DE3023621A1 - ELASTOMER BODY WITH PRESSURE-DEPENDENT ELECTRICAL CONDUCTIVITY - Google Patents
ELASTOMER BODY WITH PRESSURE-DEPENDENT ELECTRICAL CONDUCTIVITYInfo
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Description
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft einen Elastomerkörper mit druckabhängiger elektrischer Leitfähigkeit der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.The invention relates to an elastomer body with pressure-dependent electrical conductivity of the preamble of claim 1 mentioned Art.
Speziell betrifft die Erfindung einen Elastomerkörper, der im entspannten Zustand ein elektrischer Isolator ist/ der jedoch unter Druckeinwirkung, das heißt unter der Einwirkung einer Kompressionskraft, elektrisch leitend wird. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Elastomerkörper mit besonders gut reproduzierbaren Druck-Widerstand-Kennlinien· In particular, the invention relates to an elastomer body which, in the relaxed state, is an electrical insulator however, under the action of pressure, that is, under the action of a compressive force, becomes electrically conductive. In particular The invention relates to such elastomeric bodies with particularly easily reproducible pressure-resistance characteristics
Elastomerkörper mit druckabhängiger elektrischer Leitfähigkeit sind gebräuchliche Werkstoffe, die beispielsweise in zahlreichen elektronischen Geräten als Kontakte oder druckempfindliche Widerstandselemente verwendet werden. Solche Elastomerkörper mit druckabhängiger elektrischer Leitfähigkeit, im folgenden auch kurz als "druckempfindliche Elastomerkörper" bezeichnet, werden aus Kautschukmischungen hergestellt, die mit größeren Anteilen eines elektrisch leitfähigen Pulvers gefüllt sind. Die so gefüllten Elastomermischungen werden dann in üblicher Weise.zum Formstoff, nämlich dem Elastomerkörper, verarbeitet. Als elektrisch leitfähige Füllstoffe werden vor allem Metallpulver und Kohlenstoffpulver, insbesondere Ruß und Graphitpulver, verwendet. Elastomere mit druckabhängiger elektrischer Leitfähigkeit werden häufig nach dem Mechanismus der unter Druck erzeugten elektrischen Leitfähigkeit klassifiziert.Elastomer bodies with pressure-dependent electrical conductivity are common materials that are used, for example, in can be used as contacts or pressure-sensitive resistive elements in numerous electronic devices. Such Elastomer body with pressure-dependent electrical conductivity, hereinafter also referred to as "pressure-sensitive elastomer body" for short called, are made from rubber compounds with larger proportions of an electrically conductive Filled with powder. The elastomer mixtures filled in this way are then converted into the molding material in the usual way. namely the elastomer body, processed. Metal powder and Carbon powder, especially carbon black and graphite powder, used. Elastomers with pressure-dependent electrical conductivity are often made according to the mechanism of being under pressure electrical conductivity generated.
Bei einer ersten Klasse der druckabhängig elektrisch leitfähigen Elastomerkörper ist der Elastomerkörper sandwichartig zwischen zwei Elektroden angeordnet. Im entspanntenIn a first class of pressure-dependent, electrically conductive elastomer bodies, the elastomer body is sandwich-like arranged between two electrodes. Im relaxed
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oder zumindest weitgehend entspannten Zustand treten zwischen den Elektroden und dem Elastomer sehr große Kontaktwiderstände auf. Mit zunehmender Kompression des Elastomers zwischen den beiden Elektroden nimmt die wirksame Kontaktfläche zwischen den Oberflächen des Elastomers und den Elektroden allmählich zu, wodurch eine druckabhängige Verringerung des Kontaktwiderstandes bewirkt wird (US 2 752 558 A1 und JP 36-18879 B4). Bei druckempfindlichen elastischen Körpern dieser Art wird jedoch mit zunehmender Anzahl zyklischer Belastungen und Entlastungen die Reproduzierbarkeit der Druck-Widerstand-Kennlinie zunehmend schlechter. Durch sich ständig ändernde Kontaktbedingungen werden auch die Kennlinien ständig verändert.or at least a largely relaxed state, very high contact resistances occur between the electrodes and the elastomer on. With increasing compression of the elastomer between the two electrodes, the effective contact area between the surfaces of the elastomer and the electrodes gradually increase, resulting in a pressure-dependent reduction in the contact resistance is effected (US 2 752 558 A1 and JP 36-18879 B4). For pressure-sensitive elastic bodies however, the reproducibility of the pressure-resistance characteristic curve becomes of this type with an increasing number of cyclical loads and unloadings increasingly worse. Due to constantly changing contact conditions, the characteristics also become constant changes.
Eine zweite Klasse von Elastomeren mit druckabhängiger elektrischer Leitfähigkeit ist beispielsweise aus JP 46-6179 A2 und JP 50-31945 B4 bekannt. Beim Einwirken einer Kompressionskraft auf das Elastomer wird die mechanische Spannung im Elastomer erhöht, wodurch wiederum die Kontaktflächen zwischen den in der Elastomermatrix dispergierten elektrisch leitfähigen Teilchen vergrößert werden. Dies führt zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen zwei Elektroden, die an dem Elastomerkörper anliegen. Auch solche Vorrichtungen zeigen eine nur ungenügende Stabilität oder Reproduzierbarkeit der Druck-Widerstand-Kennlinien. Diese ungenügende Reproduzierbarkeit der Kennlinien ist vor allem darauf zurückzuführen, daß sich die elektrischen Kontaktbedingungen zwischen den einzelnen, in der Elastomermatrix eingebetteten elektrisch leitfähigen Teilchen ständig ändern, und zwar insbesondere unter dem Einfluß von Einwirkungen aus der Umgebung, speziell bei Temperaturschwankungen. Auch wird die Reproduzierbarkeit der Druck-Widerstand-Kennlinien solcher Elastomerkörper nach der Einwirkung sehr hoher Drücke merklich beeinträchtigt. Dies ist auf Korngrenzeffekte, insbesondere Korngrenzflächentrennungen in und zwischen den inA second class of elastomers with pressure-dependent electrical Conductivity is known, for example, from JP 46-6179 A2 and JP 50-31945 B4. When a compressive force is applied to the elastomer, the mechanical tension in the elastomer is increased increased, whereby in turn the contact areas between the electrically conductive dispersed in the elastomer matrix Particles are enlarged. This leads to an increase in the electrical conductivity between two electrodes, the rest against the elastomer body. Such devices also show insufficient stability or reproducibility the pressure-resistance characteristics. This insufficient reproducibility of the characteristics is mainly due to that the electrical contact conditions between the individual, embedded in the elastomer matrix electrically conductive particles constantly change, especially under the influence of environmental influences, especially with temperature fluctuations. The reproducibility of the pressure-resistance characteristics also becomes such Elastomer body noticeably impaired after exposure to very high pressures. This is due to grain boundary effects, in particular Grain boundary separations in and between the in
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der Elastomermatrix dispergierten elektrisch leitfähigen Teilchen zurückzuführen,electrically conductive particles dispersed in the elastomer matrix,
Zur Verbesserung der Kennlinienstabilität in druckempfindlichen Elastomeren der zuletzt genannten Art sind inzwischen zahlreiche Maßnahmen bekannt geworden. So ist aus JP 53-896 A2 bekannt, in kleineren Mengen ein flüssiges Organopolysiloxan in die Elastomermatrix einzuarbeiten. Aus JP 53-7993 A2 ist bekannt, synthetisches Graphitpulver als elektrisch leitfähiges Pulver in der Elastomermatrix zu dispergieren, dessen Teilchen nach Art von Bachkieseln abgeschliffen sind und keine scharfen Kanten oder Ecken aufweisen. Schließlich ist aus JP 52-5715 B4 bekannt, als elektrisch leitfähiges Pulver ein Metall in die Elastomermatrix einzuarbeiten, dessen Teilchenoberflächen mit einem Halbleiter beschichtet sind. Durch all diese Maßnahmen konnte zwar die Reproduzierbarkeit der Kennlinien durchaus verbessert werden, eine tatsächliche Stabilisierung der Kennlinien konnte jedoch durch keine dieser bekannten Maßnahmen errreicht werden.To improve the characteristic stability in pressure-sensitive Elastomers of the last-mentioned type have meanwhile become known numerous measures. From JP 53-896 A2 known to incorporate a liquid organopolysiloxane into the elastomer matrix in smaller amounts. From JP 53-7993 A2 is known to disperse synthetic graphite powder as an electrically conductive powder in the elastomer matrix, its Particles like brook pebbles are sanded down and have no sharp edges or corners. Finally it's over JP 52-5715 B4 known to incorporate a metal into the elastomer matrix as an electrically conductive powder, its particle surfaces are coated with a semiconductor. With all these measures, the reproducibility of the characteristic curves could definitely be improved, but none of these known ones could actually stabilize the characteristics Measures are achieved.
Weiterhin sind aus JP 53-3695 A2 Versuche bekannt geworden, die elektrisch leitfähigen Teilchen in bestimmter Weise in der Elastomermatrix zu verteilen. Die gleichzeitig ferromagnetischen elektrisch leitfähigen Teilchen werden vor und während der Vernetzung des Elastomers unter der Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes in bestimmter, mehr oder minder imhomogener Weise in der Matrix verteilt. Nach JP 52-139989 A2 ist ein Elastomerkörper so ausgebildet, daß die Dichte der in der Elastomermatrix dispergierten elektrisch leitfähigen Teilchen im Kernbereich des Elastomerkörpers größer als an dessen Oberflächen ist. Nachteilig an den beiden zuletzt genannten Verfahren sind die technisch schwierig zu handhabenden mehrstufigen und kostenintensiven Verfahren zur Herstellung solcher Elastomerkörper mit in-Furthermore, attempts have become known from JP 53-3695 A2, distribute the electrically conductive particles in a certain way in the elastomer matrix. The at the same time ferromagnetic Electrically conductive particles are exposed before and during the crosslinking of the elastomer an external magnetic field distributed in a specific, more or less inhomogeneous manner in the matrix. To JP 52-139989 A2, an elastomer body is designed so that the density of the electrically conductive particles dispersed in the elastomer matrix in the core area of the elastomer body is larger than on its surfaces. The technical disadvantages of the two last-mentioned processes difficult to handle multi-stage and cost-intensive processes for the production of such elastomer bodies with internal
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homogener oder unsteticjer Verteilung der elektrisch leitfähigen Teilchen in der Elastomermatrix.homogeneous or unstable distribution of the electrically conductive Particles in the elastomer matrix.
Nachteilig bei den druckabhängig elektrisch leitfähigen Elastomeren nach dem Stand der Technik ist weiterhin, daß diese zwar durchaus als Ein/Aus-Schalter, nicht aber als druckempfindliches variables Widerstandselement, das eine stabile Kennlinie aufweist und eichfähig ist, eingesetzt werden können. Dies ist auf den relativ großen Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes zurückzuführen, den die bekannten Elastomerkörper im praktisch nutzbaren Bereich der Kompression aufweisen. Wird auf einen zwischen zwei Elektroden eingespannten Elastomerkörper über die Elektroden eine Kompressionskraft zur Einwirkung gebracht, so sinkt der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden von anfangs praktisch unendlich auf ausreichend niedrige Werte, die bereits im Leitfähigkeitsbereich liegen. Es ist hierbei jedoch praktisch kaum möglich, Zwischenwerte verläßlich reproduzierbar einzustellen.Another disadvantage of the pressure-dependent, electrically conductive elastomers according to the prior art is that this is indeed as an on / off switch, but not as a pressure-sensitive variable resistance element, the one has a stable characteristic and is calibratable, can be used. This is due to the relatively large pressure coefficient the electrical resistance due to the known elastomer body in the practically usable range of compression. Is on an elastomer body clamped between two electrodes over the electrodes a When the compression force is applied, the electrical resistance between the electrodes practically drops from the beginning infinitely to sufficiently low values that are already in the conductivity range. However, it is convenient here hardly possible to set intermediate values reliably and reproducibly.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elastomerkörper mit druckabhängiger elektrischer Leitfähigkeit zu schaffen, der auch nach zahllosen zyklisch wiederholten Belastungen und Entlastungen stabile unveränderte und verläßlich reproduzierbare Druck-Widerstand-Kennlinien aufweist und außerdem so formuliert werden kann, daß der Druckkoeffizient seines elektrischen Widerstandes über einen möglichst breiten Druckbereich relativ klein ist,"so daß der Widerstand des Elastomerkörpers durch Dosierung der einwirkenden Kompressionskraft relativ genau und verläßlich einstellbar ist. The invention is based on the object of providing an elastomer body with pressure-dependent electrical conductivity create that is stable, unchanged and reliable even after countless cyclically repeated loads and reliefs Has reproducible pressure-resistance characteristics and can also be formulated so that the pressure coefficient its electrical resistance is relatively small over the widest possible pressure range, "so that the resistance of the Elastomer body is relatively precisely and reliably adjustable by metering the acting compression force.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Elastomerkörper mit druckabhängiger elektrischer Leitfähigkeit der eingangs genannten Art geschaffen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnendenTo solve this problem, an elastomer body with pressure-dependent electrical conductivity of the type mentioned created, which according to the invention in the characterizing
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Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale .aufweist.Part of claim 1 mentioned features .aufnahm.
Der Elastomerkörper der Erfindung mit der druckabhängigen elektrischen Leitfähigkeit ist also ein Formstoff, in der Regel ein Formteil oder ein aus Halbzeug geschnittenes Teil, das zu 100 Volumenteilen aus einem elektrisch isolierenden Elastomer als Matrix und zu 60 bis 280 Volumenteilen aus einem in der Matrix dispergierten Metallpulver besteht. Dieses Metallpulver hat eine Schüttdichte von 1,8 bis 6,0 g/cm3 bei einem Packungsquotienten von 0,20 bis 0,65 (bestimmt nach der Japanischen Industrienorm JIS Z 2504). Die Fließfähigkeit des Metallpulvers, bestimmt nach der Japanischen Industrienrom JIS Z 2502, beträgt 15 bis 50 s/50g. Der Fülligkeitsfaktor (Definition siehe unten) der Teilchen des Metallpulvers beträgt mindestens 0,1.The elastomer body of the invention with the pressure-dependent electrical conductivity is therefore a molded material, usually a molded part or a part cut from a semi-finished product, 100 parts by volume of an electrically insulating elastomer as a matrix and 60 to 280 parts by volume of a metal powder dispersed in the matrix consists. This metal powder has a bulk density of 1.8 to 6.0 g / cm 3 with a packing ratio of 0.20 to 0.65 (determined according to Japanese Industrial Standard JIS Z 2504). The flowability of the metal powder, determined according to the Japanese Industrial Code JIS Z 2502, is 15 to 50 s / 50 g. The bulk factor (see definition below) of the particles of the metal powder is at least 0.1.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur, nämlich dieThe invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawing. Included shows the only figure, namely the
Fig. 1 in graphischer Darstellung den elektrischen Widerstand von Elastomerkörpern nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik als Funktion des auf die Elastomerkörper einwirkenden Druckes.1 shows a graph of the electrical resistance of elastomeric bodies according to the invention and according to the prior art as a function of the acting on the elastomeric bodies Pressure.
Als Werkstoff für die Matrix des Elastomerkörpers der Erfindung kann prinzipiell jede an sich bekannte elektrisch isolierende Kautschukmischung verwendet werden, solange diese nach dem Vernetzen gummielastisch ist. Als Werkstoff für die Elastomermatrix werden vorzugsweise folgende Elastomere verwendet: Naturkautschuk, Butylkautschuk, Isoprenkautschuk, Acrylkautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk, chlorierter Polyethylenkautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Silicongummi, Fluor-In principle, any electrically insulating material known per se can be used as the material for the matrix of the elastomer body of the invention Rubber mixture can be used as long as it is rubber-elastic after crosslinking. As a material for the elastomer matrix the following elastomers are preferably used: natural rubber, butyl rubber, isoprene rubber, acrylic rubber, Nitrile butadiene rubber, chlorinated polyethylene rubber, ethylene propylene rubber, silicone rubber, fluorine
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kohlenstoffkautschuk und Polyurethankautschuk. Diese gummiartigen Elastomere können einzeln oder im Gemisch miteinander, auch im Gemisch mehrerer Komponenten, verwendet werden. Auch können diese Elastomere in üblicher Weise zur Herstellung von Formmassen mit gebräuchlichen Additiven, insbesondere mit Vernetzungsmitteln und Vernetzungshilfsmitteln, auch Vernetzungsbeschleunigern, versetzt werden. Zusätzlich zu den genannten Kautschukwerkstoffen kann als Matrix für die Elastomerkörper der Erfindung auch eine Reihe von thermoplastischen Harzen verwendet werden, die im Bereich bis zum Schmelzbereich oder Erweichungsbereich eine gewisse Gummielastizität aufweisen. Als Thermoplaste dieser Art werden vorzugsweise die folgenden Harze verwendet: Polyurethane, Polyester und Polyamide. Auch diese Harze können einzeln oder als Polymergemische eingesetzt werden. Insbesondere werden diese thermoplastischen Harze jedoch in Form von Polymermischungen mit den vorstehend genannten Elastomeren eingesetzt. Die aus den Elastomeren und/oder Harzen hergestellten Formmassen können in der Gummitechnologie übliche Additive wie insbesondere Weichmacher, Stabilisatoren, Alterungsschutzmittel, Gleitmittel, Farbmittel, Treibmittel, Pigmente, Füllstoffe oder Haftvermittler sein.carbon rubber and polyurethane rubber. These rubbery ones Elastomers can be used individually or in a mixture with one another, even in a mixture of several components. These elastomers can also be used in the customary manner for the production of molding compositions with customary additives, in particular crosslinking agents and crosslinking auxiliaries, including crosslinking accelerators, are added. Additionally In addition to the rubber materials mentioned, a number of thermoplastic materials can also be used as a matrix for the elastomer bodies of the invention Resins are used which range up to a certain melting range or softening range Have rubber elasticity. The following resins are preferably used as thermoplastics of this type: Polyurethanes, Polyesters and polyamides. These resins can also be used individually or as polymer mixtures. In particular, be However, these thermoplastic resins are used in the form of polymer blends with the abovementioned elastomers. The molding compounds produced from the elastomers and / or resins can contain additives customary in rubber technology such as plasticizers, stabilizers, anti-aging agents, lubricants, colorants, propellants, pigments, Be fillers or adhesion promoters.
Von den vorstehend genannten Elastomeren werden vorzugsweise die Silicone verwendet. Siliconkautschuk weist eine gute Wärmebeständigkeit, gute elektrische Kenndaten und eine gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien auf. Unter den verschiedenen, nach der Art ihrer Vernetzung klassifizierten Siliconkautschuktypen wird keinem speziellen Kautschuktyp der Vorzug eingeräumt.Of the elastomers mentioned above, the silicones are preferably used. Silicone rubber exhibits good Heat resistance, good electrical characteristics and good resistance to chemicals. Among the various silicone rubber types classified according to the type of crosslinking no special type of rubber is given preference.
Das als dispergierte Phase in die elektrisch isolierende Elastomermatrix eingearbeitete Metallpulver besteht vorzugsweise aus Nickel, Edelstahl, Kupfer, einer Kupferlegierung,The metal powder incorporated as a dispersed phase into the electrically insulating elastomer matrix is preferably composed made of nickel, stainless steel, copper, a copper alloy,
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Wolfram, Titan, einer Titanlegierung, Zinn, einer Lötmetalllegierung, Zink, Bismut, Silber, einer Silberlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.Tungsten, titanium, a titanium alloy, tin, a solder alloy, Zinc, bismuth, silver, a silver alloy, aluminum or an aluminum alloy.
Nicht also der Werkstoff des Metallpulvers, sondern die Pulverkenndaten selbst sind für den Erfolg der Erfindung von entscheidender Bedeutung. So muß insbesondere die Schütt dichte des als dispergierte Phase verwendeten Metallpulvers im Bereich von 1,8 bis 6,0 g/cm3 liegen. Dabei wird die Schüttdichte nach der Japanischen Industrienorm JIS Z 2504 bei einem Packungsquotienten von 0,20 bis 0,65 bestimmt. Die Fließfähigkeit des Metallpulvers wird nach der Japanischen Industrienorm JIS Z 2502 bestimmt. Die nach der Maßgabe dieser Norm bestimmte Fließfähigkeit des Metallpulvers muß im Bereich von T~5 bis 50 s/50 g liegen. Auch ist die Konfiguration der einzelnen Teilchen des Pulvers von gewisser Bedeutung. Vorzugsweise haben die Teilchen des Pulvers untereinander keine einheitliche Form, sind also vorzugsweise beispielsweise nicht nur alle kugelförmig, tropfenförmig, quaderförmig, nadeiförmig oder schuppenförmig, sondern weisen solche verschiedenen Gestalten von Teilchen zu Teilchen wechselnd auf.So it is not the material of the metal powder, but the powder characteristics themselves that are of decisive importance for the success of the invention. In particular, the bulk density of the metal powder used as the dispersed phase must be in the range from 1.8 to 6.0 g / cm 3 . The bulk density is determined according to the Japanese industrial standard JIS Z 2504 with a packing quotient of 0.20 to 0.65. The flowability of the metal powder is determined according to the Japanese industrial standard JIS Z 2502. The flowability of the metal powder, determined in accordance with this standard, must be in the range from T ~ 5 to 50 s / 50 g. The configuration of the individual particles in the powder is also of certain importance. The particles of the powder preferably do not have a uniform shape with one another, so are preferably not only all spherical, drop-shaped, cuboid, needle-shaped or flaky, but also have such different shapes alternating from particle to particle.
Diese Inhomogenität der Teilchenfiguration wird statistisch durch den sog. Fülligkeitsfaktor erfaßt. Der Fülligkeitsfaktor des Metallpulvers liegt bei mindestens 0,1.This inhomogeneity of the particle configuration is recorded statistically by the so-called bulk factor. The bulk factor of the metal powder is at least 0.1.
Begriff und Definition des Fülligkeitsfaktors stammen von Hausner (1966). Der Fülligkeitsfaktor fß, ein Formfaktor, ist wie folgt definiert:The term and definition of the bulky factor come from Hausner (1966). The fullness factor f ß , a form factor, is defined as follows:
fB f B
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In dieser Gleichung ist f„ der Fülligkeitsfaktor, A die Projektionsfläche eines Teilchens auf eine Ebene und sind 1 und b die Länge der längeren bzw. kürzeren Seite des flächenkleinsten Rechtecks, das in der Projektionsebene um die Projektionsfläche des Teilchens herumgelegt werden kann. Der Wert dieses Formfaktors, der hier als Fülligkeitsfaktor bezeichnet ist, kann für die einzelnen Teilchen ohne Schwierigkeiten aus Mikrofotografien ermittelt werden.In this equation, f “is the bulkiness factor, A is the Projected area of a particle on a plane and 1 and b are the length of the longer and shorter side of the smallest area Rectangle that can be placed around the projection surface of the particle in the projection plane. Of the The value of this form factor, which is referred to here as the volume factor, can be used for the individual particles without difficulty can be determined from photomicrographs.
Wenn beispielsweise der Fülligkeitsfaktor f = 1 ist, so besagt dies, daß ein Teilchen in der Bezugsebene eine streng rechteckige geometrische Form aufweist. Dies besagt jedoch nicht, daß sämtliche Teilchen rechteckige Form mit dem gleichen Seitenverhältnis haben. Vielmehr können auch dann, wenn sämtliche Teile des Pulvers ein und derselben geometrischen Grundform oder Konfiguration zuzuordnen sind, die Teilchen untereinander auf Grund verschiedener Kantenlängenverhältnisse unterschiedliches Aussehen haben.For example, if the bulkiness factor f = 1, this means that a particle in the reference plane is a strict one has a rectangular geometric shape. However, this does not mean that all particles are rectangular in shape with the same Have aspect ratio. Rather, even if all parts of the powder have one and the same basic geometric shape or configuration, the particles differ from one another due to different edge length ratios Have appearance.
Für kugelförmige Teilchen ist beispielsweise fR = 0,785.For spherical particles, for example, f R = 0.785.
In diesem Sinne liegt also der Bereich der Fülligkeitsfaktoren für sämtliche einzelnen Teilchen des Metallpulvers vorzugsweise bei Werten von größer oder gleich 0,1.In this sense, the range of the filling factors for all the individual particles of the metal powder is preferably for values greater than or equal to 0.1.
Weiterhin besteht das Metallpulver vorzugsweise aus Teilchen, die nicht alle nur einer einzigen, sondern jeweils einer von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier verschiedenen geometrischen Grundformen zuzuordnen sind. So ist das Metallpulver beispielsweise nach dieser Ausgestaltung ein Gemisch aus kugelförmigen, tropfenförmigen, quaderförmigen, nadeiförmigen, plättchenförmigen, schuppenförmigen und/oder irregulären Teilchen. Dabei werden die Teilchen mit im wesentlichen einfacher und regelmäßiger geometrischen Konfiguration den Teilchen mit irregulärer Geometrie vorgezogen. - Wenn die Teilchen des Metallpulvers mehreren geometrischen Grundformen zuzuordnen sind, so verteilen sich die Teilchen des Pulvers zumindest im wesentlichen in gleichen Anteilen auf die auftretenden geometrischen Grundformen.Furthermore, the metal powder preferably consists of particles that are not all of a single one, but one of each at least two, preferably at least four, different basic geometric shapes are to be assigned. So is the metal powder For example, according to this embodiment, a mixture of spherical, teardrop-shaped, cuboid, needle-shaped, platelet-shaped, flaky and / or irregular particles. In doing so, the particles become essentially simpler and more regular geometric configuration preferred to particles with irregular geometry. - When the particles of metal powder are to be assigned to several basic geometric shapes, the particles of the powder are at least essentially distributed in equal proportions to the basic geometric shapes that occur.
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Wenn das Metallpulver eine Schüttdichte von kl.einer als 1,8 g/cm3 und eine Fließfähigkeit von über 50 s/50 g aufweist, zeigt ein mit einem solchen Metallpulver gefülltes Elastomer im Vergleich zu einem Elastomer, das mit einem Metallpulver mit üblichen Kenndaten gefüllt ist, keine überlegenen Eigenschaften oder Kenndaten auf. Auch wird keine Verbesserung der Eigenschaften und der Kenndaten erreicht, wenn das zum Füllen verwendete Metallpulver eine Schüttdichte von größer als 6,0 g/cm3 und eine Fließfähigkeit von kleiner als 15 s/50 g aufweist. Ein solches Metallpulver mit großer Schüttdichte und geringer Fließfähigkeit besteht aus Teilchen, deren Sphärizität dicht bei 1,0 liegt. Ein mit einem solchen Metallpulver gefülltes Elastomer zeigt ungewöhnlich große Werte der Kompressionsspannung unter der Einwirkung einer äußeren Kompressionskraft. Dies wiederum führt zu einer schlechten Stabilität und schlechten Reproduzierbarkeit der Druck-Widerstand-Kennlinien. Zwischen diesen Grenzen liegen die Werte für die Schüttdichte vorzugsweise im Bereich von 2,5 bis 5,0 g/cm3 bei einem Packungsquotienten von 0,25 bis 0,60 und weisen die Pulver Fülligkeitsfaktoren von mindestens 0,12 auf. Weiterhin weist das Metallpulver vorzugsweise eine Korngröße von kleiner als 0,147 mm, insbesondere vorzugsweise kleiner als 0,074 mm auf. Dies gewährleistet, daß selbst sehr dünne Elastomerkörper, beispielsweise also dünne Elastomerfolien, noch als homogene Strukturen bezeichnet werden können. Metallpulver, die den Anforderungen der Erfindung entsprechen, können durch sorgfältiges Sortieren und Klassifizieren von im Handel erhältlichen Metallpulvern hergestellt werden, insbesondere aus solchen Metallpulvern, die durch Zerstäubungsverfahren hergestellt worden sind. Die Teilchen des Metallpulvers, das die von der Erfindung geforderten Kenndaten aufweist, können vor dem Einarbeiten in die elektrisch isolierende Elastomermatrix beschichtet werden, beispielsweise mitIf the metal powder has a bulk density of less than 1.8 g / cm 3 and a flowability of more than 50 s / 50 g, an elastomer filled with such a metal powder shows in comparison to an elastomer that with a metal powder with conventional characteristics filled has no superior properties or characteristics. Also, no improvement in the properties and the characteristics is achieved if the metal powder used for filling has a bulk density of greater than 6.0 g / cm 3 and a flowability of less than 15 s / 50 g. Such a metal powder having a large bulk density and poor flowability is composed of particles whose sphericity is close to 1.0. An elastomer filled with such a metal powder exhibits unusually large values of compressive stress under the action of an external compressive force. This in turn leads to poor stability and poor reproducibility of the pressure-resistance characteristic curves. Between these limits, the values for the bulk density are preferably in the range from 2.5 to 5.0 g / cm 3 with a packing quotient of 0.25 to 0.60 and the powders have bulk factors of at least 0.12. Furthermore, the metal powder preferably has a grain size of less than 0.147 mm, in particular preferably less than 0.074 mm. This ensures that even very thin elastomer bodies, for example thin elastomer films, can still be referred to as homogeneous structures. Metal powders meeting the requirements of the invention can be made by carefully sorting and classifying commercially available metal powders, particularly those metal powders made by atomization processes. The particles of the metal powder which has the characteristics required by the invention can be coated, for example with, before being incorporated into the electrically insulating elastomer matrix
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einem Metall, das weniger korrosionsanfällig als das Pulvermetall ist, oder mit einem Haftvermittler.a metal that is less susceptible to corrosion than the powder metal, or with an adhesion promoter.
Das im Kenndatenfeld der Erfindung liegende Metallpulver wird in Mengen von 60 bis 280 Volumenteilen je 100 Volumenteile Elastomer in die elektrisch isolierende Elastomermatrix eingearbeitet. Bei Anteilen von kleiner als 60 Volumenteilen wird im Elastomerkörper keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit mehr erreicht. Bei Füllgraden von größer als 280 Volumenteilen je 100 Volumenteile Elastomer wird der dabei erhaltene Elastomerkörper häufig bereits zu spröde und ist nicht mehr ausreichend gummielastisch.The metal powder lying in the characteristic data field of the invention is used in amounts of 60 to 280 parts by volume per 100 parts by volume Elastomer incorporated into the electrically insulating elastomer matrix. For proportions of less than 60 parts by volume sufficient electrical conductivity is no longer achieved in the elastomer body. For filling degrees greater than than 280 parts by volume per 100 parts by volume of elastomer, the resulting elastomer body is often too brittle and is no longer sufficiently elastic.
Die Herstellung des Elastomerkörpers aus dem metallpulvergefüllten, elektrisch isolierenden Elastomer erfolgt in gebräuchlicher Weise und ist nicht speziell kritisch. Vorzugsweise wird die Elastomerformmasse jedoch vor dem Einarbeiten des Metallpulvers durch Mastizieren plastifiziert. Die Formmasse wird dabei auf eine Plastizität von kleiner als 500, vorzugsweise kleiner als 300, gemessen in einem Williams-Plastometer, herabgesetzt. Mit anderen Worten wird die kinematische Viskosität der Elastomerformmasse vor dem Einarbeiten des Metallpulvers vorzugsweise durch Mastizieren auf einen Wert von kleiner als 10 mm2/s erniedrigt. Unter solchen Viskositätsbedingungen wird besonders einfach und zuverlässig eine besonders gleichmäßige Verteilung des Metallpulvers in der Matrix erzielt. Wahlweise können zusammen mit dem Metallpulver auch kleinere Anteile Kohlenstoffpulver, beispielsweise Ruß oder Graphitpulver, oder andere Zusätze, wie sie oben bereits erwähnt wurden, mit eingearbeitet werden.The production of the elastomer body from the metal powder-filled, electrically insulating elastomer takes place in a customary manner and is not particularly critical. However, the elastomer molding compound is preferably plasticized by mastication before the metal powder is incorporated. The molding compound is reduced to a plasticity of less than 500, preferably less than 300, measured in a Williams plastometer. In other words, the kinematic viscosity of the elastomer molding compound is lowered to a value of less than 10 mm 2 / s, preferably by mastication, before the metal powder is incorporated. Under such viscosity conditions, a particularly uniform distribution of the metal powder in the matrix is achieved in a particularly simple and reliable manner. Optionally, smaller proportions of carbon powder, for example carbon black or graphite powder, or other additives, as already mentioned above, can also be incorporated together with the metal powder.
Die mit dem Metallpulver gefüllte Elastomerformmasse wird anschließend in gebräuchlicher Weise formgebend verarbeitet, beispielsweise durch Formpressen, wobei unter Erwärmung dieThe elastomer molding compound filled with the metal powder is then processed in a customary manner to give shape, for example by compression molding, with heating the
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Vernetzung der Formmasse zum gummielastischen Elastomerformteil, beispielsweise einer Folie, herbeigeführt wird.Cross-linking of the molding compound to form a rubber-elastic elastomer molding, for example a film, is brought about.
Wenn der Elastomerkörper der Erfindung mit der druckabhängigen elektrischen Leitfähigkeit sandwichartig zwischen zwei Elektroden gebracht und wiederholt zyklisch belastet und entlastet wird, werden zwischen den Elektroden elektrische Widerstände gemessen, die mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit reproduzierbar sind, und zwar auch nach zahllosen Zyklen. Außerdem ist der Druckkoeffizient des elektrischen Widerstandes für den Elastomerkörper der Erfindung über wesentlich breitere Kompressionsbereiche wesentlich kleiner und stetiger als für einen Elastomerkörper nach dem Stand der Technik. Die Gründe für diese verbesserten Kenndaten sind bislang nicht in allen Einzelheiten verständlich. Eine denkbare Erklärung für die beobachteten Erscheinungen könnte jedoch darin ,liegen, daß beim Zusammendrücken des Elastomers zwischen zwei Elektroden sowohl die Kontaktflächen zwischen den Elektrodenoberflächen und der Oberfläche des Elastomers als auch die Kontaktflächen zwischen den in der Elastomermatrix eingebetteten Metallteilchen selbst mit zunehmender, von außen einwirkender Kompressionskraft zunehmen, so daß dadurch der elektrische Gesamtwiderstand zwischen den Elektroden abnimmt. Dabei ist im Fall des Elastomers der Erfindung die Elastomermatrix weniger stark spannungsverformbar als die Matrix der bekannten Elastomerkörper. Diese verminderte Spannungsverformbarkeit wird auf die spezifische Konfiguration der in die Matrix eingearbeiteten Metallteilchen zurückgeführt. Durch die verminderte Spannungsverformbarkeit des mit dem Metallpulver der Erfindung gefüllten Elastomers wird automatisch auch der Druckkoeffizient des elektrischen Widerstandes spürbar vermindert. Durch die verminderte Spannungsverformbarkeit der Matrix wird weiterhin eine Grenzflächenablösung zwischen den Oberflächen der Meta11telichen und demWhen the elastomeric body of the invention with the pressure-dependent electrical conductivity sandwiched between two Electrodes brought and repeatedly loaded and unloaded cyclically electrical resistances are measured between the electrodes with great accuracy and reliability are reproducible, even after countless cycles. Besides, the pressure coefficient is the electrical Resistance for the elastomer body of the invention is much smaller over much wider compression ranges and more steady than for a prior art elastomeric body. The reasons for these improved characteristics are not yet understandable in all details. A possible explanation for the observed phenomena could, however are that when the elastomer is compressed between two electrodes, both the contact surfaces between the electrode surfaces and the surface of the elastomer as well as the contact areas between those in the elastomer matrix embedded metal particles themselves increase with increasing, externally acting compression force, so that thereby the total electrical resistance between the electrodes decreases. In the case of the elastomer of the invention, the elastomer matrix is less deformable than stress-strain the matrix of the known elastomer bodies. This decreased stress deformability is due to the specific configuration of the metal particles incorporated into the matrix. Due to the reduced deformability of the The elastomer filled with the metal powder of the invention also automatically becomes the pressure coefficient of electrical resistance noticeably reduced. Due to the reduced deformability of the matrix under stress, there is still an interface separation between the surfaces of the meta11telichen and the
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Matrixmaterial verhindert. Dieser Effekt bewirkt die verbesserte Reproduzierbarkeit der Druck-Widerstand-Kennlinien selbst nach zyklischem Dauerbetrieb.Matrix material prevented. This effect improves the reproducibility of the pressure-resistance characteristics even after cyclical continuous operation.
Das Elastomer der Erfindung mit der druckabhängigen elektrischen Leitfähigkeit kann auf Grund seiner Kenndaten vor allem als druckempfindliches Widerstandselement verwendet werden, beispielsweise in Stromreglern oder Spannungsreglern, elektronischen Rechenanlagen, Taschenrechnern, elektronischen Musikinstrumenten, Registrierkassen und Telefonen. Darüber hinaus kann das druckabhängig elektrisch leitfähige Elastomer der Erfindung zur Signaleingabe und Dateneingabe in Eingabegeräten für Mikrorechner, Druckfühler, elektromechanische Wandler, Signalgeber, die verschiedensten Meßinstrumente, Steuer- und Regelsysteme in Kraftfahrzeugen sowie in Datenendgeräten von Informationssystemen.The elastomer of the invention with the pressure-dependent electrical Due to its characteristics, conductivity can mainly be used as a pressure-sensitive resistance element, for example in current regulators or voltage regulators, electronic Computing systems, pocket calculators, electronic musical instruments, cash registers and telephones. Furthermore can use the pressure-dependent, electrically conductive elastomer of the invention for signal input and data input in input devices for microcomputers, pressure sensors, electromechanical converters, signal transmitters, various measuring instruments, control and Control systems in motor vehicles and in data terminals for information systems.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand einzelner Ausführungsbeispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert. The invention is explained in more detail below on the basis of individual exemplary embodiments and comparative examples.
Es wird eine Reihe von Prüflingen in Form 1 mm dicker Folien hergestellt, die bei verschiedenen Anteilen und Arten des dispergierten elektrisch leitfähigen Materials alle ein und dieselbe Elastomermatrix aufweisen, nämlich eine Matrix aus einer Siliconkautschukformmasse, die zu 100 Volumenteilen aus einer im Handel erhältlichen Siliconkautschukmasse und 4 Volumenteilen eines ebenfalls im Handel erhältlichen Vernetzungsmittels besteht. Die in diese Matrixmasse zur Herstellung der Prüflinge A bis G eingearbeiteten elektrisch leitfähigen Pulver haben die im folgenden aufgeführten elektrischen Kenndaten: A number of specimens in the form of 1 mm thick foils are produced, with different proportions and types of dispersed electrically conductive material all have one and the same elastomer matrix, namely a matrix a silicone rubber molding composition made up of 100 parts by volume of a commercially available silicone rubber composition and 4 parts by volume also a commercially available crosslinking agent. The in this matrix mass for the production of Test specimens A to G incorporated electrically conductive powder have the following electrical characteristics:
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ilS-ilS-
Prüfling A:Test item A:
85 Volumenteile eines Edelstahlpulvers mit einer Korngröße kleiner als 0,074 mm, einer Schüttdichte von 2,0 g/cm3 und einer Fließfähigkeit von 32 s/50 g. Der Bereich der Fülligkeitsfaktoren der einzelnen Teilchen des Pulvers ist größer als 0,5. Das Pulver ist ein Gemisch aus Teilchen mit irregulärer, tropfenförmiger, nadeiförmiger und kugelförmiger Konfiguration.85 parts by volume of a stainless steel powder with a grain size of less than 0.074 mm, a bulk density of 2.0 g / cm 3 and a flowability of 32 s / 50 g. The range of the bulk factors of the individual particles of the powder is greater than 0.5. The powder is a mixture of particles with irregular, teardrop, acicular and spherical configurations.
Prüfling B:Test item B:
130 Volumenteile einer Lötzinnlegierung aus Blei und Zinn im Gewichtsverhältnis 1 : 1 mit einer Korngröße von kleiner als 0,104 mm, einer Schüttdichte von 5,0 g/cm3 und einer Fließfähigkeit von 18 s/50 g. Die Fülllgkeitsfaktoren der einzelnen Teilchen lagen in einem Bereich von größer als 0,3, Das Pulver besteht aus einem Gemisch von Teilchen mit irregulärer, tropfenförmiger, nadeiförmiger und kugelförmiger Konfiguration.130 parts by volume of a soldering tin alloy made of lead and tin in a weight ratio of 1: 1 with a grain size of less than 0.104 mm, a bulk density of 5.0 g / cm 3 and a flowability of 18 s / 50 g. The filling factors of the individual particles were in a range of greater than 0.3. The powder consists of a mixture of particles with an irregular, drop-shaped, needle-shaped and spherical configuration.
Prüfling C:Test item C:
98 Volumenteile des auch zur Herstellung des Prüflings B verwendeten Metallpulvers.98 parts by volume of the metal powder also used to produce test specimen B.
Prüfling D: 110 Volumenteile des auch zur Herstellung des Prüflings A verwendeten Metallpulvers.Test item D: 110 parts by volume of the one used to manufacture the test item A used metal powder.
Prüfling E:Test item E:
85 Volumenteile eines Elektrolytnickelpulvers mit einer Korngröße von kleiner als 0,074 mm, einer Schüttdichte von 3;8 g/cm3 und einer Fließfähigkeit von 40 s/50 g. Der Bereich der Fülligkeitsfaktoren der einzelnen Teilchen des Pulvers beträgt ungefähr 0,08.85 parts by volume of an electrolyte nickel powder with a grain size of less than 0.074 mm, a bulk density of 3; 8 g / cm 3 and a flowability of 40 s / 50 g. The range of bulk factors of the individual particles of the powder is approximately 0.08.
Prüfling F:Test item F:
12 Volumenteile Acetylenruß. In der Elastomermatrix wird Dicumylperoxid als Vernetzungsmittel benutzt.12 parts by volume of acetylene black. In the elastomer matrix dicumyl peroxide is used as a crosslinking agent.
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Prüfling G: 18,6 Volumenteile Acetylenruß. Als Vernetzungsmittel dient ebenfalls Dicumylperoxid.Sample G: 18.6 parts by volume of acetylene black. As a crosslinking agent Dicumyl peroxide is also used.
Sämtliche Proben werden in gleicher Weise 1 h bei 2000C nachvernetzt. Die so erhaltenen Folien werden zu 5 mm breiten Streifen geschnitten- Für jeden dieser Prüflinge wird der elektrische Widerstand zwischen zwei 15 cm voneinander entfernten Abgriffen gemessen, und zwar mit einem gebräuchlichen Prüfgerät. Aus den Meßdaten wird der spezifische elektrische Widerstand (Ohm·cm) berechnet.All samples are post-crosslinked in the same manner for 1 h at 200 0 C. The foils obtained in this way are cut into strips 5 mm wide. For each of these test specimens, the electrical resistance between two taps 15 cm apart is measured using a conventional test device. The specific electrical resistance (ohm · cm) is calculated from the measurement data.
Im entlasteten Zustand haben die Prüflinge A bis D einen im Rahmen der Meßempfindlichkeit des benutzten Prüfgerätes unendlich großen spezifischen elektrischen Widerstand. Unter mechanischer Druckbelastung zeigen alle diese Prüflinge einen bestimmten, vom Druck bzw. der einwirkenden Kompressionskraft abhängigen meßbaren elektrischen Widerstand. Dagegen werden im entspannten Zustand für den Prüfling E ein spezifischer elektrischer Widerstand von 0,5 Ohm«cm, für den Prüfling F von 100 Ohm-cm und für den Prüfling G von 18 Ohm-cm gemessen. Unter Kompression zeigen diese Prüflinge kaum eine Abnahme des spezifischen elektrischen Widerstandes.In the unloaded state, the test items A to D have an infinite value within the scope of the measuring sensitivity of the test device used large electrical resistivity. When subjected to mechanical pressure, all of these test items show one certain measurable electrical resistance dependent on the pressure or the acting compression force. In contrast, the relaxed state for the test item E a specific electrical Resistance of 0.5 ohm-cm, measured for specimen F of 100 ohm-cm and for specimen G of 18 ohm-cm. Under Compression, these test specimens show hardly any decrease in the specific electrical resistance.
Aus den Folien A bis G werden weiterhin Scheibchen mit einem Durchmesser von 1,6 mm ausgestanzt. An den beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Scheibchen werden vergoldete Kupferelektroden aufgelegt. Der elektrische Widerstand zwischen den beiden vergoldeten Kupferelektroden wird als Funktion einer äußeren Kraft gemessen, mit der die beiden Elektroden, zwischen denen das Elastomerscheibchen eingespannt ist, gegeneinandergedrückt werden. Die auf diese Weise erhaltenen Kennlinien sind als Druck-Widerstand-Kennlinien für jeden einzelnen Prüfling in der Fig. 1 dargestellt.Discs with a diameter of 1.6 mm are also punched out of the foils A to G. On the two opposite each other Gold-plated copper electrodes are placed on the front of the discs. The electrical resistance between the two gold-plated copper electrodes is measured as a function of an external force with which the two electrodes, between which the elastomer disc is clamped, are pressed against each other. The characteristics obtained in this way are shown as pressure-resistance characteristics for each individual test item in FIG. 1.
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Claims (4)
11,Nihonbashi-Honcho 4-chome,
Chuo-ku, Tokyo (Japan)Shin-Etsu Polymer Company, Ltd.,
11, Nihonbashi-Honcho 4-chome,
Chuo-ku, Tokyo (Japan)
elektrischer LeitfähigkeitElastomer body with pressure-dependent
electrical conductivity
dadurch gekennzeichnet ,Elastomer body with pressure-dependent electrical conductivity, consisting of an electrically insulating, rubber-elastic material as the matrix phase of the elastomer body and a metal powder that is dispersed in this matrix,
characterized ,
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