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B E S C H R E I B U N G betreffend "Gegenstände aus leitenden Thermoplasten".
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PRIORITÄT: 28. November 1967 - Großbritannien Die Erfindung bezieht
sich auf Gegenstände aus leitenden Thermoplasten und auf ein Verfahren zur Herstellung
derselben.
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Es sind bereits umfangreiche Untersuchungen durchgeführt worden, um
zu versuchen, die elektrische Leitfähigkeit mit den guten mechanischen Eingenschaften
von organischen thermoplastischen Massen zu kombinieren, welche unveränderlich gute
Isolatoren sind. Ein leitfähiges, sich gut aus der Schmelze verfombares leichtes
Material ist von grosem Vorteil zur Horstellung
von tragbaren Gegenständen,
welche sich bei Gebrauch elektrisch auf laden, beispielsweise Behälter, welche mit
Granalien, Pulvern oder glatten Papierstreifen gefüllt werden, insbesondere wenn
diese Behälter in der Nahe von elektronischen Apparaturen gehandhabt oder abgelegt
werden.
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In der französischen Patentschrift 1 305 140 sind leitende Termoplaste
beschrieben, welche dadurch hergestellt werden, daß ein leitender Füllstoff einem
Thermoplast zugesetzt wird um eine Masse des thermoplastischen Stoffes zu ergebene
welche di Teilchen des leitenden Füllstoffes, der in diesem Falle aus Ruß besteht,
gleichmässig in der Masse verteilt enthält.
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Solche Materialien, die ihre Leitfähigkeit einer Dispergierung eines
leitenden Füllstoffes in der Thermoplastmasse verdanken, erfordern, daß. der Füllstoff
in einer hohen Konzentration vorliegt, weil anderenfalls das thermoplastische Material
die.
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Granalien des Füllstoffes einfach einhüllt und sie gegen benachbarte
Granalien isoliert, so daß aug diese Welse der isolierende Charakter der Thermoplaste
beibehalten wird. Durch hohe Konzentrationen an dem Füllstoff werden jedoch die
physi kalischen, insbesondere die mechanischen Eigenschaften des Thermoplastes nachteilig
beeinflußt. Mit ansteigender Konzentrat ion an dem Füllstoff werden die Thermoplaste
insbesonders brüchigen, 80 daß sie ich weniger gut als Material zur Her-
Stellung
von Behältern verwenden lassen.
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Es ist weiterhin bekannt, pulverisierten Kohlenstoff organischen Thermoplasten
als Pigment oder Stabilisator in geringen Konzentrationen zuzusetzen, jedoch ist
es fUr diesen Zwack nicht erforderlich, daß die Teilchen einander berühren, während
zur Erreichung einer Leitfähigkeit die Teilchen in elektrischen Kontakt miteinander
stehen sollten.
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Die Erfindung schlägt nunmehr elektrisch leitende Gegenstände aus
Thermoplasten vor, welche eine körnige Struktur besitzen und die aus einem nicht-leitenden
organischen thermoplastischen Material bestehen, dem eine geringe Menge eines anderen
organischen thermoplastischen Materials einverleibt ist, wobei dieses weitere thermoplastisch
Material mindestens 20 % und vorzugsweise 30 bis 50 Gew.-% an einem oder mehreren
leitenden FUllstoffen enthält. Unter einer gekörnten Struktur oder "körnig" wird
eine Struktur verstanden, in der eine geringe Menge. eines gefüllten thermoplastischen
Materials in der Masse in Form von Streifen oder Säumen vorhanden ist, die in einer
Hasse des nichtleitenden thermoplastischen Materials vorhanden sind. Der Querschnitt
eines solchen Materials ist in seinem Aussehen der Maserung von Holz nicht unähnlich.
Unter dem Ausdruck gleitende Fullstoffe" werden hauptsächlich Ru£arten, einschließlich
pul
verisiertem Graphit verstanden, wobei jedoch auch Metallpulver
oder Materialien, wie Germanium und imprägniertes Silicium eingeschlossen sein soll,
die bisweilen als halb-leitende Stoffe bezeichnet werden. Es ist einleuchtend, daß
durch die Stränge des gefüllten thermoplastischen Materials, die durch die Masse
des nicht-leitenden Materials hindurchlaufen, leitende Zonen oder Bahnen gebildet
werden, durch die eine elektrostatische Auf ladung abgeleitet werden kann, während
die Masse selbst als nicht-gefUlltes thermoplastisches Material vorliegt, und so
die brauchbaren mechanischen Eingenschaften des ungefüllten Materials beibehält
Durch die Erfindung wird weiterhin ein Verfahren ur Herstellung von leitenden Gegenständen
aus thermoplastischen Materialien vorgeschlagen, welche eine körnige Struktur aufweisen,
indem eine Mischung von Granalien von nicht-leitendem organischen plastischen Material
mit Granalien eines weiteren organi schen plastischen Materials, das mehr als 20
Gew.-% und vorzugsweise 30 bis 50 Gew.-% eines leitenden Füllstoffes enthält, einem
Schmelzformverfahren unterworfen wird, wobei die Komponenten der Mischung keine
weitere wesentliche Vermischung ertabren, wenn sie in geschmolzenem Zustand vorliegen.
Geeignete Schmel@-formverfahren sind hierbei Druckverformen und Spritzgzßvererbeitung,
wobei die Förderung und das Auspressen durch Anwendung
eines Kolbens
erfolgt, Die nicht-leitenden Granalien werden mit den Granalien des gefüllten Kunststoffes
durch irgendeine der üblichen Mischtechniken vermischt, beispielsweise durch Umwälzen.
Oberraschenderweise wird durch dieses Verfahren nicht nur ein gekörnter Gegenstand
erzelt, sondern die Intensität der Körnung (d.h. die Anzahl der Strenge des leitenden
thermoplastischen Materials, die innerhalb eines bestimmten Volumens der Struktur
des Gegenstandes enthalten sind) ist am hdchstens in der Nähe der Oberfläche des
Gegenstandes, d.h. dort , wo sie unbedingt erforderlich sind, um eine elektrostatische
Oberfläcnenladung abzuleiten. Auf diese Weise ist es möglich, daß verhältnismässig
niedrige Prozentgehalte an dem leitenden thermoplastischen Material zur Herstellung
der Gegenstände verwendet werden können und trotzdem eine dichte Körnung in der
Nähe der Oberfläche des Gegenstandes geliefert wird, während ein Kern aus im wesentlichen
nicht-leitendem thermoplastischen Material verbleibt, -in dem die mechanischen Eigenschaften
dieses Materials nicht in beträchtlichem Ausmaß durch das Vorhandensein der grossen
Mengen an dem gefUllten thermoplastischen Material beeinflußt werden Naturgemäß
wird es vorgezogen, daß der leitende Füllstoff eine flojl Leitfähigkeit besitzt.
Metallpulver haben an sicn ausg.-zeichnete Leitfähigkeitseigenschaften, jedoch förden
viele derselben
wie beispielsweise Eisen und Kupfer unglücklicherweise
den Polymerisatabbau. Andere jedoch, wie Zinn- oder Aluminiumpulver, können in befriedigender
Weise zugesetzt werden und sogar Metalle, die an sich eine Abbaubewirkung besitzen,
wenn das thermoplastische Material eine ausreichende Menge an einem den Abbau verhindernden
Stabilisator enthält. Obwohl halbleitende Metalloide, wie Germanium, Indium oder
imprägniertes Silicium kostspielig sind, so können sie doch praktische Bedeutung
haben, wenn die körnigen Gegenstände gemäß der Erfindung als elektrische Komponenten
verwendet werden Die verschiedenen Typen von Kohlenstoffruß besitzen gute LeitTähigkeitseigenschaftsn
und sie sind billig, so daß sie brauchbare gleitfähige Materialien für die Verwendung
gemäß der Erfindung darstellen. Verschiedene Rußtypen sind im Handel verfügbar,
wie Kanalruß, LAmpenruß, Ofenruß, pulverisierter Grapnit und Acetylenruß und diese
können sämtlich in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden. Pulverisierter
Graphit und die fasrigen Kohlenstoffe, wie Acetylenrub, werden jedoch bevorzugt.
Die fasrige Natur von Acetylen;.;uß ermöglicht die Verwendung geringerer Kohlenstoffkonzentrationen
um zu einer leitenden Stoffzusammensetzung mit einer bestimmten Leitfähigkeit zu
gelangen.
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Es wird virgezogen, daß die Konzentration an Füllstoff in dem gekörnten
Gegenstand nicht mehr als 10 Gew.-8 des betreffenden
Gegenstandes
beträgt, obwohl die obere Grenze dieser Konzentration durch die mechanischenund
nicht durch die elektrischen Eigenschaften bestimmt wird, welche von dem Gegenstand
gefordert werden, und die obere Grenze wird durch den jeweiligen Gebrauch des Gegenstandes
bestimmt. Für Behälter wird es vorgezogen, daß die Konzentration nicht mehr als
5 % beträgt, insbesondere da solche Gegenstände, welche 5 % Ruß enthalten, Leitfähigkeitswerte
der Grössenordnung von 10-9 mhos. cm besitzen. Die untere Grenze der Konzentration
wird durch die Leitfähigkeit des Füll stoffes und die Konzentration desselben in
dem mit dem Füllstoff versetzten Material bestimmt. Wenn Acetylenruße als Füllstoff
verwendet werden, so werden bei Konzentrationen bis herunter zu 0,1 GewO-% Kohlenstoff
in dem Gegenstand Leitfähigkeiten von 10-11 mhos. cm erhalten. Der bevorzugte Bere.ich
der .Sohlenstoff konzentration in den Gegenständen liegt also zwischen O:{ bis 5
%.
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Da Polymerisatmischungen von zwei Polymerisaten, gleichgültig ob diese
Füllstoffe enthalten oder nicht. Ändeungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften
im Vergleich mit nicht-vermischtem Material erleiden, ist es einleuchtend, daß es
vorgezogen wied, eine bestimmte Füllmittelkonzentration in der Stoffzusammensetzung,
aus dem die Struktur des Gegenstandes hergestellt werden soll, dadurch zu erreichen,
daß eine geringe Menge des einen
hohen FUllstoffanteil enthaltenden
leitfähigen Materials eingemischt wird, anstatt eine grosse Menge von einen geringen
Füllstoffanteil besitzendem Material zu verwenden. In jedem Fall soll das Füllmittel,
gleichgültig welcher Art es ist. in dem leitfähigen Material in einer Menge von
mindestens 20 Gew. z vorliegen, da die Leitfähigkeit von den miteinander in Berührung
stehenden oder dicht beieinander liegenden Füllmittelgranalien abhängt und mit dem
Grad der erreichbaren Berührung anwächst, Der Grad der gegenseitigen Berührung hängt
auch von der Grösse und der Form der Füllmittelteilchen ab und aus diesem Grunde
sind fasrige Füllmittelteilchen besser als Granalien, obwohl Granalien in Form von
pulverisiertem Graphit billiger sind als fasrigerAcetylenruß und aus diesem Grunde
bevorzugt angewendet werden.
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Die Erfindung ist besonders brauchbar in der Anwendung auf thermoplastische
Materialien, insbesondere die billigeren Ma terialien, wie Polyolefine, beispielsweise
Polyäthlylen, Poly propylen, Polybuten oder ihre Mischpolymerisate oder Polyvinylchlorid,
das gewöhnlich zur Herstellung von Behältern verwendet wird.
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Die Erfindung ist in dem folgenden Beispiel näher erläutert.
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BEISPIEL Es wurden zwei Massen von Granalien hergestellt durch gemeinsamens
Umwälzen von Polypropylengranalien mit Granalien aus Polyäthylen, welche 30 GewO"t
Acetylenruß enthielten. Die er haltenen Massen enthielten 6 2/3 und 16 2/3 Gew.-%
der mit dem Kohlenstoff gefüllten Polyäthylengranalien.
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Proben dieser beiden Massen wurden dann in einer Kolbenpresse verformt,
und zwar zu einen zentralen Einguß aufweisenden Platvon von 114,3 mm Durchinesser
und :3,2 mm Stärke.
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Aus diesen Platten wurde dann ein Streifan mit rechteckigem Qwerschnitt
von 3,2 mm Kantenlänge in Richtung des Kornverlaufs ausgeschnitten und dünne Elektroden
wurden an die Enden der Streifen mit Hilfe eines leitfähigen Klebstoffes angeklebt.
Der elektrische Widerstand des Streifens wurde dann mit einem Meghometer gemessen,
Dieser Widerstand wurde auf einen spezifischen Widerstand reduziert durch Multiplizieren
mit dem Faktor A/I werin A di eQuerschnittsfläche des Streifens und 1 die Länge
desselben bezeichnet.
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Der Oberflächenwiderstand der Massen wurde folgt bestimmt: Ein dünner
Zinnring und eine dünne Zinnscheibe, die in den Ring
hineinpasst
wurden konzentrisch auf eine Oberfläche der Platte aufgeklebt. Die Abmessungen des
Ringes und der Scheibe wurden derart gewählt , daß zwischen Scheibe und Ring ein
ringförmiger Zwischenraum verblieb und der Widerstand PA quer über den Zwischenraum
wurde gemessen5 Der Oberflächenwiderstand wurde dann nach folgender Gleichung errechnet:
In dieser Formel bezeichnet R1 den Radius der Scheibe, R2 den Innenradius des Ringes
r einen Radius des Kreisringes.
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Es wurden folgende Ergebnisse erzielt: %Poly- Kohlenstoff- Volumen-
Volumen- Ober- Oberäthylen gehalt der Widerst. Leitfähig- flächen- flächenin der
Masse (Gew.- d.Masse keit der widerst. leit-Stoffzu- % d. Masse) ohm cm. Masse ohm
fähigkeit sammens. mhos cm. mhos (Gew.-% d.Masse) 6 2/3 % 2 % 1 x 1010 1 x 10-10
2 x 1011 5 x 10-12 16 2/3 % 5 % 5 x 108 2 x 10-9 3 x 107 3,3 x 10-8
Unter
den gleichen Bedingungen besitzen nicht-gefüllte Polyolefine Oberflächenwiderstandswerte
der Grössernordnung von 1019 ohm cm, was Leitfähigkeitswerten von etwa 10-19 mho
cm entspricht und die Oberflächenwiderstandswerte betragen etwa 1016 ohm, was Leitfähigkeitswerten
von etwa 10-16 mho entspricht.
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PATENTANSPRÜCHE: