DE102014109030A1

DE102014109030A1 - Leitfähige Polymer-Enteisungsfilme und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102014109030A1
Application number: DE102014109030.6A
Authority: DE
Inventors: Ehsan Hosseini; Houman Farbodfar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Ein Enteisungsfilm für ein Fenster oder Flächen von Fahrzeugen, einschließlich Automobilen und Flugzeugen. Der Enteisungsfilm ist ein transparentes, leitfähiges Polymer, das aus einer Mischung von PEDOT:PSS und Graphen gebildet ist.

Description

GEBIET:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Enteisungsfilm für Fenster und Flächen von Fahrzeugen oder einem Flugzeug. Spezieller Enteisungsfilme, die aus leitfähigen Polymeren und insbesondere aus transparenten leitfähigen Polymeren gebildet sind.
HINTERGRUND:
Wenn ein Fahrzeug oder ein Flugzeug draußen gefrierenden Temperaturen ausgesetzt ist, kann sich auf der Oberfläche des Fahrzeugs oder Flugzeugs Eis bilden. Eis kann sich wegen gefrierendem Regen, Graupel oder Schnee, der auf die Fenster und Oberflächen des Fahrzeugs oder Flugzeugs fällt, bilden oder kann sich aus der Kondensation von Wasser aus der Luft ergeben, wenn die Temperaturen über Nacht fallen. Frost oder Eis kann sich in mehreren Lagen bilden, die schwer zu entfernen sein können.
Eis auf Fahrzeug- oder Flugzeugfenstern kann die Sicht des Führers beeinträchtigen, was zu gefährlichen oder unmöglichen Fahrbedingungen führt. Eis auf anderen Flugzeugoberflächen kann sowohl die Sicherheit als auch die Leistung des Flugzeugs beeinflussen, da das Eis die Funktion von sich bewegenden Teilen behindern kann, das Gewicht eines Flugzeugs erhöhen kann und die Luftströmung beeinträchtigen kann, was den Luftwiderstand erhöht.
Zum Entfernen von Eis von den Fenstern von Autos und anderen ähnlichen Fahrzeugen sind verschiedene Werkzeuge und Methoden sind verwendet worden. Mechanische Eiskratzvorrichtungen in der Form von Kunststoffklingen verwendet worden, allerdings sind diese oft untauglich, erfolgreich die Lagen von gehärtetem Eis, insbesondere bei sehr kalten Temperaturen, zu durchdringen. Heißluftgebläse sind ein übliches Merkmal in vielen Fahrzeugen, jedoch hängen diese Gebläse sehr oft von der Wärme von dem Motor ab, was zu langen Wartezeiten führt, bis der Motor sich aufgeheizt hat und warme Luft an die Fenster abgibt. Es sind auch Heckscheibenheizungen verwendet worden, aber diese haben den Nachteil, dass sie das Fensterglas verdecken und, während das Eis direkt angrenzend an die elektrischen Heizdrähte schnell schmilzt, der Bereich zwischen den elektrischen Drähten länger braucht, bis er auftaut. Dies kann zu langwierigen Verzögerungen für diejenigen führen, die die Zeit aufwenden, ihre Fenster ordnungsgemäß zu reinigen, und kann zu unsicheren Bedingungen führen, wenn die Fenster unvollständig frei bleiben.
In der Luftfahrtindustrie kann eine Eis- oder Frostbildung auf Flugzeugoberflächen sowohl kostspielig als auch gefährlich sein. Die Eisbildung auf Oberflächen kann Flugzeugen Gewicht hinzufügen, was die Treibstoffkosten erhöht, aber, bedeutsamer, Eis auf den Oberflächen kann die glatte Strömung der Luft behindern, was den Luftwiderstand erhöht, während die Fähigkeit der Tragfläche abnimmt, Auftrieb aufzubauen. Darüber hinaus, wenn große Eisstücke gelöst werden, während das Flugzeug in Bewegung ist, können sie in die Triebwerke eingesaugt werden oder die Propeller treffen und somit einen Schaden oder sogar Ausfall dieser Teile verursachen. Gefrorene Verunreinigungen können auch Steueroberflächen blockieren, was sie davon abhält, sich ordnungsgemäß zu bewegen. Wegen dieser möglicherweise schweren Folgen ist das Enteisen der Flugzeugaußenflächen wichtig, wenn es wahrscheinlich ist, dass die Temperaturen nahe oder unterhalb von 0°C (32°F) liegen.
Die Verwendung von chemischen Enteisungslösungen, die Ethylenglykol oder Polyethylenglykol enthalten, ist in kalten Klimazonen üblich. Diese Enteisungsmethode ist jedoch sowohl wegen der verwendeten chemischen Materialien als auch wegen der Zeit, die mit Warten auf eine Enteisungsstation auf belebten Flughäfen verbracht wird, kostspielig. Zusätzlich treten umweltbedingte Kosten bei der Verwendung und Entsorgung dieser toxischen Chemikalien auf.
In Erkenntnis dieser Probleme sind zahlreiche Enteisungs- und Abtaumethoden vorgeschlagen worden, einschließlich: US-Pat. Nr. 4,904,844 an Dale L. Chemberlin; japanische Offenlegungsschrift 58-17046 ; US-Pat. Nr. 5,447,272 an Bernard J. Ask; US-Pat. Nr. 2,223,145 an Wise; US-Pat. Nr. 3,964,780 an Naidu und andere. Allerdings leiden diese Methoden an verschiedenen Schwächen, wie beispielsweise dass sie nur für die Frontwindschutzscheibe ausgelegt sind, relativ sperrig und schwer zu installieren sind.
Transparente Leiteroxide.
Transparente leitfähige Filme (TCFS) sind Materialien, die transparent für optisches Licht sind und ebenfalls elektrisch leitfähig sind. Anorganische TCFs, wie beispielsweise Indium-Zinnoxid (ITO), sind in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Enteisung, wie beispielsweise die in CA 548939 offenbarte Erfindung, verwendet worden. Jedoch ist die Verwendung von ITO durch die Tatsache eingeschränkt, dass ITO ein relativ sprödes Material ist, welches nach wiederholtem Biegen oder Belasten reißen oder brechen kann. Darüber hinaus sind Indium-Verbindungen relativ toxisch und werden wegen der beschränkten Erhältlichkeit von Indium auch zunehmend teuer. Um diese technischen Probleme anzugehen, suchen Forscher nach alternativen Materialien, welche durch eine verbesserte Stabilität, Umweltfreundlichkeit, hohe Leitfähigkeit, gute Transparenz und die Möglichkeit, in Lösung verarbeitet zu werden, gekennzeichnet sind.
Transparente leitfähige Polymere.
Polythiophene sind konjugierte Polymere, welche dazu verwendet werden können, umweltbedingt und thermisch stabile Materialien zu bilden. Diese Materialien sind für ihre elektrische Leitfähigkeit und optischen Eigenschaften bekannt und sind in elektrochromen Anzeigen, intelligenten Fenstem, Fotolacken und Solarzellen verwendet worden. Polythiophen ist, wie viele polyaromatische Verbindungen, aufgrund des Vorliegens eines starren Rückgrats in organischen Lösungsmitteln unlöslich. Eine Substitution an der 3- und/oder 4-Position der Polythiophene stellt eine höhere Löslichkeit bereit. Ein Beispiel eines substituierten Polythiopens ist Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT).
PEDOT ist ein intrinsisch leitfähiges Polymer, das als ein aktives Material in flexiblen organischen Elektroniken aufgrund seiner bemerkenswert hohen Leitfähigkeit, Transparenz und Umweltstabilität verwendet werden kann. PEDOT ist eines der am meisten verwendeten π-konjugierten Polymere. Die Lösungsverarbeitbarkeit, die elektrische Leitfähigkeit und vermutlich seine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit sind Eigenschaften, die diesen organischen Halbleiter zu einem interessanten Material für die Thermoelektrizität machen. Filme aus diesem leitfähigen Polymer sind in ihrem leitfähigen Zustand optisch transparent. Es leidet jedoch darunter, dass es unlöslich in Wasser ist, was, wie es verarbeitet wird und seine Anwendung in bestimmten Geräten einschränkt. Wenn das Polymer dotiert wird, ist es recht stabil. PEDOT und dotiertes PEDOT sind als transparente Kunststoffelektroden in organisch-basierten optoelektronischen Anwendungen und auch in antistatischen Filmen verwendet worden.
PEDOT ist mit wasserlöslichen Polymeren, wie beispielsweise Poly(styrolsulfonsäure) (PSS) (siehe 2) kombiniert worden, um seine Löslichkeit zu verbessern. PEDOT/PSS kombiniert eine hohe Leitfähigkeit und gute Transparenz im sichtbaren Bereich mit einer ausgezeichneten Stabilität unter Umgebungsbedingungen und kann leicht in wässrigen Dispersionen mittels Rotationsbeschichten verarbeitet werden. PEDOT/PSS wird industriell aus dem Ethylendioxythiophen(EDOT)-Monomer und PSS unter Verwendung von Natriumperoxodisulfat als Oxidationsmittel synthetisiert. Dies liefert PEDOT in seiner hoch leitfähigen, kationischen Form. Der Polymerisationsgrad von PEDOT ist beschränkt und es wird angenommen, dass PEDOT eine Ansammlung von Oligomeren mit Längen von bis zu ~20 Wiederholungseinheiten ist. Die Rolle von PSS, welches ein wesentlich höheres Molekulargewicht hat, ist es, als Gegenion zu dienen und die PEDOT-Kettensegmente in dem wässrigen Medium dispergiert zu halten. Im Allgemeinen besitzen die PEDOT/PSS-Hydrogelpartikel ausgezeichnete Verarbeitungseigenschaften, um dünne, transparente, leitfähige Filme herzustellen.
Graphen ist eine zweidimensionale Monolage, die wegen ihrer einzigartigen Eigenschaften der Schwerpunkt vieler Forschung gewesen ist. Zwei besondere Eigenschaften von Interesse sind die Leitfähigkeit und optische Transparenz von Graphen. Im Vergleich mit anderen transparenten, leitfähigen Filmen, wie beispielsweise ITO, zeigt Graphen eine hohe mechanische Festigkeit, Flexibilität und chemische Stabilität. Zusätzlich zu diesen Eigenschaften kann Graphen mit vielen verschiedenen chemischen Gruppen funktionalisiert werden, um ihm die Löslichkeit, Festigkeit und andere wünschenswerte chemische Eigenschaften zu verleihen. Graphen-Schichten können durch mechanische Exfolierung von Graphit und Reduktion von exfoliertem Graphitoxid hergestellt werden.
Die Funktionalisierung von Graphen stellt sicher, dass die Graphen-Schichten nicht koagulieren und ermöglicht dem Graphen, mit anderen Materialien in einer Verbundstruktur zu interagieren. Während der Produktion von exfolierten Graphen-Schichten wird das Graphen oxidiert, um Graphenoxid zu erzeugen. Dieses exfolierte Graphenoxid kann durch den Zusatz von verschiedenen chemischen Gruppen weiter modifiziert werden, um funktionalisiertes Graphen zu erzeugen. Ein Beispiel für eine funktionalisierte Form von Graphen ist 1-Pyrenbutyrat-funktionalisiertes Graphen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Funktionalisierung von Graphen für die Verbesserung der Löslichkeit von PEDOT:PSS, die Selbstorganisationseigenschaften und Anwendung in Geräten wichtig ist.
Die Herstellung eines transparenten Graphen/PEDOT:PSS-Verbundfilms wurde von W. Hong et al. in Electrochemistry Communications 10 (2008) 1555–1558 berichtet. Die aus 1-Pyrenbutyrat-funktionalisiertem Graphen hergestellten Verbundfilme zeigten eine hohe Durchlässigkeit, und es stellte sich heraus, dass sie die hohe elektrokatalytische Aktivität von Graphen und die hohe Leitfähigkeit von PEDOT:PSS besitzen.
PEDOT:PSS-Graphen-Nanoverbundstrukturen mit bestimmten Dotierungskonzentrationen sind durch thermisches Reduzieren von Graphenoxiden zu Graphen erhalten worden. Der Graphen-Film hat eine relativ niedrige Leitfähigkeit, welche PEDOT:PSS eine höhere Leitfähigkeit und viel besser Filmbildungsfähigkeit aufweist. Verbundstrukturen, die Graphen und PEDOT:PSS kombinieren, stellen sowohl eine gute Leitfähigkeit als auch Transparenzeigenschaften bereit.
ZUSAMMENFASSUNG:
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Enteisungsfilm für eine Außenfläche eines Fahrzeugs oder Flugzeugs bereitgestellt, der ein transparentes, leitfähiges Polymer umfasst, wobei der transparente, leitfähige Polymerfilm eine Mischung aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT): Poly(styrolsulfonsäure) (PSS) mit Graphen oder einem funktionalen Derivat von Graphen ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Enteisungsfilm bereitgestellt, der auf die Außenfläche des Fahrzeugs oder Flugzeugs aufgebracht wird, alternativ wird ein Enteisungsfilm bereitgestellt, der zwischen Schichten des Materials der Außenfläche eingeschoben ist.
In einer noch weiteren Ausführungsform ist die Außenfläche ein Fenster und ist das leitfähige Polymer ein transparentes, leitfähiges Polymer. In einer weiteren Ausführungsform ist das transparente, leitfähige Polymer aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) kombiniert mit mindestens einem von Poly(styrolsulfonsäure) (PSS) und Graphen ausgewählt. In einer noch weiteren Ausführungsform ist das transparente, leitfähige Polymer eine Mischung aus PEDOT:PSS mit Graphen oder einem funktionalisiertem Derivat von Graphen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die einen wie oben beschriebenen Enteisungsfilm umfasst, der an eine Energieversorgung angeschlossen ist, um Energie zu dem leitfähigen Polymer zu liefern.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Methode zum Aufbringen des Enteisungsfilms aus Anspruch 1 auf die Außenfläche eines Fahrzeugs oder Flugzeugs bereitgestellt, umfassend Überziehen der Oberfläche mittels eines Schlitzdüsen-, Rotationsbeschichtungs- oder Siebdruckprozesses.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung eines transparenten, leitfähigen Polymers als Enteisungsfilm für Oberflächen eines Fahrzeugs oder Flugzeugs bereitgestellt, wobei das transparente, leitfähige Polymer eine Mischung aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT): Poly(styrolsulfonsäure) (PSS) mit Graphen ist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein wie oben beschriebener Enteisungsfilm bereitgestellt, wobei der transparente, leitfähige Film aus einer Mischung, die eine PEDOT:PSS-Lösung umfasst, wobei die PEDOT:PSS-Lösung etwa 0,5–1,5 Gew% PEDOT und etwa 1–3 Gew% PSS enthält, mit einer Graphen-Lösung, wobei die Graphen-Lösung etwa 0,1–1,5 Gew% Graphen enthält, gebildet wird, und die PEDOT:PSS-Lösung und die Graphen-Lösung in einem Verhältnis von 1:2 bis 2:1 kombiniert werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein wie oben beschriebener Enteisungsfilm bereitgestellt, wobei die PEDOT:PSS-Lösung etwa 1 Gew% PEDOT und etwa 2,5 Gew% PSS enthält und die Graphen-Lösung etwa 0,25 Gew%, 0,5 Gew%, 0,75 Gew% oder 1 Gew% Graphen umfasst.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein wie oben beschriebener Enteisungsfilm bereitgestellt, wobei die Graphen-Lösung etwa 1 Gew% Graphen umfasst, und die PEDOT:PSS-Lösung und die Graphen-Lösung in einem Verhältnis von 1:1 kombiniert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN:
Die Merkmale der Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 die Bildung eines PEDOT-Polymers aus einem EDOT-Monomer zeigt,
2a eine Darstellung einer Draufsicht der Morphologie eines dünnen Films von PEDOT/PSS-Partikeln ist, der von einer dünnen PSS-reichen Oberflächenschicht umgeben ist. Die PEDOT-Ketten werden als kurze Balken dargestellt. 2b ist die chemische Struktur der in dem Film vorliegenden Spezies (wiedergegeben aus M. M de Kok et al.),
3 eine Darstellung der chemischen Struktur einer PEDOT:PSS-Polymermischung ist,
4 einen zwischen zwei Glasschichten eingeschobenen transparenten, thermoelektrisch leitfähigen Polymerfilm zeigt,
5 eine Schicht eines transparenten thermisch leitfähigen Polymerfilms und eine Schicht eines transparenten, elektrisch leitfähigen Polymerfilms, der zwischen Glasschichten eingeschoben ist, zeigt,
6 eine Enteisungsvorrichtung in einem Automobil zeigt,
7 eine Enteisungsvorrichtung in einem Flugzeug zeigt,
8 eine schematische Darstellung einer Enteisungsvorrichtung ist,
9 ein Diagramm ist, das den Effekt der Trockenschichtdicke auf den Prozentsatz der Durchlässigkeit bei verschiedenen Wellenlängen zeigt,
10 ein Diagramm ist, das die Strom-Spannungskurven der Zellen mit PEDOT:PSS und Graphen-PEDOT:PSS zeigt,
11 ein Diagramm ist, das die Energieumwandlungseffizienz in Prozent im Verhältnis zum Prozentsatz des Graphen-Gehalts zeigt,
12 ein Diagramm ist, das die Wärmeleitfähigkeit des Graphen-PEDOT:PSS-Films auf Glas bei steigenden Temperaturen zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:
Der Begriff „Polymer”, wie hier verwendet, kann sich auf eine einzelne Polymerspezies oder eine Polymermischung beziehen.
Der Begriff „Polymermischung”, wie hier verwendet, bezieht sich auf ein Material, das aus mindestens zwei Polymerspezies zusammengesetzt ist.
Der Begriff „Graphen”, wie hier verwendet, kann sich auf Graphen oder ein funktionalisiertes Derivat von Graphen beziehen. Ein Beispiel für ein funktionalisiertes Graphen-Derivat ist 1-Pyrenbutyrat (PB^–)-Graphen. Andere geeignete funktionalisierte Graphen-Derivate können ebenfalls verwendet werden und würden einem Fachmann bekannt sein.
Die Merkmale der Ausführungsformen der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlicher, in der auf die angehängten Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei gleiche Merkmale durchgängig mittels der gleichen Nummerierung definiert werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von leitfähigen Polymerfilmen zur Enteisung von Fahrzeug- und Flugzeugoberflächen. Fahrzeug- und Flugzeugoberflächen schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf, Fenster, Flügel, Propeller, Windschutzscheibe, Antennen, Lüftungen, Einlässe und Verkleidungen. Fahrzeugoberflächen und Karosserien werden auch in Erwägung gezogen, sind aber von geringerer Wichtigkeit in dem Ausmaß, dass die Enteisung dieser Oberflächen für die Funktion oder Sicherheit nicht entscheidend ist.
In dem Fall, in dem die zu enteisende Oberfläche ein Fenster ist, ist die Verwendung von optisch transparenten, leitfähigen Filmen wünschenswert, um eine Bedeckung der vollen Fensterfläche oder erweiterter Bereiche der Fensterfläche zu ermöglichen, ohne die Fähigkeit des Fahrers oder Piloten zu beeinträchtigen, aus dem Fenster zu sehen.
Beispiele für geeignete transparente, leitfähige Polymere oder Polymermischungen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, PEDOT:PSS, PEDOT/Graphen und Graphen/PEDOT:PSS. Die 1 zeigt die chemische Struktur von PEDOT und die 2a und 2b stellen eine PEDOT/PSS-Mischung dar, die ein transparentes, leitfähiges Polymer bildet. Die 3 ist eine weitere Darstellung der Bildung einer PEDOT:PSS-Mischung, die ein transparentes, leitfähiges Polymer bildet.
In einer bestimmten Ausführungsform umfasst die Polymermischung PEDOT:PSS mit Graphen oder einem funktionalisierten Graphen. In einer weiteren Ausführungsform ist das funktionalisierte Graphen PB^–-Graphen.
Diese Materialien bieten nicht nur hohe Leitfähigkeiten, sondern auch einen hohen Grad an Transparenz, was sie besonders für Fahrzeug- und Flugzeugfenster geeignet macht. Die Eigenschaften dieser Materialien können durch die Zugabe von Additiven verbessert werden, zum Beispiel kann eine Leitfähigkeit von 900–1000 S/cm (ungefähr 200 Ohm/sq) mittels PEDOT/PSS mit einem Leitfähigkeitsverbesserungsmittel, wie DMSO oder Ethylenglykol, erreicht werden.
Die leitfähigen Polymerformulierungen können weiter durch die Zugabe von Additiven modifiziert werden, um die Filmauftragung für ein bestimmtes Fahrzeugmaterial zu optimieren. Zum Beispiel sind Beschichtungsformulierungen für einzelne Substrate, wie beispielsweise A-PET, PET, Polycarbonat und Glas, für unterschiedliche Nassfilmdicken und Oberflächenwiderstände optimiert worden.
Die Beschichtung kann mit Standard-Druckverfahren, wie beispielsweise Schlitzdüsen-, Flexografie-, Sieb- und Gravurmethoden erreicht werden. Auch können Pinseln, Sprühen, Rotationsbeschichten oder Rollenbeschichten verwendet werden.
In einer bestimmten Ausführungsform können wässrige Dispersionen von PEDOT:PSS (kommerziell erhältlich, zum Beispiel, unter dem Handelsnamen Baytron^TM P von H. C. Starck) verwendet werden. Mit diesem Material können dünne, hochtransparente und leitfähige Oberflächenbeschichtungen durch Rotationsbeschichten oder Tauchbeschichten auf einer nahezu beliebigen hydrophilen Oberfläche hergestellt werden. H. C. Starck bietet eine Auswahl von Dispersionen für verschiedene Anwendungen an. Abhängig vom Feststoffgehalt, der Dotierkonzentration, Partikelgröße und Additive können Filme mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden. Die Arbeitsfunktion von Baytron P beträgt etwa 5,2 eV. Wegen des PSS-Gehalts ist die Dispersion mit einem pH-Wert von 1,5 bis 2,5 bei Raumtemperatur sauer. Andere Quellen von PEDOT:PSS, wie beispielsweise CLEVIOS^TM PH1000 oder CLEVIOS^TM PH500 von Heraeus, können verwendet werden.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Fensters 1, das einen transparenten thermoelektrisch leitfähigen Polymerfilm 5, der zwischen eine Glasschicht, die die Innenseite des Fensters 2 bildet, und eine Glasschicht, die die Außenseite des Fensters bildet, eingeschoben ist.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Fensters 1 mit einem transparenten, elektrisch leitfähigen Polymerfilm, der eine Glasschicht, die die Innenseite des Fensters bildet, beschichtet, und daneben einen transparenten, wärmeleitfähigen Polymerfilm, der eine Glasschicht, die die Außenseite des Fensters bildet, überzieht, so dass der transparente, elektrisch leitfähige Polymerfilm und der transparente, thermisch leitfähige Polymerfilm zwischen die innere und äußere Glasschicht eingeschoben sind.
In einer bestimmten Ausführungsform werden leitfähige Polymere mit den folgenden technischen Spezifikationen zur Verwendung in dem Enteisungsfilm vorgeschlagen:
Viskosität: etwa 10–30 mPa.s bei 20°C (100 s^–1)
Feststoffgehalt: etwa 1,0–5,0%
Leitfähigkeit: etwa 150 S/cm
Oberflächenspannung: etwa 19–34 mN/m
Oberflächenwiderstand: etwa 110–170 Ohm/sq (beschichtete Lage mit etwa 90% Durchlässigkeit bei 550 nm, ohne Substratabsorption und Reflexionsverluste)
pH: etwa 1,5–2,8
Verfahren: Schlitzdüse, Rotationsbeschichten, Siebdruck
Wärmeleitfähigkeit: etwa 20 W/mK
Temperaturleitfähigkeit: etwa 0,1 cmÇ/s
Spezifische Wärme: etwa 0,9 J/g°C
Filmdicke: etwa 6–12 μm
Dichte: etwa 0,900–0,959 g/cm³
6 zeigt eine Vorrichtung zum Enteisen von Fenstern eines Fahrzeugs, wobei eines oder mehrere der Fenster 1 eine Enteisungsbeschichtung aus einem transparenten, leitfähigen Material aufweist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Hauptdraht 21, einen Schaltkasten 22 und eine Verdrahtung zu jedem Fenster 23. 7 zeigt eine Vorrichtung zum Enteisen von Fenstern eines Flugzeugs, wobei eines oder mehrere der Fenster 1 eine Enteisungsbeschichtung aus einem transparenten, leitfähigen Material aufweist. Die Vorrichtung enthält weiterhin einen Hauptdraht 21, einen Schaltkasten 22 und eine Verdrahtung zu jedem Fenster 23.
In einer besonderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine elektrische Schaltung, einschließlich Sensoren zur Kontrolle der Menge an Strom und Spannung, die zu jedem Fenster oder Oberfläche geliefert werden muss. 8 ist eine mögliche Ausführungsform der Enteisungsvorrichtung (30), wie sie in einer Windschutzscheibe angewendet wird. Die Windschutzscheibe 1 weist einen Enteisungsfilm auf, der ein wie oben beschriebenes leitfähiges Polymer umfasst. Die Windschutzscheibe 1 weist zusätzlich einen negativen Anschluss 31 und einen positiven Anschluss 32 auf, die mit einem leitfähigen Film in der Windschutzscheibe 1 in einer solchen Weise verbunden sind, um zu ermöglichen, dass Strom durch den leitfähigen Film fließt, um die Windschutzscheibe 1 zu beheizen und dadurch das Eis auf der Windschutzscheibe zu schmelzen. Die Windschutzscheibe 1 ist über den positiven Anschluss 31 und den negativen Anschluss 32 an ein Energiekontrollsystem 33 angeschlossen, das für das Regeln zuständig ist, wenn Strom zu der Windschutzscheibe 1 zugeführt wird.
Das Energiekontrollsystem 33 hat einen positiven Ausgang 34 und einen negativen Ausgang 35, die mit dem positiven Anschluss 31 beziehungsweise dem negativen Anschluss 32 der Windschutzscheibe verbunden sind. Der negative Ausgang 35 ist ferner mit einer elektrischen Erdung verbunden. Ein Relais 36 besteht aus einem Schalteingang 37, einem Haupteingang 38, einem Erdungseingang 39 und einem Relaisausgang 40. Der Relaisausgang 40 ist mit dem positiven Ausgang 34 des Kontrollsystems 33 verbunden.
Mit dem Schalteingang 37 verbunden ist ein Ein/Aus-Schalter 41, um die Windschutzscheibenheizvorrichtung 30 ein- und auszuschalten, wenn sie gebraucht und nicht gebraucht wird. Mit dem Ein/Aus-Schalter 41 verbunden ist eine Sicherung mit niederer Amperezahl 42, welche mit einer Spannungsquelle 43 verbunden ist, die das Relais 36 aktiviert, wenn der Ein/Aus-Schalter 41 in der Ein-Position steht.
In einer Ausführungsform kann die Spannungsquelle 43 eine Fahrzeugbatterie sein, in einer weiteren Ausführungsform kann die Spannungsquelle 43 von einer Quelle sein, die nur spannungsführend ist, wenn der Motor des Fahrzeugs an ist, wodurch verhindert wird, dass die Batterie des Fahrzeugs entladen wird.
Der Haupteingang 38 ist mit einer Sicherung mit hoher Amperezahl 44 verbunden, und die Sicherung mit hoher Amperezahl 44 ist nachfolgend mit einem positiven Batterieanschluss 46 einer Batterie 45 verbunden. Der negative Batterieanschluss 47 der Batterie 45 ist mit der Masse verbunden.
Wenn der Ein/Aus-Schalter 41 ein ist und die Spannungsquelle 41 spannungsführend ist, dann wird das Relais 36 aktiv und der Relaisausgang 40 wird mit dem Haupteingang 38 verbunden, was bewirkt, dass Strom vom Relaisausgang 40 durch den positiven Ausgang 34, den positiven Anschluss 31, die Windschutzscheibe 1 und den negativen Anschluss 32 zur Masse fließt.
Wenn der Ein/Aus-Schalter 41 aus ist oder die Spannungsquelle 43 nicht spannungsführend ist, dann wird der Schalteingang 37 geerdet, und auch der Relaisausgang 40 wird geerdet. Dies führt dazu, dass kein Strom durch die Windschutzscheibe fließt.
Beispiele
Graphen-PEDOT:PSS-Zusammensetzungen.
Zusammensetzungen, die PEDOT:PSS und Graphen enthalten, wurden unter Verwendung einer kommerziellen Lösung von PEDOT:PSS, die 1 Gew% PEDOT und 2.5 Gew% PSS enthält, wie beispielsweise Clevious^TM PH1000 von Heraeus hergestellt. Kommerziell erhältliche Graphen-Lösungen mit verschiedener Konzentration wurden mit dem PEDOT:PSS in einem 1:1-Verhältnis kombiniert, um eine PEDOT:PSS-Graphen-Lösung zu erhalten. Die Lösung wurde dann für 15 Minuten mit Ultraschall behandelt, woraufhin eine stabile Mischung gebildet wird. Dann wurde die Lösung vor Gebrauch durch eine 0,2 μm Filtermembran filtriert.
Es wurde gefunden, dass die unter Verwendung von 1% Graphen hergestellte Lösung einen Dampfdruck von 23 hPa (17 mmHg) und eine Viskosität von zwischen 15 und 50 mPAS bei 20°C aufwies. Es wurde gefunden, dass die wässrige Lösung mehr als 95% Wasser und zwischen 1% und 1,3% Feststoffgehalt umfasste. Der pH-Bereich wurde mit 1,5 bis 3,0 gemessen und die Dichte wurde mit 0,9–1 g/cm³ gemessen.
Eine Filmbeschichtung der Lösung wurde auf einem Glassubstrat hergestellt. Vor dem Auftragen des Films wurde das Glassubstrat sukzessive mit einer 1:1-Ethanol/Aceton-Mischung, gefolgt von 5%-iger NaOH-Lösung und deionisiertem Wasser, der Reihe nach gewaschen und dann unter Vakuum in einer Reinkammer getrocknet.
Die Lösung wurde mittels Sprühbeschichten auf die gereinigte Glasoberfläche aufgetragen. Obwohl dieses Beispiel durch Sprühbeschichten hergestellt wurde, ist es für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, dass der Film durch eine Vielfalt von Methoden, die unter anderem Rotationsbeschichten [spin coating] einschließen, aufgebracht werden kann. Das Rotationsbeschichten wird bei 7000 U/min [rpm] und 80–120°C für ein Minimum von 3 bis 5 Minuten durchgeführt.
Die Nassfilmdicke der PEDOT:PSS-Graphenmischung betrug 6–12 μm. Der Oberflächenwiderstand betrug < 103 Ohm/π und die spezifische Leitfähigkeit betrug 1000 S/cm. Der Film wurde dann unter Vakuum bei Raumtemperatur getrocknet. Es wurde gemessen, dass der trockene Film eine Bleistifthärte von 9 H aufwies.
Die Dicke des getrockneten Verbundfilms wurde mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) als etwa 50 nm gemessen. Entsprechend kann die durchschnittliche Dicke der Graphen-Schicht als etwa 1,4 nm abgeleitet werden. Dieser Wert ist viel höher als der interplanare Abstand von Graphen, welcher etwa 0,34 nm beträgt. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird postuliert, dass die Graphen-Schichten in der PEDOT:PSS-Matrix einheitlich verteilt waren und dass sie während des Beschichtungsprozesses geglättet werden. Dies kann wegen der statischen Interaktion der negativen Ladung an der Oberfläche der Graphen-Schicht mit den positiv geladenen PEDOT-Ketten sein.
Es wurde gefunden, dass der aus der Zusammensetzung, die mit dem 1% Graphen-Ausgangsmaterial hergestellt wurde, gebildete Film eine Durchlässigkeit von größer als 90% im Wellenlängenbereich von 500 nm aufweist (9). Dies ist durch die Tatsache bedingt, dass sowohl das PEDOT:PSS als auch einzelne Graphen-Schichten eine hohe Durchlässigkeit bei den sichtbaren Wellenlängen haben. Wie 9 zeigt, wird der Film umso weniger transparent, je dicker er ist.
10 zeigt die Strom-Spannungs-Kurven der Zellen mit PEDOT:PSS bzw. Graphen-PEDOT:PSS. Verglichen mit dem PEDOT:PSS-Film erhöhte die Zugabe einer kleinen Menge von Graphen-Schichten effektiv die Kurzschlussstromdichten. Dies ist hauptsächlich der hohen spezifischen Oberfläche von ultradünnen Graphen-Schichten zuzuschreiben. Inzwischen bildete PEDOT:PSS eine hoch leitfähige Matrix um die Graphen-Schichten. Um die Wirkungen des Graphen-Gehalts auf die Leistung von PEDOT:PSS weiter zu untersuchen, wurde eine Reihe von Experimenten aus den Mischungen mit unterschiedlichen Graphen-Gehalten vorbereitet. Als der Graphen-Gehalt in der Mischung von 0 Gew% auf 1 Gew% anstieg, wurde die Energieumwandlungseffizienz der Mischung von 2,3% auf 4,5% erhöht (11). Jedoch zeigte eine weitere Erhöhung des Gewichtsgehalts von Graphen wenig Wirkung auf die Energieumwandlungseffizienz der Mischung. Diese Ergebnisse zeigen an, dass eine kleine Menge an Graphen, zum Beispiel 0,5 Gew%, für die elektrochemische Katalysierung ausreichend ist und die Zellleistungen effektiv verbessern kann.
Messung der Wärmeleitfähigkeit von PEDOT:PSS-Graphen
Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit wird eine Fensterglasprobe von 3 mm Dicke eingesetzt. Zuerst wird eine einen halben Millimeter dicke Schicht von PEDOT:PSS-Graphen aufgebracht, um die Oberfläche des Glassubstrats zu bedecken. Die Beschichtung wurde dann zwischen ein zweites Stück Glas eingelegt, da PEDOT:PSS-Graphen elektrisch leitfähig ist. (Wenn es nicht ordentlich elektrisch isoliert ist, dann würde das Wechselstromsignal von der Heizung in das PEDOT:PSS-Graphen austreten und das Ergebnis der Messung beeinflussen). Dann wird die Probe in die Klimakammer verbracht, während sie mit zwei Mikrosonden untersucht wird. Als nächstes werden die Kabel mit einer Energieversorgung (Keithley^TM 2400) verbunden und die Spannung und der Strom auf 0,1 V beziehungsweise 10 mA eingestellt. Es ist erforderlich, anzumerken, dass der durchfließende Strom so gering wie möglich gehalten werden sollte, um eine durch Joulesche Erwärmung hervorgerufene Temperaturerhöhung zu verhindern. Darüber hinaus wurde, um die Messgenauigkeit zu erhöhen, die Energieversorgung gerade zu den Messzeiten (zum Beispiel etwa alle 15 Minuten) betrieben.
In der Klimakammer und Aufzeichnung der relevanten Spannung und Strom der Heizung für alle zwei Grad Celsius, beginnend bei 20 (°C/min) bis zu 50 (°C/min). Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs in der Klimakammer wurde manuell auf 0,5 (°C/min) eingestellt. Auch die relative Feuchte wird auf den aktuell gemessenen Wert (30–40%) eingestellt.
Die Wärmeleitfähigkeit von PEDOT:PSS-Graphen wurde bei verschiedenen Temperaturen, die von 223 K bis 375 K reichten, gemessen (12). Es zeigte sich eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit, als die Temperatur von 223 K auf Umgebungstemperatur hochging und konstant blieb, dann begann sie bei weiterer Erhöhung der Temperatur zu fallen. Schließlich zersetzte es sich über einen Temperaturbereich oberhalb von 375 K (über 100°C). Die Wärmeleitfähigkeit variiert zwischen 0,19–0,24 (W.m-1.K-1), wobei die minimale gemessene Wärmeleitfähigkeit zum Startpunkt der Messung (223 K) gehört und der höchste Wert bei Raumtemperatur (295 K) auftritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4904844 [0007]
JP 58-17046 [0007]
JP 5447272 [0007]
US 2223145 [0007]
US 3964780 [0007]
CA 548939 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Hong et al. in Electrochemistry Communications 10 (2008) 1555–1558 [0015]
M. M de Kok et al. [0028]

Claims

Enteisungsfilm für das Enteisen einer Außenfläche eines Fahrzeugs oder Flugzeugs, umfassend einen transparenten, leitfähigen Film, wobei der transparente, leitfähige Film eine Mischung von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT): Poly(styrolsulfonsäure) (PSS) mit Graphen oder einem Graphen-Derivat ist.
Enteisungsfilm nach Anspruch 1, wobei das leitfähige Polymer auf eine Außenfläche eines Fahrzeugs oder Flugzeugs aufgebracht wird.
Enteisungsfilm nach Anspruch 1, wobei das leitfähige Polymer zwischen Schichten eines Materials eingeschoben wird, das eine Außenfläche eines Fahrzeugs oder Flugzeugs bildet.
Enteisungsfilm nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Außenfläche ein Fenster ist.
Enteisungsfilm nach einem der Ansprüche 1–4, der eine Leitfähigkeit von etwa 150 S/cm aufweist.
Enteisungsfilm nach einem der Ansprüche 1–5, der eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 20 W/mk aufweist.
Enteisungsfilm nach einem der Ansprüche 1–6, der eine Filmdicke von etwa 6–12 μm aufweist.
Enteisungsfilm nach einem der Ansprüche 1–7, der einen Oberflächenwiderstand von etwa 110–170 Ohm/sq und etwa 90% Durchlässigkeit bei 550 nm aufweist.
Vorrichtung, umfassend den Enteisungsfilm nach einem der Ansprüche 1–8, verbunden mit einer Energieversorgung zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem leitfähigen Polymer.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Energieversorgung 12 Volt Spannung bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Energieversorgung von einer zündungsgesteuerten Versorgung erfolgt.
Verwendung eines transparenten, leitfähigen Polymers als Enteisungsfilm für Flächen eines Fahrzeugs oder Flugzeugs, wobei das transparente, leitfähige Polymer eine Mischung aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT): Poly(styrolsulfonsäure) (PSS) mit Graphen oder einem Graphen-Derivat ist.
Verwendung nach Anspruch 12, wobei die zu enteisende Fläche ein Fenster ist.
Verwendung nach Anspruch 13, wobei die Folie auf die Oberfläche eines Fensters aufgetragen wird oder wobei die Folie zwischen zwei Glasschichten eingeschoben wird, die das Fenster bilden.
Verfahren zum Aufbringen des Enteisungsfilms nach einem der Ansprüche 1–8 auf eine Fahrzeug- oder Flugzeugfläche, umfassend Beschichten der Fläche unter Verwendung eines Schlitzdüsen-, Rotationsbeschichtungs-, Sprühbeschichtungs- oder Siebdruckprozesses.
Enteisungsfilm nach einem der Ansprüche 1–8, wobei der transparente, leitfähige Film aus einer Mischung gebildet ist, die eine PEDOT:PSS-Lösung, wobei die Lösung etwa 0,5–1,5 Gew% PEDOT und etwa 1–3 Gew% PSS enthält, mit einer Graphen-Lösung, wobei der Graphen-Gehalt von etwa 0,1–1,5 Gew% beträgt, umfasst und die Lösungen in einem Verhältnis von 1:2 bis 2:1 kombiniert sind.
Enteisungsfilm nach Anspruch 16, wobei die PEDOT:PSS-Lösung etwa 1 Gew% PEDOT und etwa 2,5 Gew% PSS enthält und die Graphen-Lösung etwa 0,25 Gew%, 0,5 Gew%, 0,75 Gew% oder 1 Gew% Graphen umfasst.
Enteisungsfilm nach Anspruch 17, wobei die Graphen-Lösung etwa 1 Gew% Graphen umfasst und die PEDOT:PSS Lösung und die Graphen-Lösung in einem Verhältnis von etwa 1:1 kombiniert sind.
Enteisungsfilm nach einem der Ansprüche 16–18, wobei der Enteisungsfilm durch Auftragen der Mischung auf ein Glassubstrat und Ermöglichen, zu einem Film zu trocknen, gebildet wird.