CH651418A5

CH651418A5 - Kohleschichtwiderstand und verfahren zur herstellung desselben.

Info

Publication number: CH651418A5
Application number: CH13184/78A
Authority: CH
Inventors: Pierre Hubertus Maria Jacobs; Jacob Klaas Vondeling
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1985-09-13
Also published as: GB2011729A; DE2854926A1; GB2011729B; FR2413764B1; NL7714567A; JPS5496759A; BE873166A; FR2413764A1; SE7813298L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kohleschichtwiderstand, bei welchem eine Widerstandsschicht, die Kohlenstoff, ein nichtleitendes Pigment und ein Bindemittel enthält, auf einem elektrisch nichtleitenden Träger angebracht und mit Elektroden versehen ist. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kohleschichtwiderstandes, bei welchem eine Suspension, die Kohlenstoff, ein elektrisch nichtleitendes Pigment und ein Bindemittel in einem Lösungsmittel enthält, hergestellt und dann auf einen elektrisch nichtleitenden Träger, der mit Elektroden versehen ist, angebracht wird, wonach die Suspension getrocknet wird.

Die Erfindung ist insbesondere bei Kohleschichtpotentiometern (veränderliche Kohleschichtwiderstände), die eine Widerstandsschicht hoher Abriebfestigkeit, einen niedrigen Kontaktwiderstand und die Möglichkeit einer Kontaktänderung über die Widerstandsschicht haben sollen, anwendbar. Weiter ist es erwünscht, dass die genannten Eigenschaften und auch der Widerstand der Schicht bei Einwirkung von Lösungsmitteln und Feuchtigkeit auf die Schicht nicht oder nahezu nicht beeinflusst werden.

Bei der Herstellung von Widerstandsschichten durch Aufbringen von Suspensionen, die Kohlenstoff und nichtleitende Teilchen enthalten, ist es erwünscht, von möglichst stabilen Suspensionen auszugehen. Derartige Suspensionen ergeben ein Sediment möglichst dicht gestapelter Teilchen. Die Suspensionen enthalten dazu polymere Bindemittel, die die gegenseitige Abstossung der Teilchen vergrössern, so dass sich keine flockigen Niederschläge bilden und vermieden wird, dass leitende und nichtleitende Teilchen ihr kolloidchemisches Verhalten derart gegenseitig beeinflussen, dass flok-kige Niederschläge geringer Dichte entstehen können. Es hat sich in der Praxis als schwierig erwiesen, mit den für derartige Schichten bereits vorgeschlagenen nichtleitenden Teilchen stabile Suspensionen herzustellen, mit denen durch Änderung des Gehalts an leitenden und nichtleitenden Teilchen unterschiedliche Widerstandswerte erhalten werden können. In der Regel werden daher eine Anzahl von Suspensionen verschiedener Zusammensetzungen hergestellt, um Widerstandsschichten mit unterschiedlichen Widerstandswerten bilden zu können. Ein weiterer Nachteil der üblicherweise verwendeten nichtleitenden Teilchen, wie Siliciumkarbid, Siliciumdioxid, Glaspulver u.dgl., ist, dass dies harte Teilchen sind, die zur Abnutzung der Schiebekontakte bei Potentiometern führen können und dadurch eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes und der Kontaktwiderstandsänderung herbeiführen können. Andere vielfach angewendete Füllmittel, wie Molybdän-disulfid, weisen zwar den letzteren Nachteil nicht auf, aber bei Anwendung in Widerstandsschichten für Kohlepotentiometer beeinträchtigen sie, wie sich herausgestellt hat, die elektrischen Eigenschaften (den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes TCR, die Feuchtigkeitsbeständigkeit und das Rauschen).

Die Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Nachteile möglichst zu beheben.

Diese Aufgabe wird bei einem Kohleschichtwiderstand nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Widerstandsschicht als elektrisch nichtleitendes Pigment Kohlenstofffluorid (CF)n enthält. In der angegebenen Bruttoformel (CF)n bedeutet n, dass in der betreffenden Verbindung eine nicht näher zu definierende grosse Anzahl von (CF)-Gruppen vorhanden ist.

Die Verbindung (CF)n kann z.B. dadurch erhalten werden, dass Graphit mit Fluor bei einer Temperatur von etwa 400 °C zur Reaktion gebracht wird. Das Reaktionsprodukt ist grau bis weiss und ist elektrisch nichtleitend (siehe z.B. «Journal of the Electrochem. Soc. of Japan» 32 [1], S. 17-25 [1964]). Das Erzeugnis weist, gleich wie Graphit, die Eigenschaften eines Schmiermittels auf.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit Kohlenstoff sowie mit Kohlenstofffluorid (CF)n mit demselben Lösungsmittel und demselben Bindemittel und derselben Bindemittelkonzentration stabile Suspensionen erhalten werden können und dass diese Suspensionen bei einer bestimmten Pigmentvolumenkonzentration sowohl gesondert als auch gemischt Schichten optimaler Packung ergeben. Dadurch,

dass derartige Suspensionen in verschiedenen Verhältnissen gemischt werden, können Kohleschichten mit verschiedenem spezifischem Widerstand, aber im übrigen gleichen Eigenschaften erhalten werden. Potentiometer mit verschiedenen Widerstandswerten weisen also alle denselben Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR), denselben Kontaktwiderstand (RC), dieselbe Kontaktwiderstandsänderung (CRV) und dieselbe Empfindlichkeit für Feuchtigkeit und Lösungsmittel auf. Insbesondere ergibt dies einen Vorteil, wenn Potentiometer hergestellt werden müssen, in denen sich der spezifische Widerstand der Kohleschicht mit der Stelle in der Kontaktbahn ändert (sogenannte logarithmische Potentiometer). Bei solchen Potentiometern ändert sich die abgenommene Spannung nicht oder nahezu nicht bei Änderung der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit. Ein derartiger Widerstand kann z.B. dadurch erhalten werden, dass die Bahn, über die sich der Kontakt bewegt, in zwölf Teile unterteilt und dass durch Änderung des Mischungsverhältnisses der Suspensionen auf jedem folgenden Teil eine Schicht mit einem grösseren spezifischen Widerstand als der des vorangehenden Teiles abgelagert wird. Die angebrachten Suspensionsschichten können dann alle auf gleiche Weise und opti5

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mal ausgeheizt werden. Dies ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung.

Für die industrielle Produktion veränderlicher Kohleschichtwiderstände mit unterschiedlichen Widerstandswerten eignet sich daher das erfindungsgemässe Verfahren nach Anspruch 2.

Vorzugsweise kann das Verhältnis zwischen den Pigmentvolumenkonzentrationen und dem Bindemittelgehalt der stabilen Suspensionen dabei derart gewählt werden, dass beim Eintrocknen der Suspensionsschicht und allfälliger Nachhärtung Schichten mit optimalen Eigenschaften (TCR, RC, CRV usw.) erhalten werden. Bei Mischung der Suspensionen hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die gemischte Suspension dann ebenfalls eine optimale Widerstandsschicht ergibt. Optimale mechanische Eigenschaften werden erhalten, wenn der Bindemittelgehalt in der Widerstandsschicht derartig ist, dass die Poren zwischen den Pigmentteilchen wenigstens nahezu vollständig ausgefüllt sind. Nun wurde gefunden,

dass bei denselben Konzentrationsverhältnissen nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern auch die elektrischen Eigenschaften optimal sind. In den erfindungsgemässen Kohleschichtwiderständen können die üblichen Kohlenstoffarten, wie Russ, Graphit u.dgl., verwendet werden. Geeignete Bindemittel sind z.B. Lackharze auf Basis von Harnstoff- und Melaminformaldehydharzen, wie sie käuflich erhältlich sind. Die Suspensionen können auf den zu überziehenden Substraten in dünnen Schichten ausgegossen oder z.B. durch ein Siebdruckverfahren angebracht werden. Die Lösungsmittelmenge wird an die erforderliche Viskosität bei dem angewandten Aufbringungsverfahren angepasst.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung, deren einzige Figur schematisch einen veränderlichen Kohleschichtwiderstand zeigt, und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Ausführungsbeispiel I Herstellung Kohlenstoffsuspension A 60 g Graphit

120 ml einer käuflich erhältlichen

Melaminformaldehydharzlösung (60 Gew.-°/o) in Butanol und 850 ml Butylacetat werden durch 16stündiges Mahlen in einer Kugelmühle dis-pergiert; dabei wird eine stabile Suspension erhalten.

Ausführungsbeispiel II Herstellung Kohlenstofffluoridsuspension B 75 g Kohlenstofffluorid (CF)n 120 ml Harzlösung gemäss Ausführungsbeispiel I und 850 ml Butylacetat werden 16 Stunden lang in einer Kugelmühle gemahlen; es wird eine stabile Suspension erhalten.

Ausführungsbeispiel III

Herstellung eines Kohleschichtwiderstandes

Die Suspensionen A und B werden in einem Mischungsverhältnis gemischt, das von dem endgültig gewünschten Widerstandswert abhängig ist. Das Gemisch wird auf einem

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ringförmigen Träger 1 aus Hartpapier ausgegossen, der bereits mit Metallkontakten 2 und 3, z.B. aus Silber, versehen ist, getrocknet und während 20 Minuten bei 220 °C ausgeheizt. Dann wird der Träger 1 mit der Kohleschicht in ein Potentiometer montiert, von dem in der Zeichnung ein Träger 4, ein drehbarer Kontakt 5 und Kontakte 6, 7 und 8 dargestellt sind.

Ausführungsbeispiel IV

Die Eigenschaften der nach dem Ausführungsbeispiel III erhaltenen Potentiometer werden mit käuflich erhältlichen Potentiometern vom gleichen Typ verglichen. In der nachstehenden Tabelle sind in Spalte 1 das Mischungsverhältnis in Vol.-% der Suspensionen A und B, in Spalte 2 der erhaltene Widerstand (R), in Spalte 3 der Temperaturkoeffizient des Widerstandes zwischen 20 und 60 °C (TCR), in Spalte 4 der Kontaktwiderstand nach 104 Umdrehungen (RC) des Kontaktes 5 über die Kohleschicht auf dem Träger 1 in Spalte 5 die Kontaktwiderstandsänderung über die Kohleschicht (CRV) und in Spalte 6 die Widerstandsänderung AR nach Drehung des Kontakts 5 angegeben.

Tabelle

1

2

3

4

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Mischver

R

TCR

RC

CRV

AR

hältnis

(20-60 °C)

60A + 40B

8kQ

— 240 ppm

+ 1%

±0,2%

-1,8%

37A + 63B

60kŒ

— 220 ppm

+ 1%

±0,2%

-3,1%

25A + 75B

2 MQ

-390 ppm

+ 1%

±0,3%

-6,7%

Handels

8kO

-500-

+ 0,5-

±0,5-

-5%

produkten

60 kQ

+ 500 ppm

+ 2%

±2%

2 MQ

Die Empfindlichkeit für Feuchtigkeit und Lösungsmittel der Kohleschicht wird als Widerstandsänderung gemessen. Bei dem angewandten Testverfahren änderte sich der Widerstand um höchstens 20% bei Verwendung einer Schicht mit optimalen Eigenschaften, d.h. bei einer Schicht, bei welcher die Poren zwischen den Pigmentteilchen völlig oder fast völlig mit Bindemittel gefüllt sind unter der Einwirkung von Feuchtigkeit und Lösungsmitteln. Bei Abweichungen von einem optimalen Füllgrad, z.B. zur Erzielung verschiedener Widerstandswerte, stellte sich heraus, dass Änderungen von 200 bis 300% unter den gleichen Bedingungen auftreten konnten.

Ausführungsbeispiel V

Bei der Herstellung eines sogenannten logarithmischen Potentiometers besteht die Widerstandsschicht auf dem Träger 1 aus einer Anzahl nebeneinander liegender Bereiche mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand, die dadurch erhalten sind, dass Suspensionsgemische geeigneter Zusammensetzung an den gewünschten Stellen auf dem Träger 1 angebracht werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Kohleschichtwiderstand, bei welchem eine Widerstandsschicht, die Kohlenstoff, ein elektrisch nichtleitendes Pigment und ein Bindemittel enthält, auf einem elektrisch nichtleitenden Träger angebracht und mit Elektroden versehen* ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht als elektrisch nichtleitendes Pigment Kohlenstofffluorid (CF)n enthält.

2. Verfahren zur Herstellung eines Kohleschichtwiderstandes nach Anspruch 1, bei welchem eine Suspension, die Kohlenstoff, ein elektrisch nichtleitendes Pigment und ein Bindemittel in einem Lösungsmittel enthält, hergestellt und diese dann auf einen elektrisch nichtleitenden Träger, der mit Elektroden versehen ist, aufgebracht wird, wonach die Suspension getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Suspension dadurch hergestellt wird, dass in einem ersten Schritt gesonderte stabile Suspensionen von Kohlenstoff und Kohlenstofffluorid (CF)n mit demselben Bindemittel und derselben Bindemittelkonzentration in demselben Lösungsmittel hergestellt und in einem zweiten Schritt diese Suspensionen miteinander in einem Verhältnis gemischt werden, das beim Eintrocknen der Suspensionsschicht den gewünschten Widerstandswert ergibt.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Eintrocknen der Suspensionsschicht die Schicht zur Nachhärtung des Bindemittels behandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine kohlenstoffhaltige Suspension verwendet wird, die beim Eintrocknen Schichten ergibt, bei denen die Poren zwischen den Teilchen völlig oder fast völlig mit Bindemittel gefüllt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schichtbereiche mit unterschiedlichem spezifischem Widerstand nebeneinander auf einen Träger aufgebracht werden.