DE10127373A1 - Verfahren zum Bereitstellen von erhöhter Leitfähigkeit für ein Material - Google Patents

Abstract

Die vorgelegte Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit eines Materials sowie durch das Verfahren hergestellte Materialien. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, das das Auftragen von Teilchen von aufgeweitetem (expandiertem) Graphit auf ein Substrat oder Material beinhaltet, um dessen Leitfähigkeit zu erhöhen. Die Teilchen von aufgeweitetem Graphit können auf das Substrat oder Material aufgetragen werden, indem das Substrat mit einer Zusammensetzung, welche die aufgeweiteten Graphitteilchen umfasst, beschichtet wird oder indem Teilchen von aufgeweitetem Graphit in das Substrat oder Material selbst eingebracht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit eines Materials sowie durch das Verfahren hergestellte Mate­ rialien. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, das das Auftragen von Teilchen von aufgeweitetem (expandiertem) Graphit auf ein Substrat oder Material beinhaltet, um die Leitfähigkeit des Substrats oder Materials zu erhöhen. Die Teilchen von aufgeweitetem Graphit können auf das Substrat oder Material aufgetragen werden, indem das Substrat mit einer Zusammensetzung, welche die aufgeweiteten Graphitteilchen umfasst, beschichtet wird oder indem Teilchen von aufgeweitetem Graphit in das Substrat oder Material selbst eingebracht werden.

In der Industrie gab es seit langem einen Bedarf, nicht oder ungenügend leitende Mate­ rialien elektrisch leitfähig zu machen. Beispielsweise ist elektrostatisches Lackieren in der Automobilindustrie das am stärksten bevorzugte Verfahren zum Lackieren von Bauele­ menten. Elektrostatisches Lackieren bietet ein Mehrfaches der Übertragungseffektivität des Sprühlackierens, wodurch eine verbesserte Qualität und wesentliche Einsparungen erzielt werden, indem der Lackverbrauch um bis zu 75% reduziert wird. Dies hat den zusätzlichen Nutzen, dass, verglichen mit dem Sprühlackieren, Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen und anderen gefährlichen Schadstoffen stark verringert werden. Jedoch erfordert elektrostatisches Lackieren aus Effektivitätsgründen eine leitende Oberfläche. Herkömmlicherweise muss auf das zu lackierende Teil, wenn es ein Kunststoff oder ein anderes nicht metallisches Material ist, zuerst eine Primerbeschichtung eines leitenden Lacks aufgetragen werden, wodurch das elektrostatische Lackierverfahren komplizierter und deshalb weniger wünschenswert als andere wird.

Beispielsweise beschreiben Hartman, Rei, Castagnone und Hamay in US-Patent Nr. 6,019,833 die Verwendung einer Primerbeschichtung zum Erleichtern des elektrostatischen Lackierens eines nicht leitenden Gegenstands, wobei die Primerbeschichtung Kohlenstoff­ fibrillen enthält. In einem Versuch, dieses Problem anzugehen, beschreibt US-Patent Nr. 6,001,919 von Yen, Ingham und Bono eine Formmasse mit einem leitenden Füllstoff, spe­ ziell Ruß, um einen Gegenstand zu erzeugen, der eine ausreichende Leitfähigkeit besitzt, um elektrostatisches Lackieren zu unterstützen.

Ebenso müssen bestimmte Bauteile, wie Bauteile für Kraftstoffsysteme von Automobi­ len, behandelt werden, damit die statische Elektrizität abgeleitet wird, um ein zufälliges Ent­ zünden zu vermeiden. Beispielsweise wurden bestimmte Bauteile für Kraftstoffsysteme vorgeschlagen, wie Kraftstofffilterbauteile, die aus Kunststoffen, wie Nylon, hergestellt werden. Solche Kunststoffbauteile brauchen verbesserte statische Entladungseigenschaften.

Ein weiteres, damit nicht verwandtes Gebiet, in dem eine verbesserte elektrische Leit­ fähigkeit erwünscht sein kann, ist die Herstellung von gedruckten Leiterplatten. Herkömm­ licherweise sind gedruckte Leiterplatten feste Schaltkreise, die aus einem leitenden Material erzeugt werden, das auf gegenüberliegenden Seiten eines isolierenden Materials oder in Schichten positioniert wird, wobei isolierendes Material zwischen die Schichten des leitenden Materials gelegt wird. Um zwischen den Schaltkreisen auf der Leiterplatte elek­ trische Verbindungen herzustellen, wird zuerst ein Loch durch die Platte gebohrt, d. h. durch die leitenden Lagen und das dazwischengelegte Isolationsmaterial. Diese Löcher sind auf dem Fachgebiet als "durchgehende Löcher" bekannt. Anschließend muss ein leitender Weg erzeugt werden, um die jeweiligen Schaltkreise zu verbinden. Am häufigsten wird dieser lei­ tende Weg durch elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf den Oberflächen der durch­ gehenden Löcher erzeugt. Jedoch macht die Anwesenheit von isolierendem Material die elektrolytische Abscheidung von Kupfer schwierig und uneinheitlich. Folglich muss eine ausreichende Leitfähigkeit auf den Oberflächen der durchgehenden Löcher aufgebaut werden, um die elektrolytische Abscheidung von Kupfer zu gestatten.

Mehrere Verfahren zur Schaffung von ausreichender Leitfähigkeit, um die einheitliche elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf den Oberflächen der durchgehenden Löcher zu ermöglichen, wurden vorgeschlagen. Ein derartiges Verfahren besteht in der Verwendung von sogenanntem "stromlosen" Kupfer, das heißt Kupfer, das chemisch auf den Oberflächen der durchgehenden Löcher in einer Dicke abgeschieden wird, die ausreicht, um eine elektro­ lytische Abscheidung zu ermöglichen (aber nicht so dick, dass die Notwendigkeit für eine elektrolytische Abscheidung entfällt). Wenngleich sich die stromlose Abscheidung als wirksam erwiesen hat, weist sie mehrere kommerzielle Nachteile auf. Beispielsweise erfordert das stromlose Abscheidungsverfahren mehrere Schritte vor dem Elektroplattieren; bedingt eine verhältnismäßig lange Verfahrensdauer; verwendet mehrere Behandlungsbäder; ist chemisch komplex, was eine konstante Überwachung und individuelle Inhaltsstoffe erfordert, die möglicherweise einzeln nachgefüllt werden müssen; verwendet verschiedene Chemikalien, die als Carcinogene eingestuft werden und/oder in anderer Weise gefährlich sind oder Schwermetalle einschließen, wodurch sich Sicherheitsrisiken ergeben und eine umfangreiche Abfallbehandlung erforderlich wird; und verwendet eine Vielzahl von Spülbädern und kann dadurch große Wassermengen notwendig machen.

In einem Versuch zur Vermeidung der Nachteile des stromlosen Abscheidungsverfah­ rens beschreiben Minten und Pismannaya in US-Patent Nr. 4,619,741 das Beschichten der Oberflächen oder Wandungen der durchgehenden Löcher der gedruckten Leiterplatte mit Teilchen aus Ruß, wodurch eine ausreichende Leitfähigkeit bereitgestellt wird, um die elektrolytische Kupferabscheidung zu unterstützen. In ähnlicher Weise offenbaren Thorn, Polakovic und Mosolfn US-Patent Nr. 5,389,270 das Beschichten der Wandungen der durchgehenden Löcher der gedruckten Leiterplatte mit Teilchen aus Graphit mit einer mittleren Teilchengröße von 0,05 bis 50 µm. Wenngleich Thorn et al. nahelegen, dass Teilchen aus natürlichem Graphit verwendet werden können, geben sie an, dass synthetischer Graphit bevorzugt wird.

Ältere offenbarte Verfahren, die darauf abzielen, ungenügend leitende Gegenstände leitfähig zu machen, zeigen wesentliche Mängel. Beispielsweise wurden Kohlenstofffasern, Kohlenstofffibrillen, Nanoröhrchen, mit Nickel beschichtete Kohlenstofffasern, Stahlfasern, Rußarten usw. als leitende Füllstoffe vorgeschlagen, aber die in vielen Verfahren nach dem Stand der Technik erforderlichen Beladungsgrade, um den erforderlichen Grad an Leitfähig­ keit zur Verfügung zu stellen, können untragbar hoch sein; ebenso sind die Einheitlichkeit, das Gewicht und die Dichte oftmals ein Problem. In ähnlicher Weise können auch die Kosten von einigen der Verfahren nach dem Stand der Technik, wie bei Kohlenstofffibrillen oder Nanoröhrchen, unerschwinglich sein.

Andere verhältnismäßig nicht leitende Materialien, einschließlich Fette und Öle, kön­ nen als Wärme- und elektrische Isolatoren wirken und leiten dadurch die Wärme und stati­ sche Elektrizität nicht ausreichend von z. B. Getriebekästen und anderen sich bewegenden Metallteilen ab, bei denen Reibung Wärme und statische Elektrizität erzeugen kann. Eine unzureichende Ableitung von Wärme und statischer Elektrizität kann übermäßige oder vor­ zeitige Korrosion verursachen.

Ebenso gibt es auch viele Anwendungen, in denen leitende Klebstoffe wünschenswert sein können. Beispielsweise werden Klebstoffe oft verwendet, um Materialien, wie Wärme­ abführelemente oder thermische Grenzflächen, mit einer Wärmequelle zu verbinden. Bei ungenügender Leitfähigkeit kann ein Klebstoff die gewünschte Wärmeübertragung stören, wodurch die Nützlichkeit des Wärmeabführelements oder der thermischen Grenzfläche ver­ ringert wird. Zudem kann ein leitender Klebstoff auch dazu dienen, die Erdung eines elek­ trischen Geräts, in dem er verwendet wird, zu erleichtern.

Deshalb ist ein Verfahren zur Erhöhung der Leitfähigkeit eines ungenügend leitenden Materials, Gegenstands oder einer Oberfläche erwünscht, das die anderen erwünschten Eigenschaften des Materials, Gegenstands oder der Oberfläche nicht nachteilig beeinflusst. Ein derartiges Verfahren ist kostengünstig und sorgt für ausreichende Leitfähigkeit ohne un­ erwünscht hohe Beladungsgrade oder Gewichtzunahme.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erhöhung der Leit­ fähigkeit eines ungenügend leitenden Materials, Gegenstands oder einer Oberfläche bereitzu­ stellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das die Leit­ fähigkeit eines Materials, Gegenstands oder einer Oberfläche erhöht, während die erwünsch­ ten Eigenschaften des Materials, Gegenstands oder der Oberfläche erhalten bleiben.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Gegenstand mit genügender Leitfähigkeit bereitzustellen, wodurch das elektrostatische Lackieren des Gegenstands mög­ lich wird.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gedruckte Leiter­ platte mit durchgehenden Lochwandungen, die genügend leitend sind, bereitzustellen, wo­ durch die elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf den Wandungen möglich wird.

Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Öl oder Fett bereitzustellen, das genügend leitend ist, damit die durch sich bewegende Teile erzeugte Wärme und/oder statische Elektrizität wenigstens teilweise abgeleitet wird.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Klebstoff bereit­ zustellen, der genügend leitend ist, damit die Verringerung der thermischen oder elektrischen Leitung zwischen zwei durch die Verwendung des Klebstoffs verbundene Gegenstände mini­ miert wird.

Diese Aufgaben und andere, die dem Fachmann beim Studium der folgenden Be­ schreibung klar werden, können durch ein Verfahren zur Erhöhung der elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit eines Materials oder eines Substrats, insbesondere eines Kunst­ stoffsubstrats gelöst werden. Ein geeignetes Substrat ist z. B. ein Bauelement für ein Kraft­ fahrzeug oder eine gedruckte Leiterplatte. Das Verfahren beinhaltet das Auftragen einer Zusammensetzung, die Teilchen von aufgeweitetem Graphit umfasst, auf wenigstens einige der Oberflächen des Substrats. Vorzugsweise wird aus den Teilchen von aufgeweitetem Graphit vor dem Auftragen der Zusammensetzung auf das Substrat ein Pulver erzeugt und die Zusammensetzung umfasst ferner einen Träger für die pulverisierten Teilchen von aufgeweitetem Graphit, wobei der Träger ein Material ist, das auf den Zielflächen des Subtrats eine klebende Beschichtung erzeugen kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eines Substrats bereitgestellt, wobei das Verfahren das Einbringen von Teilchen von aufgeweitetem Graphit in das Substrat beinhaltet. Wie angemerkt, werden in dem Verfahren vorzugsweise Teilchen von aufgeweitetem Graphit eingesetzt, aus denen vor dem Einbringen des expandierten Graphits in das Substrat ein Pulver erzeugt wurde.

In alternativen Ausführungsformen der Erfindung werden die Teilchen von aufgeweite­ tem Graphit in ein Fett oder Öl, wie ein Polyolefin- oder ein anderes Kohlenwasserstofffett oder -öl; einen Klebstoff, wie eine Acryl-, Stärke-, Polyethylen- oder Epoxyklebstoff­ zusammensetzung; oder eine Kautschukzusammensetzung eingebracht, wodurch die thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit des Materials, in das die Teilchen von aufgeweitetem Graphit eingebracht werden, erhöht wird.

Graphite sind aus Schichtebenen hexagonaler Gruppen oder Netzwerken von Kohlen­ stoffatomen aufgebaut: Diese Schichtebenen von hexagonal angeordneten Kohlenstoffato­ men sind im wesentlichen flach und so orientiert oder geordnet, dass sie im wesentlichen parallel und zueinander äquidistant sind. Die im Wesentlichen flachen, parallel äquidistanten Lagen oder Schichten von Kohlenstoffatomen, die üblicherweise als Basisflächen bezeichnet werden, sind miteinander verknüpft oder verbunden und ihre Gruppen sind in Kristalliten angeordnet. Hochgradig geordnete Graphite bestehen aus Kristalliten von beträchtlicher Grö­ ße, wobei die Kristallite in Bezug zueinander hochgradig ausgerichtet oder orientiert sind und geordnete Kohlenstoffschichten haben. Mit anderen Worten besitzen hochgradig geord­ nete Graphite einen hohen Grad der bevorzugten Kristallitorientierung. Graphite besitzen an­ isotrope Strukturen und zeigen oder besitzen demzufolge viele Eigenschaften, wie elektri­ sche Leitfähigkeit, die stark richtungsabhängig sind. Kurz gesagt können Graphite als lami­ nierte Strukturen von Kohlenstoff gekennzeichnet werden, das heißt, Strukturen, die aus übereinander liegenden Schichten oder Blättchen von Kohlenstoffatomen bestehen, die durch schwache von der Waals-Kräfte verbunden sind. Im Hinblick auf die Graphitstruktur werden üblicherweise zwei Achsen- oder Richtungsgruppen festgelegt, nämlich die "c"-Achse oder Richtung und die "a"-Achsen oder Richtungen. Der Einfachheit halber kann die "c"-Achse oder Richtung als die Richtung senkrecht zu den Kohlenstoffschichten betrachtet werden. Die "a"-Achsen oder Richtungen können als die Richtungen parallel zu den Kohlenstoff­ schichten (parallel zur planaren Richtung der Kristallstruktur des Graphits) oder die Rich­ tungen senkrecht zur "c"-Richtung betrachtet werden.

Wie vorstehend angemerkt, sind die Bindungskräfte, welche die parallelen Schichten der Kohlenstoffatome zusammenhalten, nur schwache von der Waals-Kräfte. Graphite können so behandelt werden, dass der Abstand zwischen den übereinander liegenden Kohlenstoffschichten oder Blättchen nennenswert vergrößert werden kann, so dass sich eine deutliche Ausdehnung in der Richtung senkrecht zu den Schichten, das heißt in der "c"-Richtung, und demzufolge eine aufgeweitete Graphitstruktur ergibt (auch als aufgeblätterter oder Intumeszenz-Graphit bezeichnet), in welcher der schichtförmige Charakter der Kohlenstoffschichten im wesentlichen beibehalten wird.

Graphitflocken, die stark aufgeweitet wurden und insbesondere so aufgeweitet wurden, dass sie eine Enddicke oder die Dimension der "c"-Richtung haben, die das etwa 80- oder noch höherfache der ursprünglichen Dimension der "c"-Richtung beträgt, können ohne Verwendung eines Bindemittels zu kohäsiven oder integrierten Gegenständen und flexiblen Graphitschichten des aufgeweiteten Graphits, z. B. Bahnen, Papier, Streifen, Bändern oder dergleichen, geformt werden. Es wird angenommen, dass aus Graphitteilchen, die auf eine Enddicke oder zur "c"-Dimension aufgeweitet wurden, die das etwa 80- oder noch höherfache der ursprünglichen Dimension der "c"-Richtung beträgt, aufgrund des ausgezeichneten mechanischen Ineinandergreifens oder der Kohäsion, die zwischen den voluminös aufgeweiteten Graphitteilchen erreicht wird, integrierte Gegenstände und flexible Schichten durch Zusammenpressen ohne Verwendung eines verbindenden Materials hergestellt werden können.

Allgemein gesagt, umfasst das Verfahren zur Herstellung von flexiblem, bindemittel­ freiem, anisotropem Graphitschichtmaterial, z. B. Bahn, Papier, Streifen, Band, Folie, Matte oder dergleichen, ein Zusammenpressen oder Verdichten unter einer vorbestimmten Last und ohne ein Bindemittel von aufgeweiteten Graphitteilchen, die Dimensionen der "c"-Richtung haben, die wenigstens das etwa 80fache derjenigen der ursprünglichen Teilchen beträgt, wo­ durch eine im wesentlichen flache, flexible, integrierte Graphitschicht erzeugt wird. Die aufgeweiteten Graphitteilchen, die im Erscheinungsbild im allgemeinen spiralartig oder spiralförmig sind, behalten nach dem Zusammenpressen die Druckverformung und Ausrich­ tung mit gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Schicht bei. Durch die Steuerung des Grads des Zusammenpressens kann die Dichte und Dicke des Schichtmaterials variieren. Die Dichte des Schichtmaterials kann innerhalb des Bereichs von etwa 0,1 g/cm³ bis etwa 1,5 g/cm³ liegen.

Ist die flexible Graphitschicht hergestellt, kann aus ihr beispielsweise durch Vermahlen im Windsichter, Strahlmahlen, Kugelmahlen, Schlagmahlen oder durch andere Verfahren, die dem Fachmann vertraut sind, ein Pulver erzeugt werden. In einer anderen AusfUhrungs­ form kann aus den Teilchen von aufgeweitetem Graphit, bevor aus ihnen eine flexible Gra­ phitschicht erzeugt wird, ein Pulver zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung erzeugt werden.

Wie vorstehend erörtert, beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Erhöhen der Leit­ fähigkeit eines Materials oder Gegenstands oder ein Erhöhen der Leitfähigkeit einer Oberfläche eines Gegenstands. Das Verfahren konzentriert sich auf das Auftragen einer Zusammensetzung, umfassend Teilchen von aufgeweitetem Graphit, auf entweder eine Oberfläche eines Gegenstands, wie eines Bauelements für ein Kraftfahrzeug, wie ein Automobil, oder auf die Oberfläche (oder Wandungen) eines oder mehrerer durchgehender Löcher einer gedruckten Leiterplatte. Nach Beschichtung mit der Graphitzusammensetzung kann der Gegenstand behandelt werden, wie durch elektrostatisches Lackieren des Bauele­ ments oder durch elektrolytisches Abscheiden von Kupfer auf den durchgehenden Löchern der gedruckten Leiterplatte. In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Einbringen von Teilchen von aufgeweitetem Graphit in ein Material oder einen Gegenstand, wie ein Bauelement eines Kraftfahrzeugs, ein Fett oder Öl, einen Klebstoff oder eine Kautschukzusammensetzung, um die Leitfähigkeit des Materials oder Gegenstands zu erhöhen, woraufhin das Material oder der Gegenstand weiter behandelt werden kann, wie durch elektrostatisches Lackieren.

Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Graphitausgangsmaterialien schließen hochgradig graphitartige, kohlenstoffhaltige Materialien ein, die Säuren, wie Schwefelsäure, Salpetersäure usw., interkalieren können. Diese hochgradig graphitartigen, kohlenstoffhaltigen Materialien besitzen einen Graphitisierungsgrad oberhalb von etwa 0,80 und am stärksten bevorzugt von etwa 1,0. Wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, steht der Begriff "Graphitisierungsgrad" für den Wert g gemäß der Formel:

wobei d(002) der Abstand zwischen den Graphitschichten der Kohlenstoffatome der Kristall­ struktur, gemessen in Angstrom-Einheiten, ist. Der Abstand d zwischen Graphitschichten wird durch Standard-Röntgenbeugungsverfahren gemessen. Die Positionen der Beugungs­ maxima, die den Millerschen Indizes (002), (004) und (006) entsprechen, werden gemessen und die Standardverfahren der kleinsten Fehlerquadrate werden angewandt, um den Abstand abzuleiten, der den Gesamtfehler für alle diese Maxima minimiert. Beispiele für hochgradig graphitartige, kohlenstoffhaltige Materialien sind synthetische Graphite und natürliche Gra­ phite aus verschiedenen Quellen, ebenso wie andere kohlenstoffhaltige Materialien, wie bei Temperaturen oberhalb von 2500°C hitzebehandelter Petrolkoks, durch chemische Abscheidung aus der Gasphase oder Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen hergestellte Kohlenstoffe und dergleichen.

Die in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Graphitausgangsmaterialien können Nicht-Kohlenstoffbestandteile enthalten, solange die Kristallstruktur der Ausgangsmateria­ lien den erforderlichen Graphitisierungsgrad beibehält. Im allgemeinen ist ein beliebiges kohlenstoffhaltiges Material, dessen Kristallstruktur den erforderlichen Graphitisierungsgrad besitzt, zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Ein derartiger Graphit besitzt vorzugsweise einen Aschegehalt von weniger als 6 Gew.-%.

Wie angemerkt, ist Graphit eine kristalline Form von Kohlenstoff, umfassend kovalent gebundene Atome in flachen geschichteten Ebenen mit schwächeren Bindungen zwischen den Ebenen. Durch Behandeln der Graphitteilchen, wie natürliche Graphitflocken, mit einem Interkalationsmittel aus z. B. einer Lösung von Schwefel- und Salpetersäure, reagiert die Kristallstruktur des Graphits unter Bildung einer Verbindung von Graphit und dem Interkalationsmittel. Die behandelten Graphitteilchen werden als "interkalierte Graphitteilchen" bezeichnet. Beim Einwirken einer hohen Temperatur dehnen sich die interkalierten Graphitteilchen in ihrer Dimension auf das etwa 80- oder noch höherfache ihres ursprünglichen Volumens in Akkordeon-artiger Weise in der "c"-Richtung aus, d. h. in der zu den Kristallebenen des Graphits senkrechten Richtung. Die aufgeblätterten Graphitteilchen sind im Erscheinungsbild spiralförmig und werden deshalb üblicherweise als Spiralen bezeichnet. Die Spiralen können zu flexiblen Schichten zusammengepresst werden, die anders als die ursprünglichen Graphitflocken geformt und in verschiedene Gestalt geschnitten werden können.

Ein übliches Verfahren zum Herstellen einer Graphitschicht wird von Shane et al. in US-Patent Nr. 3,404,061 beschrieben, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Erfindung einbezogen wird. Bei der typischen Durchführung des Verfahrens von Shane et al. werden natürliche Graphitflocken interkaliert, indem die Flocken in einer Lösung dispergiert werden, die z. B. ein Gemisch von Salpetersäure und Schwefelsäure enthält. Die Interkalationslösung enthält auf dem Fachgebiet bekannte Oxidationsmittel und andere Interkalationsmittel. Beispiele sind u. a. diejenigen, welche Oxidationsmittel und oxidierende Gemische, wie Lösungen, die Salpetersäure, Kaliumchlorat, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Kaliumchromat, Kaliumdichromat, Perchlorsäure und dergleichen enthalten, oder Gemische, wie beispielsweise konzentrierte Salpetersäure und Chlorat, Chromsäure und Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure, oder Gemische einer starken organischen Säure, z. B. Trifluoressigsäure, und eines starken Oxidationsmittels, das in der organischen Säure löslich ist. In einer anderen Ausführungsform kann ein elektrisches Potential angewandt werden, um die Oxidation des Graphits zustande zu bringen. Zu den chemischen Substanzen, die unter Anwendung von elektrolytischer Oxidation in den Graphitkristall eingebracht werden können, gehören Schwefelsäure ebenso wie andere Säuren.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Interkalationsmittel eine Lösung eines Gemischs von Schwefelsäure oder Schwefelsäure und Phosphorsäure und einem Oxidations­ mittel, wie Salpetersäure, Perchlorsäure, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Wasserstoff­ peroxid, Iod- oder Periodsäure oder dergleichen. Wenngleich weniger bevorzugt, kann die Interkalationslösung Metallhalogenide, wie Eisenchlorid und mit Schwefelsäure gemischtes Eisenchlorid, oder ein Halogen, wie Brom als Lösung von Brom und Schwefelsäure oder Brom in einem organischen Lösungsmittel, enthalten.

Nachdem die Flocken interkaliert sind, wird überschüssige Lösung von den Flocken entfernt und die Flocken werden mit Wasser gewaschen. Die auf den Flocken nach dem Entfernen verbliebene Menge der Interkalationslösung kann im Bereich von etwa 20 bis 150 Gewichtsteilen Lösung je 100 Gewichtsteilen Graphitflocken (pph) und noch typischer etwa 50 bis 120 pph liegen. In einer anderen Ausführungsform kann die Menge der Interka­ lationslösung auf zwischen 10 bis 50 Gewichtsteile Lösung je 100 Gewichtsteile Graphit (pph) begrenzt sein, wodurch es möglich wird, den Waschschritt wegzulassen, wie in US- Patent Nr. 4,895,713 gelehrt und beschrieben, dessen Offenbarung durch die Bezugnahme in die vorliegende Erfindung einbezogen wird. Beim Einwirken einer hohen Temperatur, von wenigstens etwa 300°C und insbesondere 700°C bis 1000°C und höher, dehnen sich die interkalierten Graphitteilchen um das etwa 80- bis 1000fache oder ein noch Höherfaches ihres ursprünglichen Volumens in Akkordeon-artiger Weise in der c-Richtung aus (in der zu den Kristallebenen der Graphitbauteilchen senkrechten Richtung), wodurch sich aufgeweitete Graphitteilchen oder Spiralen bilden. Die entstehenden Spiralen können zu flexiblen Schichten zusammengepresst werden.

Wie angemerkt können die Spiralen selbst oder aus den Spiralen erzeugte Lagen zu einem Pulver vermahlen werden. Das Mahlen kann durch Verfahren erfolgen, die dem Fachmann vertraut sind, wie Vermahlen im Windsichter, Kugelmahlen oder Schlagmahlen, wobei Strahlmahlen am stärksten bevorzugt wird. Zur Verwendung in einer Zusammenset­ zung, die als eine leitende Beschichtung auf einem Gegenstand, wie einem Bauelement eines Kraftfahrzeugs oder den Wandungen von durchgehenden Löchern einer gedruckten Leiter­ platte, geeignet ist, sollten die Spiralen von aufgeweitetem Graphit auf eine Teilchengröße vermahlen werden, deren mittlerer Durchmesser nicht größer als etwa 150 µm, vorzugsweise nicht größer als etwa 100 µm ist. Wenngleich die Zusammensetzung, die das Pulver enthält, umso leichter auf eine Oberfläche aufzutragen ist, je feiner die Teilchengröße ist, müssen die Teilchen nicht einen mittleren Durchmesser von weniger als 10 µm haben, um eine geeignete Beschichtungszusammensetzung bereitzustellen. Wenn das Pulver von aufgeweitetem Graphit in ein Material oder einen Gegenstand, wie ein Fett oder Öl, oder einen geformten Kunststoffgegenstand, der als Bauelement für ein Kraftfahrzeug einsetzbar ist, eingebracht werden soll, sollte die mittlere Teilchengröße des Pulvers nicht größer als etwa 125 µm und vorzugsweise nicht größer als etwa 75 µm sein. Wiederum gibt es keinen zwingenden Grund dafür, dass die Teilchen mittlere Durchmesser unterhalb von etwa 10 µm haben müssen, obwohl die Verwendung derartiger Teilchengrößen vom Blickpunkt des Leistungsvermögens nicht nachteilig ist.

Wie vorstehend angemerkt, kann der pulverisierte, aufgeweitete Graphit in eine Zu­ sammensetzung eingebracht werden, die anschließend auf einen Gegenstand, für den eine er­ höhte Leitfähigkeit erwünscht ist, aufgetragen werden kann. Beispielsweise kann die Zusam­ mensetzung auf ein Bauelement eines Kraftfahrzeugs aufgetiagen werden, um die statische Elektrizität abzuleiten oder um das elektrostatische Lackieren des Teils zu erleichtern, oder die Zusammensetzung kann auf die Wandungen eines oder mehrerer der durchgehenden Löcher der gedruckten Leiterplatten aufgetragen werden, um eine ausreichende Leitfähigkeit bereitzustellen, damit die elektrolytische Abscheidung von Kupfer unterstützt wird. Die Zusammensetzung sollte auch ein Trägermaterial für das pulverisierte Material von aufgeweitetem Graphit umfassen. Mit einem derartigen Träger sollte sich eine Dispersion des Graphits in der Zusammensetzung aufrecht erhalten lassen und das pulverisierte Material von aufgeweitetem Graphit sollte sich auf das Substrat auftragen lassen, so dass eine verhältnismäßig gleichmäßige und einheitliche Beschichtung mit dem Pulver von aufgeweitetem Graphit auf dem Substrat erhalten wird.

Geeignete Träger zur Zugabe in die erfindungsgemäße Zusammensetzung sind u. a. Harze, wie Acrylharze, in Wasser dispergierbare Polymere, wie Natriumcarboxymethyl­ cellulose in einem Träger auf Wasser-Basis, Klebstoffzusammensetzungen, Lackzusammen­ setzungen und verwandte Trägermaterialien. Andere Inhaltsstoffe, wie oberflächenaktive Substanzen und Dispergiermittel, können auch zugegeben werden. Das Pulver von aufge­ weitetem Graphit sollte in der Zusammensetzung in einer Menge enthalten sein, die so berechnet ist, dass die Leitfähigkeit des Substrats erhöht wird, wenn die Zusammensetzung auf das Substrat aufgetragen wird. Das Pulver von aufgeweitetem Graphit sollte vorteilhafterweise in der Zusammensetzung in einer Menge von etwa 5, bis etwa 15 Gew.-% enthalten sein, wenngleich dies von vom Fachmann gewählten Faktoren abhängt, wie dem Beschichtungsgrad usw. Obwohl größere Mengen des Graphits möglich sind, können unerwünschte Effekte beobachtet werden, wie ein Verlust der Zusammensetzungsfestigkeit nach dem Auftragen, Sprödigkeit usw.

Wenn das Pulver von aufgeweitetem Graphit dem Material oder Substrat selbst zugesetzt wird, d. h. der Formmasse zugegeben wird oder in anderer Weise in das Material, aus dem das Substrat erzeugt wird, eingebracht ist, sollte das Pulver in einem Gehalt von etwa 1 bis etwa 20 Gew.-% eingebracht werden, um eine negative Beeinflussung der mecha­ nischen Eigenschaften des fertigen Substrats oder Materials zu vermeiden. Stärker bevorzugt wird das Graphitpulver der Substrat- oder Materialzusammensetzung in einer Menge von etwa 3 bis etwa 15 Gew.-% zugegeben, wodurch eine wesentliche Erhöhung der elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit erhalten wird.

Die vorstehende Beschreibung soll es Fachleuten ermöglichen, die Erfindung durchzu­ führen. Sie soll nicht alle möglichen Abwandlungen und Veränderungen, die einem Fach­ mann beim Lesen der Beschreibung klar werden, im Einzelnen ausführen. Jedoch sind alle derartigen Veränderungen und Abwandlungen in dem Umfang der Erfindung eingeschlossen, der durch die folgenden Patentansprüche definiert ist. Die Patentansprüche sollen die angege­ benen Elemente und Schritte in jeder Anordnung oder Abfolge abdecken, die wirksam ist, um die mit der Erfindung beabsichtigten Ziele zu erreichen, sofern nicht der Kontext genau das Gegenteil anzeigt.

Claims (26)

1. Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eines Substrats, umfassend das Beschichten des Substrats mit einer Zusammensetzung, die Teilchen von aufgeweite­ tem (expandiertem) Graphit umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner vor dem Auftragen der Zusammensetzung auf das Substrat das Formen der Teilchen von aufgeweitetem Graphit zu einem Pulver umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zusammensetzung ferner einen Träger für die pulverisierten Teilchen von expandierbarem Graphit umfasst, wobei der Träger ein Material umfasst, das eine klebende Beschichtung auf dem Substrat erzeugen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Träger aus Lacken, Harzen, Klebstoffen oder Gemischen davon ausgewählt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat ein Kunststoff­ material umfasst.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Substrat ein Bauelement für ein Kraftfahrzeug umfasst.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner das anschließende elektrostatische Lackieren des beschichteten Substrats umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Substrat eine gedruckte Leiterplatte umfasst, die durchgehende Löcher umfasst.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Zusammensetzung auf die Oberfläche von mindestens einem der durchgehenden Löcher der gedruckten Leiterplatte aufgetragen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das nach dem Auftragen der Zusammensetzung auf die Oberfläche des mindestens einen durchgehenden Lochs ferner das elektrolytische Abscheiden von Kupfer auf der Oberfläche von mindestens einem der durchgehenden Löcher der gedruckten Leiterplatte umfasst.

11. Verfahren zur Erhöhung der Leitfähigkeit eines Materials, umfassend das Einbringen von aufgeweitetem Graphit in das Material.

12. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner vor dem Einbringen des aufgeweiteten Gra­ phits in das Material das Formen des aufgeweiteten Graphits zu einem Pulver umfasst.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Material ein Kunststoffmaterial, ein Fett, ein Öl oder eine Klebstoffzusammensetzung umfasst.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Material ein Bauelement für ein Kraftfahrzeug umfasst.

15. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das anschließende elektrostatische Lackieren des Materials umfasst.

16. Elektrisch leitendes Material, das ein Substrat mit einer Beschichtung darauf umfasst, die Teilchen von aufgeweitetem Graphit umfasst.

17. Material nach Anspruch 16, wobei die Teilchen von aufgeweitetem Graphit in Form eines Pulvers vorliegen.

18. Material nach Anspruch 17, das ferner einen Träger für die pulverisierten Teilchen von expandierbarem Graphit umfasst, wobei der Träger ein Material umfasst, das eine klebende Beschichtung auf dem Substrat erzeugt.

19. Material nach Anspruch 18, wobei der Träger aus Lacken, Harzen, Klebstoffen oder Gemischen davon ausgewählt ist.

20. Material nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Substrat ein Kunststoff­ material umfasst.

21. Material nach Anspruch 20, wobei das Substrat ein Bauelement für ein Kraftfahrzeug umfasst.

22. Material nach Anspruch 18, das eine gedruckte Leiterplatte mit durchgehenden Löchern umfasst, wobei die Zusammensetzung auf die Oberfläche von mindestens einem der durchgehenden Löcher aufgetragen wird.

23. Leitendes Material, umfassend ein Material mit darin eingebrachten Teilchen von aufgeweitetem Graphit.

24. Material nach Anspruch 23, wobei die Teilchen von aufgeweitetem Graphit in Form eines Pulvers vorliegen.

25. Material nach Anspruch 23 oder 24, wobei das Material ein Kunststoffmaterial, ein Fett, ein Öl oder eine Klebstoffzusammensetzung umfasst.

26. Material nach Anspruch 25, wobei das Material ein Bauelement für ein Kraftfahrzeug umfasst.