DE19726976A1 - Biegsamer, leitfähiger, flächiger Körper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Biegsamer, leitfähiger, flächiger Körper und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen biegsamen, leitfähi­ gen, flächigen Körper, wie Folie, Band u. ä.
Solche flächigen Körper, wie Folien, Bänder etc., werden beispielsweise als antistatische, endlose Trans­ portbänder, flexible Flachkabel, zur elektromagneti­ schen Abschirmung, zum Hitzeschutz, in der Hochspan­ nungstechnik in Form von beispielsweise leitfähigen Geweben und Vliesen und vergleichbaren Einsatzbereichen verwendet. Solche flächigen Körper müssen dabei ver­ schiedenste Anforderungen erfüllen. Sie müssen ausrei­ chend haltbar sein, wozu sie im Betrieb auftretenden Zug-, Druck- und Scherkräften beschädigungslos stand­ halten müssen. Die thermische Festigkeit muß gewähr­ leistet sein. Auftretende Wärme und elektrische Aufla­ dungen müssen abgeleitet werden können. Sie müssen aus­ reichend flexibel sein und eine hohe Wechselbiege­ festigkeit zur Vermeidung von Ermüdungsbrüchen unter Wechsellast aufweisen.
Foliendünne Metallkörper zeigen immer eine hohe Empfindlichkeit gegen Stöße und Knickbelastungen sowie geringe Widerstände gegen Weiterreißbelastungen, die auf das geringe elastische Formänderungsvermögen des Metalles zurückzuführen sind. Solche irreversiblen, plastischen Verformungen in einer flächendeckenden Me­ tallschicht schränken den Einsatz als hochbelastbare, flexible flächige Körper ein.
Zwar läßt sich dadurch die Knickempfindlichkeit senken und die Reißfestigkeit erhöhen, wenn der flächi­ ge Körper kaschiert wird, jedoch tritt im Dauergebrauch kaschierter, flexibler, flächiger Körper ganz allgemein immer das Problem auf, daß die Dehnungsverhältnisse und das Dehnungsverhalten der verbundenen Schichten unter­ schiedlich sind. So wird bei Einsatz kaschierter Bän­ der, bei denen Umlenkung und Geradlauf im schwellenden Wechsel erfolgen, die nach außen gewandte Schicht immer auf Zug und Entlastung beansprucht, wohingegen die in­ nenliegende Schicht gleichzeitig immer auf Stauchung und Entlastung belastet wird. Diese unterschiedlichen Längenverhältnisse müssen von dem Kaschierkleber ela­ stisch ausgeglichen werden. Darüber hinaus unterschei­ den sich die materiell verschiedenen äußeren und inne­ ren Schichten deutlich in ihrem Dehnungsverhalten. Dau­ erlauffähige, kaschierte flexible Körper werden nur erhalten, wenn möglichst große Umlenkradien vorliegen und die kaschierte Ware nicht allzu dick wird, weil sonst innere und äußere Bandlänge zu sehr differieren, und Klebstoffe eingesetzt werden, die mediierendes Deh­ nungsvermögen aufweisen. In der Regel stellt der Kleb­ stoff das schwächste Glied in dem Flächenverbund-system dar, so daß bereits eine örtliche Beschädigung zur Schälung und Dekaschierung führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen flächigen Körper der eingangs genannten Art anzugeben, der eine hohe Flexibilität, Festigkeit, thermische Festigkeit, Leitfähigkeit, Wechselbiegefe­ stigkeit, große Haltbarkeit und Dimensionsstabilität aufweist; ferner soll ein Verfahren zu seiner Herstel­ lung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß An­ spruch 1 gelöst.
Ein Verfahren zur Herstellung ist im Anspruch 14 angegeben.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung schlägt vor, einen Festigkeitsträ­ ger, beispielsweise ein Gewebe, Geflecht, Gewirke, Vlies o. ä., ein- oder beidseitig mit harten Beschich­ tungsmassen mit glatter Oberfläche, und zwar auf der einen Seite mit einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Metall, beispielsweise Kupfer, und gegebe­ nenfalls zusätzlich auf der anderen Seite mit einem elektrich nichtleitenden Material, vorzugsweise einem härtbaren Harz, beispielsweise Phenolharz, zu versehen. Der so beschichtete Festigkeitsträger bildet einen flä­ chigen Körper und wird auf konstante Dicke so abgerich­ tet, daß die erhabenen Stellen des Festigkeitsträgers zumindest auf der metallbeschichteten Seite noch hauch­ dünn von Metall überdeckt sind. Durch die durch das Nachbearbeiten (Abrichten) entstehenden Verjüngungs­ stellen der harten Beschichtungsmassen erhält der flä­ chige Körper die notwendige Flexibilität, andererseits bleibt ein hoher Kompressionswiderstand senkrecht zum Träger erhalten. Eine solche Ausbildung ist besonders vorteilhaft bei einem Gewebe als Festigkeitsträger, das Welligkeiten aufweist, welche bedingt sind durch die Garnumschlingungen, d. h. die Schuß- und Kettfaden-Kreuzungs­ punkte. Die höchsten Fadenerhebungen bleiben auf der Metallseite und gegebenenfalls auch auf der gegenüberliegenden Seite noch hauchdünn, beispielsweise etwa 5 bis 15 µm, beschichtet, so daß zunächst auf der einen Seite eine vollflächige, leitende Beschichtung erhalten bleibt, während zwischen den Fadenkreuzungs­ punkten die Hauptmenge des elektrisch leitenden Materi­ als (Metall) und gegebenenfalls des elektrisch nicht­ leitenden Materials lokalisiert ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert werden, die schema­ tisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen flexiblen Kör­ pers anhand seiner schrittweisen Herstellung zeigt.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Schnitt in Kettrich­ tung durch ein einkettiges einschüssiges Gewebe als Festigkeitsträger,
Fig. 2 den Festigkeitsträger nach Fig. 1 mit einseitig (vorderseitig) aufgetragener Metallschicht,
Fig. 3 den Festigkeitsträger nach Fig. 2 mit zusätzlicher Beschichtung auf der der Metallschicht gegenüberliegenden Seite (Rückseite) mit einem nichtleitenden Material,
Fig. 4 den Festigkeitsträger nach Fig. 3 mit abgerichteter vorderseitiger und rück­ seitiger Beschichtung zur Bildung eines flächigen, biegsamen, leitfähigen Kör­ pers und
Fig. 5 den flächigen Körper nach Fig. 4 im durch Biegen (Flexen) hervorgerufenen gebrochenen Zustand.
Gleiche Bauteile in den Figuren der Zeichnung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt einen Festigkeitsträger 2 in Form eines einkettigen einschüssigen Gewebes 4, wobei mit der Bezugsziffer 6 Kettfäden und mit der Bezugsziffer 8 Schußfäden bezeichnet sind. Für den Festigkeitsträger sind auch andere Gewebestrukturen, ferner Gewirke, Ge­ stricke, Geflechte und Vliese einsetzbar, die sämtlich Fadenkreuzungspunkte aufweisen.
Die Fadenkreuzungspunkte bedingen eine gewisse Welligkeit oder Unebenheit der Festigkeitsträgerober­ fläche. Das Gewebe 4 wird zur Bildung eines flächigen, biegsamen, leitfähigen Körpers 10 auf einer Seite (nachfolgend Vorderseite genannt) mit einer Metallbe­ schichtung 12 im Übermaß (Fig. 2, 3) und auf der gegen­ überliegenden Seite (nachfolgend Rückseite genannt) mit einem aus elektrisch nichtleitendem Material, vorzugs­ weise einem härtbaren Harz, wie Phenolharz, bestehenden Beschichtung 14 versehen (Fig. 3-5), wobei gegebenen­ falls Haftvermittler und Füllstoffe Verwendung finden können. Das Metall für die Metallbeschichtung 12 ist vorzugsweise Kupfer und kann durch geeignete Metalli­ sierungsverfahren, wie Metallspritzen, Bedampfen, Sput­ tern oder außenstromlose, elektrochemische Abscheidung aufgebracht werden.
Aufgrund der Fadenerhebungen der Schuß- und Kett­ faden-Kreuzungspunkte 16 ergibt sich eine Welligkeit der Oberfläche der vorderseitigen Metallbeschichtung 12, aber auch der rückseitigen Beschichtung 14, vgl. Fig. 2 und 3.
Zur Erzielung eines flächigen Körpers 10 konstan­ ter Dicke und glatter Oberfläche werden die Beschich­ tungen 12 und 14 abgerichtet, beispielsweise durch Schleifen auf Maß geschliffen und gegebenenfalls durch Walzen, vgl. Fig. 4. Die Beschichtungen 10 und 12 auf der Vorderseite und Rückseite des Festigkeitsträgers 2 werden dabei so weit abgetragen, daß die höchsten Erhe­ bungen des Gewebes, Geflechtes, Vlieses etc., beim Ge­ webe im Bereich der Schuß- und Kettfäden-Kreuzungspunk­ te 16 noch hauchdünn von Metall und rückseitiger Be­ schichtungsmasse überdeckt sind, während zwischen den Fadenkreuzungspunkten die Hauptmenge des Metalls und der rückseitigen Beschichtungsmasse angeordnet ist. Durch diese regelmäßigen, durch Nachbearbeitung ent­ standenen Verjüngungsstellen 18 der harten Beschich­ tungsmassen 10 und 12 erhält der flächige Körper 9 die notwendige Flexibilität, andererseits einen hohen Kom­ pressionswiderstand senkrecht zum Körper, und zwar da­ durch, daß zwischen den Fadenkreuzungspunkten 16 alter­ nierend massiv das Metall bzw. das nichtleitende Mate­ rial (Harz) formschlüssig eingelagert ist und das ela­ stische Rückfedern des Körpers unter Kompressionsbela­ stung unterdrückt wird. Die durch die Verjüngungsstel­ len 18 bewirkte Flexibilität des durchgehend metall­ beschichteten Gewebes wird auch durch die Gewebekon­ struktion beeinflußt, d. h. durch die Bindungsart und Dichte und Lage der Gewebekreuzpunkte.
Die rückseitige Beschichtung 12 kann ohne Nach­ bearbeitung auf Maß mit ebener, glatter Oberfläche her­ gestellt werden, indem das Harz in flüssigem A-Zustand aufgestrichen und in noch formbarem B-Zustand gewalzt wird und danach ausgehärtet wird.
Dieser so ausgebildete flächige Körper konstanter Dicke und glatter metallischer Oberfläche kann für ver­ schiedenste Anwendungen, beispielsweise für endlose Transportbänder, flexible Flachkabel, zur elektrischen Abschirmung, zum Hitzeschutz, in der Hochspannungstech­ nik etc. eingesetzt werden, bei denen es auf hohe Fle­ xibilität und Festigkeit und Haltbarkeit sowie ther­ mische Festigkeit, hohe Leitfähigkeit, Wechselbiege­ festigkeit und Dimensionsstabilität ankommt.
Um die Flexibilität noch zu erhöhen, wird der flä­ chige Körper "geflext", d. h. in regelmäßigen oder un­ regelmäßigen Abständen werden Brüche 20 durch Über­ schreitung der maximalen Biegefähigkeit erzeugt, wobei die besagten Verjüngungsstellen 18 initierend wirken, vgl. Fig. 5.
Beim "Flexen" bzw. Brechen werden auf der rücksei­ tigen Beschichtung aus nichtleitendem Material Stauch­ knickungen 24 erzeugt.
Vorzugsweise wird die Metallschicht 12 bei ihrer Erzeugung so sprödhart ausgebildet, daß es zum echten Sprödbruch ohne Knickbildung kommt. Die Flexbarkeit bzw. Brechbarkeit der Metallschicht kann noch dadurch erhöht werden, daß diese unter einer Zugeigenspannung steht. Durch die Sprödheit der Einstellung und gegebe­ nenfalls die Zugeigenspannung wird die Rißbildung bei der Flexung bzw. beim Bruch erleichtert. Es ist die Gefahr vermieden, daß die Metallschicht lediglich knickt, aber nicht bricht. Dies kann erleichert werden, wenn die Metallschicht porös oder mikrorissig erzeugt bzw. aufgebracht wird oder definierte Fremdatome oder definierte Mengen Fremdpartikel eingelagert werden.
Es hat sich herausgestellt, daß zur Oberflächen­ metallisierung des Gewebes insbesondere das Metall­ spritzen von Kupfer geeignet ist, welches sich durch hohe Auftragsleistungen bei relativ geringen Substrat­ temperaturen auszeichnet. Mit diesem dickschicht-tech­ nologischen Metallisierungsverfahren lassen sich über­ mäßige Schichtstärken auf dem Gewebe erzielen, so daß in der späteren Nachbearbeitung auf Maß so viel Kupfer von der der Gewebewelligkeit folgenden Kupferschicht abgenommen werden kann, daß die erwähnte folienglatte Kupferoberfläche und die erwähnten Verjüngungsstellen an den Fadenkreuzungspunkten des zugrundeliegenden Ge­ webes resultieren. Es ist darüber hinaus eine Eigen­ schaft der verschiedenen Metallspritzverfahren, daß die Metallspritzschichten porös und oxidhaltig sind; dar­ über hinaus stehen diese Metallspritzschichten unter Zugeigenspannungen, was ebenfalls den erwünschten Sprödbruch beim Flexen bzw. Brechen erleichtert.
Überraschenderweise findet bei der Aufhebung einer Biegebelastung wieder eine volle elektrische Kontaktie­ rung der Bruchschollen 22 an den Bruchstellen 20 statt.
Der flexible flächige Körper 10 gemäß Fig. 4 oder 5 zeichnet sich durch ein sehr hohes Wärmeleitvermögen aus, da eine flächendeckende, zusammenhängende metalli­ sche Schicht auf einem nichtleitfähigen Festigkeits­ träger ausgebildet ist, welche massiv die Gewebevertie­ fungen und Zwischenräume der Fadenkreuzungspunkte aus­ füllt. Der hohe prozentuale Gewichtsanteil dieses Me­ talls (2/3 bis 5/6 vom Gesamtgewicht) bedingt, daß hohe Wärmemengen aufgenommen und abgeführt werden können. Darüber hinaus bewirkt der massive Metallgehalt, daß aufgrund der geringen thermischen Ausdehnung des Me­ talls nur unwesentliche Dicken- und Längenänderungen des flexiblen Körpers im Einsatzfall zu verzeichnen sind.
Das Metallspritzen zum Aufbringen der Metallbe­ schichtung 10 ist durch geeignete Führung der Beschich­ tungsparameter nicht ausschließlich auf hochwarmfeste Festigkeitsträger beschränkt. So kommen als Gewebe durchaus neben Metallgeweben, anorganischen Geweben auch organische Gewebe in Frage, wie z. B. Kevlar, No­ mex, Polyester oder Baumwolle und Viskose oder Gemische hieraus, wenn für ausreichende Kühlung Sorge getragen wird und die Auftragsmengen an Metall und somit die übertragenen Wärmemengen etappenweise erfolgen. Metall­ faseranteile in den Geweben bewirken, daß die zunächst rein mechanische Verklammerung der Metallspritzschicht in den Filamenten des Garns höhere Haftwerte erreicht; außerdem verbessern sie noch die elektrische Leitfähig­ keit.
Durch Imprägnierung und weitere Rückenbeschichtun­ gen kann die Steifigkeit eingestellt werden. Zusätzlich übernimmt die Imprägnierung die Aufgabe, die Haftung der Metallspritzschicht an den Fasern zu verbessern, wofür die prinzipiell rauhe Metallspritzschicht gute Verknüpfungspunkte darstellt. Es kann ein Metallbinder zugesetzt werden, z. B. Vulkanisationssysteme, Silan­ haftvermittler, Polyurethane, Epoxide. Die Rückenbeschichtungen selber sind vorzugs­ weise ein- oder mehrlagige Schichten aus härtbaren Har­ zen, besonders Phenolharzen, wie dies schon erwähnt worden ist, welche nach Applikation im noch formbaren B-Zustand unter hohem Druck kalandert werden und schließlich durchgehärtet werden. Eine Nachbearbeitung der Rückseite ist hinsichtlich der Dickentoleranzen dann kaum erforderlich, da es sich um Streichverfahren mit optimalen Verlaufseigenschaften handelt.

Claims (28)

1. Biegsamer, leitfähiger, flächiger Körper, gekenn­ zeichnet durch einen biegsamen, textilen Festigkeits­ träger (2), dessen eine Seite mit einer formschlüssigen Beschichtung (12) aus einem leitfähigen Material verse­ hen ist, die eine ebene, glatte Oberfläche und eine minimierte Schichtdicke aufweist.
2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material Metall ist.
3. Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer oder Silber ist.
4. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festigkeitsträger (2) ein Gewebe (4), Gewirke, Ge­ flecht oder Vlies ist.
5. Körper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Festigkeitsträger (2) aus warmfesten organischen, anorganischen oder metallischen Fasern oder aus Gemi­ schen daraus besteht.
6. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (12) aus dem leitfähigen Material mit Bruchstellen (20) versehen ist.
7. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festigkeitsträger (2) auf der der Beschichtung (12) aus leitfähigem Material gegenüberliegenden Seite eine Beschichtung (14) aus nichtleitendem Material mit ebe­ ner, glatter Oberfläche und minimaler Schichtdicke auf­ weist.
8. Körper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Beschichtung (14) ein Harz ist.
9. Körper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Harze reaktive, vernetzbare Vorstufen von Duropla­ sten sind, welche einen noch formbaren, härtbaren B-Zustand aufweisen.
10. Körper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz Phenolharz ist.
11. Körper nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (14) aus nicht­ leitendem Material mit Stauchknickungen (24) versehen ist.
12. Körper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Be­ schichtung (12) aus leitfähigem Material und die nicht­ leitende Materialbeschichtung (14) an den höchsten Er­ hebungen des Festigkeitsträgers (2) (Gewebe, Geflecht, Gewirke, Vlies) 3-25 µm beträgt.
13. Körper nach Anspruch 6 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bruchstellen (20) und/oder die Knic­ kungen (24) im wesentlichen quer zur vorgesehenen Krüm­ mungsrichtung des flächigen Körpers verlaufen.
14. Verfahren zur Herstellung eines biegsamen, leit­ fähigen, flächigen Körpers nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfah­ rensschritte:
  • a) Flächendeckendes, formschlüssiges Beschichten einer Seite eines biegsamen, textilen Festig­ keitsträgers mit einem leitfähigen Material im Überschuß,
  • b) Abtragen und Einebnen des leitfähigen Materi­ als bis auf ein vorbestimmtes Dickenmaß des aus dem Festigkeitsträger und der Material­ beschichtung gebildeten flächigen Körpers.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus dem leitfähigen Material so weit abgetragen und geebnet wird, daß die höchsten Er­ hebungen des Festigkeitsträgers noch mit einer dünnen Materialschicht bedeckt bleiben.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Festigkeitsträger auf der der Beschichtung aus leitfähigem Material gegenüberliegenden Seite mit einer Beschichtung aus einem nichtleitenden Material versehen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Festigkeitsträger auf der der Beschichtung aus leitfähigem Material gegenüberliegenden Seite mit einer glatten, ebenen Beschichtung aus einem nichtleitenden Material versehen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschichtung aus dem nicht leitfähi­ gen Material so weit abgetragen und geebnet wird, daß die höchsten Erhebungen des Festigkeitsträgers noch mit einer dünnen Materialschicht bedeckt bleiben.
19. Verfahren nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dünne Beschichtung aus leitfähigem Material und die dünne Beschichtung aus nicht leitfähi­ gem Material 3-25 µm beträgt.
20. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das nicht leitfähige Material ein härt­ bares Harz, insbesondere Phenolharz ist.
21. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus leitfähigem Material gebrochen wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus nicht­ leitendem Material mit Knicklinien versehen wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus leitfähigem Material sprödhart erzeugt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in die Beschichtung aus leitfähigem Material Fremdpartikel eingelagert werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus leit­ fähigem Material durch Auftragsverfahren aus dem fe­ sten, flüssigen, gasförmigen oder gelösten Aggregat­ zustand erfolgt.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Haftung zwischen der Beschich­ tung aus leitfähigem Material und dem Festigkeitsträger ein Haftvermittler verwendet wird.
27. Verfahren nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einebnen durch Walzen, Plattieren, Pressen, Schmieden oder Kugelstrahlen erfolgt.
28. Verfahren nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abtragen des Materials der leitfähi­ gen Beschichtung und des Materials der nichtleitenden Beschichtung durch Sandstrahlen, Fräsen, Schleifen, chemisches oder galvanisches Ätzen, Funkenerosion oder durch Schneiden mittels Laser-, Elektronenstrahl- oder Wasserstrahl-Abtragsverfahren durchgeführt wird.
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