DD157877A3

DD157877A3 - Verfahren zur herstellung elektrisch leitender verklebungen,beschichtungen und formstoffe

Info

Publication number: DD157877A3
Application number: DD21811679A
Authority: DD
Inventors: Manfred Kahle; Volker Steinbach; Valentin Boda
Original assignee: Martin Freitag Dipl Ing
Priority date: 1979-12-27
Filing date: 1979-12-27
Publication date: 1982-12-15

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden Verklebungen, Beschichtungen und Formstoffen in der Elektrotechnik, Elektronik und im wissenschaftlichen Geraetebau. Durch eine spezielle Wahl der Pigmentierung sowie Herstellungstechnologie werden bei relativ niedrigen Pigmentvolumenkonzentrationen und homogener Verteilung niedrige spezifische elektrische Widerstaende bei guten mechanischen Eigenschaften und hoher Sedimentationsstabilitaet erreicht. Zu diesem Zweck wird eine Mischung leitfaehiger Partikel, bestehend aus zwei Anteilen, die in ihrem Zusammenwirken der Bildung leitfaehiger Bruecken bzw. der Sedimentationsstabilisierung dienen, sowie dem Bindemittel hergestellt. Ein Pulveranteil von 90 bis 40 Volumenprozent der Gesamtpigmentierung hat dabei eine Korngroesse x > 10 mym, und die Form der Partikel kann eckig, veraestelt, flaechenhaft, koernig, unregelmaessig, schwammig, sphaerich oder nadelfoermig sein. Die Sedimentationsstabilisierung wird durch einen zweiten Pulveranteil von 10 bis 60 Volumenprozent, der eine Korngroesse x < 10 mym und vorzugsweise flaechenhafte Partikelform hat, bewirkt. Durch ein spezielles Anreibeverfahren wird die Verarbeitung loesungsmittelhaltiger Pigmentdispersionen ermoeglicht.

Description

Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verkleidungen j Beschichtungen und .Formst off e

Anwendungsgebiet' der Erfindung

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden Verklebungen, Beschichtungen und Formstoffen in der Elektrotechnik, Elektronik und im wissenschaftlichen Gerätebauj aber auch zur leitfähigen Verbindung von Baukonstruktionen und Maschinenelemente:*. Das Verfahren ermöglicht die Realisierung einer hohen Gleichmäßigkeit der elektrischen Leitfähigkeit im gesamten Ge-•biet der Klebfuge zwischen gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen und innerhalb einer Oberflächenschicht sowie im Formstoff. Es bewirkt insbesondere eine hohe Sedimentationsstabilität des leitfähigen Stoffsystems«, Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht im Anwendungsbereich mit einem vergleichsweise niedrigen Anteil an leitfähigen Pigmenten hohe spezifische elektrische Leitfähigkeiten bis zur Größenordnung von 10^ Siemens/cm zu erzielen.

Charakteristik,der bekannten .technischen! Lösungen

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung elektrisch .leitender Klebstoffe und Beschichtungen bekannt, die aus einer Bindernittelmatris und einem in diese eingelagerten

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leitfähigen Füllstoff bestehen.. Als Bindemittel werden organische Stoffe, z. B«. Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharzes modifizierte Thermoplaste verwendet. Die leitfähigen Füllstoffe sind z. B. Metallpulver, Kohlenst.offprodukte, .Siliziumkarbid, Titancarbid, Eisenoxid, Zur Erzielung von Verbundwerkstoffen mit spezifischen elektrischen Widerständen Q < 1 Ohm cm v/erden häufig Füllstoffe mit sehr kleiner Partikelgröße χ < 1/um in der Kunststoffmatrix verwendet«, Dabei steigt die Viskosität stark, und es ist gleichzeitig aufgrund der großen Dispersität eine hohe Pigmentvolumenkonzentration notwendig.

Weiter v/ird die Verwendung von plattchenförmigen Pigmenten vorgeschlagen. Bei Verwendung von kleinen plättchenförmigen oder anderen flachen Partikeln in Verbundwerkstoffen zur Verklebung von Fügeteilen kommt es jedoch infolge einer Strömung innerhalb der Dispersion beim Fügevorgang zu einer Ausrichtung der Partikelflächen parallel zur Fügefläche, die eine Widerstandserhöhung bewirkt. Der oft gemachte Vorschlag, Partikel mittlerer Teilchengröße χ > 10/um als Füllstoff in der Bindemittelmatrix zu verwenden, führt in Abhängigkeit von der Bindemittelviskosität zur Sedimentation. Diese Sedimentation ist besonders ausgeprägt, .wenn das Bindemittel während der Härtung infolge Temperaturerhöhung durch Erwärmung oder exotherme Reaktionen niederviskoser v/ird. Bei Anwendung eines solchen Verbundwerkstoffes zur leitfähigen Verklebung verschiedener Werkstoffe entstehen innerhalb der Kleberschicht füllstoff freie, d, h, isolierende Bereiche, die zu einer beträchtlichen Erhöhung des elektrischen Widerstandes führen« Durch die DL-PS 132155 ist es bekannt, die Sedimen« tation gröberen Metallpulvers' durch die Anwendung eines speziellen Thixotropierungsmittels, das nicht aus dem Pigmentwerkstoff besteht und elektrisch isolierende Eigenschaften hat, innerhalb des Verbundwerkstoffes zu vermin-

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dem. Messungen an derartigen Systemen zeigen, daß der Einsatz des Thixotropierungsmittels durch die Behinderung der Sedimentation die Bildung isolierender Schichten verzögert, gleichzeitig steigt jedoch die Verarbeitungsviskosität der Systeme und die Wahrscheinlichkeit der Brükkenbildung fällt durch die Zwisehenlagerung des isolierenden hochdispers.en Thixotropierungsv/erkstoffes_s so daß die Erzielung optimaler elektrischer Leitfähigkeiten und mechanischer Eigenschaften infolge der begrenzten Erhöhung der PigmentVolumenkonzentration nicht möglich ist, wenn eine einfache manuelle und maschinelle Verfahrensführung gewährleistet v/erden soll.

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es,· ein Verfahren zu entwickeln, das" bei niedriger PigmentVolumenkonzentration von leitfähigen Pigmenten in einer polymeren Matrix, die Herstellung von elektrisch leitenden Verkleidungen, Beschichtungen und Formstoffen mit niedrigen spezifischen elektrischen Widerständen, guten mechanischen Eigenschäften und hoher Sedimentationsstabilität.ermöglicht.

Darstellung desWesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verklebungen, Beschichtungen und Formstoffe hoher Stabilität und Homogenität mit günstigem Verhältnis zwischen Pigmentzusatz und Leitfähigkeit, bestehend atis. einer hochpolymeren Matrix und einer Einlagerung elektrisch leitfähiger Partikel, zu entwickeln. ·

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß elektrisch leitfähige Partikel unterschiedlicher Form und Größe in einer speziellen Zusammensetzung so in ein pulverförmiges oder flüssiges Harz~»Härter-Gemisch oder eine niedrigviskose Thermoplastschmelze eingebracht werden, daß bei relativ niedriger Pigmentvolumenkonzentration Verklebungen, Beschichtungen und Formstoffe mit niedrigen spezifischen Widerständen und guten mechanischen Eigenschaften erzielt werden« Zu diesem Zweck wird eine Mischung leitfähiger Partikel bestehend aus zwei Anteilen, die in ihrem Zusammenwirken der Bildung leitfähiger Brücken bzw* der Sedimentationsstabilisierung, .d» h, Thixotropierung, dienen,'hergestellt. Ein Pulveranteil von 90 bis 40 Volumenprozent der Gesamtpigmentierung hat dabei eine Korngröße χ > 10/um,und die Form der Partikel kann eckig, verästelt, flächenhaft, körnig,

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unregelmäßig, schwammig, sphärisch oder nadeiförmig sein. Die Sedimentä-tionsstabilisierung wird durch einen zweiten Pulveranteil von 10 bis 60 Volumenprozent, der eine . Korngröße χ < 10 /um und vorzugsweise flächenhafte Partikelform hat, bewirkt. Die Pulverkomponenten können aus edlen oder unedlen Metallen, edelmetallbeschichteten unedlen Metallen oder metallbeschichteten anorganischen Stoffen soiwie Kohlenstoffen kristalliner oder amorpher Struktur bestehen. ·

Durch die Verwendung von Pigmentarten, die sich in Form und Größe wesentlich voneinander unterscheiden, wird die Bildung isolierender Schichten zwischen den Partikeln, wie sie z. B. bei der alleinigen Verwendung plattchenförmiger Pigmente entstehen, vermieden. Gleichzeitig wird außerdem die Brückenbildung-gegenüber Systemen mit sphärischen Pigmenten durch die erfindungsgeinäße Pigmentierung verbessert, da durch den Anteil flächenhafter Pigmente die Wahrscheinlichkeit einer Querbrückenbildung und die Kontaktbruckenflachen vergrößert wird» Daraus resultiert, daß durch die Erhöhung der Brückenbildungswahrscheinlichkeit und durch die besondere geometrische Anordnung bei vergleichsweise geringen Pigmentvolumenkonzentrationen bereits niedrige spezifische elektrische Widerstände entstehen und die mechanischen Eigenschaften des Gemisches noch nicht wesentlich negativ durch die Pigmentierung beeinflußt werden»

Die so zusammengesetzten und homogenisierten Pigmente werden in die Bindemittelkomponente durch Dispergierung, z. B„ unter Verwendung einer Dreiwalzenmaschine, eingebracht* Es ist auch möglich, die beiden Pigmentteile getrennt in Komponenten des Bindemittels zu dispergieren und anschließend, den MischlingsVorgang einzuleiten« Pulver kleiner Korngröße, vorzugsweise χ < 10 /um, liegen in vielen Fällen als Dispersion in einer Flüssigkeit, vorzugsweise leichtverdunstenden.· Flüssigkeit, z. B.

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*m b «.

Aceton, vor. Dieser Dispersionsflüssigkeitsanteil behindert teilweise die Härtung und ist im gehärteten Bindemittel unvorteilhaft. Erfindungsgemäß wird in diesen Fällen die Flüssigkeit zuerst weitgehend abzentrifugiert, so daß nur ein kleiner Teil mit der Pulverkomponente in das Bindemittel gelangt. Dieser Restanteil kann, ohne z» B, eine aufwendige Vakuumbehandlung vornehmen zu müssen, durch eine Dispergierung auf einer Anreibemaschine mit großer Oberfläche, vorzugsweise einer Dreiwalzenmaschine j durch Verdunstung entfernt werden. Bei Anwendung des Verfahrens kann zur Herstellung von leitfähigen Beschichtungen -auf Werkstoffoberflächen,.Verstärkungsmaterialien, z«, B* Pasern oder Geweben, ggf. auf eine Entfernung der Dispergierungsflüssigkeit verzichtet v/erden, wenn die wirksame Oberfläche des Substrates zur Verdampfung genügend groß ist oder die mögliche Absorption unschädlich durchgeführt werden kann« Die Steuerung der Bildung leitfähiger Brücken kann weiterhin durch den Einsatz .von Reaktionsbeschleunigern bzw. -Verzögerungsmitteln positiv beeinflußt'werden. Die nach den dargestellten Verfahrensschritten erhaltenen Mischungen können prinzipiell mit bekannten Auftrags- oder Gießverfahren zur Realisierung von Verklebungen, Beschichtungen und Formstoffen verwendet werden·

Es wurde gefunden, daß durch Anwendung'des^:erfindungsgemäßen Verfahrens elektrisch leitende Verklebungen, Beschichtungen oder Formstoffe erhalten werden, die bereits bei relativ niedrigen Pigmeiitvolumenkonzentrationen niedrige spezifische elektrische Widerstände· zu realisieren gestatten« Die spezifischen elektrischen Widerstände liegen bei vergleichbarer Pigmentvolumenkonzentration um Größenordnungen unter denen, die bei Verwendung herkömmlicher Pigmentierungsverfahren erreichbar sind. Vorschlagsgemäß erfolgt die Sedimentationsstabilisierung mit Werkstoffen, die gleichfalls leit-

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fähig sind und einen,Teil der Gesamtstromtragfähigkeit übernehmen -bzw. keine elektrisch und thermisch isolierende Y/irkung haben» Dadurch, werden zusätzliche .Komponenten der Leitfähigkeitserhöhung wirksam.und homogene, elektrische und thermische Leitungseigenschaften in Beschichtungen und Formstoffen erzielt und die einschränkenden Bedingungen für Verklebungen überwunden»

Die Erfindung soll nachstehend'durch einige Beispiele näher erläutert werden*

Beispiel 1:

Zur Herstellung elektrisch leitender Verklebungen werden

100 Gewichtsteile kalthärtendes Epoxidharz, Zweikomponentensystem

110 Gewichtsteile Silberpulver_s Korngröße χ < 10/um plättchenförmigj lösungsmittelhaltig (Pigmentvoluinenkonzentration 9 %) und

220 Gewichtsteile Silberpulver, Korngröße χ > 10/um, chemisch gefällt, Form unregelmäßig (Pigmentvolumenkonzentration 18 %)

auf einer Anreibmaschine unter· extremer Vergrößerung der wirksamen Oberfläche dispergiert, nachdem der größte Teil des Lösungsmittels der plattchenförmigen Silberpulverkoinponente mit Abmessungen χ <ζ 10/um vor dem Vermischen abzentrifugiert worden war und anschließend zwischen Fügeteile gebracht und gehärtet.

Der spezifische elektrische Widerstand von Verklebungen mit Kupferfügeteilen beträgt bei 150/um Pugendi.cke O = 10*""³ 0hm cm.

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Beispiel 2: ....."

Zur Herstellung eines elektrisch leitenden lormstoffes werden

100 Gewichtsteile warmhärtendes-Epoxidharz,

Zweikomponentensystem · 0,5 Gewichtsteile Beschleuniger

100 Gewichtsteile Silberpulver, Korngröße x<10/um, platt chenförmig (Pigmentvolumenkonzentration ι 8,33 %)

200 Gewichtsteile Silberpulver, Korngröße χ >10 ,um, chemisch gefällt, Porm unregelmäßig

(Pigmentvolumenkonaentration 16,66%)

dispergiert und nach dem Verguß gehärtet. Der spezifische elektrische Widerstand des Formstoffes zwischen Kupferelektroden beträgt bei 1 mm Dicke O = 10 ^ 0hm cm.

Beispiel 3:

Ein System analog Beispiel 2, jedoch mit 100 Gewichtsteilen warmhärtendes Epoxidharz, Einkomponentensystem, in unausgehärtetem Zustand lösungsmittelhaltig, wird zur Herstellung von elektrisch leitenden Oberflächenbeschichtungen dispergiert und flächenhaft auf isolierende organische und anorganische Oberflächen aufgetragen. Die Schichtdicke ist durch quantitative Veränderungen des Lösungsmittelanteils variierbar. Der Lösungsmittelanteil verdampft bei der Erwärmung des Systems. Spez. elektr. Widerstand von OberflächenbeSchichtungen mit einer Schichtdicke, von 150/um b.eträgt Q =.10~·^ 0hm cm.

Claims

. · - 9 ~
Erfindunprsanspruch

Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender
Verklebungen, Beschichtungen und Formstoffe hoher Stabilität und Homogenität der elektrischen Leitfähigkeit mit günstigem Verhältnis zwischen Pigmenteinsatz und- Leitfähigkeit, bestehend aus
einer hochpolymeren Matrix und einer Einlagerung
elektrisch leitfähiger Partikel, gekennzeichnet
dadurch,, daß in ein pulverförmiges oder flüssiges Harz/Härter-Gemisch oder eine niederviskose Sher« inoplastschmelze leitfähige, vorwiegend plättchenfb'rmige, Partikel mit maximalen Abmessungen kleiner als 10/um und einem Volumenanteil von 10 bis 60 Volumenprozent der gesamten Pigmentmenge und 90 bis 40 Volumenprozent leitfähige Partikel unterschiedlicher Gestalt, vorzugsweise im Korngrößenbereich größer 10 /um, gleichmäßig verteilt eingearbeitet, gegebenenfalls bekannte Beschleuniger oder Verzögerungsmittel zugesetzt und nach an sich bekannten Methoden weiterverarbeitet werden.

Verfahren nach Punkt T, dadurch gekennzeichnet_s
daß eine oder beide Komponenten der leitfähigen
Partikel in Form einer Lösungsmitteldispersion eingesetzt werden*

Verfahren nach Punkt 1 und 2₉ dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel der Lösungsmitteldispersion vor oder während oder nach der Einarbeitung verdunstet wird«