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Die
Erfindung betrifft metallbeschichtete, elektrisch leitfähige
Glasfasern zum Einbetten in eine Kunststoff- und/oder Gummimasse.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Kunststoff- und/oder Gummimasse mit
eingebetteten, metallbeschichteten Glasfasern.
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Schließlich
betrifft die Erfindung ein Gehäuseteil eines elektrischen/elektronischen
Geräts.
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Die
meisten elektronischen Geräte reagieren auf Störungen
aufgrund elektromagnetischer Felder empfindlich. Dies trifft insbesondere
auf elektronische Ausrüstungen, wie zum Beispiel Computer und/oder
moderne Kommunikations-Geräte, zu. Viele dieser Geräte
erzeugen dabei selbst elektromagnetische Störungen. Im
Laufe der Zeit sind unterschiedliche Möglichkeiten entwickelt
worden, um elektromagnetische Störungen zu minimieren.
Dabei sind derartige elektronische Geräte mit einer Abschirmung
(elektromagnetische Abschirmung) versehen worden. Hierzu wurden
beispielsweise Metallgehäuse verwendet, die in sich selbst
leitend sind, oder Kunststoffgehäuse, die eine elektrisch
leitende Oberfläche durch Aufbringen einer elektrisch leitenden metallischen
Oberfläche, wie zum Beispiel einer metallisch leitenden
Lackierung, aufweisen. Darüber hinaus wurden Kunststoffgehäuse
entwickelt, welche elektrisch leitende Füllstoffe enthalten,
die das Kunststoffgehäuse elektrisch leitfähig
machen. Neben Edelstahlfasern und vernickelten Karbonfasern wurden
auch metallbeschichtete Glasfasern zum Einbringen in eine Kunststoffmasse,
wie zum Beispiel aus den Dokumenten
US 2002043654 oder
DE 28 19 377 bekannt, verwendet. Wobei
hier natürlich die Metallbeschichtung der Glasfaser die
elektrische Leitfähigkeit der Glasfaser ausmacht. Die Glasfaser
selbst ist als solche nicht elektrisch leitfähig.
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Bei
bekannten als Füllstoff verwendeten, metallbeschichteten
Glasfasern ist jedoch ein Füllgrad von mindestens 35% Gewichtsanteil
in der Kunststoff- und/oder Gummimasse notwendig, um diese elektrisch
leitfähig zu machen. Ab einem Gewichtsanteil der genannten
35% der metallbeschichteten Glasfaser in der Kunststoff- und/oder
Gummimasse beginnen die Glasfasern zu perkolieren, sodass ein elektrisch
leitfähiges Netzwerk von den Glasfasern gebildet wird.
Vor Perkolationsbeginn stehen nur wenige oder keine Glasfasern miteinander
in Kontakt, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der Kunststoff- und/oder
Gummimasse nicht gewährleistet ist. Um jedoch eine elektrische
Leitfähigkeit zu erzielen, welche eine für praktische
Zwecke ausreichende Abschirmung elektromagnetischer Felder ermöglicht, sind
mit bekannten Füllstoffen Füllgrade mit einem Gewichtsanteil
größer 50% erforderlich.
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Es
ist somit die Aufgabe der Erfindung metallbeschichtete, elektrisch
leitfähige Glasfasern zu schaffen, die bereits bei einem
geringen Anteil beziehungsweise Füllgrad in der Kunststoff-
und/oder Gummimasse zu perkolieren beginnen.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Glasfasern eine schmale Längenverteilung (Volumensummenverteilung)
aufweisen und ihr volumenbezogenes mittleres Längen-Durchmesserverhältnis
(Dv0.5) im Bereich von 17 bis 53, insbesondere
25 bis 50, liegt, wobei der Wert Dv0.5 die
kumulierten Volumenfraktionen für 50% kennzeichnet. Es
reicht nicht aus, wenn le diglich das mittlere Längen-Durchmesserverhältnis
(Dv0.5) der Glasfasern in dem genannten
Bereich liegt. Besonders bevorzugt weist die schmale Längenverteilung
(Volumensummenverteilung) eine relative Spannweite von (Dv0.9 – Dv0.1)/Dv0.5 < 2
auf, wobei Dv0.9, Dv0.5 und
Dv0.1 die kumulierten Volumenfraktionen
für 90%, 50% und 10% kennzeichnen. Für Glasfasern
mit einem Längen-Durchmesserverhältnis > 53 oder einer relativen
Spannweite der Längenverteilung > 2 besteht die Gefahr einer Knäuelbildung.
Vorteilhafterweise weisen die Glasfasern bezüglich ihrer Länge
eine logarithmische Normalverteilung auf. Da die Glasfaser selbst
keine elektrische Leitfähigkeit besitzt, muss sie vor einer,
insbesondere nasschemischen, Metallisierung „aktiviert"
werden. Üblicherweise geschieht dies in einer Zinn-Chlorid-Lösung.
Diese Aktivierung nimmt mehrere Minuten in Anspruch, sodass eine
Bearbeitung eines Endlosfaserstrangs nicht möglich ist.
Vielmehr müssen die Fasern in Chargen nasschemisch beschichtet
werden, um eine Beschichtung zu erhalten, die auch bei Temperaturen zwischen
150°C und 300°C stand hält. Daher müssen
die Glasfasern beim Beschichten bereits in abgelängter
Form vorliegen. Glasfasern, deren volumenbezogenes mittleres Längen-Durchmesserverhältnis Dv0.5 die genannte Obergrenze überschreitet,
führen zu einer Knäuelbildung die die Metallbeschichtung und
ein späteres Einbringen in die Kunststoff- und/oder Gummimasse
erschwert oder verhindert. Glasfasern, deren volumenbezogenes mittleres
Längen-Durchmesserverhältnis Dv0.5 zwar
innerhalb des genannten Bereiches liegt, deren relative Spannweite
(Dv0.9 – Dv0.1)/Dv0.5 jedoch die genannte Obergrenze überschreitet,
führen ebenfalls zumindest lokal zu einer Knäuelbildung.
Durch die vorteilhafte Ausbildung der Glasfasern liegen somit Glasfasern
vor, die eine Metallbeschichtung und ein Einbringen er möglichen und
aufgrund ihres Längen-Durchmesserverhältnisses
lange Strecken stromführend überbrücken,
wodurch bereits ein geringer Füllgrad ausreicht, um die elektrische
Leitfähigkeit der Kunststoff- und/oder Gummimasse zu gewährleisten.
Glasfasern, welche eine Längenverteilung mit einer relativen
Spannweite > 2, insbesondere > 3 und größer
besitzen, besitzen einen erhöhten Anteil an Kurzfasern,
sogenanntem Feingut, welche bei der Beschichtung ebenfalls beschichtet
werden, wobei sie zur elektrischen Leitfähigkeit beziehungsweise
zur Bildung eines elektrisch leitfähigen Netzwerkes zumindest
keinen wesentlichen Beitrag liefern, da sie zu kurz sind. Da die
vorteilhaft ausgebildeten Glasfasern eine schmale Längenverteilung
aufweisen und ihr volumenbezogenes mittleres Längen-Durchmesserverhältnis
Dv0.5 im Bereich von 17 bis 53, insbesondere
25 bis 50, liegt, sind keine zu einer Knäuelbildung führenden
Glasfasern und keine nicht zur elektrischen Leitzfähigkeit
eines Kunststoff- und/oder Gummielements beitragenden, aber dennoch
metallbeschichteten, Glasfasern vorhanden. Die vorteilhaften Glasfasern
perkolieren bereits bei niedrigen Füllgraden. So liegt
der Perkolationsbeginn bei Glasfasern mit einem Längen-Durchmesserverhältnis
l/d = 45 und einer Länge von l = 640 μm bereits
bei 15% Gewichtsanteil der Glasfasern in der Kunststoff- und/oder
Gummimasse. Hierdurch werden die Herstellungskosten eines elektrisch
leitfähigen Kunststoff- und/oder Gummielements weiter verringert,
da die vorteilhaft ausgebildeten Glasfasern in nur einer geringen
Menge in die Kunststoff- und/oder Gummimasse eingebracht werden
müssen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Metallbeschichtung eine
Silberbeschichtung und/oder eine Nickelbeschichtung. Insbesondere
die Silberbeschichtung weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit
auf und führt damit zu einer hohen elektromagnetischen
Ab schirmung. Die Glasfaser als Grundträger mit einer Metallbeschichtung
ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen filigrane
Formen, wie zum Beispiel sehr dünne Wände eines
Gehäuses, aus Kunststoff gespritzt beziehungsweise geformt
werden. So können die mit Silber beschichteten Glasfasern
höchste Dämpfungswerte (elektromagnetische Abschirmung)
hervorrufen, da der reflektierende Anteil der Dämpfung
nicht abhängig von der Materialdicke und direkt proportional
zu der Leitfähigkeit ist. Somit sind die erfindungsgemäß ausgebildeten
Glasfasern besonders vorteilhaft zum Beispiel für Kunststoff-
und/oder Gummimassen, die zu Elementen geformt beziehungsweise weiterverarbeitet
werden, deren geringes Gewicht und dünne Wandstärken
von hoher Bedeutung sind, wie beispielsweise bei Gehäuseteilen
von Mobiltelefonen. Natürlich können die vorteilhaften
Glasfasern auch in eine Kunststoff- und/oder Gummimasse eingebracht
werden, die zu einem elektrisch leitfähigen Element geformt
wird, das nicht zur elektromagnetischen Abschirmung sondern vornehmlich
als Stromleitung dient.
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Bevorzugt
weist die Länge der Glasfasern einen Wert im Bereich von
100 bis 1400 μm, insbesondere 250 bis 750 μm auf.
Im Gegensatz zu kürzeren Glasfasern, insbesondere zu Glasfasern,
die ein Längen-Durchmesserverhältnis (l/d) nahe
1 aufweisen, überbrücken die erfindungsgemäßen
Glasfasern, wie bereits gesagt, stromführend längere
Strecken und führen dadurch zu den niedrigen Füllgraden,
die ausreichen um ein elektrisch leitfähiges Netzwerk zu
bilden. Bekannterweise ist der Perkolationsbeginn bei Fasern umgekehrt
proportional zum Längen-Durchmesserverhältnis
(l/d) der Faser. Die vorteilhaft ausgebildeten, metallbeschichteten
Glasfasern, die aufgrund ihrer vorteilhaften Länge l auch
als Langfasern bezeichnet werden können, führen
nicht nur zu einem besonders frü hen/günstigen
Perkolationsbeginn, sondern sind auch gut, insbesondere homogen verteilt,
in die Kunststoff- und/oder Gummimasse einbring bar.
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Die
Langfasern können rieselfähig sowohl direkt beim
Extrudieren in die Schmelzphase zugegeben werden oder vorteilhafterweise
als Vorprodukt in Form von in Kunststoff- und/oder Gummigranulat
eingebetteten (Glas-)Fasern. Die Fasern eines so hergestellten beziehungsweise
vorgesehenen Granulates müssen in der Schmelzfase des Extruders
nicht vereinzelt und dispergiert werden, im Gegensatz zu beispielsweise
bekanntem vernickeltem Karbonfaser-Granulat oder Edelstahlfaser-Granulat.
Dadurch wird die Gefahr des Faserbruchs beim Vereinzeln und eine
damit einhergehende Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit
des Netzwerkes verhindert. Darüber hinaus besteht auch
nicht die Gefahr von einer inhomogenen Dispergierung der Glasfasern
in die Kunststoff- und/oder Gummimasse auf Grund von Knäuelbildung
oder unvollständig vereinzelter Faserbündel, die
ebenfalls ein homogenes elektrisch leitfähiges Netzwerk,
zumindest bei dem vorteilhaft niedrigen Füllgrad, verhindern
würde.
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Schließlich
ist vorgesehen, dass der Metallanteil bezogen auf die Glasfasern
zwischen 0,1 und 20%, insbesondere zwischen 0,5 und 10%, liegt.
Insbesondere der Silberanteil bezogen auf die Glasfasern liegt zwischen
0,5 und 12%.
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Die
elektrisch leitfähige Kunststoff- und/oder Gummimasse weist
vorteilhafterweise eingebettete Glasfasern, wie sie oben stehend
beschrieben wurden, auf. Eine derartige Kunststoff- und/oder Gummimasse
weist bereits bei einem geringen Füllgrad von 15% Ge wichtsanteil
der Glasfasern eine elektrische Leitfähigkeit auf, die
eine ausreichende elektromagnetische Abschirmung beziehungsweise
Dämpfung bietet. Aufgrund der Glasfasern als Träger
der elektrisch leitfähigen Metallbeschichtung ist es möglich, dünne
und filigrane, eine elektromagnetische Abschirmung beziehungsweise
eine elektrische Leitfähigkeit aufweisende Elemente, insbesondere
Gehäuseelemente, herzustellen. Darüber hinaus
kann die erfindungsgemäße Kunststoff- und/oder
Gummimasse eingefärbt werden, wobei sowohl dunkle als auch helle
Farben realisierbar sind. Insbesondere Silber besitzt einen hohen
Reflektionsgrad, weswegen es auch zur Verspiegelung eingesetzt wird.
Da die vorteilhaften Glasfasern beziehungsweise Langfasern bereits
bei Gewichtsanteilen von 15 bis 20% hervorragende Leitfähigkeiten
und Schirm- beziehungsweise Dämpfungseigenschaften hervorrufen
und aufgrund der bevorzugten Silberbeschichtung gleichzeitig vorhandene
Farbpigmente reflektieren, kann die Kunststoff- und/oder Gummimasse
selbst in hellen Pastelltönen eingefärbt werden.
Das farbliche Ergebnis wird weiterhin dadurch verbessert, dass praktisch kein
Feingut vorhanden ist, da je kürzer die silberbeschichteten
Glasfasern sind, der Kunststoff desto intensiver in einem Gelbton
erscheint.
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Vorteilhafterweise
ist der Metallanteil, insbesondere der Silbermasseanteil, bezogen
auf die gefüllte Kunststoff- und/oder Gummimasse kleiner
oder gleich 3,1%, insbesondere kleiner oder gleich 2%.
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Schließlich
ist vorgesehen, dass der Kunststoff ein Thermoplast ist. Dadurch
ist es möglich die Kunststoffmasse beliebig oft in einen
Temperaturbereich zu bringen, in dem ein plastisches Verformen der
Kunststoffmasse möglich ist. Es ist denkbar, bei der Verwendung
der Langfasern als Vorprodukt diese in Form eines Granulates mit
einer Kunststoffschicht einzuhüllen, wobei die Kunststoffschicht
ein Oxidieren der Metallbeschichtung verhindert und beim Einbringen
des Granulates in die Schmelzphase aufschmilzt und sich mit dem
flüssigen Kunststoff- und/oder Gummi verbindet.
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Das
erfindungsgemäße Gehäuseteil ist vorteilhafterweise
aus einer Kunststoff- und/oder Gummimasse gefertigt, wie sie oben
beschrieben wurde.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 ein
schematisches Ausführungsbeispiel einer Kunststoffmasse
mit eingebetteten, metallbeschichteten Glasfasern und
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2 den
Zusammenhang zwischen einem Mindest-Füllgrad und Längen-Durchmesserverhältnis
(l/d) der Glasfasern in der Kunststoffmasse.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Kunststoffmasse 1 in
der metallbeschichtete, elektrisch leitfähige Glasfasern 2 eingebettet
sind. Die Glasfasern 2 liegen ungerichtet in der Kunststoffmasse 1.
Die Kunststoffmasse 1 ist eine Thermoplast-Kunststoffmasse 3 und
die Metallbeschichtung der Glasfasern 2 ist als Silberbeschichtung
ausgebildet. Die Glasfasern 2 weisen eine schmale Längenverteilung
(Volumensummenverteilung) auf. Darüber hinaus weisen sie
im Wesentlichen den gleichen Durchmesser d auf, wobei ihr Längen-Durchmesserverhältnis
l/d = 30 und ihre Länge l = 300 μm ist. Im Vergleich
zu bekannten, metallbeschichteten Glasfasern überbrücken
die Glasfasern 2 aufgrund ihrer Länge stromfüh rend
weite Strecken, sodass bereits bei einem geringen Füllgrad
von Glasfasern 2 in der Kunststoffmasse 1 ein
elektrisch leitfähiges Netzwerk 4 entsteht, da
die Glasfasern 2 mit zunehmender Länge früher
zu perkolieren beginnen. Da das volumenbezogene mittlere Längen-Durchmesserverhältnis
Dv0.5 der Glasfasern 2 in einem
vorteilhaften Bereich von 25 bis 50 liegt, perkolieren die Glasfasern 2 bereits
bei einem, im Vergleich zum Stand der Technik, sehr niedrigen Füllgrad.
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Die 2 zeigt
dazu erläuternd das Verhältnis des zur Bildung
eines elektrisch leitfähigen Netzwerkes notwendigen Füllgrads
zu dem mittleren Längen-Durchmesserverhältnis
Dv0.5, oder auch Aspekt Ratio (AR) genannt,
der Glasfasern 2. Dazu zeigt die 2 ein Diagramm
in dem der Füllgrad F über das Längen-Durchmesserverhältnis
Dv0.5, aufgezeichnet ist. Eine beispielhafte
Linie 5 zeigt dabei den genannten Zusammenhang zwischen
Füllgrad F und Längen-Durchmesserverhältnis
Dv0.5. Es ist deutlich zu erkennen, dass
mit zunehmenden Längen-Durchmesserverhältnis Dv0.5 ein kleinerer Füllgrad F zum Erreichen
des Perkolationsbeginns der Glasfasern 2 notwendig ist.
Glasfasern, deren Länge l und deren Längen-Durchmesserverhältnis
Dv0.5 in den oben genannten vorteilhaften
Bereichen liegt, beginnen bereits ab einem Füllgrad F größer
oder gleich 15% Gewichtsanteil in der Kunststoffmasse 1 zu
perkolieren und das elektrisch leitfähige Netzwerk 4 zu
bilden.
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Durch
das elektrisch leitfähige Netzwerk 4 wird die
Kunststoffmasse 1 selbst elektrisch leitfähig und
kann beispielsweise, in eine entsprechende Form gebracht, ein elektrisch
leitfähiges Element zum Herstellen einer elektrischen Verbindung
oder einer elektromagnetischen Abschirmung bilden.
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Dass
die Glasfasern 2 eine schmale Längenverteilung
aufweisen und somit deren Längen-Durchmesserverhältnis
ebenfalls eine schmale Verteilung aufweist, hat mehrere Vorteile.
Zum Einen ist kaum Feingut, also kurze Glasfasern, die unterhalb
des genannten vorteilhaften Längenbereichs liegen, vorhanden.
Bei der Bildung des elektrisch leitfähigen Netzwerks 4 spielt
das Feingut keine Rolle, da es im Vergleich zu den vorteilhaft ausgebildeten
Glasfasern 2, die aufgrund ihrer Länge l auch
als Langfasern bezeichnet werden können, nur sehr kurze Wege
stromführend überbrückt. In der Kunststoffmasse 1 würde
das Feingut aufgrund des vorteilhaft niedrigen Füllgrades
F äußerst wenig zur Bildung des elektrisch leitfähigen
Netzwerkes beitragen. Da das Feingut bei der Herstellung der Glasfasern
dennoch mitbeschichtet werden würde, entstünden
Kosten, insbesondere durch die Beschichtung mit Silber, die später,
also beim Einbringen der Glasfasern in die Kunststoffmasse 1,
zu keinem Vorteil führen würden. Glasfasern mit
einem mittleren Längen-Durchmesserverhältnis Dv0.5 größer 53 oder einer
relativen Spannweite größer 2, führen
zumindest lokal/punktuell zu einer Knäuelbildung der Glasfasern,
wodurch das Beschichten, Dosieren und ein homogenes Verteilen der
Glasfasern in der Kunststoffmatrix nicht möglich wird.
Die inhomogene Verteilung derartiger Glasfasern in der Kunststoffmasse 1 würde
zum Einen also das Bilden des elektrisch leitfähigen Netzwerkes 4 bei
einem niedrigen Füllgrad F nicht ermöglichen und
zum Anderen die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffmasse 1 beziehungsweise
eines aus der Kunststoffmasse 1 geformten Kunststoff-Elements,
wie zum Beispiel ein Gehäuseteil, verschlechtern. Die vorteilhaften
Glasfasern 2 können auf einfache Art und Weise
direkt beim Extrudieren in die Schmelzphase der Kunststoffmasse 1 zugegeben
werden.
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Mittels
der in der Kunststoffmasse 1 eingebetteten Glasfasern 2 beziehungsweise
mittels des gebildeten elektrisch leitfähigen Netzwerkes 4 kann die
Kunststoffmasse 1 zur elektromagnetischen Abschirmung dienen.
Wobei der Grad der Dämpfung beziehungsweise Abschirmung
eines elektromagnetischen Feldes durch die Silberbeschichtung sehr hoch
ausfällt, da Silber von allen hoch leitfähigen, nicht
oder nur gering oxidierenden Werkstoffen die höchste Leitfähigkeit
aufweist und daher im besonderen Maße für die
Beschichtung der Glasfaser geeignet ist.
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Aufgrund
des niedrigen Füllgrades und der Silberbeschichtung ist
es darüber hinaus möglich, die Kunststoffmasse 1 in
beliebigen, insbesondere auch hellen Farben, einzufärben.
Dies wird unter Anderem dadurch ermöglicht, dass das Silber
reflektierend in der Kunststoffmasse 1 wirkt und kein Feingut
vorhanden ist, welches die Metallbeschichtung in einem Gelbton erscheinen
lassen würde.
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Aus
der Kunststoffmasse 1 lassen sich dünnste Wände
und filigrane Formen spritzen und/oder durch Umformen erstellen.
Insbesondere durch die Ausbildung als Thermoplast-kunststoffmasse 3 ist
es möglich, die ausgehärtete Kunststoffmasse 1 bis
zu einem bestimmten Temperaturbereich zu erhitzen, sodass sie auf
einfache Art und Weise plastisch verformt werden kann und beim Abkühlen
in der gewünschten Form erhalten bleibt.
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Aus
der vorteilhaften Kunststoffmasse 1 lassen sich beispielsweise
Gehäusedeckel elektrischer/elektronischer Geräte
herstellen, die zur elektromagnetischen Abschirmung der in den Geräten befindlichen
Elektronik dienen. Durch die vorteilhaften Glasfasern 2 lassen
sich derartige Gehäuseteile besonders dünn und
damit gewichtsgarend herstellen, was insbesondere bei der Verwendung
als Gehäuseteil zum Beispiel eines Mobiltelefons Vorteile hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2002043654 [0004]
- - DE 2819377 [0004]