DE102012013496A1 - Definierte Leitfähigkeit von organischen Materialien, reduzierte Leitfähigkeitsänderung und Vermeidung von Hot Spots durch Einsatz von lamellaren Eisenglimmer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitfähiges organisches Material, beispielsweise Polymere, Lacke oder Gele, dessen Leitfähigkeit auf zugemischten elektrisch leitfähigen Füllstoffen wie Kohlenstoff in Form von Ruß, Graphit, Carbonfasern oder Carbon-Nano-Tubes oder Metall als Pulver oder Fasern beruht. Ausgehend von dem bekannten Phänomen der Percolation Threshhold mit extremer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei einer bestimmten Füllstoffkonzentration wurde herausgefunden, dass die Steigung der konzentrationsabhängigen Volumenwiderstandskurve eines gefüllten organischen Materials durch die Zugabe von lamelaren Eisenglimmer reduziert werden kann. Geringe Schwankungen in den Konzentrationen oder der Güte der elektrisch leitfähigen Füllstoffe bzw. Dispersionsunterschiede führen so zu einer geringeren abweichender Leitfähigkeit des Endproduktes. Weiterhin reduziert die Zugabe von lamellaren Eisenglimmer die Gefahr von Hot Spots in der Anwendung von Heizfolien und -lacken.

Description

  • Organische Materialien (z. B. Polymere, Lacke, Gele) werden durch Beimischungen von elektrisch leitfähigen Füllstoffen eines oder mehrerer Sorten z. B. Kohlenstoff in Form von Ruß, Graphit oder Carbon Nano-Tubes oder Metallpulver oder -fasern elektrisch leitfähig.
  • Dabei ist ein physikalisches Phänomen bestimmend, dass unter dem Begriff „Percolation Threshhold” (formation of long-range connectivity in random systems) bezeichnet wird. Dabei wird ab einer bestimmten Konzentration der elektrisch leitfähigen Füllstoffe der Volumenwiderstand um mehrere Dekaden reduziert.
  • Dieses Phänomen erschwert die Herstellung und Verwendung elektrisch leitfähiger Materialien wie sie heute in den verschiedensten Anwendungen erfolgt, bei denen eine definierte elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung nahe zu den Schwellenwerten der Percolation Threshhold erforderlich ist. Geringe Schwankungen in den Konzentrationen der leitfähigen Partikeln, auch auf Grund von Dispersionsschwankungen oder Variationen in der Güte der elektrisch leitfähigen Füllstoffe führen dann zu abweichender Leitfähigkeit des Endproduktes. Ziel der Arbeit ist es deshalb, die Steigung der Volumenwiderstandskurve in Abhängigkeit der Konzentration der elektrisch leitfähigen Füllstoffe zu reduzieren.
  • Zu den elektrisch leitfähigen organische Materialien können weitere mineralische, nicht elektrisch leitfähige Füllstoffe wie z. B. Calciumcarbonat hinzugegeben werden, einerseits um als einfacher günstiger Füllstoff Kosten zu sparen, andererseits um z. B. die Verarbeitungseigenschaften oder die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Auf die Steigung der Volumenwiderstandskurve in Abhängigkeit von der Konzentration der elektrisch leitfähigen Füllstoffe wirkt sich die Zugabe von elektrisch neutralen Füllstoffen nicht aus wie die Kurven einer EVA-Russ-Mischung im Vergleich zu einer EVA-Russ-Mischung mit Calciumcarbonat zeigt. (1).
  • Erfindung
    • 1) Es wurde nun herausgefunden, dass bevorzugt lamellarer Eisenglimmer, – ein Füllstoff mit einem sehr hohen elektrischen Widerstand und einem sehr hohen Aspekt-Verhältnis deutlich größer als das z. B. von Calciumcarbonat – einen flacherer Verlauf der Volumenwiderstandskurve erzielt, so dass ein definierter Volumenwiderstandswert genauer einstellbar ist.
  • Bevorzugt eingesetzte Sorten des elektrisch leitfähigen Füllstoffes sind Kohlenstoff in Form von Ruß, Graphit, Carbonfasern oder Carbon-Nano-Tubes oder Metall als Pulver oder Fasern.
  • Das organische Material sind dabei Polymere wie Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste, Lacke oder Gele.
    • 2) Ein weiterer Vorteil des elektrisch leitfähigen organischen Materials mit lamellaren Eisenglimmer ist, dass bei einer Zustandsänderung wie Temperatur oder Deformation des elektrisch leitfähigen organischen Gemisches, eine geringere Änderung der Volumenwiderstandskurve erfolgt als bei einem elektrisch leitfähigen organischen Material ohne lamellaren Eisenglimmer. Unter solchen Bedingungen würde ein gewöhnliches elektrisch leitfähiges organisches Material starken Schwankungen im Volumenwiderstand ausgesetzt sein. Diese großen Schwankungen können bei der vorliegenden erfinderischen Lösung vermieden werden. Dadurch wird eine besser kontrollierbare Leitfähigkeitsänderung erzielt.
    • 3) Elektrisch leitfähige Polymere finden ihre Anwendung auch in Heizfolien und Heizlacken. Bei diesen Anwendungen besteht die Gefahr von Hotspots, die auf Grund lokalen hohen Widerstandes durch z. B. ungleichmäßigen Widerstand oder Beschädigungen entstehen. Die Gefahr der Hotspots wird durch den Einsatz von lamellaren Eisenglimmer reduziert, denn es wird ein gleichmäßigerer Volumenwiderstand erzielt und auf Grund der erhöhten Temperaturleitfähigkeit des Eisenglimmers kann lokale Wärme besser abgeleitet werden.
  • Die Anwendungen von elektrisch leitfähigen organischen Materialien sind sehr vielseitig wie z. B. in
    • • elektrisch leitfähige Schrumpf-Kabelgarnituren zur High-Voltage Feldsteuerung
    • • Sicherungen auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere
    • • elektrisch leitfähige Polymere für Heizanwendungen
    • • elektrisch leitfähige Kleber
    • • Deformationssensoren auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere
  • Ausführungsbeispiel (Materialien, Herstellung und Messung)
  • Für die Untersuchungen wurden folgende Materialien eingesetzt:
    Lamellarer Eisenglimmer der Kärntner Montanindustrie MIOX HL (High Lamellar)
    Ethylenvinylacetat EVA 450 A und EVA 22W von der Fa. Du Pont
    Ruß der Fa. Columbian Chemicals: Raven 22 (Partikelgröße ca. 80 nm) und
    Fa. Cabot Corporation: Vulcan XC 72 (Parikelgröße ca. 30 nm)
    sowie KalkCaCO3 der Fa. OMYA (Calibrite-OG mittlerer Teilchendurchmesser 22 μm und HAKUENKA CC-R (Shiraishi Omya GmbH mittlerer Teilchendurchmesser 80 nm)
  • Auf einem beheizbaren BRABENDER-Labormischkneter (PLASTI-CORDER PL 2000, Kammervolumen 50 cm3) und auf einem Z-Kneter (Kammervolumen ca. 500 cm3) wurden Kunststoffmischungen hergestellt, indem nach Aufschmelzen einer berechneten Menge von EVA (Elvax 450 A Ethylenvinylacetat, von Du Pont) portionsweise eine abgewogene Menge eines Gemisches von Elvax 220W, des elektrisch leitfähigen Füllstoffes und ggf. weiterer Füllstoff (lamerer Eisnglimmer oder Calciumcarbonat hinzugegeben wurde und bis zur homogenen Mischung geknetet wurde.
  • Anschließend wurde die weiche Kunststoffmischung mit einer Spachtel aus dem Mischkneter herausgeschält und in einer beheizten Laborpresse zu 1 mm dicken Platten gepresst. Die gepressten Kunststoffplatten sind kreisförmig und hatten einen Durchmesser von ca. 20 cm. (3)
  • Zur Kontaktierung wurden mit Silberleitlack (von Firma Conrad, Art-Nr.: 530042) mehrere Elektroden aufgebracht (Oberseite ein definierten Kreis, Unterseite großflächig kontaktiert) und an Luft getrocknet.
  • Als Messinstrument wurde das Milli- und TeraOhmmeter Milli-TO 3 (Hersteller H.-P. Fischer Elektronik GmbH & Co. Industrie- und Labortechnik KG) verwendet. Der Volumenwiderstand wurde unter Verwendung eines Schutzringes bei definierter Messspannung gemessen. Gewichtsverteilungen bei Einwaage in Z-Kneter (Füllstoffvolumen const.)
    Ruß Elvax 450 Volumen
    Ruß ges. A + Füllstoff Dichte [cm3]
    Bezeichnung [%] [g] 220 W[g] [g] [g/cm3] constant
    (137 + 83)
    MIOX HL (+ 14% Vulcan XC72) 14,0 35,8 220,00 145,00 4,95 29,3
    MIOX HL (+ 17% Vulcan XC72) 17,0 45 220,00 145,00 4,95 29,3
    Hakuenka + 17% Vulcan 17,0 45 220,00 77,62 2,65 29,3
    Calibrite + 17% Vulcan 17,0 45 220,00 77,03 2,63 29,3
    nur Ruß Vulcan XC72 14% 14,0 35,8 220,00
    nur Ruß Vulcan XC72 17% 17,0 45 220,00
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kunststoffplatte
    2
    Silberelektrode
  • Zeichnungen
  • 1: Volumenwiderstand von Mischungen EVA (Elvax 450 A) mit nur Ruß (Raven22) und Gemisch im Gewichtsverhältnis 1:1 von Ruß (Raven22) und Calciumcarbonat (Omya, Hakuenka 80 nm CaCO3, Nanofüllstoff, Aspekt Verhältnis ca. ~1)
  • 2: Volumenwiderstand von Mischungen EVA (Elvax 450 A und Elvax 220W, Gewichtsverhältnis Elvax 450A/220W 137 g/83 g) und Ruß Vulcan 72 XC ohne Füllstoff und mit zusätzlich gleichen Volumina von lamellaren Eisenglimmer MIOX HL und Calciumcarbonaten Volumenwiderstandswerte [Ohm cm]
    nur
    Ruß Vulcan Calibrite
    konzentration XC 72 MIOX HL OG Hakuenka
    14,00% 5,27E+13 1,30E+11 1,09E+13
    17,00% 5,28E+02 3,50E+03 1,41E+03 9,33E+02
  • 3: Skizze einer elektrisch leitfähigen EVA-Kunststoffplatte mit Pinsel auflackierten Silberelektroden.

Claims (5)

  1. Elektrisch leitfähiges organisches Material umfassend eine oder mehrere Sorte(n) eines elektrisch leitfähigen Füllstoffes wie Kohlenstoff in Form von Ruß, Graphit, Carbonfasern oder Carbon-Nano-Tubes oder Metall als Pulver oder Fasern dadurch gekennzeichnet, dass es als weiteren Füllstoff lamellaren Eisenglimmer enthält.
  2. Elektrisch leitfähiges organisches Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenwiderstand in Abhängigkeit von Gewichtsprozenten des elektrisch leitfähigen Füllstoffes eine geringere Kurvensteigung aufweist als ohne Zusatz von lamellaren Eisenglimmer oder eines anderen elektrisch neutralen Füllstoffes.
  3. Elektrisch leitfähiges organisches Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zustandsänderung wie Temperatur oder Deformation des elektrisch leitfähigen organischen Materials mit dem Füllstoff lamellarer Eisenglimmer eine geringere reproduzierbarere Änderung der Volumenwiderstandskurve erfolgt als bei einem elektrisch leitfähigen organischen Material ohne lamellaren Eisenglimmer.
  4. Elektrisch leitfähiges organisches Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff lamellarer Eisenglimmer die Gefahr von Hot Spots in Anwendungen wie Heizfolien oder Heizlacken reduziert.
  5. Verwendung des elektrisch leitfähigen organischen Materials, gefüllt mit lamellaren Eisenglimmer nach Anspruch 1 sind z. B. • elektrisch leitfähige Schrumpf-Kabelgarnituren • Sicherungen auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere • elektrisch leitfähige Polymere für Heizanwendungen • elektrisch leitfähige Kleber • Deformationssensoren auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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ES2847312A1 (es) * 2020-02-01 2021-08-02 Centro Tecnologico Vidres S L Producto anti-estatico de gres porcelanico, composicion y uso

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