Forschungsinstitut für Leder- und Kunststoffbahnen gGmbH – FILK


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Geförderte Projekte: 19


Elektrisch leitfähige Silikonmembran


Temperaturmessung mit Wärmebildkamera bei Spannungen 30 / 40 / 50 / 60 Volt
Temperaturmessung mit Wärmebildkamera bei Spannungen 30 / 40 / 50 / 60 Volt

Projektidee

Leitfähige Polymerschichten stellen eine Alternative zu kompakten metallischen Materialien dar, wobei ihre Vorteile vordergründig im geringen Gewicht und der Korrosionsbeständigkeit liegen. Im Gegensatz zu Metallen können die Leitfähigkeiten variabel eingestellt und damit auf die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Bisher wurden leitfähige Kunststoffschichten hauptsächlich durch die Einarbeitung großer Anteile Leitruß in die Kunststoffmatrix erzielt. Für pastöse Systeme limitiert die simultan zur Partikelkonzentration steigende Viskosität den Füllgrad. Gängige Praxis ist deshalb die Verwendung von organischen Lösemitteln, um die Viskosität zu regulieren. Solche Massen werden üblicherweise direkt auf ein Trägermaterial (z. B. Textil) appliziert. Der notwendige hohe Füllgrad verändert die Materialeigenschaften maßgeblich. Das gilt insbesondere für mechanische Eigenschaften. Gelingt es, den Füllstoffgehalt von derzeit über 50 Prozent drastisch zu reduzieren, würde das neben dem Erhalt der Materialeigenschaften auch zu einer Kostenersparnis führen.
Wird eine Verarbeitung ohne Zusatz von organischen Lösemitteln möglich, könnten solche Massen auf herkömmlichen Streichanlagen ohne zusätzlichen Ex-Schutz verarbeitet werden. Das Handling mit den leichtentflammbaren Flüssigkeiten (Lagerung, Verarbeitung, Entsorgung) entfällt. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, sollte die Funktionalität der elektrischen Leitfähigkeit durch die Verwendung von Nanopartikeln erreicht werden.

Kundennutzen

Im Rahmen der Projektarbeiten wurden Silikonschichten entwickelt, die eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um eine elektrisch induzierte Erwärmung realisieren zu können.
Die elektrische Leitfähigkeit wurde erzielt, indem Carbon-Nanotubes (CNT) separat sowie in geeigneter Kombination mit Leitruß in pastöse Silikonmassen eingearbeitet wurden. Es wurde eine Aufbereitungsprozedur erarbeitet, die ein Aufbrechen der CNT-Agglomerate bewirkt, gleichzeitig jedoch die fadenförmigen CNT-Strukturen nicht schädigt. Aus den additivierten Silikonmassen ließen sich im Streichverfahren dünne Folien oder Beschichtungen herstellen. Für das elektrisch leitfähige Flächenmaterial wurden verschiedene Möglichkeiten zur Flächenkontaktierung untersucht. Der Vorteil der draht- oder bandförmigen metallischen Kontaktierung liegt in der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit. Allerdings sind metallische Kontaktierungen nur für Anwendungen geeignet, die keiner Knick- oder Zugbelastung ausgesetzt sind. Im Gegensatz dazu sind Leitkleber auf Silikonbasis sehr flexibel und knickbeständig, weisen allerdings eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf.
Die kontaktierten Flächen wurden mit einer dünnen Silikonschicht isoliert, sodass eine sichere Handhabung auch in feuchtem Milieu gegeben ist. Dieser Schichtaufbau kann mit Textilien zu Verbundmaterialien weiterverarbeitet werden.
Bei Verwendung des optimalen Partikelgehaltes konnten ein spezifischer Widerstand von 2,8x10 3 Ωm erreicht und gleichzeitig die Verarbeitbarkeit im Streichverfahren gewährleistet werden. Nach der Kontaktierung von 100 µm dicken MWCNT-haltigen Schichten im Abstand von 10 cm war die Schutzkleinspannung (< 48 V) für eine Erwärmung um bis zu 55 K ausreichend. Die Anwendung einer höheren Spannung von 60 V führte zu einer Temperaturerhöhung um bis zu 80 K. Die maximale Heizleistung wurde in weniger als 4 min erreicht und blieb danach über mehrere Stunden stabil.

Ausblick

Das Anwendungspotenzial der elektrisch leitfähigen Flächen liegt in der Verwendung als Elektrodenmaterial und in der Verarbeitung zu beheizbaren Flächenlaminaten für den Bereich der Medizintextilien (Patiententemperierung) oder der Schutzkleidung. Für den Einsatz in Bekleidung ist eine Temperierung zwischen 28 °C – 38 °C erwünscht. Bisher wird dies durch Carbonheizelemente oder Heizpads realisiert. Dafür werden auf jedes beheizbare Bekleidungselement mit einem elektrisch leitfähigen Faden entsprechende Heizschlangen aufgebracht. Dadurch erwärmt sich die Fläche nicht gleichmäßig. Bei den neu entwickelten flächigen Materialien tritt dieser Effekt nicht mehr auf, da eine homogen leitfähige Fläche vorliegt. Die Flächen können als separate Membran oder als Flächenbeschichtung von Rolle zu Rolle hergestellt werden. Dadurch entfällt die Ausrüstung jedes Einzelteils mit elektrisch leitfähigen Materialien (z. B. Fäden) und die Herstellung solcher erwärmbarer Artikel sollte deutlich effizienter werden. Die neuen erwärmbaren Flächen sind flexibel, waschbar und in weiten Bereichen chemikalienbeständig. Diese Eigenschaften machen die Materialien für den Medizinbereich interessant, wo es derzeit unterschiedliche Bemühungen gibt, eine effiziente und praktikable Patiententemperierung zu realisieren. Derzeit sind keine Produkte am Markt verfügbar, die für den Wiederaufbereitungsprozess der Krankenhaustextilien geeignet sind. Die leitfähigen Silikonflächenmaterialien wären dafür prinzipiell geeignet.

Stand: 10.09.2015
Projektdaten aktualisiert: 31.10.2014

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