DE2652683A1

DE2652683A1 - Anisotrop elektrisch leitende zusammengesetzte plattenfoermige koerper und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2652683A1
Application number: DE19762652683
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Sado
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1975-11-26
Filing date: 1976-11-19
Publication date: 1977-06-08
Also published as: DE2652683C3; CH609799A5; US4199637A; JPS566083B2; DE2652683B2; JPS5265892A

Description

PATEN^ANWALV

DR. HANG ULRICH MAY 2652883 D 8 MDMCHEN 22, THIERSCHSTRASSE 27 TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN TELEX 52 4487 PATOP TELEFON CO893 22CO01

S-60-P-1 /1499 München, den 4η u

DTPA 272 Dr.M./oe ^öl "^UVl

Shin-Etsu Polymer Co., Ltd. in Tokio, Japan

Anisotrop elektrisch leitende zusammengesetzte plattenförmige Körper und Verfahren zu deren Herstellung

Kurze Zusammenfassung (Abstract) der Erfindung;

Durch die Erfindung wird ein anisotrop elektrisch leitender zusammengesetzter plattenförmiger Körper, der auch als Plättchen, Blatt oder Folie ausgebildet sein kann, und ein Verfahren zu dessen Herstellung geschaffen. Dieser Körper hat einen sehr geringen elektrischen Leitungswiderstand in der zur Fläche der Platte senkrechten Richtung, jedoch Isolierwiderstand in den in der Ebene der Platte liegenden Richtungen und ist dadurch als Kontaktmaterial in verschiedenen Arten von miniaturisierten elektronischen Schaltungen brauchbar. Der plattenförmige Körper hat eine Struktur, in der elektrisch leitende Fasern in der Matrix eines elektrisch isolierenden polymeren Stoffes in einer Ausrichtung im wesentlichen senkrecht zur Ebene (Fläche) des Körpers gleichmäßig verteilt sind. Eine solche zusammengesetzte Platte oder Folie wird hergestellt, indem man einen gehärteten zusammengesetzten Körper mit ausgerichteten elektrisch leitenden Fasern zerschneidet, der erhalten wurde, indem man die ungehärtete Mischung der Fasern und des Matrixmaterials einer Seher-Verformung in einer Richtung und anschließend der Härtung unterwirft.

Stand der Technik:

Die Erfindung betrifft anisotrop elektrisch leitende (stromleitende) Platten, blatt- oder folienförmige Produkte, insbesondere solche, deren spezifischer Volumenwiderstand gemessen in einer

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in der Ebene der Folie oder Platte liegenden Richtung viel größer als der senkrecht zu dieser Ebene gemessene spezifische Volumenviderstand ist.

Es sind verschiedene Arten von elektrisch leitenden Kunststoffen und Elastomeren bekannt» die hergestellt werden, indem man verschiedene Arten von elektrisch leitenden Pulvern oder Fasern» wie Metallpulver, Ruß, Graphitpulver, Kohlenstofffasern und dergleichen in einer Matrix von verschiedenen Arten elektrisch isolierender Kunststoffe oder Elastomeren gleichmäßig verteilt. Man hat sich besonders bemüht, anisotrop elektrisch leitende Materialien herzustellen, die auf einer solchen Art von elektrisch leitenden Kunststoffen oder Elastomeren beruhen und spezielle Verwendungen als elektrische Kontaktmaterialien in bestimmten elektronischen Kreisen finden können.

Die bisher bekannten anisotrop elektrisch leitenden Materialien von besonders platten- oder blattähnlicher Form wurden wie folgt hergestellt. Bei einer Methode wird eine Mehrzahl von Platten oder Folien eines elektrisch leitenden Materials und eine Mehrzahl von Platten oder Folien eines elektrisch isolierenden Materials jeweils abwechselnd aufeinander gestapelt und zu einem Block verbunden, der dann in senkrecht zur Ebene der aufeinander gestapelten Platten oder Folien verlaufenden parallelen Ebenen geschnitten wird, um gestreifte (striated) Platten oder Folien zu erhalten. Die so erhaltenen gestreiften Platten sind dementsprechend anisotrop elektrisch leitend, nämlich leitend in der zur Ebene der Platte oder Folie senkrechten Richtung, jedoch isolierend in der zur Richtung der Streifung (striation) innerhalb der Ebene der Platte oder Folie senkrechten Richtung.

Es ist auch bekannt» eine elastomere Folie oder Platte aus einem Gummimaterial herzustellen, das mit einer solchen verhältnismäßig kleinen Menge von Metallteilchen durchsetzt ist, daß das so modifizierte Gummimaterial nicht elektrisch leitend ist. Ein solches Material, das unter der Bezeichnung

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"CHO-NECTOR" (Wz.) bekannt ist (Hersteller Chomerics, Inc. USA) kann als eine anisotrop elektrisch leitende Platte oder Folie benutzt werden. Wenn nämlich eine solche Platte oder Folie senkrecht zu ihrer Oberfläche zusammengepreßt wird, kommen die in der Matrix des Gummimaterials verteilten Metallteilchen in der Richtung des Drucks miteinander in Berührung und bilden druckempfindliche elektrische Kontaktpunkte in der zur Ebene der Folie senkrechten Richtung, während in den in der Ebene der Folie liegenden Richtungen keine solchen elektrischen Kontaktpunkte gebildet werden.

Die bekannten anisotrop elektrisch leitenden Platten oder Folien werden in weitem Umfang in verschiedenen Arten von elektronischen Vorrichtungen als Kontaktmaterial für rasch verbindende elektronische Schaltungen mit hoher Wiedergabetreue, wie integrierte Schaltungen ohne Außenverbindungen und Hybridschaltungen, zur Verbindung einer Schaltung auf biegsamer Unterlage und der Endanschlüsse einer gedruckten Schaltung sowie als Verbindungsschaltung zwischen einer Anzeigeeinheit auf flüssiger Kristallbasis oder einer Leuchtdiode in einem elektronischen Taschenrechner oder einer elektronischen Armbanduhr und einer Leiterplatte benutzt."

Diese bekannten plättchen- oder folienförmigen Materialien mit anisotroper elektrischer Leitfähigkeit weisen jedoch noch mehrere Nachteile auf. Beispielsweise sind die nach den bisherigen Verfahren hergestellten anisotrop elektrisch leitenden Materialien wegen der außerordentlichen verfahrenstechnischen Schwierigkeiten bei ihrer Herstellung sehr teuer, besonders wenn sie zur Verwendung bei der Verbindung von Vielfachschaltungen oder nahe beieinander liegenden Schaltungen bestimmt sind, und haben dabei den Nachteil, daß die Anzähl der mit solchen folienartigen Materialien verbindbaren Schaltungen begrenzt ist durch die Anzahl der Schichten des elektrisch leitenden Materials. Außerdem zeigen sie Mängel in der Neigung zu Isolationszusammenbrüchen in den Schichten des elektrisch isolierenden Materials, wenn das platten- oder folienförmige Material ausgebildet und bestimmt ist zum Verbinden von nahe beieinander liegenden Schaltungen.

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Λ»

Die nach der an zweiter Stelle genannten bekannten Methode erhaltenen anisotrop elektrisch leitenden Platten zeigen darin Nachteile, daß der Isolationswiderstand zwischen den Schaltungen manchmal zu niedrig wird wegen des erforderlichen Kontaktdrucks zur Bildung der anisotropen elektrischen Kontaktpunkte. Außerdem ist die Zuverlässigkeit des elektrischen Kontakts zwischen den Schaltungen ziemlich ungenügend, wenn die Folien sehr dünn sind, so daß sie in der Verbindung von nahe beieinander liegenden Schaltungen in einer miniaturisierten Vorrichtung verwendet werden können.

Aufgabe und.Beschreibung der Erfindung:

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein anisotrop elektrisch leitendes Material in Platten— oder Folienform zu schaffen, das nicht die oben angegebenen Nachteile der bekannten Materialien dieser Art aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein anisotrop elektrisch leitendes Material in Platten— oder Folienform, das zusammengesetzt ist aus einem elektrisch isolierenden Matrixmaterial und einer Vielzahl von elektrisch leitenden Fasern, die im Matrixmaterial gleichmäßig verteilt und im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Folie oder Platte ausgerichtet sind.

Das elektrisch isolierende Matrixmaterial kann ein organischer oder anorganischer Stoff, besonders ein polymerer organischer Stoff oder ein anorganisches Glas sein. Als elektrisch leitende Fasern sind beispielsweise Kohlenstoff— und Metallfasern, —fäden oder -drähte geeignet. Das erfindungsgemäße platten- oder folienförmige anisotrop elektrisch leitende Material wird hergestellt, indem man (a) ein elektrisch isolierendes plastisches, beispielsweise organisches Material und Fasern aus elektrisch leitendem Material gleichmäßig mischt, (b) die so erhaltene Mischung einer Scher—Verformung in einer Richtung unterwirft, wodurch die elektrisch leitenden Fasern in der Matrix des elektrisch isolierenden Materials in Richtung der Scherverformung ausgerichtet werden, um ein zusammengesetztes Material mit ausgerichteten Fasern zu bilden, (c) das Matrixmaterial im so erhaltenen zusam—

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mengesetzten Stoff mit den ausgerichteten Pasern härtet und (d) den zusammengesetzten Körper in Ebenen, die im wesentlichen senkrecht zur Ausrichtungsrichtung der elektrisch leitenden Fasern verlaufen, zu Platten oder Folien zerschneidet.

Das elektrisch isolierende Material kann beispielsweise ein wärmehärtendes Harz, thermoplastisches Harz oder Kautschuk— polymer oder auch ein anorganisches Glas sein.

Der Durchmesser der elektrisch leitenden Fasern ist vorzugsweise weniger als 0,2 mm und ihre durchschnittliche Länge vorzugsweise größer als 20 % der Dicke der Platte oder Folie. Zweckmäßigerweise nehmen die elektrisch leitenden Fasern 0,1 bis 20 % des Gesamtvolumens der Platte oder Folie ein.

Besonders bevorzugt werden als elektrisches Isoliermaterial ein Siliconkautschuk und als elektrisch leitende Fasern Kohlenstofffasern. Mit der Kombination dieser Materialien lassen sich ohne Schwierigkeiten anisotrop elektrisch leitende Folien oder Platten erhalten, bei denen der spezifische Volumenwiderstand gemessen in der zur Ebene der Platte oder Folie senkrechten Richtung im selben Bereich wie der von elektrisch leitenden Materialien liegt, jedoch der spezifische Volumenwiderstand in einer in der Ebene der Folie oder Platte liegenden Richtung so hoch liegt, daß das Material in dieser Richtung als ein Isolator bezeichnet werden kann.

Das erfindungsgemäße anisotrop elektrisch leitende Platten— oder Folienmaterial hat eine Struktur, in der zahllose Fasern eines elektrisch leitenden Materials in die Matrix des elektrisch isolierenden Materials eingebettet und in der zur Ebene oder Fläche der Folie oder Platte senkrechten Richtung ausgerichtet sind, wobei sich die meisten der Fasern von der einen Oberfläche der Platte oder Folie bis zur anderen gegenüber liegenden Oberfläche erstrecken. Jede der parallel zueinander ausgerichteten elektrisch leitenden Fasern ist von der nächsten durch das dazwischen liegende Material isoliert. Die erfindungsgemäße Folie kann also nicht nur als Kontaktmaterial einer Verbindungsschaltung zwischen

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verschiedenen Arten von elektronischen Schaltungen benutzt werden, wo auch ähnliche bekannte Folienmaterialien eingesetzt werden können, sondern auch als Verbindungsschaltung in nahe beieinander liegenden Schaltungen von Miniaturgröße verwendet werden, da die Möglichkeit kleinster Kontaktflächen der Elektroden und ein minimaler Abstand der auf ihr den Kontakt herstellenden Elektroden möglich ist, wie er mit den bekannten Materialien nicht erreichbar ist.

Als Material der erfindungsgemäß benutzten elektrisch leitenden Fasern seien erwähnt Kohlenstoffasern, die erhalten werden durch Carbonisieren oder Graphitisieren verschiedener Arten von organischen Fasern, wie solchen aus Kunstseide (Reyon), Polyacrylnitril und Polyvinylalkohol, Erdölpechen und Phenolharzen, und Metallfasern sowie metallbeschichtete synthetische oder Glasfasern und solche Fasern, die aus einem Gemisch eines faserbildenden polymeren Stoffes mit einem Leitfähigkeit verleihenden Mittel erhalten werden. Von den erwähnten elektrisch leitenden Fasern werden besonders bevorzugt Kohlenstof fasern und Metallfasern.

Beispiele für die als Matrixmaterial der erfindungsgemäßen Platte oder Folie benutzten elektrisch isolierenden Stoffe sind anorganische Gläser wie Natronkalkglas, Borosilicatglas und geschmolzenes Quarzglas,thermoplastische polymere Stoffe, wie Polyester, Polyvinylchlorid, Polymethylmetacrylat, Polyolefine, Polyamidharze, Polyharnstoffharze, Polycarbonatharze, Polyacetalharze und Polystyrol; wärmehärtende Harze wie ungesättigte Polyesterharze, Polyurethane, Organopolysiloxanharze, Phenolharze, Harnstoff^ormaldehydharze und Guanaminharze; und Kautschukpolymerisate, wie Naturkautschuk und verschiedene Arten von synthetischen Kautschuken, einschließlich Organopolysiloxankautschuke. Von den erwähnten polymeren Stoffen werden besonders bevorzugt ein Organopolysiloxankautschuk oder besonders bei Raumtemperatur vulkanisierbarer Organopolysiloxankautschuk, der vor dem Vulkanisieren fließfähig ist. Diese thermoplastischen, wärmehärtenden oder kautschukartigen Polymerisate können gegebenenfalls zur Verstärkung oder Vergrößerung der Masse mit

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Füllstoffen, sowie mit Weichmachern, Pigmenten, Farbstoffen, Lösungsmitteln, Vulkanisation- oder Härtungsmittel, Stabilisatoren, Dispersionsmitteln, Gleitmitteln und anderen üblichen Zusätzen gemischt werden.

Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen anisotrop elektrisch leitenden Platten oder Folien beschrieben. Die elektrisch leitenden Fasern werden in der plasti— zierten Matrix des elektrisch isolierenden Materials gleichmäßig dispergiert, indem man mit einer Mischmaschine, nötigenfalls unter Erwärmen mischt. Für diesen Zweck ist jede übliche Mischmaschine geeignet, wie Mischwalzen, Innenmischer (Banburymischerl Kneter und dergleichen.

Die Länge der einzumischenden Fasern liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 10 mm im Durchschnitt, obgleich auch längere Fasern benutzt werden können, da sie durch die Scherkraft beim fortgesetzten Mischen zerschnitten werden, und die Länge der Fasern dabei immer kurzer wird und in den oben angegebenen Bereich gelangt. Falls die Länge der in der Matrix dispergierten Fasern im Durchschnitt über dem angegebenen Bereich liegt, verfilzen sich die Fasern und werden in der folgenden Verfahrensstufe nur ungenügend ausgerichtet, was zu einer schlechteren Anisotropie der erhaltenen anisotrop elektrisch leitenden Platte oder Folie führt. Andererseits führt eine zu geringe Länge der Fasern zu einer ungenügenden elektrischen Leitfähigkeit der erhaltenen Platte oder Folie in der zur Ebene der Platte oder Folie senkrechten Richtung. Wenn die Festigkeit der Fasern so groß ist, daß während des Mischens von Fasern und Matrixmaterial keine Veränderung der Faserlänge zu erwarten ist, sollten die eingesetzten Fasern vor dem Mischen auf eine entsprechende Länge geschnitten werden.

Die Dicke der Faser beträgt vorzugsweise weniger als 0,2 mm oder insbesondere weniger als 0,1 mm Durchmesser, und es können die feinsten verfügbaren Fasern, Drähte oder dergleichen benutzt werden. Das Verhältnis der Länge der Faser zu ihrem Durchmesser liegt vorzugsweise über 3 oder besonders bevorzugt über 5.

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Das Mischen muß so weitgehend durchgeführt werden, daß eine gleichmäßige Dispersion der Fasern im Matrixmaterial und eine ausreichende Plastizität der Mischung erreicht wird, so daß die Fasern in innige Berührung mit dem Matrixmaterial kommen und ihre Ausrichtung in der Maxtrix in der nachfolgenden Verfahrensstufe erleichtert wird. In dieser Hinsicht wird vorzugsweise die Oberfläche der Fasern mit bestimmten Dispersionshilfsmitteln behandelt, bevor sie mit dem als Matrixmaterial dienenden polymeren Stoff gemischt werden.

Das Volumenverhältnis der elektrisch leitenden Fasern und des als Matrix dienenden elektrisch isolierenden polymeren Stoffes wird in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren festgelegt, wie der Kombination der Materialien der Fasern und der Matrix, dem Durchmesser der Fasern, dem Anisotropiegrad der elektrischen Leitfähigkeit der erhaltenen Platten oder Folien, der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit in der zur Ebene der Platte senkrechten Richtung und dergleichen. Es liegt jedoch gewöhnlich im Bereich von 0,1 bis 20, vorzugsweise 0,5 bis 10 Volumenprozent der Fasern bezogen auf das Volumen des Matrixmaterials. Ein zu hohes Volumenverhältnis der Fasern führt zu einer verringerten Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit, während ein zu geringes Volumenverhältnis eine ungenügende elektrische Leitfähigkeit in der zur Ebene der Platte oder Folie senkrechten Richtung bewirkt.

Öie nächste Stufe beim Herstellungsverfahren der Platten oder Folien ist die Orientierung der Fasern, um sie in der Matrix auszurichten. Die in der angegebenen Weise erhaltene Mischung ist eine gleichmäßige Dispersion der elektrisch leitenden Fasern in der Matrix des elektrisch isolierenden polymeren Stoffes. Diese Mischung wird dann ein- oder mehrfach einer Scher- Verformung in einer Richtung unterworfen, wodurch die Fasern in die Richtung der Seher-Verformung ausgerichtet werden und man einen zusammengesetzten Stoff mit in einer Richtung ausgerichteten Fasern erhält. Ein solches Verformungs— verfahren kann mit verschiedenen Arten von Maschinen durchgeführt werden, je nach der Konsistenz und Plastizität der

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plastizierten Mischung. Geeignete Maschinen sind demnach, je nach der Plastizität der Mischung, Pumpen, wie Schneckenpumpen, Zahnradpumpen, Kolbenpumpen und dergleichen/Und Kunststoff- oder Kautschukverarbeitungsmaschinen, wie Extruder, Spritzgußmaschinen, Kalandriermaschinen und dergleichen. Der Grad der Faserausrichtung ist durch Augenschein erkennbar und kann, falls nötig, durch zusätzliche elektrische Messungen bestimmt werden.

Der in der angegebenen Weise erhaltene zusammengesetzte Stoff mit ausgerichteten elektrisch leitenden Fasern wird dann durch Extrusion in die gewünschte Form, wie Stangen, Rohre, Platten und dergleichen gebracht, so daß die Ausrichtung der Fasern in der Matrix nicht gestört wird. Gegebenenfalls kann eine Anzahl so geformter Stangen oder Platten weiter zu einem Block geformt werden, indem man sie so in eine Form einbringt, daß die Richtung der Faserausrichtung in jeder der Stangen oder Platten die gleiche ist, und anschließend die so vereinigten Stangen oder Platten in einer Richtung senkrecht zur Ausrichtung der Fasern preßt. Auf diese Weise können beliebig große Platten oder Folien leicht hergestellt werden,indem man Blöcke mit einem genügend großen Querschnitt nach Bedarf zerschneidet.

Das so geformte zusammengesetzte Material mit ausgerichteten Fasern in Form einer Stange, Platte, eines Rohrs, Blocks oder dergleichen, wird dann gehärtet. Wenn der die Matrix bildende elektrisch isolierende Stoff ein thermoplastisches Polymer ist, kann der zusammengesetzte Stoff gehärtet werden, indem man ihn einfach auf eine Temperatur unter dem Erweichungspunkt des Polymers abkühlt. Wenn das Matrixmaterial ein wärmehärtendes Harz oder ein Kautschukelastomer ist, erfolgt das Härten des zusammengesetzten Materials durch Härten oder Vulkanisieren des Polymerisats bei Raumtemperatur oder einer erhöhten Temperatur, je nach der Härtungs- oder Vulkanisationseigenschaft des Polymerisats mit oder ohne Hilfe eines vor dem Mischen des zusammengesetzten Stoffes zugesetzten Härtungs—, Vernetzungs-oder Vulkanisationsmittels.

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Der nächste Herstellungsschritt ist das Zerschneiden des gehärteten zusammengesetzten Stoffes mit den ausgerichteten elektrisch leitenden Fasern in dünne Platten oder Folien, deren Oberflächen im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Faserausrichtung verlaufen, um die Endprodukte zu erhalten. Dabei ist wichtig, daß die Dicke der geschnittenen Platten oder Folien eine enge Beziehung zur Durchschnittslänge der in der Platte dispergierten ausgerichteten elektrisch leitenden Fasern hat. Der spezifische Volumenwiderstand der Platte oder Folie in der zur Ebene der Platte senkrechten Richtung ist eine Funktion der Dicke und nimmt mit dieser zu. Daher steigt der elektrische Leitungswiderstand zwischen Einheitsflächen der Oberflächen einer Platte rasch mit steigender Dicke und erreicht schließlich einen so großen Wert» daß keine elektrische Leitung mehr erhalten wird. Gewöhnlich beträgt die Dicke der Platte oder Folie weniger als das 5-fache der Durchschnittslänge der ausgerichteten Fasern vor dem Zerschneiden, um eine genügende elektrische Leitfähigkeit für die meisten Anwendungen zu erhalten. Mit anderen Worten ist die Durchschnittslänge der in der Platte dispergierten ausgerichteten Fasern größer als 20 % der Dicke der Platte oder Folie.

Es ist ratsam, wenn das Matrixmaterial ein thermoplastisches Harz ist, das Zerschneiden bei einer erhöhten Temperatur, jedoch unter dem Erweichungspunkt des thermoplastischen Harzes vorzunehmen. Ferner ist zu empfehlen, wenn das Matrixmaterial ein wärmehärtendes Harz ist, den zusammengesetzten Stoff mit den ausgerichteten Fasern zu zerschneiden, bevor das Harz vollständig gehärtet ist, um das Schneiden zu erleichtern, und die so geschnittenen Platten einer Nachhärtung zu unterwerfen, um die Endprodukte zu erhalten. Es ist auch möglich, einen oder mehrere der Stäbe, Blöcke, Platten oder dergleichen des zusammengesetzten Materials mit darin ausgerichtet dispergierten elektrisch leitenden Fasern in einem Stoff einzubetten, oder damit zu beschichten, der gleich dem oder verschieden von dem der Matrix des zusammengesetzten Stoffes ist und einen isolierenden elektrischen Widerstand hat, und dann das zusammengesetzte Material zusammen mit dem umgebenden isolierenden

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Polymerisat zu zerschneiden, um Platten oder Folien zu erhalten, deren Flächen senkrecht zur Ausrichtung der Fasern verlaufen. So erhaltene Platten oder Folien haben einen oder mehrere anisotrop elektrisch leitende Bereiche, die von den isolierenden Bereichen umgeben sind, oder mit anderen Worten eine mosaikartige Verteilung der anisotrop elektrisch leitenden Platten und der isolierenden Platten oder eine anisotrop elektrisch leitende Platte mit Umfangsisolation wird erhalten.

Die Erfindung wird weiter erläutert mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht einer erfindungsgemäßen anisotrop elektrisch leitenden Platte;

Fig. 2 den vergrößerten Querschnitt senkrecht zur Ebene der Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt ähnlich Fig. 2, wobei die erfindungsgemäße anisotrop elektrisch leitende Platte an beiden Seiten mit Elektroden 4 in Berührung steht;

Fig. 4 eine Ansicht einer anderen Anwendung der erfindungsgemäßen anisotrop elektrisch leitenden Platte bei einem auseinandergenommenen stiftlosen Verbindungselement;

Fig. 5 die Beziehung zwischen Dicke der erfindungsgemäßen Platte oder Folie und dem elektrischen Widerstand in Richtung der Faserausrichtung;

Fig. 6 die Beziehung zwischen der Menge Kohlenstoff-Faser im zusammengesetzten Produkt pro 100 Teile Siliconkautschukverbindung und dem elektrischen Widerstand von 0,2 mm dicken Platten in der Richtung der Faserausrichtung.

Wie die Fig. 1 und 2 schematisch zeigen, sind in dem erfindungs— gemäßen anisotrop elektrisch leitenden Platten- oder Folienmaterial die elektrisch leitenden Fasern 1 gleichmäßig in der

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Matrix 2' verteilt und in einer im wesentlich senkrecht zur Ebene der Platte oder Folie verlaufenden Richtung ausgerichtet! so daß sie zur elektrischen Leitfähigkeit der Platte in der Ausrichtungsrichtung beitragen, wogegen die Fasern voneinander durch das Matrixmaterial, ein isolierender polymerer Stoff, voneinander isoliert sind, so daß keine elektrische Leitfähigkeit in den in der Ebene der Platte oder Folie liegenden Richtungen gegeben ist.

Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Kontaktelements, worin das Kontaktmaterial 3 die erfindungsgemäße anisotrop elektrisch leitende Platte ist, die die Elektroden 4 an beiden Seiten der Platte berührt. Bei dieser Anordnung wird eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen je zwei der an den verschiedenen Seiten der Platte einander gegenüberliegenden Elektroden erhalten, während zwischen den auf dez¹ gleichen Seite der Platte oder auf verschiedenen Seiten der Platte, jedoch nicht einander gegenüber angeordneten Elektroden ein genügend hoher isolierender Widerstand vorhanden ist« Wenn die gegenüberliegenden Elektroden an den verschiedenen Seiten der Platte sich nicht über die gesamten Flächen der Elektroden direkt zugewandt sind, wird die elektrische Leitung nur in dem Bereich 5 der Platte erhalten, der sich zwischen den einander direkt gegenüberliegenden Bereichen 6 der Elektroden befindet.

Fig. 4 zeigt eine andere Anwendungsart einer erfindungsgemäßen anisotrop elektrisch leitenden Platte oder Folie, und zwar ist eine Ansicht eines auseinandergenommenen stiftlosen Verbindungsstücksgezeigt, das die in den Verbindungsstückgehäusen 8 und 8* an den Enden der elektrischen Kabel 9 und 9' montierten Leitungsendstücke (terminals) 7 und 7^f aufweist, zwischen denen die er— findungsgemäße anisotrop elektrisch leitende Platte 3 als Material zum Verbinden der Endstücke 7 und 7¹ angeordnet ist.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung mit weiteren Einzelheiten. Alle Teile sind Gewichtsteile.

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Beispiel 1:

Eine Mischung von 100 Teilen eines Siliconkautschuk (Handelsprodukt KE 151U, Hersteller Shin-Etsu Chemical Co., Japan), 1,5 Teilen Bis(2,4-dichlorbenzoyl)peroxid als Vulkanisationsmittel und 6 Teilen einer Kohlenstofffaser (Handelsprodukt Torayca T300A; Hersteller Toray Co., Japan), mit einem spezi-

—3 fischen Volumenwiderstand von etwa 3x10 ohm-cm und einem Durchmesser von weniger als 10/um, die auf eine Länge von etwa 3 mm zerhackt war, wurde in einem Mischwalzenstuhl gut geknetet. Während dieses Knetens zerbrach die Kohlenstofffaser bis zu einer durchschnittlichen Faserlänge von etwa 0,5 mm. Die so erhaltene plastizierte Mischung wurde dann mit einem Kautschukextruder von 50 nun Durchmesser zu einer Stange von 1 5 mm Durchmesser extrudiert, die dann durch 10 Minuten Erhitzen in einem Luftofen auf 250 C vulkanisiert wurde. Dieser Stab aus vulkanisiertem zusammengesetztem Material wurde zu kreisförmigen Platten von 0,2 mm Dicke geschnitten, deren Schnittflächen senkrecht zur Stabachse waren.

Elektrische Messungen zeigten eine Anisotropie des elektrischen Widerstandes dieser Platten. Wenn man eine Elektrode von 0,2 mm Durchmesser mit einer Oberfläche der Platte in Berührung brachte und gegenüberliegend die gesamte andere Oberfläche der Platte mit einer anderen genügend großen Elektrode in Berührung brachte, betrug der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden etwa 1 ,5 0hm, während zwischen zwei Elektroden von je 2 mm Durchmesser, die in 0,3 mm Abstand voneinander in Berührung mit der gleichen Seite der Platte gebracht wurden, der elektrische Widerstand größer als 10 0hm war. Der Mindestdurchmesser der Elektrode, d.h. der Durchmesser der kleinsten Elektrode, mit der reproduzierbare Messungen des elektrischen Widerstandes möglich waren, betrug 0,2 mm, und der Mindestabstand der Elektroden, d.h. der Mindestabstand zweier Elektroden, zwischen denen ein isolierender Widerstand aufrechterhalten blieb, war 0,1 mm. Die Durchschlagsspannung betrug mehr als 500 Volt bei einer Messung über 3 Minuten mit Elektroden von 0,4 mm Durchmesser in 0,4 mm Abstand voneinander.

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Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke der Platten, die durch Zerschneiden eines Stabes des vulkanisierten zusammengesetzten Materials in gleicher Weise wie oben erhalten wurden, außer daß die Menge der Kohlenstofffaser 10 Teile statt 6 Teile betrug, und dem elektrischen Widerstand der Platten in Richtung der Faserausrichtung, in der gleichen Weise wie oben gemessen.

Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Menge an Kohlenstofffaser in dem zusammengesetzten Material pro 100 Teile der Siliconkaut schukzusammens et zung und dem elektrischen Widerstand der Platten von 0,2 mm Dicke, die durch Zerschneiden der Stäbe der vulkanisierten zusammengesetzten Materialien mit verschiedenen Mengen der Kohlenstoffaser erhalten wurden, in Richtung der Faserausrichtung gemessen.

In den in Fig. 5 und 6 gezeigten Fällen war die Isolation in der Ebene der Platten befriedigend, und der Mindestabstand der Elektroden, zwischen denen ein isolierender Widerstand aufrecht erhalten wurde, betrug bei jeder Platte wie oben 0,1 mm.

Beispiel 2:

Mischungen auf Siliconkautschukbasis wurden hergestellt, indem man Mischungen von jeweils 100 Teilen eines Siliconkautschuks mit der Bezeichnung KE 171U (Hersteller Shin-Etsu Chemical Co.), 2 Teilen 2,5-Dimethy1-2,5-di(tert-buty!peroxy)hexan als Vulkanisationsmittel und verschiedene Mengen von 3,5 bis 10 Teilen einer Kohlenstoffaser mit der Bezeichnung Torayca T300A (Hersteller Toray Co., Japan) mit einem Durchmesser von unter 10/um, die auf etwa 3 mm Länge zerkleinert war, in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 gut mischte und die Mischungen mit einem Extruder zu Stäben von 5 mm Durchmesser extrudierte.

Eine Mehrzahl dieser Stäbe wurde parallel in eine. Metallform gelegt und in der Form unter Druck in der zur Ausrichtung der Faser in den einzelnen Stäben senkrechten Richtung durch Erhitzen vulkanisiert, um Blöcke der vulkanisierten zusammengesetzten

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Produkte mit Abmessungen von 75 mm in der Richtung des Drucks, 200 mm Breite und 300 mm in der Längsrichtung der Stäbe zu erhalten, worin die Kohlenstoffasern alle in einer Richtung ausgerichtet waren. Diese Blöcke wurden zu Platten von 75 mm χ 200 mm Fläche und verschiedener Dicke zerschnitten.

Elektrische Messungen wurden wie in Beispiel 1 durchgeführt und ergaben für die Beziehungen zwischen dem elektrischen Widerstand in der Faserrichtung und den Mengen der Kohlenstofffaser bzw. der Dicke der Platten im wesentlichen die gleichen Werte wie in Beispiel 1. Für die Platte von 0_e2 mm Dicke, die aus dem mit 10 Teilen der Kohlenstoffaser bereiteten zusammengesetzten Material hergestellt war, betrug der spezifische Volumenwiderstand 1,2 0hm-cm in der zur Ebene der Platte senkrechten Richtung, während die Platte in den in ihrer Ebene liegenden Richtungen sehr gut isolierte.

Beispiel 3:

Eine Mischung von 100 Teilen Isoprenkautschuk (Produkt IR3O5; Hersteller Shell Chemical Co.), 25 Teilen fein verteiltes Magnesiumsilicat, 25 Teilen wasserfreier Ton, 30 Teilen eines Trimellitesters (Produkt Monocizer, Hersteller Dai Nippon Inc. and Chemicals Inc.) als Weichmacher, 10 Teilen Bleiglätte, 1 Teil eines Wachses, Handelsname Heliozone Special der Firma Du Pont, 1 Teil Titandioxid, 2 Teile 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert-butylperoxy)hexan als Vulkanisationsmittel und 4 Teilen Triallylcyanurat als zusätzliches Vulkanisationsmittel wurde gut geknetet, um ein elektrisch isolierendes Matrixmaterial zu bilden, dem 65 Teile sehr dünne Golddrähte mit einem Durchmesser von etwa 15 /um, die auf eine Länge von etwa 1 mm zerschnitten waren, zugesetzt wurden. Die so erhaltene Mischung wurde gründlich durchmischt, um eine plastizierte Masse zu bilden, und aus dieser wurden mittels eines Extruders Stäbe von 5 mm Durchmesser hergestellt.

Mehrere der so erhaltenen Stäbe wurden parallel in eine Metallform gelegt, so daß die Achsen der Stäbe in die gleiche Richtung zeigten, und in der Form unter einem Druck von 10 kg/cm^ durch

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Erhitzen auf 170⁰C in etwa 7 Minuten zu einer 4 nun dicken Platte druckvulkanisiert. Die Goldmetalldrähte waren in der Matrix des vulkanisierten Isoprenkautschuks in der Extrusionsrichtung der Stäbe ausgerichtet! wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt! die Querschnitte in den Ebenen senkrecht bzw. parallel zu den Achsen der vereinigten Stäbe zeigen.

Der elektrische Widerstand dieser vulkanisierten Platte wurde mit einem Schaltungsprüfer mit 2 Elektroden von je 2 mm Durchmesser gemessen, die an gegenüberliegende Stellen der Platte angelegt wurde. Es wurde gefunden, daß der Widerstand zwischen den zur Richtung der Golddrähte parallelen Flächen und der zwischen den Oberflächen, die senkrecht zur Richtung der Goldfäden verliefen, jedoch einen Abstand von 10 cm voneinander hatten, jeweils unendlich waren, während der Widerstand zwischen den Oberflächen einer von der vulkanisierten Platte abgeschnittenen Folie von 0,5 mm Dicke, deren Flächen senkrecht zur Richtung der Golddrähte lagen, weniger als 1 Ohm betrug.

Beispiel 4ϊ

Eine Mischung von 242 Teilen eines flüssigen, ungesättigten Polyesterharzes, das hergestellt war aus Propylenglycol, Isophthalsäure, Maleinsäureanhydrid und Glycerin, 5 Teilen Tert.-butylperbenzoat als Härtungsmittel, 1,5 Teilen einer 1 0/6-igen Lösung von Tert.-buty!brenzcatechin als Stabilisator in Styrol, 140 Teilen wasserfreiem Ton als Ausdehner-Füllstoff, 35 Teilen Talkum als Trennmittel, 4,5 Teilen Zinkstearat, 10 Teilen Titandioxid als Antioxidationsmittel und Pigment, eine Mischung bestehend aus 4,7 Teilen des erwähnten Polyesterharzes und 0,1 Teil Magnesiumoxid und 40 Teile auf 2,5 mm Länge zerschnittene Drähte aus rostfreiem Stahl von je 12/um Durchmesser wurde auf einem Bandmischer geknetet. Man ließ die erhaltene Mischung bei 25⁰C altern, bis ihre Viskosität 5 x ¹O Poise erreichte, und verarbeitete sie dann auf einer Kolbenspritzgußmaschine,die mit einer Schneckenpumpe ausgerüstet y eiferen Zylinder bei einer Temperatur nicht über 110⁰C gehalten wurde und deren Düse auf 20⁰C gekühlt war und dabei gehalten wurde, um eine Anzahl von vorläufig gelierten runden Stäben von je 300 mm Länge und 5 mm Durchmesser zu erzeugen, die an der Oberfläche nicht

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klebten.

Eine Mehrzahl dieser Stäbe wurde parallel zueinander in gleicher Ausrichtung in einer Metallform gestapelt und unter Anwendung von Druckplatten, die auf eine Temperatur von 150 bis 160⁰C erhitzt waren, während 6 Minuten unter einem Druck von 50 kg/cm zu einem rechteckigen Block mit den Abmessungen 30 χ 30 χ 300 mm gepreßt. Dieser Block des gehärteten zusammengesetzten Materials wurde unter Wasserkühlung mit einem Diamantschneider in Breitenrichtung geschnitten, um Blättchen von 1,8 χ 30 χ 30 mm Abmessung zu erhalten. Jedes dieser so erhaltenen Blättchen wurde an den beiden Seiten poliert, um die gewünschten anisotrop elektrisch leitenden Blättchen herzustellen, welche die gleiche Struktur hatten, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Die elektrischen Eigenschaften dieser Produkte waren die gleichen wie die des Produkts des Beispiels 3.

Beispiel 5:

Eine Mischung von 100 Teilen Nylon 6-10, Handelsbezeichnung CM2006; Hersteller Toray Co., Japan) in Form von Pellets und 4 Teilen Kohlenstoffaser Torayca T300A (Hersteller Toray Co., Japan), die auf 3 mm Länge geschnitten war, wurde unter Stickst off atmosphäre bei 230⁰C bis zum Schmelzen gerührt. Das geschmolzene Material wurde einer Schneckenpumpe zugeführt, deren Zylinder bei einer Temperatur zwischen 210 und 215°C gehalten wurde und in Wasser in Form von runden Stäben von 3 mm Durchmesser extrudiert.

Eine Mehrzahl der so erhaltenen Stäbe wurde parallel zueinander in Ausrichtung und Stapel in eine Metallform gegeben und unter Verwendung von auf eine Temperatur von 180 bis 210⁰C erhitzten Druckplatten und einem Druck von 20 kp/cm während 20 Minuten druckverformt, worauf die heißen Druckplatten mit Wasser gekühlt wurden. Man erhielt auf diese Weise eine 2,3 mm dicke Platte. Die Platte wurde auf eine Temperatur von 110 bis 130⁰C erhitzt und dann in der Richtung etwa senkrecht zur Richtung der Fasern zu Bändern von 0,2 mm Dicke und 2,3 mm Breite geschnitten. Die so hergestellten Bänder zeigten die gleichen

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elektrischen Eigenschaften wie das Produkt des Beispiels 1.

Beispiel 6:

Eine Mischung von 100 Teilen Borosilicatglas mit einem Erweichungspunkt von 750⁰C und 0,5 Teilen Graphitfaser mit der Bezeichnung Torayca M40A; Hersteller Toray Co., Japan, die auf 1,5 mm Länge zerschnitten war, wurde in geschmolzenen Zustand gebracht, und aus diesem Zustand heraus wurde nach dem Fourcault-Verfahren ein Rundstab von 5 mm Durchmesser erzeugt. Dieser Stab wurde in der Richtung senkrecht zur Faserausrichtung geschnitten, und die geschnittenen Oberflächen wurden poliert, um schließlich eine Anzahl von 1 mm dicken Platten zu erhalten. Diese Platten hatten die gleiche Struktur wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt und die gleichen elektrischen Eigenschaften wie das Produkt des Beispiels 3.

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*4 . Leerseite

Claims

- is/-

Patentansprüche

Ein anisotrop elektrisch leitender platten- oder folienförmiger Körper, dadurch gekennzeichnetι daß er ein elektrisch isolierendes Matrixmaterial und darin gleichmäßig verteilt eine Vielzahl von elektrisch leitenden Fasern, die im wesentlichen senkrecht zur Ebene oder Oberfläche des Körpers ausgerichtet sind, aufweist.
2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß das elektrisch isolierende Matrixmaterial ein polymerer Stoff ist.
3. Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der polymere Stoff ein Elastomer ist.
4. Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer ein vulkanisiertes Organopolysiloxan ist.
5. Körper nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Matrixmaterial ein anorganisches Glas ist.
6. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Fasern Kohlenstoffasern sind.
7. Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Fasern Metallfasern oder -drähte sind.
8. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der elektrisch leitenden Fasern weniger als 0,2 mm beträgt.
9. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Länge der elektrisch leitenden Fasern größer als 20 % der Dicke des Körpers ist.

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10. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet f daß das Volumen der elektrisch leitenden Fasern im Bereich von 0,1 bis 20 % des Gesamtvolumens des Körpers liegt.
11 . Verfahren zum Herstellen des anisotrop elektrisch leitenden Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein elektrisch isolierender Stoff, der hart oder starr werden kann_/und elektrisch leitende Fasern gleichmäßig zu einer plastischen Masse gemischt werden,

(b) die so erhaltene plastische Mischungsmasse einer Scherverformung in einer Richtung unterworfen wird, um eine zusammengesetzte Masse zu erhalten, in der die elektrisch leitenden Fasern in der Matrix des elektrisch isolierenden Stoffes parallel zur Richtung der Scherverformung ausgerichtet sind,

(c) die so erhaltene zusammengesetzte Masse in den harten oder starren Zustand gebracht wird und

(d) der so erhaltene harte zusammengesetzte Körper zu einem platten- oder folienförmigen Körper zerschnitten wird, dessen Oberflächen im wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung der elektrisch leitenden Fasern in der Matrix verlaufen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschnittslänge der elektrisch leitenden Fasern in der in Verfahrensstufe (b) erhaltenen zusammengesetzten Masse im Bereich von 0,1 bis 10 mm liegt und mehr als das 5-fache des Durchmessers der Fasern beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) durchgeführt wird, indem man die zusammengesetzte Masse je nach den Eigenschaften des elektrisch isolierenden Stoffes durch Vulkanisieren, Härten oder Abkühlen auf Raumtemperatur in den gehärteten oder erstarrten Zustand bringt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (d) durchgeführt wird, bevor der zusammengesetzte Körper seine Endhärte erreicht hat.

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