DE102009034901A1

DE102009034901A1 - Leitfähige Polymerschäume und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102009034901A1
Application number: DE200910034901
Authority: DE
Inventors: Scott S. Woodstock Simpson
Original assignee: World Properties Inc
Current assignee: World Properties Inc
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2010-03-25
Also published as: JP5619388B2; US20090226696A1; GB2462356B; GB2462356A; JP2010043256A; CN101643550A; CN101643550B; GB0913320D0

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaumverbundmaterials beschrieben, wobei das Verfahren das Bilden eines Objektes, das eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, aus einer Vorläuferzusammensetzung umfasst, wobei die Vorläuferzusammensetzung eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung und eine Füllstoffzusammensetzung umfasst, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält; Schäumen der Vorläuferzusammensetzung zum Bilden mehrerer Zellen in der Vorläuferzusammensetzung; Anlegen eines Magnetfeldes an die geschäumte Vorläuferzusammensetzung, wobei das Magnetfeld von einer Stärke ist und für eine Dauer angewendet wird, die bei der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Objektes wirksam sind; und Erstarrenlassen der Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung, um den Polymerschaumverbundwerkstoff zu erhalten, der eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10-3 Ohm-cm bis etwa 103 Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat. Es werden auch Polymerschaum-Verbundmaterialien, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, sowie Objekte, die daraus gebildet sind, beschrieben.

Description

STAND DER TECHNIK
Diese Offenbarung bezieht sich auf elektrisch leitfähige Polymerschäume und Verfahren zur Herstellung derselben sowie auf Objekte, die die Polymerschäume umfassen.
Elektrisch leitfähige Polymerschäume werden in einer Reihe von Anwendungen verwendet, einschließlich den elektrischen Kontaktierungsvorrichtungen, in Sensoren und in Anwendungen, die die Abschirmung von elektromagnetischen Störungen (EMI)/Hochfrequenzstörungen (RFI) und/oder elektrostatische Dissipation erfordern. Als Beispiel dienende Materialien, die eine EMI/RFI-Abschirmung bewirken können, umfassen Metallfolie oder metallisiertes Gewebe, die um nichtleitende Schaumdichtungen gewickelt sind, und nichtleitende Dichtungen, die mit leitfähigen Materialien beschichtet sind. Materialien, die sich für die elektrostatische Dissipation eignen, umfassen leitfähige Füllstoffe, die in verschiedene Polymere eingebracht sind, wie zum Beispiel Silikone, Polyurethane und Polyolefine. Ein Nachteil bei der Verwendung von leitfähigen Füllstoffen ist, dass das Hinzufügen einer Menge an leitfähigem Füllstoff, die für das Erreichen einer hohen Leitfähigkeit ausreichend ist, die Kompressibilität und Verarbeitbarkeit des Polymers beeinträchtigt. Außerdem erhöht die Verwendung solcher hohen Füllstoffkonzentrationen die Kosten für die Polymermischung. Benutzer werden oft gezwungen, einen Kompromiss zwischen den Kosten und der Qualität des Materials zu schließen. Es ist daher schwierig gewesen, hoch qualitative leitfähige Schäume zur Verwendung bei der EMI/RFI-Abschirmung zu erreichen.
Es wäre vorteilhaft, Polymerschäume bereitzustellen, bei denen die Menge des zugesetzten Füllstoffs minimiert ist, während gleichzeitig eine geeignete elektrische Leitfähigkeit beibehalten wird. Es wäre ferner vorteilhaft, dass die Kompressibilität, Verarbeitbarkeit und andere physikalische Eigenschaften des Schaums, die für eine bestimmte Anwendung benötigt werden, nicht signifikant negativ beeinflusst werden.
Es bleibt demzufolge ein Bedarf in der Technik an Zusammensetzungen und Verfahren, durch die Schaumstoffe sowohl mit elektrischer Leitfähigkeit als auch mit Kompressibilität und Verarbeitbarkeit bereitgestellt werden, insbesondere ohne wesentliche Beeinträchtigungen für eine oder mehrere physikalische Eigenschaften, die für eine bestimmte Anwendung benötigt werden.
KURZDARSTELLUNG
Ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaumverbundmaterials umfasst das Formen eines Objektes, das eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, aus einer Vorläuferzusammensetzung, wobei die Vorläuferzusammensetzung eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält, umfasst; Aufschäumen der Vorläuferzusammensetzung zum Bilden mehrerer Zellen in der Vorläuferzusammensetzung; Anlegen eines Magnetfeldes an die geschäumte Vorläuferzusammensetzung, wobei das Magnetfeld von einer Stärke ist und für eine Dauer angewendet wird, die bei der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Objektes wirksam sind; und Festwerdenlassen der Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung, um den Polymerschaumverbundwerkstoff zu erhalten, der eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pounds per cubic foot (pcf) und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 pounds per sqaure inch (psi) hat.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaumverbundmaterials umfasst das Formen eines Objektes, das eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, aus einer Vorläuferzusammensetzung, wobei die Vorläuferzusammensetzung eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält, umfasst; Aufschäumen der Vorläuferzusammensetzung zum Bilden mehrerer Zellen in der Vorläuferzusammensetzung; Anlegen eines Magnetfeldes an die geschäumte Vorläuferzusammensetzung, wobei das Magnetfeld von einer Stärke ist und für eine Dauer angewendet wird, die bei der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Objektes wirksam sind, wobei das Aufschäumen im Wesentlichen vor dem vollständigen Ausrichten der magnetisch, elektrisch leitfähigen Teilchen abgeschlossen ist; und Festwerdenlassen der Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung, um den Polymerschaumverbundwerkstoff zu erhalten, der eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaumverbundmaterials beschrieben, wobei das Verfahren umfasst: mechanisches Schäumen einer Vorläuferzusammensetzung zur Bildung mehrerer Zellen in der Vorläuferzusammensetzung, wobei die Vorläuferzusammensetzung folgendes umfasst: eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält; Bilden eines Objektes, die eine erste Oberfläche und eine gegenüber liegende zweite Oberfläche aus der mechanisch aufgeschäumten Vorläuferzusammensetzung hat; Anlegen eines Magnetfeldes von einer Stärke und für eine Dauer, die bei der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Objektes wirksam sind, wobei das Schäumen im wesentlichen vor der vollständigen Ausrichtung der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen abgeschlossen ist; und Aushärten der Polymer-Vorläuferzusammensetzung, um den Polymerschaumverbundwerkstoff zu erhalten, der eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaumverbundmaterials folgendes: Formen eines Objektes, das eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche aus einer Vorläuferzusammensetzung hat, wobei die Vorläuferzusammensetzung eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält, umfasst; Aufschäumen der Vorläuferzusammensetzung zum Bilden mehrerer Zellen in der Vorläuferzusammensetzung; Anlegen eines Magnetfeldes an die geschäumte Vorläuferzusammensetzung, wobei das Magnetfeld von einer Stärke ist und für eine Dauer angewendet wird, die bei der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Objektes wirksam sind; und Festwerdenlassen der Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung; und Entfernen einer Menge der ersten und/oder zweiten Oberfläche des erstarrten Schaums, die ausreichend ist, um zumindest teilweise die Enden der gegeneinander isolierten Ketten freizulegen, um den Polymerschaumverbundwerkstoff zu erhalten, der eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Ein spezielles Verfahren zur Herstellung eines Polyurethanschaumverbundmaterials umfasst das mechanische Schäumen einer Vorläuferzusammensetzung, die eine Polyisocyanat-Komponente, eine aktive wasserstoffhaltige Komponente, die mit der Polyisocyanat-Komponente reaktiv ist, einen grenzflächenaktiven Stoff, einen Katalysator und eine Füllstoffzusammensetzung, welche mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält, umfasst, um Zellen zu bilden; Gießen des Schaums zur Bildung einer Schicht, die eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat; Anlegen eines Magnetfeldes an die Schicht zum Ausrichten der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten, die im wesentlichen durchgängig die Schicht zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche überspannen, wobei das Schäumen im wesentlichen vor dem Anlegen des Magnetfeldes abgeschlossen ist; und Aushärten der Schicht zum Erzeugen des Polyurethanschaumverbundmaterials, das einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat und bei dem der Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mehr als 1,5 mal so groß wie der durchschnittliche Durchmesser der Zellen ist.
Ein weiteres spezielles Verfahren zur Herstellung eines Silikonschaums umfasst: Gießen einer Mischung, die ein Polysiloxanpolymer mit Hydridsubstituenten, einen Katalysator und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält, umfasst; zur Bildung einer Schicht, die eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat; Aufschäumen der Mischung; Aushärten der Mischung in einem angelegten Magnetfeld zum Ausrichten der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten, die den Schaum zwischen einer ersten Oberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Schaums im wesentlichen durchgängig überspannen; und Entfernen einer Menge der ersten Oberfläche und/oder zweiten Oberfläche des ausgehärteten Schaums, die ausreicht, um die Enden der gegeneinander isolierten Ketten zumindest teilweise freizulegen, um das Silikonschaumverbundmaterial herzustellen, das einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Es wird auch ein Polymerschaumverbundmaterial beschrieben, das nach den vorgenannten Verfahren hergestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Polymerschaumverbundmaterial einen Polymerschaum, der eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, und elektrisch leitfähige, magnetische Teilchen, die zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Schaums ausgerichtet sind; wobei der Schaum eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Es werden auch Objekte beschrieben, die ein Polymerschaumverbundmaterial umfassen, welches nach den oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Polymerschaumstoffschicht das Bilden einer Schicht, die eine erste Oberfläche und eine gegenüber liegende zweite Oberfläche hat, wobei die Schicht eine Vorläuferzusammensetzung des Polymerschaums und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen mit großem Schlankheitsverhält nis enthält, umfasst; Schäumen der Vorläuferzusammensetzung des Schaums, um mehrere Zellen in der Schicht zu bilden; Anwenden eines Magnetfeldes von einer Stärke und während einer Dauer, die zum Ausrichten der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis in mehreren, gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüber liegenden zweiten Oberfläche der Schicht wirksam sind; und Aushärten der geschäumten Schicht.
Die oben diskutierten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind von Fachleuten auf diesem Gebiet aus den folgenden Figuren und der ausführlichen Beschreibung zu erkennen und zu verstehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Mit Bezug nun auf die als Beispiel dienenden Zeichnungen, in denen ähnliche Elemente in mehreren Figuren ähnlich nummeriert werden:
1 ist eine schematische Darstellung eines als Beispiel dienenden elektrisch leitfähigen Polymerschaums;
2 ist eine schematische Darstellung eines als Beispiel dienenden elektrisch leitfähigen Polymerschaums mit gegeneinander isolierten Säulen von magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis;
3 ist eine schematische Darstellung eines als Beispiel dienenden elektrisch leitfähigen Polymerschaums mit gegeneinander isolierten Säulen von magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis, die unter einem Winkel gegen die Oberfläche des Polymerschaums angeordnet sind; und
4 ist eine Mikroskopaufnahme eines Querschnitts eines als Beispiel dienenden elektrisch leitfähigen Polyurethanschaums, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden hierin Polymerschäume offenbart, bei denen elektrisch leitfähige Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis magnetisch zu Säulen in den Schäumen ausgerichtet werden, um für elektrische Leitfähigkeit in den Polymerschäumen zu sorgen. Obwohl eine solche magnetische Ausrichtung in festen Polymeren demonstriert worden ist, war nicht zu erwarten, dass dieses Verfahren auch dazu verwendet werden kann, für eine elektrische Leitfähigkeit in zellförmigen Polymeren zu sorgen.
In einer Ausführungsform wurde festgestellt, dass eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit durch Bilden einer aufgeschäumten Vorläuferzusammensetzung, magnetische Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen in der Vorläuferzusammensetzung zu gegeneinander isolierten Ketten, die zwei Oberflächen des Schaums überspannen, Verhindern des weiteren Schäumens der Vorläuferzusammensetzung nach dem Ausrichten der Teilchen und Aushärten oder Kühlen der Vorläuferzusammensetzung zur Bildung des Schaums erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist festgestellt worden, dass eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit durch Bilden einer geschäumten Vorläuferzusammensetzung, magnetisches Ausrichten elektrisch leitfähiger, magnetischer Teilchen in der Vorläuferzusammensetzung zu gegeneinander isolierten Ketten, die zwei Oberflächen des Schaums überspannen, Aushärten oder Kühlen der Vorläuferzusammensetzung zur Bildung des Schaums und Entfernen der oberen Schicht der Schaumoberflächen, um die Enden der gegeneinander isolierten Ketten der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zumindest teilweise freizulegen.
Eine verbesserte Leitfähigkeit kann auch erreicht werden, wenn die Teilchen ein hohes Schlankheitsverhältnis haben und wenn die Länge der Säulen größer oder gleich der Dicke der Polymerschaumstoffschicht ist, wodurch minimale Kontakte zwischen den Teilchen erforderlich sind, um die obere und untere Oberfläche elektrisch zu überspannen. Bei einem weiteren unerwarteten Merkmal kann eine solche elektrische Leitfähigkeit erreicht werden, ohne die physikalischen Eigenschaften der Polymerschäume signifikant zu beeinträchtigen. In einer Ausführungsform werden daher die Polymerschäume hergestellt, die elektrisch leitfähig sind und die auch eine oder mehrere Eigenschaften aus Kompressibilität, Flexibilität, Druckverformungsrestwiderstandskraft, Zellgleichförmigkeit und dergleichen im Wesentlichen beibehalten. Diese Materialien sind besonders für die Verwendung bei der Bildung von Objekten geeignet, die für eine Abschirmung gegen EMI und/oder RFI sorgen können.
Die elektrisch leitfähigen Teilchen umfassen ein elektrisch leitfähiges Material und ein magnetisches Material, welche dasselbe Material oder unterschiedliche Materialien sein können. Als Beispiel dienende elektrisch leitfähige Materialien umfassen leitfähige Metalle, wie zum Beispiel Gold, Silber, Nickel, Kupfer, Aluminium, Chrom, Kobalt, Eisen und dergleichen, sowie Oxide oder Legierungen, die mindestens eines der vorhergehenden Metalle umfassen. Geeignete magnetische Materialien umfassen ferromagnetische und paramagnetische Materialien. Als Beispiel dienende magnetische Materialien umfassen Eisen, Nickel und Kobalt sowie die Lanthanoid-Seltenerdmetalle und dergleichen, sowie Oxide, Keramiken und Legierungen aus mindestens einem der vorhergehenden magnetischen Materialien. In einer Ausführungsform ist das magnetische, elek trisch leitfähige Material auch ein nicht-oxidierendes Material.
Die Teilchen können ganz aus dem/den magnetischen, elektrisch leitfähigen Materialien) hergestellt sein oder das/die magnetische(n), elektrisch leitfähigen) Material(ien) kann als Kern oder als Beschichtung zusammen mit einem nichtmagnetischen Material, einem elektrisch nichtleitfähigen Material oder einem nichtmagnetischen, elektrisch nicht leitfähigen Material verwendet werden. Zum Beispiel kann ein elektrisch leitfähiges Material zum Beschichten eines Kerns verwendet werden, der ein magnetische Material, wie zum Beispiel ein Eisenteilchen umfasst, oder ein magnetisches und elektrisch leitfähiges Material kann zum Beschichten eines nichtmagnetischen, elektrisch nichtleitfähigen Materials verwendet werden, wie zum Beispiel Glas, einschließlich Glas-Mikrohohlperlen. Silber- und Nickelbeschichtungen sind besonders nützlich. Spezielle magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen umfassen Teilchen aus rostfreiem Stahl, silberbeschichtete Nickelteilchen, silberbeschichtete Eisenteilchen, Nickelteilchen und nickelbeschichtete Teilchen, wie zum Beispiel nickelbeschichtetes Aluminiumtrihydroxid (Al(OH)₃, ”ATH”), nickelbeschichtete Glasteilchen und nickelbeschichtete Teilchen aus rostfreiem Stahl.
Das elektrisch leitfähige oder magnetische und elektrisch leitfähige Material kann auf den Kernteilchen durch Beschichtungsverfahren abgeschieden werden, wie zum Beispiel Dampfabscheidung, stromlose Plattierung und dergleichen. In einer Ausführungsform kann der Prozess der stromlosen Plattierung zum Abscheiden von Nickel auf Aluminiumtrihydroxid verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Dampfabscheidung von Nickelcarbonyl für eine Nickelbeschichtung verwendet. Eine ausreichende Menge von elektrisch leitfähigem Material wird auf den magnetisch leitfähigen Teilchen derart abgeschieden, dass die Teilchen bei Verwendung zur Bildung von Verbundmaterialien dem Verbundmaterial das gewünschte Maß an Leitfähigkeit verleihen, ohne die gewünschten Eigenschaften des Polymers wesentlich zu beeinträchtigen. Es ist nicht notwendig, dass alle Teilchen beschichtet werden oder dass die Beschichtung jedes Teilchen vollständig bedeckt. Daher können Teilchen, die zumindest im Wesentlichen beschichtet sind, verwendet werden. In einer gegebenen Teilchenmenge werden zum Beispiel mindestens etwa 60% der Gesamtoberfläche der Teilchen beschichtet, speziell werden mindestens etwa 70%, spezieller werden mindestens etwa 80% und noch spezieller werden mindestens etwa 90% der Gesamtoberfläche der Teilchen beschichtet. Die Beschichtungsdicke kann stark variieren. In einer Ausführungsform beträgt die Dicke der Beschichtung etwa 0,004 bis etwa 0,2 mils (etwa 0,1 bis etwa 5 Mikrometer), speziell etwa 0,02 bis etwa 0,1 mils (etwa 0,526 bis etwa 3 Mikrometer).
Die Teilchen können eine Vielzahl von unregelmäßigen oder regelmäßigen Formen haben, zum Beispiel kugelförmig, flockenförmig, platten- oder stabartig. Es können Teilchen, die von einer Kombination unterschiedlicher Formen sind, verwendet werden. In einer Ausführungsform werden Teilchen, die ein Schlankheitsverhältnis (Länge/Breite) von mehr als 1 haben, verwendet. In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Polymerschaumstoffschicht Teilchen, die ein hohes Schlankheitsverhältnis haben (Länge eines Teilchens, geteilt durch seine Breite). Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff hohes Schlankheitsverhältnis im Allgemeinen auf Teilchen, die ein Verhältnis der Länge zur Breite von etwa 1,5 bis etwa 500, speziell von etwa 2 bis etwa 100, haben. Als Beispiel dienende Formen von Teilchen, die ein hohes Schlankheitsverhältnis haben, enthalten stäbchenförmige Teilchen, Fasern, Haarkristalle („whiskers”) und dergleichen. Obwohl in dieser Offenbarung ”Teilchen” mit hohem Schlankheitsverhältnis verwendet werden können, versteht es sich, dass der Begriff ”Teilchen” jede Form mit hohem Schlankheitsverhältnis einschließt, einschließlich Stäbchen, Haarkristallen, Fasern und dergleichen. Die Teilchengröße ist nicht speziell beschränkt und kann zum Beispiel eine durchschnittliche größte Abmessung von etwa 0,250 bis etwa 500 Mikrometern haben. Speziell kann die durchschnittliche größte Abmessung der Teilchen etwa 1 bis etwa 500 Mikrometer, spezieller etwa 100 bis etwa 300 Mikrometer betragen. Diese durchschnittliche Größe kann mit einem einzigen Füllstoff oder einer Mischung von Füllstoffen, die verschiedene durchschnittliche Teilchengrößen haben, erreicht werden. In einer Ausführungsform sind die Teilchen kugelförmig und haben einen Durchmesser von etwa 180 bis etwa 250 Mikrometern. Es ist auch möglich, ausdehnbare Teilchen zu verwenden (z. B. nickelbeschichtete Polyvinylidenchlorid-Teilchen) oder verformbare Teilchen (z. B. nickelbeschichtete weiche Perlen), um die Kontaktfläche zwischen Teilchen zu erhöhen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die durchschnittliche größte Abmessung etwa 0,5 bis etwa 1,4 mal so groß wie die Dicke der Polymerschicht sein, in der die Teilchen angeordnet sind. Als Beispiel dienende Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis umfassen Metallfasern, die von Bekhaert^® im Handel erhältlich sind. Die Bekhaert^®-Metallfasern enthalten nur Metall und sind Fasern aus rostfreiem Stahl, die in einer Vielzahl von Legierungen verfügbar sind, wie zum Beispiel 304, 347, 316L und dergleichen. Die Edelstahlfasern haben eine Abmessung, die bei der Erzeugung der elektrischen Leitfähigkeit durch die Polymerschaumstoffschicht wirksam ist. Die durchschnittliche Länge der Faser hängt von der Legierung und dem Faserdurchmesser ab. In einer Ausführungsform haben die Metallfasern, speziell die Edelstahlfasern, eine durchschnittliche Länge von 100 bis 1000 Mikrometern, speziell von 300 bis 800 Mikrometern, spezieller 516 Mikrometer, und eine maximale Länge von weniger als 2000 Mikrometern, speziell von 1.000 bis 1.500 Mikrometern, noch spezieller 1395 Mikrometer. Das Schlankheitsverhältnis für die Metallfasern, speziell für die Edelstahlfasern, kann von etwa 15 bis etwa 25 variieren. In einer Ausführungsform sind die Metallfasern, speziell Edelstahlfasern, nickelbeschichtet, bevor sie in der Polymerschaumstoffschicht angeordnet werden.
Die Teilchen können oberflächenbehandelt sein, um ihr Oberflächeneigenschaften zu ändern. Die Teilchen können zum Beispiel mit einem hydrophoben Material beschichtet sein, um die Interaktion mit einer Polymer-Vorläuferzusammensetzung zu reduzieren. Ein als Beispiel dienendes Beschichtungsmaterial ist Silan (das für Polyurethan-Verbundmaterialien nützlich sein kann) oder Fluorsilikon (das für Silikon-Verbundmaterialien nützlich sein kann). Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, glaubt man, dass die Behandlung der Teilchen mit Silan oder Silikon die Benetzung der Teilchen durch eine oder mehrere Komponenten der Vorläuferzusammensetzung oder des Polymers selbst reduziert. Die Steuerung der Benetzung der Teilchen kann die Bildung einer Haut über den Teilchen regulieren.
Andere elektrisch leitfähige Füllstoffe können zusätzlich verwendet werden, um eine gewünschte Leitfähigkeit zu erreichen, wie zum Beispiel Rußschwarz, Kohlenstofffasern, wie zum Beispiel PAN-Fasern, metallbeschichtete Fasern, oder Kügelchen, wie zum Beispiel metallbeschichtete Glasfasern, metallbeschichtete Kohlenstofffasern, metallbeschichtete organische Fasern, metallbeschichtete Keramikkügelchen, metallbeschichtete Glaskügelchen und dergleichen, inhärent leitfähige Polymere, wie zum Beispiel Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen in Teilchen- oder Faserform, leitfähige Metalloxide, wie zum Beispiel Zinnoxid oder Indium-Zinnoxid, und Kombinationen, die zumindest einen der vorhergehenden leitfähigen Füllstoffe umfassen, können ebenfalls verwendet werden. Das relative Verhältnis von magnetischem, elektrisch leitfähigem Füll stoff zu elektrisch leitfähigem Füllstoff kann stark variieren, je nach den Arten des Füllstoffs, der verwendet wird, und den gewünschten Eigenschaften des Schaums. Im Allgemeinen kann die Füllstoffzusammensetzung 50 bis 100 Gewichts-% magnetisches, elektrisch leitfähiges Material und 0 bis 50 Gewichts-% elektrisch leitfähigen Füllstoff, spezieller 75 bis 99 Gewichts-% magnetischen, elektrisch leitfähigen Füllstoff und 1 bis 25 Gewichts-% elektrisch leitfähigen Füllstoff umfassen, jeweils auf der Basis des Gesamtgewichts der Füllstoffzusammensetzung.
Die relative Menge der Füllstoffzusammensetzung, die bei der Herstellung des elektrisch leitfähigen Polymerschaums verwendet wird, variiert je nach der Art des Polymers, der Art der Teilchen, dem Verwendungszweck, der gewünschten Leitfähigkeit, der Schaumstoffzellstruktur, den Verarbeitungseigenschaften und ähnlichen Faktoren. In einer Ausführungsform umfasst der elektrisch leitfähige Polymerschaum einen Gesamtfüllstoffgehalt von etwa 10 bis etwa 90 Gewichts-%, speziell von etwa 20 bis etwa 80 Gewichts-%, noch spezieller von etwa 30 bis etwa 70 Gewichts-%, jeweils auf der Basis des Gesamtgewichts des elektrisch leitfähigen Polymerschaums. Alternativ kann die Menge des Füllstoffs als Prozentsatz des Volumens (Vol-%) der Vorläuferzusammensetzung für den elektrisch leitfähigen Polymerschaum vor dem Schäumen beschrieben werden. In einer Ausführungsform umfasst der Schaum etwa 1 bis etwa 30 Volumen-% Füllstoffteilchen, speziell etwa 2 bis etwa 20 Volumen-%, spezieller etwa 3 bis etwa 17 Volumen-%, noch spezieller etwa 5 bis etwa 15 Volumen-% der Vorläuferzusammensetzung des Polymerschaums vor dem Schäumen.
Wie hierin verwendet, ist ein ”Schaum” ein Material, das eine Zellstruktur und eine Dichte von etwa 5 bis etwa 150 pounds per cubic foot (pcf) (80 bis etwa 2402 Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³)), speziell kleiner oder gleich etwa etwa 125 pcf (2002 kg/m³), spezieller kleiner oder gleich etwa 100 pcf (1601 kg/m³) und noch spezieller etwa 10 bis etwa 60 pcf (160 bis 961 kg/m³) hat. Solche Schäume haben einen Hohlraumgehalt von etwa 20 bis etwa 99%, speziell etwa 30% bis etwa 95% und spezieller etwa 50%, jeweils auf der Basis des Gesamtvolumens des Schaums. Die Schäume können offen- oder geschlossenzellig sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Schaum einen Hohlraumgehalt von etwa 20 bis etwa 90%, speziell größer oder gleich etwa 30% und spezieller größer oder gleich etwa 50%, jeweils auf der Basis des Gesamtvolumens des Schaums, haben.
Polymere zur Verwendung in den Schäumen können aus einer breiten Palette von Thermoplasten, Mischungen von Thermoplasten oder Duroplasten ausgewählt werden. Als Beispiele dienende Thermoplasten, die verwendet werden können, umfassen Polyacetale, Polyacryle, Styrol-Acrylnitril, Polyolefine, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polycarbonate, Polystyrole, Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalate, Polyamide, wie zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, Nylon 6, Nylon 6,6, Nylon 6,10, Nylon 6,12, Nylon 11 oder Nylon 12, Polyamidimide, Polyarylate, Polyurethane, Ethylenpropylen-Gummi (EPR), Polyarylsulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Polyvinylchloride, Polysulfone, Polyetherimide, Polytetrafluorethylene, fluorierte Ethylenpropylene, Polychlortrifluorethylene, Polyvinylidenfluoride, Polyvinylfluoride, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polyetherketonketone und dergleichen oder eine Kombination, die mindesten einen der vorhergehenden Thermoplaste umfasst.
Beispiele für Mischungen von Thermoplasten, die in den Polymerschäumen verwendet werden können, umfassen Acrylnitril-Butadien-Styrol/Nylon, Polycarbonat/Acrylnitril-Butadienstyrol, Acrylnitrilbutadienstyrol/Polyvinylchlorid, Polyphenylenether/Polystyrol, Polyphenylenether/Nylon, Polysulfon/Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polycarbonat/thermoplastisches Urethan, Polycarbonat/Polyethylenterephthalat, Polycarbonat/Polybutylenterephthalat, thermoplastische Elastomerlegierungen, Polyethylenterephthalat/Polybutylenterephthalat, Styrol-Maleinsäureanhydrid/Acrylnitril-Butadienstyrol, Polyetheretherketon/Polyethersulfon, Styrol-Butadien-Gummi, Polyethylen/Nylon, Polyethylen/Polyacetal, Ethylenpropylen-Gummi (EPR) und dergleichen oder eine Kombination, die mindestens eine der vorhergehenden Mischungen umfasst.
Beispiele für polymere Duroplaste, die in den Polymerschäumen verwendet werden können, umfassen Polyurethane, Epoxide, Phenolharze, Polyester, Polyamide, Silikone und dergleichen oder eine Kombination, die mindestens einen der vorhergehenden Duroplaste umfasst. Mischungen von Duroplasten sowie Mischungen von Thermoplasten mit Duroplasten können verwendet werden.
Andere Zusatzstoffe, die für die Verwendung bei der Herstellung von Schäumen bekannt sind, können in den Schaumzusammensetzungen vorhanden sind, zum Beispiel andere Füllstoffe, wie zum Beispiel verstärkende Füllstoffe, wie zum Beispiel gewebte Materialien, Kieselerde, Glasteilchen und Glas-Mikrohohlperlen, Füllstoffe, die für die Temperaturführung verwendet werden, oder flammenhemmende Füllstoffe oder Zusatzstoffe. Als Beispiel dienende Flammenhemmstoffe umfassen zum Beispiel ein Metallhydroxid, das Aluminium, Magnesium, Zink, Bor, Calcium, Nickel, Kobalt, Zinn, Molybdän, Kupfer, Eisen, Titan oder eine Kombination derselben enthält, zum Beispiel Aluminiumtrihydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, Eisenhydroxid und dergleichen; ein Metalloxid, wie zum Beispiel Antimonoxid, Antimontrioxid, Antimonpentoxid, Eisenoxid, Titanoxid, Manganoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Zinkoxid, Molybdänoxid, Kobaltoxid, Bismutoxid, Chromoxid, Zinnoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Wolframoxid und dergleichen; Metallborate, wie zum Beispiel Zinkborat, Zinkmetaborat, Bariummetaborat und dergleichen; Metallcarbonate, wie zum Beispiel Zinkcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat, Bariumcarbonat und dergleichen; Melamincyanurat, Melaminphosphat und dergleichen; Rußschwarz, ausdehnbare Graphitschuppen (zum Beispiel die von GrafTech International, Ltd. unter der Handelsbezeichnung GRAFGUARD erhältlichen) und dergleichen; Nano-Tone und bromierte Verbindungen. Als Beispiel dienende Flammenhemmstoffe des Polymerschaums sind Magnesiumhydroxide, Nano-Tone und bromierte Verbindungen. In einer Ausführungsform erfüllt die Flammenhemmung des Polymerschaums bestimmte Normen der Underwriter's Laboratories (UL) für die Flammenhemmung. Zum Beispiel hat der Polymerschaum eine Bewertung von V-0 nach der UL-Norm 94.
Weitere Zusatzstoffe, die vorhanden sein können, umfassen Farbstoffe, Pigmente (zum Beispiel Titandioxid und Eisenoxid), Antioxidationsmittel, Antiozonisierungsmittel, UV-Stabilisatoren, leitfähige Füllstoffe, Katalysatoren zur Aushärtung des Polymers, Vernetzungsmittel und dergleichen, sowie Kombinationen, die zumindest einen der vorhergehenden Zusatzstoffe umfassen.
In einem allgemeinen Prozess zur Herstellung des Polymerschaumverbundmaterials wird eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung mit der Füllstoffzusammensetzung, die magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen umfasst, und andere optionale Zusatzstoffen kombiniert, und zum Bilden eines Objektes, z. B. einer Schicht, verwendet, das eine erste Seite und eine gegenüber liegende zweite Seite hat, das dann einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Die Schicht wird einem Magnetfeld in einer Stärke und während einer Zeit ausgesetzt, die wirksam sind, die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten, die sich von einer ersten Oberfläche der Schicht bis zu einer gegenüber liegenden, zweiten Oberfläche erstrecken, im Wesentlichen auszurichten. Das Schäumen kann an einem beliebigen Punkt oder an mehreren Punkten im Prozess vor dem Aushärten (oder im Fall von thermoplastischen Polymeren vor dem Kühlen) ausgeführt werden, zum Beispiel vor dem Formen des Objektes, während des Formens des Objektes oder nach dem Formen des Objektes; vor der Einwirkung des Magnetfeldes, während der Einwirkung des Magnetfeldes oder nach der Einwirkung des Magnetfeldes oder einer Kombination derselben, zum Beispiel vor dem Formen des Objektes und während der Einwirkung des Magnetfeldes oder nach dem Formen des Objektes und während der Einwirkung des Magnetfeldes. In einigen Ausführungsformen ist das Schäumen im Wesentlichen vor dem Anlegen des Magnetfeldes abgeschlossen. In anderen Ausführungsformen setzt sich das Schäumen während der Einwirkung des Magnetfeldes fort, das Schäumen und die Einwirkung des Magnetfeldes enden aber zur selben Zeit. In noch anderen Ausführungsformen setzt sich das Schäumen nach der Einwirkung des Magnetfeldes fort.
Das Schäumen der Vorläuferzusammensetzung erfolgt durch mechanisches Schäumen (auch als mechanische Schaumbildung bekannt), Blähen (chemisch oder physikalisch) oder eine Kombination von mindestens zwei aus mechanischem Schäumen, chemischem Blähen oder physikalischem Blähen.
In einer speziellen Ausführungsform erfolgt das Schäumen der Vorläuferzusammensetzung durch mechanisches Schäumen. Optional kann in dieser Ausführungsform der Vorläuferzusammensetzung ferner durch chemisches Blähen, physikalisches Blähen oder eine Kombination, die mechanisches Schäumen, chemisches Blähen und physikalisches Blähen umfasst, geschäumt werden. Es versteht sich jedoch, dass in einigen Ausführungsformen nur das mechanische Schäumen verwendet wird. Das mechanische Schäumen kann das Schaumigschlagen, Mischen, Rühren oder dergleichen umfassen oder eine Kombination, die mindestens eines der vorhergehenden Aufschäumverfahren umfasst. Das mechanische Schäumen umfasst die mechanische Aufnahme eines Gases in eine Vorläuferzusammensetzung, um einen Schaum zu bilden. Das Schäumen kann auch das Bewegen einer Vorläuferzusammensetzung beinhalten, die Zellen enthält, um die Zellgröße und Verteilung der Zellen durch Teilen oder Aufbrechen der Zellen zu ändern und dabei die Zellgröße und Zellgrößenverteilung auszuwählen. Das Blähen wird unter Verwendung eines chemischen oder physikalischen Treibmittels (z. B. Chlorfluorkohlenwasserstoff) ausgeführt, um Gas in eine Vorläuferzusammensetzung einzubringen, wodurch sich Zellen bilden. Das Blähen kann vor oder nach dem Schäumen stattfinden oder sowohl vor wie auch nach dem Schäumen.
In einer Ausführungsform wurde festgestellt, dass die optimale Leitfähigkeit durch im Wesentlichen vollständiges Schäumen der Polymer-Vorläuferzusammensetzungen erreicht wird, die vor dem Einwirken des Magnetfeldes teilweise ausgehärtet wurden. In dieser Ausführungsform tritt kein oder im Wesentlichen kein zusätzliches Schäumen nach der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen auf. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, glaubt man, dass das zusätzliche Schäumen nach der Ausrichtung der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen zu einer Schicht des Schaums oder einer Haut an den Oberflächen des Schaums führt, die die Teilchen an der Oberfläche bedeckt und sie vom elektrischen Kontakt an der Oberfläche isoliert. Daher, in einer Ausführungsform,, und vollständig ausgehärtet während der Einwirkung des Magnetfeldes. In einer weiteren Ausführungsform wird der Schaum teilweise vor oder während des Einwirkens des Magnetfeldes ausgehärtet und nach dem Einwirken des Magnetfeldes vollständig ausgehärtet, dabei wird das Magnetfeld in einer Stärke und über eine Zeit angelegt, die wirksam sind, um die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen im wesentlichen auszurichten als auch zu einer zumindest teilweisen Bloßlegung von einem oder mehreren Teilchen an einer oder beiden Oberflächen des Schaums zu führen. Wenn eines dieser Verfahren verwendet wird, ist es nicht notwendig, die Dicke des Objektes gegenüber der Zellgröße des Schaums zu begrenzen.
In einer weiteren Ausführungsform wurde festgestellt, dass die elektrische Leitfähigkeit der Polymer-Verbundschäume verbessert werden kann, indem die äußeren Oberfläche des ausgehärteten oder (im Fall von Thermoplasten) gekühlten Schäume entfernt wird, um die Teilchen an den Enden der gegeneinander isolierten Ketten freizulegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie eine breite Palette von Schäum- und Aushärtungs- oder Kühlverfahren ermöglicht, weil es nicht notwendig ist, das zusätzliche Schäumen der Polymervorläufer nach der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zu verhüten. Als Beispiel dienende Prozesse umfassen das Polieren, Schleifen oder dergleichen. Polieren und Schleifen enthalten das abtragende Entfernen der Oberfläche des Schaums. Andere als Beispiel dienende nachträglichen Prozesse umfassen das chemische Entfernen, Abflammen, dielektrische Durchbrennen und die Oberflächenbehandlung mittels Koronaentladung oder dergleichen. Diese Prozesse enthalten die Zersetzung der Oberfläche des Schaums unter Verwendung einer Chemikalie, Flamme, elektrischen Entladung bzw. Koronaentladung. Die Verarbeitung kann auch durch Klebstoffschälen erfolgen, wobei die Oberflächenhaut des Schaums entfernt wird, indem die Oberflächenhaut an einen fest haftenden Träger angeheftet wird und anschließend der festhaftende Träger und die Oberflächenhaut entfernt werden. Die Verarbeitung kann auch eine Kombination enthalten, die mindest eines der vorhergehenden nachträglichen Verarbeitungsverfahren umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Schaum so formuliert, dass er einen hohen Grad an Aushärtung (Vernetzung) aufweist, um die Leitfähigkeit des Polymerschaumverbundmaterials zu erhöhen. Hoch ausgehärtete Schäume weisen die Tendenz auf, während des Aushärtens zu schrumpfen, wodurch die Enden der gegeneinander isolierten Ketten von elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen freigelegt werden.
In einem allgemeinen Prozess zur Herstellung der elektrisch leitfähigen Schäume wird die Polymerzusammensetzung, die zum Bilden des Schaums verwendet wird, mit der magnetischen, elektrisch leitfähigen Füllstoffzusammensetzung (und anderen optionalen Zusatzstoffen) kombiniert und zum Bilden einer Schicht verwendet, die eine erste Seite und eine gegenüber liegende zweite Seite hat, die dann einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Je nach dem Polymer kann das Aufschäumen vor dem Gießen; während des Gießens; nach dem Gießen und vor der Einwirkung des Magnetfeldes; oder nach dem Gießen und während der Einwirkung des Magnetfeldes ausgeführt werden. Die Schicht wird einem Magnetfeld in einer Stärke und während eines Zeitraums ausgesetzt, die wirksam sind, die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis in isolierten Säulen, die sich von einer ersten Oberfläche der Schicht bis zu einer gegenüber liegenden, zweiten Oberfläche erstrecken, im Wesentlichen auszurichten. Der Schaum kann während der Einwirkung des Magnetfeldes unausgehärtet gelassen werden, er kann vor der Einwirkung des Magnetfeldes teilweise ausgehärtet werden; er kann während der Einwirkung des Magnetfeldes teilweise ausgehärtet werden; er während der Einwirkung des Magnetfeldes vollständig ausgehärtet werden; oder er kann nach der Einwirkung des Magnetfeldes vollständig ausgehärtet werden. In einer Ausführungsform wird der Schaum vor der Einwirkung des Magnetfelds teilweise ausgehärtet und während der Einwirkung des Magnetfelds vollständig ausgehärtet. In einer wieteren Ausführungsform wird der Schaum vor oder während der Einwirkung des Magnetfelds teilweise ausgehärtet und nach der Einwirkung des Magnetfelds vollständig ausgehärtet.
Magnetfeldstärken, die sich zum Ausrichten der Teilchen eignen, hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der Viskosität des Schaums, Dicke und Dichte des Schaums und der Art der Teilchen. In einer Ausführungsform ist eine höhere Feldstärke für dünnere Schäume vorteilhaft. In einer Ausführungsform hat die Magnetfeldstärke eine magnetische Flussdichte von etwa 50 bis etwa 2000 Gauß, speziell von etwa 100 bis etwa 1500 Gauß, spezieller von etwa 125 bis etwa 1200 Gauß.
In einer Ausführungsform ist das Magnetfeld so zur Schicht ausgerichtet, dass die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen im Ergebnis des Anlegens eines Magnetfeldes senkrecht zur ersten und zweiten Oberfläche des Objektes, z. B. einer Schicht, zu gegeneinander isolierten Ketten angeordnet sind, die rechtwinkelig zur x-y-Ebene der Schicht stehen. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines elektrisch leitfähigen Polymerschaumverbundmaterials 10. Das Polymerschaumverbundmaterial 10 umfasst einen Polymerschaum 12, der Zellen 24 darin, eine erste Oberfläche 14 und eine zweite Oberfläche 16 hat und magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen 18 umfasst. Die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen 18 sind in Ketten 20 angeordnet, die im wesentlichen zum Magnetfeld entlang der z-Achse ausgerichtet sind, welche senkrecht zur Ebene des Polymerschaumverbundmaterials 10 steht, d. h. senkrecht zur ersten Oberfläche 14 und/oder der zweiten Oberfläche 16. Die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen 18 können sich in Ketten 20 uneinheitlicher Form anordnen, aber die Ketten 20 sind im Wesentlichen nach dem Magnetfeld ausgerichtet. Wie in 1 gezeigt, liegen die Enden 22 der Ketten 20 an den Oberflächen 14, 16 von Schaum 12 frei. Eine solche Freilegung verstärkt die Leitfähigkeit der Polymerschaum-Verbundmaterialien. Im Allgemeinen ragt jedes Teilchen am Ende der Kette aus der Oberfläche um etwa 10% bis etwa 70% des Teilchendurchmessers hervor, speziell um etwa 20 bis etwa 50% des Teilchendurchmessers.
Die Verfahren, die hierin offenbart werden, können ausgeführt werden, dass sie zum Freilegen der Enden der Teilchenketten führen, ohne dass eine oder beide der äußeren Oberfläche 14, 16 physisch entfernt werden müssen. Wenn zum Beispiel das Schäumen vor dem Anlegen des Magnetfeldes abgeschlossen ist, kann die Stärke des Magnetfeldes so eingestellt werden, dass es eine Ausrichtung der Teilchen bewirkt, so dass die Enden der Ketten an einer oder beiden der Oberflächen 14, 16 teilweise freigelegt werden.
Alternativ werden die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen in Säulen angeordnet, die als Folge des Anlegens eines Magnetfeldes unter einem Neigungswinkel gegenüber der z-Richtung der gewünschten Leitfähigkeit quer zur x-y-Ebene des Polymerschaums mit einer Neigung gegenüber der z-Achse ausgerichtet sind. In einer Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel (θ) etwa 1° bis etwa 45° gegenüber einer Seite der z-Achse, speziell etwa 5° bis etwa 30° und spezieller etwa 10° bis etwa 20° gegenüber einer Seite der z-Achse. Ohne Beschränkung durch die Theorie kann ein Schaum, der gegeneinander isolierte Ketten umfasst, welche unter einem Neigungswinkel gegenüber der z-Achse ausgerichtet sind, kompressibler sein und die Säulen können weniger leicht beschädigt oder zerstört werden, da sich die Säulen leichter in Richtung der Druckkraft biegen können.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Magnetfeld so zur Schicht ausgerichtet, dass im Ergebnis des Anlegens eines Magnetfeldes rechtwinkelig zur ersten und zweiten Oberfläche der Schicht die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis in Säulen angeordnet sind, die rechtwinkelig zur x- und y-Achse des Schaums stehen, d. h. entlang der z-Achse ausgerichtet sind. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines elektrisch leitfähigen Polymerschaums 10. Der elektrisch leitfähige Polymerschaum 10 umfasst eine Polymergrundsubstanz 12, die Zellen 26 darin (nicht maßstäblich dargestellt), ein erste Oberfläche 14 und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche 16 hat und magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen 18 mit hohem Schlankheitsverhältnis umfasst. Die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen 18 sind in Säulen 20 angeordnet, die im wesentlichen zum Magnetfeld entlang der z-Achse ausgerichtet sind, welche senkrecht zur Ebene des elektrisch leitfähigen Polymerschaums 10 steht, d. h. senkrecht zur ersten Oberfläche 14 und der zweiten Oberfläche 16. Wie auch in 2 gezeigt wird, liegen die ersten Enden 22 der Säulen 20 an der Oberfläche 14 von Schaum 12 frei. In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) können zweite Enden 24 gegenüber dem ersten Ende 22 der Säulen an der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche 16 freiliegen. Eine solche Freilegung verstärkt die Leitfähigkeit des Polymerschaums. Im Allgemeinen ragt jedes Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis, das sich am Ende der Säule befindet, aus der Oberfläche um etwa 10% bis etwa 70% der Teilchenlänge hervor, speziell um etwa 20 bis etwa 50% der Teilchenlänge hervor. In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) liegen jedoch die Enden 22 und 24 der Säulen 20 nicht frei. Wie in 2 gezeigt, haben die Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis eine zylindrische, stabartige Form, aber es ist vorgesehen, dass jedes Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis, das oben beschrieben wird, zur Bildung der magnetischen, elektrisch leitfähigen Säulen 20 verwendet werden kann. Außerdem zeigt 2 die Säulen 20, aus einem einzigen einheitlichen Teilchen 18 mit hohem Schlankheitsverhältnis gebildet sind. In einer weiteren Ausführungsform können die Säulen 20 aus mehreren Teilchen 18 mit hohem Schlankheitsverhältnis gebildet werden. Ebenso zeigt 2 den Schaum, der viele Zellen zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche umfasst. In einer weiteren Ausführungsform kann eine einzelne Zelle den Raum zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche überspannen.
In einer weiteren Ausführungsform werden die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis in Säulen angeordnet, die als Folge des Anlegens eines Magnetfeldes unter einem Neigungswinkel gegenüber der z-Richtung der gewünschten Leitfähigkeit quer zur x-y-Ebene des Polymerschaums mit einer Neigung gegenüber der z-Achse ausgerichtet sind. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines weiteren elektrisch leitfähigen Polymerschaums 30. Bei diesem Schaum sind mehrere Teilchen 32 mit hohem Schlankheitsverhältnis in Säulen 34 angeordnet. Wie in 3 gezeigt, sind die Säulen im Wesentlichen zum Magnetfeld ausgerichtet, wenn viele Teilchen verwendet werden, aber die Säulen sind möglicherweise nicht entlang einer streng linearen Achse von einem Ende zum anderen ausgerichtet. In 3 wurde das Magnetfeld unter einem Winkel gegenüber der z-Achse des Polymerschaums angelegt, d. h. unter einem Winkel gegenüber der ersten Oberfläche 36 und/oder der zweiten Oberfläche 38. Das führt dazu, dass die Säulen 34 im Wesentlichen unter einem ähnlichen Winkel in Schaum 10 ausgerichtet sind. In einer Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel (θ) etwa 1° bis etwa 45° gegenüber einer Seite der z-Achse, speziell etwa 5° bis etwa 30° und spezieller etwa 10° bis etwa 20° gegenüber einer Seite der z-Achse. Ohne Beschränkung durch die Theorie kann ein Schaum, der Säulen umfasst, welche unter einem Neigungswinkel gegenüber der z-Achse ausgerichtet sind, kompressibler sein und die Säulen können weniger leicht beschädigt oder zerstört werden, da sich die Säulen leichter in Richtung der Druckkraft biegen können.
In einer Ausführungsform sind, wie in 3 gezeigt, die Oberflächen des Polymerschaums im Wesentlichen eben. Eine glatte Oberfläche sorgt für eine bessere Abdichtung bei Dichtungsanwendungen. In einer speziellen Ausführungsform ist jede Oberfläche des Schaums im Wesentlichen frei von Vorwölbungen oder Einbuchtungen, die aus dem Vorhandensein der ausgerichteten Füllstoffteilchen herrühren. Spezieller sind die x- und y-Oberflächen des Schaums im Wesentlichen frei von Vorwölbungen oder Einbuchtungen, die aus dem Ausrichten der Füllstoffteilchen herrühren und die die Oberfläche der x- und y-Flächen verändern.
Der Schaum kann während der Einwirkung des Magnetfeldes unausgehärtet gelassen werden, er kann vor der Einwirkung des Magnetfeldes teilweise ausgehärtet werden; er kann während der Einwirkung des Magnetfeldes teilweise ausgehärtet werden; er während der Einwirkung des Magnetfeldes vollständig ausgehärtet werden; oder er kann nach der Einwirkung des Magnetfeldes vollständig ausgehärtet werden. In einer Ausführungsform wird der Schaum vor der Einwirkung des Magnetfelds teilweise ausgehärtet und während der Einwirkung des Magnetfelds vollständig ausgehärtet. In einer weiteren Ausführungsform wird der Schaum vor oder während der Einwirkung des Magnetfelds teilweise ausgehärtet und nach der Einwirkung des Magnetfelds vollständig ausgehärtet.
Die Durchmesser der Zellen im Schaum variieren je nach dem Polymer, das verwendet wird, dem Schaumverfahren und den Schäumparameter und ähnlichen Überlegungen. In einem vorteilhaften Ausgestaltung des mechanischen Schäumens werden Zellen erzeugt, die kleinere Durchmesser haben als die normalerweise durch chemisches oder physikalisches Blähen erzeugten. Es können zum Beispiel Zellen erzeugt werden, die einen durchschnittlichen Durchmesser von nur 50 Mikrometern haben. Die Verfahren, die hierin beschrieben werden, erzeugen im Allgemeinen Schäume mit Zellen, die einen durchschnittlichen Durchmesser von 65 bis 1.000 Mikrometern, speziell von 10 bis 500 Mikrometern, spezieller von 50 bis 250 Mikrometern haben.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Dicke (der Abstand zwischen der ersten und zweiten Oberfläche) der Polymerschaum-Verbundmaterialien mehr durch den Widerstand der Teilchen selbst plus dem Widerstand der Kontakte zwischen den Teilchen begrenzt als durch die durchschnittliche Zellgröße der Polymerschaum-Verbundmaterialien. Daher ist das Einstellen der Dicke des Polymer-Verbundmaterials, die auf der durchschnittlichen Zellgröße des Schaums beruht, nicht erforderlich, um eine gute Leitfähigkeit zu erhalten, vorausgesetzt, dass die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen den Schaumoberflächen ausreichend nahe kommen oder an den Schaumoberflächen freiliegen. In einer als Beispiel dienenden Ausführungsform ist die Dicke des Polymerschaumverbundmaterials 1 bis 10.000 mal so groß wie der durchschnittliche Zelldurchmesser, speziell 1,5 bis 1.500 mal so groß wie der durchschnittliche Zelldurchmesser, spezieller 2 bis 100 mal so groß wie der durchschnittliche Zelldurchmesser, oder ganz speziell 3 bis 10 mal so groß wie der durchschnittliche Zelldurchmesser. Außerdem ist festgestellt worden, dass gute Ergebnisse mit einer durchschnittlichen Zellgröße von mehr als 20% der durchschnittlichen Teilchengröße der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen erreicht wurden, speziell mehr als 25% der Teilchengröße und ganz speziell mehr als 30% der durchschnittlichen Teilchengröße.
Die vorliegenden Zusammensetzungen und Verfahren sind besonders bei der Herstellung von Polymerschaumstoffschichten nützlich. In einer speziellen Ausführungsform wird die Schicht durch Gießen der mechanisch aufgeschäumten Vorläuferzusammensetzung (die die Polymer-Vorläuferzusammensetzung, die Füllstoffzusammensetzung und eventuelle zusätzliche Additive enthält) auf ein Träger substrat gebildet, um eine Schaumschicht bereitzustellen, die eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat und die auf dem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei die erste Oberfläche der Schicht sich in Kontakt mit dem Substrat befindet. Optional wird ein zweites (oberes) Trägersubstrat auf der zweiten Oberfläche der gegossenen Schicht angeordnet und befindet sich in Kontakt mit derselben. Weiteres Schäumen der Schicht durch Blähen kann vor oder nach dem Gießen und/oder vor oder nach dem Anordnen des zweiten Trägersubstrats erfolgen. In einer Ausführungsform wird die Schicht im Wesentlichen vor dem Anordnen des zweiten Trägersubstrats vollständig aufgeschäumt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Schicht nach dem Anordnen des zweiten Trägersubstrats aufgeschäumt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Schicht nach dem Anordnen des zweiten Trägersubstrats aufgeschäumt. In einer noch weiteren Ausführungsform wird das Magnetfeld an die Schicht nach dem Anordnen des zweiten Trägersubstrats angelegt. In einer speziellen Ausführungsform wird jedoch nur ein einziger Träger verwendet.
In der Praxis kann der Träger oder können die Träger von Vorratsrollen abgewickelt und zum Schluss bei der Trennung vom ausgehärteten Schaum wieder auf Aufnahmerollen aufgewickelt werden. Die Auswahl von Materialien für den oberen und unteren Träger hängt von Faktoren, wie zum Beispiel dem gewünschten Grad an Stützung und Flexibilität, dem gewünschten Grad an Ablösbarkeit vom ausgehärteten Schaum, Kosten und ähnlichen Erwägungen ab. Es können Papier, dünne Metallfolien, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, oder Polymerfolien, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat, Silikon, Polycarbonat, PTFE, Polyimid oder dergleichen verwendet werden. Das Material kann mit einer Trennbeschichtung beschichtet sein.
In einer Ausführungsform sind der Träger/die Träger elektrisch leitfähig, zum Beispiel eine elektrisch leit fähige Schicht, wie zum Beispiel eine Kupferfolie. Ein elektrisch leitfähiger Klebstoff kann zwischen dem leitfähigen Träger und der Polymerschaum-Verbundschicht verwendet werden. Durch die Verwendung einer elektrisch leitfähigen Metallfolie kann insbesondere sowohl eine Formbeständigkeit als auch eine x-y-Leitfähigkeit erreicht werden. In einer Ausführungsform umfasst daher das Objekt etwas elektrisch Leitfähiges, z. B. eine metallische Schicht, auf einer ersten Seite der Schaumverbundschicht. Optional kann die Seite gegenüber der elektrisch leitfähigen Schicht nachbearbeitet werden, um die äußere Schicht des Schaums zu entfernen, um die Leitfähigkeit des Objektes zu verstärken. In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Objekt etwas elektrisch Leitfähiges, z. B. eine metallische Schicht, jeweils auf einer ersten Seite und einer zweiten Seite des Objektes, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt.
In einer speziellen Ausführungsform ist der Träger magnetisch oder sowohl elektrisch leitfähig wie auch magnetisch. Eine als Beispiel dienende elektrisch leitfähige, magnetische Folie ist eine Folie, die Nickel und Kupfer umfasst, wie zum Beispiel Olin CuproNickel 706, das 10 Gewichts-% Nickel in Kupfer umfasst, oder Olin CuproNickel 715, das 30 Gewichts-% Nickel in Kupfer umfasst. Die Verwendung eines magnetischen oberen und/oder unteren Trägers fördert den Kontakt der Enden der gegeneinander isolierten Ketten aus den elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen mit dem Träger, wodurch die Leitfähigkeit des Polymerschaumverbundmaterials verstärkt wird. Es ist also daher möglich, ein hoch leitfähiges Polymerschaumverbundmaterial ohne nachbearbeitendes Entfernen der äußeren Schicht des Schaums zu erreichen, oder ohne sicherzustellen, dass nach der Ausrichtung der Teilchen keine oder im wesentlichen keine Schaumbildung auftritt.
In einer Ausführungsform umfasst daher ein Objekt eine magnetische, elektrisch leitfähige Schicht auf einer ersten Seite der Schaumverbundschicht. Es kann ein sehr starkes Magnetfeld zum Ausrichten der Teilchen verwendet werden, um die Teilchen zu veranlassen, aus der zweiten Seite hervorzuragen, wodurch die Enden der gegeneinander isolierten Ketten teilweise oder vollständig freiliegen. Der Grad des Freiliegens der Enden der Ketten kann durch Einstellen der Stärke des Magnetfeldes oder durch Steuern des Grades des Schäumens, das nach dem Anlegen des Magnetfeldes auftritt, reguliert werden. Außerdem oder alternativ kann die Seite gegenüber der elektrisch leitfähigen, magnetischen Schicht nachbearbeitet werden, um die äußere Schicht des Schaums zu entfernen, um so die Leitfähigkeit des Objektes weiter zu verstärken. In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Objekt eine elektrisch leitfähige, magnetische Schicht, jeweils auf einer ersten Seite und einer zweiten Seite des Objektes, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine Schicht der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen auf dem Träger (einschließlich einer elektrisch leitfähigen oder elektrisch leitfähigen und magnetischen Schicht) angeordnet werden, um die Leitfähigkeit des Polymerschaumverbundmaterials zu verstärken. Der Träger kann zum Beispiel mit einer Schicht aus elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen in einer Lösungsmittel-Polymermischung beschichtet werden, gefolgt vom Entfernen des Lösungsmittels. Die Menge des Polymers, die verwendet wird, reicht aus, um die Teilchen an den Träger zu kleben, wobei die Teilchen zumindest teilweise freigelegt bleiben. Diese Teilchen können dann als ”Keime” für die Säulenbildung fungieren und eine präzisere Säulenanordnung ermöglichen. Wenn die Teilchen in einem Muster platziert werden, bilden sich die Säulen nach diesem Muster.
Es kann jeder der Träger oder beide Träger mit einem Material beschichtet werden, das auf eine Oberfläche des ausgehärteten Schaums übertragen werden soll, zum Beispiel ein Polyurethanfilm, der vom Träger ablösbar ist, ein druckempfindlicher Klebstoff, der vom Träger ablösbar ist, oder ein leitfähiger Klebstoff, der sich vom Träger ablösen lässt. Ein faserhaltiges Gewebe oder anderes Füllmaterial kann auf der Oberfläche des Trägers angeordnet sein und damit schließlich in den ausgehärteten Schaum integriert werden. In einer weiteren Ausführungsform wird der Schaum durch Aushärten mit einem oder beiden Trägern verbunden. Daher kann einer oder können beide Träger einen Teil des Endproduktes bilden, statt vom Schaum getrennt und wieder auf die Aufnahmerolle aufgewickelt zu werden. Zum Beispiel kann der Schaum auf eine leitfähige Schicht, wie zum Beispiel Kupferfolie, aufgegossen werden. In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Kupferfolie ferner eine Elastomerschicht, die leitfähige Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis enthält. Der Schaum wird auf diese Elastomerschicht aufgegossen, um ein Objekt bereitzustellen, der die leitfähige Schicht und den Schaum umfasst, wobei die Elastomer-/Teilchenschicht dazwischen angeordnet ist. Alternativ kann ein Transportband als unterer Träger verwendet werden.
Eine Schaumschicht kann unter Verwendung eines Trägers hergestellt werden, der eine glatte Oberfläche oder eine strukturaufweisende, zum Beispiel matte, Oberfläche hat. In einer speziellen Ausführungsform hat der Träger/haben die Träger eine glatte Oberfläche. Eine elektrisch leitfähige Schaumschicht, die unter Verwendung eines Trägers mit einer glatten Oberfläche hergestellt wurde, hat eine wesentlich glattere Oberfläche als eine elektrisch leitfähige Schicht, die ohne glatten Träger hergestellt wurde. Speziell kann eine elektrisch leitfähige Schaumschicht, die unter Verwendung eines oberen Trägers und eines unteren Trägers, beide mit glatter Oberfläche, hergestellt wurde, eine glattere Oberfläche, geringere Dichte, fehlendes Herausragen der Teilchen über die Oberfläche hinaus und eine bessere Dichtwirkung besitzen. Eine strukturaufweisende Oberfläche kann nützlich sein, um den Ort der Säulenbildung oder die Teilchen an der Oberfläche zu lenken. In einigen Ausführungsformen kann die Verwendung einer strukturaufweisenden Oberfläche für ein stärkeres Freiliegen der Teilchenketten sorgen.
In einer speziellen Ausführungsform wird jedoch nur ein einziger Träger verwendet. Wie oben diskutiert, wurde festgestellt, dass eine zumindest teilweise Freilegung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen aus der Oberfläche des Schaums zu elektrisch stärker leitfähigen Schäumen führt. Es wurde festgestellt, dass die Verwendung eines oberen Trägers die Bildung einer Haut fördert, die die Teilchen isoliert. Es können immer noch gute Leitfähigkeiten erreicht werden, aber nur bei erhöhter Verdichtung. Es ist daher vorteilhaft, die Schaumschicht unter Verwendung eines einzigen unteren Trägers und ohne oberen Träger zu bilden.
Wo es wünschenswert ist, einen oberen Träger zu verwenden, können die sich ergebenden Schichten (oder andere Objekte) nach dem Aushärten behandelt werden, um die Leitfähigkeit des Polymerschaumverbundmaterials zu erhöhen, indem die äußere Oberfläche des Schaums entfernt wird, um die Teilchen an der Oberfläche des Objektes aus Polymerverbundmaterial besser freizulegen. Die als Beispiel dienenden Prozesse des Entfernens umfassen das Polieren, Schleifen oder dergleichen. Polieren und Schleifen enthalten das abtragende Entfernen der Oberfläche des Schaums. Andere als Beispiel dienende Formen des Entfernens umfassen das chemische Entfernen, Abflammen, dielektrische Durchbrennen, Laserabtragen, die Oberflächenbehandlung mittels Koronaentladung oder dergleichen. Diese Prozesse enthalten die Zersetzung der Oberfläche eines Schaums unter Verwen dung einer Chemikalie, Flamme, elektrischen Entladung bzw. Koronaentladung. Das Entfernen kann auch durch Klebstoffschälen erfolgen, wobei die Oberflächenhaut des Schaums durch Anhaften der Oberflächenhaut an einen fest haftenden Träger entfernt wird, anschließend werden der festhaftende Träger und die Oberflächenhaut entfernt. Das Entfernen kann auch eine Kombination umfassen, die mindest eines der vorhergehenden Verfahren zum Entfernen enthält. Eine, zwei oder alle Oberflächen des Schaumobjektes können nachbearbeitet werden.
Wie im Fachgebiet bekannt ist, wird ein Polymerschaum aus einer Vorläuferzusammensetzung hergestellt, die vor dem mechanischen Schäumen und daher vor dem Anlegen des Magnetfeldes angemischt wird. Solche Schäume können auch hergestellt werden, um ausgezeichnete mechanische Eigenschaften zu erhalten, einschließlich Druckverformungsrestwiderstandskraft, Weichheit, Zähigkeit und Kompressibilität. Als Beispiel dienende Zusammensetzungen zur Bildung von Polyurethanschäumen werden zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 5,733,945 , 6,559,196 und 7,338,983 dargelegt. Außerdem wird in einigen Ausführungsformen ein Polymerschaum aus einer Vorläuferzusammensetzung hergestellt, die vor dem Schäumen oder gleichzeitig mit dem Schäumen angemischt wird. Das Schäumen kann durch mechanische Schaumbildung oder durch Blähen (unter Verwendung von chemischen oder physikalischen Treibmitteln oder beider Arten) oder eine Kombination von mechanischer Schaumbildung und Blähen (unter Verwendung von chemischen oder physikalischen Treibmitteln oder beiden Arten) erfolgen. Ohne Einschränkung durch die Theorie glaubt man, dass, wenn chemische und/oder physikalische Treibmittel verwendet werden, die Zellbildung, die nach dem Ausrichten der Ketten auftritt, die Ketten zerreißen kann, was zu niedrigerer Leitfähigkeit führt. Durch Beschränken der Dicke der Schaumschicht, wie hierin beschrieben, scheint das Zerreißen minimiert zu werden. Wenn Schäume allein durch mechanische Schaumbildung hergestellt werden oder wenn das chemische und/oder physikalische Blähen vor der Ausrichtung der Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis im Wesentlilchen abgeschlossen ist, ist es möglich, eine angemessene Leitfähigkeit zu erreichen. Ohne Einschränkung durch die Theorie glaubt man, dass das Fehlen weiterer Schaumbildung nach dem Gießen die Bildung stabiler Säulen ermöglicht. In einer Ausführungsform umfasst daher ein Verfahren zum Herstellen einer Polymerschaumstoffschicht das Bilden einer Schicht, die eine erste Oberfläche und eine gegenüber liegende zweite Oberfläche hat, wobei die Schicht eine Vorläuferzusammensetzung des Polymerschaums und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen mit großem Schlankheitsverhältnis umfasst, aufweist; Schäumen der Vorläuferzusammensetzung des Schaums, um mehrere Zellen in der Schicht zu bilden; Anwenden eines Magnetfeldes an der Schicht von einer Stärke und während einer Dauer, die zum Ausrichten der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis zu gegeneinander isolierten Säulen zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüber liegenden zweiten Oberfläche der Schicht wirksam sind; und Aushärten der geschäumten Schicht. Bei dieser Ausführungsform wird der Schaum vor dem Anlegen des Magnetfeldes vollständig oder im Wesentlichen vollständig mechanisch geschäumt und/oder aufgebläht. Wie hierin verwendet, bedeutet ”im wesentlichen vollständig”, dass jede weitere Schaumentwicklung die Säulenbildung nicht wesentlich unterbricht oder eine Schaumdicke erzeugt, die größer als die Höhe der Säulen ist.
Spezielle Polymere zur Verwendung bei der Herstellung der Schäume umfassen Polyurethanschäume und Silikonschäume. Polyurethanschäume werden aus Vorläuferzusammensetzungen gebildet, die eine organische Polyisocyanatkomponente, eine aktive wasserstoffhaltige Komponente, die mit der Polyisocyanatkomponente reagieren kann, einen grenzflächenaktiven Stoff und einen Katalysator umfassen. Der Prozess zur Bildung des Schaums kann chemische oder physikalische Treibmittel verwenden, oder der Schaum kann mechanisch geschäumt werden. Zum Beispiel umfasst ein Prozess zur Bildung des Schaums das substanzielle und gleichförmige Verteilen von Inertgas in der ganzen Mischung der oben beschriebenen Zusammensetzung durch mechanisches Schlagen der Mischung, um einen wärmeaushärtenden Schaum zu bilden, der im wesentlichen strukturell und chemisch stabil ist, aber unter Umgebungsbedingungen bearbeitet werden kann; und das Aushärten des Schaums zur Bildung eines ausgehärteten Schaums. In einer Ausführungsform wird ein physikalisches Treibmittel in den Schaum eingebracht, um die Schaumdichte weiter zu verringern. Das chemische oder physikalische Treibmittel kann vor oder nach dem Schäumen, vorzugsweise vor dem Schäumen, eingebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform tritt nach dem Anlegen des Magnetfeldes kein oder im Wesentlichen kein weiteres Schäumen auf. In einer weiteren Ausführungsform wird der Polyurethanschaum aus der reaktiven Zusammensetzung gebildet, wobei nur physikalische oder chemische Treibmittel verwendet werden, ohne eine mechanische Schaumbildung zu verwenden.
Geeignete organische Polyisocyanate umfassen Isocyanate, die die folgende allgemeine Formel haben: Q(NCO)_i wobei i eine ganze Zahl von zwei oder größer ist und Q ein organischer Rest ist, der die Wertigkeit von i hat, wobei i einen Durchschnittswert von größer als 2 besitzt. Q kann eine substituierte oder unsubstituierte Kohlenwasserstoffgruppe sein, die eine aromatische Funktionalität besitzen oder nicht besitzen kann, oder eine Gruppe, die die Formel Q¹-Z-Q¹ besitzt, wobei Q¹ eine C_1-36-Alkylen- oder C_6-36-Arylengruppe ist und Z -O-, -O-Q²-O, -CO-, -S-, -S-Q²-S-, -SO-, -SO₂-, C_1-24-Alkylen oder C_6-24-Arylen ist. Beispiele für solche Polyisocyanate enthalten Hexamethylendiisocyanat, 1,8-Diisocyanato-p-methan, Xylyldiisocyanat, Diisocyanatocyclohexan, Phenylendiisocyanate, Tolylendiisocyanate, inkl. 2,4-Tolylendiisocyanat, 2,6-Tolylendiisocyanat und rohes Tolylendiisocyanat, bis(4-Isocyanatophenyl)methan, Chlorphenylendiisocyanate, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat (auch bekannt als 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat oder MDI) und Addukte derselben, Naphthalen-1,5-diisocyanat, Triphenylmethan-4,4',4''-triisocyanat, Isopropylbenzenalpha-4-diisocyanat und polymere Isocyanate, wie zum Beispiel Polymethylenpolyphenylisocyanat.
Q kann auch einen Polyurethanrest repräsentieren, die eine Wertigkeit von i hat, in diesem Fall ist Q(NCO)_i eine Zusammensetzung, die als Präpolymer bekannt ist. Solche Präpolymere werden durch das Umsetzen eines stöchiometrischen Überschusses eines oben aufgeführten Polyisocyanates mit einer aktiven wasserstoffhaltigen Komponente gebildet, besonders mit den polyhydroxylhaltigen Materialien oder Polyolen, die unten beschrieben werden. In einer Ausführungsform wird das Polyisocyanat in Anteilen von etwa 30 Prozent bis etwa 200 Prozent stöchiometrischem Überschuss eingesetzt, wobei die Stöchiometrie auf Äquivalenten der Isocyanatgruppe pro Äquivalent Hydroxyl im Polyol beruht. Die Menge des Polyisocyanats, die verwendet wird, variiert leicht je nach der Natur des Polyurethans, das hergestellt wird.
Die aktive wasserstoffhaltige Komponente kann Polyetherpolyole und Polyesterpolyole umfassen. Geeignete Polyesterpolyole enthalten die Polykondensationsprodukte von Polyolen mit Dicarbonsäuren oder esterbildenden Derivaten derselben (wie zum Beispiel Anhydride, Ester und Halogene), Polylactonpolyole, die durch eine ringöffnende Polymerisation von Lactonen in Gegenwart von Polyolen gewonnen werden können, Polycarbonatpolyole, die durch Reaktion der Carbonatdiester mit Polyolen gewonnen werden können, und Rizinusölpolyole. Geeignete Dicarbonsäuren und Derivate von Dicarbonsäuren, die zum Herstellen von Polykondensationspolyesterpolyolen verwendbar sind, sind aliphatische oder cycloaliphatische Dicarbonsäuren, wie zum Beispiel Glutar-, Adipin-, Sebacin, Fumar- und Maleinsäure; dimere Säuren; aromatische Dicarbonsäuren, wie zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, Phthal-, Isophthal- und Terephthalsäure; dreibasige oder höhere funktionelle Polycarbonsäuren, wie zum Beispiel Pyromellithsäure; sowie Anhydride und zweite Alkylester, wie zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid und Dimethylterephthalat.
Zusätzliche aktive wasserstoffhaltige Komponenten sind die Polymere von cyclischen Estern. Geeignete cyclische Estermonomere umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, δ-Valerolacton, ε-Caprolacton, zeta-Enantholacton, die Monoalkylvalerolactone, z. B. die Monomethyl-, Mono-ethyl- und Monohexylvalerolactone. Geeignete Polyesterpolyole enthalten Polyesterpolyole auf der Basis von Caprolacton, aromatische Polyesterpolyole, Polyole auf der Basis von Ethylenglycoladipat und Mischungen, die einen der vorhergehenden Polyesterpolyole umfassen. Als Beispiel dienende Polyesterpolyole sind Polyesterpolyole, die aus ε-Caprolactonen, Adipinsäure, Phthalsäureanhydrid, Terephthalsäure oder Dimethylestern der Terephthalsäure hergestellt werden.
Die Polyetherpolyole werden erhalten durch die chemische Addition von Alkylenoxiden, wie z. B. Ethylenoxid, Propylenoxid und Mischungen daraus, zu Wasser oder zu organischen Komponenten mit mehreren OH-Gruppen, wie zum Beispiel Ethylenglycol, Propylenglycol, Trimethylenglycol, 1,2-Butylenglycol, 1,3-Butandiol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 1,2-Hexylenglycol, 1,10-Decandiol, 1,2-Cyclohexandiol, 2-Buten-1,4-diol, 3-Cyclohexen-1,1-dimethanol, 4-Methyl-3-cyclohexen-1,1-dimethanol, 3-Methylen-1,5-pen tandiol, Diethylenglycol, (2-Hydroxyethoxy)-1-propanol, 4-(2-Hydroxyethoxy)-1-butanol, 5-(2-Hydroxypropoxy)-1-pentanol, 1-(2-Hydroxymethoxy)-2-hexanol, 1-(2-Hydroxypropoxy)-2-octanol, 3-Allyloxy-1,5-pentandiol, 2-Allyloxymethyl-2-methyl-1,3-propandiol, [4,4-Pentyloxy)-methyl]-1,3-propandiol, 3-(o-Propenylphenoxy)-1,2-propandiol, 2,2'-Diisopropyliden-bis(p-phenylenoxy)diethanol, Glycerol, 1,2,6-Hexantriol, 1,1,1-Trimethylolethan, 1,1,1-Trimethylolpropan, 3-(2-Hydroxyethoxy)-1,2-propandiol, 3-(2-Hydroxypropoxy)-1,2-propandiol, 2,4-Dimethyl-2-(2-hydroxyethoxy)-methylpentandiol-1,5; 1,1,1-tris[2-Hydroxyethoxy)methyl]-ethan, 1,1,1-tris[2-Hydroxypropoxy)-methyl]propan, Diethylenglycol, Dipropylenglycol, Pentaerythrit, Sorbitol, Saccharose, Lactose, alpha-Methylglucosid, alpha-Hydroxyalkylglucosid, Novolak-Harze, Phosphorsäure, Benzenphosphorsäure, Polyphosphorsäuren, wie zum Beispiel Tripolyphosphorsäure und Tetrapolyphosphorsäure, ternäre Kondensationsprodukte und dergleichen. Die Alkylenoxide, die bei der Herstellung von Polyoxyalkylenpolyole verwendet werden, haben normalerweise 2 bis 4 Kohlenstoffatome. Als Beispiel dienende Alkylenoxide sind Propylenoxid und Mischungen von Propylenoxid mit Ethylenoxid. Die Polyole, die oben angeführt werden, können per se als die aktive Wasserstoffkomponente verwendet werden.
Eine geeignete Klasse von Polyetherpolyolen wird allgemein durch die folgende Formel repräsentiert R[(OC_nH_2n)_zOH]_a dabei ist R Wasserstoff oder ein mehrwertiger Kohlenwasserstoffrest; a ist eine ganze Zahl (d. h. 1 oder 2 bis 6 bis 8) gleich der Wertigkeit von R, n ist bei jedem Auftreten eine ganze Zahl von 2 bis einschließlich 4 (speziell 3) und z ist bei jedem Auftreten eine ganze Zahl, die einen Wert von 2 bis etwa 200 hat, speziell von 15 bis etwa 100. In einer Ausführungsform umfasst das Polyetherpolyol eine Mischung von einem oder mehreren aus Dipropylenglycol, 1,4-Butandiol, 2-Methyl-1,3-propandiol oder dergleichen oder Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden Polyetherpolyole umfassen.
Andere Arten von aktiven wasserstoffhaltigen Materialien, die verwendet werden können, sind Polymer-Polyol-Zusammensetzungen, die durch Polymerisieren von ethylenisch ungesättigten Monomeren in einem Polyol erhalten werden. Geeignete Monomere zum Herstellen solcher Zusammensetzungen enthalten Acrylnitril, Vinylchlorid, Styrol, Butadien, Vinylidenchlorid und andere ethylenisch ungesättigte Monomere. Die Polymer-Polyol-Zusammensetzungen umfassen größer oder gleich etwa 1, speziell größer oder gleich etwa 5 und spezieller größer oder gleich etwa 10 Gewichts-% Monomer, das im Polyol polymerisiert wird, wobei der Gewichtsprozentsatz sich auf die Gesamtmenge des Polyols bezieht. In einer Ausführungsform umfassen die Polymer-Polyol-Zusammensetzungen kleiner oder gleich etwa 70, speziell kleiner oder gleich etwa 50 und spezieller kleiner oder gleich etwa 40 Gewichts-% Monomer, das im Polyol polymerisiert wird. Solche Zusammensetzungen werden geeigneterweise durch Polymerisieren der Monomere im gewählten Polyol bei einer Temperatur von 40°C bis 150°C in Gegenwart eines Katalysators für die freie Radikalkettenpolymerisation hergestellt, wie zum Beispiel Peroxide, Persulfate, Percarbonat, Perborate und Azoverbindungen.
Die aktive wasserstoffhaltige Komponente kann auch polyhydroxylhaltige Verbindungen enthalten, wie zum Beispiel Polykohlenwasserstoffe mit endständiger Hydroxylgruppe, Polyformale mit endständiger Hydroxylgruppe, Fettsäuren-Triglyceride, Polyester mit endständiger Hydroxylgruppe, Perfluormethylene mit endständiger Hydroxymethylgruppe, Polyalkylenetherglycole mit endständiger Hydroxylgruppe, Polyalkylenarylenetherglycole mit endständiger Hydroxylgruppe und Polyalkylenethertriole mit endständiger Hydroxylgruppe.
Die Polyole können Hydroxylzahlen haben, die über einen weiten Bereich variieren. Im Allgemeinen haben die Hydroxylzahlen der Polyole, einschließlich anderer Vernetzungszusätze, falls verwendet, einen Wert von etwa 28 bis etwa 1000 und darüber, spezieller von etwa 100 bis etwa 800. Die Hydroxylzahl ist als die Menge von Kaliumhydroxid in Milligramm definiert, die für die vollständige Neutralisierung des Hydrolyseproduktes des vollständig acetylierten Derivates verwendet wird, welches aus 1 Gramm Polyol oder Mischungen von Polyolen mit oder ohne anderen Vernetzungszusätze hergestellt ist. Die Hydroxylzahl kann auch durch die folgende Gleichung definiert werden: OH = 56,1×1000×fM. W. wobei OH die Hydroxylzahl des Polyols ist, f die durchschnittliche Funktionalität ist, d. h. die durchschnittliche Zahl der Hydroxylgruppen pro Molekül Polyol, und M. W. das durchschnittliche Molekulargewicht des Polyol ist.
Falls verwendet, ist eine große Zahl von geeigneten Treibmitteln oder eine Mischung von Treibmitteln verwendbar, insbesondere Wasser. Das Wasser reagiert mit der Isocyanatkomponente, was gasförmiges CO₂ ergibt, welches für eine zusätzliche notwendige Aufblähung sorgt. In einer Ausführungsform wird die Aushärtungsreaktion, wenn Wasser als Treibmittel verwendet wird, durch die selektive Anwendung von Katalysatoren gesteuert. In einer Ausführungsform können auch Verbindungen, die sich zersetzen, um Gase freizusetzen (z. B. Azoverbindungen), verwendet werden.
Besonders geeignete Treibmittel sind physikalische Treibmittel, die wasserstoffhaltige Komponenten umfassen, die allein oder als Mischungen untereinander oder mit einer anderen Art von Treibmittel, wie zum Beispiel Wasser oder Azoverbindungen, verwendet werden können. Diese Treibmittel können aus einer breiten Palette von Materialien ausgewählt werden, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Ether, Ester und teilhalogenierte Kohlenwasserstoffe, Ether, Ester und dergleichen. Geeignete physikalische Treibmittel haben einen Siedepunkt zwischen etwa –50°C und etwa 100°C und speziell zwischen etwa –50°C und etwa 50°C. Zu den verwendbaren wasserstoffhaltigen Treibmitteln gehören die HCFCs (halogenierte Chlorfluorkohlenwasserstoffe), wie zum Beispiel 1,1-Dichlor-1-fluorethan, 1,1-Dichlor-2,2,2-trifluorethan, Monochlordifluormethan und 1-Chlor-1,1-difluorethan; die HFCs (Halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe), wie zum Beispiel 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan, 2,2,4,4-Tetrafluorbutan, 1,1,1,3,3,3-Hexafluor-2-methylpropan, 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan, 1,1,1,2,2-Pentafluorpropan, 1,1,1,2,3-Pentafluorpropan, 1,1,2,3,3-Pentafluorpropan, 1,1,2,2,3-Pentafluorpropan, 1,1,1,3,3,4-Hexafluorbutan, 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan, 1,1,1,4,4,4-Hexafluorbutan, 1,1,1,4,4-Pentafluorbutan, 1,1,2,2,3,3-Hexafluorpropan, 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan, 1,1-Difluorethan, 1,1,1,2-Tetrafluorethan und Pentafluorethan; die HFEs (halogenierte Fluorether), wie zum Beispiel Methyl-1,1,1-Trifluorethylether und Difluormethyl-1,1,1-trifluorethylether; und die Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel n-Pentan, Isopentan und Cyclopentan.
Bei Verwendung umfassen die Treibmittel einschließlich Wasser normalerweise größer oder gleich 1, spezieller größer oder gleich 5 Gewichts-% der Polyurethan-Flüssigphasen-Zusammensetzung. In einer Ausführungsform ist das Treibmittel in einer Menge von kleiner oder gleich etwa 30, speziell kleiner oder gleich 20 Gewichts-% der Polyurethan-Flüssigphasen-Zusammensetzung vorhanden. Wenn ein Treibmittel einen Siedepunkt bei oder unter der Umgebungs temperatur hat, wird es unter Druck gehalten, bis es mit den anderen Komponenten gemischt ist.
Geeignete Katalysatoren, die zum Katalysieren der Reaktion der Isocyanatkomponente mit der aktiven wasserstoffhaltigen Komponente verwendet werden, enthalten organische und anorganische saure Salze von und metallorganische Derivate von Eismut, Blei, Zinn, Eisen, Antimon, Uran, Kadmium, Kobalt, Thorium, Aluminium, Quecksilber, Zink, Nickel, Cer, Molybdän, Vanadium, Kupfer, Mangan und Zirkonium sowie Phosphine und tertiäre organische Amine. Beispiele für solche Katalysatoren sind Dibutylzinndilaurat, Dibutylzinndiacetat, Zinn(II)-octoat, Bleioctoat, Kobaltnaphthenat, Triethylamin, Triethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin, 1,1,3,3-Tetramethylguanidin, N,N,N'N'-Tetramethyl-1,3-butandiamine, N,N-Dimethylethanolamin, N,N-Diethylethanolamin, 1,3,5-tris(N,N-Dimethylaminopropyl)-s-hexahydrotriazin, o- und p-(Dimethylaminomethyl)phenol, 2,4,6-tris-(Dimethylaminomethyl)phenol, N,N-Dimethylcyclohexylamin, Pentamethyldiethylentriamin, 1,4-Diazobicyclo[2.2.2]-octan, quartäre N-Hydroxylalkylammoniumcarboxylate und Tetramethylammoniumformat, Tetramethylammoniumacetat, Tetramethylammonium-2-ethylhexanoat und dergleichen sowie Zusammensetzungen, die einen der vorhergehenden Katalysatoren umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst der Katalysator ein Metall-Acetylacetonat. Geeignete Metall-Acetylacetonate umfassen Metall-Acetylacetonat, die auf Metallen beruhen, wie zum Beispiel Aluminium, Barium, Kadmium, Calcium, Cer (III), Chrom (III), Kobalt (II), Kobalt (III), Kupfer (II), Indium, Eisen (II), Lanthan, Blei (II), Mangan (II), Mangan (III), Neodym, Nickel (II), Palladium (II), Kalium, Samarium, Natrium, Terbium, Titan, Vanadium, Yttrium, Zink und Zirkonium. Ein als Beispiel dienender Katalysator ist bis(2,4-Pentandionat)-Nickel (II) (auch als Nickel-Acetylacetonat oder Diacetylacetonat-Nickel bekannt) und Derivate desselben, wie zum Beispiel Diacetonitrildiacetylacetonat-Nickel, Diphenylnitrildiacetylacetonat-Nickel, bis (Triphenylphosphin)diacetylacetylacetonat-Nickel und dergleichen. Eisen(III)-acetylacetonat (FeAA) ist auf Grund seiner relativen Stabilität, guten katalytischen Aktivität und dem Fehlen von Toxizität ebenfalls ein geeigneter Katalysator. In einer Ausführungsform wird das Metall-Acetylacetonat geeigneterweise durch Vorauflösung in einem geeigneten Lösungsmittel, wie zum Beispiel Dipropylenglycol oder anderen hydroxylhaltigen Komponenten, die dann an der Reaktion teilnehmen und Teil des Endproduktes werden, hinzugefügt.
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Polyurethanschäume werden die Komponenten zum Herstellen der Schäume, d. h. die Isocyanatkomponente, die aktive wasserstoffhaltige Komponente, der grenzflächenaktive Stoff, Katalysator, optionale Treibmittel, elektrisch leitfähige Stoffe, Flammenhemmstoffe und andere Zusätze, zuerst zusammen gemischt, dann der mechanischen Schaumbildung mit Luft unterzogen. Alternativ können die Inhaltsstoffe nacheinander der flüssigen Phase während des mechanischen Schaumbildungsprozesses zugesetzt werden. Die Gasphase der Schäume ist speziell wegen ihres niedrigen Preises und ihrer sofortigen Verfügbarkeit Luft. Falls gewünscht, können jedoch andere Gase verwendet werden, die bei Umgebungsbedingungen gasförmig sind und die im Wesentlichen gegenüber jeder Komponente der flüssigen Phase inert oder reaktionsunfähig sind. Zu solchen anderen Gasen gehören zum Beispiel Stickstoff, Kohlendioxid und Fluorkohlenwasserstoffe, die bei Umgebungstemperaturen normalerweise gasförmig sind. Das Inertgas wird durch mechanisches Schlagen der flüssigen Phase in Geräten mit hohem Schermoment, wie zum Beispiel in einem Hobart-Mixer oder einem Oakes-Mixer, in die flüssige Phase eingearbeitet. Das Gas kann unter Druck eingebracht werden, wie bei dem normalen Betrieb eines Oakes-Mixers, oder es kann aus der darüberliegenden Atmosphäre durch das Schlagen, wie in einem Hobart-Mixer, hineingezogen werden. Die mechanische Arbeit des Schlagens wird speziell bei Drücken von nicht mehr als 7 bis 14 kg/cm² (100 bis 200 pounds per square inch(psi)) ausgeführt. Es kann leicht verfügbare Ausrüstung verwendet werden, und es sind im Allgemeinen keine speziellen Gerate erforderlich. Die Menge an Inertgas, die in die flüssige Phase eingearbeitet wird, wird durch Gasflussmesser kontrolliert, um einen Schaum gewünschter Dichte zu erzeugen. Das mechanische Schlagen wird über einen Zeitraum von ein paar Sekunden in einem Oakes-Mixer oder von etwa 3 bis 30 Minuten in einem Hobart-Mixer ausgeführt oder so lange, bis die gewünschte Schaumdichte in der Mixeinrichtung, die verwendet wird, erreicht wird. Der Schaum ist nach dem mechanischen Schlagen im Wesentlichen chemisch stabil und ist strukturell stabil, kann aber bei Umgebungstemperaturen, z. B. etwa 10°C bis etwa 40°C, leicht bearbeitet werden.
Nach der mechanischen Schaumbildung wird die Reaktionsmischung mit einer kontrollierten Geschwindigkeit durch einen Schlauch oder eine andere Leitung auf einen ersten Träger aufgetragen. Der erste Träger kann der Einfachheit halber als ”unterer Träger” bezeichnet werden; er ist im Allgemeinen eine bewegliche Abstützung, die den ausgehärteten Schaum ohne weiteres freigeben oder nicht ohne weiteres freigeben kann. Ein zweiter Träger, der hierin auch als ”Oberflächenschutzschicht” oder ”oberer Träger” bezeichnet wird, kann oben auf den Schaum aufgebracht werden. Der obere Träger ist ebenfalls eine bewegliche Abstützung, die den ausgehärteten Schaum ohne weiteres freigeben kann oder nicht. Der obere Träger kann fast gleichzeitig mit dem Schaum aufgebracht werden. Vor dem Aufbringen des oberen Trägers kann der Schaum zu einer Schicht gewünschter Dicke mit einem Rakel oder einer anderen geeigneten Verteilungsvorrichtung aufgetragen werden. Alternativ kann das Platzieren des oberen Trägers zum Verteilen des Schaums und zum Einstellen der Schaumschicht auf die gewünschte Dicke verwendet werden. In einer noch weiteren Ausführungsform kann eine Auftragsvorrichtung nach dem Aufbringen des oberen Trägers verwendet werden, um die Höhe des Schaums einzustellen. Nach dem Aufbringen des oberen Trägers kann der mechanisch geschäumte Schaum unter der Wirkung eines physikalischen oder chemischen Treibmittels aufgebläht werden. Wie oben beschrieben, wird in einer speziellen Ausführungsform kein oberer Träger verwendet.
In einer Ausführungsform sorgen die Träger für eine im Wesentlichen ebene Oberfläche für die Oberfläche des Schaums. In einer Ausführungsform wird die ganze Gruppe dann in einen Magneten und Ofen gebracht, um sowohl die Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis auszurichten als auch den Polymerschaum auszuhärten.
Die Baugruppe aus Träger(n) und Schaumschicht (nach dem optionalen Aufblähen) wird in ein Magnetfeld und dann optional in eine Heizzone zum Ausrichten der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen und dann zum Aushärten des Schaums gebracht. In einer speziellen Ausführungsform erfolgt das Aushärten nach der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen. Das Aushärten kann bei Umgebungstemperatur (z. B. bei 23°C) erfolgen, um eine thermische Ausdehnung zu vermeiden. Alternativ werden die Temperaturen der Heizzone in einem Bereich gehalten, der zum Aushärten des Schaums wirksam ist, zum Beispiel bei etwa 70°C bis etwa 220°C, je nach der Zusammensetzung des Schaummaterials. Obwohl unterschiedliche Temperaturen für den Zweck eingerichtet werden können, eine fest integrierte Haut auf der äußeren Oberfläche des Schaums zu bilden oder um dem Schaum eine relativ schwere Schicht hinzuzufügen, wird bevorzugt, die Aushärtungstemperaturen so einzustellen, dass die Hautbildung vermieden wird.
Nach dem Erwärmen und Aushärten des Schaums kann er in die Kühlzone gebracht werden, wo er mit einer geeigneten Kühlvorrichtung, wie zum Beispiel mit Lüftern, gekühlt wird. Wo dies angemessen ist, werden die Träger entfernt und der Schaum kann von einer Walze aufgenommen werden. Alternativ kann der Schaum einer weiteren Verarbeitung ausgesetzt werden, zum Beispiel dem Polieren oder Schleifen, wie oben beschrieben, oder einer Laminierung (Bindung unter Verwendung von Wärme und Druck) auf einer oder beiden Trägerschichten.
Andere Arten von Polymeren können im vorliegenden Herstellungsverfahren verwendet werden. Solche Polymere können vorzugsweise vollständig oder im Wesentlichen vollständig vor der Ausrichtung der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen durch das Magnetfeld geschäumt werden. Wo dies nicht möglich oder praktikabel ist, können solche Schäume nachbearbeitet werden, um Haut oder zusätzliches Schaummaterial von der Oberfläche des Schaums zu entfernen. Daher kann Silikon, das ein Polysiloxan-Polymer und elektrisch leitfähige, magnetische Teilchen umfasst, ebenfalls verwendet werden.
In einer speziellen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaums das mechanische Aufschäumen einer flüssigen Zusammensetzung, die eine Polyisocyanat Komponente, eine aktive wasserstoffhaltige Komponente, welche mit der Polyisocyanatkomponente reagieren kann, einen grenzflächenaktiven Stoff, einen Katalysator und eine Füllstoffzusammensetzung enthält, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis umfasst; Gießen des Schaums, um eine Schicht zu bilden, die eine erste Oberfläche und eine gegenüber liegende zweite Oberfläche hat; und Einwirkenlassen eines Magnetfeldes auf die Schicht, um die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis zu gegeneinander isolierten Ketten auszu richten, die die Schicht zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche im wesentlichen durchgängig überspannen; und Aushärten der Schicht, um einen Polyurethanschaum herzustellen, der eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pounds per cubic foot (pcf), eine Dehnung von größer oder gleich etwa 20% und eine Druckverformungsrest von kleiner oder gleich etwa 30 hat, wobei die Dicke des Schaums 1,0 bis 1,5 mal so groß wie die durchschnittliche Höhe der mehreren Zellen in der ausgehärteten Schicht ist. Dieses Verfahren kann ferner das teilweise Aushärten der Schicht vor dem vollständigen Aushärten der Schicht umfassen, wobei das Magnetfeld nach dem teilweisen Aushärten der Schicht angelegt wird. Weiter wird der Schaum auf ein erstes Trägersubstrat gegossen.
In einer Ausführungsform hat der elektrisch leitfähige Polyurethanschaum mechanische Eigenschaften, die denen desselben Polyurethanschaums ohne die beschichteten Flammenhemmteilchen ähnlich sind. Wenn Zusatztreibmittel eingesetzt werden, kann der sich ergebende Schaum eine Raumdichte von nur etwa 1 pcf haben.
Silikonschäume, die ein Polysiloxan-Polymer und elektrisch leitfähige Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis umfassen, können ebenfalls verwendet werden.
In einer Ausführungsform werden die Silikonschäume als Ergebnis der Reaktion zwischen Wasser und Hydridgruppen in der Vorläuferzusammensetzung des Polysiloxan-Polymers bei der daraus folgenden Freisetzung von gasförmigem Wasserstoff erzeugt. Diese Reaktion wird im Allgemeinen durch ein Edelmetall, speziell einen Platinkatalysator, katalysiert. In einer Ausführungsform hat das Polysiloxan-Polymer eine Viskosität von etwa 100 bis 1.000.000 Poise bei 25°C und hat Kettensubstituenten, die aus der Gruppe bestehend aus Hydrid, Methyl, Ethyl, Propyl, Vinyl, Phenyl und Trifluorpropyl ausgewählt werden. Die Endgruppen am Polysiloxan-Polymer können Hydrid-, Hydroxyl-, Vinyl-, Vinyldiorganosiloxy-, Alkoxy-, Acyloxy-, Allyl-, Oxim-, Aminoxy-, Isopropenoxy-, Epoxy-, Mercapto-Gruppen oder andere bekannte reaktive Endgruppen sein. Geeignete Silikonschäume können auch durch Verwendung mehrerer Polysiloxan-Polymere erzeugt werden, von denen jedes ein anderes Molekulargewicht hat (z. B. bimodale oder trimodale Molekulargewichtsverteilungen), solange die Viskosität der Kombination innerhalb der oben angegebenen Werte liegt. Es ist auch möglich, mehrere Polysiloxan-Grundpolymere mit unterschiedlichen funktionellen oder reaktiven Gruppen zu verwenden, um den gewünschten Schaum zu erzeugen. In einer Ausführungsform umfasst das Polysiloxan-Polymer etwa 0,2 Mol Hydrid-(Si-H)-Gruppen pro Mol Wasser.
Je nach der Chemie der Polysiloxan-Polymere, die verwendet werden, kann ein Katalysator, im allgemeinen Platin oder ein platinhaltiger Katalysator, zum Katalysieren des Aufblähens und der Aushärtungsreaktion verwendet werden. Der Katalysator kann auf einem inerten Träger, wie zum Beispiel Kieselgel, Tonerde oder Rußschwarz, abgeschieden werden. In einer Ausführungsform wird ein trägerloser Katalysator verwendet, der aus Chlorplatinsäure, seiner Hexahydratform, seinen Alkalimetallsalzen und seinen Komplexen mit organischen Derivaten ausgewählt wird. Als Beispiel dienende Katalysatoren sind die Reaktionsprodukte der Chlorplatinsäure mit Vinylpolysiloxanen, wie zum Beispiel 1,3-Divinyltetramethyldisiloxan, die mit einem alkalischen Mittel behandelt oder anderweitig bearbeitet werden, um die Chloratome teilweise oder ganz zu entfernen; die Reaktionsprodukte der Chlorplatinsäure mit Alkoholen, Ethern und Aldehyden; und Platinchelate und Platin-Chloridkomplexe mit Phosphanen, Phosphanoxiden und mit Olefinen, wie zum Beispiel Ethylen, Propylen und Styrol. Es kann auch, je nach der Chemie der Polysiloxan-Polymere, wünschenswert sein, andere Katalysatoren, wie zum Beispiel Dibutylzinndilaurat, an Stelle von Katalysatoren auf Platinbasis zu verwenden.
Zur Steuerung der Kinetik der Blähungs- und Aushärtungsreaktion können auch verschiedene Inhibitoren für Platinkatalysatoren verwendet werden, um die Porosität und Dichte der Silikonschäume zu regulieren. Beispiele für solche Inhibitoren umfassen cyclische Polymethylvinylsiloxan-Verbindungen und acteylenische Alkohole. Diese Inhibitoren sollten das Schäumen und Aushärten nicht in der Weise stören, dass der Schaum zerstört wird.
Physikalische und/oder chemische Treibmittel werden oft verwendet, um Silikonschäume zu erzeugen, es ist aber auch möglich, das mechanische Schäumen einzusetzen. Es können die physikalischen und chemischen Treibmittel, die oben für Polyurethane angeführt werden, verwendet werden. Weitere Beispiele für chemische Treibmittel umfassen Benzylalkohol, Methanol, Ethanol, Isopropylalkohol, Butandiol und Silanole. In einer Ausführungsform wird eine Kombination von Verfahren zum Aufblähen verwendet, um Schäume zu erhalten, die erwünschte Merkmale besitzen. Zum Beispiel kann ein physikalisches Treibmittel, wie zum Beispiel ein Chlorfluorkohlenwasserstoff, als sekundäres Treibmittel einer reaktionsfähigen Mischung zugesetzt werden, wobei die primäre Art der Aufblähung der Wasserstoff ist, der als Ergebnis der Reaktion zwischen den Hydroxylsubstituenten von Wasser, Alkoholen oder anderen Verbindungen und Hydridsubstituenten am Polysiloxan freigesetzt wird.
Bei der Bildung von Silikonschäumen werden die reaktionsfähigen Komponenten der Vorläuferzusammensetzung in zwei Einheiten gelagert, in einer, die den Platinkatalysator enthält, und in einer anderen, die das Polysiloxan-Polymer mit den Hydridgruppen enthält, was eine vorzeitige Reaktion verhindert. Es ist auch möglich, die elektrisch leitfähigen Teilchen in jede Packung aufzunehmen. Bei einem anderen Verfahren der Herstellung wird das Polysiloxan-Polymer in einen Extruder zusammen mit den elektrisch leitfähigen Teilchen, Wasser, physikalischen und/oder chemischen Treibmitteln, falls erforderlich, und anderen gewünschten Zusätzen gebracht. Der Platinkatalysator wird dann in den Extruder dosiert, um das Aufschäumen und die Aushärtungsreaktion in Gang zu setzen und die Mischung wird mechanisch aufgeschäumt. Die Verwendung von physikalischen Treibmitteln, wie zum Beispiel flüssiges Kohlendioxid oder superkritisches Kohlendioxid, in Verbindung mit chemischen Treibmitteln, wie zum Beispiel Wasser, kann zu Schaum führen, der viel kleinere Dichten besitzt. Bei einem weiteren Verfahren werden die flüssigen Silikonkomponenten dosiert, gemischt, mechanisch geschäumt und der Schaum in eine Vorrichtung abgegeben, wie zum Beispiel eine Gießform oder eine kontinuierliche Beschichtungsanlage. Das Aufschäumen tritt dann entweder in der Gießform oder in der kontinuierlichen Beschichtungsanlage auf.
In einer Ausführungsform werden die ganze Gruppe, die den Platinkatalysator, das Polysiloxan-Polymer, das Hydridgruppen enthält, elektrisch leitfähige Teilchen, optionale physikalische und/oder chemische Treibmittel, optionale Inhibitoren für den Platinkatalysator und andere gewünschte Zusätze in ein Magnetfeld gebracht. Das Aufschäumen kann vor der Einwirkung des Magnetfeldes oder während dessen erfolgen.
Das Vernetzen ist auch als Gelieren bekannt. Das Vernetzen kann vor dem Schäumen oder nach dem Schäumen auftreten. Das Vernetzen kann auch ausgeführt werden, bevor oder nachdem die Teilchen durch Anlegen eines Magnetfeldes ausgerichtet werden. In einer Ausführungsform wird das Vernetzen nach dem Anlegen des Magnetfeldes ausgeführt. In einer Ausführungsform wird die Vorläuferzusammensetzung geschäumt, optional gebläht und dann wird ein Magnetfeld vor dem Vernetzen angelegt, um den Schaum zu gelieren.
Die elektrisch leitfähigen Silikonschäume können mechanische Eigenschaften haben, die mit denen derselben Silikonschäume ohne die elektrisch leitfähigen Teilchen übereinstimmen oder ihnen im Wesentlichen ähnlich sind.
Alternativ kann eine weiche, elektrisch leitfähige Silikonzusammensetzung durch die Reaktion einer Vorläuferzusammensetzung, die eine flüssige Silikonzusammensetzung umfasst, welche ein Polysiloxan enthält, das mindesten zwei Alkenylgruppen pro Molekül enthält; eines Polysiloxans, das mindestens zwei an Silizium gebundene Wasserstoffatome in einer Menge hat, die zum Aushärten der Zusammensetzung wirksam ist; eines Katalysators; und optional einer reaktiven oder nicht-reaktiven Polysiloxanflüssigkeit gebildet werden, die eine Viskosität von etwa 100 bis etwa 1000 Centipoise hat. Geeignete reaktive Silikonzusammensetzungen sind Zusammensetzungen mit einem niedrigen Durometerwert, 1:1 flüssige Silikonkautschuk-(LSR) oder flüssige spritzgegossene (LIM)-Zusammensetzungen. Wegen ihrer niedrigen inhärenten Viskosität erleichtert die Verwendung der LIM oder LSR mit niedrigem Durometerwert das Zusetzen größerer Füllstoffmengen und führt zur Bildung eines weichen Schaums.
Das reaktive oder nicht-reaktive Polysiloxan-Fluid ermöglicht es, größere Mengen an Füllstoff in die ausgehärtete Silikonzusammensetzung einzubringen, wodurch die erhaltenen Volumen- und Oberflächenwiderstandswerte gesenkt werden. In einer Ausführungsform bleibt das Polysiloxan-Fluid im ausgehärteten Silikon und wird nicht entzogen oder entfernt. Das reaktive Silikon-Fluid wird so zu einem Teil der Polymermatrix, was zu geringer Entgasung und zu kleiner oder keiner Migration zur Oberfläche während der Verwendung führt. In einer Ausführungsform ist der Siedepunkt des nicht-reaktiven Silikon-Fluids ausreichend hoch, so dass es bei Verteilung in der Polymergrundsubstanz nicht während oder nach dem Aushärten verdampft und nicht zur Oberfläche wandert oder ausgast.
In einer Ausführungsform werden LSR- oder LIM-Systeme als zweiteilige Formulierungen bereitgestellt, die zum Mischen in Volumenverhältnissen von etwa 1:1 geeignet sind. Der Teil ”A” der Formulierung umfasst ein oder mehrere Polysiloxane, die zwei oder mehr Alkenylgruppen haben, und weist eine Extrusionsrate von weniger als etwa 500 g/min auf. Beispiele für geeignete Alkenylgruppen sind Vinyl, Allyl, Butenyl, Pentenyl, Hexenyl und Heptenyl, wobei Vinyl besonders geeignet ist. Die Alkenylgruppe kann an die molekularen Kettenendpunkte, in Seitenpositionen der Molekülkette oder an beide gebunden werden. Andere siliziumgebundene organische Gruppen im Polysiloxan, die zwei oder mehr Alkenylgruppen haben, sind beispielsweise substituierte oder unsubstituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppen, zum Beispiel Alkylgruppen, wie zum Beispiel Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl und Hexyl; Arylgruppen, wie zum Beispiel Phenyl, Tolyl und Xylyl; Aralkylgruppen, wie zum Beispiel Benzyl und Phenethyl; und halogenierte Alkylgruppen, wie zum Beispiel 3-Chlorpropyl und 3,3,3-Trifluorpropyl. Als Beispiel dienende Substituenten sind Methyl- und Phenylgruppen.
Das alkenylhaltige Polysiloxan kann eine gerade Kette, teilweise verzweigte gerade Kette, verzweigte Kette oder eine Netzstruktur besitzen oder kann eine Mischung von zwei oder mehr Selektionen aus Polysiloxanen mit den als Beispiel angeführten molekularen Strukturen sein. Das alkenylhaltige Polysiloxan sind beispielsweise trimethylsiloxy-endblockierte Dimethylsiloxan-Methylvinylsiloxan-Copolymere, trimethylsiloxy-endblockierte Methylvinylsiloxan-Methylphenylsiloxan-Copolymere, trimethylsiloxy-endblockierte Dimethylsiloxan-Methylvinylsiloxan-Methylphenylsil oxan-Copolymere, dimethylvinylsiloxy-endblockierte Dimethylpolysiloxane, dimethylvinylsiloxy-endblockierte Methylvinylpolysiloxane, dimethylvinylsiloxy-endblockierte Methylvinylphenylsiloxane, dimethylvinylsiloxy-endblockierte Dimethylvinylsiloxan-Methylvinylsiloxan-Copolymere, dimethylvinylsiloxy-endblockierte Dimethylsiloxan-Methylphenylsiloxan-Copolymere, dimethylvinylsiloxy-endblockierte Dimethylsiloxan-Diphenylsiloxan-Copolymere, Polysiloxan, das R₃SiO_1/2 und SiO_4/2-Einheiten umfasst, Polysiloxan, das RSiO_3/2-Einheiten umfasst, Polysiloxan, das die R₂SiO_2/2- und RSiO_3/2-Einheiten umfasst, Polysiloxan, das die R₂SiO_2/2-, RSiO_3/2- und SiO_4/2-Einheiten umfasst, und eine Mischung von zwei oder mehr der vorhergehenden Polysiloxane. R repräsentiert substituierte und unsubstituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppen, zum Beispiel Alkylgruppen, wie zum Beispiel Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl und Hexyl; Arylgruppen, wie zum Beispiel Phenyl, Tolyl und Xylyl; Aralkylgruppen, wie zum Beispiel Benzyl und Phenethyl; und halogenierte Alkylgruppen, wie zum Beispiel 3-Chlorpropyl und 3,3,3-Trifluorpropyl, unter dem Vorbehalt, dass mindestens 2 der R-Gruppen pro Molekül Alkenylgruppen sind.
Die Komponente ”B” des LSR- oder LIM-Systems umfasst ein oder mehrere Polysiloxane, die mindestens zwei siliziumgebundene Wasserstoffatome pro Molekül umfassen, und weist eine Extrusionsrate von weniger als etwa 500 g/min auf. Der Wasserstoff kann an die molekularen Kettenendpunkte, in Seitenpositionen der Molekülkette oder an beide gebunden werden. Andere siliziumgebundene Gruppen sind organische Gruppen, beispielsweise substituierte und unsubstituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppen, die keine Alkenyle sind, zum Beispiel Alkylgruppen, wie zum Beispiel Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl und Hexyl; Arylgruppen, wie zum Beispiel Phenyl, Tolyl und Xylyl; Aralkylgruppen, wie zum Beispiel Benzyl und Phenethyl; und halogenierte Alkylgruppen, wie zum Beispiel 3-Chlorpropyl und 3,3,3-Trifluorpropyl. Als Beispiel dienende Substituenten sind Methyl- und Phenylgruppen.
Die wasserstoffhaltige Polysiloxan-Komponente kann eine gerade Kette, teilweise verzweigte gerade Kette, verzweigte Kette, cyclische, molekulare Netzstruktur besitzen oder kann eine Mischung von zwei oder mehr Selektionen aus Polysiloxanen mit den als Beispiel angeführten molekularen Strukturen sein. Das wasserstoffhaltige Polysiloxan sind beispielsweise trimethylsiloxy-endblockierte Methylhydrogenpolysiloxane, trimethylsiloxy-endblockierte Dimethylsiloxan-Methylhydrogensiloxan-Copolymere, trimethylsiloxy-endblockierte Methylhydrogensiloxan-Methylphenylsiloxan-Copolymere, trimethylsiloxy-endblockierte Dimethylsiloxan-Methylhydrogensiloxan-Methylphenylsiloxan-Copolymere, dimethylhydrogensiloxy-endblockierte Dimethylpolysiloxane, dimethylhydrogensiloxy-endblockierte Methylhydrogenpolysiloxane, dimethylhydrogensiloxy-endblockierte Dimethylsiloxan-Methylhydrogensiloxan-Copolymere, dimethylhydrogensiloxy-endblockierte Dimethylsiloxan-Methylphenylsiloxan-Copolymere und dimethylhydrogensiloxy-endblockierte Methylphenylpolysiloxane.
Die wasserstoffhaltige Polysiloxan-Komponente wird in einer Menge zugesetzt, die ausreichend ist, um die Zusammensetzung auszuhärten, speziell in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 10 siliziumgebundenen Wasserstoffatomen pro Alkenylgruppe im alkenylhaltigen Polysiloxan.
Die Silikonzusammensetzung umfasst ferner im Allgemeinen als Teil der Komponente ”A” einen Katalysator, wie zum Beispiel Platin, zum Beschleunigen der Aushärtungsreaktion. Platin und Platinverbindungen, die als Katalysatoren der Hydrosilylierungsreaktion bekannt sind, können verwendet werden, zum Beispiel Platinschwarz, Platin-auf-Tonerede-Pulver, Platin-auf-Kieselgel-Pulver, Platin-auf-Kohlenstoff-Pulver, Chlorplatinsäure, alkoholische Lösungen von Chlorplatinsäure-Platin-Olefin-Komplexen, Platin-Alkenylsiloxan-Komplexen und den Katalysatoren, die durch die Mikropartikulierung der Dispersion eines Platin-Additionsreaktions-Katalysators, wie oben beschrieben, in einem thermoplastischen Harz, wie zum Beispiel Methylmethacrylat, Polycarbonat, Polystyrol, Silikon und dergleichen, hervorgebracht werden. Mischungen von Katalysatoren können auch verwendet werden. Eine Menge des Katalysators, die beim Aushärten der vorliegenden Zusammensetzung wirksam ist, beträgt im Allgemeinen 0,1 bis 1.000 Teile pro Million (ppm) Gewichtsteile Platinmetall auf der Basis der kombinierten Mengen der Alkenyl- und Wasserstoffkomponenten.
Die Zusammensetzung umfasst ferner eine oder mehrere Polysiloxan-Fluide, die eine Viskosität von kleiner oder gleich etwa 1000 Centipoise, speziell kleiner oder gleich etwa 750 Centipoise, spezieller kleiner oder gleich etwa 600 Centipoise und ganz speziell kleiner oder gleich etwa 500 Centipoise haben. Die Polysiloxan-Fluide können auch eine Viskosität von größer oder gleich etwa 100 Centipoise haben. Die Polysiloxan-Fluid-Komponente wird zugesetzt, um die Viskosität der Zusammensetzung zu verringern, wodurch mindestens ein Element aus erhöhter Füllstoffbeladung, verbesserte Füllstoffbenetzung und verbesserte Füllstoffverteilung ermöglicht wird und was zu ausgehärteten Zusammensetzungen führt, die niedrigere Werte für Widerstand und spezifischen Widerstand haben. Durch die Verwendung der Polysiloxan-Fluid-Komponente kann auch die Abhängigkeit des Widerstandswertes von der Temperatur reduziert und/oder die zeitlichen Veränderungen der Werte für Widerstand und spezifischen Widerstand reduziert werden. Durch die Verwendung der Polysiloxan-Fluid-Komponente erübrigt sich ein zusätzlicher Schritt zum Entfernen des Fluids während der Verarbeitung sowie das mögliche Ausgasen und die Migration des Verdünnungsmittels während der Verwendung. Das Polysiloxan-Fluid sollte die Aushär tungsreaktion, d. h. die Additionsreaktion, der Zusammensetzung nicht hemmen, kann aber an der Aushärtungsreaktion teilnehmen oder nicht.
Das nicht-reaktive Polysiloxan-Fluid hat einen Siedepunkt von mehr als etwa 500°F (260°C) und kann verzweigt oder geradkettig sein. Das nicht-reaktive Polysiloxan-Fluid umfasst siliziumgebundene organische Gruppen, die kein Alkenyl sind, beispielsweise substituierte und unsubstituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppen, zum Beispiel Alkylgruppen, wie zum Beispiel Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl und Hexyl; Arylgruppen, wie zum Beispiel Phenyl, Tolyl und Xylyl; Aralkylgruppen, wie zum Beispiel Benzyl und Phenethyl; und halogenierte Alkylgruppen, wie zum Beispiel 3-Chlorpropyl und 3,3,3-Trifluorpropyl. Als Beispiel dienende Substituenten sind Methyl- und Phenylgruppen. Das nicht-reaktive Polysiloxan-Fluid kann daher R₃SiO_1/2 und SiO_4/2-Einheiten, RSiO_3/2-Einheiten, R₂SiO_2/2 und RSiO_3/2-Einheiten oder R₂SiO_2/2, RSiO_3/2 und SiO_4/2-Einheiten umfassen, wobei R substituierte und unsubstituierte einwertige Kohlenwasserstoffgruppen repräsentiert, die aus der Gruppe umfassend Alkyl, Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Aryl, Phenyl, Tolyl, Yylyl, Aralkyl, Benzyl, Phenethyl, halogeniertem Alkyl, 3-Chlorpropyl und 3,3,3-Trifluorpropyl ausgewählt werden. Da das nicht-reaktive Polysiloxan ein Fluid ist und einen wesentlich höheren Siedepunkt (mehr als 230°C (500°F)) hat, ermöglicht es die Aufnahme größerer Mengen an Füllstoff, migriert aber nicht und gast auch nicht aus. Beispiele für nicht-reaktive Polysiloxan-Fluide umfassen DC 200 von der Dow Corning Corporation.
Reaktive Polysiloxan-Fluide härten gemeinsam mit dem alkenylhaltigen Polysiloxan und dem Polysiloxan, das mindestens zwei siliziumgebundene Wasserstoffatome hat, aus und können daher selbst Alkenylgruppen oder siliziumgebundene Wasserstoffgruppen enthalten. Solche Zusammenset zung können dieselben Strukturen haben, wie in Verbindung mit dem alkenylhaltigen Polysiloxan und dem Polysiloxan, das mindestens zwei siliziumgebundene Wasserstoffatome hat, oben beschrieben, haben aber zusätzlich eine Viskosität von kleiner oder gleich etwa 1000 Centipoise, speziell kleiner oder gleich etwa 750 Centipoise, spezieller kleiner oder gleich etwa 600 Centipoise und ganz speziell kleiner oder gleich etwa 500 Centipoise. In einer Ausführungsform haben die reaktiven Polysiloxan-Fluide einen Siedepunkt, der größer als die Aushärtungstemperatur der Additionsaushärtungsreaktion ist.
Die Polysiloxan-Fluid-Komponente ist in einer Menge vorhanden, die wirksam ist, das Hinzufügen, die Aufnahme und Benetzung größerer Mengen von leitfähigem Füllstoff zu ermöglichen und/oder die Aufnahme der elektrisch leitfähigen Teilchen zu erleichtern, um zum Beispiel das Trennen und/oder Verteilen zu erleichtern. In einer Ausführungsform wird die Polysiloxan-Fluid-Komponente der Zusammensetzung in einer Menge von etwa 5 bis etwa 50 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen der kombinierten Menge des Polysiloxans, das mindestens zwei Alkenylgruppen pro Molekül hat, des Polysiloxans, das mindestens zwei siliziumgebundene Wasserstoffatome in einer Menge, die zum Aushärten der Zusammensetzung wirksam ist, hat, und des Katalysators zugesetzt. Die Menge der Polysiloxan-Fluid-Komponente ist speziell größer oder gleich etwa 5, spezieller größer oder gleich etwa 7,5 und noch spezieller größer oder gleich etwa 10 Gewichtsteile. Erwünscht wird auch eine Polysiloxan-Fluid-Komponente von kleiner oder gleich etwa 50 Gewichtsteilen, spezieller kleiner oder gleich etwa 25 Gewichtsteilen und noch spezieller kleiner oder gleich etwa 20 Gewichtsteilen der kombinierten Menge des Polysiloxans, das mindestens zwei Alkenylgruppen pro Molekül hat, des Polysiloxans, das mindestens zwei siliziumgebundene Wasserstoffatome in einer Menge hat, die beim Aushärten der Zusammensetzung wirksam ist, sowie des Katalysators.
Die Silikonschäume können ferner optional eine aushärtbare Silikongel-Formulierung umfassen. Silikongele sind leicht vernetzte Fluide oder nicht vollständig ausgehärtete Elastomere. Sie sind einzigartig darin, dass sie den Berührungsbereich von sehr welch und klebrig bis mäßig weich und nur leicht klebrig überspannen. Die Verwendung einer Gelformulierung verringert die Viskosität der Zusammensetzung, wodurch mindestens ein Element aus erhöhter Füllstoffbeladung, verbesserter Füllstoffbenetzung und/oder verbesserter Füllstoffverteilung ermöglicht wird, was zu ausgehärteten Zusammensetzungen, die niedrigere Werte für Widerstand und spezifischen Widerstand haben, und verstärkter Weichheit führt. Geeignete Gelformulierungen können entweder zweiteilige aushärtbare Formulierungen oder einteilige Formulierungen sein. Die Komponenten der zweiteiligen aushärtbaren Gelformulierungen sind denen ähnlich, die oben für LSR-Systeme beschrieben werden (d. h. ein organisches Polysiloxan, das mindestens zwei Alkenylgruppen pro Molekül hat, und ein organisches Polysiloxan, das mindestens zwei siliziumgebundene Wasserstoffatome pro Molekül hat). Der Hauptunterschied liegt in der Tatsache, dass kein Füllstoff vorhanden ist und dass das Molverhältnis der siliziumgebundenen Wasserstoffgruppen (Si-H) zu den Alkenylgruppen normalerweise kleiner als 1 ist und variiert werden kann, um ein ”teilvernetztes” Polymer mit der Lockerheit und Weichheit eines ausgehärteten Gels zu erzeugen. Speziell ist das Verhältnis der siliziumgebundenen Wasserstoffatome zu den Alkenylgruppen kleiner oder gleich etwa 1.0, speziell kleiner oder gleich etwa 0.75, spezieller kleiner oder gleich etwa 0.6 und ganz speziell kleiner oder gleich etwa 0,1. Ein Beispiel für eine geeignete zweiteilige Silikongel-Formulierung ist SYLGARD^® 527-Gel, das von der Dow Corning Corporation erhältlich ist.
Die Silikonschäume können gegossen und verarbeitet werden, wobei nur ein unterer Träger oder sowohl ein unterer Träger als auch ein oberer Träger verwendet werden, wie oben beschrieben.
Wie bekannt ist, überlappen sich oft die Schäum- und Aushärtungs-(Gelier-)Schritte in zweiteiligen Silikonschäumen oder treten gleichzeitig auf. Wenn die Aushärtung zu weit auftritt, bevor die Teilchenausrichtung angeschlossen ist, sind die Schaumverbundmaterialien weniger leitfähig. Das Verzögern der Aushärtung kann andererseits zum Schäumen führen, das sich nach der Teilchenausrichtung fortsetzt. In diesem Fall kann das Verfahren der Schichtentfernung verwendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit des Schaumverbundmaterials zu verbessern. Alternativ kann die Schäum-/Aushärtungsreaktion gesteuert werden, um die Schäum- und Aushärtungsschritte besser zu trennen. Die Verwendung eines latenten Katalysators und/oder die Verwendung von Katalysatorkombinationen kann die Aushärtungsreaktion verzögern. Es kann zum Beispiel eine Kombination verschiedener Katalysatoren verwendet werden, wie zum Beispiel ein Platinkatalysator zur Förderung des Schäumens und ein zweites, latentes Katalysatorsystem zur Förderung der Aushärtung nach dem Schäumen. Das Zusetzen bestimmter chemischer Regulatoren kann zur Modifizierung der Schäumungsreaktion verwendet werden. Alternativ können einige Silikongelformulierungen oder verstärkte Silikonformulierungen mechanisch geschäumt oder physikalisch (unter Verwendung z. B. flüchtiger Treibmittel, wie zum Beispiel Methanol, Isopropanol oder Benzylalkohol) gebläht und dann ausgehärtet werden. Bei diesen Formulierungen kann es vorteilhaft sein, faserartige Füllstoffe (z. B. Kohlenstofffasern) zu verwenden, um die Schaumviskosität zu erhöhen, wodurch die Menge an Luft erhöht wird, die in die Silikonvorläuferformulierung eingebracht werden kann, und wodurch der Schaum nach dem Gießen erhalten bleibt.
In einer Ausführungsform umfasst daher ein Verfahren zur Herstellung eines Silikonschaums: Schäumen einer Mischung, die ein Polysiloxanpolymer, das Hydridsubstituenten hat, einen Katalysator und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen hat, umfasst; Bildung eines Objektes, z. B. einer Schicht, die eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat; Ausrichten der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten, die den Schaum zwischen einer ersten Oberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Schaums im wesentlichen durchgängig überspannen; und Aushärten des Schaums, um einen Silikonverbundschaum zu erzeugen, der einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Natürlich ist es auch möglich, einen unteren Träger und einen oberen Träger zu verwenden, wie oben beschrieben, und anschließend durch Entfernen der äußeren Schicht von einer oder von beiden Oberflächen der Silikonschicht zu behandeln.
Die Verwendung von magnetisch ausgerichteten, elektrisch leitfähigen Teilchen ermöglicht die Herstellung von Polymerschaum-Verbundmaterialien, die eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit haben, unter Verwendung niedrigerer Konzentrationen des elektrisch leitfähigen Füllstoffs. Die Verwendung von niedrigeren Konzentrationen führt dazu, dass die Schäume verbesserte physikalische Eigenschaften haben, insbesondere Druckverformungsrest und/oder Weichheit. Diese Charakteristika ermöglichen die Verwendung der Polymerschäume für eine Vielzahl von Objekten, wie zum Beispiel Dichtungsmaterialien, elektrische Erdungsklemmen, leitfähige Federelemente an Batteriekontakten und dergleichen, insbesondere dort, wo elektromagnetische und/oder HF-Abschirmung oder elektrostatisch dissi pative Eigenschaften erforderlich sind. Die Materialien können dort verwendet werden, wo Dichtung, Stoßdämpfung und/oder Pufferung zusammen mit elektrischer Leitfähigkeit benötigt werden. Die Schaumschichten können auch verwendet werden, um für thermische Leitfähigkeit zu sorgen, wenn die elektrisch leitfähigen Füllstoffe auch thermisch leitfähig sind, oder wenn elektrisch und thermisch leitfähige Füllstoffe vorhanden sind. In einer Ausführungsform können thermisch leitfähige Füllstoffe (anstelle von elektrisch leitfähigen Füllstoffen) verwendet werden, um eine Schicht mit thermischer Leitfähigkeit zu erhalten.
Die elektrisch leitfähigen Polymerschaum-Verbundmaterialien können auch mit oder ohne eine elektrisch leitfähige Schicht (z. B. Kupferfolie) und einen strukturierten, nicht elektrisch leitfähigen Klebstoff verwendet werden. Wie bekannt ist, sind elektrisch nicht leitfähige Klebstoffe auf Grund ihr deutlich niedrigeren Kosten im Vergleich zu leitfähigen Klebstoffen wünschenswert. Die vorhergehende Objektkonfiguration ermöglicht zusammen mit der Verwendung eines preiswerteren Klebstoffs eine elektrische Verbindung zwischen der Schaumschicht und der leitfähigen Schicht. In einer weiteren Ausführungsform wird die Formulierung des ausgehärteten Polymerschaums mit bekannten Mitteln eingestellt, um so dem Polymerschaum Klebstoffeigenschaften zu verleihen. Es kann ein leitfähiger Schaumklebstoff erreicht werden.
Polymerschäume, die so hergestellt werden, wie hierin beschrieben, haben eine verbesserte Zellgrößenverteilung sowie eine verbesserte Leitfähigkeit und/oder physikalische Eigenschaften, einschließlich der Kompressibilität. Polymerschäume mit verbesserter Leitfähigkeit und/oder physikalischen Eigenschaften sorgen für eine verbesserte Abschirmungsfähigkeit und verbesserte Dichtungseigenschaften. Polymerschäume, die insbesondere unter Nutzung des mechanischen Schäumens hergestellt werden, haben eine verbesserte Zellgrößenverteilung sowie eine verbesserte Leitfähigkeit und/oder verbesserte physikalische Eigenschaften, einschließlich der Kompressibilität. Außerdem ermöglicht das mechanische Schäumen die Herstellung von Polymerschäumen zu geringeren Kosten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung haben die elektrisch leitfähigen Polymerschaum-Verbundmaterialien (insbesondere die Polyurethan- und Silikonschaum-Verbundmaterialien) mechanische Eigenschaften, die denen desselben Schaums ohne den elektrisch leitfähigen, magnetischen Füllstoff ähnlich sind. Falls zusätzliche Treibmittel eingesetzt werden, können die Polymerschaum-Verbundmaterialien eine Raumdichte von nur etwa 1 pound per cubic foot (pcf, 16 kg/m³) haben. Die Dichten der Polymerschaum-Verbundmaterialien werden vom spezifischen Gewicht der Füllstoffzusammensetzungen beeinflusst. Im Allgemeinen haben jedoch die Polymerschaum-Verbundmaterialien eine Dichte von etwa 1 bis etwa 150 pcf (16 bis 2042 kg/m³), speziell etwa 5 bis etwa 125 pcf (80 bis 2002 kg/m³), spezieller etwa 10 bis etwa 100 pcf (160 bis 1601 kg/m³) und ganz speziell etwa 20 bis etwa 80 pcf (bis etwa 1281 kg/m³).
Die Verwendung der magnetisch ausgerichteten, elektrisch leitfähigen Teilchen ermöglicht die Herstellung von elektrisch leitfähigen Polymerschaum-Verbundmaterialien, die einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 pounds per sqaure inch (psi, 42 Kilogramm/Quadratzentimeter (kg/cm²)) aufweisen. Innerhalb dieses Bereichs kann der spezifische Volumenwiderstand etwa 10^–3 bis etwa 10² Ohm-cm, spezieller etwa 10^–2 bis 10 Ohm-cm und ganz speziell etwa 10^–2 bis etwa 1 Ohm-cm betragen, jeweils bei ca. 60 psi (42 kg/cm²) gemessen. Wie in den Beispielen unten gezeigt, sind spezielle Bedingungen erforderlich, um Polymerschaum-Verbundmaterialien zu erhalten, die spezifische Volumenwiderstände im Bereich von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm haben (s. Vergleichsbeispiele). Solche spezifischen Widerstände können jedoch unter Verwendung der Verfahren erhalten werden, die hierin offenbart werden. Von den Erfindern der vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, dass es schwierig ist, Polymerschaum-Verbundmaterialien zu erhalten, die spezifische Volumenwiderstände von weniger als etwa 100 Ohm-cm bei 60 psi haben, d. h. im Bereich von etwa 10^–2 Ohm-cm bis etwa 10² Ohm-cm bei 60 psi, und dass das Erhalten solcher Werte die Einstellung der Art des Schaums und der Art des Verfahrens (z. B. mechanisch geschäumt), der Art des elektrisch leitfähigen, magnetischen Füllstoffs (z. B. nickelbeschichteter Edelstahl), der Form der Füllstoffteilchen (z. B. kugelförmig oder stäbchenartig) und der Menge der Füllstoffteilchen erfordert. Einen spezifischen Volumenwiderstand von 100 Ohm-cm oder darunter bei niedrigeren Drücken (z. B. von 40 psi oder 20 psi) zu erhalten, ist besonders schwierig. Durch Befolgen der Lehren, die hierin enthalten sind, kann trotzdem ein Polymerschaumverbundmaterial, das einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–2 Ohm-cm bis etwa 10² Ohm-cm bei 20 psi hat, erhalten werden.
In einer Ausführungsform sorgen die Polymerschäume für eine elektromagnetische Abschirmung mit einem Wert von größer oder gleich etwa 50 Dezibel (dB), spezieller von größer oder gleich etwa 70 dB und noch spezieller von größer oder gleich etwa 80 dB. Ein Verfahren zum Messen der elektromagnetischen Abschirmung wird in MIL-G-83528B dargestellt.
In einer speziellen Ausführungsform ist der spezifische Volumenwiderstand des Polymerschaums kleiner oder gleich etwa 1 Ohm-cm und die elektromagnetische Abschirmung ist größer oder gleich etwa 80 dB.
Die Schäume weisen eine ausgezeichnete Kompressibilität auf. Die Kompressibilität kann durch Messen der prozentualen Verformung bei einem gegebenen Druck bestimmt werden. Die Polymerschaum-Verbundmaterialien haben eine prozentuale Verformung bei 100 psi (7 kg/cm²) von mehr als 10%, speziell mehr als 20%, spezieller mehr als 40%, ganz speziell mehr als 50%.
In einer weiteren Ausführungsform hat der Schaum mindestens eine der folgenden Eigenschaften: eine 25 %ige Druckkraftdurchbiegung (CFD) von etwa 0,007 bis etwa 10,5 kg/cm², speziell etwa 0,007 bis etwa 7 kg/cm². In einer weiteren Ausführungsform beträgt die CFD etwa 0,07 bis etwa 2,8 kg/cm², nach ASTM 1056 gemessen.
Die Polymerschaum-Verbundmaterialien können eine Bruchdehnung von größer oder gleich etwa 20%, speziell größer als 100% aufweisen.
Die Polymerschaum-Verbundmaterialien können eine Druckverformungsrest (50%) von weniger als etwa 20%, speziell etwa 10% besitzen.
In einer speziellen Ausführungsform hat das Polymerschaumverbundmaterial, insbesondere ein Polyurethanschaum-Verbundmaterial, bei etwa 100 psi (7 kg/cm²) eine prozentuale Verformung von mehr als 20%; eine Bruchdehnung von größer oder gleich etwa 20%; einen Druckverformungsrest (50%) von kleiner oder gleich etwa 30% und eine Raumdichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf, speziell etwa 1 bis etwa 60 pcf.
Der Modul, der sich in der Druckkraftdurchbiegung (CDF) zeigt, wird durch ein Instron-Gerät unter Verwendung von 5 cm × 5 cm großen Stanzproben, die auf mindestens 0,6 cm (0,250 inch), normalerweise etwa 0,9 cm (0,375 inch) aufgestapelt sind, wobei zwei Stapel pro Fertigungslos oder Durchlauf verwendet werden, und eine 9090 kg-(20.000 Pound)-Zelle bestimmt, die am Boden des Instron befestigt ist. CDF wurde durch Berechnen der Kraft in psi (pounds per square inch) gemessen, die nach ASTM D1056 zum Zusammendrücken der Probe auf 25% der ursprünglichen Dicke erforderlich ist.
Zugfestigkeit und -dehnung werden unter Verwendung eines Instron, das mit einer 20 kg (50 pounds)-Lastzelle ausgestattet ist, und je nach Dicke und Dichte unter Verwendung eines Bereichs von 4,5–9,0 kg gemessen. Die Zugfestigkeit wird als der Wert der Kraft in Kilogramm pro Quadratzentimeter (kg/cm²) beim Reißen, geteilt durch die Probendicke und multipliziert mit zwei, berechnet. Die Dehnung wird als prozentuale Verlängerung angegeben.
Eine verbesserte Leitfähigkeit kann in geblähten Schäumen erreicht werden, wenn Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis, wie zum Beispiel eine Faser, zu magnetischen, elektrisch leitfähigen Säulen im Schaum ausgerichtet werden. In einer Ausführungsform besteht jede Säule aus einer einzigen Kette der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis, die jeweils von den anderen Teilchenketten isoliert sind. Eine gute Leitfähigkeit kann dort erreicht werden, wo jede Kette aus 1 bis 20, speziell aus 1 bis 6 magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis besteht. Die Ketten brauchen nicht streng linear zu sein, es besteht aber ein wechselseitiger Kontakt zwischen den Teilchen, der den Stromweg aufbaut. Die Verwendung von Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis kann gegenüber der Verwendung von kugelförmigen oder ähnlich geformten Teilchen ohne hohes Schlankheitsverhältnis bestimmte Vorteile haben. Durch die Abmessungen der Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis werden weniger einzelne Teilchen benötigt, um eine Säule zu bilden, die die Dicke der Schaumschicht überspannt. Durch die Verwendung von Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis reduziert sich daher die Zahl der Kontakte zwischen den Teilchen, die zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Säule erforderlich sind. Außerdem kann ein einzelnes Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis eine längste Abmessung haben, die gleich einer Dicke des Schaums oder etwa etwas größer als die Schaumdicke ist, in dem es ausgerichtet ist, wie oben beschrieben. In einem solchen Fall sind keine Kontakte zwischen den Teilchen erforderlich, um gegeneinander isolierte elektrisch leitfähige Säulen zu bilden. Weiter kann durch Nutzung eines Teilchens mit einer Länge, die größer als die Dicke der Schaumschicht ist, eine gute Leitfähigkeit erreicht werden, selbst wenn ein zusätzliches Schäumen auftritt, nachdem die magnetische Ausrichtung abgeschlossen ist. Der Schaum kann wachsen und so die Höhe der Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis erreichen, ohne die Enden der Säulen so weit abzudecken, dass es schwierig ist, durch den Schaum eine elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. In einer Ausführungsform bleibt ein oder bleiben beide Teilchenenden an der Oberfläche der Schaumschicht freiliegend. In einer weiteren Ausführungsform dehnt sich der Schaum aus und wächst direkt bis zu den Enden der Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis.
Um für gute mechanische Eigenschaften für den Schaum, insbesondere gute Dichtungseigenschaften für eine geschäumte Folie, zu sorgen, beträgt der durchschnittliche Durchmesser der Zellen im Schaum etwa 20 bis etwa 500 Mikrometer, vorzugsweise etwa 20 bis etwa 300 Mikrometer. Optimale Zelldurchmesser des Schaums sind daher eine Balance zwischen der gewünschten Dicke der Schaumfolie und der Dichtungsfähigkeit, die gewünscht wird.
Die folgenden Beispiele, die nur exemplarisch und nicht einschränkend sein sollen, illustrieren Zusammensetzungen und Verfahren der Herstellung einiger der verschiedenen Ausführungsformen für die elektromagnetische Abschirmung und/oder elektrostatisch dissipativen und/oder elektrisch leitfähigen Polymerschäume, die hierin beschrieben werden.
BEISPIELE
Der folgende Test wurde zum Bestimmen der Leitfähigkeit verwendet. Wie bekannt ist, hängen spezielle Werte für den spezifischen Volumenwiderstand und die elektrostatische Abschirmung von den speziellen Testverfahren und -bedingungen ab. Es ist zum Beispiel bekannt, dass der spezifische Volumenwiderstand und die Abschirmwirkung mit dem Druck variieren können, der während des Tests auf die Probe ausgeübt wird. Verwendbare elektrische Ausrüstung und Testvorrichtungen zum Messen des spezifischen Volumenwiderstandes in der Probe werden unten angeführt. Die Vorrichtung ist eine speziell angefertigte Presse mit goldplattierten, 2,5 cm × 2,5 cm (1 inch × 1 inch) großen, quadratischen, elektrischen Kontakten. Die Vorrichtung ist mit einer digitalen Kraftmessdose ausgestattet, die dem Bediener ermöglicht, die Kraft zu überwachen und Einstellungen daran vorzunehmen, die auf die Oberfläche der Probe ausgeübt wird. Die Stromversorgung kann 0 bis 2 A an die Probenoberfläche liefern. Der Spannungsabfall und der Widerstand in Ohm über der Probe werden unter Verwendung eines HP 34420A Nano Volt/Micro-Ohmmeters gemessen. Die elektronischen Komponenten der Vorrichtung können sich erwärmen, und im Fall des HP 34420 A werden interne Kontrollen der Kalibrierung ausgeführt. Den Proben wird erlaubt, sich im Zeitraum von 24 Stunden an die Bedingungen der Testumgebung anzupassen. Eine geeignete Testumgebung sind 50% rel. Feuchte (% RH) bei einer Raumtemperatur von 23°C (70°F). Die Probe, die getestet werden soll, wird zwischen die Platten der Testvorrichtung gebracht und auf die Oberfläche wird eine Last ausgeübt. Die aufgebrachte Last hängt von der Art der Probe, die getestet werden soll, ab, weiche Schäume werden unter Verwendung kleiner Lasten getestet, während Feststoffe unter Verwendung eines Lastbereiches von etwa 63.279 bis etwa 210.930 kg/m² (90 bis 300 pounds per sqaure inch) getestet werden. Nach dem Aufbringen der Last wird Strom durch die Probe geschickt und der Spannungsabfall über der Probendicke wird gemessen. Ein geeigneter Test umfasst Messungen bei 4 verschiedenen Amperewerten, 0,5, 1,0, 1,6 und 2,0 Ampere. Bei einem leitfähigen Verbundmaterial ist der sich ergebende berechnete spezifische Volumenwiderstand für alle vier Ampere-Einstellungen ähnlich. Die Berechnung des spezifischen Volumenwiderstandes erfolgt folgendermaßen: Spezifischer Volumenwiderstand (Ohm-cm) = (E/I)·(A/T)wobei

E: = Spannungsabfall (V),
I: = Strom (A),
A: = Fläche (cm²) und
T: = Dicke (cm).

Messungen des spezifische Volumenwiderstandes werden an Elastomerproben in ähnlicher Weise durch Schneiden einer rechteckigen Probe, Beschichtung der Enden mit Silberfarbe, Trocknenlassen der Farbe und Verwenden eines Voltmeters für die Ausführung der Widerstandsmessungen ausgeführt.
Beispiel 1.
Nickel- und nickelbeschichtete keramische Mikrokügelchen wurden als leitfähige Füllstoffe in einem Silikonschaum untersucht. Silikone (Dow Corning Silikone 8137 und NUSIL 6033 von der Nusil Technology LLC), die Füllstoff-Mikrokügelchen, und Silikonaushärtungsinhibitor (1-Octyn-3-ol von der Aldrich Chemical Co.) wurden in einem Flaktekspeedmixer gemischt, auf einen PET-Film mit kontrollierter Dicke aufgegossen und in einen Ofen gebracht, der einem einstellbaren Magnetfeld ausgesetzt wurde. Im Allgemeinen hatten die chemisch geblähten und ausgehärteten Schäume eine Dicke von 70 bis 80 mils (1778 bis 2032 Mikrometern).

Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, dass selbst bei einem Magnetfeld von immerhin 1200 Gauß in den dicken Schichten des ausgehärteten Schaums keine Leitfähigkeit beobachtet wurde. Tabelle 1

Durchlauf Nr.	1	2	3	4	5	6	7
Magnetfeld, Gauß	250	250	1000	1000	1200	1200	1200
Gießdicke, mil	10	20	20	20	20	20	20
Ofentemperatur, °C	23	23	23	23	23	23	23
Ofen-Verweildauer, min	5	5	5	5	10	10	10
Oberer Träger	nein	nein	nein	nein	nein	nein	nein
Si-Formulierung A/B, Gramm	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3
Inhibitor, Tropfen (etwa 40 mg)	5	4	4	4	3	-	2
Füllstoff-Kugelgröße, Mikrometer	45–75*	45–75*	< 35**	< 35**	< 100**	< 100**	< 100**
Gewichts-% Ni im Füllstoff	100	100	27	27	10	10	10
Füllstoffbeladung, Gewichts-%	10	20	10	20	20	20	20
Leitfähigkeit	nein	nein	nein	nein	nein	nein	nein

*100% Nickel-Mikrokügelchen
** Ni-beschichtete keramische Mikrokügelchen

Beispiel 2.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von zusätzlichen Durchlaufen unter Verwendung von 100% Nickelmikrokügelchen. Die Formulierungen wurden zur Herstellung von Schaumstoffproben bis zu einer Dicke von 18 bis 40 mils (457 bis 1016 Mikrometern) gegossen.
Bei den Durchlaufen, die in Tabelle 2 gezeigt werden, wurde die Bildung von Füllstoffsäulen beobachtet; die Schäume waren jedoch nicht leitfähig. Die Durchlaufe 1–3 wurden ohne oberen Träger gegossen, was zu einer geringeren Qualität der Schäume führte. Die Analyse der Durchlaufe 4–13 zeigte, dass die ausgehärteten Schäume 40 bis 120 mils (1016 bis 3038 Mikrometer) dick waren und zwei oder mehr Zellen hatten, die die Dicke des Schaums (z-Richtung) überspannten.
Beispiel 3.

Dünnere Schäume wurden unter Verwendung von 100% Nickelkügelchen oder silberbeschichteten Nickelkügelchen hergestellt, beide mit oder ohne oberen Träger, wie angegeben. Die Vormischung wurde im Kühlschrank gekühlt. Die Ergebnisse werden in Tabelle 3A gezeigt. Tabelle 3A

Durchlauf Nr.	1a	1b	2a	2b	3a	3b	4a	4b
Magnetfeld, Gauß	500	500	250	250	250	250	250	250
Gießdicke, mil	5	5	5	5	5	5	10	10
Ofentemperatur, °C	55	55	55	55	50	50	50	50
Ofen-Verweildauer, min	5	5	5	5	5	5	5	5
Mit oberem Träger	nein	ja	nein	ja	nein	ja	nein	ja
Substrat	PET	PET	PET	PET	PET	PET	PET	PET
Si-Formulierung A/B, Gramm	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3	33/3,3
Inhibitor, Tropfen (etwa 40 mg)	4	4	4	4	4	4	4	4
Füllstoff-Kugelgröße, Mikrometer	45–75	45–75	45–75	45–75	45–75	45–75	75–90*	75–90*
Füllstoffbeladung, Gramm	48	48	48	48	48	48	48	48
Füllstoffsäulenbildung	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Dicke, mil	8	13	6	13,5	6	14	6	14
Dichte, PCF	72,3	35,4	97,7	34,2	102,5	34	93,5	35
Leitfähigkeit	nein	ja	nein	ja	n/t	n/t	ja	ja

* Silberbeschichtete Nickelkügelchen
n/t: nicht getestet

Wie an den Ergebnissen in Tabelle 3A zu erkennen ist, wurde die Bildung von Nickelsäulen in allen Durchläufen beobachtet. Die ausgehärteten Schäume hatten eine Dicke, die ungefähr gleich der einer einzelnen Zelle im Schaum ist (10 bis 15 mils (254 bis 381 Mikrometer)).
Schäume, die eine Dicke hatten, die ungefähr dem Durchmesser der Zellen über die Dicke des Schaums entsprachen (z-Richtung), waren leitfähig. Die Kombination von dünneren Schäumen und der Verwendung eines oberen Trägers führte durchgängig zu leitfähigen Schäumen guter Qualität.

Die Ergebnisse der Prüfung des spezifischen Widerstandes für die Durchläufe 1b, 2b und 4b von Tabelle 3A werden in Tabelle 3B gezeigt. Tabelle 3B

Durchlauf	Nickelkügelchen		Schaum		spez. Volumenwiderstand, Ohm-cm
	Größe, μm	Vol-%	Dicke, mil	Dichte, pcf	100 psi	200 psi	400 psi
1b	45–75	13	8	35	1,02	0,35	0,15
2b	45–75	13	14	34	9,44	0,67	0,23
4b	75–90*	13	6	35	0,04	0,01	0,01

*Silberbeschichtete Ni-Kügelchen

Für alle drei Durchläufe wurde eine gute Leitfähigkeit beobachtet. Durchlauf 1b und 4b zeigten einen besonders guten spezifischen Volumenwiderstand.
Beispiel 4–5.
In den Beispielen 4–5 wurden die folgenden Tests verwendet. Zum Messen des spezifischen Volumenwiderstandes war die Vorrichtung, die verwendet wurde, ein Stable Micro Systems (SMS) TA HD Plus Texture Analyser. Eine 50 kg-Lastzelle wurde zum Registrieren des Widerstandes des Materials während eines Kompressionstests verwendet. Die Proben (Durchmesser 1/2 inch) wurden über einen Zeitraum von 24 Stunden an die Bedingungen der Testumgebung angepasst, hier 50% relative Feuchte (% RH) bei einer Raumtemperatur von 23°C (70°F). Es wurde die Ohmmeter-Einstellung (2 oder 20 Ohm) gewählt, und das Ohmmeter wurde kalibriert, wenn eine Änderung in der Einstellung bestand. Die Rahmendurchbiegung wurde kalibriert und ein Vortest wurde bei einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/s durchgeführt, bis eine Vorlast von 10 g erreicht wird. Die Testgeschwindigkeit betrug 0,01 mm/s, bis eine Zielkraft von 9,00 kg erreicht wurde. Der Widerstand und die Kompressionsbelastung wurden bei steigender Verformung aufgezeichnet. Der spezifische Volumenwiderstand wurde auf der Basis der Widerstandsmessung und der Probenabmessungen berechnet. Die Berechnung des spezifischen Volumenwiderstandes erfolgt wie oben.
Der Modul, der sich in der Druckkraftdurchbiegung (CDF) zeigt, wurde durch ein Instron-Gerat unter Verwendung von 5 cm × 5 cm großen Stanzproben, die auf mindestens 0,6 cm (0,250 inch), normalerweise etwa 0,9 cm (0,375 inch) aufgestapelt sind, wobei zwei Stapel pro Fertigungslos oder Durchlauf verwendet werden, und eine 9090 kg-(20.000 Pounds)-Zelle bestimmt, die am Boden des Instron befestigt ist. CDF wurde durch Berechnen der Kraft in psi (pounds per square inch) gemessen, die nach ASTM D1056 zum Zusammendrücken der Probe auf 25% der ursprünglichen Dicke erforderlich ist.
Zugfestigkeit und -dehnung wurden unter Verwendung eines Instron, das mit einer 20 kg-(50 pounds)-Lastzelle ausgestattet ist, und je nach Dicke und Dichte unter Verwendung eines Bereichs von 4,5–9,0 kg gemessen. Die Zugfestigkeit wird als der Wert der Kraft in Kilogramm pro Quadratzentimeter (kg/cm²) beim Reißen, geteilt durch die Probendicke und multipliziert mit zwei, berechnet. Die Dehnung wird als prozentuale Verlängerung angegeben.
Beispiel 4.
Polyurethanschaum-Verbundmaterialien wurden mit dem folgenden Verfahren hergestellt.
Große Hauptmischungen wurden mit allen Komponenten, außer dem Isocyanat und den elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen, ausgewogen. Die Komponenten wurden bei niedriger Drehzahl mit einem hoch scherenden Rührer eine Minute lang gemischt. Es wurde darauf geachtet, dass keine Luft mitgerissen wurde. Das Mischen erfolgte mit einem Labtop-Luftmischer. Dieser Hauptmischung wurden kleinere Chargen entnommen und mit der gewünschten Menge an elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen kombiniert, so dass sich insgesamt 100 g ergaben. Diese Menge war in einem 250 ml-Becherglas enthalten. Je nach der Zieldichte wurden die kleineren Chargen gemischt und die entsprechende Menge an Isocyanat (ca. 15 ml) wurde hinzugefügt.
Für eine Dichte zwischen 50 und 60 pcf wurde ein scherendes Mischelement verwendet. Die Polyolmischung und der Füllstoff wurden 1 Minute lang gemischt, bevor Isocyanat hinzugefügt wurde, und weitere 1,5 Minuten nach dem Zusetzen des Isocyanats gemischt. Die Mixgeschwindigkeit war niedrig.
Für eine Dichte von etwa 40 pcf wurde das Schneebesen-Mischelement zum Schäumen verwendet. Die Polyolmischung wurde 3 Minuten lang gemischt, dann wurde das Isocyanat zugesetzt und das Mischen weitere 1,5 Minuten fortgesetzt. Die Mixgeschwindigkeit war niedrig bis mäßig.
Für Dichten von unter 40 pcf wurde ebenfalls das Schneebesen-Mischelement verwendet. Die Polyolmischung wurde 5 Minuten lang gemischt, dann wurde das Isocyanat zugesetzt und das Mischen weitere 1,5 Minuten fortgesetzt. Die Mixgeschwindigkeit war hoch.
Das Gießen wurde an einer Handzugstation mit einem Walzenspalt mit übereinander angeordneten Walzen, mit denen genaue Spalten eingehalten werden können. Der Spalt wurde auf der Basis der Trägerdicke und der Zieldichte eingestellt. Im Allgemeinen ergibt eine Spalteinstellung von 0,052 inch plus Trägerdicke eine Enddicke von 0,040 inch bei 40 pcf. Papierträger wurden vor dem Gießen in einem Ofen bei 100°C nicht kürzer als 15 Minuten getrocknet. Unmittelbar nach dem Hinzufügen des Isocyanats und dem Mischen wurde die Vorläufermischung auf den Träger gegossen, als der Träger durch den Walzenspalt gezogen wurde. Die Zuggeschwindigkeit war niedrig und konstant. Als die Polyolmischung gegossen und dann gezogen wurde, erschien ein halbmondförmiger Abschnitt am Beginn der sich ergebenden Probe.
Heizplatten wurden auf eine Temperatur von 320°F eingestellt. Der Magnet wurde auf eine Voltzahl von 3, die Amperezahl auf 6 eingestellt, was zu einer magnetischen Induktion von etwa 250 Gauß führt. Versuche wurden bei 4, 8 und 24 A durchgeführt. Eine Einstellung von 6 A schien zu elektrisch leitfähigen, magnetischen Kügelchen zu führen, die Säulen bilden, welche gerade hoch genug sind, um durch die Oberfläche des Schaums zu stoßen, wenn kein oberer Träger vorhanden war. Eine Einstellung von 24 A erzeugte einen Teilchenstapel, der etwa 3/8 inch hoch war, beträchtlich höher als die Dicke des Polymerschaums. Es wurden Teilchenstapel von bis zu 1 inch Höhe erzeugt.
Das Polieren, falls eingesetzt, erfolgte an einer Probengröße von 2 × 2 inches. Die Probe wurde unter Verwendung eines Magneten von 1 × 2 × 0,250 inch auf einen festen Schleifblock mit ebener Oberfläche gebracht. Proben wurden unter Verwendung einer Beuler Handi-Met 2-Walzenschleifmaschine mit einem kontinuierlichen Wasserfluss poliert, wodurch sichergestellt wird, dass die Sandpapieroberflache vollständig nass war, dabei wurde die folgenden Regeln verwendet: 6–8 Durchlaufe auf Sandpapier mit einer 320er Körnung; dann 6–8 Durchlaufe auf Sandpapier mit einer 400er Körnung, gefolgt von 8–10 Durchlaufen auf Papier mit einer 600er Körnung. Die Probe wurde dann unter Verwendung eines Papiertuchs trocken getupft, Proben wurden zum Testen zugeschnitten und dann bei 70°C 15 Minuten getrocknet.
Polyurethanschaum-Verbundmaterialien wurden unter Verwendung von nickelbeschichteten Edelstahlkügelchen hergestellt, die den in Tabelle 2 gezeigten Durchmesserbereich aufwiesen. Die Schaumverbundmaterialien wurden ohne oberen Träger gebildet, wenn nicht anders angegeben. Andere Behandlungsbedingungen und die Ergebnisse der Durchlaufe von Beispiel 4 werden in den Tabellen 4a und 4b gezeigt.
Die Durchläufe 1, 5, 8, 12, 13, 14, 15, 16, 17 ”b” im Vergleich zu ”a” zeigen die Verbesserung der Leitfähigkeit, die durch Polieren (Schleifen) der Oberfläche der Seite erreicht wurde, die an den Träger grenzt, d. h. die untere Oberfläche der Schicht. Wenn jedoch in einigen Fällen bereits die nicht polierte Probe eine gute Leitfähigkeit erreicht, ist der positive Effekt klein, mit anderen Worten, es wird in einigen Fällen eine gute Leistungsfähigkeit ohne Polieren erreicht. Polieren oder Schleifen können verwendet werden, um eine beständigere Leitfähigkeit zu erzeugen, wenn spezielle Bedingungen bei der Herstellung des Produktes schwierig zu steuern sind.
Durchlauf 1c verglichen mit 1b zeigt, dass die zusätzliche kleine Verbesserung, die durch Polieren oder Schleifen der oberen Oberfläche zusätzlich zur unteren Oberfläche erreicht werden kann.
Die Durchläufe 5c und 8c, verglichen mit 5b und 8b, zeigen die Ergebnisse des Kombinierens der Proben mit einem leitfähigen Klebstoff, die eine gute Leitfähigkeit erzeugen, die sich zur kommerziellen Verwendung als leitfähige Dichtung oder Abschirmung eignen.
Die Durchläufe 5d, 8d und 11b, verglichen mit 5a, 8a bzw. 11a, zeigen, dass das direkte Gießen auf eine Kupferfolie im gegebenen Zustand ohne weiteres Polieren oder eine andere Verarbeitung eine gute Leitfähigkeit ergibt und sich zur Verwendung als leitfähige Dichtung oder Abschirmung oder als Erdung oder Kontaktfeld eignet, besonders im Falle einer Kombination mit einem leitfähigen Klebstoff.
Durchlauf 11c zeigt, dass die Koronaentladung, mit der die untere (Träger) Oberfläche behandelt wird, zur Verbesserung der Leitfähigkeit im Vergleich zum Fall ohne Behandlung verwendet werden kann.
Die Durchläufe 1a, 2, 3, 6 und 10, verglichen mit ansonsten äquivalenten Proben, zeigen, dass in diesem Fall eine kleinere Teilchengröße (180 bis 212 Mikrometer) nicht so leitfähig ist wie die mit einer höheren Teilchengröße (212 bis 250 Mikrometer) bei diesen Dicken und Bedingungen.
Die Durchläufe 16a und 17a, verglichen mit 14a und 15a, zeigen, dass eine höhere Teilchengröße (250 bis 300 Mikrometer), verglichen mit einer Teilchengröße von 212 bis 250 Mikrometern, bei einem hohen Gaußwert eine schlechte Leitfähigkeit erzeugt. Damit wird nahe gelegt, dass es eine optimale Teilchengröße für jede gewünschte Dicke und den Bereich der Bedingungen, der gewünscht wird, gibt.
Die Durchläufe 18 und 19 zeigen, dass bei diesen Probenbedingungen die Verwendung eines oberen Trägers nicht die besten Ergebnisse ergibt. Die Verwendung eines oberen Trägers erzeugte in diesen Fällen jedoch einige der kompressibleren Proben, was für einige Anwendungen wünschenswert ist. Da diese Proben auch sehr dick waren, glaubt man, dass das Optimieren der Bedingungen mit einem oberen Träger, um hoch kompressibles Material niedriger Dichte, aber geringer Dicke zu erhalten, oder das Optimieren der Teilchengröße und anderer Parameter für größere Dicken gute Leitfähigkeitsergebnisse erzeugen.
Die Durchläufe 7b im Vergleich zu 7a zeigen, dass das Altern der geschäumten Probe vor der Einwirkung des Magnetfeldes eine schlechte Leitfähigkeit erzeugt. Das weist darauf hin, dass die leitfähigen und magnetischen Teilchen, die ein hohes spezifisches Gewicht besitzen, vor der Magnetfeldeinwirkung zur unteren Oberfläche absinken können und so unvollständige Teilchenstapel erzeugen.
Die Durchläufe 4, 5a, 7a, 8a, 9, 11a, 12a, 13a, 14a und 15a zeigen, dass für einen gegebenen Teilchengrößen bereich eine stärkere Beladung für eine bessere Leitfähigkeit sorgt, dass aber die Magnetfeldstärke, Schaumdichte und Dicke alle die endgültige Leitfähigkeit gegenüber der Kompressibilität beeinflussen und zum Ändern und Steuern der gewünschten Endeigenschaften verwendet werden können.
Beispiel 5
Polyurethanschaum-Verbundmaterialien wurden unter Verwendung von nickelbeschichteten Edelstahlkügelchen, die einen Durchmesserbereich haben, der für Beispiel 3 beobachtet wurde, hergestellt und weitere Sätze von Schäumen wurden formuliert und getestet, wie in Tabelle 5A gezeigt.
Der Füllstoff bestand aus 100% Ni-Mikrokügelchen oder silberbeschichteten Nickelkügelchen. Bei allen Durchläufen wurde ein oberer Träger aus PET verwendet. Ferner wurde bei allen Durchläufen die Vormischung im Kühlschrank gekühlt.

Die spezifischen Volumenwiderstände und andere Eigenschaften der Durchläufe 4–8 von Tabelle 5A werden weiter in Tabelle 5B illustriert. Tabelle 5B

Durchlauf	Nickelkügelchen		Schaum				spez. Vol. widerst. Ohm-m
	Größe μm	Vol-%	Dicke mil	Dichte pcf	CFD psi	Druckverformungsrest %	100 psi	200 psi	400 psi
4	45–75	8	23	24	n/t	n/t	16,6	7,7	1,1
5	45–75	13	24	32	n/t	n/t	17,2	3,1	1,4
6	75–150	8	32	24	1,0	2,8	1,3	0,1	0,04
7	75–150	13	31	31	3,9	1,7	4,6	0,2	0,05
8	75–90*	8	28	24	n/t	n/t	1,5	0,6	0,2

* Silberbeschichtete Nickelkügelchen CFD bei 25% Druckverformungsrest bei 100°C

Tabelle 5B zeigt, dass die Schäume gute Leitfähigkeitswerte bei 100, 200 und 400 psi (689, 1379 bzw. 2758 kPa) haben. Zum Beispiel einen spezifischen Volumenwiderstand von 1,3 und 0,04 Ohm-cm bei 100 bzw. 400 psi bei 8 Vol-% Füllstoff (44 Gewichts-%) für Versuch 9. Die Schäume zeigten andere günstige Eigenschaften, wie zum Beispiel Weichheit (CFD von 1–4 psi (700–2.800 kg/m²)) bei 25%, einen niedrigen Druckverformungsrest von 2–3% bei 100°C und niedrige Dichte (20–35 pcf). Tabelle 5A

Durchlauf Nr.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Magnetfeld, Gauß	250	250	250	250	250	250	250	250	250	250
Gießdicke, mil	8	8	8	8	8	8	8	8	8	8
Ofentemperatur, °C	70	70	70	70	70	70	70	70	70	70
Ofen-Verweildauer, min	5	4	4	4	4	4	4	4	4	4
Si-Formulierung A/B, Gramm	32/4	32/4	32/4	32/4	32/4	32/4	32/4	32/4	32/4	32/4
Inhibitor, Tropfen (etwa 40 mg)	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5
Füllstoff-Kugelgröße, Mikrometer	75–150	75–150	75–150	45–75	45–75	75–150	75–150	75–150	75–150	75–150
Füllstoffbeladung, Gramm	48	28	48	28	48	28	48	28	28	48
Füllstoffbeladung, Vol-%	13	8	13	8	13	8	13	8	8	13
Verhältnis Schaumdicke zu ⌀ Zellhöhe	1–1,5	1	1	1	1	1	1	1	1	1
Schaumdicke, mil	39	33	34	25	25	32	31	28	29	30
Schaumdichte, PCF	29	22,3	29,8	22,9	31,7	23,5	30,5	23,9	24,9	32,6
Leitfähigkeit	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja

* Silberbeschichtete Nickelkügelchen

Beispiel 6.
Zur Bildung eines Silikonschaums wurden Silikonharze (Dow Corning Silicone 8137), die Füllstoff-Mikrokügelchen, wie in Tabelle 3 angegeben, und Silikonaushärtungsinhibitor (1-octyn-3-ol von der Aldrich Chemical Co.) in einem Flaktek-speed-mixer gemischt, auf einen PET-Film kontrollierter Dicke gegossen und auf den Schaum wurde ein oberer Träger aufgebracht. Der Schaum wurde in einen Ofen gebracht und einem einstellbaren Magnetfeld ausgesetzt, um den Schaum auszuhärten. Die Proben wurden nicht mechanisch geschäumt. Außerdem setzte sich das Schäumen nach dem Anlegen des Magnetfeldes fort. Es wurden keine äußeren Schichten entfernt. Die Untersuchung jedes der Schäume zeigte, dass die Dicke des Schaums in etwa der durchschnittlichen Höhe der Zellen des Schaums entsprach.

Testergebnisse werden in Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6.

Durchlauf	Füllst.art	Füllst. größe	Magnet	Belad. in Festst.	Belad. in Festst.	⌀ Dicke	spez. Vol. widerst. (Ohnm-cm) bei				Verform. bei 60 psi
		μm	Gauß	Gew-%	Vol-%	mm	10 psi	20 psi	40 psi	60 psi	%
1	NiSS	150–180	1000	51	12	0,694	> 40	21,3	0,79	0,12	59
2	Ni	75–90	1000	66	18	0,75	> 40	> 40	> 40	37,1	56
3	NiSS	210–250	1000	47	10	0,891	> 40	> 40	4,9	0,31	60
4	AgNi	75–90	1000	63	16	0,55	> 40	> 40	16,36	2,78	60
5	NiSS	250–300	1000	51	12	1,04	> 40	5,9	0,01	< 0,01	63

Silberbeschichtete Nickelkügelchen

Wie aus Tabelle 6 zu erkennen ist, sind die spezifischen Volumenwiderstände, die bei 60 psi erhalten wurden, in den Durchlaufen der Tabellen 4a und 4b in vielen Fällen mit den spezifischen Volumenwiderständen vergleichbar, die bei 60 psi erhalten wurden, wenn die Dicke der Silikon-Verbundschicht auf den größten Durchmesser der Zellen in den Schäumen beschränkt wird. Außerdem haben bestimmte Zusammensetzungen, die in den Tabellen 4a und 4b gezeigt werden, ausgezeichnete Leitfähigkeiten bei niedrigeren Drücken, zum Beispiel 20 psi. Daher ermöglicht die Verwendung der Verfahren, die hierin beschrieben werden, die Herstellung von Polymerschaum-Verbundmaterialien mit einem breiteren Bereich von Eigenschaften, Dicken, vergleichbaren spezifischen Volumenwiderständen bei höheren Drücken und verbesserte spezifische Widerstände bei niedrigeren Drücken.
Beispiel 7
Es wurden auch dickere Schäume (25–40 mils) hergestellt, wie in Tabelle 7 gezeigt. Der Füllstoff, der verwendet wurde, bestand entweder aus 100% Nickelkügelchen oder nickelbeschichteten Stahlkügelchen, und diese waren im allgemeinen größer (75–150 Mikrometer, 100–150 Mikrometer, 150–177 Mikrometer, oder 177–200 Mikrometer). Die Füllstoffbeladung betrug 8, 12 und 14 Volumenprozent (in der Tabelle sind keine Proben mit 13% zu sehen). Die Formulierungen wurden so auf eine erste PET-Trennschicht gegossen, dass eine Dicke von 7 mils erreicht wird, und darauf wurde eine obere PET-Trägerschicht gebracht. Sie wurden einem Magnetfeld der angegebenen Stärke und Dauer ausgesetzt, während sie bei 70°C aufgeschäumt und ausgehärtet wurden, wie in Tabelle 7 angegeben.
Die Ergebnisse in Tabelle 7 zeigen, dass eine gute Leitfähigkeit erreicht wurde. Die Schäume, die erzeugt wurden, besitzen eine gute Schaumqualität und Leitfähigkeit.
Die Begriffe ”erster”, ”zweiter” und dergleichen, wie hierin verwendet, bezeichnen keine Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element vom anderen zu unterscheiden. Der Begriff ”ein” bezeichnet keine Beschränkung der Menge, sondern bezeichnet vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem der genannten Punkte. Der Modifikator ”etwa”, der in Verbindung mit einer Größe verwendet wird, enthält auch den angegebenen Wert und hat die Bedeutung, die durch den Kontext vorgegeben wird (schließt z. B. das Maß des Fehlers ein, der mit der Messung der speziellen Größe verbunden ist). Alle Bereiche, die in dieser Schrift offenbart sind und sich auf dieselbe Messung oder Menge beziehen, enthalten den angegeben Endpunkt und können unabhängig voneinander kombiniert werden. Alle Referenzen werden hierin durch Verweis in Gänze aufgenommen.
Obwohl die Erfindung mit Verweis auf eine als Beispiel dienende Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich bei den Fachleuten auf diesem Gebiet, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente für Elemente derselben eingesetzt werden können, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifizierungen zur Anpassung einer besonderen Situation oder eines Materials an die Lehren der Erfindung vorgenommen werden, ohne vom wesentlichen Geltungsbereich derselben abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als beste Art offenbart wird, welche zum Ausführen dieser Erfindung bestimmt ist.
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

- US 5733945 [0066]
- US 6559196 [0066]
- US 7338983 [0066]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ASTM 1056 [0124]
- ASTM D1056 [0128]
- ASTM D1056 [0145]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaumverbundmaterials, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines Objektes, das eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, aus einer Vorläuferzusammensetzung, wobei die Vorläuferzusammensetzung folgendes umfasst: eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung, und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen umfasst; Schäumen der Vorläuferzusammensetzung zum Bilden mehrerer Zellen in der Vorläuferzusammensetzung; Anlegen eines Magnetfelds an die geschäumte Vorläuferzusammensetzung, wobei das Magnetfeld von einer Stärke ist und für eine Dauer angelegt ist, die beim Ausrichten der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüber liegenden zweiten Oberfläche des Objektes wirksam sind; und Erstarrenlassen der Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung, um das Polymerschaumverbundmaterial bereitzustellen, das eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pounds per cubic foot (pcf) und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 pounds per square inch (psi) hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schäumen im Wesentlichen vor dem Anlegen des Magnetfeldes abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, wobei das Schäumen vor dem Formen des Objektes durch mechanisches Schäumen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Erstarrenlassen nach dem Ausrichten der elektrisch leitfähigen Metallteilchen zu gegeneinander isolierten Ketten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, das ferner das Entfernen einer Menge der ersten und/oder zweiten Oberfläche des erstarrten Schaums umfasst, das ausreicht, um die Enden der der gegeneinander isolierten Ketten zumindest teilweise freizulegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Objekt eine Schicht ist und das Bilden des Objektes das Gießen der Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung auf einen ersten Träger umfasst, wobei die erste Oberfläche auf und in Kontakt mit dem ersten Träger angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, das ferner das Entfernen einer Menge der ersten Oberfläche des erstarrten Schaums umfasst, das ausreicht, um die Enden der gegeneinander isolierten Ketten zumindest teilweise freizulegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, das ferner das Anordnen eines zweiten Trägers auf der zweiten Oberfläche der Schicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, das ferner das Entfernen einer Menge der ersten und zweiten Oberfläche des erstarrten Schaums umfasst, das ausreicht, um die Enden der gegeneinander isolierten Ketten zumindest teilweise freizulegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6, wobei der erste Träger elektrisch leitfähig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6, wobei der erste Träger magnetisch, oder magnetisch und elektrisch leitfähig ist.
Polymerschaumverbundmaterial, das nach dem Verfahren von einem der Ansprüche 1–12 hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaumverbundmaterials, wobei das Verfahren umfasst: mechanisches Schäumen einer Vorläuferzusammensetzung zur Bildung mehrerer Zellen in der Vorläuferzusammensetzung, wobei die Vorläuferzusammensetzung folgendes umfasst: eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung, und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen umfasst; Bilden eines Objektes, das eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, aus der mechanisch geschäumten Vorläuferzusammensetzung; Anlegen eines Magnetfeldes von einer Stärke und für eine Dauer, die wirksam sind, um die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Objektes auszurichten, wobei das Schäumen im wesentlichen vor der vollständigen Ausrichtung der magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen abgeschlossen ist; und Aushärten der Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung, um das Polymerschaumverbundmaterial bereitzustellen, das eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Verfahren zur Herstellung eines Polymerschaumverbundmaterials, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines Objektes, das eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, aus einer Vorläuferzusammensetzung, wobei die Vorläuferzusammensetzung eine Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung umfasst, und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen umfasst; Schäumen der Vorläuferzusammensetzung zum Bilden mehrerer Zellen in der Vorläuferzusammensetzung; Anlegen eines Magnetfelds an die geschäumte Vorläuferzusammensetzung, wobei das Magnetfeld von einer Stärke ist und für eine Dauer angelegt ist, die beim Ausrichten der elektrisch leitfähigen, magnetischen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüber liegenden zweiten Oberfläche des Objektes wirksam sind; und Erstarrenlassen der Polymerschaum-Vorläuferzusammensetzung; und Entfernen einer Menge der ersten und/oder zweiten Oberfläche des erstarrten Schaums, die ausreicht, um die Enden der der gegeneinander isolierten Ketten zumindest teilweise freizulegen, um das Polymerschaumverbundmaterial bereitzustellen, das das eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf und einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Verfahren zur Herstellung eines Polyurethanschaum-Verbundmaterials, umfassend: das mechanische Schäumen einer Vorläuferzusammensetzung, die eine Polyisocyanat-Komponente, eine aktive wasserstoffhaltig Komponente, die mit der Polyisocyanat-Komponente reaktiv ist, einen grenzflächenaktiven Stoff, einen Katalysator und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält, umfasst, um Zellen zu bilden; Gießen der geschäumten Vorläuferzusammensetzung, um eine Schicht zu bilden, die eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat; Einwirkenlassen eines Magnetfeldes auf die Schicht, um die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten auszurichten, die im wesentlichen durchgängig die Schicht zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche überspannen, wobei das Schäumen im wesentlichen vor dem Anlegen des Magnetfeldes abgeschlossen ist; und Aushärten der Schicht, um das Polyurethanschaum-Verbundmaterial zu erzeugen, das einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat, und wobei der Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche mehr als 1,5 mal so groß wie der durchschnittliche Durchmesser der Zellen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Silikonschaums, umfassend: Gießen einer Mischung, die ein Polysiloxanpolymer, das Hydridsubstituenten hat, einen Katalysator und eine Füllstoffzusammensetzung, die mehrere magnetische, elektrisch leitfähige Teilchen enthält, umfasst zum Bilden einer Schicht, die eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat; Schäumen der Mischung; Aushärten der Mischung in einem angelegten Magnetfeld, um die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen zu gegeneinander isolierten Ketten auszurichten, die den Schaum zwischen einer ersten Oberfläche und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche des Schaums im Wesentlichen kontinierlich überspannen; und Entfernen einer Menge der ersten und/oder zweiten Oberfläche des ausgehärteten Schaums, die ausreicht, um die Enden der gegeneinander isolierten Ketten zumindest teilweise freizulegen, um das Silikonschaum-verbundmaterial herzustellen, das das einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–16, wobei die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis sind und die gegeneinander isolierten Säulen die Schicht zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche im wesentlichen kontinuierlich überspannen.
Polymerschaumstoffschicht, umfassend einen Polymerschaum, der eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche hat, und elektrisch leitfähige, magnetische Teilchen, die zu gegeneinander isolierten Ketten zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Schaums ausgerichtet sind; wobei der Schaum eine Dichte von etwa 1 bis etwa 125 pcf hat; einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10^–3 Ohm-cm bis etwa 10³ Ohm-cm bei einem Druck von 60 psi hat.
Polymerschaumverbundmaterial nach Anspruch 18, wobei die Zellen einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen etwa 65 und etwa 1000 Mikrometern haben.
Polymerschaumverbundmaterial nach einem der Ansprüche 18–19, wobei die Enden der gegeneinander isolierten Ketten an der ersten und zweiten Oberfläche zumindest teilweise freiliegen.
Polymerschaumverbundmaterial nach einem der Ansprüche 18–20, wobei das Polymerschaumverbundmaterial eine elektrisch leitfähige Schicht hat, die auf und in Kontakt mit der ersten Oberfläche derselben angeordnet ist.
Polymerschaumverbundmaterial nach einem der Ansprüche 18–22, wobei die magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis sind und die gegeneinander isolierten Säulen die Schicht zwischen der ersten Oberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche im Wesentlichen kontinuierlich überspannen.
Polymerschaumverbundmaterial nach Anspruch 22, wobei die Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis ein Verhältnis von Länge zu Breite von etwa 2 bis etwa 100 haben.
Polymerschaumverbundmaterial nach einem der Ansprüche 22–23, wobei jede der gegeneinander isolierten Säulen aus einer isolierten Kette von 1 bis 5 magnetischen, elektrisch leitfähigen Teilchen mit hohem Schlankheitsverhältnis aufweist.