DE102014211122A1 - Elektrisch definiert leitfähiges Multifunktionsband, Verfahren zur Herstellung und Verwendung dazu - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektrisch definiert leitfähiges Multifunktionsband zur Anwendung als Bandage bei elektrischen Kontaktierungen in der Elektronik / Leiterplattentechnik, bei Schleifkontakten und/oder bei Funktionsschichten zum Ausgleich elektrischer Potentiale in der Mittel- und Hochspannungstechnik. Der hier erstmals beschriebene Einsatz von nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen (Carbon-Nanotubes und/oder Graphenen) teilweise in Kombination mit Co-Füllern auf Basis von metalloxidischen Glimmerpartikel, Kohlenstoff-Kurz- oder Langfasern, Graphit, expandiertem Graphit, Ruß sowie elektrisch isolierenden Partikeln ermöglicht eine höchsteffiziente auf einen definierten Leitfähigkeitsbereich einstellbare Formulierung zur Beschichtung oder Imprägnierung.
Description
- Die Erfindung betrifft ein elektrisch definiert leitfähiges Multifunktionsband zur Anwendung als Bandage bei elektrischen Kontaktierungen in der Elektronik / Leiterplattentechnik, bei Schleifkontakten und/oder bei Funktionsschichten zum Ausgleich elektrischer Potentiale in der Mittel- und Hochspannungstechnik.
- Ein Multifunktionsband nach dem Stand der Technik ist mit einer Harzformulierung beschichtet, imprägniert und/oder getränkt, und weist so einen, für den antistatischen Bereich passenden spezifischen Oberflächenwiderstand im Bereich zwischen 102 und 106 Ω/sq auf.
- Bislang werden dafür Lackharze mit leitfähigen Partikeln, wie beispielsweise mikroskaliger Kohlenstoff (z.B. Leitruß, Graphit) oder leitfähige beschichtete Glimmer und/oder Metallpartikel wie modifizierte Silber- und/oder Kupferpartikel eingesetzt.
- Aus der Druckschrift
US2004/0028859 A1 - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektrisch definiert leitfähiges Multifunktionsband zu schaffen, das einen spezifischen elektrischen Oberflächenwiderstand im Bereich von 102 bis 106 Ω/sq hat. Bevorzugt weist das Multifunktionsband eine Verarbeitbarkeit auf, die das Herstellen einer Bandage begünstigt.
- Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen und der Beschreibung offenbart wird, gelöst.
- Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Multifunktionsband, das mit einer elektrisch definiert leitfähigen Formulierung imprägniert oder beschichtet ist und zum Ausgleich elektrischer Potentiale in der Mittel- und Hochspannungstechnik verwendbar ist, wobei das Multifunktionsband ein Bandsubstrat mit einer ein- oder beidseitigen Beschichtung aufweist, wobei die Imprägnierung oder Beschichtung durch eine Formulierung herstellbar ist, die ein gefülltes Harz ist, wobei der Füllstoff zumindest eine erste Füllstoff-Fraktion in einer Menge von 0,01 bis 5 Gew%, insbesondere 0,1 bis 2 Gew% umfasst, wobei diese erste Füllstoff-Fraktion elektrisch leitfähige Partikel mit einem Aspektverhältnis von größer 10, insbesondere von größer 100 enthält und zumindest eine Größen-Dimension dieser leitfähigen Füllstoff-Partikel im Bereich von 1 bis 100 nm, insbesondere im Bereich von 1 bis 50 nm und ganz bevorzugt im Bereich von 5 bis 20 nm, liegt, mit der Option, dass dieser erste Füllstoff in Kombination mit einem zweiten, größeren, insbesondere Dimensionen im Bereich von Mikrometer aufweisenden, also mikroskaligen, Füllstoff im Epoxidharz vorliegt und dabei eine elektrische Leitfähigkeit des Multifunktionsbandes bewirkt, die im Bereich von 102 bis 106 Ω/sq liegt.
- Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt die zweite Füllstoff-Fraktion mit einer Partikelgröße im Bereich von 1 bis 700 µm, insbesondere von 10 bis 500, bevorzugt im Bereich von 2 bis 50 µm und besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 20 µm vor. Dies insbesondere auch in einer Menge von 0 bis 60 Gew%, insbesondere von 1 bis 50 Gew%.
- Als „definiert leitfähig“ wird hier bezeichnet, dass ein spezifischer Oberflächenwiderstand des Multifunktionsbandes im Bereich von 102 bis 106 Ohm/square erzeugt werden kann.
- Für die hier angedachte Anwendung als Potentialausgleichsschicht sind keine Spitzenleitfähigkeiten im metallischen Bereich erforderlich, sondern eine antistatische und vor allem eine in engen Grenzen definierbare, also vorgebbare Oberflächenleitfähigkeit im Bereich 102 bis 105, bevorzugt 103 bis 104 Ω pro square.
- Das Bandsubstrat hat vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 2000 µm. Die Länge und Breite des Bandsubstrates kann anwendungsabhängig variieren von wenigen Millimetern in der Breite bis zu einigen 100 Metern in der Länge mit allen möglichen Breiten- und Längenabmessungen dazwischen.
- Als Material für das Bandsubstrat eignen sich anorganische und organische Faserstrukuren bestehend beispielsweise aus Glasfasern, Baslatfasern, keramische Fasern, Aramidfasern oder Polyesterfasern sowie anorganische und organische Vliese aus gleichen Materialien Alternativ kann das Bandsubstrat eine Kunststofffolie sein (z. B. Polyamid, Polyesterterephthalat, Polyesternaphthalat, Polyimide, Polyetherketon, Polysulfon, Polyethersulfon) die mit der Leitschicht beschichtet ist.
- Die Beschichtung / Imprägnierung des Multifunktionsbandes kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Zum einen kann eine doppel- / einseitige Beschichtung und zum anderen eine komplette Imprägnierung des Bandsubstrates mit dem partikulär modifizierten Harz erfolgen.
- Als komplette Imprägnierung wird beispielsweise bezeichnet, dass das unbehandelte, unbeschichtete oder trockene Bandsubstrat, beispielsweise Glasfasersubstrat, in einem Tauchprozess komplett mit der Harzformulierung benetzt, beschichtet und/oder behandelt wird.
- Bevorzugt wird das Band mit einem Harz/Partikelsystem imprägniert/beschichtet, welches durch eine Teilkonsolidierung in den B-Zustand (Teilaushärtung) gebracht wird und nach der Applikation thermisch und/oder durch Bestrahlen komplett gehärtet wird.
- Als „Teilkonsolidierung“ wird hier der im englischsprachigen Raum als „B-Stage“ bezeichnete Zustand benannt, dies ist grundsätzlich ein Härtungszustand der Harzformulierung, der zwischen dem unvernetzten, also flüssigen und niederviskosen Zustand des Harzes – beispielsweise bei einer Viskosität kleiner 50 Pas bevorzugt 10 Pas – und dem vernetzten und festen Zustand liegt.
- Nach einer bevorzugten Herstellungsmethode des Multifunktionsbandes ist es wichtig, möglichst geringe Füllmengen, beispielsweise als Nanotechnologie, einzusetzen, um die Klebrigkeit des Bandes bei der Erzeugung der Bandage, also einer Wicklung des Bandes um eine Leiter und/oder eine entsprechende elektrische Struktur, zu gewährleisten.
- Eine weitere Applikationsmöglichkeit ist es, ein bereits mit einem elektrisch isolierenden Standardharz, beispielsweise auf Basis Epoxidharz oder Polyesterharz, im B-Härtungszustand imprägniertes oder beschichtetes Bandsubstrat mit einer Überbeschichtung auf Basis einer wässrigen und/oder lösemittelhaltigen Leitpartikeldispersion überzubeschichten, so dass bei einer Wickelapplikation des Bandes die einzelnen Bandschichten besonders gut miteinander verkleben, thermisch „Verschmelzen“ und/oder anhaften.
- Bevorzugt wird dabei als Leitpartikeldispersion eine CNT-Dispersion verwendet, die eine CNT-Konzentration von 0,2 bis 5 Gew.%, bevorzugt 0,5 bis 2 Gew.-% in Wasser und/oder Lösemittel beinhaltet. Die Schichtdicke dieser gehärteten, also konsolidierten Überbeschichtung liegt im Bereich von 1 bis 500 µm, bevorzugt 10 bis 100 µm.
- Die „gesamte Dicke“ des Multifunktionsbandes im fertigen Zustand, bei der Ausbildung der Bandage, beträgt vorzugsweise über 70µm, insbesondere über 100µm und insbesondere bevorzugt über 500µm.
- Beispielsweise liegt diese „gesamte Dicke“ im Bereich zwischen 100µm und 5000 µm, insbesondere zwischen 100µm und 2000µm.
- Die Beschichtung zur Einstellung der definierten Leitfähigkeit des Multifunktionsbandes mit der Harzformulierung liegt beispielsweise im Bereich der „gesamten Dicke“ des Multifunktionsbandes, insbesondere wenn eine Komplettimprägnierung vorgenommen wurde.
- Bei einseitiger Beschichtung kommt beispielsweise Schichtdicken wie oben in Betracht, wobei die Überbeschichtung in der Regel etwas dünner, also beispielsweise kleiner 50% der Beschichtungsschichtdicke ist.
- Beispielsweise liegen im fertigen Multifunktionsband prozentuale Gewichtsverhältnisse Bandsubstrat: Beschichtung im Bereich von ca. 10–0,1 vor
- Im fertig konsolidierten Band liegen die Wiederstände bevorzugt bei 5–25 kOhm/sq wie oben näher erläutert.
- Das Harzmaterial ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der Epoxidharze, insbesondere Bisphenol A und Bisphenol F. Als Harzmaterialien kommen aber auch Polyurethane, Silikone, Polyester, ungesättigte Polyester, Acrylate und/oder Polyimide in Frage.
- Die erste Füllstoff-Fraktion hat geometrische Partikelabmessungen im Nanometer-Bereich und liegt beispielsweise in Faserform vor. Dabei handelt es sich bevorzugt um Carbon-Nanoröhrchen und/oder Graphene, wobei erstere als Multiwall Carbonnanotubes (MWCNT) oder als Singlewall Carbonnanotubes (SWCNT) ausgebildet sein können. Diese Nanoröhrchen können auch kombiniert mit anderen Partikeln, deren Umfang zumindest in einer Dimension im Bereich von 1 bis 100 nm liegt, vorliegen.
- Bei Imprägnierung oder Beschichtung hat das noch unvernetzte, also nicht ausgehärtete, auch nicht im B-Zustand vorliegende Harzsystem beispielsweise eine Viskosität im Bereich kleiner 50 Pas, insbesondere kleiner 10Pas bei Raumtemperatur und Normalbedingungen. Die erste Füllstoff-Fraktion mit den oben genannten Nanometer-Maßstab-Partikeln liegt in einer Menge von nicht über 20 Gew%, bevorzugt unter 10 Gew% und insbesondere bevorzugt unter 5 Gew% vor. Beispielsweise liegt die zweite Füllstoff-Fraktion in einer Menge von kleiner 4; kleiner 3,5; 2,4; 1,3 und/oder 0,5 Gew% vor.
- Die zweite, mikroskalige Füllstoff-Fraktion, die relativ große Partikel umfassen kann, kann sowohl elektrisch leitend als auch nicht elektrisch leitend sein, sowie alle Zwischenzustände zwischen elektrisch leitend und nicht leitend annehmen oder aus einer Mischung von elektrisch leitfähigen und nicht elektrisch leitfähigen Partikeln umfassen.
- Die Partikel dieser zweiten Füllstoff-Fraktion können hohl, massiv oder porös sein. Beispielsweise sind die Partikel der zweiten Füllstoff-Fraktion kugel- oder plättchenförmig. Die Partikel der zweiten Füllstoff-Fraktion können beispielsweise beschichtet sein, beispielsweise können hier mineralische Füllstoffe mit leitfähigen Beschichtungen, insbesondere auch mit leitfähig dotierten Beschichtungen zum Einsatz kommen.
- Beispielsweise werden Glimmer, beschichtete Glimmer und/oder Glaskugeln als Füllstoffe der zweiten Füllstofffraktion eingesetzt. Bei den mineralischen Glimmer-Füllstoffen ist ein Handelsprodukt der Firma Merck besonders bevorzugt, bei dem mit Antimon-dotiertem Zinnoxid beschichtete Glimmer-Plättchen eingesetzt werden.
- Die zweite Füllstoff-Fraktion liegt in der Formulierung zur Beschichtung des Bandsubstrates beispielsweise in einer Menge von 1 bis 60 Gew% vor, bei massiven oder porösen Partikeln bevorzugt in einer Menge von 30 bis 60 Gew%, bevorzugt 30 bis 50 Gew% bei den hohlen oder porösen Partikeln entsprechend in einer kleineren Menge an Gew%, beispielsweise von 1 bis 45, bevorzugt in einer Menge von 10 bis 25 Gew%, je nach Masse der Partikel, vor.
- Beispielsweise kann man eine Formulierung zum Imprägnieren eines Multifunktionsbandes herstellen, in dem man Carbon Nanotubes und/oder Graphene in einem typischen Epoxidlacksystem auf Basis Bisphenol A oder Bisphenol F diglycidylether mit einem Volumenfüllgrad von weniger als 2 Volumen% auf eine elektrische Leitfähigkeit bis über 10–4 S/cm einstellt.
- Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass selbst eine ganz geringe Menge an der kleinen Füllstoff-Fraktion ausreicht um erhebliche Effekte in der Beschichtung zu erzielen.
- Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einiger Beispiele, die Ausführungsformen der Erfindung betreffen, näher erläutert:
Beispiel: Epoxidharzsystem mit CNTs und als Variante cogefüllt mit beschichtetem Glimmer:
In ein Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A oder Bisphenol F (z. B. Huntsman LY 556) oder Mischungen beider Typen wird zunächst Leitglimmer vom Typ Minatek M40 händisch eingearbeitet oder über Dissolver, Speedmixer dispergiert. Typische Konzentrationen von M 40 liegen im Bereich 20–60 Gew. %. Die Vernetzung der Harz-Minatek-Mischung erfolgt durch aminische oder säureanhydridische Härtersysteme. Für eine 30%-ige Mischung aus Epoxidharz und Minatek ergibt sich ein Oberflächenwiderstand von größer 1013 Ohm/sq. Arbeitet man zusätzlich in die 30%-ige Epoxidharz/M40-Mischung 0,2 Gew.% Carbon Nanotubes (CNT) vom Typ Nanocyl NC 7000 ein, so ergibt sich ein Oberflächenwiderstand von ca. 105 Ohm/sq. Der Widerstand einer 0,2%-igen CNT-Harzmischung ohne M40 liegt bei etwa 107 Ohm/sq. Durch die synergistische Wirkung beider Füllstoffe in Kombination wird der Oberflächenwiderstand um 2 Größenordnungen gesenkt. Die Einarbeitung der CNTs erfolgt bevorzugt durch eine Walzwerkeinarbeitung. Weitere Verfahren sind Dissolver oder Kugelmühle. - Wird in das Epoxid der glimmerbasierte Füllstoff M40 mit einer Konzentration von 35 Gew.% eingearbeitet, so entsteht ein Widerstand von ca. 109 Ohm/sq, mit einer Co-Füllung zusätzlich mit 0,5 Gew.-% CNT NC 7000 liegt der Widerstand bei ca. 104 Ohm/sq. Die 0,5%-ige CNT-Füllung liegt bei einem Widerstand von etwa 106 Ohm/sq.
- Durch Verwendung verschiedener Additive werden Synergieeffekte in Bezug auf die Leitfähigkeit erzielt. In ersten Versuchen lagen die Verbesserungen des Quadratflächenwiderstandes bei 2 Zehnerpotenzen. Außerdem kann durch die Erfindung der Füllstoffgehalt reduziert werden, was neben einer Materialkosteneinsparung auch die Verarbeitbarkeit der Dispersionen, wie geringere Viskositäten bewirkt und die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes (geringere Sprödigkeit) deutlich verbessert.
- Bei einem Knicken des Bandes kann das Abplatzen von leitfähigem Imprägniermaterial verhindert werden und damit eine unkontrollierte Kontamination der elektrischen Maschinen.
- Die Figuren zeigen Diagramme, die die beschriebenen Synergieeffekte verdeutlichen. Es werden die Quadratflächenwiderstände von Epoxidharzformulierungen zur Beschichtung des Bandsubstrates 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).
-
1 zeigt die gemessenen Widerstände EP (Epoxidharz bisphenol A/F) mit Minatek 40 glimmerbasierten Füllstoff und Nanocyl 7000, bei verschiedenen Füllstoffgehalten jeweils einzeln und kombiniert vorliegend, wobei bei der Kombination der Synergieeffekt durch den im Perkolationsbereich vorliegenden Füllstoff der zweiten Füllstoff-Fraktion nachweisbar wird. -
2 zeigt einen ähnlichen Effekt bei der Hybridfüllung von nichtleitenden Glaskugeln als Partikel der größeren Füllstoff-Fraktion mit Carbonnanotubes (CNTs) als Partikel der kleineren Füllstoff-Fraktion. -
3 schließlich zeigt den ähnlichen Effekt bei der Verwendung von Leitruß (Carbon Black, CB) als Partikel der größeren Füllstoff-Fraktion mit Carbonnanotubes (CNTs) als Partikel der kleineren Füllstoff-Fraktion. - Die Tabelle in
4 zeigt exemplarisch, welche leitfähigen Füllstoffe für die erste und zweite Füllstoff-Fraktion einsetzbar sind. - Der hier erstmals beschriebene Einsatz von metalloxidischen Glimmerpartikel in Kombination mit Kohlenstoff-Kurz- oder Langfasern, Graphit, expandiertem Graphit, Ruß, Carbon-Nanotubes und/oder Graphenen ermöglicht eine höchsteffiziente auf einen definierten Leitfähigkeitsbereich einstellbare Lösung. Die erwünschte Leifähigkeit wird beispielsweise über den Grad der Dotierung der Partikel der größeren Füllstoff-Fraktion definiert und gleichzeitig die Perkolationsschwelle – und dadurch die Gesamtfüllstoffmenge – durch den kohlenstoffbasierten Füllstoff der zweiten Füllstoff-Fraktion herabgesetzt.
- Die Erfindung betrifft ein elektrisch definiert leitfähiges Multifunktionsband zur Anwendung als Bandage bei elektrischen Kontaktierungen in der Elektronik / Leiterplattentechnik, bei Schleifkontakten und/oder bei Funktionsschichten zum Ausgleich elektrischer Potentiale in der Mittel- und Hochspannungstechnik. Der hier erstmals beschriebene Einsatz von nanoskaligen Kohlenstoffstrukturen (Carbon-Nanotubes und/oder Graphenen) teilweise in Kombination mit Co-Füllern auf Basis von metalloxidischen Glimmerpartikel, Kohlenstoff-Kurz- oder Langfasern, Graphit, expandiertem Graphit, Ruß sowie elektrisch isolierenden Partikeln ermöglicht eine höchsteffiziente auf einen definierten Leitfähigkeitsbereich einstellbare Formulierung zur Beschichtung oder Imprägnierung
- 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
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- US 2004/0028859 A1 [0004]
Claims (11)
- Multifunktionsband zum Ausgleich elektrischer Potentiale in der Mittel- und Hochspannungstechnik, dessen elektrische Leitfähigkeit definiert einstellbar ist, weil es ein Bandsubstrat umfasst, das mit einer Formulierung imprägniert und/oder zumindest einlagig ein- oder beidseitig beschichtet ist, wobei eine erste Beschichtung durch eine Formulierung, die ein gefülltes Harz ist, herstellbar ist, wobei der Füllstoff zumindest eine erste Füllstoff-Fraktion in einer Menge von 0,01 bis 5 Gew%, insbesondere 0,1 bis 2 Gew% umfasst, wobei diese erste Füllstoff-Fraktion elektrisch leitfähige Partikel mit einem Aspektverhältnis von größer 10, insbesondere von größer 100 enthält und zumindest eine Größen-Dimension dieser leitfähigen Füllstoff-Partikel im Bereich von 1 bis 100 nm, insbesondere im Bereich von 1 bis 50 nm und ganz bevorzugt im Bereich von 5 bis 20 nm, liegt, mit der Option, dass dieser erste Füllstoff in Kombination mit einem zweiten, größeren, insbesondere Dimensionen im Bereich von Mikrometer aufweisenden, Füllstoff im Harz vorliegt und dabei eine elektrische Leitfähigkeit des Multifunktionsbandes bewirkt, die im Bereich von 102 bis 106 Ω/sq liegt.
- Multifunktionsband nach Anspruch 1, wobei das Bandsubstrat aus einer anorganische und organische Faser- oder Vliesstruktur besteht, alternativ als Kunststofffolie ausgeführt ist.
- Multifunktionsband nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Harzmaterial der ersten Beschichtung ausgewählt ist aus der Gruppe der Epoxidharze, insbesondere Bisphenol A und Bisphenol F, der Polyurethane, der Silikone, der Polyester, wie beispielsweise der ungesättigten Polyester, der Acrylate und/oder Polyimide.
- Multifunktionsband nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Formulierung für die erste Beschichtung die Partikel der zweiten Füllstoff-Fraktion elektrisch leitend sind oder eine Partikelmischung umfassen, in der elektrisch leitfähige Partikel enthalten sind.
- Multifunktionsband nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der ersten Beschichtung die Partikel der zweiten Füllstoff-Fraktion hohl sind.
- Multifunktionsband nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei das Bandsubstrat zumindest eine zweite Beschichtung oder Imprägnierung aufweist.
- Multifunktionsband nach Anspruch 6, wobei die zweite Beschichtung dünner als die erste Beschichtung ist.
- Multifunktionsband nach Anspruch 6 oder 7, wobei die zweite Beschichtung durch eine Leitpartikeldispersion auf Basis von Wasser und/oder Lösemittel herstellbar ist.
- Multifunktionsband nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Überbeschichtung eine nanoskalige Kohlenstoff-Dispersion auf der Basis von Carbon Nanotubes oder Graphenen in Wasser und/oder Lösemitteln umfasst.
- Verfahren zur Herstellung eines Multifunktionsbandes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Bandsubstrat mit einer gefüllten Harzformulierung ein- oder beidseitig beschichtet oder imprägniert, danach die Beschichtung oder Imprägnierung bis zum B-Zustand angehärtet wird und danach eine weitere Beschichtung des bereits im B-Zustand beschichteten oder imprägnierten Bandes mit einer Überbeschichtung ebenfalls durch ein- oder beidseitiges Beschichten oder Imprägnierung erfolgt.
- Verwendung eines Multifunktionsbandes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung einer Bandage, also einer Wicklung des Bandes um einen Leiter und/oder eine entsprechende elektrische Struktur.
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