DE102014109030A1

DE102014109030A1 - Conductive polymer deicing films and device

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.A de-icing film for a window or surfaces of vehicles, including automobiles and aircraft. The deicing film is a transparent, conductive polymer formed from a mixture of PEDOT: PSS and graphene.

Description

GEBIET:AREA:

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.The present invention relates to a deicing film for windows and surfaces of vehicles or an aircraft. Special deicing films formed from conductive polymers and in particular from transparent conductive polymers.

HINTERGRUND:BACKGROUND:

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.When a vehicle or aircraft is exposed to freezing temperatures outside, ice may form on the surface of the vehicle or aircraft. Ice may form due to freezing rain, sleet or snow falling on the windows and surfaces of the vehicle or aircraft, or may result from the condensation of water from the air when the temperatures fall overnight. Frost or ice can form in several layers, which can be difficult to remove.

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.Ice on vehicle or airplane windows can affect the driver's view, resulting in dangerous or impossible driving conditions. Ice on other aircraft surfaces can affect both the safety and performance of the aircraft as the ice can hinder the functioning of moving parts, increase the weight of an aircraft, and affect airflow, which increases air resistance.

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.Various tools and methods have been used to remove ice from the windows of cars and other similar vehicles. Mechanical ice scrapers in the form of plastic blades have been used, but these are often unable to successfully penetrate the layers of cured ice, particularly at very cold temperatures. Hot air blowers are a common feature in many vehicles, however, these blowers often depend on the heat from the engine, resulting in long waiting times for the engine to heat up and deliver warm air to the windows. Rear window heaters have also been used, but these have the disadvantage that they obscure the window glass and, while the ice melts quickly adjacent to the electric heating wires, the area between the electric wires takes longer to thaw. This can lead to lengthy delays for those who spend time cleaning their windows properly, and can lead to unsafe conditions if the windows remain incomplete.

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.In the aviation industry, ice or frost formation on aircraft surfaces can be both costly and dangerous. Ice formation on surfaces can add weight to aircraft, which increases fuel costs, but, more significantly, ice on the surfaces can hinder the smooth flow of air, which increases air resistance, while the wing's ability to build up buoyancy increases. In addition, when large ice pieces are released while the aircraft is in motion, they can be sucked into the engines or hit the propellers, causing damage or even failure of those parts. Frozen contaminants can also block control surfaces, preventing them from moving properly. Because of these potentially serious consequences, deicing the aircraft's outer surfaces is important when temperatures are likely to be near or below 0 ° C (32 ° F).

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.The use of chemical deicing solutions containing ethylene glycol or polyethylene glycol is common in cold climates. However, this de-icing method is costly, both because of the chemical materials used and because of the time spent waiting for a de-icing station at busy airports. In addition, there are environmental costs associated with the use and disposal of these toxic chemicals.

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.Recognizing these problems, numerous defrosting and defrosting methods have been proposed, including: US Pat. No. 4,904,844 to Dale L. Chemberlin; Japanese Laid-Open Patent 58-17046 ; US Pat. No. 5,447,272 to Bernard J. Ask; US Pat. No. 2,223,145 to Wise; US Pat. No. 3,964,780 to Naidu and others. However, these methods suffer from various weaknesses, such as being designed only for the front windshield, are relatively bulky and difficult to install.

Transparente Leiteroxide.Transparent conductor oxides.

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.Transparent conductive films (TCFS) are materials that are transparent to optical light and are also electrically conductive. Inorganic TCFs, such as indium-tin oxide (ITO), are used in a variety of applications, including deicing, such as those in U.S. Patent Nos. 5,467,866, 4,869,866, 5,429,866, and 5,629,866 CA 548939 disclosed invention. However, the use of ITO is limited by the fact that ITO is a relatively brittle material which can crack or break after repeated bending or straining. In addition, indium compounds are relatively toxic and are becoming increasingly expensive because of the limited availability of indium. To these technical problems Researchers are looking for alternative materials characterized by improved stability, environmental friendliness, high conductivity, good transparency, and the ability to be processed in solution.

Transparente leitfähige Polymere.Transparent conductive polymers.

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).Polythiophenes are conjugated polymers that can be used to form environmentally and thermally stable materials. These materials are known for their electrical conductivity and optical properties and have been used in electrochromic displays, smart windows, photoresists and solar cells. Polythiophene, like many polyaromatic compounds, is insoluble in organic solvents due to the presence of a rigid backbone. Substitution at the 3- and / or 4-position of the polythiophene provides a higher solubility. An example of a substituted polythiophene is poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (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 is an intrinsically conductive polymer that can be used as an active material in flexible organic electronics due to its remarkably high conductivity, transparency and environmental stability. PEDOT is one of the most widely used π-conjugated polymers. Solution processability, electrical conductivity, and presumably its relatively low thermal conductivity, are properties that make this organic semiconductor an interesting material for thermoelectricity. Films of this conductive polymer are optically transparent in their conductive state. However, it suffers from being insoluble in water, how it is processed and restricting its use in certain devices. When the polymer is doped, it is quite stable. PEDOT and doped PEDOT have been used as transparent plastic electrodes in organic-based optoelectronic applications and also in antistatic films.

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.PEDOT is compatible with water soluble polymers such as poly (styrenesulfonic acid) (PSS) (see 2 ) to improve its solubility. PEDOT / PSS combines high conductivity and good transparency in the visible range with excellent stability under ambient conditions and can be easily processed in aqueous dispersions by spin coating. PEDOT / PSS is industrially synthesized from the ethylene dioxythiophene (EDOT) monomer and PSS using sodium peroxodisulfate as the oxidant. This is what PEDOT delivers in its highly conductive, cationic form. The degree of polymerization of PEDOT is limited and it is believed that PEDOT is a collection of oligomers with lengths of up to ~ 20 repeat units. The role of PSS, which has a significantly higher molecular weight, is to serve as a counterion and to keep the PEDOT chain segments dispersed in the aqueous medium. In general, the PEDOT / PSS hydrogel particles have excellent processing properties to produce thin, transparent, conductive films.

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.Graphene is a two-dimensional monolayer that has been the focus of much research because of its unique properties. Two particular properties of interest are the conductivity and optical transparency of graphene. In comparison with other transparent conductive films such as ITO, graphene exhibits high mechanical strength, flexibility and chemical stability. In addition to these properties, graphene can be functionalized with many different chemical groups to give it solubility, strength, and other desirable chemical properties. Graphene layers can be made by mechanical exfoliation of graphite and reduction of exfoliated graphite oxide.

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.The functionalization of graphene ensures that the graphene layers do not coagulate and allow the graphene to interact with other materials in a composite structure. During the production of exfoliated graphene layers, the graphene is oxidized to produce graphene oxide. This exfoliated graphene oxide can be further modified by the addition of various chemical groups to produce functionalized graphene. An example of a functionalized form of graphene is 1-pyrene butyrate functionalized graphene.

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.It has been found that the functionalization of graphene is important for improving the solubility of PEDOT: PSS, the self-assembly properties and application in devices.

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.The production of a transparent graphene / PEDOT: PSS composite film was carried out by W. Hong et al. in Electrochemistry Communications 10 (2008) 1555-1558 reported. The composite films prepared from 1-pyrene butyrate functionalized graphene exhibited high permeability and were found to possess the high electrocatalytic activity of graphene and the high conductivity of PEDOT: PSS.

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.PEDOT: PSS-graphene nanocomposite structures with specific doping concentrations have been obtained by thermally reducing graphene oxides to graphene. The graphene film has a relatively low Conductivity, which PEDOT: PSS has a higher conductivity and much better film-forming ability. Composite structures that combine graphene and PEDOT: PSS provide both good conductivity and transparency properties.

ZUSAMMENFASSUNG:SUMMARY:

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 one aspect of the invention, a deicing film is provided for an exterior surface of a vehicle or aircraft comprising a transparent, conductive polymer, wherein the transparent, conductive polymer film is a mixture of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT): poly (styrenesulfonic acid). (PSS) with graphene or a functional derivative of graphene.

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 one embodiment of the invention, a deicing film is provided which is applied to the outer surface of the vehicle or aircraft, alternatively, a deicing film is provided which is interposed between layers of the material of the outer surface.

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 yet another embodiment, the outer surface is a window and the conductive polymer is a transparent, conductive polymer. In another embodiment, the transparent, conductive polymer is selected from poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) combined with at least one of poly (styrenesulfonic acid) (PSS) and graphene. In yet another embodiment, the transparent, conductive polymer is a mixture of PEDOT: PSS with graphene or a functionalized derivative of graphene.

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 another aspect of the invention, an apparatus is provided that includes a deicing film as described above that is connected to a power supply to provide energy to the conductive polymer.

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 a further aspect of the invention, there is provided a method of applying the deicing film of claim 1 to the exterior surface of a vehicle or aircraft comprising coating the surface by a slot die, spin coating or screen printing process.

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 a further aspect of the invention, there is provided a use of a transparent, conductive polymer as a deicing film for vehicle or aircraft surfaces, wherein the transparent, conductive polymer is a mixture of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT): poly (styrenesulfonic acid) ( PSS) with graphs.

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 another aspect of the invention, there is provided a deicing film as described above, wherein the transparent conductive film is a mixture comprising a PEDOT: PSS solution, wherein the PEDOT: PSS solution is about 0.5-1.5% by weight. PEDOT and about 1-3 wt% PSS is formed with a graphene solution wherein the graphene solution contains about 0.1-1.5 wt% graphene, and the PEDOT: PSS solution and the graphene solution in a ratio of 1: 2 to 2: 1.

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 another aspect of the invention, there is provided a deicing film as described above, wherein the PEDOT: PSS solution contains about 1 wt% PEDOT and about 2.5 wt% PSS and the graphene solution contains about 0.25 wt%, 0.5 Wt%, 0.75 wt% or 1 wt% graphene.

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.In another aspect of the invention, there is provided a deicing film as described above, wherein the graphene solution comprises about 1% by weight of graphene and the PEDOT: PSS solution and the graphene solution are combined in a ratio of 1: 1.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN:BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES:

Die Merkmale der Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in welchen:The features of the embodiments of the invention will be described with reference to the attached drawings, in which:

1 die Bildung eines PEDOT-Polymers aus einem EDOT-Monomer zeigt, 1 shows the formation of a PEDOT polymer from an EDOT monomer,

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. ), 2a Figure 4 is an illustration of a top view of the morphology of a thin film of PEDOT / PSS particles surrounded by a thin PSS-rich surface layer. The PEDOT chains are shown as short bars. 2 B is the chemical structure of the species present in the film (reproduced from M. M de Kok et al. )

3 eine Darstellung der chemischen Struktur einer PEDOT:PSS-Polymermischung ist, 3 is a representation of the chemical structure of a PEDOT: PSS polymer blend,

4 einen zwischen zwei Glasschichten eingeschobenen transparenten, thermoelektrisch leitfähigen Polymerfilm zeigt, 4 shows a sandwiched between two glass layers transparent thermoelectric conductive polymer film,

5 eine Schicht eines transparenten thermisch leitfähigen Polymerfilms und eine Schicht eines transparenten, elektrisch leitfähigen Polymerfilms, der zwischen Glasschichten eingeschoben ist, zeigt, 5 a layer of a transparent thermally conductive polymer film and a layer of a transparent, electrically conductive polymer film, which is inserted between glass layers shows,

6 eine Enteisungsvorrichtung in einem Automobil zeigt, 6 shows a deicing device in an automobile,

7 eine Enteisungsvorrichtung in einem Flugzeug zeigt, 7 shows a deicing device in an aircraft,

8 eine schematische Darstellung einer Enteisungsvorrichtung ist, 8th is a schematic representation of a deicing device,

9 ein Diagramm ist, das den Effekt der Trockenschichtdicke auf den Prozentsatz der Durchlässigkeit bei verschiedenen Wellenlängen zeigt, 9 is a graph showing the effect of the dry film thickness on the percentage of transmission at different wavelengths,

10 ein Diagramm ist, das die Strom-Spannungskurven der Zellen mit PEDOT:PSS und Graphen-PEDOT:PSS zeigt, 10 is a graph showing the current-voltage curves of the cells with PEDOT: PSS and Graphene-PEDOT: PSS,

11 ein Diagramm ist, das die Energieumwandlungseffizienz in Prozent im Verhältnis zum Prozentsatz des Graphen-Gehalts zeigt, 11 is a graph showing the energy conversion efficiency in percent relative to the percentage of graphene content,

12 ein Diagramm ist, das die Wärmeleitfähigkeit des Graphen-PEDOT:PSS-Films auf Glas bei steigenden Temperaturen zeigt. 12 is a graph showing the thermal conductivity of graphene-PEDOT: PSS film on glass at increasing temperatures.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:DETAILED DESCRIPTION:

Der Begriff „Polymer”, wie hier verwendet, kann sich auf eine einzelne Polymerspezies oder eine Polymermischung beziehen.The term "polymer" as used herein may refer to a single polymer species or a polymer blend.

Der Begriff „Polymermischung”, wie hier verwendet, bezieht sich auf ein Material, das aus mindestens zwei Polymerspezies zusammengesetzt ist.The term "polymer blend" as used herein refers to a material composed of at least two polymer species.

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.The term "graphene" as used herein may refer to graphene or a functionalized derivative of graphene. An example of a functionalized graphene derivative is 1-pyrene butyrate (PB ^-) graphs. Other suitable functionalized graphene derivatives may also be used and would be known to one skilled in the art.

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.The features of the embodiments of the invention will become more apparent in the following detailed description, in which reference is made to the appended drawings, wherein like features are consistently defined by the same numbering.

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.The present invention relates to the use of conductive polymer films for deicing vehicle and aircraft surfaces. Vehicle and aircraft surfaces include, but are not limited to, windows, wings, propellers, windshields, aerials, vents, inlets, and panels. Vehicle surfaces and bodies are also contemplated, but are of lesser importance to the extent that deicing of these surfaces is not critical to performance or safety.

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.In the case where the surface to be frosted is a window, the use of optically transparent conductive films is desirable to allow coverage of the full window area or extended areas of the window area without compromising the ability of the driver or pilot to see the window.

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.Examples of suitable transparent conductive polymers or polymer blends include, but are not limited to, PEDOT: PSS, PEDOT / Graphene and Graphene / PEDOT: PSS. The 1 shows the chemical structure of PEDOT and the 2a and 2 B represent a PEDOT / PSS blend that forms a transparent, conductive polymer. The 3 is another illustration of the formation of a PEDOT: PSS blend that forms a transparent, conductive polymer.

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.In a particular embodiment, the polymer blend comprises PEDOT: PSS with graphene or a functionalized graphene. In another embodiment, the functionalized graph is PB ^- graph.

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.These materials not only offer high conductivities, but also a high degree of transparency, which makes them particularly suitable for vehicle and aircraft windows. The properties of these materials can be improved by the addition of additives, for example, a conductivity of 900-1000 S / cm (about 200 ohms / sq) can be achieved using PEDOT / PSS with a conductivity improver such as DMSO or ethylene glycol.

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.The conductive polymer formulations may be further modified by the addition of additives to optimize film deposition for a particular vehicle material. For example, coating formulations for individual substrates such as A-PET, PET, polycarbonate, and glass have been optimized for different wet film thicknesses and surface resistances.

Die Beschichtung kann mit Standard-Druckverfahren, wie beispielsweise Schlitzdüsen-, Flexografie-, Sieb- und Gravurmethoden erreicht werden. Auch können Pinseln, Sprühen, Rotationsbeschichten oder Rollenbeschichten verwendet werden.The coating can be achieved by standard printing techniques, such as slot die, flexography, screen and gravure methods. Also, brushing, spraying, spin coating or roller coating can be used.

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.In a particular embodiment, aqueous dispersions of PEDOT: PSS (commercially available, for example, under the trade name Baytron ^™ P from HC Starck) can be used. With this material, thin, highly transparent and conductive surface coatings can be prepared by spin-coating or dip-coating on an almost arbitrary hydrophilic surface. HC Starck offers a selection of dispersions for different applications. Depending on the solids content, the doping concentration, particle size and additives, films with different properties can be produced become. The working function of Baytron P is about 5.2 eV. Because of the PSS content, the dispersion is acidic at a pH of 1.5 to 2.5 at room temperature. Other sources of PEDOT: PSS, such as CLEVIOS ^™ PH1000 or CLEVIOS ^™ PH500 from Heraeus can be used.

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. 4 shows a cross-sectional view of a window 1 comprising a transparent thermoelectrically conductive polymer film 5 that is between a glass layer covering the inside of the window 2 forms, and a glass layer, which forms the outside of the window, is inserted.

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. 5 shows a cross-sectional view of a window 1 with a transparent, electrically conductive polymer film coating a glass layer forming the inside of the window, and adjacent to it a transparent, thermally conductive polymer film covering a glass layer forming the outside of the window such that the transparent, electrically conductive polymer film and the transparent thermally conductive polymer film is interposed between the inner and outer glass layers.

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 In one particular embodiment, conductive polymers having the following technical specifications for use in the deicing film are proposed:
Viscosity: about 10-30 mPa.s at 20 ° C (100 s ^-1 )
Solids content: about 1.0-5.0%
Conductivity: about 150 S / cm
Surface tension: about 19-34 mN / m
Surface resistance: about 110-170 ohms / sq (coated layer with about 90% transmission at 550 nm, without substrate absorption and reflection losses)
pH: about 1.5-2.8
Method: slot die, spin coating, screen printing
Thermal conductivity: about 20 W / mK
Thermal conductivity: about 0.1 cmÇ / s
Specific heat: about 0.9 J / g ° C
Film thickness: about 6-12 microns
Density: about 0.900-0.959 g / cm ³

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. 6 shows a device for defrosting windows of a vehicle, wherein one or more of the windows 1 has a deicing coating of a transparent, conductive material. The device further comprises a main wire 21 , a control box 22 and a wiring to each window 23 , 7 shows an apparatus for deicing windows of an aircraft, wherein one or more of the windows 1 has a deicing coating of a transparent, conductive material. The device further includes a main wire 21 , a control box 22 and a wiring to each window 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.In a particular embodiment, the apparatus further includes an electrical circuit, including sensors for controlling the amount of current and voltage that must be supplied to each window or surface. 8th is a possible embodiment of the deicing device ( 30 ) as used in a windshield. The windshield 1 has a defrosting film comprising a conductive polymer as described above. The windshield 1 also has a negative connection 31 and a positive connection 32 on top of that with a conductive film in the windshield 1 are connected in such a way as to allow current to flow through the conductive film to the windshield 1 to heat and thereby melt the ice on the windshield. The windshield 1 is about the positive connection 31 and the negative connection 32 to an energy control system 33 Connected, which is responsible for controlling when power to the windshield 1 is supplied.

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.The energy control system 33 has a positive outcome 34 and a negative output 35 that with the positive connection 31 or the negative connection 32 the windshield are connected. The negative outcome 35 is also connected to an electrical ground. A relay 36 consists of a switching input 37 , a main entrance 38 , a grounding input 39 and a relay output 40 , The relay output 40 is with the positive outcome 34 of the control system 33 connected.

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.With the switching input 37 connected is an on / off switch 41 to the windshield heater 30 on and off when needed and not needed. With the on / off switch 41 connected is a fuse with low amperage 42 , which with a voltage source 43 connected to the relay 36 activated when the on / off switch 41 is in the on position.

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.In one embodiment, the voltage source 43 be a vehicle battery, in another embodiment, the voltage source 43 from a source that is only live when the engine of the vehicle is on, thereby preventing the battery of the vehicle from being discharged.

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.the main entrance 38 is with a high amperage fuse 44 connected, and the fuse with high amperage 44 is below with a positive battery connection 46 a battery 45 connected. The negative battery connection 47 the battery 45 is connected to the mass.

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. When the on / off switch 41 one is and the voltage source 41 is energized, then the relay 36 active and the relay output 40 comes with the main entrance 38 connected, which causes current from the relay output 40 through the positive outcome 34 , the positive connection 31 , the windshield 1 and the negative connection 32 flows to the mass.

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.When the on / off switch 41 off or the voltage source 43 is not live, then the switching input 37 grounded, and also the relay output 40 is grounded. This results in no current flowing through the windshield.

BeispieleExamples

Graphen-PEDOT:PSS-Zusammensetzungen.Graphene PEDOT: PSS compositions.

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.Compositions containing PEDOT: PSS and graphene were prepared using a commercial solution of PEDOT: PSS containing 1 wt% PEDOT and 2.5 wt% PSS, such as Clevious ^™ PH1000 from Heraeus. Commercially available graphene solutions of various concentrations were combined with the PEDOT: PSS in a 1: 1 ratio to obtain a PEDOT: PSS graphene solution. The solution was then sonicated for 15 minutes, whereupon a stable mixture is formed. Then the solution was filtered through a 0.2 μm filter membrane before use.

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.It was found that the solution prepared using 1% graphene had a vapor pressure of 23 hPa (17 mmHg) and a viscosity of between 15 and 50 mPAS at 20 ° C. It was found that the aqueous solution comprised more than 95% water and between 1% and 1.3% solids content. The pH range was measured to be 1.5 to 3.0, and the density was measured to be 0.9-1 g / cm ³ .

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.A film coating of the solution was prepared on a glass substrate. Before applying the film, the glass substrate was washed successively with a 1: 1 ethanol / acetone mixture followed by 5% NaOH solution and deionized water, successively, and then dried under vacuum in a clean room.

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.The solution was applied to the cleaned glass surface by spray coating. Although this example has been prepared by spray coating, it will be apparent to one skilled in the art that the film may be applied by a variety of methods, including, but not limited to, spin coating. The spin coating is performed at 7000 rpm [rpm] and 80-120 ° C for a minimum of 3 to 5 minutes.

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.The wet film thickness of the PEDOT: PSS graphene mixture was 6-12 μm. The surface resistance was <103 ohm / π and the specific conductivity was 1000 S / cm. The film was then dried under vacuum at room temperature. The dry film was measured to have a pencil hardness of 9H.

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.The thickness of the dried composite film was measured by atomic force microscopy (AFM) to be about 50 nm. Accordingly, the average thickness of the graphene layer can be derived as about 1.4 nm. This value is much higher than the interplanar spacing of graphene, which is about 0.34 nm. Without wishing to be bound by theory, it is postulated that the graphene layers in the PEDOT: PSS matrix were uniformly distributed and that they are smoothed during the coating process. This may be due to the static interaction of the negative charge on the surface of the graphene layer with the positively charged PEDOT chains.

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.It was found that the film formed from the composition prepared with the 1% graphene starting material has a transmittance of greater than 90% in the wavelength range of 500 nm ( 9 ). This is due to the fact that both the PEDOT: PSS and individual graphene layers have high transmission at the visible wavelengths. As 9 shows, the thicker the film, the less transparent it becomes.

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. 10 shows the current-voltage curves of the cells with PEDOT: PSS or Graphene-PEDOT: PSS. Compared with the PEDOT: PSS film, the addition of a small amount of graphene layers effectively increased the short-circuit current densities. This is mainly due to the high specific surface area of ultrathin graphene layers. Meanwhile, PEDOT: PSS formed a highly conductive matrix around the graphene layers. To further investigate the effects of graphene content on the performance of PEDOT: PSS, a series of experiments were prepared from the mixtures with different graphene contents. When the graphene content in the mixture increased from 0% by weight to 1% by weight, the energy conversion efficiency of the mixture was increased from 2.3% to 4.5% ( 11 ). However, further increasing the weight of graphene had little effect on the energy conversion efficiency of the mixture. These results indicate that a small amount of graphene, for example 0.5% by weight, is sufficient for electrochemical catalyzation and can effectively improve cell performance.

Messung der Wärmeleitfähigkeit von PEDOT:PSS-Graphen Measurement of the thermal conductivity of PEDOT: PSS graphene

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.To measure the thermal conductivity, a window glass sample of 3 mm thickness is used. First, a half-millimeter thick layer of PEDOT: PSS graphene is applied to cover the surface of the glass substrate. The coating was then placed between a second piece of glass because PEDOT: PSS graphene is electrically conductive. (If it is not properly electrically isolated, then the AC signal from the heater would leak into the PEDOT: PSS graph and affect the result of the measurement). The sample is then placed in the climate chamber while being probed with two microprobes. Next, the cables are connected to a power supply (Keithley ^™ 2400) and the voltage and current are set to 0.1 V and 10 mA, respectively. It is necessary to note that the current flowing through should be kept as low as possible in order to prevent a temperature increase caused by Joule heating. In addition, in order to increase the accuracy of measurement, the power supply was just at the measuring times (for example, about every 15 minutes) operated.

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.In the climatic chamber and record the relevant voltage and current of heating for every two degrees Celsius, starting at 20 (° C / min) up to 50 (° C / min). The rate of temperature rise in the climate chamber was manually set to 0.5 (° C / min). The relative humidity is also set to the currently measured value (30-40%).

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.The thermal conductivity of PEDOT: PSS graphene was measured at various temperatures ranging from 223 K to 375 K ( 12 ). There was an increase in thermal conductivity as the temperature rose from 223K to ambient and remained constant, then it began to fall as the temperature further increased. Finally, it decomposed over a temperature range above 375 K (above 100 ° C). The thermal conductivity varies between 0.19-0.24 (Wm-1.K-1), with the minimum measured thermal conductivity at the starting point of the measurement (223 K) and the highest value at room temperature (295 K).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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JP 58-17046 [0007]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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M. M de Kok et al. [0028]

Claims

An anti-icing film for deicing an exterior surface of a vehicle or aircraft comprising a transparent conductive film, the transparent conductive film comprising a mixture of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT): poly (styrenesulfonic acid) (PSS) with graphene or a Graphene derivative is.

The deicing film of claim 1, wherein the conductive polymer is applied to an exterior surface of a vehicle or aircraft.

The deicing film of claim 1, wherein the conductive polymer is sandwiched between layers of a material that forms an outer surface of a vehicle or aircraft.

A deicing film according to any one of claims 1-3, wherein the outer surface is a window.

A deicing film according to any one of claims 1-4, which has a conductivity of about 150 S / cm.

A deicing film according to any one of claims 1-5, which has a thermal conductivity of about 20 W / mk.

A deicing film according to any one of claims 1-6, having a film thickness of about 6-12 μm.

A deicing film according to any of claims 1-7 which has a surface resistivity of about 110-170 ohms / sq and about 90% transmittance at 550 nm.

Apparatus comprising the deicing film of any of claims 1-8, connected to a power supply for supplying electrical energy to the conductive polymer.

The device of claim 9, wherein the power supply provides 12 volts of voltage.

The device of claim 10, wherein the power supply is from a firing controlled supply.

Use of a transparent, conductive polymer as a deicing film for vehicle or airplane surfaces, wherein the transparent, conductive polymer is a mixture of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT): poly (styrenesulfonic acid) (PSS) with graphene or a graphene derivative is.

Use according to claim 12, wherein the surface to be deiced is a window.

Use according to claim 13, wherein the film is applied to the surface of a window or wherein the film is sandwiched between two glass layers forming the window.

A method of applying the deicing film of any of claims 1-8 to a vehicle or aircraft surface, comprising coating the surface using a slot die, spin coating, spray coating, or screen printing process.

A deicing film according to any of claims 1-8, wherein the transparent conductive film is formed from a mixture comprising a PEDOT: PSS solution, wherein the solution comprises about 0.5-1.5 wt% PEDOT and about 1-3 wt%. PSS comprises, with a graphene solution, wherein the graphene content of about 0.1-1.5 wt%, and the solutions are combined in a ratio of 1: 2 to 2: 1.

The deicing film of claim 16, wherein the PEDOT: PSS solution contains about 1 wt% PEDOT and about 2.5 wt% PSS, and the graphene solution contains about 0.25 wt%, 0.5 wt%, 0.75 wt%, or 1 wt% graphene.

The deicing film of claim 17, wherein the graphene solution comprises about 1 wt% graphene and the PEDOT: PSS solution and the graphene solution are combined in a ratio of about 1: 1.

A deicing film according to any one of claims 16-18, wherein the deicing film is formed by applying the mixture to a glass substrate and allowing to dry to a film.