DE102011075736A1

DE102011075736A1 - Elektrisch leitfähiger Lack

Info

Publication number: DE102011075736A1
Application number: DE102011075736A
Authority: DE
Inventors: Florian Eder; Heinrich Kapitza; Christian Seidel; Herbert Schlachter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-11-15
Also published as: WO2012152573A1

Abstract

Durch die hier vorgeschlagene Erfindung werden nicht nur Elastizität, Kratzbeständigkeit und mechanische Robustheit der Lacke verbessert, sondern es wird überraschenderweise auch die Haftung dieser Lacke deutlich gesteigert. So kommen neben den herkömmlichen Lackanwendungen auf starren Objekten wie Metallbeschichtung, Beschichtung von Baumaterialien, Kunststoffbeschichtung etc die erfindungsgemäßen Lacke auch zur Imprägnierung von Geweben, Beschichtung von flexiblen Substraten, beispielsweise Folien und anderen in Frage.

Description

Die Erfindung betrifft einen so genannten Leitlack, insbesondere eine Lackmatrix, in die leitfähige Partikel eingearbeitet sind.
Elektrische leitende Lacksysteme, kurz Leitlacke, werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Beispiele sind elektrische Kontaktierungen in der Elektronik / Leiterplattentechnik, Schleifkontakte oder Schichten zum Ausgleich elektrischer Potentiale in Mittel- und Hochspannungstechnik. Dazu werden Lackharze mit leitfähigen Partikeln wie beispielsweise Kohlenstoff (z. B. Leitruße, Graphit) oder leitfähig beschichtetem Glimmer oder Metallpartikel wie Silber-, Kupferpartikel modifiziert.
In der Regel sind es hochgefüllte Systeme mit Volumenfüllgraden von > 30 Vol.-% bzw. 50 Gew.-% für leitfähig beschichtete Glimmerpartikel. Die Partikelgrößen der Füllstoffe liegen dabei üblicherweise im Bereich weniger Mikrometer aufwärts, weshalb hohe Mengen an Füllstoff notwendig sind.
Nachteilig daran ist, dass einige mechanische Eigenschaften der Lacke durch die Einarbeitung von großen Mengen Füllstoff schlechter werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektrisch leitfähiges Lacksystem zu schaffen, das unter Beibehaltung oder unter nur geringfügig reduzierter elektrischer Leitfähigkeit einen geringeren Füllgrad hat und damit gegenüber herkömmlichen Leitlacken verbesserte mechanische Eigenschaften wie Kratzbeständigkeit, Elastizität etc zeigt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Leitlack mit einer Harzmatrix und einem Füllstoff, wobei der Füllstoff zumindest eine Komponente umfasst, die ein hohes Aspektverhältnis von größer/gleich 10 hat und/oder zumindest eine Dimension einer Fraktion Füllstoffpartikel nanoskalig ist, also eine Länge zwischen 1 und 100 nm hat.
Unter Aspektverhältnis versteht man die Strukturierung oder das Verhältnis der Kantenlängen zueinander, also beispielsweise das Verhältnis von Höhe oder Tiefe eines Partikels zu seiner kleinsten Breite. Vorliegend wird als „hohes Aspektverhältnis“ ein Wert verstanden, der von 10 aufwärts liegt, besonders in Betracht kommen Werte ab 30 bis 50, es ist aber bei höherwertigen Materialien auch mit Aspektverhältnissen von 100 oder sogar mehr zu rechnen.
Beispielsweise umfasst der Füllstoff komplett oder teilweise faserähnliche Partikel.
Die Lackmatrix unterscheidet sich nicht von der üblicher Lacke für Anwendungen im Bereich der elektrischen Kontaktierungen in der Elektronik / Leiterplattentechnik, Schleifkontakte und/oder Schichten zum Ausgleich elektrischer Potentiale in der Mittel- und Hochspannungstechnik. Typischerweise handelt es sich um Epoxidlacksysteme, beispielsweise der auf der Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol-F-(oder „bis“)diglycidylether sowie beliebigen Mischungen daraus.
Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung ein Leitlack, der Carbonnanotubes als Füllstoff umfasst.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Leitlack eine Mischung aus mehreren Füllstoffen, wobei eine Füllstoffkomponente eine nanoskalige Dimension, also eine Länge zwischen 1 und 100 nm, hat.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Füllstoffkomponente mit der nanoskaligen Dimension eine kohlenstoffhaltige Komponente ist.
Insbesondere wird vorgeschlagen, Carbon Nanotubes, Carbon Nanofasern, nanoskaligen Graphit etc. als faserähnliche Füllstoffe, insbesondere bevorzugt mit einer nanoskaligen Dimension, einzusetzen.
Vorteilhafterweise hat der Leitlack einen Füllgehalt von weniger als 35 Volumen-%, insbesondere weniger als 45 Gew.-%, bevorzugt einen Füllgehalt von weniger als 25 Vol.-% und insbesondere bevorzugt einen Füllgehalt von weniger als 15 Vol.-%.
Vorteilhafterweise liegt der Füllstoff als Mischung vor, insbesondere bevorzugt als Mischung von leitfähig beschichteten Glimmerpartikel oder Pigmenten und kohlenstoffhaltiger Komponente und insbesondere als eine Mischung von leitfähig beschichteten Pigmenten und Carbonnanotubes vor.
Beispielsweise haben die Carbonnanotubes eine faserähnliche Form und beispielsweise eine durchschnittliche Länge im Bereich von ungefähr 0,5 µm bis 10 µm und einen Durchmesser im zweistelligen Nanometerbereich oder kleiner, insbesondere kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm, insbesondere kleiner 15 nm und ganz bevorzugt kleiner 10 nm.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Füllstoff als eine Mischung aus leitfähig beschichteten Partikeln mit einer durchschnittlichen Größe im Mikrometerbereich und Partikeln mit hohem Aspektverhältnis größer 10, die eine nanoskalige Dimension haben, vor.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einer ersten 1, die eine beispielhafte Anordnung der Füllstoffpartikelmischung in einem Lack zeigt und einer zweiten 2, die ein Diagramm zeigt, auf dem die Flächenwiderstände verschieden gefüllter Lacksysteme im Vergleich dargestellt sind, näher erläutert.
1 zeigt eine Beschichtung 1 auf einem Träger 2, wobei in der Beschichtung in einer Matrix 3 zwei Fraktionen an Füllstoff vorliegen, zum einen große glimmerartige Partikel 4 und kleine faserähnliche Partikel 5.
Beispielsweise handelt es sich dabei um eine Beschichtung mit leitfähig beschichteten Glimmerpartikeln (< 15 µm) und Carbon Nanotubes (Länge 1,5 µm, Durchmesser 9,5 nm) als Additiv, die in 1 schematisch dargestellt sind.
Die glimmerartigen Partikel 4 sind beispielsweise handelsüblich erhältliche leitfähige Pigmente, die beschichtet oder unbeschichtet vorliegen können und die faserähnlichen Partikel 5 sind beispielsweise Carbonnanotubes, die ebenfalls im Handel erhältlich sind.
Die 1 veranschaulicht eine Modellvorstellung, wie die Synergieeffekte bei der Kombination unterschiedlicher Leitfähigkeitsadditive entstehen könnten.
Die 2 zeigt ein Diagramm, das den hier beschriebenen Synergieeffekt verdeutlicht. Hier werden die Quadratflächenwiderstände von Epoxidharz-Mischungen mit jeweils einer Additiv Komponente und zum Vergleich der Mischung zweier Additive dargestellt. Die gemischten, also Hybridmischungen ermöglichen eine Leitfähigkeitssteigerung um zwei Zehnerpotenzen im Vergleich zu den/der einzeln vorliegenden Füllstoffkomponente(n).
Die 2 zeigt gemessene Quadratflächenwiderstände für Systeme mit einer Füllkomponente und die Kombination unterschiedlicher Leitfähigkeitsadditive (Synergie).
Die dargestellten Quadratflächenwiderstände sind als Säulendarstellung Epoxidharz-Mischungen mit jeweils einer Additiv Komponente und Mischungen zweier Additive zuzuordnen. Die Hybridmischungen mit Synergieeffekten ermöglichen eine Leitfähigkeitssteigerung um zwei Zehnerpotenzen, wie die Säulen 3 und 6 zeigen.
Von links nach rechts in 2 sind folgende Quadratflächenwiderstände dargestellt: Säule 1 Epoxidharz mit 30 Gew.-% Füllung mit einer ersten Füllstofffraktion, einem leitfähigen Pigment der Firma Merck^®, das Minatek 40 heißt. Säule 2 von links ist die Darstellung eines mit einer zweiten Füllstofffraktion allein zu 0,2 Gew.-% gefüllten Harzes. Die zweite Füllstofffraktion wird mit CNT abgekürzt und steht für Carbon Nano Tubes. Die Säule 3 zeigt die Synergie bei der Erniedrigung des Widerstandes, wenn das Harz mit einer Mischung der beiden Füllstofffraktionen gefüllt ist.
Analog ist die Darstellung der weiter links stehenden Säulen 4, 5 und 6 zu sehen. Säulen 4 und 5 zeigen jeweils nur mit einer Fraktion gefüllte Harze, Säule 6 zeigt die Synergie wenn beide Fraktionen gleichzeitig im Harz vorliegen. Die Säule 4 zeigt ein Harz, das mit 35 Gew.-% leitfähigem Pigment gefüllt ist, Die Säule 5 zeigt ein Harz mit einem Füllgehalt von 0,5 Gew.-% CNT und die Säule 6 schließlich zeigt wieder, wie Säule 3, ein Beispiel mit Synergieeffekt, bei dem 35 Gew.-% leitfähiges Pigment und 0,5 Gew.-% CNT gemeinsam vorliegen.
Verwendet man anstelle der herkömmlichen Füllstoffe die vorgeschlagene Gruppe der faserähnlichen Partikel, so kann in einem typischen Epoxidlacksystem auf Basis Bisphenol A oder Bisphenol F diglycidylether der benötigte Volumenfüllgrad für die Einstellung von elektrischen Leitfähigkeiten > 10exp –4 S/cm auf < 2 Vol.-% reduziert werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der vorgeschlagenen Erfindung beschreibt eine Verwendung von Hybridmischungen leitfähiger Additive verschiedener Größe und Form und Einbeziehung von nanoskaligen Carbon Nanotubes, Carbonfasern und/oder Graphit/Graphene, sowie beliebige Mischungen daraus. Dadurch werden höhere Leitfähigkeiten bei geringerem Materialeinsatz in Beschichtungen erzielt.
Durch Verwendung verschiedener Additive werden Synergieeffekte in Bezug auf die Leitfähigkeit erzielt. Wie gezeigt, liegen die Verbesserungen des Quadratflächenwiderstandes bei 2 Zehnerpotenzen. Außerdem kann dadurch der Füllstoffgehalt/Füllstoffgrad reduziert werden, was neben einer Materialkosteneinsparung auch die Verarbeitbarkeit der Dispersionen (geringere Viskositäten) und die mechanischen und optischen Eigenschaften des Endprodukts (geringere Sprödigkeit, höherer Glanzgrad) verbessert. Schließlich ist besonders überraschend, dass die Haftung des Lackes auch schon durch die Zugabe eines leitfähigen Füllstoffes mit zumindest einer nanoskaligen Dimension erheblich gesteigert werden kann, auch ohne Nutzung des Synergieeffektes. Somit wird die Beschichtung flexibler Gegenstände möglich.
Durch die hier vorgeschlagene Erfindung werden nicht nur Elastizität, Kratzbeständigkeit und mechanische Robustheit der Lacke verbessert, sondern es wird überraschenderweise auch die Haftung dieser Lacke deutlich gesteigert. So kommen neben den herkömmlichen Lackanwendungen auf starren Objekten wie Metallbeschichtung, Beschichtung von Baumaterialien, Kunststoffbeschichtung etc die erfindungsgemäßen Lacke auch zur Imprägnierung von Geweben, Beschichtung von flexiblen Substraten, beispielsweise Folien und anderen in Frage.

Claims

Leitlack mit einer Harzmatrix und einem Füllstoff, wobei der Füllstoff zumindest eine Komponente umfasst, die ein hohes Aspektverhältnis von größer/gleich 10 hat und/oder zumindest eine Dimension einer Fraktion Füllstoffpartikel nanoskalig ist, also zwischen 1 und 100 nm liegt.
Leitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Füllgehalt von weniger als 30 Volumen-%.
Leitlack nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Füllstoffkomponente mit der nanoskaligen Dimension eine kohlenstoffhaltige Komponente ist.
Leitlack nach Anspruch 1, wobei der Leitlack Carbonnanotubes, Carbon Nanofasern und/oder nanoskaligen Graphit sowie beliebige Mischungen daraus als Füllstoff umfasst.
Leitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff eine faserähnliche Form hat.
Leitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei der Füllstoff eine Mischung von leitfähig beschichteten Glimmerpartikel und Carbonnanotubes umfasst.
Leitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lackmatrix auf Bisphenol-A- und/oder Bisphenol-F-(oder „bis“)diglycidylether sowie beliebigen Mischungen daraus basiert.
Leitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die faserähnlichen Füllstoffpartikel eine durchschnittliche Länge im Bereich von ungefähr 0,5 µm bis 10µm haben.
Leitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die faserähnlichen Füllstoffpartikel einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 100nm haben.