DE3043539A1

DE3043539A1 - Elektrisch leitfaehiger schichtstoff und verfahren zu dessen herstellen

Info

Publication number: DE3043539A1
Application number: DE19803043539
Authority: DE
Inventors: John Maloney; Ralph L Mondano
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1979-11-19
Filing date: 1980-11-18
Publication date: 1981-05-27
Also published as: FR2470516A1; IT1134320B; JPS5686409A; GB2064428A; IT8026047A0; KR830004645A

Description

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Die Erfindung betrifft farbige, elektrisch leitfähige Schichtstoffe mit ausgezeichneter Härte und Haltbarkeit. Die Schichtstoffe können in vorteilhafter Weise als Arbeitsflächen oder Bodenbeläge verwendet werden, insbesondere dann, wenn möglichst geringe statische Aufladungen vorhanden sein sollen.

Oberflächenmaterialien mit elektrischer Leitfähigkeit sind bekannt. Derartige Materialien sind insbesondere als Oberflächenmaterialien für Arbeitstische oder Werkbänke nützlieh, auf denen empfindliche elektronische Geräte, explosive Vorrichtungen oder Materialien und andere, für statische Aufladungen empfindliche Pulver und Materialien bearbeitet oder verpackt werden. Es wurden auch Bodenbeläge zur Verwendung in Fabriken und Arbeitsbereichen entwickelt, in denen statische Aufladungen vermieden werden müssen.

Früher wiesen diese leitfähigen Oberflächen im allgemeinen eine Kohlenstoffteilchen (Carbon Black) oder andere leitfähige Partikel enthaltende Harzmatrix auf. Da zur Ausbildung der notwendigen Leitfähigkeit ein relativ großer Zusatz von Kohlenstoffteilchen (Rußteilchen) erforderlich ist, waren die Oberflächenmaterialien wegen der anwesenden großen Kohlenstoff menge im allgemeinen schwarz. Als Folge davon sind diese Materialien für gewisse Arbeitsbereiche, wie Krankenhäuser, elektronische Fertigungs- und Betriebsbereiche und dergl., oft ästhetisch unbefriedigend.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch leitfähigen Schichtstoff (Laminat) bereitzustellen, dessen Oberfläche nicht von der Farbe des im Schichtstoff enthaltenen elektrisch leitfähigen Materials bestimmt

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wird, und der in vielen Farben und Mustern hergestellt werdenfund ästhetisch angenehme Arbeitsflächen oder Bodenbeläge liefert.

Die erfindungsgemäßen Schichtstoffe weisen hinreichende elektrische Leitfähigkeit zur Verwendung in Bereichen auf, in denen statische Aufladungen abgebaut und beseitigt werden müssen. Weiterhin weisen die erfindungsgemäßen, elektrisch leitfähigen Schichtstoffe ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Wärme und Chemikalien auf und sind bei Verwendung als Arbeitsfläche oder Bodenbelag extrem haltbar.

Die Vorteile der Erfindung werden dadurch erzielt, daß der elektrisch leitfähige Schichtstoff eine erste, transver-

sal leitfähige Oberflächenschicht und eine zweite, volumenleitfähige Schicht aufweist, die miteinander durch Laminieren verbunden sind und in elektrischem Kontakt stehen. Die erste transversal leitfähige Schicht weist im wesentlichen gleichmäßig über die Schicht verteilte und von einem Bindemittel

zusammengehaltene leitfähige Fasern auf, wodurch eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung einzelner (diskreter), transversaler Leiterbahnen durch die Schicht, d.h. Leiterbahnen von der Ober- zur Unterseite der Schicht erzielt

wird. Das Bindemittel ergibt nach seiner Verfestigung, Aus-25

härtung, Wärmehärtung oder dergl. eine haltbare, feste (steife oder elastische), chemisch beständige. Schicht, deren Farbe durch die Farbe des Harzes oder anderer, dem Harz zugefügter färbender Zusätze bestimmt wird. Da die elektrisch leitfähigen Materialien in der transversal leitfähigen Schicht vorwiegend in transversaler Richtung ausgerichtete Fasern sind, sind sie an der Oberfläche nur wenig sichtbar ',. und die Farbe des Schichtstoffs wird in erster Linie durch das verwendete Bindemittel gekennzeichnet.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bindemittel eine kontinuierliche feste Phase, in der die elektrisch leitfähigen Fasern verteilt sind. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das feste Bindemittel als zusätzlichen Bestandteil nicht leitfähiges Fasermaterial, wie papierbildende Pasern, auf, die als Matrix zur Ausrichtung der leitfähigen Pasern dienen und zum gleichmäßigen verteilen. Halten und Ausrichten der elektrisch leitfähigen Fasern während der Ausbildung der Schicht beitragen,wodurch wirksame, transversale Leiterbahnen in der Schicht hergestellt werden. Durch die Verwendung einer derartigen nicht leitfähigen Fasermatrix kann die Anzahl der leitfähigen Pasern im Schichtstoff verringert werden, die zum Erreichen befriedigender, gleichmäßiger, transversaler elektrischer Leitfähigkeit erforderlich sind. Derartige Fasern können auf Grund ihrer verstärkenden Wirkung auch die Haltbarkeit und Festigkeit der Schicht verbessern. Zusätzlich können dickere Schichten mit Hilfe derartiger nicht-leitfähiger Matrixfasern bequemer hergestellt werden.

Das Bindemittel kann auch, wenn bespielsweise eine rauhe, poröse Oberfläche, wie auf einer Bodenmatte, gewünscht wird, eine diskontinuierliche feste Phase sein, die das Zusammenkleben der leitfähigen Fasern bewirkt, aber keine feste kontinuierliche Phase ausbildet. Bei einer weiteren Ausfüh-

rungsform kann das Bindemittel aus einer einzigen selbsttragenden, gewebten oder nicht gewebten (vliesstoffartigen) Fasermatrix aus nicht leitfähigen Pasern bestehen, in der die leitfähigen Fasern verteilt sind.

Die zweite, elektrisch volumenleitfähige Schicht weist ein Bindemittel mit einer gleichmäßig darin dispergierten hinreichenden Menge eines nicht-faserartigen, teilchenförmigen leitfähigen Materials, wie Kohlenstoff bzw. Ruß (Carbon Black),

auf, um die Schicht volumenleitfähig zu machen. 35

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Der Ausdruck "volumenleitfähig? bezieht sich dabei auf ein Material mit im wesentlichen isotroper elektrischer Leitfähigkeit, d.h. die Leitfähigkeit zwischen zwei beliebigen Punkten in der Matrix ist im wesentlichen gleich groß und die Leiterbahnen weisen keine bevorzugte Orientierung auf. Die Volumenleitfähigkeit resultiert aus der Verwendung von Teilchen mit niedrigem Längenverhältnis, beispielsweise etwa 2 : 1 oder weniger, die innerhalb des Bindemittels untereinander in Kontakt stehen, d.h. sich berühren. Der Ausdruck "transversal leitfähig" bezieht sich auf ein Material mit im wesentlichen anisotroper elektrischer Leitfähigkeit, d.h. die Leiterbahnen sind in erster Linie transversal durch das Bahnenmaterial orientiert, also von der Oberseite zur Unterseite. Dies wird durch die Verwendung leitfähiger Fasern anstelle kugelförmiger leitfähiger Teilchen erreicht.

,_c Die Ausdrücke "leitfähig" oder "Leitfähigkeit" beziehen sich hierbei auf elektrische Leitfähigkeit.

Die elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Schichtstoffe kann durch Wahl der Form und Konzentration der leitfähigen Fasern in der transversal leitfähigen Schicht und durch

Konzentration der leitfähigen Teilchen in der volumenleitfähigen Schicht variiert werden. Die Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Schichtstoffe wird als brauchbar angesehen, wenn sie einen Oberflächenwiderstand von etwa 70 χ 10 Ohm* oder weniger, vorzugsweise etwa 8 x 10 Ohm* oder weniger aufweisen. Im Gegensatz dazu sollte der transversale Widerstand in Abhängigkeit von den besonderen Anforderungen bei der Anwendung etwa 1 bis 10 Millionen 0hm oder weniger und für viele Anwendungen vorzugsweise etwa 200 000 0hm oder weniger betragen. 30

Der elektrisch leitfähige Schichtstoff kann durch getrennte Herstellung der ersten transversal leitfähigen Schicht und der zweiten volumenleitfähigen Schicht und Laminieren der beiden Schichten unter Wärme und Druck srcbleslos hergestellt

" ■ * Der Oberflächenwiderstand wird durch Messen der Leitfähigkeit zwischen zwei im Abstanl X. angeordneten Elektroden der Länge Λ bestürmt, ,(m der englischsprachigen Literatur wird dafür oft die Terminologie "ohms/square" verwendet.)
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werden. Bei einer Ausführungsfqrm werden die leitfähigen Fasern und die nicht leitfähigen Matrixfasern, wie papierbildende Pulpe, zur Ausbildung eines faserstoffartigen Bahnenmaterials oder Gewebes verbunden, und ein organisches Harz und Färbungsmittel, falls gewünscht, als Tränkmasse hinzugefügt. Das getränkte Bahnenmaterial wird zur Ausbildung eines zusammenhängenden (einstückigen) Bahnenmaterials teilweise geschmolzen, ausgehärtet oder wärmegehärtet. Getrennt davon werden die volumenleitfähxgen Teilchen, wie Carbon Black, mit einem organischen Harz vereinigt unä die Mischung zum Tränken (sättigenden Imprägnieren) eines vorbereiteten PapierrBahnenmaterials verwendet, wonach das getränkte Bahnenmaterial zur Ausbildung eines zusammenhängenden (integralen) Bahnenmaterials teilweise geschmolzen, ausgehärtet oder wärmegehärtet wird. Das erste transversal leitfähige Bahnenmaterial und das zweite volumenleitfähige Bahnenma— terial werden dann zusammengebracht und unter Wärme und Druck laminiert, um das Harz endgültig und vollständig zu schmelzen, auszuhärten oder wärmezuhärten und den zusammenhängenden, elektrisch leitfähigen Schichtstoff herzustellen. Das Larainieren bringt die transversal leitfähige und die volumenleitfähige Schicht oder Schichten in engen elektrischen Kontakt.

Die Erfindung wird nachstehend im Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert, die einen stark vergrößerten Aufriß s eines erfindungsgemäßen leitfähigen Schichtstoffs darstellt.

Ein elektrisch leitfähiger Schichtstoff 1 weist eine transversal leitfähige Schicht 3, und eine volumenleitfähige Schicht 5 auf. Die transversal leitfähige Schicht 3 weist leitfähige Fasern 7 auf, die gleichmäßig in einem relativ gut isolierenden Bindemittel 9 verteilt sind. Zur besseren Übersichtlichkeit sind die gegebenenfalls im Bindemittel 9 eingelagerten isolierenden Matrixfasern in der Zeichnung nicht dargestellt.

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Die volumenleitfähige Schicht 5 weist leitfähige Teilchen in einem relativ gut isolierenden Bindemittel 13 auf.

Die erfindungsgemäß verwendeten elektrisch leitfähigen Fasern 7 weisen einen spezifischen elektrischen Volumen-Widerstand (Durchgangswiderstand) von weniger als etwa 1 Ohm-cm (n.-cm) auf. Sie können aus Metall, wie Stahl, Nickel, Aluminium oder dergleichen, oder aus anders zusammengesetzten leitfähigen Stoffen bestehen. Metallbeschichtete Fasern, wie unter Vakuum mit Metall- beispielsweise Nickel oder Aluminium, bedampfte Glasfasern oder organische Fasern, haben sich-erfindungsgemäß als brauchbar erwiesen.

Wie vorstehend erwähnt, müssen die bei der Herstellung der transversal leitfähigen Schicht verwendeten elektrisch leitfähigen Materialien als Fasern vorliegen, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen. Unter einer elektrisch leitfähigen "Faser" wird hierbei ein gestrecktes Teilchen verstanden, dessen Verhältnis von Länge zu Durchmesser,

d.h. sein Längenverhältnis, mindestens etwa 5:1 beträgt.

Die am meisten bevorzugten erfindungsgemäß verwendeten Materialien sind haarartige Fasern mit einer Länge von etwa 0,6 cm (1/4 inch) und einem Längenverhältnis von etwa 250 : 1. Allgemein nimmt bei konstanter Konzentration (Fa-

seranteil) der transversale Widerstand mit zunehmendem Längenverhältnis ab. Somit wird der transversale Widerstand, bzw. sein Kehrwert, die transversale Leitfähigkeit, sowohl von der Konzentration der elektrisch leitfähigen Fasern als

auch von deren Längenverhältnis beeinflußt. 30

Die Konzentration bzw. der Volumenanteil der elektrisch leitfähigen Fasern in der transversal leitfähigen Schicht ist insofern wichtig, als eine Mindestkonzentration derartiger Fasern in der Schicht eingelagert sein muß, um die 35

gewünschte elektrische Leitfähigkeit zu erzielen. Es hat..

sich gezeigt, daß die Beziehung zwischen der Leitfähigkeit

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der Schicht und der Volumenkonzentration der leitfähigen Fasern in der Schicht nicht linear verläuft. Die elektrische Leitfähigkeit der Schicht ist bei niedriger Faserkonzentration ziemlich gering und für ein dielektrisches Material

^ charakteristisch. Die Leitfähigkeit bleibt auch bei steigender Faserkonzentration bis zum Erreichen eines Übergangsbereichs gering, in dem die Leitfähigkeit über einen relativ schmalen Bereich der Volumenkonzentration sehr rasch ansteigt und danach wieder annähernd konstant bleibt. Mit

'" einer Faserkonzentration oberhalb des Übergangsbereichs ist die Schicht als transversal leitfähige Schicht für die erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Schichtstoffe geeignet. Es ist wichtig, die elektrisch leitfähigen Fasern gleichmäßig im ganzen Bindemittel verteilt einzulagern, um eine im wesentlichen gleich große, transversale Leitfähigkeit der Schicht in allen Bereichen der Oberfläche und um eine vorgegebene transversale. Leitfähigkeit mit der kleinstmöglichen Volumenkonzentration der Fasern zu erzielen.

Vermutlich tritt der Übergangsbereich bei Verwendung einer

Faserstoffmatrix, wie eines Papier-Bahnenmaterials oder anderer gewebter oder nichtgewebter, d.h. vliesstoffartiger, Fasermatrizen, bei einer niedrigeren

Volumenkonzentration auf, weil die leitfähigen Fasern beispielsweise von den Bapierfasern in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet

und in gleichmäßiger Verteilung gehalten werden.

Wie vorstehend erwähnt, sollten das Längenverhältnis und die Volumenkonzentration der Fasern derart gewählt werden, daß die gewünschte transversale elektrische Leitfähigkeit

erzielt wird.

Als Bindemittel 9, das die Fasern 7 in der transversalen leitfähigen Verknüpfung hält, kann jedes Material verwendet werden, das die leitfähigen Fasern in der gewünschten 35

Orientierung hält und dessen physikalische Eigenschaften und Aussehen die an den Schichtstoff bei seiner Verwendung

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^ gestellten Anforderungen erfüllen. Wie vorstehend erwähnt, kann als Bindemittel ein Material verwendet werden, das eine feste Phase ausbildet oder auf andere Weise als Klebstoff zum Aufnehmen der leitfähigen Fasern wirkt. Es können sowohl bekannte thermoplastische oder unter Wärme aushärtende Kunststoffe, wie Phenol-,. Harnstoff-, Melamin-, Alkyd-, Epoxid-,. Silikon-,. Furanharze und dergl. als auch Polymerisate und Copolymerisate auf der Basis von Verbindungen wie Polyolefinen, Polystyrolen, Vinylverbindungen, Polyester, Acrylaten, Polyurethanen und dergl. verwendet werden. Derartige Bindemittel können elastisch oder unelastisch, relativ weich oder sehr hart sein. Die Wahl des verwendeten Bindemittels hängt vom Verwendungszweck ab. Es können auch anorganische Bindemittel, wie Keramik, Glas, Gips oder dergl.

verwendet werden. Selbstverständlich sollte das verwendete Bindemittel keine Verarbeitung, wie Schmelzen, Aushärten oder Wärmehärten, unter Bedingungen erfordern, die für die anderen Bestandteile der Schicht oder des Schichtstoffs

schädlich sind.
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Es können als Bindemittel auch nicht-leitende, isolierende Fasermaterialien, entweder allein oder in Verbindung mit den vorstehend erwähnten Materialien, verwendet werden. Es können organische und anorganische Fasern, wie Holzfa-

sern, Glasfasern, Polymerfasern, Textilfasern und dergl. in lockerer oder gewebter oder nicht gewebter {vliesstoffartiger) Form verwendet werden. Aufgrund ihrer leichten Verfügbarkeit, akzeptabler Kosten, ihrer Beschaffenheit und Verarbeitungseigenschaften sind papierbildende Fasern beson-

ders nützlich. Allgemein sollte das Bindemittel und demzufolge der daraus hergestellte Schichtstoff am Ende der Verarbeitung in der Lage sein, den normalen Beanspruchungen von Belagmaterialien für Böden, Tische, Ladentische und Schalter und dergl. standzuhalten. Darüberhinaus sollte das Bin-

dematerial gegen Wasser und andere Lösungsmittel und Chemikalien, denen der Schichtstoff ausgesetzt sein kann, wider-

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standsfähig sein kann. Selbstverständlich sollte das Bindematerial die gewünschte Farbe besitzen oder mit herkömmlichen Färbemitteln, wie Pigmenten, Farbstoffen oder dergl., färbbar sein, damit sich die erfindungsgemäßen vorteilhaften Farbeigenschaften ergeben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Binder zusätzlich zu einem organischen Harz, wie Phenolharz, isolierende, papierbildende Fasern. Die papierbildenden Fasern, wie gebleichter und ungebleichter Kraftzellstoff (Kraftpulpe) tragen zur Ausrichtung und gleichmäßigen Verteilung der leitfähigen Fasern in transversaler Orientierung bei, wodurch die transversale Leitfähigkeit der Schicht für eine gegebene Volumenkonzentration der leitfähigen Fasern ein Höchstmaß erreicht. Der organische Harzbestandteil verleiht der Schicht die gewünschte Härte und Haltbarkeit.

Der Harzmatrix können Pigmente, Trübungsmittel und andere Stoffe zugesetzt werden zur Erzielung gewünschter Eigenschaften bezüglich Farbe, Aussehen und Beschaffenheit.

Die transversal leitende Schicht Icann problemlos dadurch hergestellt werden, daß die elektrisch leitfähigen Fasern in einem p'apierbildende Fasern enthaltenden Brei verbunden werden und in herkömmlicher Weise, beispielsweise auf einer Fourdrinier-Maschine (Langsiebpappenmaschinel ein gewässertes Papier-Bahnenmaterial ausgebildet wird. Mach Ausbilden und Trocknen des gewässerten, elektrisch leitfähigen Papier-Bahnenmaterials wird das Bahnenmaterial mit einem organ!™ sehen Harz, wie Phenolharz, gesättigt und durch Erwärmen teilweise gehärtet, beispielsweise in den B-Zustand*überführt. Dieser Vorgang wird nachstehend näher beschrieben.

Das Bahnenmaterial kann in jeder gewünschten Dicke hergestellt werden, die Dicke des Bahnenmaterials sollte jedoch auf die Länge der verwendeten leitfähigen Fasern abgestimmt * (vgl. Kunststoff-Taschenbuch, 15. Ausgabe, Carl Hanser-Verlag München, 1961, S. 233)

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sein. Die Dicke des Bahnenmaterials sollte kleiner sein, als die Länge der verwendeten leitfähigen Fasern, um eine höchstmögliche Anzahl leitfähiger Wege (Leiterbahnen) zu gewährleisten, ohne daß zur Ausbildung derartiger Leiterbahnen ein Faser-Faser-Kontakt hergestellt sein muß. Es werden beispielsweise Fasern..mit einer Länge von 0,6 cm (1/4 inch) und Bahnenmaterial mit Dicken von

-2

3,3 bis 4,6 χ 10 cm (13 bis 16 mil ) verv/endet.

Wie vorstehend erwähnt, beeinflussen die Volumenkonzentration und das Längenverhältnis der Fasern den transversalen Widerstand. Wie nachstehend beispielhaft erläutert, können unter Vakuum aluminierte (mit Aluminium bedampfte]) Glasfasern mit einer Länge von 0,6 cm (1/4 inchj, einem Durchmesser von 2,5 χ 1Ö cm (1 mil) und einem Längenverhältnis

-2 von etwa 250 : 1 in ein 3,3 bis 4,6x10 cm (13 bis 18 mil) dickes Bahnenmaterial, das Papierfasern und Phenolharz aufweist, eingelagert werden. Bei einem derartigen Bahnenmaterial ergeben Volumenkonzentrationen der leitfähigen Fasern, die wesentlich weniger als etwa 2,5 Volumenprozent betragen, ein Bahnenmaterial mit für die meisten Verwendungszwecke nicht ausreichender Leitfähigkeit» Der Übergangsbereich vom Dielektrikum zum elektrischen Leiter beginnt etwa bei der vorstehenden Volumenkonzentration, wobei bei höheren Konzentrationen die Leitfähigkeit sehr rasch zunimmt und der transversale elektrische Widerstand wesentlich kleiner wird und bei etwa 4 Volumenprozent auf etwa 1500 0hm abfällt. Bei Volumenkonzentrationen von mehr als 4 % nimmt die Leitfähigkeit nicht mehr wesentlich zuο

Wie aus der Zeichnung zn entnehmen ist, weist die obere freie Oberfläche der transversal leitfähigen Schicht 3 zwischen den Fasern Punkte (Bereiche) auf, die nicht in direktem elektrischen Kontakt mit der volumenleitfähigen Schicht 5 stehen. Aufgrund der großen Anzahl von Fasern in der Schicht 3 ist jedoch der Abstand zwischen benachbarten Fa-

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sern ziemlich klein, und ein auf der Oberfläche der Schicht 3 befindlicher Gegenstand mit nennenswerter Größe oder ein Körperteil, wie ein Finger oder dergl., berührt mit Sicherheit eine große Anzahl.von Fasern, wodurch ein direkter elektrischer Kontakt mit der Schicht 5 hergestellt wird.

Demzufolge zeigt eine Messung der Leitfähigkeit in den Oberflächenbereichen der Schicht 3-,· daß ihre transversale Leitfähigkeit im wesentlichen gleichmäßig ist. Die hierin angegebenen Werte für den transversalen elektrischen Widerstand werden auf folgende Weise ermittelt:

Es wird der Widerstand zwischen einer auf einer ersten Oberfläche der transversal leitfähigen Schicht angeordneten Rundelektrode mit einem Durchmesser von 6,35 cm (2,5 inch) und einer zweiten Elektrode, die mit dem volumenleitfähigen Bahnenmaterial verbunden ist, welches mit der zweiten Oberfläche der Schicht in elektrischem Eontakt steht, gemessen. Tatsächlich wird also der transversale Widerstand einer "Säule" mit 6,35 cm (2,5 inch) Durchmesser durch die Dicke der Schicht gemessen.

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Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die transversal leitfähige Schicht 3 mit einer volumenleitfähigen Schicht 5, die homogen in einem Bindemittel 13 verteilte^leitfähige Teilchen 11 aufweist, zu einem Schichtstoff verbunden (laminiert). Wegen der günstigen Kombination ihrer elektrischen Eigenschaften, Verfügbarkeit und Kosten werden üblicherweise Kohlenstoffteilchen als lextfähiges Material verwendet. Es können in vorteilhafter Weise auch andere leitfähige Teilchen, wie Metallpulver, unter Vakuum metallisierte Glas- oder Harzkügelchen oder dergl. verwendet werden. Beispielsweise ergibt eine Konzentration von 15 Gewichtsprozent Ruß bzw. Carbon Black (ASTM N-4.72) in einem mit Phenolharz gesättigten Papier-Bahnenmaterial eine volumenleitfähige Schicht mit einem spezifischen Widerstand von etwa 15 Ohm-cm.

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Das in der volumenleitfähigen Schicht 5 verwendete Bindemittel 13 wird von den vorstehend mit Bezug auf das Bindemittel 9 dargelegten Kriterien bestimmt. Eine bevorzugte völumenleitfähige Schicht besteht aus einem mit Phenolharz' gesättigtem Kraftpapier mit Kohlenstoff-Teilchen oder einer anderen mit Kohlenstoff gefüllten Papier-Harz-Masse.

Der erfindungsgemäße farbige, leitfähige Schichtstoff kann durch Laminieren (schichtweises Zusammenfügen) eines

^ transversal leitfähigen Bahnenmaterials und mindestens eines volumenleitfähigen Bahnenmaterials unter Wärme und Druck hergestellt werden, wobei vorstehend beschriebene Bahnenmaterialien verwendet werden. Die Herstellung kann einfach dadurch erfolgen, daß transversal leitfähiges Bahnenmaterial auf eines oder mehrere der volumenleitfähigen Bahnenmaterialien geschichtet/ Wärme und/oder Druck ausgeübt wird, um die Bahnenmaterialien in engen elektrischen Kontakt zu bringen, und schließlich das Bindemittel geschmolzen, ausgehärtet oder wärmegehärtet wird. Typischerweise

werden für ein System auf Phenolharz-Basis Drucke von etwa 7 MPa (1000 psi) und Temperaturen von etwa 140°C verwendet. Während des Laminierens können die Wärme und der Druck ein gewisses Fließen und Mischen "ion Hars und leitfähigen Teilchen an der Grenzfläche zwischen den Schichten 3 und 5 be-

wirken, und es können, :vie in eier Zeichnung dargestellt, Kohlenstoffteilchen 11 und Harz 13 über die Grenzfläche fließen und zum Herstellen eines elektrischen Kontakts swischen den leitfähigen Fasern 7 der Schicht 3 und der volumenleitfähigen Schicht 5 beitragen. Andererseits können die

beiden Schichten 3 und 5 auch mit einem einen elektrischen Kontakt liefernden Klebstoff, wie einem kohlenstoffgefüllten Harzklebstoff, zusammengeklebt werden.

Wenn relativ dicke Laminate hergestellt werden sollen, kön-

nen mehrere dünne, völumenleitfähige Bahnenmaterialien zur Ausbildung eines dicken, zusammengesetzten Bahnenmaterials zusammengefügt (laminiert) werden.

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Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel

Mit üblichen Fourdrinier-(Langsiebmaschinen-) Verfahren zur Papierherstellung wird aus einem Brei mit festen Fasern und änderen papierbildenden Bestandteilen, wie Bindemitteln, zur Ausbildung eines typischen Kraftpapiers ein transversal leitfähiges Papier-Bahnenmaterial hergestellt. Die festen Fasern weisen 40 Gewichtsprozent gebleichten Hartholzzellstoff (Hartholzpulpe), 40 Gewichtsprozent gebleichten Weichholzzellstoff (Weichholzpulpe) und 20 Gewichtsprozent (10,92 Volumenprozent) unter Vakuum metallisierte (aluminierte) Glasfasern auf, deren mittlere .Länge 0,6 an (1/4 inch)

20

und deren mittlerer Durchmesser 2,4 χ 1O~ cm

(1 mil) bei einem Längenverhältnis von 250 : 1 betragen.

Es werden Bindemittel mit farbigen Harz-Tränkmassen (Imprägniermitteln) und den folgenden Zusammensetzungen hergestellt.

braun	grün
(Gewichts- teile)	(Gewichts teile)
120	107
10	20
4	-
-	3
-	1,5
48.5	52

Phenolformaldehydlack (Firnis^)

(75 % feste Bestandteile in
25 % Methanol)

Titandioxid

dunkelbraunes Eisenoxid

hellbraunes Eisenoxid

Phthaiocyaningrün

Methanol
30

Das Papier mit den eingelagerten Fasern wird mit den vorstehenden farbigen Harztränkmassen getränkt (gesättigt), um eine Gewichtszunahme von 125 bis 130%, bezogen auf das Trockengewicht; bewirken. Diese Trockengewichtszunähme ergibt ein vorimprägniertes Zwischenprodukt (Pre preg) mit 60 % festen Harzanteilen. Das getränkte braune und grü-

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ne Papier wird dann zum Aushärten des Phenolharzes erhitzt und liefert ein transversal leitfähiges,, farbiges _B im B-Z.ustand befindliches Vorprodukt mit 3_?3 12 10 bis

4,6 χ 10~² cm (13 bis 18 mil) Dicke*
5

Ein volumenleitfähiges Bahnenmaterial (Substrat) wird durch Tränken eines typischen Kraftpapiers iSättigungsqualitätJ mit 3 se 10~² cm (12 mil! Dicke und 48 kg U 05 Ib»i/ Basis· gewicht und der nachstehenden_? Carbon Black enthaltenden Phenolharz-Zusammensetzung hergestellt;

Gevjlch t s t e i Ie

Phenolformaldehydlack (Firnis! 113

(75 % feste Bestandteile in 25 %
Methanol)

Carbon Black (ASTM-N-472) 15

Methanol (99 %)" 205

Auf diese Weise wird ein zweites ₀ volumenleitfähiges Bahnenmaterial mit einer Trockengewicntsaunahsae von 40 bis 45 % Harz hergestellt. Das Bahnenmaterial wird wärmegehärtet zur Ausbildung eines ins B-Sustanä befindlicheE vorimprägnier ten Zwischenprodukts £, das 30 Gewicfetsprosent leitfähig© Teilchen und feste Harzbestandteile enthält«.

Ein leitfähiger Schichtstoff auf Phenolharsbasis wlzü .Aufbringen einer Lage des farbigen _B transversal leitfähigen_ff - vorimprägnierten Bahnenmaterials auf sechs Lagen„ ües voIbmenleitfähigeny vorimprägniertes Bahnenmaterials hergestellto

Die oberen und niitersn Oberflächen dieses

"Sandwich" werden mit ablösbarem Bahnenmateriai bedeckt und das Sandwich wird 20 Minuten lang bei eiaem Druck von 7 MPa und einer Temperatur von M3^eC swischen den Platten einer hydraulischen Presse gepreßt» Mach dieser 20-minütigen Ans-

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härtung wird das Laminat noch unter Druck stehend auf 49⁰C abgekühlt, wodurch ein hartes _t dauerhaft gefärbtes, leitfähiges Laminat von etwa 0,14 cm (55 mil) Dicke ausgebildet wird. Der transversale Widerstand des leitfähigen Laminats wird mit einem Spannungs-Widerstands-Meßgerät gemessen, wobei eine Elektrode mit 6,35 cm (2,5 inch) Durchmesser auf der Oberfläche der transversal leitfähigen Schicht und die andere Elektrode am volumenlextfähxgen Substrat angebracht wird. Der transversale Widerstand des auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellten Laminats beträgt etwa 1000 0hm.

Weitere Laminate mit verschiedenen Konsentratxonen von unter Vakuum metallisierten (aluminierten! Glasfasern (VMG-Fasern) die wie vorstehend beschrieben hergestellt werden, ergeben die nachfolgenden Resultates

Antexl VMG-Fasern (Gew.-%) (\	fol.-S)	transversaler Widerstand C 0hm J
0	0	>2 χ 10⁸
0,5	0,25	>2s 10⁸
1,0	0,49	>2 χ 10⁸
2,5	1,24	>2 χ 10⁸
5,0	2,52	4-20 χ 10⁴
7,5	'S ßC 3 g QO	1500
10,0	5,16	1000
15,0	7,96	1200

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Claims

VOSSIUS · VOSSIUS TAUCHNER · MEUNEMANN- RAUH

PATENTANWÄLTE

SIEBERTSTRASSE 4· · 800O MÜNCHEN 86 · PHONE: (O89) 47 4O75 CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN · TELEX 5-29 453 VOPAT D

u.Z.: P 873 (He/GH/kä) 18. November 1980

Case: 095,333 GEW/WRB

MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING COMPANY Saint Paul, Minnesota, V.St.A.
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"Elektrisch leitfähiger Schichtstoff und Verfahren zu dessen Herstellung"

Priorität: 19. November 1979, V.St.A., Nr. 95 333

Patentansprüche

(iy Elektrisch leitfähiger Schichtstoff, insbesondere als feste, laminierte Arbeitsfläche, gekennzeichnet durch

(a) eine erste Schicht (3) mit im wesentlichen räumlich konstanter transversaler Leitfähigkeit und (b) eine auf der ersten Schicht (3) auflaminierte und mit dieser in elektrischem Kontakt stehende zweite, volumenleitfähige Substratschicht (5).
2. Schichtstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_p daß die volumenleitfähige Schicht (5) homogen in einem Bindemittel (13) verteilte leitfähige Teilchen (11) aufweist und die Leitfähigkeit dieser Schicht (5) isotrop ist.

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3. Schichtstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die transversal leitfähige Schicht (3) gleichmäßig in einem Bindemittel (9) verteilte leitfähige Fasern (7) aufweist und daß die Leitfähigkeit dieser Schicht

(3) auf Grund der transversalen Leiterbahnen durch die Dicke der Schicht (3) anisotrop ist.
4. Schichtstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (9) ein unter Wärme härtendes Harz aufweist.
5. Schichtstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Melaminharz ist.
6. Schichtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zusätzliche elektrisch nicht leitfähige Fasern.
7. Elektrisch leitfähiger Schichtstoff, gekennzeichnet durch

(a) eine erste transversal leitfähige Schicht (3) mit einem mit Melaminharz getränkten Papier-Bahnenmaterial und gleichmäßig im Bahnenmaterial verteilten Fasern (7) mit einem Längenverhältnis von mindestens etwa 5:1, wobei ' der Anteil der leitfähigen Fasern (7) zur Ausbildung aniso troper und transversal durch die Schicht (3) gerichteter Leitfähigkeit hinreichend ist und

(b) eine in engem elektrischem Kontakt an der Unterseite der transversal leitfähigen Schicht (3) haftende zweite, volumenleitfähige Schicht (5), die mindestens ein mit Melaminharz getränktes Papier*-Bahnenmaterial mit darin zur Ausbildung isotroper Leitfähigkeit in hinreichender Menge verteilten elektrisch leitfähigen Teilchen (11) aufweist.

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8. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen SchichtStoffs, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch

(a) Mischen leitfähiger Fasern (7) und nicht leitfähiger Fasern und Herstellen eines transversal leitfähigen Bahnenmaterials aus dieser Mischung,

(b) sättigendes Imprägnieren des transversal leitfähigen Bahnenmaterials mit einem Bindemittel (9),

(c) Mischen leitfähiger, nicht-faserartiger Teilchen (11) und eines Bindemittels (13) und sättigendes Imprägnieren eines Papier-Bahnenmaterials mit dieser Mischung zur Ausbildung eines volumenleitfähigen Bahnenmaterials und

(d) Aufbringen des transversal leitfähigen Bahnenmaterials auf mindestens ein volumenleitfähiges Bahnenmaterial und Laminieren der Bahnenmaterialien zur Ausbildung des elektrisch leitfähigen Schichtstoffs (1)·
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (9;13) ein unter Wärme härtendes Harz aufweist und das transversal leitfähige Bahnenmaterial und das volumenleitfähige Bahnenmaterial vor dem Laminieren getrennt voneinander in den B-Zustand überführt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Wärme härtende Harz ein Melaminharz ist.