CN1914694B - 金属-塑料混合物及其应用和由其制备的模制体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属-塑料混合物以及由其制备的模制体。通过在塑料中组合金属添加物首次表明，可使其比穿过电阻小于10-2Ωcm，同时该混合物又可在注塑工艺中实现优良的可加工性。

Description

金属-塑料混合物及其应用和由其制备的模制体
技术领域
本发明涉及一种金属-塑料混合物和由其制备的模制体。
背景技术
对在电子学/电气技术领域的塑料的大量应用要求电导性和/或电磁导性和/或热导性。目前存在大量的其比穿过电阻在1010Ωcm-10-1Ωcm范围的塑料化合物。少量含如碳纤维作为填料的特殊产品的比穿过电阻达约2×10-2Ωcm。作为导电填料可使用如炭黑、碳纤维、金属颗粒、金属纤维或固有导电的聚合物。但至今还未知其比穿过电阻小于10-2Ωcm并例如可用注塑工艺加工的热塑性化合物。
为调节如塑料等绝缘体的导电性，可通过导电填料实现穿过性导电路径，即导电颗粒呈理想情况相接触。已知塑料中的可导电网络最好是以引入金属纤维或碳纤维实现。该纤维越长，则纤维的重量分数越小，该重量分数对某种导电性是必要的。但随纤维长度不断增加会出现加工问题，因为该化合物的粘度大大增加。因此市售可得的其钢纤维长度为10mm的化合物，仅在其最大纤维重量分数不超过约25-30％时是可注塑加工的。用更短的纤维仍可注塑加工较高纤维重量分数的化合物，但与长纤维相比，其不能降低比穿过电阻。对碳纤维充填的热塑性塑料和金属颗粒充填的热塑性塑料也呈类似特性。另一问题是，由于不同的膨胀系数，在热作用下该经充填过的热塑性塑料的纤维网络变宽，并中断该导电路径。
还对在塑料中仅引入低熔点金属(易熔合金)进行过实验，但由此仅达40-50重量％的充填度，其比穿过电阻为105Ωcm数量级。由于两种要混合成分的差相容性和大密度差，所以排除了更高的充填度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可通过通常的塑料成形工艺(注塑等)加工的有高的导电性和导热性的材料。
本发明提供一种金属-塑料混合物，其包含热塑性塑料、在100-400℃范围熔融的金属化合物和导电填料和/或金属填料，其中，金属填料与混合物中的在100-400℃范围熔融的金属化合物一起作为纤维网络存在。
此外，本发明还提供一种由金属-塑料混合物制备的模制体。
十分意外地发现，通过将低熔点的金属化合物与导电填料和/或金属填料相组合，可实现和稳定制得至今还未有过的在热塑性塑料中的导电颗粒或纤维和/或金属的充填度。
具体实施方式
作为导电填料和/或金属填料，可使用所有通常的导电填料如由金属、金属合金(通常的即高熔点的如铜、钢等)制成的纤维和/或颗粒、炭黑、碳纤维、固有导电聚合物(如乙炔、聚噻吩)等。也可使用市售的金属纤维(铜纤维、钢纤维等)和/或碳纤维。该纤维长度优选为1-10mm，粗应宜＜100μm。此外，该导电填料还可以是颗粒状如珠粒、小片状或碎片状等。该颗粒大小应＜100μm，优选＜50μm。
作为热塑性塑料，可应用所有市售的热塑性塑料，其可按所需特性选用。
作为热塑性塑料，所述金属/塑料混合物包括例如(优选)下列聚合物之一：本体塑料如聚苯烯(PS)或聚丙烯(PP)等和/或工程热塑性塑料如聚酰胺(PA)或聚对苯二用酸丁二醇酯(PBT)等或作为高温热塑性塑料包括聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫(PPS)、部分芳族聚酰胺等。当然也可使用所有通用的混合物和热塑性弹性体。
低熔点金属合金意指一种其熔点或熔点范围为100-400℃，优选100-300℃的金属化合物。对有时需加工温度＞400℃的高温热塑性塑料也可应用熔点/熔点范围＞300℃的金属化合物。本发明既可使用具有一定熔点范围的低熔点金属合金，也可使用具有一定熔点的金属合金。所述金属化合物基本上包括金属，但也可含任意的添加物，特别是非金属添加物和外加物。
具有熔点的低熔点金属合金的特征是，在超过该熔点时粘度立刻和显著下降到＜50mPas。这种特别低的几乎类似于水的粘度在填料的高充填度下十分有助于在化合物中的高可流动性。在具有熔点范围的低熔点金属合金(焊料)情况下，该粘度在熔点范围内连续下降，并在超过熔点范围后才达到＜50mPas的值。本发明既可使用具有熔点的低熔点金属化合物，也可使用具有熔点范围的金属化合物。优选使用不含重金属，特别是不含铅的低熔点金属化合物，即从毒性角度看是毫无问题的。例如，所用的低熔点金属化合物至少还含锡、锌和/或铋。
按所需可在宽的范围内改变低熔点金属合金和导电填料的含量，该范围通常为1-＞95重量％，特别是10-80重量％和20-75重量％。
为达到最高的导电性，已表明，低熔点金属合金的含量应为20-50重量％，优选22-48重量％，特别优选25-45重量％。
可导电填料的含量优选为30-70重量％，特别优选为33-68重量％，尤其优选35-65重量％。该填料可由纯纤维和/或颗粒组成，以及可由各种纤维和/或颗粒的混合物组成，或可由单一的或混合的纤维和/或单一的或混合的颗粒的混合物组成。术语“单一的”和“混合的”既可涉及材料组成，也可涉及颗粒形状或颗粒大小。
可导电成分(低熔点金属化合物和/或填料)的总含量通常≥60重量％，优选≥70重量％特别优选≥80重量％，也可达＞95重量％。由此，比穿过电阻达≤10-3Ωcm。也可获得高导热性。对传导性(导电/导热)的要求依该混合物的应用目的而定，并可在宽的范围内变化。但传导性数据应绝不限制本发明。
特别是当使用铜纤维作为导电填料时，与低熔点金属合金组合产生一种铜纤维的“焊接”，其也保持在冷却凝固状态中。这对于以后的经受温度交变的构件或模制体是特别有利的，以使“纤维网络的接触”和从而使导电性得以完全保持。
要指出的是，这种导电成分(低熔点金属化合物+填料)的总含量为≥80重量％的化合物还可用注塑工艺加工。这仅通过在热塑性塑料中组合该两种导电成分来实现。
由于低的比穿过电阻，在构件中大大限制了损耗热的产生，此外，与导热率优选大于5W/mK和达＞10W/mK的化合物的高导热性相结合就非常有效地脱除了该损耗热(电子学构件的冷却是微电子学中的最迫切的问题之一)。
该材料有利地是在低熔点金属合金和热塑性塑料均呈熔融态的温度下制备和加工。该包含无机和有机成分的熔融合金具有特别高的可流动性，以使还可将填料即颗粒和/或纤维以高重量比加入，同时不会损失优良的流动性能或加工性能，即不会引起粘度太大的增加。
该化合物的制备可间歇式地在捏和器中进行，也可连续地在挤压中机中进行。比穿过电阻(参见实施例)的测定用以注塑工艺制备的大小为50×6×4mm的样品体进行。
由本发明的混合物制备的模制体通过常用的塑料成形工艺如注塑、挤压、深拉等制备。
实施例
塑料：聚酰胺6(PA 6)
低熔点金属合金：MCP 200(HEK GmbH公司，Lübeck，德国)，熔点为200℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
1.1以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶Cu纤维＝20∶20∶60
比穿过电阻：2.7×10-3Ωcm
比电导：3.7×102l/(Ωcm)
1.2以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶Cu纤维＝15∶25∶60
比穿过电阻：6.3×10-4Ωcm
比电导：1.6×103l/(Ωcm)
1.3以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶Cu纤维＝10∶35∶55
比穿过电阻：5.4×10-5Ωcm
比电导：1.8×104l/(Ωcm)
导热率：10.5W/(mK)
电磁屏蔽阻尼：＞100dB
塑料：聚酰胺6(PA 6)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为200℃
添加剂：钢纤维；长约4mm，粗约10μm
2.1以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶钢纤维＝20∶30∶50
比穿过电阻：1.09×10-2Ωcm
比电导：9.2×101l/(Ωcm)
塑料：聚酰胺6(PA 6)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为97-300℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 220∶Cu纤维＝10∶35∶55
比穿过电阻：1.09×10-4Ωcm
比电导：9.16×103l/(Ωcm)
3.1塑料：聚酰胺6(PA 6)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为197-208℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶Cu纤维＝10∶30∶60
比穿过电阻∶1.4×10-4Ωcm
比电导：7.1×103l/(Ωcm)
3.2塑料：聚酰胺6(PA 6)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为197-225℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶Cu纤维＝10∶30∶60
比穿过电阻：2.6×10-4Ωcm
比电导：4.7×103l/(Ωcm)
塑料：聚酰胺6(PA 6)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为200℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
添加剂：钢纤维；长约4mm，粗约10μm
以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶Cu纤维∶钢纤维＝15∶25∶30∶30
比穿过电阻：5.3×10-3Ωcm
比电导：1.89×102l/(Ωcm)
塑料：聚酰胺6(PA 6)
低熔点金属合金：MCP200，熔点为200℃
添加剂：铜珠粒；约32μm
以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶Cu珠粒＝10∶15∶75
比穿过电阻：6.0×10-2Ωcm
比电导：1.67×101l/(Ωcm)
塑料：聚酰胺6(PA 6)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为200℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
添加剂：铜珠粒；
Figure 048415983_1
约32μm
以重量百分数表示的组合物：
PA 6∶MCP 200∶Cu纤维∶Cu珠粒＝15∶15∶60∶10
比穿过电阻：2.89×10-3Ωcm
比电导：3.46×102l/(Ωcm)
塑料：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为197-208℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
以重量百分数表示的组合物：
ABS∶MCP 200∶Cu纤维＝25∶35∶40
比穿过电阻：7.4×10-3Ωcm
比电导：1.4×102l/(Ωcm)
塑料：聚苯硫(PPS)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为200℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
以重量百分数表示的组合物：
PPS∶MCP 200∶Cu纤维＝15∶35∶50
比穿过电阻：4.3×10-5Ωcm
比电导：2.3×104l/(Ωcm)
塑料：聚酰胺66(PA 66)
低熔点金属合金：MCP 200，熔点为200℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
以重量百分数表示的组合物：
PA 66∶MCP 200∶Cu纤维＝20∶25∶55
比穿过电阻：1.8×10-3Ωcm
比电导：5.6×102l/(Ωcm)
塑料：聚醚酰亚胺(PEI)
低熔点金属合金：MCP 220，熔点为97-300℃
添加剂：铜纤维；长约2mm，粗约80μm
以重量百分数表示的组合物：
PEI∶MCP 200∶Cu纤维＝25∶30∶45
比穿过电阻：9.3×10-4Ωcm
比电导：1.1×103l/(Ωcm)
用所述的混合物，比穿过电阻达到纯金属导体的比穿过电阻的数量级。通过同时有高的混合物的可流动性开辟出新的应用领域，特别是在微注塑、二组分注塑(2-K-注塑)、机械电子学，接触连接和构件嵌装等领域。例如在2-K-注塑工艺中的线路可直接整合到构件中，这例如在制备3D-MID构件时展现出全新的前景。此外，通过例如直接的电缆注塑包封可在构件上直接整合接触连接。在此情况下，可不通过螺栓工序、接线柱工序或焊接工序实现电缆接触连接。还可通过注塑工艺在构件上整合触点管脚。也为在印刷电路板和线路上嵌装构件(二极管、电容器、芯片等)提供了新的可能。因为新的混合物含有高含量的低熔点金属化合物，所以构件可更易嵌装，如通过用焊剂直接钎焊到触点上，或通过预热管脚和简单压入或通过逐点加热(如激光)嵌装区的线路并随后装配构件。
该新的混合物对要求高电磁屏蔽的构件和设备也是有利的。一方面该屏蔽作用通过金属纤维的上述“焊接”即使在对现今可用的化合物是有很大问题的温度交变条件下也可长期确保。另一方面该屏蔽作用可在构件制备时通过注塑工艺实现，即可免去其后安装例如屏蔽薄板。由市售化合物制成的屏蔽壳的另一问题是由于低的导电性产生壳的不良接触连接可能性。通过该新混合物的特别高的导电性可实现既简单又特可靠的接触连接。
通过在成形中的高导热性和可变性也可在排热方面使用所述新的混合物。
在电子学、电气技术、电磁构件、排热等中的应用是可能的。例如该混合物可用于线路、接触管脚、热熔断路器、电缆接触连接、EMS等。
本发明涉及一种金属-塑料混合物以及由其制备的模制体。通过在塑料中组合金属添加物首次表明，可使其比穿过电阻小于10-2Ωcm，同时该混合物又可在注塑工艺中实现优良的可加工性。此外，也可应用其它成形工艺如挤压、深拉等加工该混合物。
利用本发明首次可制备其比穿过电阻小于10-2Ωcm并例如可注塑加工的热塑性混合物。同样借助本发明也可通过用该混合物直接注塑包封而首次实现诸如经注塑的线路和/或接触管脚和/或电缆接触连接等应用。

Claims (10)

1.金属-塑料混合物，其包含热塑性塑料、20-50重量％的在100-400℃范围熔融的不含铅的金属化合物和30-70重量％的导电填料，其中混合物中的导电填料与在100-400℃范围熔融的金属化合物一起作为纤维网络存在，其中所述纤维的长度为1-10mm，粗＜100μm和/或颗粒大小＜100μm。
2.权利要求1的金属-塑料混合物，其中导电填料是金属填料。
3.权利要求2的金属-塑料混合物，其中金属填料是铜纤维和/或颗粒。
4.权利要求1的金属-塑料混合物，其中，所述在100-400℃范围熔融的金属化合物和导电填料的含量≥60重量％。
5.权利要求1-4之一的金属-塑料混合物，其比体积电阻小于10-2Ωcm和/或其导热率＞5W/mK。
6.权利要求1的金属-塑料混合物，其中，所述导电填料为纤维状和/或颗粒状，其包括金属、金属合金、炭黑、碳纤维和/或固有导电聚合物。
7.权利要求1-4之一的金属-塑料混合物，其中，在100-400℃范围熔融的金属化合物包含铋、锌和/或锡。
8.一种通过常用的塑料成形工艺并至少部分由权利要求1-7之一的金属-塑料混合物制成的模制体。
9.权利要求1-7之一的混合物在电气技术、电子学、电磁构件和/或排热中的应用。
10.金属-塑料混合物，其具有在热塑性树脂中的网络状导电结构并通过下列步骤获得：
共熔融热塑性化合物和低熔点金属合金，其中所述低熔点金属合金在100-400℃范围熔融，不含铅，且用量为20-50重量％，和
向热塑性树脂和低熔点合金的复合熔体中添加导电填料化合物，该导电填料化合物为1-10mm长的纤维状，用量为30-70重量％。
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