DE2838720C2 - Elektrisch isolierende Kunstharzmasse - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch Isolierende Kunstharzmasse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In der Elektrotechnik besteht ein großer Bedarf an Kunstharzen, z. B. für die Herstellung von Isolatoren *o und Gehäusen, deren elektrische Leitfähigkeit bezogen auf den Querschnitt der Kunstharzmasse (Volumenleltfählgkelt) Innerhalb eines Bereiches, In dem die Kunstharzmasse noch als Isolator wirkt, z. B. zwischen etwa 10~^H und 10~⁷ (Ohm χ cm)"¹ frei gewählt werden kann. Denn hierdurch Ist es möglich, noch eine ausreichende Isolierwirkung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig zu erreichen, daß die Volumenleitfähigkeit des Isolators größer Ist, als die Leitfähigkeit von sich etwa einstellenden Oberflächenverschmutzungen oder Oberflächenbelägen (Oberflächenleltfähigkelt) des Isolators. Durch die Maßnahme wird ein Überschlag entlang der Oberflächen eines zwischen elektrische Leiter eingefügten Isolators und somit seine Zerstörung mit Sicherheit vermieden. Des weiteren 1st es mit Isolatoren, deren Leitfähigkeit, z. B. um drei bis fünf Zehnerpotenzen vergrößert Ist, leicht möglich, unerwünschte und gegebenenfalls gefährliche Aufladungen und/oder Überspannungen von den zu isolierenden Teilen gefahrlos abzuleiten.

Aus der GB-PS 10 67 260 1st ein elektrisch leitendes, «> synthetisches Polymer bekannt. Es handelt sich hierbei um ein stickstoffhaltiges Polymer, beispielsweise ein Polyurethan, ein Polymer des Venylpyrtdlns, eine Polymer Acrylonltrlls oder ein Polymer des Methacrylonitrile. Die gewünschte Leitfähigkeit des Kunststoffes wird hler- *5 bei durch die Zugabe eines Elektronenakzeptors, Insbesondere durch den Zusatz von Tetracyanoquinodlmethan erreicht.

Aus der GB-PS 11 17 481 ist ein weiteres elektrisch leitendes, synthetisches Polymer bekannt- Es handelt sich hierbei ebenfalls um ein stickstoffhaltiges Polymer, beispielsweise um Polyurethan oder Polyvinylpyridin. Die elektrische Leitfähigkeit dieses Polymers wird durch die Zugabe von einem Elektronenakzeptor, Insbesondere Tetracyanoquinodlmethan und der daraus resultierenden Bildung von Charge-Transfer-Komplexen bewirkt.

In der DE-AS 13 03 463 1st eine thermoplastische Masse zur Herstellung von Dielektrika beschrieben. Bei dieser thennoplastlschen Masse handelt es sich um festes Polyolefin, dem Spannungsstabilisatoren beigemischt sind. Aus dieser thermoplastischen Masse werden Isolatoren für Kabel und Drähte hergestellt, die gute mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen. Als Spannungsstabilisatoren finden vor allem Gruppen von Elektronenakzeptören und Elektronendonatoren eine Verwendung. In dieser Entgegenhaltung wird ausschließlich die Herstellung von Dielektrika beschrieben. Der Entgegenhaltung 1st kein Hinweis auf eine Kunstharzmasse zu entnehmen, deren elektrische Volumenleltfahlgkelt In bestimmten Bereichen frei wählbar Ist, so daß die Volumenleitfähigkeit des Isolators größer Ist als die Leitfähigkeit von sich möglicherweise einstellenden Oberflächenverschmutzungen oder Oberflächenbelägen des Isolators.

Weitere elektrische isolierende Kunststoffe, die gegenüber ihrem Basismaterial eine erhöhte Elektronenleitfähigkeit aufweisen, enthalten elektronenleitende Füllstoffe wie Kupfer, Gold, Platin, Kohle oder Graphit. Kunststoffe mit solchen Zusätzen haben den Nachteil, daß bei geringem Anteil dieser Füllstoffe keine Erhöhung der Leitfähigkeit erfolgt, bei einer Vergrößerung des Zusatzes die Leitfähigkeit jedoch derart sprunghaft ansteigt, daß der Kunststoff aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit nicht mehr als elektrischer Isolator gelten kann. Dies Ist dadurch zu erkennen, daß beim Erreichen eines Schwellwertes bezüglich des Füllstoffzusatzes so viele leltfählge Füllstoffkörper Im Kunststoff vorhanden sind, daß sich diese genügend oft berühren und somit durchgehende elektronisch leitende Pfade Im Kunststoffkörper bilden.

In der Praxis Ist festzustellen, daß ein Isolierkörper auf einem solchen Kunststoff ohne Füllstoffe eine Leitfähigkeit von etwa 10"¹⁵ bis ΙΟ"¹⁸ (Ohm χ cm)"¹ aufweist, die bei einem Zusatz von Füllstoffen In geringen Mengen etwa konstant bleibt und die sich beim Erreichen des Schwellwertes bezüglich der zugegebenen Füllstoffmengen schlagartig auf einen Wert von etwa 10"⁴ (Ohm χ cm)"¹ ändert.

Es ist somit nicht möglich die elektrische Leitfähigkeit des bekannten Kunststoffs In jenem Bereich, In dem dieser noch als Isolator gilt, kontinuierlich zu variieren.

Ausgehend von diesem Stand der Technik Hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch Isolierende Kunststoffmasse der eingangs genannten Art anzugeben, deren Elektronenleitfähigkeit Innerhalb eines Bereiches, In dem die Kunststoffmasse noch als elektrischer Isolator zu gelten hat, stufenlos und beliebig einstellbar ist. Darüber hinaus soll diese Kunststoffmasse bei einfacher und kostengünstiger Herstellungsmöglichkeit sowie universeller Anwendbarkelt den beim Einsatz auftretenden Anforderungen gewachsen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Erfindung geht somit von dem Gedanken aus, der Kunstharzmasse bzw. dem Polymerisat einen Zustz beizugeben, dessen Moleküle Im wesentlichen einzeln mit

einzelnen geeigneten funktioneilen Gruppen der Polymergruppe bzw. des Polymerrings eine Bindung unter Eleklronendbertragung im Sinne eines Charge-Transfer-Komplexes eingehen.

Die Kunstharzmasse und der Zusatz sind jeweils neutrale Stoffe. Wird die Kunstharzmasse in kleinen VoIumenelnhelten betrachtet, so treten dort sowohl funktlonelle Gruppen mit einer besonders hohen Elektronendichte und an einer anderen Stelle solche Gruppen mit geringer Elektronendichte auf.

Zu den Gruppen, die In einer polymeren organischen Verbindung eine geringe Elektronendichte bzw. einen Elektronenmangel aufweisen, können z. B. die folgenden gezählt werden: Kohlenstoffdoppelblndungen, die In Ihrer beider Nachbarschaft folgende elektronenabzlehende Gruppierungen haben: Halogen-Gruppen, Pseudohalogen-Gruppen, Karbonyl-Gruppen, Nltro-Gruppen, OH-Gruppen, SH-Gruppen, C,S-Grup?en; ferner der Schwefel In Sulfonlumsalzblndungen, der Sauerstoff in Oxonlumsalzblndungen und der Stlcktoff in Ammonlumsalzbindungen.

Bei Elektronendonatoren handelt es sich um neutrale Stoffe, die Elektronen besonders leicht an andere organische Moleküle abgeben können. Unter Elektronenakzeptoren versteht man Neutralstoffe, die von anderen neutralen organischen Molekülen Elektronen besonders leicht aufnehmen können. Ein Elektronenakzeptormolekül kann mit einem Elektronendonatormolekül umgesetzt werden. Dabei tritt ein Ladungsübergang auf und es bildet sich ein sogenannter Charge-Transfer-Komplex. Solche Verbindungen wurden bereits miteinander umgesetzt, um organische, salzartig aufgebaute Festkörper mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit zu erhalten, die in der Zukunft einmal als elektronische Leiter geringen Gewichts In speziellen Fällen eingesetzt werden sollen (Koonce, C. S. »Plelerls Transitions In Semimetallic one Dimensional Charge Transfer Salts«, Solid State Commun. 14, (1974) 11, S. 1141 bis 1144). Festkörper dieser Art sind jedoch nicht als Werkstoffe für den vorliegenden Fall und Insbesondere nicht als Isolierstoffe geringer Leitfähigkeit geeignet, denn die Leitfähigkeit solcher Festkörper liegt In einer Größenordnung von etwa 10"' bis 1O⁺³ (Ohm χ cm)"¹. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun die homogene VciumenJeltfählgkeit von elektrisch Isolierenden Kunstharzmassen dadurch erhöht, daß analog zur Bildung von Charge-Transfer-Komplexen die mit Elektronenunterschuß ausgestatteten funktloncllen Gruppen des Kunststoffes mit zugesetzten Elektronendonator-Molekülen umgesetzt werden.

Durch die erfindungsgemäße Zugabe von Elektronendonator-Molekülen entstehen Im Kunststoff Charge-Transfer-Komplexe, welche einen Bestandteil der Kunstharzmasse bilden. Analog zu der Zahl der so »integrierten« Charge-Transfer-Komplexe entstehen In der Kunstharzmasse frei bewegliche Elektronen. Bei Konzentrationserhöhung des Zusatzes erhöht sich die Zahl der »Integrierten« Charge-Transfer-Komplexe, falls die Kunststoffmasse noch über geeignete nicht abreagierte funktioneile Gruppen verfügt. Dabei erhöht sich auch die Zahl der frei beweglichen Elektronen und somit die Volumenleltfähigkelt in jenem Bereich, In dem die Kunstharzmasse als elektrischer Isolator gilt. In Abhängigkeit von der Konzentration des Zusatzes.

Dies ist aber gerade jener Bereich, In dem durch Zusatz eines leitfähigen Füllstoffes eine Erhöhung der Leitfähigkeit bei Kunststoffen gemäß dem Stand der Technik nicht realisiert werden kann.

Soll die Kunstharzmasse für elektrische Isolatoren Anwendung finden, so Ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gekennzeichnet durch den Zusatz von Elektronendonator-Molekülen In solchen Mengen, daß die ausgehärtete Kunstharzmasse eine Leitfähigkeit In der Größenordnung von ΙΟ"¹⁰ bis IfT¹² (Ohm χ cm)-¹, vorzugsweise 10"" (Ohm χ cm)"¹ aufweist.

Soll die Kunstharzmasse elektrische Ladungen ableiten, wie z. B. beim Einsatz für antistatische Gehäuseteile oder Tonträger, so Ist eine andere empfehlenswerte Weiterbildung der Erfindung gekennzeichnet durch den Zusatz von Elektronendonator-Molekülen In solchen Mengen, daß die ausgehärtete Kunstharzmasse eine Leitfähigkeit von mehr als 10"' (Ohm χ cm)"¹, vorzugsweise In der Größenordnung von IfJ-⁷ bis 10"' (Ohm χ cm)"¹ aufweist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrisch Isolierende Kunstharzmasse auf der Basis von Epoxidharzen, vernetzten Polyestern oder vernetzten Polyurethanen mit einer erhöhten Elektronenleitfähigkeit zur Bildung von Charge-Transfer-Komplexen, gekennzeichnet durch einen Zusatz von Elektronendonator-Molekülen In Form von Tetrathlafulvalen, Dlbenzo-Tetrathlafulvalen, Perylen, Pyren, Pyrldazln, aromatischen Aminen, t-Stllben, Phenothiazlnen, Anthracen oder Naphthalin zur Bildung der Charge-Transfer-Komplexe durch mindestens teilweise Umsetzung mit funktlonellen Gruppen des Basismaterials und/oder dessen Zusatzstoffen unter Freisetzung von Elektronen, In Mengen von 0,1 bis 60 Gew.-%, Insbesondere 1 bis 20 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht.

2. Kunstharzmasse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Zusatz von Elektronendonator-Moleküten In solchen Mengen, daß die ausgehärtete Kunstharzmasse eine Leitfähigkeit In der Größenordnung von ΙΟ"¹⁰ bis ΙΟ"¹² (Ohm κ cm)"¹, vorzugsweise etwa 10"" (Ohm χ cm)"¹ aufweist.

3. Kunstharzmasse nach Anspruch 1, gekennzelchnet durch den Zusatz von Elektronendonator-Molekülen In solchen Mengen, daß die ausgehärtete Kunstharzmasse eine Leitfähigkeit von mehr als 10"' (Ohm χ cm)"¹, vorzugsweise In der Größenordnung von 10"⁷ bis 10"' (Ohm χ cm)¹ aufweist.