WO2015018619A1 - Device for irreversibly detecting an exceedance of a predetermined temperature and method for producing the device - Google Patents

Device for irreversibly detecting an exceedance of a predetermined temperature and method for producing the device Download PDF

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WO2015018619A1
WO2015018619A1 PCT/EP2014/065356 EP2014065356W WO2015018619A1 WO 2015018619 A1 WO2015018619 A1 WO 2015018619A1 EP 2014065356 W EP2014065356 W EP 2014065356W WO 2015018619 A1 WO2015018619 A1 WO 2015018619A1
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WO
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material layer
particles
layer
substrate layer
substrate
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Application number
PCT/EP2014/065356
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Inventor
Mathias Maier
Oleksandr Marchuk
Friedemann Tonner
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K3/00Thermometers giving results other than momentary value of temperature
    • G01K3/02Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving means values; giving integrated values
    • G01K3/04Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving means values; giving integrated values in respect of time
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/06Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using melting, freezing, or softening

Definitions

  • the invention relates to a device for irreversible detection of exceeding a temperature and a method for producing such a device.
  • DE 10 2005 041 495 A1 discloses a device for monitoring an impermissible exceeding of a temperature acting on an object, which comprises a substrate consisting of glass, ceramic, plastic, a plastic film or another flexible material. On this substrate two spaced apart electrodes are provided and at least one layer of material. This material layer extends between the two electrodes, whereby the material layer changes in dependence on the temperature acting on the material layer.
  • metallic particles or an electrically conductive metal powder are mixed in, wherein in the functional state of the temperature sensor without heat, ie in the initial state, the particles are provided locally and limited in the surface in the material layer.
  • the material layer consists of wax, so that when a heat supply, a change in the state of matter takes place and the metallic particles can be evenly distributed within the then liquid material layer between the electrodes. It uses the law of entropy, which remains minimal in a closed system. Due to this uniform distribution of the metallic particles, it is possible that a changed electrically conductive behavior can be measured. If the heat supply is completed, the physical state of the material layer is changed from “liquid” to "solid", so that it is also possible to prove an inadmissible supply of heat or heat due to the change in the electrically conductive behavior at a later time.
  • This device has the disadvantage that the change in the electrically conductive behavior of the material layer is often low, so that a clear statement regarding an inappropriate heat supply can not be detected by a significant change in the electrical resistance. In addition, there is an uncontrolled flow of the material layer in the physical state change from "solid" to "liquid” on the substrate.
  • a time-temperature integrating display device with barrier material is known. This serves to provide a visually perceptible indication of cumulative heat on an object.
  • a substrate with a diffuse light-reflecting porous matrix and a carrier with a viscoelastic indicator material on its surface for contacting the material and a barrier material is provided.
  • the viscoelastic indicator material in an activated state, migrates through the temperature into the porous matrix at a rate which increases with increasing temperature, thereby producing the visually perceptible indication.
  • microcapsules are applied to a substrate, which includes a hydrophobic organic compound having an arbitrarily selected melting point, as well as an amethine dye and an oxidizing material.
  • a temperature-sensitive device which is formed from a wax layer, which is applied to a substrate and covered by a transparent film.
  • the wax layer comprises a powdered wax layer as well as a certain amount of a viscous agent on a colored layer of a color paper.
  • the invention has for its object to provide a means for irreversible detection of exceeding a temperature, which allows for an adjustable triggering temperature or melting temperature, a significant change in a PerkolationsTeches a material layer with particles contained therein. Furthermore, the invention has for its object to propose a simple method for producing such a device.
  • the object underlying the invention is achieved by a device in which the substrate layer consists of a porous material which at least partially absorbs or absorbs the material layer applied thereto after exceeding the melting point of the material layer or a triggering temperature and absorbs the particles contained in the material layer the surface of the substrate layer at least partially filtered off.
  • the particles remain at least partially, in particular substantially or completely, on or on the surface of the substrate layer.
  • the material layer which undergoes the state of aggregation due to the melting temperature being exceeded and passes from the solid to the liquid state, is drawn into the substrate layer, in particular into the pores of the substrate layer, due to capillary forces or the like, the particles on or on the surface the porous substrate layer remain behind or be filtered off.
  • the volume concentration of the particles contained in the material layer increases significantly, so that a significant change in the percolation state can be detected.
  • Such an impermissible effect of a temperature or exceeding of a predetermined or monitored temperature on the device causes an irreversible state change of the device, so that this device does not need to be continuously monitored and / or buffered to obtain the information. Rather, the impermissible heat input above a melting point can also be verifiable at a later time.
  • the substrate layer is formed of an open-pored material.
  • a rapid absorption of the liquid material layer can be made possible.
  • capillary forces the absorption of the liquid material layer is supported in the substrate layer.
  • the porous substrate layer consists of a natural filter material.
  • a single-layer or multi-layer paper filter can be provided.
  • an artificial filter material may be used, which consists for example of thermoplastic materials.
  • a ceramic filter material such as a porous alumina or the like may also be used.
  • the pore size can also be determined.
  • the material layer is preferably made of wax, in particular carnauba wax.
  • thermoplastic polymers or other substances having a melting temperature such as fatty acids and their esters, in particular pentanoic, propanoic, butanoic, heptanoic, hexanoic, methanoic, nonanoic, ethanoic, octanoic, undecanoic, decanoic, dodecanoic, pentadecanoic, tetradecanoic, heptadecanoic , Hexadecanoic acid, nonadecanoic acid, octadecanoic acid or eicosane / icosanoic acid or, for example, polyethylene glycol, Polyethylene, polyamide, polypropylene, polybutene, polylactide are used, which have a narrow melting point.
  • the particles introduced into the material layer are preferably designed as electrically conductive or optically reflective particles.
  • the electrically conductive particles the proof of an impermissible excess can be guided by a simple resistance measurement.
  • optically reflective particles the amount of reflected rays can be detected by means of a laser measuring device or other light sensors, thereby guiding the impermissible overshoot.
  • a preferred embodiment of the porous substrate layer provides that the pores are smaller than the size of the particles.
  • suction of the softened material layer and, on the other hand, filtering off of the particles on the surface of the substrate layer can take place.
  • the pores can be configured to be the same size or even slightly larger than the particles, so that in the event of agglomeration of the particles, filtering is likewise provided on the surface of the substrate layer. This may be sufficient to provide evidence of an inadmissible temperature effect.
  • a pore size of less than 10 microns is provided.
  • the material layer is advantageously provided in an initial state with a particle concentration of the particles which is below a percolation threshold.
  • the material layer has a particle concentration with electrically conductive particles in such a way that no or almost non-measurable conductive material layer is formed.
  • the melting point of the material layer is exceeded, the material layer is absorbed by the substrate layer, the percolation threshold being exceeded when the material layer is only slightly absorbed by the substrate layer.
  • the particle concentration above the percolation threshold increases in proportion strongly, whereby a substantial change in the electrical resistance is given, so that this change in state is very simple and easy to detect.
  • the particle concentration of the particles in the material layer may be equal to or slightly above the percolation threshold.
  • an initial state of the device can be checked, since at least a low electrical conductivity can be detected. It is essential in all the aforementioned alternatives that a small change in the initial state of the material layer greatly increases the electrical conductivity of the particles-that is to say a curve with a steep gradient.
  • an electrically conductive layer is preferably formed by the particles.
  • electrical contacts are provided on the substrate layer, which are adjacent to the material layer in the initial state or partially covered by it.
  • measuring points can be formed in order to check the initial state of the device and to carry out a control measurement in a simple manner after the temperature has been exceeded.
  • the contact elements can be connected to a wirelessly operating storage medium, in particular an RFID, so that optionally further information can be detected in addition to exceeding the triggering temperature and read out at a later time.
  • the substrate layer is formed without electrical contacts.
  • a measuring device with two layered contact elements can be placed directly on the material layer in order to measure the electrical resistance of the material layer or the filtered particle layer on the substrate layer both in the initial state and after an impermissible heat input.
  • the particles introduced into the material layer are preferably carbon nanotubes (CNT).
  • CNT carbon nanotubes
  • electrically conductive soot particles carbon black
  • silver nanowires graphitic nanoplates or even glitter or the like
  • a combination of the aforementioned particles or a modification can be introduced.
  • the device for detecting an irreversible excess of a predetermined temperature is prepared by a method in which a substrate layer is provided consisting of a porous material, wherein the material layer of polymers or wax as a material matrix and particles introduced therein and prepared this material matrix on the Substrate layer is applied and then cured.
  • a substrate layer consisting of a porous material, wherein the material layer of polymers or wax as a material matrix and particles introduced therein and prepared this material matrix on the Substrate layer is applied and then cured.
  • a preferred embodiment of the method provides that the material layer is produced as a dispersion matrix from a polymer dispersion or a viscous wax and a particle dispersion, and this dispersion matrix is applied to the substrate layer and cured as a solid material layer.
  • a dispersion matrix enables a simple and rapid preparation and specific tuning of the particles in the polymer dispersion or the percentage by weight required in the viscous wax.
  • the application of the dispersion matrix to form the material layer is preferably carried out by spraying, printing, knife coating, dipcoating, curtain or spin coating or the like. This allows a cost-effective way to produce such facilities.
  • At least one electrical contact is preferably applied.
  • This electrical contact can be applied by application, spraying, sticking, vapor deposition, sputtering or the like.
  • the dispersion matrix is adjusted to form the matrix with a viscosity, so that a penetration-free application to the substrate layer is made possible.
  • the dispersion matrix is preferably adjusted to be gel-like, so that, in any case, penetration of the material layer into the substrate layer does not occur during the application of the material layer.
  • the aqueous dispersion can preferably be made gel-like or viscous with a thickener.
  • the dispersion matrix of the material layer is applied with a layer thickness of less than 500 ⁇ m, preferably less than 100 ⁇ m. As a result, in particular a fast filtering of the particles on the substrate surface can take place.
  • FIG. 1 a shows a schematic top view of the device according to the invention in the initial state
  • FIG. 1b a schematic top view of the device according to the invention according to FIG. 1a after exposure to an impermissible temperature
  • FIG. 2a shows a schematic sectional view along the line II-II in FIG. 1a
  • FIG. 2b shows a schematic sectional view along the line III-III in FIG. 1b
  • FIG. 3 a shows a schematic top view of a material layer of the device of a specific embodiment in the starting state
  • FIG. 3b shows a schematic top view of a material layer of the device of a specific embodiment according to FIG. 1b
  • Figure 4a is a schematic top view of an alternative device to Figure 1a in the initial state
  • Figure 4b is a schematic top view of the device according to Figure 4a after the action of an impermissible exceeding a temperature.
  • Figure 1 shows a schematic view from above of a device 11 according to the invention for detecting an impermissible exceeding an acting on a not-shown item temperature.
  • FIG. 2a shows a schematic sectional view along the line II-II in FIG. 1a.
  • This device 11 comprises a substrate layer 12, which can be fastened to an underside 14 on a non-illustrated object to be monitored. Similarly, the device may detect a room temperature or other irradiation temperature or other radiation temperature, wherein the device 11 hang freely in space or rest on a substrate or object, or may be fixed.
  • the bottom 14 may be provided with an adhesive surface or adhesive film or coated with adhesive.
  • other alternatives may be provided to secure the substrate layer 12 to the surface of the article to be monitored for external heat input.
  • a material layer 17 is applied on the underside 14 opposite upper side 16 of the substrate layer 12. This has, for example, a limited areal extent, which is smaller than the areal extent of the substrate layer 12. This can also be the same size.
  • the material layer 17 comprises particles 19, which are provided randomly distributed in the material layer 17.
  • electrical contacts 21 are applied to the substrate layer 12, for example. If these electrical contacts 21 are applied, the material layer 12 extends at least as far as the electrical contacts 21 or advantageously covers them in part so that the electrical contacts 21 are in contact with the material layer 17.
  • the substrate layer 12 is open-pored.
  • the open pores 20 are formed to receive the material layer 17 in a liquid or flowable state.
  • the substrate layer 12 consists for example of a filter medium, such as filter paper, porous plastic or porous alumina.
  • the pore size is preferably smaller than the particle size of the particles 19 in the material layer 17.
  • the material layer 17 applied thereon consists for example of wax or else of a thermoplastic polymer. The materials can be adjusted to a defined melting temperature, so that the melting temperature of the material for the material layer 17 determines a triggering temperature for an aggregate state change.
  • particles 19 are introduced. These may be electrically conductive particles.
  • carbon nanotubes, graphitic nanoplates, electrically conductive soot particles, silver nanowires or glitter or glitter flakes are used.
  • These particles 19 are preferably introduced with a substantially different aspect ratio.
  • a resistance measurement can be carried out by positioning on the electrical contacts 21 in order to check the device 11 in the initial state.
  • an electrical resistance of, for example, greater than 1 G ⁇ exists before the action of temperature.
  • the material layer 17 is virtually not electrically conductive.
  • FIG. 1b shows a schematic top view of the device 11 after an impermissible temperature effect, which was above the triggering temperature of the material layer, as a result of which an aggregate state change from "solid” to "liquid” took place. It is therefore indicated an inadmissible exceeding a heat or temperature.
  • FIG. 2b shows a schematic sectional view along the line III-III in FIG. 1b.
  • the material begins to melt and liquefy, wherein the material layer 17 is absorbed by the porous substrate layer 12 and / or a wetting of the large surface of the substrate layer 12 is given.
  • a filtering process or a filtering of the particles 19 takes place on the surface of the substrate layer 12, so that in the remaining dispersion matrix of the material layer 12 there is a considerable increase in the concentration of the particles 19.
  • the wax or thermoplastic elastomer of the material layer 17 is completely absorbed by the substrate layer 12. This results in an irreversible state change of the device 11, in which the volume concentration of the electrically conductive particles 19 increases significantly.
  • a subsequent measurement with the measuring device 23 of the layer of particles 19 or with still small portions of the material of the material layer 17 shows a large signal change. For example, an electrical resistance of less than 1 MOhm can be measured.
  • FIGS. 3a and 3b are light micrographs of a surface of a material layer 17 according to FIGS. 1a and 1b.
  • a material layer 17 of a matrix material was used, which consisted of wax in which less than 3 wt.% Of electrically conductive carbon nanotube particles 19 were dispersed.
  • the layer thickness of the material layer 17 in this exemplary embodiment was preferably less than 500 ⁇ m, in particular less than 100 ⁇ m.
  • a filter paper was used as the substrate layer 12.
  • FIGS. 4a and 4b show an alternative embodiment to FIGS. 1a and 1b of the device 11.
  • electrically conductive particles 19 optically conductive particles are introduced into the material layer 17.
  • the operation of this device 11 is analogous to that in Figures 1a and 1b.
  • the evaluation takes place instead of detecting the electrical resistance by detecting the proportion of reflected radiation through the particles 19, so that an analogous evaluation is given.

Abstract

The invention relates to a device for irreversibly detecting an exceedance of a predetermined temperature, and to a method for producing the device, comprising a substrate layer (12), to which a meltable material layer (17) is applied, which upon exceeding a melting point of the material layer (17), transitions from a solid state of aggregation to a liquid state of aggregation. The device further comprises particles (19) introduced into the material layer (17), wherein the substrate layer (14) is made of a porous material, which after exceeding the melting point, accommodates the material layer (17), at least partially, and the particles (19) contained in the material layer (17) are filtered out on the surface (18) of the substrate layer (12), at least partially.

Description

Einrichtung zur irreversiblen Erfassung einer Überschreitung Device for the irreversible detection of an excess
einer vorbestimmten Temperatur sowie Verfahren zur a predetermined temperature and method for
Herstellung der EinrichtungProduction of the device
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur irreversiblen Erfassung einer Überschreitung einer Temperatur sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung.The invention relates to a device for irreversible detection of exceeding a temperature and a method for producing such a device.
Aus der DE 10 2005 041 495 A1 ist eine Einrichtung zur Überwachung einer unzulässigen Überschreitung einer auf einen Gegenstand einwirkenden Temperatur bekannt, welche ein Substrat bestehend aus Glas, Keramik, Kunststoff, einer Kunststofffolie oder einem anderen flexiblen Material umfasst. Auf diesem Substrat sind zwei voneinander beabstandete Elektroden vorgesehen sowie zumindest eine Materialschicht. Diese Materialschicht erstreckt sich zwischen den beiden Elektroden, wobei sich die Materialschicht in Abhängigkeit von der auf die Materialschicht wirkenden Temperatur verändert. In der Materialschicht sind metallische Partikel oder ein elektrisch leitendes Metallpulver eingemischt, wobei im funktionsbereiten Zustand des Temperatursensors ohne Wärmezufuhr, also im Ausgangszustand, die Partikel örtlich und in der Fläche begrenzt in der Materialschicht vorgesehen sind. Die Materialschicht besteht aus Wachs, so dass bei einer Wärmezufuhr ein Wechsel des Aggregatzustandes erfolgt und sich die metallischen Partikel innerhalb der dann flüssigen Materialschicht zwischen den Elektroden gleichmäßig verteilen können. Dabei wird die Gesetzmäßigkeit der Entropie genutzt, die in einem geschlossenen System minimal gleich bleibt. Aufgrund dieser gleichmäßigen Verteilung der metallischen Partikel ist es möglich, dass ein verändertes elektrisch leitfähiges Verhalten gemessen werden kann. Sofern die Wärmezufuhr beendet ist, erfolgt ein Wechsel des Aggregatzustandes der Materialschicht von „Flüssig“ auf „Fest“, so dass auch zu einem späteren Zeitpunkt der Nachweis einer unzulässigen Wärmezufuhr oder Wärmeeinwirkung aufgrund der Veränderung des elektrisch leitfähigen Verhaltens ermöglicht ist.DE 10 2005 041 495 A1 discloses a device for monitoring an impermissible exceeding of a temperature acting on an object, which comprises a substrate consisting of glass, ceramic, plastic, a plastic film or another flexible material. On this substrate two spaced apart electrodes are provided and at least one layer of material. This material layer extends between the two electrodes, whereby the material layer changes in dependence on the temperature acting on the material layer. In the material layer, metallic particles or an electrically conductive metal powder are mixed in, wherein in the functional state of the temperature sensor without heat, ie in the initial state, the particles are provided locally and limited in the surface in the material layer. The material layer consists of wax, so that when a heat supply, a change in the state of matter takes place and the metallic particles can be evenly distributed within the then liquid material layer between the electrodes. It uses the law of entropy, which remains minimal in a closed system. Due to this uniform distribution of the metallic particles, it is possible that a changed electrically conductive behavior can be measured. If the heat supply is completed, the physical state of the material layer is changed from "liquid" to "solid", so that it is also possible to prove an inadmissible supply of heat or heat due to the change in the electrically conductive behavior at a later time.
Diese Einrichtung weist den Nachteil auf, dass die Veränderung im elektrisch leitfähigen Verhalten der Materialschicht oftmals gering ausfällt, so dass eine eindeutige Aussage bezüglich einer unangemessenen Wärmezufuhr nicht durch eine signifikante Veränderung des elektrischen Widerstands erfassbar ist. Darüber hinaus ist ein unkontrolliertes Fließen der Materialschicht beim Aggregatzustandswechsel von „Fest“ auf „Flüssig“ auf dem Substrat gegeben. This device has the disadvantage that the change in the electrically conductive behavior of the material layer is often low, so that a clear statement regarding an inappropriate heat supply can not be detected by a significant change in the electrical resistance. In addition, there is an uncontrolled flow of the material layer in the physical state change from "solid" to "liquid" on the substrate.
Aus der DE 699 11 395 T2 ist ein Zeit-Temperatur integrierende Anzeigevorrichtung mit Sperrmaterial bekannt. Diese dient zum Bereitstellen einer visuell wahrnehmbaren Anzeige einer kumulativen Wärmeeinwirkung auf ein Objekt. Hierfür ist ein Substrat mit einer diffus lichtreflektierenden porösen Matrix und einem Träger mit einem viskoelastischen Indikatormaterial auf seiner Oberfläche zum Kontaktieren des Materials sowie ein Sperrmaterial vorgesehen. Das viskoelastische Indikatormaterial wandert in einem aktivierten Zustand durch die Temperatur in die poröse Matrix mit einer Geschwindigkeit, die mit steigender Temperatur zunimmt, wodurch die visuell wahrnehmbare Anzeige erzeugt wird. From DE 699 11 395 T2 a time-temperature integrating display device with barrier material is known. This serves to provide a visually perceptible indication of cumulative heat on an object. For this purpose, a substrate with a diffuse light-reflecting porous matrix and a carrier with a viscoelastic indicator material on its surface for contacting the material and a barrier material is provided. The viscoelastic indicator material, in an activated state, migrates through the temperature into the porous matrix at a rate which increases with increasing temperature, thereby producing the visually perceptible indication.
Aus der DE 34 90 397 T1 ist des Weiteren eine Indikatoreinheit für eine Temperaturkontrolle bekannt. Hierfür sind auf ein Substrat Mikrokapseln aufgebracht, die eine hydrophobe, organische Verbindung mit einem beliebig gewählten Schmelzpunkt einschließt, sowie einen Amethinfarbstoff und ein oxidierendes Material enthalten.From DE 34 90 397 T1 further an indicator unit for a temperature control is known. For this purpose, microcapsules are applied to a substrate, which includes a hydrophobic organic compound having an arbitrarily selected melting point, as well as an amethine dye and an oxidizing material.
Aus der JP 2006-029945 ist eine temperatursensitive Vorrichtung bekannt, die aus einer Wachsschicht gebildet ist, welche auf einem Substrat aufgebracht ist und von einem transparenten Film abgedeckt wird. Die Wachsschicht umfasst eine pulverisierte Wachsschicht sowie eine bestimmte Menge an einem viskosen Mittel auf einer farbigen Schicht eines Farbpapiers. From JP 2006-029945 a temperature-sensitive device is known, which is formed from a wax layer, which is applied to a substrate and covered by a transparent film. The wax layer comprises a powdered wax layer as well as a certain amount of a viscous agent on a colored layer of a color paper.
Diese Einrichtungen weisen den Nachteil auf, dass eine oft nicht hinreichende sichtbare Veränderung zur Erkennung einer Temperaturüberschreitung kenntlich gemacht wird. These devices have the disadvantage that an often insufficient visual change to detect a temperature exceeded is indicated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur irreversiblen Erfassung einer Überschreitung einer Temperatur, zu schaffen, welche bei einer einstellbaren Auslösetemperatur beziehungsweise Schmelztemperatur eine deutliche Veränderung eines Perkolationszustandes einer Materialschicht mit darin enthaltenen Partikeln ermöglicht. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung vorzuschlagen.The invention has for its object to provide a means for irreversible detection of exceeding a temperature, which allows for an adjustable triggering temperature or melting temperature, a significant change in a Perkolationszustandes a material layer with particles contained therein. Furthermore, the invention has for its object to propose a simple method for producing such a device.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Einrichtung gelöst, bei der die Substratschicht aus einem porösen Material besteht, welche die darauf aufgebrachte Materialschicht nach dem Überschreiten des Schmelzpunktes der Materialschicht beziehungsweise einer Auslösetemperatur zumindest teilweise aufnimmt oder aufsaugt und die in der Materialschicht enthaltenen Partikel an der Oberfläche der Substratschicht zumindest teilweise abfiltert. Die Partikel verbleiben zumindest teilweise, insbesondere im Wesentlichen oder vollständig, an oder auf der Oberfläche der Substratschicht. Dadurch wird die Materialschicht, welche aufgrund der Überschreitung der Schmelztemperatur den Aggregatzustandswechsel erfährt und von dem festen in den flüssigen Aggregatszustand übergeht, aufgrund von Kapillarkräften oder dergleichen in die Substratschicht, insbesondere in die Poren der Substratschicht, gezogen, wobei die Partikel auf oder an der Oberfläche der porösen Substratschicht zurück bleiben beziehungsweise daran abgefiltert werden. Dadurch nimmt die Volumenkonzentration der in der Materialschicht enthaltenen Partikel deutlich zu, so dass eine erhebliche Veränderung des Perkolationszustandes erfassbar ist. Eine solche unzulässige Einwirkung einer Temperatur oder ein Überschreiten einer vorbestimmten oder zu überwachenden Temperatur auf die Einrichtung bewirkt eine irreversible Zustandsänderung der Einrichtung, so dass diese Einrichtung nicht kontinuierlich überwacht und/oder zwischengespeichert werden muss, um die Informationen zu erhalten. Vielmehr kann auch zu einem späteren Zeitpunkt die unzulässige Wärmezufuhr oberhalb eines Schmelzpunktes verifizierbar sein. The object underlying the invention is achieved by a device in which the substrate layer consists of a porous material which at least partially absorbs or absorbs the material layer applied thereto after exceeding the melting point of the material layer or a triggering temperature and absorbs the particles contained in the material layer the surface of the substrate layer at least partially filtered off. The particles remain at least partially, in particular substantially or completely, on or on the surface of the substrate layer. As a result, the material layer, which undergoes the state of aggregation due to the melting temperature being exceeded and passes from the solid to the liquid state, is drawn into the substrate layer, in particular into the pores of the substrate layer, due to capillary forces or the like, the particles on or on the surface the porous substrate layer remain behind or be filtered off. As a result, the volume concentration of the particles contained in the material layer increases significantly, so that a significant change in the percolation state can be detected. Such an impermissible effect of a temperature or exceeding of a predetermined or monitored temperature on the device causes an irreversible state change of the device, so that this device does not need to be continuously monitored and / or buffered to obtain the information. Rather, the impermissible heat input above a melting point can also be verifiable at a later time.
Bevorzugt ist die Substratschicht aus einem offenporigen Material ausgebildet. Dadurch kann eine schnelle Aufnahme der flüssigen Materialschicht ermöglicht sein. Durch die wirkenden Kapillarkräfte wird das Aufsaugen der flüssigen Materialschicht in die Substratschicht unterstützt.Preferably, the substrate layer is formed of an open-pored material. As a result, a rapid absorption of the liquid material layer can be made possible. By acting capillary forces the absorption of the liquid material layer is supported in the substrate layer.
Bevorzugt besteht die poröse Substratschicht aus einem natürlichen Filtermaterial. Hier kann beispielsweise ein ein- oder mehrlagiger Papierfilter vorgesehen sein. Alternativ kann ein künstliches Filtermaterial eingesetzt werden, welches beispielsweise aus thermoplastischen Kunststoffen besteht. Des Weiteren kann auch ein keramisches Filtermaterial, wie beispielsweise ein poröses Aluminiumoxid oder dergleichen, eingesetzt werden. In Abhängigkeit des Anwendungsfalles und der aufzunehmenden Menge der Materialschicht kann auch die Porengröße bestimmt werden.Preferably, the porous substrate layer consists of a natural filter material. Here, for example, a single-layer or multi-layer paper filter can be provided. Alternatively, an artificial filter material may be used, which consists for example of thermoplastic materials. Further, a ceramic filter material such as a porous alumina or the like may also be used. Depending on the application and the amount of material to be absorbed, the pore size can also be determined.
Die Materialschicht ist bevorzugt aus Wachs, insbesondere Carnauba-Wachs, hergestellt. Alternativ können auch thermoplastische Polymere oder andere Substanzen mit Schmelztemperatur, wie beispielsweise die aufgeführten Fettsäuren und deren Ester, insbesondere Pentansäure, Propansäure, Butansäure, Heptansäure, Hexansäure, Methansäure, Nonansäure, Ethansäure, Octansäure, Undecansäure, Decansäure, Dodecansäure, Pentadecansäure, Tetradecansäure, Heptadecansäure, Hexadecansäure, Nonadecansäure, Octadecansäure oder Eicosan-/Icosansäure oder beispielsweise Polyethylenglycol, Polyethylen, Polyamid, Polypropylen, Polybuten, Polylaktid eingesetzt werden, welche einen eng definierten Schmelzpunkt aufweisen.The material layer is preferably made of wax, in particular carnauba wax. Alternatively, thermoplastic polymers or other substances having a melting temperature, such as fatty acids and their esters, in particular pentanoic, propanoic, butanoic, heptanoic, hexanoic, methanoic, nonanoic, ethanoic, octanoic, undecanoic, decanoic, dodecanoic, pentadecanoic, tetradecanoic, heptadecanoic , Hexadecanoic acid, nonadecanoic acid, octadecanoic acid or eicosane / icosanoic acid or, for example, polyethylene glycol, Polyethylene, polyamide, polypropylene, polybutene, polylactide are used, which have a narrow melting point.
Die in die Materialschicht eingebrachten Partikel sind bevorzugt als elektrisch leitfähige oder optisch reflektierende Partikel ausgebildet. Bei den elektrisch leitfähigen Partikeln kann durch eine einfache Widerstandsmessung der Nachweis für eine unzulässige Überschreitung geführt werden. Bei optisch reflektierenden Partikeln kann mittels eines Lasermessgerätes oder sonstigen Lichtsensoren die Menge der reflektierten Strahlen erfasst und dadurch die unzulässige Überschreitung geführt werden.The particles introduced into the material layer are preferably designed as electrically conductive or optically reflective particles. In the case of the electrically conductive particles, the proof of an impermissible excess can be guided by a simple resistance measurement. In the case of optically reflective particles, the amount of reflected rays can be detected by means of a laser measuring device or other light sensors, thereby guiding the impermissible overshoot.
Eine bevorzugte Ausführungsform der porösen Substratschicht sieht vor, dass die Poren kleiner als die Größe der Partikel sind. Dadurch kann einerseits ein Absaugen der erweichten Materialschicht und andererseits ein Abfiltern der Partikel an der Oberfläche der Substratschicht erfolgen. Alternativ können die Poren gleich groß oder sogar geringfügig größer als die Partikel ausgestaltet sein, so dass bei Agglomerationen der Partikel ebenfalls ein Abfiltern an der Oberfläche der Substratschicht gegeben ist. Dies kann genügen, um einen Nachweis für eine unzulässige Temperatureinwirkung zu führen. Insbesondere ist eine Porengröße von kleiner 10 µm vorgesehen.A preferred embodiment of the porous substrate layer provides that the pores are smaller than the size of the particles. As a result, on the one hand, suction of the softened material layer and, on the other hand, filtering off of the particles on the surface of the substrate layer can take place. Alternatively, the pores can be configured to be the same size or even slightly larger than the particles, so that in the event of agglomeration of the particles, filtering is likewise provided on the surface of the substrate layer. This may be sufficient to provide evidence of an inadmissible temperature effect. In particular, a pore size of less than 10 microns is provided.
Die Materialschicht wird vorteilhafterweise in einem Ausgangszustand mit einer Partikelkonzentration der Partikel versehen, welche unterhalb einer Perkolationsschwelle liegt. Die Materialschicht weist im Ausgangszustand der Einrichtung eine Partikelkonzentration mit elektrisch leitfähigen Partikeln derart auf, dass keine oder eine nahezu nicht messbare leitfähige Materialschicht ausgebildet ist. Beim Überschreiten der Schmelztemperatur der Materialschicht erfolgt ein Aufsaugen der Materialschicht durch die Substratschicht, wobei bei nur geringfügigem Aufsaugen der Materialschicht durch die Substratschicht die Perkolationsschwelle überschritten wird. Die über der Perkolationsschwelle liegende Partikelkonzentration steigt im Verhältnis stark an, wodurch eine wesentliche Änderung im elektrischen Widerstand gegeben ist, so dass diese Zustandsänderung sehr einfach und gut erfassbar ist. Alternativ kann die Partikelkonzentration der Partikel in der Materialschicht gleich oder geringfügig oberhalb der Perkolationsschwelle liegen. Insbesondere kann im letzten Fall ein Ausgangszustand der Einrichtung überprüft werden, da zumindest eine geringe elektrische Leitfähigkeit erfassbar ist. Wesentlich bei allen vorgenannten Alternativen ist dabei, dass durch eine geringe Änderung des Ausgangszustandes der Materialschicht eine starke Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Partikel - das heißt ein Kurvenverlauf mit einer steilen Steigung - gegeben ist.The material layer is advantageously provided in an initial state with a particle concentration of the particles which is below a percolation threshold. In the initial state of the device, the material layer has a particle concentration with electrically conductive particles in such a way that no or almost non-measurable conductive material layer is formed. When the melting point of the material layer is exceeded, the material layer is absorbed by the substrate layer, the percolation threshold being exceeded when the material layer is only slightly absorbed by the substrate layer. The particle concentration above the percolation threshold increases in proportion strongly, whereby a substantial change in the electrical resistance is given, so that this change in state is very simple and easy to detect. Alternatively, the particle concentration of the particles in the material layer may be equal to or slightly above the percolation threshold. In particular, in the latter case, an initial state of the device can be checked, since at least a low electrical conductivity can be detected. It is essential in all the aforementioned alternatives that a small change in the initial state of the material layer greatly increases the electrical conductivity of the particles-that is to say a curve with a steep gradient.
Nach dem Abfiltern der Materialschicht durch die Substratschicht bei einer Überschreitung einer Auslösetemperatur der Materialschicht wird bevorzugt durch die Partikel eine elektrisch leitfähige Schicht gebildet. Somit erfolgt eine Änderung des elektrischen Widerstandes zumindest über eine Dekade bei der Messung des elektrischen Widerstandes, so dass eine einfache und sichere Erfassung der Temperaturüberschreitung auf einen Gegenstand ermöglicht ist.After the material layer has been filtered off through the substrate layer when a triggering temperature of the material layer is exceeded, an electrically conductive layer is preferably formed by the particles. Thus, there is a change in the electrical resistance at least over a decade in the measurement of the electrical resistance, so that a simple and secure detection of temperature exceeding is made possible on an object.
Vorteilhafterweise sind auf der Substratschicht elektrische Kontakte vorgesehen, die an die Materialschicht im Ausgangszustand angrenzen oder teilweise davon überdeckt sind. Dadurch können Messpunkte gebildet werden, um den Ausgangszustand der Einrichtung zu überprüfen und nach der Temperaturüberschreitung in einfacher Weise eine Kontrollmessung durchzuführen. Vorteilhafterweise können die Kontaktelemente mit einem drahtlos arbeitenden Speichermedium, insbesondere einem RFID, in Verbindung stehen, so dass gegebenenfalls noch weitere Informationen zusätzlich zur Überschreitung der Auslösetemperatur erfassbar und zu einem späteren Zeitpunkt auslesbar sind. Es kann vorgesehen sein, dass die Substratschicht ohne elektrische Kontakte ausgebildet ist. In einem solchen Fall kann ein Messgerät mit zwei schichtförmigen Kontaktelementen unmittelbar auf die Materialschicht aufgesetzt werden, um sowohl im Ausgangszustand als auch nach einer unzulässigen Wärmezufuhr den elektrischen Widerstand der Materialschicht beziehungsweise der abgefilterten Partikelschicht auf der Substratschicht zu messen.Advantageously, electrical contacts are provided on the substrate layer, which are adjacent to the material layer in the initial state or partially covered by it. As a result, measuring points can be formed in order to check the initial state of the device and to carry out a control measurement in a simple manner after the temperature has been exceeded. Advantageously, the contact elements can be connected to a wirelessly operating storage medium, in particular an RFID, so that optionally further information can be detected in addition to exceeding the triggering temperature and read out at a later time. It can be provided that the substrate layer is formed without electrical contacts. In such a case, a measuring device with two layered contact elements can be placed directly on the material layer in order to measure the electrical resistance of the material layer or the filtered particle layer on the substrate layer both in the initial state and after an impermissible heat input.
Die in die Materialschicht eingebrachten Partikel sind bevorzugt Carbon-Nanotubes (CNT). Alternativ können elektrisch leitfähige Rußpartikel (Carbon-Black), Silber-Nanodrähte, graphitische Nanoplättchen oder auch Glitter oder dergleichen vorgesehen sein. Darüber hinaus kann auch eine Kombination der vorgenannten Partikel oder eine Abwandlung eingebracht werden. The particles introduced into the material layer are preferably carbon nanotubes (CNT). Alternatively, electrically conductive soot particles (carbon black), silver nanowires, graphitic nanoplates or even glitter or the like may be provided. In addition, a combination of the aforementioned particles or a modification can be introduced.
Die Einrichtung zur Erfassung einer irreversiblen Überschreitung einer vorbestimmten Temperatur, wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren hergestellt, bei dem eine Substratschicht bestehend aus einem porösen Material bereitgestellt wird, bei dem die Materialschicht aus Polymeren oder Wachs als Materialmatrix und darin eingebrachten Partikeln hergestellt und diese Materialmatrix auf die Substratschicht aufgebracht sowie anschließend ausgehärtet wird. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung, bei der die Materialschicht separat auf das gewünschte Verhältnis bezüglich der Partikel in der Materialmatrix aus Polymeren oder im viskosen Wachs einstellbar ist, so dass diese anschließend auf die Substratschicht aufgebracht wird. The device for detecting an irreversible excess of a predetermined temperature, according to the invention is prepared by a method in which a substrate layer is provided consisting of a porous material, wherein the material layer of polymers or wax as a material matrix and particles introduced therein and prepared this material matrix on the Substrate layer is applied and then cured. This allows a simple production in which the material layer is separately adjustable to the desired ratio with respect to the particles in the material matrix of polymers or in viscous wax, so that it is subsequently applied to the substrate layer.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Materialschicht als Dispersionsmatrix aus einer Polymerdispersion oder einem viskosen Wachs und einer Partikeldispersion hergestellt sowie diese Dispersionsmatrix auf die Substratschicht aufgebracht und als feste Materialschicht ausgehärtet wird. Eine solche Dispersionsmatrix ermöglicht eine einfache und schnelle Herstellung sowie spezifische Abstimmung der Partikel in der Polymerdispersion oder der im viskosen Wachs erforderlichen prozentualen Gewichtsanteile. A preferred embodiment of the method provides that the material layer is produced as a dispersion matrix from a polymer dispersion or a viscous wax and a particle dispersion, and this dispersion matrix is applied to the substrate layer and cured as a solid material layer. Such a dispersion matrix enables a simple and rapid preparation and specific tuning of the particles in the polymer dispersion or the percentage by weight required in the viscous wax.
Bevorzugt erfolgt das Aufbringen der Dispersionsmatrix zur Bildung der Materialschicht durch Sprühen, Drucken, Rakeln, Dipcoaten, Curtain- oder Spincoating oder dergleichen. Dadurch lässt sich in kostengünstiger Weise eine Herstellung solcher Einrichtungen ermöglichen.The application of the dispersion matrix to form the material layer is preferably carried out by spraying, printing, knife coating, dipcoating, curtain or spin coating or the like. This allows a cost-effective way to produce such facilities.
Vor dem Aufbringen der Dispersionsmatrix der Materialschicht auf die Substratschicht wird bevorzugt zumindest ein elektrischer Kontakt aufgebracht. Dieser elektrische Kontakt kann durch Auftragen, Aufsprühen, Aufkleben, Aufdampfen, Aufsputtern oder dergleichen aufgebracht werden.Before applying the dispersion matrix of the material layer to the substrate layer, at least one electrical contact is preferably applied. This electrical contact can be applied by application, spraying, sticking, vapor deposition, sputtering or the like.
Des Weiteren wird die Dispersionsmatrix zur Bildung der Matrix mit einer Viskosität eingestellt, so dass ein penetrationsfreies Aufbringen auf die Substratschicht ermöglicht wird. Dabei wird die Dispersionsmatrix vorzugsweise gelförmig eingestellt, so dass jedenfalls ein Eindringen der Materialschicht in die Substratschicht bereits beim Aufbringen der Materialschicht unterbleibt. Bevorzugt kann dabei die wässrige Dispersion mit einem Verdickungsmittel gelförmig oder zähfließend gestaltet werden.Furthermore, the dispersion matrix is adjusted to form the matrix with a viscosity, so that a penetration-free application to the substrate layer is made possible. In this case, the dispersion matrix is preferably adjusted to be gel-like, so that, in any case, penetration of the material layer into the substrate layer does not occur during the application of the material layer. In this case, the aqueous dispersion can preferably be made gel-like or viscous with a thickener.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Dispersionsmatrix der Materialschicht mit einer Schichtdicke von weniger als 500 µm, vorzugsweise weniger als 100 µm, aufgebracht wird. Dadurch kann insbesondere auch ein schnelles Abfiltern der Partikel auf der Substratoberfläche erfolgen.Furthermore, it is preferably provided that the dispersion matrix of the material layer is applied with a layer thickness of less than 500 μm, preferably less than 100 μm. As a result, in particular a fast filtering of the particles on the substrate surface can take place.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:The invention and further advantageous embodiments and developments thereof are described in more detail below with reference to the examples shown in the drawings and explained. The features to be taken from the description and the drawings can be applied individually according to the invention individually or in combination in any combination. Show it:
Figur 1a eine schematische Ansicht von oben auf die erfindungsgemäße Einrichtung im Ausgangszustand,FIG. 1 a shows a schematic top view of the device according to the invention in the initial state,
Figur 1b eine schematische Ansicht von oben auf die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Figur 1a nach dem Einwirken einer unzulässigen Temperatur,FIG. 1b a schematic top view of the device according to the invention according to FIG. 1a after exposure to an impermissible temperature,
Figur 2a eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II in Figur 1a,FIG. 2a shows a schematic sectional view along the line II-II in FIG. 1a,
Figur 2b eine schematische Schnittansicht entlang der Linie III-III in Figur 1b,FIG. 2b shows a schematic sectional view along the line III-III in FIG. 1b,
Figur 3a eine schematische Ansicht von oben auf eine Materialschicht der Einrichtung einer konkreten Ausführungsform im Ausgangszustand,FIG. 3 a shows a schematic top view of a material layer of the device of a specific embodiment in the starting state,
Figur 3b eine schematische Ansicht von oben auf eine Materialschicht der Einrichtung einer konkreten Ausführungsform gemäß Figur 1b,FIG. 3b shows a schematic top view of a material layer of the device of a specific embodiment according to FIG. 1b,
Figur 4a eine schematische Ansicht von oben auf eine alternative Einrichtung zu Figur 1a im Ausgangszustand undFigure 4a is a schematic top view of an alternative device to Figure 1a in the initial state and
Figur 4b eine schematische Ansicht von oben auf die Einrichtung gemäß Figur 4a nach dem Einwirken einer unzulässigen Überschreitung einer Temperatur.Figure 4b is a schematic top view of the device according to Figure 4a after the action of an impermissible exceeding a temperature.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht von oben auf eine erfindungsgemäße Einrichtung 11 zur Erfassung einer unzulässigen Überschreitung einer auf einen nicht näher dargestellten Gegenstand einwirkenden Temperatur. Die Figur 2a zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie II-II in Figur 1a. Figure 1 shows a schematic view from above of a device 11 according to the invention for detecting an impermissible exceeding an acting on a not-shown item temperature. FIG. 2a shows a schematic sectional view along the line II-II in FIG. 1a.
Diese Einrichtung 11 umfasst eine Substratschicht 12, welche an einer Unterseite 14 auf einem nicht näher dargestellten Gegenstand befestigbar ist, der zu überwachen ist. Ebenso kann die Einrichtung eine Raumtemperatur oder eine sonstige Bestrahlungstemperatur oder eine sonstige Strahlungstemperatur erfassen, wobei die Einrichtung 11 frei im Raum hängen oder auf einem Untergrund oder Gegenstand aufliegen, gehalten oder befestigt sein kann. Beispielsweise kann die Unterseite 14 mit einer Klebefläche oder Klebefolie versehen sein oder mit Klebstoff bestrichen werden. Ebenso können weitere Alternativen vorgesehen sein, um die Substratschicht 12 an der Oberfläche des Gegenstandes, der im Hinblick auf eine Wärmezufuhr von außen zu überwachen ist, befestigt zu werden. Auf der der Unterseite 14 gegenüber liegenden Oberseite 16 der Substratschicht 12 ist eine Materialschicht 17 aufgebracht. Diese weist beispielsweise eine begrenzte flächige Erstreckung auf, die gegenüber der flächigen Erstreckung der Substratschicht 12 geringer ist. Diese kann auch gleich groß sein. This device 11 comprises a substrate layer 12, which can be fastened to an underside 14 on a non-illustrated object to be monitored. Similarly, the device may detect a room temperature or other irradiation temperature or other radiation temperature, wherein the device 11 hang freely in space or rest on a substrate or object, or may be fixed. For example, the bottom 14 may be provided with an adhesive surface or adhesive film or coated with adhesive. Also, other alternatives may be provided to secure the substrate layer 12 to the surface of the article to be monitored for external heat input. On the underside 14 opposite upper side 16 of the substrate layer 12, a material layer 17 is applied. This has, for example, a limited areal extent, which is smaller than the areal extent of the substrate layer 12. This can also be the same size.
Die Materialschicht 17 umfasst Partikel 19, welche zufällig verteilt in der Materialschicht 17 vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform gemäß den Figuren 1a und 2a sind beispielsweise elektrische Kontakte 21 auf die Substratschicht 12 aufgebracht. Sofern diese elektrischen Kontakte 21 aufgebracht sind, erstreckt sich die Materialschicht 12 zumindest bis an die elektrischen Kontakte 21 heran oder überdeckt diese vorteilhafterweise teilweise, so dass die elektrischen Kontakte 21 mit der Materialschicht 17 in Verbindung stehen.The material layer 17 comprises particles 19, which are provided randomly distributed in the material layer 17. In this embodiment according to FIGS. 1a and 2a, electrical contacts 21 are applied to the substrate layer 12, for example. If these electrical contacts 21 are applied, the material layer 12 extends at least as far as the electrical contacts 21 or advantageously covers them in part so that the electrical contacts 21 are in contact with the material layer 17.
Die Substratschicht 12 ist offenporig ausgebildet. Die offenen Poren 20 sind zur Aufnahme der Materialschicht 17 in einem flüssigen oder fließfähigen Aggregatzustand ausgebildet. Die Substratschicht 12 besteht beispielsweise aus einem Filtermedium, wie beispielsweise Filterpapier, porösem Kunststoff oder porösem Aluminiumoxid. Die Porengröße ist bevorzugt kleiner als die Partikelgröße der Partikel 19 in der Materialschicht 17. Die darauf aufgebrachte Materialschicht 17 besteht beispielsweise aus Wachs oder auch aus einem thermoplastischen Polymer. Die Werkstoffe können auf eine definierte Schmelztemperatur eingestellt werden, so dass die Schmelztemperatur des Materials für die Materialschicht 17 eine Auslösetemperatur für eine Aggregatzustandsänderung bestimmt. The substrate layer 12 is open-pored. The open pores 20 are formed to receive the material layer 17 in a liquid or flowable state. The substrate layer 12 consists for example of a filter medium, such as filter paper, porous plastic or porous alumina. The pore size is preferably smaller than the particle size of the particles 19 in the material layer 17. The material layer 17 applied thereon consists for example of wax or else of a thermoplastic polymer. The materials can be adjusted to a defined melting temperature, so that the melting temperature of the material for the material layer 17 determines a triggering temperature for an aggregate state change.
In der Materialschicht 17 sind beispielsweise Partikel 19 eingebracht. Hierbei kann es sich um elektrisch leitfähige Partikel handeln. Insbesondere werden dabei Carbon-Nanotubes, graphitische Nanoplättchen, elektrisch leitfähige Rußpartikel, Silber-Nanodrähte oder Glitter beziehungsweise Glitterplättchen eingesetzt. Diese Partikel 19 sind bevorzugt mit einem wesentlich von 1 unterschiedlichen Aspektverhältnis eingebracht. In the material layer 17, for example, particles 19 are introduced. These may be electrically conductive particles. In particular, carbon nanotubes, graphitic nanoplates, electrically conductive soot particles, silver nanowires or glitter or glitter flakes are used. These particles 19 are preferably introduced with a substantially different aspect ratio.
Mit einer nur schematisch dargestellten Messvorrichtung 23, welche zwei Messkontakte 24 aufweist, kann durch Positionieren auf den elektrischen Kontakten 21 eine Widerstandsmessung durchgeführt werden, um die Einrichtung 11 im Ausgangszustand zu überprüfen. Dabei ist vorteilhafterweise bei den elektrisch leitenden Partikeln 19 vorgesehen, dass vor einer Temperatureinwirkung ein elektrischer Widerstand von beispielsweise größer 1 GOhm besteht. Die Materialschicht 17 ist quasi nicht elektrisch leitend. With a measuring device 23, shown only schematically, which has two measuring contacts 24, a resistance measurement can be carried out by positioning on the electrical contacts 21 in order to check the device 11 in the initial state. In this case, it is advantageously provided in the case of the electrically conductive particles 19 that an electrical resistance of, for example, greater than 1 GΩ exists before the action of temperature. The material layer 17 is virtually not electrically conductive.
In Figur 1b ist eine schematische Ansicht von oben auf die Einrichtung 11 nach einer unzulässigen Temperatureinwirkung dargestellt, welche oberhalb der Auslösetemperatur der Materialschicht lag, wodurch ein Aggregatzustandswechsel von „Fest“ auf „Flüssig“ erfolgte. Es wird also eine unzulässige Überschreitung einer Wärmezufuhr oder Temperatur angezeigt. Die Figur 2b zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie III-III in Figur 1b. FIG. 1b shows a schematic top view of the device 11 after an impermissible temperature effect, which was above the triggering temperature of the material layer, as a result of which an aggregate state change from "solid" to "liquid" took place. It is therefore indicated an inadmissible exceeding a heat or temperature. FIG. 2b shows a schematic sectional view along the line III-III in FIG. 1b.
Bei einer solchen Temperaturüberschreitung erfolgt eine Aggregatsänderung im Zustand der Materialschicht 17. Das Material beginnt zu schmelzen und sich zu verflüssigen, wobei durch die poröse Substratschicht 12 ein Aufsaugen der Materialschicht 17 erfolgt und/oder ein Benetzen der großen Oberfläche der Substratschicht 12 gegeben ist. Gleichzeitig erfolgt ein Filterprozess beziehungsweise ein Abfiltern der Partikel 19 an der Oberfläche der Substratschicht 12, so dass in der verbleibenden Dispersionsmatrix der Materialschicht 12 eine erhebliche Konzentrationszunahme der Partikel 19 gegeben ist. Bevorzugt wird das Wachs oder das thermoplastische Elastomer der Materialschicht 17 vollständig von der Substratschicht 12 aufgesaugt. Dadurch erfolgt eine irreversible Zustandsänderung der Einrichtung 11, bei der die Volumenkonzentration der elektrisch leitfähigen Partikel 19 deutlich zunimmt. Ein nachfolgendes Messen mit der Messvorrichtung 23 der Schicht aus Partikeln 19 oder mit noch geringen Anteilen des Materials der Materialschicht 17 zeigt eine große Signaländerung. Beispielsweise kann ein elektrischer Widerstand von weniger als 1 MOhm gemessen werden.The material begins to melt and liquefy, wherein the material layer 17 is absorbed by the porous substrate layer 12 and / or a wetting of the large surface of the substrate layer 12 is given. At the same time, a filtering process or a filtering of the particles 19 takes place on the surface of the substrate layer 12, so that in the remaining dispersion matrix of the material layer 12 there is a considerable increase in the concentration of the particles 19. Preferably, the wax or thermoplastic elastomer of the material layer 17 is completely absorbed by the substrate layer 12. This results in an irreversible state change of the device 11, in which the volume concentration of the electrically conductive particles 19 increases significantly. A subsequent measurement with the measuring device 23 of the layer of particles 19 or with still small portions of the material of the material layer 17 shows a large signal change. For example, an electrical resistance of less than 1 MOhm can be measured.
In den Figuren 3a und 3b sind lichtmikroskopische Aufnahmen einer Oberfläche einer Materialschicht 17 gemäß den Figuren 1a und 1b dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde eine Materialschicht 17 aus einem Matrixmaterial eingesetzt, welches aus Wachs bestand, in dem weniger als 3 Gew.% an elektrisch leitfähigen Carbon-Nanotube-Partikeln 19 dispergiert waren. Dabei konnte eine Änderung des elektrischen Widerstandes von einem Ausgangszustand gemäß Figur 3a in einen Endzustand gemäß Figur 3b von mehr als drei Dekaden erzielt werden, so dass eine sichere Auswertung und Erfassung der unzulässigen Temperaturüberschreitung gegeben ist. Die Schichtdicke der Materialschicht 17 bei diesem Ausführungsbeispiel war vorzugsweise weniger als 500 µm, insbesondere weniger als 100 µm. Als Substratschicht 12 wurde ein Filterpapier eingesetzt.Shown in FIGS. 3a and 3b are light micrographs of a surface of a material layer 17 according to FIGS. 1a and 1b. In this embodiment, a material layer 17 of a matrix material was used, which consisted of wax in which less than 3 wt.% Of electrically conductive carbon nanotube particles 19 were dispersed. In this case, it was possible to achieve a change in the electrical resistance from an initial state according to FIG. 3 a to a final state according to FIG. 3 b of more than three decades, so that reliable evaluation and detection of the impermissible temperature overshoot is provided. The layer thickness of the material layer 17 in this exemplary embodiment was preferably less than 500 μm, in particular less than 100 μm. As the substrate layer 12, a filter paper was used.
In den Figuren 4a und 4b ist eine alternative Ausführungsform zu den Figuren 1a und 1b der Einrichtung 11 dargestellt. Anstelle von elektrisch leitfähigen Partikeln 19 sind optisch leitfähige Partikel in die Materialschicht 17 eingebracht. Die Funktionsweise dieser Einrichtung 11 ist analog zu der in den Figuren 1a und 1b. Die Auswertung erfolgt anstelle einer Erfassung des elektrischen Widerstandes durch die Erfassung des Anteils an reflektierter Strahlung durch die Partikel 19, so dass eine analoge Auswertung gegeben ist. FIGS. 4a and 4b show an alternative embodiment to FIGS. 1a and 1b of the device 11. Instead of electrically conductive particles 19, optically conductive particles are introduced into the material layer 17. The operation of this device 11 is analogous to that in Figures 1a and 1b. The evaluation takes place instead of detecting the electrical resistance by detecting the proportion of reflected radiation through the particles 19, so that an analogous evaluation is given.

Claims (16)

  1. Einrichtung zur irreversiblen Erfassung einer Überschreitung einer vorbestimmten Temperatur, mit einer Substratschicht (12), auf welcher eine schmelzfähige Materialschicht (17) aufgebracht ist, welche beim Überschreiten eines Schmelzpunktes der Materialschicht (17) vom festen Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand übergeht und mit in der Materialschicht (17) eingebrachten Partikeln (19), dadurch gekennzeichnet, Device for the irreversible detection of an exceeding of a predetermined temperature, comprising a substrate layer (12) on which a meltable material layer (17) is applied, which on exceeding a melting point of the material layer (17) of the solid state state merges into the liquid state and state in the Material layer (17) introduced particles (19), characterized
    - dass die Substratschicht (14) aus einem porösen Material besteht, welche die Materialschicht (17) nach dem Überschreiten des Schmelzpunktes zumindest teilweise aufnimmt und- That the substrate layer (14) consists of a porous material which at least partially receives the material layer (17) after exceeding the melting point and
    - dass die in der Materialschicht (17) enthaltenen Partikel (19) an der Oberfläche (18) der Substratschicht (12) zumindest teilweise abgefiltert werden.- That the particles (19) contained in the material layer (17) on the surface (18) of the substrate layer (12) are at least partially filtered off.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (12) offenporig ausgebildet ist.Device according to claim 1, characterized in that the substrate layer (12) is open-pored.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Substratschicht (12) aus einem natürlichen Filtermaterial, insbesondere Filterpapier, oder einem künstlichen Filtermaterial, insbesondere einem Kunststofffilter oder einem keramischen Filtermaterial, insbesondere einem porösen Aluminiumtrioxid, hergestellt ist.Device according to claim 1, characterized in that the porous substrate layer (12) is made of a natural filter material, in particular filter paper, or an artificial filter material, in particular a plastic filter or a ceramic filter material, in particular a porous aluminum trioxide.
  4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (17) aus einem Wachs, insbesondere Carnauba-Wachs oder thermoplastischen Polymeren, oder andere Substanzen mit Schmelztemperatur, wie beispielsweise die aufgeführten Fettsäuren und deren Ester, insbesondere Pentansäure, Propansäure, Butansäure, Heptansäure, Hexansäure, Methansäure, Nonansäure, Ethansäure, Octansäure, Undecansäure, Decansäure, Dodecansäure, Pentadecansäure, Tetradecansäure, Heptadecansäure, Hexadecansäure, Nonadecansäure, Octadecansäure, Eicosan-/Icosansäure oder Polyethylenglycol, Polyethylen, Polyamid, Polypropylen, Polybuten, Polylaktid,. Device according to Claim 1, characterized in that the material layer (17) consists of a wax, in particular carnauba wax or thermoplastic polymers, or other substances having a melting temperature, such as, for example, the fatty acids and their esters, in particular pentanoic acid, propionic acid, butanoic acid, heptanoic acid, Hexanoic, methanoic, nonanoic, ethanoic, octanoic, undecanoic, decanoic, dodecanoic, pentadecanoic, tetradecanoic, heptadecanoic, hexadecanoic, nonadecanoic, octadecanoic, eicosane / icosanoic or polyethyleneglycol, Polyethylene, polyamide, polypropylene, polybutene, polylactide ,.
  5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (19) als elektrisch leitfähige oder optisch reflektierende Partikel (19) ausgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the particles (19) are formed as electrically conductive or optically reflective particles (19).
  6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Substratschicht (12) Poren (20) aufweist, die kleiner als die Größe der Partikel (19) sind oder gleich große oder geringfügig größere Poren (20) aufweist, so dass durch Agglomerationen der Partikel (19) an der Oberfläche der Substratschicht (12) ein Abfiltern der Partikel (19) daran gegeben ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the porous substrate layer (12) has pores (20) which are smaller than the size of the particles (19) or equal or slightly larger pores (20), so that by agglomerations the particle (19) on the surface of the substrate layer (12) is given a filtering of the particles (19) thereto.
  7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ausgangszustand der Materialschicht (17) eine Partikelkonzentration der Partikel (19) unterhalb einer Perkolationsschwelle oder geringfügig oberhalb der Perkolationsschwelle vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that in a starting state of the material layer (17), a particle concentration of the particles (19) is provided below a percolation threshold or slightly above the percolation threshold.
  8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (19) nach dem Abfiltern der Materialschicht (17) an der Oberfläche der Substratschicht (12) eine elektrisch leitfähige Schicht bilden. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the particles (19) form an electrically conductive layer after the filtering of the material layer (17) on the surface of the substrate layer (12).
  9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Substratschicht (12) elektrische Kontakte (21) vorgesehen sind, die an die Materialschicht (17) im Ausgangszustand angrenzen oder teilweise davon überdeckt sind oder auf der Materialschicht (17) aufliegen. Device according to one of the preceding claims, characterized in that on the substrate layer (12) electrical contacts (21) are provided, which are adjacent to the material layer (17) in the initial state or partially covered by it or rest on the material layer (17).
  10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (19) als Carbon-Nanotubes, graphitische Nanoplättchen, elektrisch leitende Rußpartikel, Silber-Nanodrähten oder Glitter ausgebildet sind.Device according to claim 1, characterized in that the particles (19) are formed as carbon nanotubes, graphitic nanoplates, electrically conductive soot particles, silver nanowires or glitter.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung (11) zur irreversiblen Erfassung einer Überschreitung einer vorbestimmten Temperatur, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, Method for producing a device (11) for irreversibly detecting an exceeding of a predetermined temperature, in particular according to one of the preceding claims, characterized
    - dass eine Substratschicht (12) bestehend aus einem porösen Material bereitgestellt wird,that a substrate layer (12) consisting of a porous material is provided,
    - dass die Materialschicht (17) aus Polymeren oder Wachs als Matrixmaterial und darin eingebrachten Partikeln (19) hergestellt wird.- That the material layer (17) of polymers or wax as a matrix material and introduced therein particles (19) is produced.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, Method according to claim 11, characterized in that
    - dass die Materialschicht (17) als Dispersionsmatrix aus einer Polymerdispersion oder einem viskosen Wachs und einer Partikeldispersion hergestellt wird und - That the material layer (17) is prepared as a dispersion matrix of a polymer dispersion or a viscous wax and a particle dispersion, and
    - dass die Dispersionsmatrix auf die Substratschicht (12) aufgebracht wird und darauf als feste Materialschicht (17) aushärtet.- That the dispersion matrix is applied to the substrate layer (12) and cured thereon as a solid material layer (17).
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsmatrix der Materialschicht (17) durch Sprühen, Drucken, Rakeln, Dipcoaten, Curtain coating oder Spin coating aufgebracht wird. A method according to claim 11 or 12, characterized in that the dispersion matrix of the material layer (17) by spraying, printing, knife coating, dipcoating, curtain coating or spin coating is applied.
  14. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Materialschicht (17) zumindest ein elektrischer Kontakt (21) auf der Substratschicht (12) aufgebracht, insbesondere aufgetragen, aufgesprüht, aufgedampft, aufgesputtert oder aufgedruckt, wird.A method according to claim 11 to 13, characterized in that applied prior to the application of the material layer (17) at least one electrical contact (21) on the substrate layer (12), in particular applied, sprayed, vapor-deposited, sputtered or printed, is.
  15. Verfahren nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsmatrix der Materialschicht (17) mit einer Viskosität zum penetrierfreien Aufbringen auf die Substratschicht (12) eingestellt wird.A method according to claim 11 to 14, characterized in that the dispersion matrix of the material layer (17) is adjusted with a viscosity for penetration-free application to the substrate layer (12).
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsmatrix der Materialschicht (17) mit einer Schichtdicke von weniger als 500 µm, vorzugsweise weniger als 100 µm, aufgebracht wird.Method according to one of claims 11 to 15, characterized in that the dispersion matrix of the material layer (17) having a layer thickness of less than 500 microns, preferably less than 100 microns, is applied.
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