PatentDe  


Dokumentenidentifikation EP0639838 22.08.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0639838
Titel Elektrisch leitfähige Formkörper
Anmelder Ticona GmbH, 65451 Kelsterbach, DE
Erfinder Lücke, Dr., Andreas, D-65620 Waldbrunn, DE;
Pfeiffer, Dr., Bernhard, D-65779 Kelkheim, DE;
Skaletz, Dr., Detlef, D-55128 Mainz, DE
DE-Aktenzeichen 59410154
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 09.08.1994
EP-Aktenzeichen 941124257
EP-Offenlegungsdatum 22.02.1995
EP date of grant 17.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.08.2002
IPC-Hauptklasse H01B 1/22
IPC-Nebenklasse C08K 7/06   C08K 7/14   H05K 9/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch leitende Formkörper aus thermoplastischem Material und ihre Verwendung.

Kunststoffe, die leitfähige Füllstoffe, insbesondere Stahlfasern enthalten, werden verwendet zur Herstellung von Bauteilen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gegebenenfalls zusätzlich guten mechanischen Eigenschaften.

Der breiten Verwendung dieser leitfähigen Kunststoffe zur Herstellung von Formkörpern stehen die hohen Materialkosten der Edelstahlfilamente entgegen, die etwa das 20-fache bis 30-fache von Glasfasern betragen.

Preisgünstigere Rußfüllungen sind nicht in der Lage, Leitfähigkeiten zu erreichen, die für eine nennenswerte elektromagnetische Abschirmung erforderlich sind. Zusätzlich werden durch die Rußfüllung die mechanischen Eigenschaften verschlechtert. So zeigen Probekörper aus verschiedenen Polyamiden mit einem Gehalt von 30 Gew.-% Ruß nur noch die Hälfte der Zugfestigkeit des ungefüllten Ausgangsmaterials.

Der Anteil an Edelstahlfilamenten/Stahlfilamenten, der notwendig ist, um einen Kunststoff elektrisch leitfähig zu machen, kann nur innerhalb bestimmter Grenzen verändert werden. Falls die Menge nicht mehr zur Ausbildung eines Leitfähigkeits-Netzwerkes ausreicht, sinkt die Leitfähigkeit stark ab.

Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, kann man zur Herstellung von Formkörpern in den Kunststoff gemäß US 4,973,514 Metallfasern oder metallisierte Glasfasern, vorteilhafterweise unter Zusatz von feinverteilten leitenden Füllstoffen, wie Ruß, einarbeiten. Wenn man weiterhin nicht-leitende Fasern zusetzt, wird der elektromagnetische Abschirmungseffekt verstärkt. Das angegebene Verfahren hat Ähnlichkeit mit der Herstellung von Papier. Um massive Formkörper herzustellen, ist es erforderlich, die zunächst gewonnene leitfähige Folie zu zerschnitzeln und die Schnitzel mittels Spritzguß zu verarbeiten. Das beschriebene Verfahren ist aufwendig und teuer. Die geringe Länge und schlechte Verteilung der Fasern im Formkörper führt nur zu schwachen Abschirm-Effektivitäten.

In der Zeit von 1989 bis 1993 wurden unter der Bezeichnung ®CELSTRAN S Mischungen von faserverstärkten Pellets (Länge 1 bis 2 cm) aus thermoplastischem Material verkauft (Polymer Composites, Inc., USA), die zum Teil durch Stahlfasern (ca. 4 bis 10 Gew.-%), zum anderen durch Glasfasern (20 bis 60 Gew.-%) verstärkt waren. Es wurden jedoch keine Pellets verkauft, die gleichzeitig durch Stahlfasern und Glasfasern verstärkt waren.

Es bestand daher die Aufgabe, Formkörper herzustellen, die Stahlfasern enthalten, leicht herstellbar sind, und besonders hohe Leitfähigkeit und damit gute Abschirmung gegen elektromagnetische Wellen aufweisen.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe.

Es wurde nun ein elektrisch leitfähiger Formkörper gefunden, der aus einem verstärkten thermoplastischen Material besteht. Der Formkörper ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung Glasfasern und Stahlfasern nebeneinander verwendet werden. Vorzugsweise ist die Menge an Glasfasern so zu bemessen, daß die spezifische Leitfähigkeit des Materials des Formkörpers um mindestens 10 % größer ist als bei einem Formkörper, bei dem die Glasfasern durch das thermoplastische Material ersetzt sind. Mit spezifischer Leitfähigkeit ist damit die Oberflächen- und/oder Durchgangsleitfähigkeit gemeint.

Das Material des Formkörpers enthält weniger als 20 Gew.-% Stahlfasern, vorzugsweise 5 bis 10 Gew.-% Stahlfasern. Der Gehalt des Materials an Glasfasern beträgt weniger als 60 Gew.-%. Das Gewichtsverhältnis Stahlfasern/Glasfasern liegt vorzugsweise im Bereich von 2:1 bis 1:2. Die Länge der Glasfasern liegt im allgemeinen unter 20 mm (vorzugsweise unter 15 mm). Der Durchmesser der Glasfasern beträgt vorzugsweise 10 bis 20 µm.

Die verwendeten Stahlfasern besitzen vorzugsweise eine Länge von 1 bis 20 mm. Die Dicke der Stahlfasern beträgt vorzugsweise 5 bis 15 µm.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper kann durch mehrere Verfahren erfolgen, z.B. durch Extrusion, durch einen Plastifizier-/Streck /Preßprozeß oder ähnliche Verfahren, vorzugsweise aber durch Spritzgießen. In allen diesen Verfahren wird ein Gemisch aus Glasfaser/Stahlfaser und thermoplastischem Material aufgeschmolzen, die Schmelze verformt und dann abgekühlt.

Zur Herstellung der verwendeten Spritzgußmasse kann man ein thermoplastisches Kunststoffgranulat, das bereits Stahlfasern enthält, vermischen mit einem thermoplastischen Kunststoffgranulat, das Glasfasern enthält. Bevorzugt werden in beiden Granulaten gleiche, insbesondere aber mischbare Basispolymere verwendet. Bevorzugterweise sind die Schmelzviskositäten von vergleichbarer Größe. Ein Granulat, das 30 bis 70 Gew.-% Stahlfasern enthält, läßt sich aus Stahlfaser-Rovings mit bekannten Pultrusionsverfahren, z.B. gemäß US-Pat. 4 312 917 oder US-Pat. 4 439 387 herstellen. Dabei entspricht die Länge der Stahlfasern der Granulatlänge. Das mit Glasfasern verstärkte Kunststoffgranulat kann ein Langglasfasergranulat oder ein Kurzglasfasergranulat sein. Das Langglasfasergranulat ist herstellbar durch Pultrusion eines Endlos-Glasfaserstranges. Die Glasfaserlänge entspricht der Länge des Granulats. Beim Kurzglasfasergranulat wird Schnittglas in das thermoplastische Material eincompoundiert. In diesem Fall liegt die Glasfaserlänge typischerweise unter 0,5 mm; sie ist also geringer als die Granulatlänge.

Man kann auch thermoplastisches Material und Stahlfasern gleichzeitig durch Pultrusion zu faserverstärkten Schnitzeln verarbeiten.

Das thermoplastische Material wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe von amorphen Thermoplasten, wie Polycarbonat, und Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymerisaten PC/ABS-Blends oder teilkristallinen Thermoplasten wie Polypropylen, Polyamid-66, Polybutylenterephthalat oder Polyphenylensulfid.

Es ist überraschend, daß bei Zusatz von nicht-leitenden Glasfasern zu einem Stahlfaser-gefüllten Kunststoffgranulat der spezifische Durchgangswiderstand der daraus hergestellten Formkörper abnimmt.

Die erfindungsgemäßen faserverstärkten Formkörper weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine gute Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung auf. Daneben führt der Zusatz von Glasfasern zu einer mechanischen Verstärkung des Bauteils. Die Zug- und Biegefestigkeit kann z.B. um mindestens 10 % größer sein als bei einem Formkörper, bei dem der Glasfaseranteil durch thermoplastisches Material ersetzt ist.

Die erfindungsgemäßen Formkörper können z.B. Gehäuse für elektrische Steuerungen und Regelungen im Bereich der Mikroelektronik, Telekom- und Kfz-Industrie, oder sonstigen Anwendungen sein, die ein leitfähiges Material, Schutz gegen elektrische und magnetische Felder oder elektromagnetische Wellen voraussetzen. Sie können dabei Metalle ersetzen. Formkörper mit einem Gehalt von mindestens 1 % Stahlfaser zeigen antistatisches Verhalten. Sie können gut dort eingesetzt werden, wo es auf Ableitung von elektrischen Oberflächenladungen ankommt.

Die Erfindung wird durch die Beispiele näher erläutert.

Vergleichsbeispiel 1

Zur Herstellung der Spritzgußmasse wurden zwei verschiedene Kunststoffgranulate geblendet. Ein stahlfasergefülltes Polycarbonat mit einem Gehalt an Edelstahlfilamenten von 60 Gew.-% wurde mit einem handelsüblichen Granulat von unverstärktem Polycarbonat auf einen Stahlfasergehalt von 10 Gew.-% eingestellt.

Zur Herstellung des stahlfasergefüllten Polycarbonats wurde das Pultrusionsverfahren nach US-Patent 4 439 387 verwendet. Es wurden Faser-Rovings mit 9200 tex, 12000 Einzelfilamenten und einem Faserdurchmesser von ca. 10 µm eingesetzt. Die Faserlänge im Granulat betrug 12,7 mm.

Das Granulatgemisch wurde im Spritzgruß zu Gehäuseteilen verarbeitet. Der spezifische Durchgangswiderstand wurde nach DIN VDE 0303 bestimmt (Tabelle 1, Zeile 1). Er betrug 60 ohm cm.

Beispiel 2

Die Probenherstellung wurde wie im Beispiel 1 vorgenommen. Anstelle des handelsüblichen Polycarbonatgranulats wurde zum Verschneiden ein mit kurzen Glasfasern verstärktes handelsübliches Polycarbonatgranulat verwendet. Das Gemisch wurde zu Gehäuseteilen verarbeitet und der spezifische Durchgangswiderstand wie in Beispiel 1 bestimmt. Messung des spezifischen Durchgangswiderstandes nach DIN VDE 0303 Thermoplast Stahlfaser Glasfaser spez. Widerstand Ohm cm Polycarbonat 10 Gew.-% 0 Gew.-% 60 Polycarbonat 10 Gew.-% 9 Gew.-% 10

Beispiel 3

Ein mit Stahlfasern gefülltes Polycarbonat-Konzentrat mit einem Stahlfasergehalt von 60 Gew.-% wurde durch Verschneiden mit

  • a) einem Granulat eines unverstärkten handelsüblichen Polycarbonats
  • b) einem kurzglasfaserverstärkten handelsüblichen Polycarbonat-Granulat
auf einen Stahlfaser-Gehalt von 10 Gew.-% eingestellt. Es wurden Gehäuseteile gespritzt und diese mit dem Faradex-Meter der Fa. DSM, Niederlande, gemessen. Messung mit Faradex-Meter Thermoplast Stahlfaser Glasfaser Faradex-Meter Widerstand Polycarbonat 10 Gew.-% 0 Gew.-% 0,8 Ohm Polycarbonat 10 Gew.-% 8 Gew.-% 0,2 Ohm


Anspruch[de]
  1. Elektrisch leitfähiger Formkörper bestehend aus verstärktem thermoplastischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Material durch Glasfasern und Stahlfasern verstärkt wird.
  2. Formkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Glasfasern so bemessen ist, daß die spezifische Leitfähigkeit um mindestens 10 % größer ist als bei einem Formkörper, bei dem die Glasfasern durch das thermoplastische Material ersetzt sind.
  3. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Formkörpers unter Verwendung von Stahlfasern, dadurch gekennzeichnet, daß Stränge aus Endlos-Glas und Stahlfasern durch Pultrusion in ein thermoplastisches Material eingearbeitet werden, das Material zur Schnitzeln zerschnitten wird und die Schnitzel unter Einwirken von Druck thermisch verformt werden.
  4. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Formkörpers unter Verwendung von Stahlfasern, dadurch gekennzeichnet, daß man Stränge aus Stahlfasern durch Pultrusion in ein thermoplastisches Material einarbeitet, man das Material zu Schnitzeln zuschneidet, man Schnitzel zumischt, die Glasfaser in einem thermoplastischem Material enthalten und man die Schnitzelmischung unter Einwirkung von Druck thermisch verformt.
  5. Verwendung des elektrisch leitenden Formkörpers gemäß Anspruch 1 zur Abschirmung elektromagnetischer Felder.
  6. Formkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er durch 5 bis 19,5 Gew.-% Stahlfasern und 2 bis 60 Gew.-% Glasfasern verstärkt ist.
  7. Formkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Kurzglasfasern verstärkt ist.
  8. Formkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er frei ist von Langglasfasern.
  9. Formkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er frei ist von feinverteilten leitfähigem Material.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com