DE102010062295A1

DE102010062295A1 - Kompositwerkstoff, Formkörper, elektronisches Gerät mit Formkörper, und Verfahren zur Herstellung für einen Formkörper

Info

Publication number: DE102010062295A1
Application number: DE102010062295A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ühlin; Andreas Rossberg; Sergej Lopatin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-06-06
Also published as: EP2646143B1; US9228914B2; US20140298915A1; EP2646143A1; WO2012072465A1

Abstract

Ein Kompositwerkstoff umfasst eine Polymermatrix; und Silica Gel, welches in der Polymermatrix gebunden ist; wobei der Volumenanteil des Silica Gels am Volumen des Kompositwerkstoffs mindestens 50%, insbesondere mindestens 65% beträgt. Ein elektronisches Gerät 1, insbesondere Messgerät, weist mindestens ein Gehäuse 2, 4 mit mindestens einem Innenraum 3 auf, welcher eine elektronische Schaltung 7 enthält, wobei das Gerät 1 mindestens einen Gaspfad 5 aufweist, über welchen Wasserdampf in das Gehäuse gelangen kann wobei das Gerät mindestens einen Formkörper aus dem Kompositwerkstoff aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompositwerkstoff, einen Formkörper mit einem solchen Kompositwerkstoff ein elektronisches Gerät mit einem solchen Formkörper, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkörpers.
Elektronische Geräte weisen häufig bauartbedingt ein Gehäuse auf, in welches Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf eindringen kann. Kondensation dieses Wasserdampfs auf Schaltungskomponenten im Innern des Gehäuses, kann zur Beeinträchtigung bzw. zum Ausfall von Geräten führen. Es ist daher erforderlich, dieses zu langfristig verhindern.
Hierzu ist es bekannt, Feuchtefilter in Gehäuseöffnungen vorzusehen, oder Absorber im Gehäuse anzuordnen. Die beschriebenen Adsorber erweisen sich aber für den langfristigen Einsatz insbesondere unter Temperaturwechseln als nicht zufriedenstellend.
Die noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2010 038 986 offenbart einen Kompositwerkstoff, welcher eine Polymermatrix und ein Zeolith aufweist. Insoweit als Zeolithe nur bei vergleichsweise hohen Temperaturen adsorbiertes Wasser desorbieren lassen, erfordert der Kompositwerkstoff jedoch den Einsatz von entsprechend temperaturbeständigen Polymeren, wenn eine Trocknung von Formkörpern aus diesem Kompositwerkstoff möglich sein soll. Dies führt jedoch dazu, dass die Auswahl geeigneter Polymere erheblich eingeschränkt ist, und dass zudem die Kosten für den Kompositwerkstoff steigen, da die temperaturbeständigen Polymere teuer sind. Zudem wird bei normalen Betriebstemperaturen eines gängigen elektronischen Geräts die Desorptionstemperatur von im Zeolith gebundenen Wasser praktisch nicht erreicht. Dies bedeutet, dass ein Formkörper aus einem zeolithhaltigen Kompositwerkstoff auch bei großer Trockenheit in der Umgebung kaum in der Lage ist, gebundenes Wasser wieder abzugeben.
Damit entfällt die Möglichkeit, durch kontrolliertes Freisetzen von Feuchte in Phasen von Trockenheit die Standzeit eines aus dem Kompositwerkstoff gebildeten Formkörpers, der als Trocknungskörper dienen soll, zu verlängern.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Kompositwerkstoff gemäß Anspruch 1, den Formkörper gemäß Anspruch 5, das elektronische Gerät gemäß Anspruch 8 und das Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers gemäß Anspruch 12.
Der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff umfasst: eine Polymermatrix; und ein Silica Gel, welches in der Polymermatrix gebunden ist; wobei der Volumenanteil des Silica Gels am Volumen des Kompositwerkstoffs mindestens 50%, insbesondere mindestens 65% beträgt.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Polymermatrix ein Polymer auf, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe von thermoplastischen Polymeren wie Fluor-Kunststoffen, Polyaryletherketonen, Schwefelpolymeren, Polyolephinen und hochwärmebeständigen Polymeren besteht.
Die Fluor-Kunststoffe umfassen erfindungsgemäß PTFE bzw. Polytetrafluoretylen, PCTFE bzw. Polychlortrifluorethylen, ECTFE bzw. Ethylenchlortrifluorethylen oder Ethylen-Chlortrifluorethylen-Fluorcopolymer, FEP bzw. Fluorethylenpropylen, PFA bzw. Perfluoroalkoxylalkan sowie PVDF bzw. Polyvinylidenfluorid.
Polyaryletherketone umfassen erfindungsgemäß PEEK bzw. Polyetheretherketon und PEK bzw. Polyetherketon.
Die Schwefelpolymere umfassen erfindungsgemäß PSU bzw. Polysulfon, PES bzw. Polyethersulfon, PPS bzw. Polyphenylensulfid und PPSU bzw. Polyphenylsulfon.
Die hochwärmebeständigen Kunststoffe umfassen erfindungsgemäß auch PA bzw. Polyamid, PI bzw. Polyimid, PAI bzw. Polyamidimid und PEI bzw. Polyetherimid.
Weitere geeignete Kunststoffe sind Polyolephinen wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) sowie Kunststoffe aus anderen Stoffgruppen wie Silikonen (Polyorganosiloxanen), Styrol-Polymerisate wie Polystyrol (PS), Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyacrylate wie Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Thermoplastische Polyester wie Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polybytylenterephthalat (PBT), Polyphenylenether (PPE), Polyaddukte wie Epoxydharz (EP) oder Polyurethane (PU).
Insbesondere die in diesem Absatz genannten Kunststoffe sind zu erheblich geringeren Kosten verfügbar als die zuvor genannten Kuntstoffe.
Die genannten Kunststoffe sind alle bis 80–100°C temperaturstabil, wodurch es möglich ist, die erfindungsgemäßen Formkörper bei 80–100°C zu entfeuchten und bei tieferen Temperaturen als Absorber einzusetzen. Die Entfeuchtungstemperatur kann zudem gemäß einer Weiterbildung der Erfindung im Vakuum reduziert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Silica Gel eine mittlere Korngröße von nicht mehr als 1 mm insbesondere nicht mehr als 0,5 mm auf. Andererseits beträgt die mittlere Korngröße gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nicht weniger als 0,1 mm insbesondere nicht weniger als 0,2 mm.
Der erfindungsgemäße Formkörper umfasst einen erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff.
In einer Weiterbildung der Erfindung gilt für das Volumen V_min einer minimalen konvexen Umhüllenden des Formkörpers und für die Oberfläche A_min der minimalen konvexen Umhüllenden
(V_min)^2/3/A_min > 1/20, insbesondere > 1/10.
In einer Weiterbildung der Erfindung gilt für das Volumen V_k des Formkörpers und für die Oberfläche A_k des Formkörpers (V_k)^2/3/A_k > 1/30, insbesondere > 1/20 > 1/15.
Das erfindungsgemäße elektronische Gerät, welches insbesondere ein Messgerät sein kann, weist mindestens ein Gehäuse mit mindestens einem Innenraum, welcher eine elektronische Schaltung enthält, wobei das Gerät mindestens einen Gaspfad aufweist, über welchen Wasserdampf in das Gehäuse gelangen kann, wobei das Gerät erfindungsgemäß mindestens einen erfindungsgemäßen Formkörper aufweist, wobei der Formkörper insbesondere in dem Innenraum angeordnet sein kann.
Das elektronische Gerät kann erfindungsgemäß insbesondere ein Messgerät sein. Solche Messgeräte können insbesondere Messgeräte der industriellen Prozessmesstechnik sein. Derartige Messgeräte, weisen gewöhnlich einen Sensor und eine elektronische Schaltung auf, welche die Signale des Sensors aufbereitet und zur Ausgabe an einer Anzeige oder an ein Leitsystem bereitstellt. Solche Messgeräte können insbesondere Messgeräte für Druck, Füllstand, Durchfluss, Temperatur, pH, und andere Analyseparameter umfassen.
Feuchteprobleme können bei diesen Messgeräten an beliebigen Stellen auftreten, insbesondere die Elektronik und das Sensorelement sind vor Feuchteeinflüssen zu schützen.
Unter den Druckmessgeräten sind solche mit einem Relativdrucksensor zum Messen der Differenz zwischen einem Mediendruck und einem Atmosphärendruck in der Umgebung des Sensors von besonderem Interesse, wobei solche Geräte einen Atmosphärendruckpfad aufweisen, um den Relativdrucksensor mit dem Atmosphärendruck zu beaufschlagen, wobei der Atmosphärendruckpfad insbesondere durch den Formkörper verläuft.
Allgemein ist die Erfindung auch für jegliche elektronische Geräte relevant, die insbesondere hochohmige Schaltungen unter Einfluss von Feuchtigkeit und Kondensatbildung aufweisen. Solche Geräte sind beispielsweise Hydrophone, Ultraschallwandler, Mikrophone, Elektretmikrophone, Beschleunigungsaufnehmer und jegliche kapazitive Wandler.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt das Volumen des Formkörpers nicht weniger als 20%, vorzugsweise nicht weniger als 40% und besonders bevorzugt nicht weniger als 50% des freien Volumens des Innenraums.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Formkorpers umfasst: Herstellen einer Dispersion, welche Partikel eines Polymers zum Bilden einer Polymermatrix und Silica Gel, enthält;
Formgebung aus der Dispersion; und
Verfestigen des Formkörpers.
In einer Ausgestaltung umfasst die Formgebung Trocknen der Dispersion; Pressen der getrockneten Dispersion in eine Form zur Formung des Formkörpers. Das Verfestigen kann in dieser Ausgestaltung beispielsweise Sintern umfassen.
Allgemein kann das Verfestigen neben Sintern auch Brennen oder Polymerisieren umfassen. Andere erfindungsgemäße Verfahren der Formgebung umfassen Gießen, insbesondere Spritzgießen, und Extrudieren.
Allgemein können die Formgebung bzw. das Verfestigen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung Pressen, heißes isostatisches Pressen, Sintern, Extrudieren und/oder Spritzen des Kompositwerkstoffs umfassen.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Sorptionsisotherme in Masse % von Wasser in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgmäßen Formkörpers bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% bei 25°C;
2: die Wasserabsorption nach etwa 90 Stunden bei 25°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% für verschiedene Absorbergehalte im Formkörper;
3: einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes; und
4: einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Relativdruckmessumformers.
Zur Herstellung des Kompositwerkstoffs wurde eine Mischung aus 35 vol.-% PTFE Pulver TFM1700 mit 65 vol.-% Silica Gel (Partikelgröße 0,2–0,5 mm) in Ethanol dispergiert und getrocknet. Aus der getrockneten Mischung wurden zylindrische Körper bei einem Druck von 100 MPa gepresst und bei 360°C eine Stunde gesintert.
Die so erhaltenen Körper Nach dem Sinterprozess entsteht ein fester Körper der als Absorberkörper geeignet ist.
Es wurde eine Feuchteaufnahme von etwa 22 Masse-% bei 25°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% bzw. 45 Masse-% bei 25°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 95% beobachtet. Eine typische Kennlinie der Feuchteaufnahme für ein Komposit 40 vol.-% PTFE und 60 Volumen-% Silica Gel mit einer Körnung von 0,2–0,5 mm ist in 1 dargestellt. Diese Sorptionsisotherme gilt für eine relative Luftfeuchtigkeit von 60% bei 25°C.
2 betrifft den Einfluss des Absorbergehalts von Kompositwerkstoffen bzw. daraus gefertigten Formkörpern auf die Wasseraufnahme. Die optimalen Kompositwerkstoffe weisen einen Absorbergehalt von 60 vol.-% bis 80 vol.-%. Für diesen Bereich ändert sich beispielsweise bei den als Referenzsystem genauer untersuchten zeolith-haltigen Kompositwerkstoffen die Absorber-Packungsdichte, also die Masse des adsorbierten Wassers pro Volumeneinheit des Komposits, wenig und die Wasseraufnahme pro Volumeneinheit des Kompositwerkstoffs bleibt im wesentlichen konstant, wie in 2 dargestellt ist. Im genannten Bereich für den Absorbergehalt erreicht man damit eine gewisse Robustheit gegenüber leichten Schwankungen der Produktzusammensetzung.
Der aus den experimentellen Daten folgende Zusammenhang zwischen zur Wasserabsorption und der Silica-Gel-Konzentration ist in 2 als durchgezogene Linie dargestellt.
Die erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffe unterscheiden sich mit wechselnder Zusammensetzung auch in der mechanischen Stabilität, welche mit einem steigenden Silica-Gel-Gehalt abnimmt. Die Kompositwerkstoffe mit bis 75 vol.-% Silica-Gel sind mechanisch stabil bzw. formstabil. Ab 75 vol.-% sind die Kompositwerkstoffe bzw. die Formkörper weich und leicht brüchig. Eine derzeit bevorzugte Kombinationen von mechanischer Stabilität und günstiger Wasseraufnahme liegt bei einem Material mit 60–70 vol.-% Silica Gel.
Das in 3 dargestellte Elektronische Gerät 1 umfasst einen Gehäusezylinder 2, dessen Innenraum 3 mit einem Gehäusedeckel 4 verschlossen ist. Zwischen dem Gehäusezylinder 2 und dem Gehäusedeckel verläuft ein Spalt 5, der durch einen Dichtring 6 zum Innenraum 3 abgedichtet ist, wobei eine Diffusion von Wasser in das Gehäuse damit nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Um eine elektronische Schaltung 7, die in dem Innenraum 3 angeordnet ist, zuverlässig vor eindringender Feuchte zu schützen, ist weiterhin ein erfindungsgemäßer Formkörper 8 in dem Innenraum angeordnet.
Der Formkörper umfasst einen Komositwerkstoff mit etwa 65 vol.-% Silica-Gel und 35 vol.-% PTFE, wobei der Formkörper als Sinterkörper gebildet ist.
Der in 4 gezeigte Relativdruckmessumformer 11 umfasst ein Gehäuse 12 und einen Relativdrucksensor 20, welcher in dem Gehäuse angeordnet und über eine Gehäuseöffnung 22 mit einem Mediendruck beaufschlagbar ist. Durch einen Innenraum 24 des Gehäuses erstreckt sich ein Referenzluftpfad 26, der ggf. zumindest abschnittsweise in einen Schlauch 27 geführt sein kann, wobei der Referenzluftpfad durch einen erfindungsgemäßen Formkörper 28 verläuft, der in dem Innenraum 24 angeordnet ist. Der Innenraum 24 enthält weiterhin eine Verarbeitungsschaltung 30 von Signalen des Relativdrucksensors, und zur Ausgabe eines Signals, welches den Relativdruck repräsentiert, an ein Leitsystem. Der Formkörper 28 nimmt mindesten 40% des freien Volumens des Innenraums 24 ein, und ist somit in der Lage, über die Referenzluft oder Spalte zwischen Baugruppen eindringende Feuchtigkeit zu adsorbieren, und damit eine Kondensation von Wasser auf der Verarbeitungsschaltung 30 über einen Zeitraum von Jahren zu verhindern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010038986 [0004]

Claims

Kompositwerkstoff, umfassend eine Polymermatrix; und Silica Gel, welches in der Polymermatrix gebunden ist; wobei der Volumenanteil des Silica Gels am Volumen des Kompositwerkstoffs mindestens 50%, insbesondere mindestens 65% beträgt.
Kompositwerkstoff, nach Anspruch 1, wobei die Polymermatrix ein Polymer aufweist, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe von Polymeren die aus Fluor-Kunststoffen Polyaryletherketonen Schwefelpolymeren und hochwärmebeständigen Polymeren besteht.
Kompositwerkstoff, nach Anspruch 1, wobei die Polymermatrix ein Polymer aufweist, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe von Polymeren die besteht aus: PA bzw. Polyamid, PI bzw. Polyimid, PAI bzw. Polyamidimid und PEI bzw. Polyetherimid, Polyolephinen wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Silikonen bzw. Polyorganosiloxanen, Styrol-Polymerisate wie Polystyrol (PS), Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polyacrylate wie Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Thermoplastische Polyester wie Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polybytylenterephthalat (PBT), Polyphenylenether (PPE), Polyaddukte wie Epoxydharz (EP) oder Polyurethane (PU).
Kompositwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Silica Gel eine mittlere Korngröße zwischen 0,1 mm und 1 mm, insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,5 mm aufweist.
Formkörper, umfassend einen Kompositwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Formkörper nach Anspruch 5, wobei für das Volumen V_min einer minimalen konvexen Umhüllenden des Formkörpers und für die Oberfläche A_min der minimalen konvexen Umhüllenden gilt: (V_min)^2/3/A_min > 1/20, insbesondere > 1/10.
Formkörper nach Anspruch 5 oder 6, wobei für das Volumen V_k des Formkörpers und für die Oberfläche A_k des Formkörpers gilt: (V_k)^2/3/A_k > 1/30, insbesondere > 1/20, vorzugsweise A_k > 1/15.
Elektronisches Gerät, insbesondere Messgerät, welches mindestens ein Gehäuse mit mindestens einem Innenraum aufweist, welcher eine elektronische Schaltung enthält, wobei das Gerät mindestens einen Gaspfad aufweist, über welchen Wasserdampf in das Gehäuse gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät mindestens einen Formkörper nach einem der Ansprüche 5 bis 7 aufweist.
Elektronisches Gerät nach Anspruch 8, wobei der Formkörper in dem Innenraum angeordnet ist.
Elektronisches Gerät nach Anspruch 9 oder 9, wobei das Gerät einen Relativdrucksensor zum Messen der Differenz zwischen einem Mediendruck und einem Atmosphärendruck in der Umgebung des Sensors aufweist, wobei das Gerät einen Atmosphärendruckpfad aufweist, um den Drucksensor mit dem Atmosphärendruck zu beaufschlagen, wobei der Atmosphärendruckpfad insbesondere durch den Formkörper verläuft.
Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Volumen des Formkörpers nicht weniger als 20%, vorzugsweise nicht weniger als 40% und besonders bevorzugt nicht weniger als 60% des freien Volumens des Innenraums beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 7, umfassend: Herstellen einer Dispersion, welche Partikel eines Polymers zum Bilden einer Polymermatrix und Silica Gel, enthält; Formgebung aus der Dispersion; und Verfestigen des Formkörpers.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Formgebung bzw. das Verfestigen Pressen, heißes isostatisches Pressen, Sintern, Extrudieren und/oder Spritzen des Kompositwerkstoffs umfassen.