DD278990A1 - Leitfaehiges textiles flaechengebilde aus glasseidenelementarfaeden - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein leitfaehiges textiles Flaechengebilde aus Glasseidenelementarfaeden, welches zur Herstellung von leitfaehigen Plastverbundwerkstoffen, vorzugsweise Duroplastverbunden geeignet ist. Die Herstellung des Plastverbundwerkstoffes erfolgt insbesondere im Handauflegeverfahren - SMC - und Wickelverfahren. Leitfaehige Duroplastverbunde werden fuer Abschirmungszwecke, in der Schiffahrtsindustrie, zur Erzeugung von Radarechos an Seenotrettungseinrichtungen und im Behaelter- und Gehaeusebau zur Ableitung elektrostatischer Aufladungen sowie elektromagnetischer Abschirmung angewandt. Die nach der Spinnschmelzmetallisierung hergestellten, mit modifizierten Schlichtesystemen versehenen aluminiumbeschichteten Glasseidenelementarfaeden werden auf eine Faserlaenge von 25 bis 100 mm geschnitten und mit einem chemischen Bindemittel verfestigt. Entsprechend der beabsichtigten Applikation werden die Parameter Faserdichte und Faserlaenge variiert. Die Schichtdicke des Aluminiums auf dem Elementarfaden muss 3 mm sein, da eine Schirmwirkung fuer eingestrahlte elektromagnetische Wellen im Mega- bis Gigahertzbereich nur bei einer Eindringtiefe im Mikrometerbereich gegeben ist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein leitfahiges textiles Flachengebilde aus Glasseidenelementarfäden, welches zur Herstellung von leitfähigen Plast-Verbundwerkstoffen, vorzugsweise von leitfahigen Duroplastverbunden, insbesondere im Handauflegeverfahren - SMC - und Wickelverfahren geeignet ist Leitfähige Duroplastverbunde werden eingesetzt fur
- die elektrische, magnetische und elektromagnetische Abschirmung von Bauelementen in elektronischen Geraten und
- die elektromagnetische Abschirmung elektronischer Gerate, Räume und Gebäude.
Ihr Einsatz erfolgt weiterhin in der Schiffahrtindustrie u.a. zur Erzeugung von Radarechos an Seenotrettungseinrichtungen Zur Ableitung elektrostatischer Aufladungen werden leitfahige Duroplastverbunde auch im Behalterbau angewandt. Leitfahige textile Flachengebilde aus Glasseidenelementarfaden werden zur Verhinderung elektrostatischer Aufladungen in Fußbodenbelage eingebracht.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Das Ziel, polymere Werkstoffe in immer neuen technischen Bereichen zu verwenden, führte dazu, daß sich die Polymerforschung mit der Entwicklung und Erprobung von sogenannten „leitfahigen Plasten" befaßt Grundsatzlich unterscheidet man drei Möglichkeiten ihrer Herstellung
1 Aufbringen leitfahiger Oberflachenschichten
2 Herstellung intrinsich leitfahiger Kunststoffe
3 Einarbeitung leitfahiger Zusatzstoffe in die Polymermatrix
Als Technologien zum Aufbringen von leitfahigen Oberflachenschichten, sind Aufdampfen, Kathodenzerstäubung (Sputtern), Spritzgalvanisieren, Flammspritzen, Anwendung metallischer Anstrichstoffe, Aufbringen von Metallfolien, Metallbandern unci metallisierten textlien Flachengebilden bekannt, ζ B DE-OS 3017204, DE-PS 3045790.
Der gemeinsame Nachteil dieser Technologien ist, daß sie überwiegend ausrustungs- und/oder arbeitszeitintensiv sind Die Gruppe der intrinsich leitfahigen Plaste befindet sich noch in der Entwicklung. Die bisher erreichten Eigenschaften, insbesondere das Langzeitverhalten bei den mechanischen und elektrischen Parametern, schließen eine technische Verwertung vorerst aus
Auf dem Gebiet der Plaste mit leitfahigen Zusatzstoffen ist eine Vielzahl von Losungen bekannt und schutzrechtlich gesichert, wie ζ B in JP-PS 58-206640, JP-PS 59-10953J, JP-PS 59-184239, JP-PS 60-26043, JP-PS 60-55053, JP-PS 60-144364 Als leitfahige Zusatzstoffe werden u.a Metallpulver, Metallflocken, Metallfaden, Metallbander, Kohlenstoff-, Graphit- und Stahlfasern, Graphit und leitfahige Rußarten, metallisierte Glasfasern oder Glaskugeln eingesetzt.
Plaste mit leitfahigem Ruß als Zusatzstoff nehmen gegenwartig den größten Raum ein (DE-OS 3135430). Sie haben jedoch den Nachteil, daß mit ihnen selbst bei hohem Rußgehalt nur Widerstandswerte von 10-100Ω cm und maßige Schirmdamfpungswerte bei gleichzeitiger Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Plastverbundwerkstoffes
erreichbar sind. Alle Plastverbunde mit leitfahigen Zusatzstoffen, z. B. Metallflocken, Metallpulver, Metallfaden, Graphit, leitfahiger Ruß, Stahlfaser, weisen folgende Nachteile auf:
- gute elektrische Eigenschaften sind nur zu Lasten der mechanischen Eigenschaften erreichbar,
- die Temperaturwechselbestandigkeit der elektrischen Parameter ist ungenügend,
- bei der Verarbeitung von Ruß und anderen pulverformigen Stoffen sind teilweise erhebliche Aufwendungen zum Gesundheits-, Arbeits- und Brandschutz notwendig.
- das Aussehen wird durch die meisten der Zusatzstoffe negativ beeinflußt,
- bei der Verarbeitung mit üblichen Technologien tritt bei den benutzten Anlagen bei Einsatz von Stahlfasern und Metallflocken ein extrem erhöhter Verschleiß auf
Damit gewinnen Zusatzstoffe mit Faserstrukturen zunehmend an Bedeutung, insbesondere metallisierte Glasfasern oder Glasseiden
Metallisierte Glasfasern in Form von aluminiumbeschichteten Glasfasern als alleiniger Zusatzstoff fur die Leitfahigkeitsausrustung von Polymeren zu verwenden ist bisher nicht bekannt. US-PS 4566990 beschreibt die Herstellung von synergistischen Mischungen leitfahiger Zusatzstoffe zur Herstellung von Kunststoffen fur die elektromagnetische Abschirmung Dabei kommen neben aluminiumbeschichteten Glasfasern auch Aluminiumflocken und Glasfasern zum Einsatz Die Mischung wird über das Spritzgußverfahren zu einem leitfahigen Thermoplast verarbeitet. EP-PS 0014104 schützt die Herstellung wärmeleitender, elektrisch leitender Prepregs durch Imprägnieren eines Glasseidengewebes, das teilweise aus mit aluminiumbeschtchteten Glasseiden besteht, mit Epoxydharz, UP-Harz, PA oder Polysulfon Als Glasseide wird sogenanntes Hybridgarn eingesetzt Der Nachteil dieses geschützten Erzeugnisses besteht darin, daß zur Herstellung des metallisierten Glasseidengewebes zusätzliche Prozeßstufen eine kostenmäßig ungunstige Beeinflussung bewirken und der Webprozeß problematisch ist, weil der metallisierte Glasseidenfaden ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen den hohen mechanischen Belastungen auf Grund seiner Sprodigkeit und geminderten Festigkeit nicht gewachsen ist
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, ein kostengünstiges leitfahiges textiles Flachengebilde aus Glasseidenelementarfaden zu schaffen, welches gewahrleistet, daß im Plast-Verbundwerkstoff die bekannten mechanischen Eigenschaften beibehalten und außerdem ein elektrischer Widerstand in der Größenordnung kleiner 1 χ 108 il cm erreicht wird
Wesen der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, aluminiumbeschichtete Glasseidenelementarfaden geschnitten, ungerichtet orientiert, mit einem Bindemittel als textiles Flachengebilde verfestigt, zur Herstellung von leitfahigen Duorplastverbunden zu schaffen.
Erfindungsgemaß besteht das leitfahige textile Flachengebilde aus aluminiumbeschichteten Glasseidenelementarfaden Die fur die Herstellung eines leitfahigen Duroplastverbundes optimale Beschichtung wird mit üblichen Verfahren wahrend des Herstellungsprozesses der aluminiumbeschichteten Glasseidenelementarfaden realisiert, wahrend zur Anwendung gelangende Schhchtesysteme modifiziert sind Der Elementarfadendurchmesser betragt 13-30цт und der Anteil des Aluminiums mindestens 8% der Gesamtmasse des metallisierten Elementarfadens
Die Schichtdicke des Aluminiums auf dem Elementarfaden betragt mindestens Зцт, da eine Schirmwirkung fur eingestrahlte elektrische Wellen im Mega- bis Gigaherzbereich nur bei einer Eindringtiefe im Mikrometerbereich gegeben ist Diese aluminiumbeschichteten Elementarfaden werden auf eine Faserlange von 25 bis 100mm geschnitten und mit einem chemischen Bindemittel verfestigt
An die aluminiumbeschichteten Glasseidenelementarfaden ergeben sich folgende Forderungen
1 Die Metallisierung soll eine möglichst große Anzahl der Elementarfaden erfassen
2 Die Metallschicht darf keine Unterbrechung aufweisen (durchgangige Leitfähigkeit)
3 Der Metallfilm soll den Glasfaden nicht vollständig umschließen, damit zumindest ein Teil des bekannten Verstarkungseffektes von Glasfaser-Harz-Verbunden erhalten bleibt
Das erfindungsgemaße Erzeugnis kann durch die Parameter Faserdichte und Faserlange entsprechend der beabsichtigten Applikation variiert werden
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemaßen Erzeugnisses besteht darin, daß seine Herstellung wesentlich problemloser und kostengünstiger als beispielsweise die Herstellung metallisierter Glasseidengewebe ist Ursachen sind einerseits das Entfallen zusätzlicher Prozeßstufen und andererseits die Tatsache, daß der metallisierte Glasseidenelementarfaden ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen den hohen mechanischen Belastungen im Webprozeß auf Grund seiner Sprodigkeit und geringen Festigkeit nicht gewachsen ist Die kostengünstige Herstellung des erfindungsgemaßen Erzeugnisses ist begründet durch die optimale Metallisierungstechnologie, Spinnschmelzmetallisierung, und das einfach zu handhabende und billige Metall Aluminium
In Tabelle 1 sind grundsätzlich mögliche Metallisierungstechnologien fur Glasseide in bezug auf den elektrischen Widerstand der Elementarfaden und die spezifischen Herstellungskosten bewertet
Tabelle 1: Verfahren zur Herstellung metallisierter Glasfasern
Verfahren Elektrischerwiderstand Spezifische Herstellungs
der Elementarfaden in kosten in
(ü cm) (M/kg)
Imprägnierung 0,5 1 000-2 000
mit metallpigmenthaltigen
Lacken
Spritzgalvamsierung 0,01 500-1 000
Vakuumbedampfung 25-50 500-1 000
Spinnschmelzmetal- 2,5 100-150
lisierung (Al)
Stromlose Abscheidung von 106-108 300-500
Metallen durch Reduktion
wahrend des Spinnprozesses
Die Herstellung leitfahiger Duroplastverbunde mit dem erfindungsgemaßen Erzeugnis erfolgt mit den in der Plastverarbeitung üblichen Verfahren, wie Handauflegeverfahren, SMC-Verfahren oder Wickelverfahren Dabei können in Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren folgende elektrische und mechanische Kennwerte erhalten werden
Tabelle 2 Handauflegeverfahren mit kalt- oder heißhartenden Epoxidharzsystemen
Lagenzahl Schirmdampfung 0-1000MHz SE in dB 25-30 27-42 30-43 36-45 elektrischer Durchgangs widerstand ςνιηΠ cm E Modul in GPa
2 3 4 5 6 6-12 10-15 22-29 25-32 25-31 120 100 18 15 15 6,5-9,3
Tabelle 3: Wickelverfahren mit kalthartenden Epoxidharzsystemen
Anzahl Elementarfaden Schirmdampfung im Wickelstrang 0-1 000 MHz SE in dB elektrischer Durchgangswiderstand ςνιπΩ cm E-Modul in GPA
90 1000 1980 5000 45,0 12,5 1,5 1,0 5,2-7,7
Tabelle 4 SMC-Verfahren mit UP-Harzsystemen aseranteil 55Ma %
Faserlange Schirmdampfung elektrischer E Modul
Lm mm 0-1000MHz Durchgangswiderstand in GPa
in dB in Π cm
12 6-10 125,0
24 17-26 11,5 3,5-5,5
36 25-41 1,5
48 23-45 0,5
Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Schirmdampfungseigenschaften von Faseranteil bzw Faserlange sowie dem Durchgangswiderstand Es konnte folgende Korrelation zwischen Durchgangswiderstand und Schirmdampfung ermittelt werden
Abb 1 Korrelation zwischen Durchgangswiderstand und Schirmdampfung bei Plast/MGSE-Verbunden SE ІП dB
Log R in Ьс о cm
Dies zeigt, daß mit bekannten Verfahren zur Duroplastmodifizierung Plaste mit genügend niedrigem elektrischen Widerstand und damit hoher Abschirmwirkung gegenüber elektromagnetischer Strahlung im Bereich bis 1000MHz hergestellt werden können Gleichzeitig kann trotz des geringeren Festigkeitsniveaus metallisierter Glasfasern im Vergleich zu herkömmlichen Glasseidenerzeugnissen em mechanischer Verstarkungseffekt nachgewiesen werden Dieser betragt etwa 50% des bei normalen Glasseidenerzeugnissen erreichbaren Effektes, wobei speziell abgestimmte Schlichtesysteme zum Einsatz kommen Diese Kombination von elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Verstärkung kann mit den gebräuchlichen leitfahigen Zusatzstoffen, insbesondere Ruß und Aluminiumflocken nicht erreicht werden Ein weiterer Vorteil der nach о g Verfahren hergestellten Formteile besteht in der relativen Konstanz der elektrischen Parameter gegenüber Temperaturwechselbeanspruchung Bei mit Stahlfasern ausgerüsteten Thermoplasten kommt es nach 5 Temperaturzyklen von 20-800C zu einem Abfall der Durchgangswiderstandswerte um 80% Ähnliche Effekte sind bei anderen metallischen Zusatzstoffen nachweisbar (Pulver, Plattchen) Bei Formteilen mit metallisierter Glasseide traten solche Erscheinungen in weitaus geringerem Umfang erst bei maximalen Zyklustemperaturen von > 1500C auf Der wesentlichste Vorteil leitfahiger Duroplastverbunde auf der Basis des erfindungsgemaßen Flachengebildes ergibt sich aus dem bereits aufgezeigten Vorteil zu diesem selbst, namhch dessen kostengünstige Herstellung
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an 2 Beispielen erläutert werden
Beispiel 1
Nach der Erfindung besteht ein leitfahiges textiles Flachengebilde aus Glasseidenelementarfaden mit einer Flachenmasse von 400g/m2 aus Al-beschichteten Glasseidenelementarfaden, wobei bei halbseitiger Al-Ummantelung der Anteil des Aluminiums 20% der Gesamtmasse des metallisierten Elementarfadens und die Schichtdicke des Aluminiums auf dem Elementarfaden 8 μηι betragt Der Elementarfadendurchmesser betragt 25μηι und die Faserlange der Elementarfaden 50mm
Beispiel 2
Das leitfahige textile Flachengebilde aus Glasseidenelementarfaden nach Beispiel 1 wird auf die fur die vorgegebene Form geeigneten Abmessungen zugeschnitten, mit einem kalthartenden Epoxidharz des Typs A 19-00 mit Harter Diphenyltnamin DPTA getrankt Es werden nacheinander 4 Lagen des leitfahigen textlien Flachengebildes aus Glasseidenelementarfaden verarbeitet, die bei der Verbundherstellung jeweils im Windel von 90° angeordnet werden, um eine möglichst isotrope Faseranordnung in der Ebene und gleichzeitig ein Maximum der mechanischen Belastbarkeit des Verbundes zu gewährleisten Nachdem das Epoxidharz den Gelzustand erreicht hat, wird der Verbund in einer Hochdruckpresse des Typs LAUFER OPS 10L mit einem Druck von 1,2MPa bei einer Temperatur von 65°C verpreßt Der leitfahige Duroplastverbund weist folgende elektrische Kennwerte auf Durchgangswiderstand 50-100Ω cm Schirmdampfung 30—4OdB

Claims (8)

1. Leitfähiges textiles Flächengebilde aus Glasseidenelementarfäden, dadurch gekennzeichnet, daß es aus längenbegrenzten metallisierten Glasseidenelementarfäden besteht, die ungerichtet orientiert und mit einem chemischen Bindemittel verfestigt sind.
2. Leitfähiges textiles Flächengebilde aus Glasseidenelementarfäden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung der Glasseidenelementarfäden durch eine Aluminium-Schmelze erfolgt.
3. Leitfähigestextiles Flächengebilde aus Glasseidenelementarfäden nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Aluminiums mindestens 8% der Gesamtmasse des metallisierten Elementarfadens beträgt.
4. Leitfähiges textiles Flächengebilde aus Glasseidenelementarfäden nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des Aluminiums auf dem Elementarfaden mindestens 3 μιτι beträgt.
5. Leitfähiges textiles Flächengebilde aus Glasseidenelementarfäden nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elementarfadendurchmesser 13 bis 30 μιτι, vorzugsweise 25 μιτι betragt.
6. Leitfähiges textiles Flächengebilde aus Glasseidenelementarfäden nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlänge der Elementarfäden 25 bis 100 mm, vorzugsweise 50 mm betragt.
7. Leitfahiges textiles Flächengebilde aus Glasseidenelementarfäden nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasseidenelementarfäden halbseitig durch den Metallfilm ummantelt ist.
8. Leitfähiges textiles Flächengebilde aus Glasseidenelementarfäden nach Anspruch 1,2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Herstellung von leitfähigen Plast-Verbundwerkstoffen, vorzugsweise für leitfähige Duroplastverbunde angewandt wird.
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