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Die Erfindung betrifft einen Polymerwerkstoff, dem ein elektrisch leitfähiger Zusatz beigemischt ist. Ein derartiger Polymerwerkstoff wird für viele technische Anwendungen benutzt, insbesondere bei Schläuchen und mehrschichtigen Stoffbahnen zur Bildung von flexiblen Behältern, Planen, Schutzanzügen und dergleichen, wobei beispielsweise auf folgende Patentliteratur verwiesen wird:
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In der Offenlegungsschrift
WO 2009/003853 A2 wird im Rahmen einer neueren Entwicklung ein Dehnungs-Sensor als integriertes Bauteil eines elastischen Artikels vorgestellt, der einen Polymerwerkstoff umfasst, der mit einem elektrisch leitfähigen Zusatz versehen ist. Der Dehnungs-Sensor wirkt derart, dass er statische und dynamische Dehnungen des Artikels in Relation zu den wirkenden Kräften misst und zudem Veränderungen des Polymerwerkstoffes aufgrund der statischen und dynamischen Dehnungen des Artikels über die Zeit verfolgt. Der polymere Dehnungs-Sensor kann Bauteil sein:
- – eines Schlauches (Kraftfahrzeugschlauch, Schwimmschlauch etc.);
- – eines Luftfederbalges (Axialbalg, Kreuzlagenbalg) oder Kompensators;
- – eines Antriebsriemens (Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen, Zahnriemen);
- – eines Fördergurtes (Textilgurt, Stahlseilgurt) und einer Fördergurtverbindung;
- – eines Reifens;
- – eines Stoffes, insbesondere eines Behälterstoffes;
- – einer Innenraumverkleidung, insbesondere eines Airbag-Systems.
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Bisheriger Einsatzschwerpunkt ist dabei der Luftfederbalg.
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Darüber hinaus wird das Thema
"Zusatzstoffe für Kunststoffe", betreffend Antistatika in Plastverarbeiter 28. Jahrgang 1977, Nr. 5, Seite 247 beschrieben.
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Als elektrisch leitfähige Zusätze kommen insbesondere zur Anwendung:
- – Rußpartikel
- – Kohlefasern
- – Nanotubes (NT), insbesondere Carbon-Nanotubes (CNT)
- – Metallpartikel
- – Metallfasern
- – Leitfähige Polymere, beispielsweise ein Polyethylenglykolester oder ein Polyethylenglykolcarbonsäureester
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Von zunehmender Bedeutung sind elektrisch leitfähige Zusätze in Form von NT, insbesondere CNT, wobei diesbezüglich insbesondere auf folgenden Stand der Technik verwiesen wird:
US 7 338 648 B2 Recent Patents an Nanotechnology 2007, I, Seiten 59 bis 65 Römpp Online, Version 3.5, 2009, Georg Thieme Verlag -
Die bislang meisten Untersuchungen betreffen den Werkstoff Gummi (Elastomer), basierend auf einer vulkanisierten thermoplastfreien Kautschukmischung, verbunden bislang mit einer eingeschränkt erzielbaren Leitfähigkeit. Hauptgrund hierfür ist, dass man nur schwer Kontakt zwischen den Zusätzen im Gummi erzeugen kann, um so durchgehende Leitungspfade zu ermöglichen. Zumeist verbleibt Kautschuk zwischen den einzelnen leitfähigen Domänen, was die gesamt erreichbare Leitfähigkeit stark einschränkt. Dies kann man jedoch nur durch sehr hohe Füllgrade an leitfähigem Zusatz umgehen, was wiederum sehr stark die eigentlichen Gummieigenschaften verändert und oft zu technisch nicht mehr nutzbaren, beispielsweise zu harten oder zu wenig elastischen Rezepturen führt.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 014 988 A1 wird im Rahmen einer weiteren neuen Entwicklung ein „Full-Ohm”-Schlauch mit Einsatz als Chemikalienschlauch, Treibstoffschlauch, Lebensmittelschlauch und Pharmaschlauch beschrieben. Der Schlauch besteht dabei wenigsten aus:
- – einer Innenschicht (Inliner) aus Kunststoff, der beständig gegenüber dem fördernden Medium ist, insbesondere in Form einer PTFE-Folie;
- – einer oder mehreren elastomeren Zwischenschicht/en, wobei eine Zwischenschicht in direkter Verbindung mit der Innenschicht steht;
- – einer oder mehreren eingebetteten Festigkeitsträgerschicht/en sowie
- – einer abriebfesten elastomeren Außenschicht.
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Die Innenschicht besteht dabei aus einem elektrisch leitfähigen oder elektrisch leitfähig einstellbaren Kunststoff durch Einmischung eines elektrisch leitfähigen Zusatzes. Die Schwierigkeit liegt dabei in der bevorzugten Folienbildung in einer Stärke von 0,01 mm bis 3 mm. Die Folienbildung wird erschwert, wenn der leitfähige Zusatz in zu hohen Mengen eingesetzt wird. Zusätzlich werden die elastomere/n Zwischenschichten und die elastomere Außenschicht mit elektrisch leitfähigen Zusätzen im Rahmen der bereits oben erwähnten Kautschukmischungsherstellung versehen, und zwar unter Ausbildung des „Full-Ohm”-Schlauches.
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Die Herstellung elektrisch leitfähiger Thermoplaste, insbesondere in Form dünner Folien, bildet ein neueres Entwicklungsgebiet, das noch nicht abgeschlossen ist.
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Hinzu kommt, dass die elektrisch leitfähigen Zusätze innerhalb eines Polymerwerkstoffes in isotroper Form vorliegen. Dies bedeutet, dass nach allen Richtungen des Raumes hin der Polymerwerkstoff die gleichen physikalischen Eigenschaften, hier in Form der elektrischen Leitfähigkeit, aufweist, was für viele Einsatzbereiche keine Voraussetzung für eine wirkungsvolle elektrische Leitfähigkeit bietet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Polymerwerkstoff bereitzustellen, der sich durch eine einstellbare, richtungsabhängige elektrische Leitfähigkeit auszeichnet.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der elektrisch leitfähige Zusatz in Form von Nanotubes vorliegt, die mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes und/oder mittels Untraschall innerhalb des Polymerwerkstoffes in eine einheitliche Richtung ausgerichtet sind.
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Die Erfindung nutzt die besonderen Eigenschaften der Nanotubes (NT). Sie leiten elektrischen Strom ausschließlich in ihrer Längsrichtung. Der Leitwert einer Einzelröhre beträgt etwa 155 μS und ist aufgrund quantenmechanischer Effekte unabhängig von der Länge. Wenn der Abstand zwischen zwei benachbarten NT hinreichend klein ist, können Elektronen des elektrischen Stroms diese Distanz aufgrund des Tunneleffektes überwinden.
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Als NT kommen insbesondere Carbon-Nanotubes (CNT) zum Einsatz.
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Die richtungsabhängige Ausrichtung der NT bzw. CNT erfolgt insbesondere mittels eines elektrischen oder magnetischen Feldes in Kombination mit der Ultraschalltechnologie.
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Hinsichtlich des Polymerwerkstoffes kommen insbesondere folgende Werkstoffvarianten zur Anwendung:
- – Variante A
Der Polymerwerkstoff ist eine vulkanisierte thermoplastfreie Kautschukmischung (Elastomer), enthaltend:
a) wenigstens eine Kautschukkomponente;
b) die ausgerichteten NT, insbesondere CNT; sowie
c) weitere Mischungsingredienzien
Als Kautschukkomponenten sind insbesondere zu nennen:
Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM)
Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)
Nitrilkautschuk (NBR)
(teil)hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR)
Fluor-Kautschuk (FKM)
Chloropren-Kautschuk (CR)
Naturkautschuk (NR)
Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)
Isopren-Kautschuk (IR)
Butylkautschuk (IIR)
Brombutylkautschuk (BIIR)
Chlorbutylkautschuk (CIIR)
Butadien-Kautschuk (BR)
Chloriertes Polyethylen (CM)
Chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM)
Polyepichlorhydrin (ECO)
Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk (EVA)
Acrylat-Kautschuk (ACM)
Ethylen-Acrylat-Kautschuk (AEM)
Silikonkautschuk (MQ, VMQ, PVMQ, FVMQ; DE 10 2006 058 470 A1 )
Fluorierter Methylsilikonkautschuk (MFQ)
Perfluorinierter Propylen-Kautschuk (FFPM)
Perfluorcarbon-Kautschuk (FFKM)
Polyurethan (PU)
Die vorgenannten Kautschuktypen können unverschnitten sein. Auch der Einsatz eines Verschnittes, insbesondere in Verbindung mit einem der vorgenannten Kautschuktypen, beispielsweise ein NR/BR-Verschnitt oder ein BR/SBR-Verschnitt, ist möglich.
Von besonderer Bedeutung sind: EPM, EPDM, SBR, BR, CR, NR, NBR, HNBR, FKM, ACM oder AEM.
Der Kautschukmischung ist der elektrisch leitfähige Zusatz in Form von NT bzw. CNT beigemischt, und zwar in einer Menge von 50 phr bis 200 phr, insbesondere von 100 phr bis 200 phr, insbesondere wiederum von 150 phr bis 200 phr.
Die weiteren üblichen Mischungsingredienzien umfassen wenigstens einen Vernetzer oder ein Vernetzersystem (Vernetzungsmittel und Beschleuniger). Zusätzliche Mischungsingredienzien sind zumeist noch ein Füllstoff und/oder ein Verarbeitungshilfsmittel und/oder ein Weichmacher und/oder ein Alterungsschutzmittel sowie gegebenenfalls weitere Zusatzstoff (z. B. Farbpigmente, Verstärkungsfasern). Diesbezüglich wird auf den allgemeinen Stand der Kautschukmischungstechnologie verwiesen.
- – Variante B
Der polymere Werkstoff ist ein thermoplastisches Vulkanisat (thermoplastisches Elastomer, Kurzbezeichnung TPE), enthaltend:
a) wenigstens eine Thermoplastkomponente;
b) wenigstens eine Kautschukkomponente, die zumindest teilvernetzt ist;
c) die ausgerichteten NT, insbesondere CNT; sowie
d) weitere Mischungsingredienzien.
Die bevorzugten Thermoplastkomponenten sind ein:
Polyolefin, insbesondere Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP);
Polystyrol;
Polyamid (PA), beispielsweise PA6 oder PA6.6;
Polyester (PES).
Als Kautschukkomponenten sind insbesondere EPM, EPDM, SBR, CR, NR, NBR, FKM, ACM oder AEM zu nennen, die insbesondere mit keiner weiteren Kautschukkomponente verschnitten sind.
Der Mengenanteil an NT bzw. CNT beträgt 3 Gew.-% bis 30 Gew.-%, insbesondere 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere. wiederum 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%.
Hinsichtlich der weiteren üblichen Mischungsingredienzien wird auf die Mischungstechnologie zu der Variante A, insbesondere auf die Lehre gemäß der Offenlegungsschrift DE 100 04 632 A1 verwiesen.
- – Variante C
Der Polymerwerkstoff ist ein thermoplastischer Kunststoff (Thermoplast), enthaltend:
a) wenigstens eine Thermoplastkomponente;
b) die ausgerichteten NT, insbesondere CNT; sowie
c) gegebenenfalls weitere Mischungsingredienzien.
Die bevorzugten Thermoplastkomponenten sind ein:
Polyolefin, insbesondere Polyethlen (PE) oder Polypropylen (PP);
Polyamid (PA), beispielsweise PA6 oder PA6.6;
Fluorkunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE).
Die NT bzw. CNT sind in einer Menge von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere von 2 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere wiederum von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-%, beigemischt. Im Hinblick auf die Herstellung einer Folie, insbesondere einer PTFE-Folie, bei einer Stärke von 0,01 mm bis 3 mm sind 2 Gew.-% bis 5 Gew.-% ausreichend, insbesondere unter dem Aspekt der Verarbeitbarkeit.
Die weiteren Mischungsingredienzien können beispielsweise Farbpigmente und/oder Verstärkungsfasern sein.
- – Variante D
Der Polymerwerkstoff ist aus einem ausreagierten (vernetzten) ein- oder mehrkomponentigen Reaktionsgemisch gebildet, dem die ausgerichteten NT bzw. CNT sowie gegebenenfalls weitere Füllstoffe beigemischt sind. Der Polymerwerkstoff ist dabei insbesondere aus einem Isocyanat mit wenigstens zwei NCO-Gruppen und Wasser und/oder einem Diol und/oder einem Polyol gebildet. In Bezug auf die kleinsten Isocyanatbausteine (Monomere) sind insbesondere folgende Gruppen zu erwähnen:
Das Isocyanat weist eine aliphatische Gerüststruktur auf, wobei die Kohlenstoffanzahl 4 bis 12 beträgt. Zu nennen sind hier insbesondere Tetramethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat (HDI), Dodecamethylendiisocyanat, 1,4-Diisocyanatocyclohexan und Isophorondiisocyanat (IPPD). Von besonderer Bedeutung ist HDI.
Das Isocyanat weist eine aliphatisch-aromatische Gerüststruktur auf. Zu nennen ist hier insbesondere Diphenylmethandiisocyanat (MDI).
Da die oben genannten Isocyanate leicht flüchtig und somit schwer verarbeitbar sowie zudem toxisch sind, liegt das Isocyanat in einer höhermolekularen Form von. Von besonderer Bedeutung sind dabei folgende Gruppen, nämlich das Trimer mit symmetrischer oder asymmetrischer Konstitution, das Biuret oder das Urethdion. In der folgenden Übersicht sind die bevorzugten Isocyanat-Typen auf der Basis von HDI und ihre Handelsbezeichnungen der Firma Bayer AG aufgeführt:
HDI Biuret (Desmodur N100)
HDI Trimer (Desmodur N3600)
HDI Trimer (Desmodur N3300)
HDI Urethdion (Desmodur N3400)
HDI Trimer Asymmetrisch (Desmodur X02410)
Das Isocyanat der oben genannten Art kann mit Wasser im Rahmen einer Ein-Komponenten-Reaktion (1K-Reaktion) zu einem Polyharnstoff reagieren, das sich durch beständige Eigenschaften, beispielsweise Abriebsfestigkeit und thermische Beständigkeit, auszeichnet. Das Wasser als Reaktionspartner stammt zumeist aus der Umgebungsfeuchtigkeit. Auch der Einsatz von Wasserdampf ist möglich.
Auch die Reaktion mit einem Diol und/oder Polyol im Rahmen einer zwei- oder mehrkomponentigen Reaktion zu einem Polyurethan ist bekannt. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Reaktion mit 1,6-Hexandiol.
In der Offenlegungsschrift EP 2 101 079 A2 wird eine neuere Entwicklung vorgestellt, wobei das Isocyanat mit Wasser und mit geringen Mengen an einem Diol und/oder Polyol reagiert, und zwar zu einem Polymergebilde mit Harnstoff- und Urethan-Gruppen. Ein derartiges Polymerisat zeichnet sich durch eine besonders hohe Werkstoffbeständigkeit aus.
Die NT bzw. CNT sind in einer Menge von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere von 10 Gew.-% bis 35 Gew.-%, insbesondere wiederum von 15 Gew.-% bis 30 Gew.-%, beigemischt.
Dem Polymerisat kann noch ein Füllstoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) zur Erhöhung der Medienbeständigkeit, insbesondere der Ölbeständigkeit, beigemischt sein.
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Die in Verbindung mit den Werkstoffvarianten B, C und D angegebenen Mengenangaben in Gew.-% beziehen sich auf den einsatzfähigen Polymerwerkstoff mit den ausgerichteten NT und CNT.
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Die oben vorgestellten vier Werkstoffvarianten finden eine vielfältige Artikelanwendung, wobei insbesondere auf die in der Beschreibungseinleitung vorgestellten Artikel verwiesen wird. Von besonderer Bedeutung ist der Dehnungs-Sensor gemäß
WO 2009/003853 A2 sowie die elektrische Verbindung von Leiterplatten, insbesondere in Verbindung mit der Werkstoffvariante A.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht ferner in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Polymerwerkstoffes, insbesondere eines Polymerwerkstoffes nach einer der oben vorgestellten Werkstoffvarianten A, B, C oder D, bei dem sich eine einstellbare, richtungsabhängige elektrische Leitfähigkeit einfach und wirtschaftlich realisieren lässt.
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Gelöst wird diese verfahrenstechnische Aufgabe nach einer ersten Verfahrensvariante I durch wenigstens folgende Verfahrensschritte:
- – in eine Polymermischung, die mit einem Lösungsmittel verdünnt ist, wird der elektrisch leitfähige Zusatz in Form von Nanotubes beigemischt (Verfahrensschritt Ia);
- – die Nanotubes werden in der Polymermischung während des Verdunstens des Lösungsmittels mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes und/oder mittels Ultraschall derart ausgerichtet, dass die elektrische Leitfähigkeit der Nanotubes innerhalb der Polymermischung in eine einheitliche Richtung wirkt (Verfahrensschritt Ib);
- – die Polymermischung wird nach einer Trocknungszeit zum einsatzfähigen Polymerwerkstoff mit der gerichteten elektrischen Leitfähigkeit der Nanotubes endbearbeitet (Verfahrensschritt Ic).
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Als Nanotubes werden insbesondere Carbon-Nanotubes eingesetzt, auf die im Folgenden Bezug genommen wird.
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Die einzelnen Verfahrensschritte unter Einbezug sonstiger vorteilhafter Maßnahmen werden nun näher erläutert.
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Verfahrensschritt Ia
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Die Polymermischung (Rohmischung) richtet sich nach den zum Einsatz kommenden Werkstoffvarianten. Diese ist bei den Varianten A, B und C:
- – Variante A: eine vulkanisierbare thermoplastfreie Kautschukmischung;
- – Variante B: eine teilvernetzbare thermoplastische Kautschukmischung;
- – Variante C: eine thermoplastische Mischung.
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Die jeweilige Polymermischung wird mit einem Lösungsmittel, insbesondere mit Toluol und/oder Xylol, verdünnt, wobei die CNT eingemischt sind, und zwar möglichst gleichmäßig verteilt.
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Bei der Herstellung der Werkstoffvarianten B und C werden die CNT innerhalb der Suspension in einer solchen Menge in Gew.-% eingemischt, dass der fertig gestellte Polymerwerkstoff die in Verbindung mit diesen beiden Werkstoffvarianten bereits erwähnten vorteilhaften Mengen an CNT enthält, wobei diesbezüglich auch auf die Ansprüche 9 (Werkstoffvariante B) bzw. 12 (Werkstoffvariante C) verwiesen wird.
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Verfahrensschritt Ib
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Die CNT werden in der Polymermischung der Varianten A, B oder C während des Verdunstens des Lösungsmittels mittels eines elektrischen oder magnetischen Feldes ausgerichtet, insbesondere mit Unterstützung der Ultraschalltechnologie, was in Verbindung mit der Figurenbeschreibung noch näher vorgestellt wird.
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Verfahrensschritt Ic
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Die Endbearbeitung schließt ein Trocknen der Polymermischung ein. Die Trocknungszeit beträgt wenigstens 1 Stunde, insbesondere wenigstens 24 Stunden, vorzugsweise bei Raumtemperatur. Bei den Werkstoffvarianten A und B schließt sich nach der Trocknung eine Vulkanisation an, insbesondere unter folgenden Bedingungen:
- – Vulkanisationszeit: wenigstens 10 Minuten, insbesondere wenigstens 20 Minuten;
- – Vulkanisationstemperatur: 130°C bis 200°C, insbesondere 180°C.
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Bei der Werkstoffvariante C ist dies eine Austrocknung, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Wärmebehandlung unter dem Aspekt der thermoplastischen Verarbeitbarkeit.
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Nach dieser Endbearbeitung steht ein einsatzfähiger Polymerwerkstoff für unterschiedliche Anwendungsbereiche vor.
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Gelöst wird diese verfahrenstechnische Aufgabe ferner nach einer zweiten Verfahrensvariante II durch wenigstens folgende Verfahrenschritte:
- – zunächst wird eine Suspension gebildet, die wenigstens aus einem Lösungsmittel, einem ein- oder mehrkomponentigen Reaktionsgemisch und dem elektrisch leitfähigen Zusatz in Form von Nanotubes besteht (Verfahrensschritt IIa);
- – unter Verdunsten des Lösungsmittels bei Bildung einer Suspension mit sich verändernden Konzentrationsstufen findet eine zunehmende Reaktion des ein- oder mehrkomponentigen Reaktionsgemisches statt, wobei sich nach dem Verdunsten des Lösungsmittels eine noch flexibel verformbare Polymermasse bildet (Verfahrensschritt IIb);
- – die Nanotubes werden während der Reaktion des ein- oder mehrkomponentigen Reaktionsgemisches und/oder während des Zustands der noch flexibel verformbaren Polymermasse mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes und/oder mittels Ultraschall derart ausgerichtet, dass die elektrische Leitfähigkeit der Nanotubes innerhalb der Polymermasse in eine einheitliche Richtung wirkt (Verfahrensschritt IIc);
- – die Polymermasse wird nach einer Trocknungszeit zum einsatzfähigen Polymerwerkstoff mit der gerichteten elektrischen Leitfähigkeit der Nanotubes endbearbeitet (Verfahrensschritt IId).
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Im Folgenden werden wiederum die einzelnen Verfahrensschritte unter Einbezug vorteilhafter Maßnahmen, unter anderem unter Verwendung der bevorzugten CNT, erläutert.
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Verfahrensschritt IIa
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Das Lösungsmittel (Dispergiermittel) der Suspension (Dispersion) ist insbesondere Toluol und/oder Xylol. Die Suspension enthält als Reaktionspartner insbesondere ein Isocyanat mit zwei NCO-Gruppen. Dieses Isocyanat liegt dabei insbesondere wiederum in einer höher molekularen Form vor, beispielsweise als HDI Biuret. Der Reaktionspartner ist Wasser und/oder ein Diol und/oder ein Polyol. Eine besondere Bedeutung hat dabei die Reaktion mit Wasser (Hauptreaktionspartner) in Gegenwart geringer Mengen eines Diols und/oder Polyols, beispielsweise von 1,6-Hexandiol, erlangt. Das Diol und/oder Polyol liegt dabei in der Suspension vorzugsweise in einer Menge von ≤ 5 Gew.-% vor.
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In Bezug auf die Suspension liegt das Isocyanat in einer Menge von 20 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere 30 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere wiederum 35 Gew.-% bis 45 Gew.-%, vor.
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Bei der Herstellung der Werkstoffvariante D werden die CNT innerhalb der Suspension in einer solchen Menge in Gew.-% eingemischt, dass der fertig gestellte Polymerwerkstoff die in Verbindung mit dieser Werkstoffvariante erwähnte vorteilhafte Menge an CNT enthält, wobei diesbezüglich auch auf den Anspruch 15 (Werkstoffvariante D) verwiesen wird.
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Die Suspension kann zusätzlich einen Füllstoff, beispielsweise das ölbeständige PTFE, enthalten. Der Füllstoffanteil, insbesondere in Pulverform, beträgt in Bezug auf die Suspension 5 Gew.-% bis 30 Gew.-%, insbesondere 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%.
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In der folgenden Tabelle sind vier Suspensionsvarianten α bis δ in Gew.-% als Versuchsbeispiele angegeben.
| Bestandteile | α | β | γ | δ |
| HDI Biuret (Desmodur N100) | 40 | 40 | 40 | 40 |
| CNT | 25 | 25 | 20 | 20 |
| Toluol | 35 | 30 | 30 | 25 |
| 1,6-Hexandiol | - | 5 | - | 5 |
| PTFE Pulver | - | - | 10 | 10 |
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Während der Suspensionsbildung, beispielsweise in einem Innenmischer, kann bei den Versuchsbeispielen β und δ bereits ein Teil des 1,6-Hexandiols mit dem HDI-Biuret reagieren. Zumeist erfolgt jedoch eine diesbezügliche Reaktion erst im Rahmen der weiteren Verfahrensschritte.
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Die hier angegebenen Mengenangaben beziehen sich auf den Ausgangszustand der Suspension, und zwar im Rahmen deren Herstellung.
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Im Zuge der weiteren Verfahrensschritte unter dem Aspekt des Verdunstens des Lösungsmittels bei gleichzeitiger Reaktion des HDI Biuret mit Wasser einerseits und 1,6-Hexandiol andererseits ändert sich die Zusammensetzung, unter anderem der Mengenanteil an CNT.
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Verfahrensschritt IIb
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Unter Verdunsten des Lösungsmittels bei Bildung einer Suspension mit sich verändernden Konzentrationsstufen findet eine zunehmende Reaktion (Vernetzung) des ein- oder mehrkomponentigen Reaktionsgemisches statt. Im Falle des Isocyanats tritt bei allen Beispielen α bis δ eine Reaktion mit Wasser ein, wobei sich ein Polyharnstoff bildet. Das Wasser liegt zumeist als Umgebungsfeuchtigkeit vor. Auch der Einsatz von Wasserdampf zwecks Reaktionsbeschleunigung ist möglich.
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Liegt zusätzlich ein Diol und/oder Polyol in der Suspension vor (Versuchsbeispiele β und δ), so bildet sich im Rahmen der Gesamtreaktion ein Polymerisat mit Harnstoffgruppen wie auch Polyurethangruppen.
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Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels bildet sich zunächst eine noch flexibel verformbare Polymermasse, die gut bearbeitbar ist. In dieser Phase findet zumeist ein Ausreagieren statt.
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Verfahrensschritt IIc
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Die CNT werden während der Reaktion des ein- oder mehrkomponentigen Reaktionsgemisches und/oder während des Zustands der noch flexibel verformbaren Polymermasse mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes und/oder mittels Ultraschall derart ausgerichtet, dass die elektrische Leitfähigkeit der CNT innerhalb der Polymermasse in eine einheitliche Richtung wirkt. Die Ausrichtung erfolgt dabei insbesondere unmittelbar nach dem Verdunsten des Lösungsmittels, wenn noch eine bearbeitbare Polymermasse vorliegt. Von besonderer Bedeutung ist die Ausrichtung der CNT mittels eines elektrischen oder magnetischen Feldes, insbesondere wiederum mittels zusätzlicher Unterstützung der Ultraschalltechnologie. Auch der Einsatz der Ultraschalltechnologie mittels der zusätzlichen Unterstüztung eines elektrischen oder magnetischen Feldes ist möglich.
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Verfahrensschritt IId
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Nach einer Trocknungszeit von wenigstens 1 Stunde, insbesondere bei einer Trocknungszeit von wenigstens 24 Stunden, vorzugsweise bei Raumtemperatur, wobei gegebenenfalls ein weiteres Ausreagieren stattfinden kann, erfolgt die Endbearbeitung der Polymermasse zum einsatzfähigen Polymerwerkstoff.
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Häufig kommt ein derartiger Polymerwerkstoff als Beschichtungsmasse in einem Verbundkörper zur Anwendung. Auf einen Artikelrohling, beispielsweise hergesellt aus einer vulkanisierbaren Kautschukmischung der Werkstoffvariante A, wird die im Rahmen des Verfahrensschrittes IIa vorgestellte Suspension vollständig oder teilweise auf die Oberfläche des Artikelrohlings aufgetragen, verbunden mit der beschriebenen Ausrichtung der elektrischen Leitfähigkeit der CNT. In die Endbearbeitung ist dann die Vulkanisation integriert, wobei sich ein Haftverbund zwischen der Beschichtungsmasse und dem Artikelgrundkörper bildet. Hinsichtlich der Vulkanisationsbedingungen wird auf das verwiesen, was im Zusammenhang mit den Werkstoffvarianten A und B bereits ausgeführt wurde.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine Polymermischung mit unausgerichteten CNT;
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2 eine Polymermischung, wobei die CNT mittels eines elektrischen Feldes ausgerichtet werden;
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3 eine mittels Ultraschall unterstützte Ausrichtung der CNT;
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4 eine elektrische Verbindung von Leiterplatten.
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1 zeigt eine Polymermischung 2 in Form einer Kautschukmischung auf der Basis von EPDM, die mit Toluol verdünnt ist. In diese verdünnte Polymermischung sind im Wesentlichen gleichmäßig verteilt die unausgerichteten CNT 4 eingemischt. Jedes Nanoröhrchen leitet dabei den elektrischen Strom in seiner Längsrichtung. Da die Nanoröhrchen innerhalb der Polymermischung 2 unterschiedliche Richtungen aufweisen, liegt eine isotrope elektrische Leitfähigkeit vor. Mit Hilfe der Elektroden 6 können nun die CNT 4 in einem elektrischen Feld ausgerichtet werden.
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2 zeigt nun, wie mittels der Elektroden 6 die CNT 8 in der Polymermischung 2 entlang der elektrische Feldlinien 10 des elektrischen Feldes in eine einheitliche Richtung X ausgerichtet werden, so dass nach Fertigstellung des polymeren Werkstoffes, hier am Beispiel einer vulkanisierten EPDM-Mischung, eine elektrische Wirkrichtung X entsteht, verbunden mit einer hohen Effizienz an elektrischer Leitfähigkeit. Während des Ausrichtungsvorganges entweicht das Toluol im Rahmen eines Verdunstungsvorganges.
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Der Ausrichtungsvorgang gemäß 2 kann auch mittels eines magnetischen Feldes entlang der Magnetfeldlinien vorgenommen werden.
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3 zeigt nun, wie die Ausrichtung entlang der elektrischen Feldlinien 10 (2) oder der magnetischen Feldlinien durch die Anwendung von Ultraschall unterstützt wird. Mittels eines Radialschwingers 12 wird Ultraschall erzeugt, der durch die Polymermischung geleitet wird, und zwar möglichst so, dass sich darin stehende Wellen mit einer Wellenlänge 18 ausbilden, und zwar unter Abstimmung der Geometrie des Behälters mit der Polymermischung, wobei hier lediglich die zylindrische Behälterwand 14 dargestellt ist, und der Frequenz des Ultraschalls. Zunächst sorgt der Ultraschall für die Bewegung der CNT in der Polymermischung, so dass diese sich entlang der Feldlinien ausrichten können. Zusätzlich konzentrieren sich die CNT an den Knotenflächen 16 der Longitudinalwellen in der Polymermischung.
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Die Ausrichtung der CNT lässt sich auch über das elektrische bzw. magnetische Feld unterstützen. Dazu wird einer Gleichkomponente des Feldes eine abschwellende Wechselkomponente überlagert.
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4 zeigt eine Anwendung am Beispiel einer elektrischen Verbindung von Leiterplatten. Diese Leiterplatte umfasst eine Basis-Leiterplatte 20, einen Polymerwerkstoff 22 mit ausgerichteten CNT, eine Kontaktfläche 24 und eine Aufbau-Leiterplatte 26.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Polymermischung
- 4
- unausgerichtete Nanotubes (Carbon-Nanotubes)
- 6
- Elektroden
- 8
- ausgerichtete Nanotubes (Carbon-Nanotubes) mit einer Einheitsrichtung X
- 10
- Feldlinien eines elektrischen Feldes
- 12
- Radialschwinger
- 14
- zylindrische Behälterwand
- 16
- Knotenfläche parallel zur Behälterwand
- 18
- Wellenlänge
- 20
- Basis-Leiterplatte
- 22
- Polymerwerkstoff mit ausgerichteten Nanotubes (Carbon-Nanotubes)
- 24
- Kontaktfläche
- 26
- Aufbau-Leiterplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19724038 C1 [0001]
- DE 102007002521 B4 [0001]
- DE 102008014988 A1 [0001, 0008]
- JP 08183866 A [0001]
- EP 0582301 A1 [0001]
- US 5718957 [0001]
- WO 2009/003853 A2 [0002, 0019]
- US 7338648 B2 [0006]
- DE 102006058470 A1 [0017]
- DE 10004632 A1 [0017]
- EP 2101079 A2 [0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Zusatzstoffe für Kunststoffe”, betreffend Antistatika in Plastverarbeiter 28. Jahrgang 1977, Nr. 5, Seite 247 [0004]
- Recent Patents an Nanotechnology 2007, I, Seiten 59 bis 65 [0006]
- Römpp Online, Version 3.5, 2009, Georg Thieme Verlag [0006]
