DE102007042253A1 - Druckfähige und leitfähige Paste und Verfahren zum Beschichten eines Materials mit der Paste - Google Patents

Druckfähige und leitfähige Paste und Verfahren zum Beschichten eines Materials mit der Paste Download PDF

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Abstract

Druckfähige und leitfähige Paste, enthaltend ein dispergierbares thermoplastisches Polyurethan, einen leitfähigen Füllstoff, einen wasserlöslichen Verdicker und Wasser. Verfahren zur Beschichtung eines Materials mit einer nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellten Paste, bei dem die Paste auf zumindest ein Material gedruckt und anschließend getrocknet wird und das mit der Paste bedruckte Material einer kombinierten Wärme- und Druckbehandlung unterzogen wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine druckfähige und leitfähige Paste enthaltend eine Dispersion eines Polyurethans in einer wässrigen Lösung sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Materials mit der Paste.
  • Stand der Technik
  • Derartige Pasten sind aus der EP 1 284 278 A2 bekannt. Die dort beschriebenen Pasten werden verwendet, um beispielsweise flächige Lagen, insbesondere Textilien und Vliesstoffe zu beschichten und diese damit elektrisch leitfähig auszurüsten. Derartig beschichtete Lagen können zu flexiblen Leiterbahnen weiterverarbeitet werden. Es ist auch möglich, Lagen mit der Paste so auszurüsten, dass diese elektromagnetische Felder abschirmen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Verwendung leitfähiger Textilien in Bekleidung. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Paste ist nachteilig, dass sie aufgrund des Bindemittels nach dem Aufbringen auf das Material und dem Aushärten nicht mehr dehnbar und nicht mehr thermisch verformbar ist. Ein mit der Paste beschichtetes Material ist demnach ebenfalls nicht dehnbar.
  • Die Paste kann also dort nicht eingesetzt werden, wo eine Dehnbarkeit des Materials erforderlich ist.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch leitfähige Paste bereit zu stellen, die einfach zu verarbeiten und auch nach dem Aushärten dehnbar ist.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
  • Zur Lösung der Aufgabe enthält die druckfähige und leitfähige Paste ein dispergierbares thermoplastisches Polyurethan, einen leitfähigen Füllstoff, einen wasserlöslichen Verdicker und Wasser. Das thermoplastische Polyurethan bildet den Binder der Paste und ist sowohl dehnbar als auch thermisch verformbar. Somit ist die Paste auch nach dem Verarbeiten dehnbar und kann durch thermische Formgebungsprozesse jederzeit umgeformt werden, wobei die Dehnbarkeit erhalten bleibt. Der leitfähige Füllstoff wird so beigemischt, dass sich die leitfähigen Partikel nach dem Verarbeiten berühren und so die Leitfähigkeit herstellen. Über den wasserlöslichen Verdicker wird die Viskosität der Paste bestimmt. Diese liegt erfindungsgemäß zwischen 8.000 und 150.000 mPas, so dass die Paste durch ein Druckverfahren, vorzugsweise Sieb- oder Schablonendruck, auf ein Material aufgetragen werden kann. Erfindungsgemäße Pasten können zwischen 2 bis 20 Gew.% thermoplastisches Polyurethan, zwischen 2 bis 20 Gew.% leitfähigen Füllstoff und zwischen 1 bis 5 Gew.% Verdicker in Wasser enthalten. In der Trockensubstanz ergeben sich somit Anteile von 15 bis 80 Gew.% thermoplastisches Polyurethan, 15 bis 85 Gew.% leitfähiger Füllstoff und 0,5 bis 4,5 Gew.% Verdicker. Der Flächenwiderstand der Paste nach Trocknung und Kalandrieren beträgt zwischen 0,05 bis 0,5 Ohm, wobei sich der Widerstand bei einer Dehnung der Paste um 20 Gew.% je nach Zusammensetzung um den Faktor 10 bis 1000 erhöht. Dabei ist der Widerstand umso geringer, je höher der Anteil des leitfähigen Füllstoffs ist. Die Paste kann zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit Hilfstoffe wie Feuchthaltemittel und rheologische Additive enthalten.
  • Der Verdicker kann Zellulose-Derivate, beispielsweise Methylzellulose enthalten. Zellulose-Derivate sind chemische Verbindungen, die aus Zellulose abgeleitet sein. Es ergibt sich ein hydrophiles Pulver, welches mit Wasser eine zähflüssige Lösung bildet. Zellulose-Derivate sind nicht verdaulich, nicht allergen und ungiftig und daher auch zur Herstellung einer Paste zur Beschichtung von Bekleidungstextilien geeignet.
  • Das thermoplastische Polyurethan kann in Partikeln mit einer Partikelgröße kleiner 350 μm, bevorzugt kleiner 120 μm vorliegen. Die geringe Partikelgröße ermöglicht das Herstellen einer homogenen Dispersion, verbessert das Druckverhalten und beschleunigt aufgrund schnellen Aufschmelzens den Herstellungsprozess.
  • Das thermoplastische Polyurethan kann einen Schmelzpunkt zwischen 100 und 220°C aufweisen. Derartige Polyurethane sind problemlos auf Textilien einsetzbar und können mit üblichen Verfahren, wie beispielsweise Kalandrieren oder auch Tiefziehen verarbeitet und umgeformt werden.
  • Der leitfähige Füllstoff kann aus metallischen Partikeln, bevorzugt kupfer- und/oder silberbasierend, bestehen. Derartige metallbasierte Partikel weisen eine besonders gute Leitfähigkeit auf. Kupfer- und silberbasierte Partikel sind darüber hinaus korrosionsbeständig. Die Partikel können kugelförmig, faserförmig oder flächig ausgebildet sein. Der Vorteil der flächigen Füllstoffe liegt darin, dass sich diese nach einer Druckbehandlung parallel zueinander ausrichten und überlappen. Daraus ergibt sich ein besonders geringer Flächenwiderstand. Kugelförmige Partikel lassen sich besonders gut dispergieren.
  • Der leitfähige Füllstoff kann Carbon-Nano-Tubes umfassen. Carbon-Nano-Tubes (CNT) sind röhrenförmige Gebilde aus Kohlenstoff. Diese weisen einen Durchmesser von 1 bis 50 nm auf. Die Carbon-Nano-Tubes können mit Metallen, beispielsweise Silber, gefüllt sein. Carbon-Nano-Tubes zeichnen sich durch eine hohe Strombelastbarkeit aus. Es ist auch denkbar, metallbeschichtete, beispielsweise silberbeschichtete, Glasfasern als leitfähigen Füllstoff auszubilden.
  • Der leitfähige Füllstoff kann eine niedrigschmelzende Legierung enthalten. Eine derartige Legierung ist beispielsweise eine Zinn-Eismut-Legierung. Derartige Legierungen schmelzen bei einer Wärme- und Druckbehandlung, beispielsweise beim Kalandrieren. Die Partikel aus der niedrigschmelzenden Legierung können mit anderen Partikeln, beispielsweise aus Silber oder Kupfer gemischt werden. Hierbei ist vorteilhaft, dass die anderen Partikel durch die niedrigschmelzenden Partikel stoffschlüssig verbunden werden und sich so ein besonders niedriger Flächenwiderstand einstellt.
  • Der leitfähige Füllstoff kann Kupferflakes umfassen. Kupferflakes sind flache Partikel die bei einer kombinierten Druck- und Wärmebehandlung parallel ausgerichtet werden und dann auch einander überlappen und so einen geringen Flächenwiderstand aufweisen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beschichtung eines Materials mit der erfindungsgemäßen Paste wird die Paste auf zumindest ein Material gedruckt und anschließend getrocknet und das mit der Paste bedruckte Material einer kombinierten Wärme- und Druckbehandlung unterzogen. Die erfindungsgemäße Paste ermöglicht das Aufbringen mittels Druckverfahren. Maßgeblich für die Druckfähigkeit sind dabei die Partikelgröße und die von dem Anteil des Verdickers abhängige Viskosität der Paste. Durch das Druckverfahren lassen sich einfach und kostengünstig große Flächen mit einem reproduzierbaren Muster bedrucken. Im Anschluss an den Druckvorgang erfolgt die Trocknung der Paste beispielsweise in einem Durchlaufofen. In der an die Trocknung anschließenden Wärme- und Druckbehandlung, vorzugsweise einem Kalandrieren, wird die Paste verfestigt, der Kontakt und die Haftung an dem Material verbessern sich und die leitfähigen Partikel werden ausgerichtet. Es entsteht eine glatte Oberfläche sowie eine elektrisch leitfähige und dehnbare Beschichtung des Materials.
  • Die Paste kann mittels Sieb- oder Schablonendruck gedruckt werden. Je nach Wahl der Siebdruckgewebe sind große Schichtdicken der aufgedruckten Paste möglich.
  • Das Material mit der aufgedruckten Paste kann im Anschluss an die kombinierte Wärme- und Druckbehandlung thermisch verformt werden. Ein Vorteil bei der Verwendung eines thermoplastischen Polyurethans liegt dann, dass derartige Pasten jederzeit durch Aufschmelzen des Polyurethans umgeformt werden können. Daher können auch die bereits mit der Paste versehenen Materialien später wiederholt umgeformt werden.
  • Es können mehrere Materialien mit der Paste versehen und durch Druck- und Wärmebehandlung über die Paste stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Dadurch können Textilien leitfähig miteinander verbunden werden. Dies ist insbesondere bei Bekleidungsstücken vorteilhaft, da hier die leitfähige und auch stoffschlüssige Verbindung mehrerer Kleidungsabschnitte mit einfachen Mitteln möglich ist.
  • Mit der erfindungsgemäßen Paste beschichtete Materialien eignen sich insbesondere für Automotive-Anwendungen, beispielsweise Armaturenbretter und Dachhimmel die eine dreidimensionale, gebogene Geometrie aufweisen, wobei das mit der Paste versehene Material thermisch verformt wird und die Gestalt des Materials annimmt. Des Weiteren eignet sich die erfindungsgemäße Paste zur Verwendung in Kleidung, insbesondere Funktionskleidung mit integrierten elektronischen Komponenten. Hier bildet die Paste flexible Leiterbahnen auf der Kleidung. Des Weiteren ist ein Einsatz in medizinischer Kleidung und medizinischen Hilfsmitteln denkbar. Ein weiteres Einsatzgebiet sind funktionale Beschichtungen von Aggregaten und Rohrleitungen, beispielsweise eine antistatische Ausrüstung und Wärme/Kälteanwendungen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Die Figuren zeigen REM-Aufnahmen eines Vliesstoffes der mit der erfindungsgemäßen Paste bedruckt und einer anschließenden kombinierten Wärme- und Druckbehandlung unterzogen wurde.
  • Ausführung der Erfindung
  • Beispiel 1
  • Ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Paste enthält 60 Gew.% einer Lösung bestehend aus 1,5% Metylan® (Henkel KGaA) in Wasser, 32 Gew.% eines leitfähigen Füllstoffs, in dieser Ausführung silberbeschichtete Kupferflakes, und 8 Gew.% eines thermoplastischen Polyurethans mit einer Partikelgröße kleiner 120 μm.
  • Die Paste weist eine Viskosität von 56.000 mPas auf und kann beispielsweise mittels Siebdruck auf ein Material gedruckt werden. Nach Trocknung in einem Ofen und Nachbehandlung in einem Heizkalander weist die Paste als getrockneter Feststoff einen Flächenwiderstand von 0,19 Ohm auf.
  • Beispiel 2
  • Ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Paste enthält 70 Gew.% einer Lösung bestehend aus 2,1% Metylan® (Henkel KGaA) in Wasser, 24 Gew.% eines leitfähigen Füllstoffs, in dieser Ausführung silberbeschichtete Kupferflakes, und 6 Gew.% eines thermoplastischen Polyurethans mit einer Partikelgröße kleiner 120 μm.
  • Die Paste weist eine Viskosität von 50.200 mPas auf und kann beispielsweise mittels Siebdruck auf ein Material gedruckt werden. Nach Trocknung in einem Ofen und Nachbehandlung in einem Heizkalander weist die Paste als getrockneter Feststoff einen Flächenwiderstand von 0,44 Ohm auf.
  • Beispiel 3
  • Ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Paste enthält 60 Gew.% einer Lösung bestehend aus 2,5% Metylan® (Henkel KGaA) in Wasser, 32 Gew.% eines leitfähigen Füllstoffs, in dieser Ausführung Kupferflakes, und 8 Gew.% eines thermoplastischen Polyurethans mit einer Partikelgröße kleiner 120 μm.
  • Die Paste weist eine Viskosität von 125.000 mPas auf und kann beispielsweise mittels Schablonendruck auf ein Material gedruckt werden. Nach Trocknung in einem Ofen und Nachbehandlung in einem Heizkalander weist die Paste als getrockneter Feststoff einen Flächenwiderstand von 0,39 Ohm auf.
  • In allen Beispielen ergibt sich eine Dehnbarkeit der getrockneten und kalandrierten Paste bis 25%. Die Dehnbarkeit der Paste wird vorwiegend durch die starke Zunahme des Widerstands limitiert.
  • In allen Beispielen kann als thermoplastisches Polyurethan enthaltend die Komponenten Methylendi-phenylisocyanat, Polycarbonat/Hexandiol-Neopentyl-Glykol-Adipat, Butandiol eingesetzt werden. Dieses thermoplastische Polyurethan weist einen Schmelzbereich von 160 bis 170°C auf. Ein alternatives Polyurethan umfasst die Komponenten Methylendiphenylisocyanat, Polycaprolacton und Hexandiol. Dieses alternative thermoplastische Polyurethan weist einen Schmelzbereich von 125 bis 135°C auf. Ein niedrigschmelzendes Polyurethan weist meist eine Shore-Härte von 40 bis 60 Shore(A) auf und eignet sich insbesondere zum Einsatz auf niedrigschmelzenden Textilien. Ein höherschmelzendes Polyurethan weist meist eine Shore-Härte von 60 bis 98 Shore(A) auf und eignet sich aufgrund des Kristallisationsverhaltens insbesondere für Tiefziehprozesse.
  • Weitere denkbare Thermoplastische Polyurethane können beispielsweise auch aus den Isocyanaten Hexamethylen-1,6-diisocyanat (HDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), Toluylendiisocyanat (TDI), Naphthylen-1,5-diisocyanat (NDI), Dimethyl-diphenyl-diisocyanat TODI), Dicyclohexyl-methan-4,4'-diisocyanat (HMDI) aufgebaut sein. Gängige Polyole sind Polyether, z. B. Polytetrahydrofuran (PTHF) oder Polypropylenglykol (PPG), Polyester, z. B. Ethylenadipatpolyol, Butylenadipatpolyol, NPG-Adipate, Polycarbonatpolyole und Polycaprolactonpolyole sowie Polyetheresterpolyole. Diese werden mit geeigneten Kettenverlängeren wie beispielsweise Butandiol, Hexandiol, Cyclohexandimethanol (CHDM), Hydrochinonhydroxyethylether (HQEE) sowie Diamine und in geringen Mengen Triamine oder Triole wie z. B. Trimethylolpropan.
  • Die REM-Aufnahmen der 1 und 2 zeigen einen Vliesstoff der mit der Paste bedruckt wurde und in einem Kalander einer anschließenden Wärme- und Druckbehandlung unterzogen wurde. Beim Kalandrieren wurden die Polyurethan-Partikel aufgeschmolzen und die leitfähigen Füllstoffe, metallische Plättchen, wurden ausgerichtet und überlappen einander, was die Leitfähigkeit verbessert. Das thermoplastische Polyurethan verbindet als Bindemittel die Partikel untereinander und auf dem Vliesstoff.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1284278 A2 [0002]

Claims (12)

  1. Druckfähige und leitfähige Paste enthaltend ein dispergierbares thermoplastisches Polyurethan, einen leitfähigen Füllstoff, einen wasserlöslichen Verdicker und Wasser.
  2. Paste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdicker Zellulose-Derivate enthält.
  3. Paste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polyurethan in Partikeln mit einer Partikelgröße kleiner 350 μm, bevorzugt kleiner 120 μm aufweist.
  4. Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polyurethan einen Schmelzpunkt zwischen 100 und 220°C aufweist.
  5. Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Füllstoff aus metallischen Partikeln, bevorzugt kupfer- und/oder silberbasierend, besteht.
  6. Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Füllstoff Carbon-Nano-Tubes umfasst.
  7. Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Füllstoff eine niedrigschmelzende Legierung enthält.
  8. Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Füllstoff Kupferflakes umfasst.
  9. Verfahren zur Beschichtung eines Materials mit einer nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellten Paste, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste auf zumindest ein Material gedruckt und anschließend getrocknet wird und das mit der Paste bedruckte Material einer kombinierten Wärme- und Druckbehandlung unterzogen wird.
  10. Verfahren nach Anspruche 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste mittels Sieb- oder Schablonendruck gedruckt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit der aufgedruckten Paste im Anschluss an die kombinierte Wärme- und Druckbehandlung thermisch verformt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Materialien mit der Paste versehen werden und durch Druck- und Wärmebehandlung über die Paste stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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