權利要求8～12任意一項制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于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任意一項制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于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，按干重計算。
15.權利要求14制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于聚合物溶液是脂肪族聚氨酯。
16.權利要求8～14任意一項制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于成品混合物在使用前再過濾一次。
17.權利要求8～16任意一項制備電加熱體用混合物的方法，其特征在于第一次向聚合物基體中攪拌細碳粒時要緩慢攪拌，并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(wǎng)或片，其特征在于經(jīng)由轉移涂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干重的均勻涂層或膜，并且使網(wǎng)或片逐步從110℃升溫至150℃，實現(xiàn)溶劑的可控化釋除并給出不含針孔的涂層或膜。
19.權利要求18的網(wǎng)或片，其特征在于施用了多層涂層以得到所需厚度的涂層或膜。
20.權利要求18或19的網(wǎng)或片，其特征在于脫膜紙是無光級的并且是涂有有機硅的無紋紙。
21.一種可用作電加熱體的柔軟織物，其制造方法是，取一片涂有成品混合物的脫膜紙，在其上再鋪涂一定量的所述混合物，脫膜紙放在柔軟的織物載體片或網(wǎng)上，并使該復合體通過一個恒間隙輥而確保所述混合物受控滲透到織物片或網(wǎng)中，接著將片或網(wǎng)逐步從110℃升溫至150℃，實現(xiàn)溶劑的可控化釋除并給出不含針孔的涂層或膜。
22.一種可用作電加熱體的柔軟織物，其特征在于權利要求1～17任意一項成品混合物的涂層直接施涂在織物載體上。
23.權利要求21和22可用作熱材料的柔軟織物，其特征在于織物是針織的棉料。
24.權利要求21～23可用作電加熱體的柔軟織物，其特征在于織物是緯織的聚乙烯醇織物。
25.一種接在如權利要求1～24所定義含有碳粒的涂層或膜上的導電接頭，其特征在于首先在涂層或膜的某一區(qū)域上噴涂一種鎳化合物，并在噴涂過的區(qū)域處貼上一根涂有銀填載的導電粘合劑的錫銅條。
26.權利要求25接在含有碳粒的涂層或膜上的導電接頭，其特征在于導電線柱覆蓋一層隔離化合物，優(yōu)選比線柱寬。
27.權利要求18～26的網(wǎng)或片，其特征在于存在一個完全封裹住網(wǎng)或片的外絕緣和防水/液層。
28.權利要求27的網(wǎng)或片，其特征在于防水/液絕緣層是聚氨酯、有機硅或丙烯酸酯彈性體。
29.權利要求1～28任意一項的電加熱體的操作方法，其特征在于經(jīng)由變壓器和控制單元連接在電源上，以一系列持續(xù)時間預置的脈沖的形式提供電力，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，其特征在于在電源切斷的期間內，經(jīng)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(xù)提供脈沖電力或者告之已達到預置溫度并中斷電源供應。
31.一種在制品或設備上加以電加熱體的方法，其特征在于向制品或設備上噴涂、網(wǎng)板印刷或直接涂布權利要求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，其特征在于采用一種攪拌添加有碳粒的適當聚合物材料，使得該混合物適于模塑或澆鑄，從而得到應用在制品或設備上的預制成型制品。
全文摘要
本發(fā)明涉及電加熱體,并且其目的是提供一種在加熱體整體區(qū)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。借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(xiàn)這些目的,相對于載體含量的碳粒含量為20～75wt.%。載體優(yōu)選彈性聚合物。本發(fā)明另一方面是電加熱體用混合物的制備方法,包含向含防吸附化合物的聚合物基體中攪拌添加細碳粒,相對于聚合物的含量使碳粒含量達到20wt.%～75wt.%干重,并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后細度。
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(yōu)先權日1998年12月4日
發(fā)明者P·J·歐格拉迪, J·巴克利 申請人:Pjo(因蒂塞姆)有限公司