DE1911099C - Elektrische Heizleitung und Ver fahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Elektrische Heizleitung und Ver fahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
35
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizleitung mit einem isolierendem Mantel aus Polytetrafluoräthylen,
einem von diesem eingeschlossenen leitfähigen Kern(Heizleiter) mit einem spezifischen Widerstand
im Bereich von 10~2 bis 106 Ohm ■ cm.
Tn der französischen Patentschrift 1 177 140 und dem deutschen Gebrauchsmuster 1 832 615 sind metallfreie
Widerstandskabel mit innerhalb bestimmter Grenzen einstellbarem elektrischem Widerstand beschrieben,
jedoch sind diese Widerstandskabel nicht als Heizkabel bzw. Heizleitungen einsetzbar, da sie
unter Verwendung von Polyäthylen, Kautschuk oder weichmacherhaitigen Kunststoffen, insbesondere von
weichgemachtem Polyvinylchlorid hergestellt werden, deren temperaturmäßige Belastbarkeit für einen
solchem Einsatzzweck weitaus zu niedrig ist. Sie sind also lediglich als Stromzuführungen brauchbar, z. B.
als Zündkabel, wofür sie auch entwickelt wurden.
Auch die in der deutschen Patentschrift 825 440 beschriebenen Heizleiter aus Gummi oder gummiartigen
Kunststoffen sind nur für vergleichsweise niedrigere Temperaturen verwendbar.
Aus der USA.-Patentschrift 3 277419 sind weiterhin elektrische Heizleiter bekannt, bei denen auf einem Substrat eine biaxial orientierte Polytetrafluoräthylen-Schicht, die einen leitenden Füllstoff enthält, aufgetragen ist. Die Leitschicht ist durch einen isolierenden Film abgedeckt. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um elektrische Heizleitungen, sondern um Flächenheizleiter, die nicht zum Heizen aggressiver Flüssigkeiten geeignet sind.
Aus der USA.-Patentschrift 3 277419 sind weiterhin elektrische Heizleiter bekannt, bei denen auf einem Substrat eine biaxial orientierte Polytetrafluoräthylen-Schicht, die einen leitenden Füllstoff enthält, aufgetragen ist. Die Leitschicht ist durch einen isolierenden Film abgedeckt. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um elektrische Heizleitungen, sondern um Flächenheizleiter, die nicht zum Heizen aggressiver Flüssigkeiten geeignet sind.
3ekannt sind außerdem elektrische Widerstandsdrähte und daraus hergestellte Heizkabel, die aus
isolierten Metalldrähten mit geeignetem elektrischem Widerstand bestehen. Heizdrähte dieser Art können
unter anderem dazu benutzt werden, Flüssigkeiten aufzuheizen, indem man sie z. B. in Tauchheizkörper
einbaut oder als isoliertes Drahtmaterial in die zu erwärmende Flüssigkeit einbringt. Reim Anlegen
einer Gleich- oder Wechselspannung wird der Draht infolge des Stromdurchgangs heiß und gibt die entwickelte
Wärme durch das ihn umgebende Isoliermaterial an die Flüssigkeit ab. Das Isoliermaterial
des Widerstanddrahtes bzw. des Tauchheizkörperwird naturgemäß ebenfalls warm.
Es gibt jedoch Badflüssigkeiten, z. B. galvanische Bäder, die aggressive Medien wie Chromsäure und
Schwefelsäure enthalten, denen die herkömmlichen Isolierstoffe bzw. Heizkörpermantel-Materialien bei
den geforderten Temperaturen nicht standhalten; sie werden von ihnen chemisch angegriffen.
Die Verwendung von Polytetrafluoräthylen (PTFE) als Isoliermaterial bzw. Heizkörperummantelung
für Drähte ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 3 355 572 bekannt. Sie bietet sich an
und für sich wegen der Temperaturbeständigkeit des PTFE bis 250° C und der außerordentlich hohen
chemischen Widerstandsfähigkeit dieses Materials in solchen Fällen an. Jedoch tritt bei der Ummantelung
von Metalldrähten mit PTFE in der Praxis folgende Schwierigkeit auf:
PTFE besitzt mit 0,2 bis 0,4 kcal/m, h. grd ein sehr
geringes Wärmeleitvermögen, so daß die Isolierung des Heizdrahtes bzw. die Ummantelung eines metallischen
Tauchheizkörpers mit diesem Material einen Wärmestau an der Heizleiter- bzw. Heizkörperoberfläche
verursacht. Das hai zur Folge, daß sich diese stets aus höherer Temperatur befindet als das umgebende
Flüssigkeitsmedium infolgedessen wird auch das Isoliermaterial auf der dem eigentlichen
Heizleiter zugekehrten Seite heißer als auf der Außenfläche. In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß
beim Einsatz PTFE-ummantelter Kabel bzw. Tauchheizkörper,
z. B. zum Aufheizen großräumiger galvanischer Bäder, die PTFE-Ummantelung auf der
Innenseite durch Abbau des Materials geschädigt wird. Dies ist auf eine durch die Anwesenheit von
Metallen — insbesondere Kupferkatalytisch beschleunigte thermische Zersetzung zurückzuführen.
Da hierbei auch gasförmige Zersetzungsprodukte entstehen, kommt es in der Folge zu Aufblähungen der
Ummantelung und schließlich zu Rissen und Poren, durch die die umgebende Flüssigkeit bis zum metallischen
Heizleiter bzw. Tauchheizkörper eindringen kann.
Es wurde nun gefunden, daß die Haltbarkeit von Heizleitungen, die mit PTFE isoliert sind, dadurch
wesentlich verbessert werden kann, daß man mit PTFE ummantelte, metailfreie Widerstandsmaterialien
verwendet, deren leitfähiger Kern aus einer Mischung von Graphit und/oder Ruß mit PTFIi besteht.
Durch geeignete Wahl des Mischungsverhältnisses kann der spezifische elektrische Widerstand des Leiters
in der Größenordnung von 10--bis 10fiOhm-cm
variiert werden.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine thermisch hochbelastbare Heizleitung
zur Erwärmung von aggressiven Flüssigkeiten zu schaffen, dessen Heizleiter nicht auf den PTFE-Man-
tel zerstörend einwirkt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst. d.:ii~die Heizleitung
einen leitfiihigen Kern aus einer Mischung von Graphit und/odi.T Ruß mit PTFE im Gewichtsverhältnis
0.1:1 bis : : I hat.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Heizleitungen gegenüber konventionellen PTFE-ummantelten metallischen
Drahtheizleitern liegen darin, daß bei ihnen eine Zerstörung der Ummantelung im Dauerbereich
aus folgend·-.·! Gründen vermieden wird:
1. Wegen der großen Variabilität ihres spezifischen elektrischen Widerstandes kann das Verhältnis
Länge: Querschnitt bei vorgegebener gewünschter Leistungsaufnahme in weiten Bereichen so
gewählt werden, daß ein möglichst geringe energiemäßige FUichenbc.jstung der isolierenden
Ummantelung erzielt wird.
2. Eine durch Metalle katalytisch beschleunigte thermische Zersetzung ist ausgeschlossen.
3. Durch Verwendung von PTFE sowohl als Mischkomponente für Graphit und/oder Ruß
als auch für die Ummantelung Kimmt ein besonders
guter Verbund zwischen der eigentlichen Heizleitung und dem Isoliermantel zustande.
Dadurch wird eine partielle Ablösung der Ummantelung von der Heizleitung, die einen erhöhten Wärmestau am Isoliermaterial
mit der Folge thermischer Schädigung verursachen würde, weitestgehend vermieden.
Die erfindungsgemäßen PTFE-ummantelten Heizleitungen können durch an sich bekannte Verfanren
hergestellt werden. Geeignet sind ζ B. die Pastenoder Schnecken-Extrusion mit gleichzeitigem oder
nachfolgendem Aufbringen des Isoliermaterial
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Heizleitungen empfiehlt es sich, elektrisch leitfähige Ruße
und/oder, vorzugsweise gemahlene, Graphite mit Korn- I zw. Blattdurchmessern unter 0,5 mm, vorzugsweise
unter 0,25 mm, einzusetzen. Das PTFE wir vorzugsweise in Pulverform mit durchschnittlichen
Korngrößen von 200 bis 800/tm, besonders bevorzugt zwischen 450 und 750 μτα, verwendet.
Das Mischen der pulvrigen Komponenten kann nach üblichen Verfahren, z. B. durch Kolben (Rollen)
oder gemeinsames Mahlen erfolgen.
Es ist auch möglich, eine wäßrige PTFE-Dispersion mit durchschnittlichen Partikeldurchmessern
von 0,1 bis 0,5 /<m, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 um, mit Graphit und/oder P.uß zu versetzen und das Gemisch
der Feststoffe gemeinsam unter Rühren aufzufallen. Nach Filtrieren oder Dekantieren, Waschen
und Trocknen erhält man besonders innige Mischungen.
Zur Herstellung der Heizleitungen aus diesen Materialien ist vor allem das Pasten-Extrusionsverfahren
geeignet, bei dem das Pulvergemisch nach Anpastcn mit Gleitmitteln, z. B. Benzin, und Herstellen eines
Vorformlings als Draht oder Band durch entsprechend geformte Düsen gepreßt wird. In einem nachgeschalteten
Durchlaufofen wird das Gleitmittel verdampft und anschließend durch Erhitzen das Materiül
auf 350 bis 420° C zum gewünschten Formkörper gesintert.
Die auf diese Weise erhaltene draht- oder bandförmige Heizleitung kann anschließend nach bekannten
Verfahren mit der Isolierung versehen werden, z. B. durch Kabel-Extrusion oder Umwickeln mit
PTFE-Band und nachfolgendes Sintern der Ummantelung.
Vorteilhafter wendet man jedoch eine Variante des Pasten-Extrusionsverfahrens an, das die Ummanteluiig
der Heizleitung gleichzeitig mit dessen Herstellung gestattet. Hierbei wird ein zylindrischer
Vorformling aus einem zylindrischen, zentnschen gelagerten Kern aus der leitfähigen angepastekn Mischung
von PTFE mit Graphit und/oder RuIi und
ίο einem Außenzylinder aus einer gleitmittelhaltigen
Pasic des reinen PTFE hergestellt und durch eine geeignete Düse extrudiert. (Einzelheiten dieses Verfahrens
empfiehlt sicti insbesondere bei sehr hohem Graphit- und, oder Rußgehalt, da solche Extrudate
für eine nachfolgende Ummantelung zu spröde und hruchanfällig sein können. Außerdem wird bei dieser
Verfahrensweise ein besonders guter Verbund zwischen dem leitfähigen Kern r.nd der isolierenden Umhüllung
erzielt.
2<> Di; F i g. 1 bis 3 zeigen die in Beispiel 1 verwendeten
Vorrichtungen zur glr' hzeitigen Extrusion von leitfähigem Kern und isolieieniem Mantel und zur
Herstellung des dazu benötigten Vorformlings. F i g. 4 und 5 zeigen die erfindungsgemäße Heizleitung
in runder bzw. flacher Form.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Preßwerkzeug ist
mit 1 der äußere rohrförmige Mantel und mit 4 das innere, herausziehbare Rohr gekennzeichnet. Diese
beiden Rohre umschließen die beiden Hohlräume 2 und 3. Die Fig. 2 zeigt das gleiche Preßwerkzeug
nach Einfüllen der beiden Materialien, Herausziehen des inneren Rohres 4 und Einführen der Preßstempel
5. Mit 6 ist der zylindrische Kern aus leitfähigem Material und mit 7 der Mantel aus reinem PTFE bezeichnet.
F i g. 3 zeigt den Pastenextruder, mit dem der Vorformling zur erfindungsgernäßen Heizleitung
verformt wird. Mit 11 ist der Preßstempel und mit 8 die Kreislochdüse gekennzeichnet. 9 bezeichnet den
leitfähigen Kern und 10 den isolierenden Mantel des fertigen Extrudats.
In den F i g. 4 und 5 ist mit 9 die ieitfähige PTFE-Ruß/Graphit-Mischung
und mit 10 der isolierende Mantel aus reinem PTFE bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert:
Beispiel 1
Mischung A:
Mischung A:
100 Gewichtsteile eines pulverförmigen Tetrarluoräthylen-Emulsionspolymerisates
(sogenannte Pastenware) mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von etwa 500 »in und 100 Gewichtsteile
einer Mischung aus 70 Gewichtsprozent gemahlenem Naturgraphit und 30 Gewichtsprozent Ruß Corax®L
mit durchschnittlichen Korngrößen <HK) „m wurden ir ein zylinderisches Metallgefäß und 30 Minuten
auf einem Rolltisch gerollt. Nach Zugabe von 42 Gewichtsteilen Testbenzin (KP 100 bis 140" C)
wurde das Gemisch nochmals eine Stunde gerollt.
Mischung Ii:
Gewichtsteile des gleichen PTFE-Pulvers, wie in
Mischung A verwendet, wurden mit 21 Gewichtsteilen Testbenzin gemischt und eine Stunde in einem
geerdeten Metallgefäß auf einem Rolltisch gerollt.
Aus den Mischungen A und B wurde mit Hilfe eines Preßwerkzeuges (Fig. I und 2) ein zylinder-
förmigcr Vorformling auf folgende Weise hergestellt:
Der Innenraum 2 des röhrenförmigen, doppelwandigen 1 und 4 Werkzeuges wurde mit Mischung
A, der »Zwischenraum« 3 zwischen Außcn- und Innenrohr mit Mischung/? gefüllt. Danach wurde
das innere Rohr 4 durch vorsichtiges Herausziehen entfernt, wonach das eingefüllte Material mit einem
Druck von 30kp/cm2 zusammengepreßt wurde.
Der so hergestellte kompakte Vorformling bestand, in Längsrichtung gesehen, aus einem zylindrischen
Kern der Mischung A mit einem Durchmesser von etwa 36 mm 6 und einem Mantel von etwa 13,5 mm
Wanddicke aus Mischungen B 7.
Dieser Vorformling wurde anschließend auf einem PTFE-Pastcn-Extruder der Firma Havelock Engineering
Co. Ltd. (Harlow-Essex), Type LP-2A, unter Verwendung eines 720 mm langen Extrusionszylinders
von 63 mm Durchmesser (siehe Fi g. 3) mit Hilfe eines mechanisch betätigten Prcßkolbens H
durch eine Krcislochdrüse 8 gepreßt. Man erhielt ein slabförmigcs Extrudat mit einem Graphit- und Rußhaltigcn
PTFE-Kern 9 und einer Umhüllung aus ungefülltem PTFE 10, das noch Gleitmittel (Benzin)
enthielt. Dieses Gleitmittel wurde in einem dem Extruder nachgcschaltctcn Durchlaufofen (Temperatur
etwa 130° C; Längen 4 m) entfernt. Danach gelangte das Extrudat in eine auf etwa 480° C beheizte 3 m
lange Zone des Ofens, in der die Sinterung und Verfestigung des Materials erfolgte.
Das auf diese Weise hergestellte Widerstandskabcl hatte einen Gesamtdurchmesser von 2,3 mm bei
einem Durchmesser des leitfähigen Kerns von 1,3 mm und einer Wanddickc des Isoliermantels von
0.5 mm.
Die Messung des Durchgangswiderstandes ergab einen spezifischen elektrischen Widerstand von
3,54· ΙΟ-» Ohm . cm.
' Beispiel 2
Mischung A aus Beispiel 1 wurde allein, ohne Mischung D, in analoger Arbeitsweise wie in Beispiel
1 zu einem stabfönnigen (nicht ummanteltpn) Extrudat mit einem Durchmesser von 2,3 mm verarbeitet.
Anschließend wurde das Extrudat mit einem nicht gesinterten PTFE-Bändchen spiralförmig umwickelt
und nochmals auf 380° C erhitzt.
Der gemessene spezifische elektrische Widerstand dieses Widerstandsdrahlcs lag in der gleichen Grö-
l;, ßenordnung wie in Beispiel 1.
In gleicher Arbeitsweise wie in Beispiel 1 wurde Mischung/1, hergestellt aus 100 Gcwichtsteilcn
PTFE und 150 Gewichtsteilen der in Beispiel 1 genannten Graphit/Ruß-Mischung.
Anschließend wurde analog Beispiel 1 ein Vorformling gepreßt mit einem Innenzylinder aus diesel
as Mischu'j/4, von 43mm Durchmesser und einem
Mantel aus Mischung ö mit 10 mm Wanddickc.
Nach dem Extrudieren durch eine Kreisloch· drüse 8 (F i g. 3) von 4 mm Durchmesser erhielt mar
ein Kabel mit einem Gcsamtdurchmcsscr von ctwf 4 mm bei einem Durchmesser des leitfähigen Kern:
von 2,8 mm sowie einer Wanddicke der Ummantelung %'on 0.6 mm.
Der spezifische Widerstand dieses Kabels betrug 4,56 · 10 * Ohm · cm.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Elektrische Heizleitung mit einem isolierenden Mantel aus Polytetrafiuoräthyien, einem von
diesem eingeschlossenen leitfähigen Kern (Heizleiter) mit einem spezifischen Widerstand im
Bereich von 10":> bis 10(iOhm -cm, dadurch
gekennzeichnet, daß sie einen leitfähigen Kern aus einer Mischung von Graphit und/oder
Ruß mit Polytetrafiuoräthyien im Gewichts-Verhältnis 0,1 :1 bis 2:1 hat.
2. Elektrische Heizleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Kern
du?, einer Mischung von Graphit und/oder Ruß
mit Polytetrafluoräthylen im Gewichts-Verhältnis 0,25 :1 bis 1,7 : 1 besteht.
3. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizleitung ^emäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß durch Pastenextrusion eine Leitung aus einer Mischung von Graphit und/oder Ruß
mit Polytetrafluoräthylen im Gewichtsverhältnis 0,1:1 bis 2: 1 hergestellt wird, die anschließend
durch Extrusion oder Umwickeln mit Polytetrafluoräthv len ummantelt wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizleitung gemäß Anspruch 1 durch Pastenextrusion
eines Vorformlings, der einen Kern aus einer Mischung von Graphit und/oder Ruß mit
Polytetrafluorethylen im Gewichtsverhältnis 0,1: 1 bis 2:1 und e:nen V-intel aus Polytetrafluoräthylen
hat.
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19691911099 DE1911099C (de) | 1969-03-05 | Elektrische Heizleitung und Ver fahren zu ihrer Herstellung | |
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| CH303470A CH504827A (de) | 1969-03-05 | 1970-03-02 | Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizleiters |
| NO74870A NO128513B (de) | 1969-03-05 | 1970-03-03 | |
| GB1041970A GB1292224A (en) | 1969-03-05 | 1970-03-04 | Heating conductors and process for their manufacture |
| FR7007892A FR2034676A1 (de) | 1969-03-05 | 1970-03-05 | |
| JP1837870A JPS5022261B1 (de) | 1969-03-05 | 1970-03-05 | |
| BE746910D BE746910A (fr) | 1969-03-05 | 1970-03-05 | Conducteur electrique chauffant et son procede de fabrication |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19691911099 DE1911099C (de) | 1969-03-05 | Elektrische Heizleitung und Ver fahren zu ihrer Herstellung |
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| DE1911099A1 DE1911099A1 (de) | 1970-10-01 |
| DE1911099B DE1911099B (de) | 1973-04-12 |
| DE1911099C true DE1911099C (de) | 1973-10-25 |
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