CN102934537B - 使用发泡剂改进emi屏蔽 - Google Patents

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Abstract

公开了适合于机壳的导电塑料制品(31)，它对电磁干涉提供改进的屏蔽或者提供改进的静电放电性能，通过低压注塑制造该塑料制品。制品(31)包括至少0.25体积%的导电添加剂(38)。制品(31)包括多孔结构。通过使用发泡剂或起泡剂产生多孔结构。在导电塑料制品(31)的生产中使用至少0.25重量%的发泡剂或起泡剂。

Description

使用发泡剂改进EMI屏蔽
技术领域
本发明涉及适合于机壳的注塑的塑料制品，它对电磁干涉(EMI)具有改进的屏蔽和/或具有改进的静电放电(ESD)性能。本发明还涉及具有两个或更多个这种制品的组件。此外，本发明涉及制造塑料制品的方法。
背景技术
US-A-4,664,971公开了含有对电磁干涉和对射频具有屏蔽性能的导电纤维的塑料制品。为了获得这种制品，具有导电纤维的复合微粒或颗粒用作中间产品。混合这些复合微粒与预定量的基本上纯的塑料材料，和将这一共混物引入到例如挤出混合物的料斗内。然后加热该材料，软化塑料并操作，在塑料内分配纤维，获得具有良好屏蔽性能的塑料制品。US-A-4,664,971表明可使用发泡剂制造热塑性或热固性泡沫材料的制品。
US-A-5,399,295公开了一种复合片材，它包括导电纤维和粒状的导电或半导填料在其内无规分散的合成树脂材料的连续基体。注塑是可能的生产技术，和可在这种复合片材的制造中使用发泡剂或起泡剂。
根据US-A-4,664,971获得的塑料制品在其中心区域内具有可接受的屏蔽性能。然而，边缘区域，即接近于塑料制品表面的区域显示出富含塑料材料并缺少纤维材料的区域。另外，纤维倾向于与表面平行的方向取向，从而与外部不再形成良好的电接触。一般地，还几乎不存在穿透表面的突出纤维。通常由巧妙地一起匹配的两个或更多个外壳组装机壳。注意到在塑料制品的表面处不存在纤维，因此交叠区域显示出差的纤维浓度。电磁辐射寻找最弱的部分。由于通过最弱的部分确定整个机壳的屏蔽度，因此，对于整个机壳的屏蔽来说，交叠区域是特有的。和由于这一交叠区域的屏蔽差，因此，整个机壳的屏蔽差。
现有技术中已经注意到了富含塑料的边界区域的上述问题，例如在EP0,674,326中公开了含塑料材料的绝缘体的电导体。由塑料材料和金属纤维的内容物的混合物制造一体的主体。相对于长度，纤维具有小的截面尺寸。分别通过模塑或挤出，模塑主体，以便在模塑工艺过程中，鉴于模塑工艺的流动方向，金属纤维基本上集中在中心部分，于是形成很好的传导体部分。
通过提供从最终的表面上突出的额外小片，和之后使这一额外的小片断裂开，WO-A-2006/128741解决了这一问题。尽管提供了这一问题的充分的技术解决方案，但从许多应用的成本角度考虑，这一技术是失败的。
其他技术避免了使用导电纤维并提供具有导电涂层的塑料制品表面。这些技术也可非常有效，但要求额外的涂布步骤。
发明公开
本发明的一个目的是避免现有技术的缺点。本发明的另一目的是提供对电磁干涉具有改进的屏蔽和具有改进的静电放电的成本有效的解决方法。
根据本发明的第一方面，提供适合于机壳并对电磁干涉提供改进的屏蔽和/或提供改进的静电放电性能的塑料制品。通过低压注塑制造该制品。该塑料制品包括至少0.25体积%的导电添加剂。塑料制品具有多孔结构。在低压注塑生产工艺中，通过使用发泡剂，获得该多孔结构，其中使用至少0.25重量%的发泡剂或起泡剂。发泡剂或起泡剂的重量百分数以在低压注塑生产工艺中使用的原材料的混合物的重量为基础计算。
所使用的生产方法是低压注塑。这意味着在熔融材料的注射过程中，模具没有完全被熔融材料填充：例如树脂的注射体积大于5%小于模具的体积，更优选大于10%小于模具的体积；甚至更优选大于12%小于模具的体积。此外，在这一低压注塑中，在注射熔融材料之后所使用的(对挤出螺杆的)保持压力低(低于70bar)。优选不存在保持压力。在优选的实施方案中，在具有切断喷嘴的注射段之后，关闭喷嘴。这意味着模具和机筒在物理上彼此分离，因此，可在模具内的注射聚合物上不施加恒定压力（holdingpressure）。
制品内导电添加剂的优选最小体积百分数为0.5,0.6,0.75,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0，例如特别是当使用不锈钢纤维时。对于具有较小比长度(长度与直径之比)和低比密度的添加剂来说，这一体积百分数可以高得多，且可最多达50-60体积%。
优选地，通过使用0.25-10重量%的发泡剂或起泡剂，甚至更优选1-3重量%的发泡剂或起泡剂，生产导电塑料制品。发泡剂或起泡剂的重量百分数以在低压注塑生产工艺中所使用的原材料的混合物的重量为基础计算。
多孔结构是使用与塑料材料和添加剂一起混合的发泡剂或起泡剂的结果。在均化工艺过程中，发泡剂充分地保持在压力下，以便气体不可能逃逸。之后，当在模具内混合塑料材料与添加剂时，由于低压注塑工艺条件导致在发泡剂或起泡剂内提供或者释放的气体更加驱动添加剂朝向表面，与其中没有使用发泡剂或起泡剂的情况相比或者与没有通过低压注塑进行注塑的情况(例如使用高压注塑，这是与发泡剂或起泡剂一起使用的技术)相比。当使用低压注塑时，结果是与现有技术的导电塑料制品的状态相比，在边界区域内更多的导电添加剂和导电添加剂更加无规的取向。典型地，它还导致添加剂穿透表面突出，这对于良好结果来说是关键的(优选至少30的导电添加剂/cm2突出穿透塑料制品的外表面或表面)。边界区域内足够高的浓度，在边界区域内添加剂的更加无规的分布，和足够高含量的突出的添加剂的组合将导致低的表面电阻率或者高的表面导电率。这将最终导致几乎与制品本体导电率一样好的表面导电率。
使用发泡剂或起泡剂会导致塑料制品闭孔的多孔结构的泡沫形貌，即具有闭孔多孔的结构。通过注射速度，转变点(switchoverpoint)和注射的方式(即，喷嘴类型，喷嘴直径，喷嘴形状，…)，确定多孔的数量和大小。
有时不期望添加剂突出穿透表面。在这一情况下，可通过粉碎或者抛光表面，除去突出的部分。然后添加剂仅仅存在于表面处，但不再穿透表面。
可在整个制品上到处或者在一部分制品上观察到孔隙的分布。
导电添加剂可以是金属纤维，不锈钢纤维，钛纤维，镍包衣碳纤维，碳纤维，炭黑，碳纳米管，银包衣玻璃珠，包衣玻璃纤维，…。
在优选的实施方案中，塑料制品表现为厚度范围是1.0mm-10mm，例如3.0mm或4.0mm至10.0mm的二维或三维板状形式。然而，较厚的样品同样是可能的。厚度可以最多达50.0mm。术语“厚度”是指2-D或3D板的最小截面尺寸。
可采用物理发泡剂或起泡剂，常常氮气，或者采用化学发泡剂或起泡剂进行发泡。
化学发泡剂或起泡剂是在注塑条件下分解并释放气体的试剂。化学发泡剂或起泡剂的实例是ADC(偶氮二碳酰胺),OBSH(氧基双苯磺酰基酰肼),TSH(对甲苯磺酰基酰肼),BSH,5PT,DNPT(二亚硝基五亚甲基四胺),SBCCA...。所释放的气体可以是例如CO2,H2O,NH3或N2。可使用两类化学发泡剂，放热发泡剂和吸热发泡剂。
放热发泡剂通常以在数种基体材料内配混的偶氮二碳酰胺(ADC)和其他酰肼衍生物为基础。放热发泡剂具有高的气体产率，均匀的气体分散。放热发泡剂对模具具有很小的磨蚀。放热发泡剂几乎没有显示出喷霜的倾向。放热发泡剂不是食品批准的。一般地，放热发泡剂的循环时间大于吸热发泡剂。
吸热发泡剂以碳酸氢盐和柠檬酸化合物为基础。吸热发泡剂具有相当局限的气体产率和有时显示出喷霜和精细的微多孔结构的倾向。模具通常应当镀铬，以便避免柠檬酸腐蚀。吸热发泡剂是食品批准的。典型地吸热发泡剂具有较短的循环时间，因为它们吸收能量以供气体分解。
根据本发明的第二方面，提供适合于机壳且提供电磁干涉屏蔽和/或改进的静电放电性能的组件。该组件包括根据本发明第一方面的两个制品。该制品彼此紧密地定位且具有在制品之间的连接件形式定位并与这两个制品紧密接触的挠性导电垫圈。
这种垫圈的实例可包括例如镍/铜包覆的织造聚酯，银或蒙乃尔铜-镍合金涂布并织造的尼龙，导电橡胶组分。实例根据下述参考目录是已知的：SchlegelEMIE8153;SchlegelEMIE7753;SchlegelEMIE0853;Laird4096AB51K;Laird4357AB51K。其他垫圈，例如金属网，导电橡胶或泡沫体，或挠性金属...同样是可能的。
在板厚为5.0mm和具有2.5体积%不锈钢纤维的试样中，注意到对于具有连接件的组件(41.8dB)来说，具有与板本身(不具有连接件)(39.5dB)几乎相同的屏蔽效果，其中通过在塑料产品内的中心区域，提供屏蔽。
根据本发明的第三方面，提供制造根据本发明第一方面的塑料制品的方法。该方法包括下述步骤：
(a)提供塑料材料；
(b)提供发泡剂或起泡剂；
(c)提供导电添加剂；
(d)使塑料材料，发泡剂或起泡剂和添加剂在压力和温度下结合在一起，并进行低压注塑，生产导电塑料制品。在这一方法中，发泡剂或起泡剂驱动添加剂在塑料材料的整个体积中，和最后离开塑料产品内部的多孔结构。甚至添加剂将突出制品的外表面，这是由驱动力引起的(与其中添加剂几乎没有突出表面的高压注塑相比)。
优选地，使用大于0.25重量%发泡剂。更优选，使用0.25-10重量%发泡剂。最优选使用1-3重量%发泡剂。发泡剂或起泡剂的重量百分数以在低压注塑生产工艺中所使用的原材料的混合物的重量为基础计算。
必须注意，本发明要求低压注塑。在高压注塑中，可在机器的料斗内一起混合发泡剂与塑料材料或聚合物。在注塑机的螺杆中材料的塑化工艺期间，产品连续处于压力下，结果发泡剂不可能逃逸。一旦进行完塑化工艺，则在模具内注射该材料。对于高压注塑来说，甚至在模具内注塑完材料之后，使用保持压力，避免在最终产品内的缩痕。这一保持压力防止气体推动添加剂到达塑料制品的表面上。边界区域内的添加剂继续与外表面一起校准。因此，具有发泡剂或起泡剂的高压注塑没有导致本发明的优势。有时在高压注塑中，发泡剂用作加工剂，或者获得较短的循环时间。
附图简述
图1示出了具有导电纤维的复合颗粒；
图2示出了低压注塑装置；
图3示出了两块板的组件。
图4示出了现有技术的导电塑料制品的截面内的纤维布局。
图5示出了根据本发明的导电塑料制品的截面内的纤维布局。
实施本发明的最佳模式
不锈钢纤维是充当导电添加剂的合适选择，以提供所要求的电磁屏蔽效果。
可通过集束牵拉(bundledrawing)技术，获得不锈钢纤维。这一技术例如公开于US-A-2050298,US-A-3277564和US-A-3394213中。起始材料是具有合适的不锈钢组成的线材。
这种组成的实例是以重量百分数表达的铁和下述组分：C≤0.05%,Mn≤5%,Si≤2%,8≤Ni≤12%,15%≤Cr≤20%,Mo≤3%,Cu≤4%,N≤0.05%,S≤0.03%和P≤0.05%。
合适的不锈钢组成的另一实例是下述：C<0.03%,16%<Cr<18.5%,10%<Ni<14,2%<Mo<3%,Mn<2%,Si<1%,P<0.045%,S<0.03%,其余为铁。
合适的不锈钢组成的再一实例如下所述：C<0.15%,17%<Cr<19%,Mn<2.0%,8.0%<Ni<10.0%,P<0.045%,Si<1.0%,S<0.03%。
在牵拉之后，用涂层，例如铁或铜覆盖线材。这些覆盖的线材集束随后被包封在金属管道内。之后，如此包封的管道的直径通过随后的线材牵拉步骤减小，变为具有较小直径的复合集束。随后的线材牵拉步骤可以与合适的热处理交替，以允许进一步的牵拉，或者可以没有。在复合集束内，起始线材转变为独立地包埋在覆盖材料基体内的薄纤维。这种集束优选包括不大于2000根纤维，例如500-1500根纤维。对于电磁干扰的目的来说，合适的最终直径为4微米-16微米，例如8微米-12微米。一旦获得所需的最终直径，可例如通过在充足的酸洗剂或溶剂内的溶液除去覆盖材料。最终结果是裸纤维集束。
不锈钢纤维集束可提供有胶水，和之后用塑料材料涂布，所述塑料材料与要制造的塑料制品的最终材料相容，例如塑料材料具有相同的聚合物类型，但具有略微较低的熔融温度，以促进纤维与塑料材料一起混合。涂布的纤维集束然后被切割成长度范围为4mm-10mm，例如4mm-6mm的颗粒。图1示出了具有不锈钢纤维12和具有塑料涂层14的复合颗粒10。
图2阐述了低压注塑的工艺，以制造具有导电添加剂，例如不锈钢纤维的塑料制品。注塑装置20具有料斗22的入口21以供一起放入塑料粉末或塑料颗粒或塑料的粒料与复合颗粒10以及发泡剂或起泡剂。料斗22储存塑料材料直到需要它时。料斗22与螺纹(螺线)25安装在其内部的管道(机筒)24相连。加热器26加热管道24。一旦达到预定的高温，则马达27开始转动螺纹。塑料粉末和颗粒沿着在螺杆前方的其中塑料熔融成粘稠液体的加热器部分26推进。之后，通过螺杆25强制液体进入到模具28内，在此材料冷却成最终所需的形状。在这一实例中，在低压注塑工艺中，模具填充仅仅90体积%，和设定保持压力为0bar。最可能地，对于低压注塑工艺来说，喷嘴闭合，和仅仅在聚合物的注射过程中打开。
为了避免纤维太多地断裂和为了具有高于约3.5mm或甚至更高，或者高于2mm的平均纤维长度，纤维的剪切应当保持最小。这尤其可通过在均化过程中，和在注射聚合物到模具内的过程中，微调聚合物的粘度和通过具有低剪切来进行。
图3示出了在垫圈33之间放置在一起的两块板31，32的组件30的截面。每一块板31，32的截面可分成中心区域34和两个边界区域35,36。发泡剂或起泡剂产生在板31，32的体积上分布的多孔结构37。发泡剂或起泡剂驱动不锈钢纤维38接近于板31,32的表面，和甚至突出穿透表面，从而显著改进屏蔽效果。另外，由于发泡剂导致纤维还更加无规地分布在边界区域内。在两块板之间的垫圈33进一步改进屏蔽效应，和避免泄露，这是因为不具有接触点或导致在两块板31,32之间的交叠区域内的狭缝的尺寸问题。
进行试验，其中改变下述参数：
-在两块板之间存在或者不存在垫圈；
-板厚范围为5.0mm-10.0mm；
-不锈钢纤维的用量范围为1.5-2.5体积%；
-发泡剂的用量在1.0重量%到2.5重量%之间变化。
屏蔽效应与所使用的导电纤维用量直接成正比。发泡剂的用量(1-2.5wt%)对材料的屏蔽效应没有大的影响。推荐垫圈，获得良好的电交叠(electricoverlap)。纤维的用量越高和发泡剂的用量越高，则在交叠处注意到电接触越好且屏蔽效应越好。
仅次于电磁干涉屏蔽的改进以外，静电放电性能也得到改进。甚至在较低的纤维浓度下，表面电阻率下降，这是因为纤维在表面处或者甚至穿透表面存在。在采用1.0体积%纤维的情况下，可实现小于104欧姆的表面电阻率。
图4示出了现有技术的导电塑料制品40截面中的纤维布局。该塑料制品具有中心区域42和两个边界区域44(取决于板或部件的厚度，边界区域为壁厚的大约1-20%，即壁厚的3%-15%。例如，对于5.0mm的板厚来说，边界区域的厚度可以是最多0.75mm，而对于2.5mm的板厚来说，边界区域的范围可以是200微米-300微米)。在图4的实例中，不锈钢纤维46用作导电添加剂。不锈钢纤维46在中心区域42内具有无规的取向。与这些区域42相比，较低体积百分数的不锈钢纤维存在于边界区域44内。在边界区域44内的不锈钢纤维优选相对于塑料制品的表面48校准。没有不锈钢纤维突出穿透塑料制品的表面48。
图5示出了根据本发明的导电塑料制品50的截面中的纤维布局。该塑料制品具有中心区域52和两个边界区域。在图5的实例中，不锈钢纤维56用作导电添加剂。不锈钢纤维56在中心区域52内具有无规的取向。与中心区域52相比，较低体积百分数的不锈钢纤维存在于边界区域54内，但在边界区域54内不锈钢纤维的体积百分数高于现有技术的相当的塑料制品(参见图4)。在根据本发明的导电塑料制品50(图5)中，与现有技术的导电塑料制品中的不锈钢纤维相比，在边界区域54内的不锈钢纤维具有更大的无规取向。在本发明的导电塑料制品50中，重要量的不锈钢纤维突出穿透塑料制品的表面58。
表1示出了每平方厘米上突出穿透本发明塑料制品表面的不锈钢纤维的数量的试验结果。采用低压注塑，填充基体仅仅90%和使用0bar的保持压力，制造这两个样品。所使用的导电颗粒是钢等级302A的不锈钢纤维，其直径8微米和长度5mm(在低压注塑机的料斗内喂入)。使用吸热发泡剂TracelTACILIN7200(获自Tramaco)。当在显微镜下观察样品时，可计算突出的导电添加剂的数量(在这一情况下，不锈钢纤维的数量)。
表1：每平方厘米上突出穿透塑料制品表面的不锈钢纤维的数量
参考标记的明细
10复合颗粒
12不锈钢纤维
14塑料涂层
20注塑装置
21塑料材料的输入
22料斗
24管道
25螺杆
26热量输入
27马达
28模具
30具有两块板的组件
31第一板
32第二板
33垫圈
34第一板的中心区域
35,36第一板的边界区域
37孔隙
38纤维
40现有技术状态中的导电塑料制品
42现有技术状态中的导电塑料制品的中心区域
44现有技术状态中的导电塑料制品的边界区域
46不锈钢纤维
48现有技术状态中的导电塑料制品的表面
50根据本发明的导电塑料制品
52根据本发明的导电塑料制品的中心区域
54根据本发明的导电塑料制品的边界区域
56不锈钢纤维
58根据本发明的导电塑料制品的表面

Claims (10)

1.提供改进的对电磁干涉的屏蔽或者提供改进的静电放电性能的适合于机壳的导电塑料制品，
所述制品通过低压注塑制造；
所述制品包括至少0.25体积％导电添加剂；
所述制品包括多孔结构，
所述多孔结构通过使用发泡剂或起泡剂获得，其中使用至少0.25重量％的发泡剂或起泡剂。
2.权利要求1的导电塑料制品，它通过使用在0.25和10重量％之间的发泡剂或起泡剂生产。
3.权利要求1或2的导电塑料制品，其中发泡剂或起泡剂是化学发泡剂或起泡剂。
4.权利要求1或2的导电塑料制品，其中所述导电添加剂选自金属纤维，不锈钢纤维，钛纤维，碳纤维或镍包衣碳纤维。
5.权利要求1或2的导电塑料制品，其中所述塑料制品的厚度大于3mm。
6.权利要求1或2的导电塑料制品，其中显著数量的所述导电添加剂突出穿透所述制品的外表面或各表面。
7.权利要求6的导电塑料制品，其中每平方厘米上至少30个导电添加剂突出穿透所述制品的外表面或各表面。
8.提供改进的对电磁干涉的屏蔽的适合于机壳的组件，
所述组件包括根据权利要求6的两个导电塑料制品，
所述两个导电塑料制品彼此接近设置，挠性导电垫圈在所述两个导电塑料制品之间并与两个所述导电塑料制品紧密接触。
9.制造权利要求1的导电塑料制品的方法，所述方法包括下述步骤：
(a)提供塑料材料；
(b)提供发泡剂或起泡剂；
(c)提供导电添加剂；
(d)使所述塑料材料、所述发泡剂或起泡剂和所述添加剂在温度和压力下结合在一起，并且进行低压注塑，生产导电塑料制品。
10.权利要求9的制造导电塑料制品的方法，其中使用大于0.25重量％的发泡剂。
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