DE3223119A1

DE3223119A1 - Verfahren zur erhoehung der elektrischen oberflaechenleitfaehigkeit eines koerpers

Info

Publication number: DE3223119A1
Application number: DE19823223119
Authority: DE
Inventors: Tjipke Dr.-Chem. 5424 Unterehrendingen Hibma; Hans-Rudolf Dr.-Phys. 5242 Birr Zeller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1982-06-21
Publication date: 1983-12-01
Also published as: CH659908A5; DE3317761A1

Description

Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Oberflächenleit-
fähigkeit eines Körpers Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit eines Körpers nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Es gibt in der Elektrotechnik zahlreiche Anwendungsbei spiele für Isolatoren, welche eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen haben in der Ableitung statischer elektrischer Ladungen (insbesondere Oberflächenladungen), zur Feldsteuerung etc. Meist werden die Isoliermaterialien zu diesem Zweck mit elektrisch leitenden Füllermaterialien dotiert, wodurch eine entsprechende höhere Volumenleitfähigkeit des Verbundwerkstoffes erzielt wird.
Unter diesen Werkstoffen nehmen u.a. die mit elektronisch leitenden Stoffen dotierten Kunststoffpolymere eine wichtige Stellung ein.
Die bisher zum Beispiel als Antistatik-Beläge meistens verwendeten, mit elektronisch leitenden Füllstoffen dotierten Kunststoffe wie Polyamide weisen jedoch in der Regel eine zu niedrige elektrische Leitfähigkeit auf und bedingen einen gewissen minimalen Wassergehalt, funktionieren also in der Regel nur bei einer gewissen minimalen Feuchtigkeit (Wasserdampfdruck) ihrer Umgebung. Zwar wurden elektrisch gut leitende Kunststoffe zum Beispiel auf der Basis von Polyacetylen entwickelt, doch sind diese Materialien chemisch nicht stabil, insbesondere nicht gegenüber Oxidation. Ferner werden für Hochfrequenz-Abschirmung Kunststoffe wie Polyäthylen verwendet, die mit elektrisch gut leitenden Stoffen wie Russ gefüllt sind. Es bereitet jedoch grosse Schwierigkeiten, die elektrische Leitfähigkeit derartiger Materialien im gewünschten Bereich mit hinreichender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit einzustellen.
Es besteht daher ein grosses Bedürfnis, nach anderen, von den herkömmlichen Methoden abweichenden Verfahren zur Erreichung der gewünschten Oberflächenleitfähigkeit derartiger Körper Ausschau zu halten.
Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit eines für elektrotechnische Zwecke zu verwendenden Isolators anzugeben, welches ein chemisch und thermisch stabiles Erzeugnis mit gut definierter und bequem einstellbarer Oberflächenleitfähigkeit liefert. Das Verfahren soll einfach, wirtschaftlich und allgemein anwendbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Ionenleitende Kunststoffpolymere sind schon seit langem bekannt. Eine besondere Art stellen unter anderem perfluorierte Polymere mit Sulfosäuren dar, welche zum Beispiel unter dem Handelsnamen "Nafion" von der Fa. Du Pont hergestellt und als Feststoffelektrolyte verwendet werden. Da sie jedoch nur in gequollenem, wasserhaltigem Zustand elek- trisch leiten, sind sie für die vorgenannten Zwecke der Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit eines Isolators ungeeignet.
Eine weitere Gruppe von Ionenleitern stellen die Polyäther/ Salz-Komplexe dar (Armand, M.B., Chabagno, J.M. and Duclot, M.J.K., Polyethers as solid electrolytes, in "Fast Ion Transport in Solids", eds. Vashishta, P.M., Mundy, J.N., and Shenoy, G.K., North-Holland 1979, p. 131-136; US-PS 4 303 748). Derartige, nominell wasserfreie Polyäther/Salz-Komplexe auf der Basis von Polyäthylenoxyd und Polypropylenoxyd sowie Alkali- oder Ammoniumsalzen haben elektrische Leitfähigkeiten von 10 9 bis 10 i##6 cm) -1 bei 200C. Sie können deshalb unter anderem als Feststoffelektrolyte in elektrochemischen Zellen verwendet werden.
Diese Komplexe sind in zahlreichen verschiedenen Lösungsmitteln löslich wie Wasser, Methanol, Acetylaceton, Acetonitril etc. Sie können deshalb durch Giessen, Bestreichen, Bepinseln, Spritzen und Sprühen oder Eintauchen des Werkstücks auf den zu überziehenden Körper aufgebracht werden.
Anschliessend kann das Lösungsmittel durch Verdampfen/Verdunsten ausgetrieben werden. Die auf diese Weise hergestellten leitenden Ueberzüge zeichnen sich durch gute Haftfähigkeit und chemische Stabilität aus.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Ausführungsbeispiel I: Zunächst wurde eine Lösung von 10 g Polyäthylenoxid mit einem Molekulargewicht von ca. 6 000 000 in 1 1 Methanol hergestellt. In dieser Lösung wurden 4,6 g Natriumthiocyanat aufgelöst. Die auf diese Weise erhaltene Flüssigkeit wurde dann auf ebene Glasplatten aufgebracht. Es wurden gleichmässige Schichten von (C2H40)4NaSCN durch Giessen, Pinseln und Aufsprühen hergestellt. Die Schichten hafteten gut auf dem Substrat und waren glasklar-transparent. Sie hatten durchschnittlich eine elektrische Leitfähigkeit von 10-7 bis 10-6 (#cm)-¹ bei einer Temperatur von 20°C.
Ausführungsbeispiel II Aehnlich Beispiel I wurde zunächst eine erste Lösung von 10 g Polyäthylenoxid in 500 ml Methanol hergestellt. Dann wurde eine weitere Lösung von 9,71 g Natrium-Tetraphenylborat zubereitet. Die erste Lösung wurde der zweiten Lösung unter ständigem Rühren langsam zugegeben. Dabei bildete sich ein Niederschlag, der von der Lösung durch Filtrieren getrennt, mit Methanol gewaschen und getrocknet wurde.
Die Trockensubstanz wurde nun in Acetylaceton gelöst und wie unter Beispiel I beschrieben auf eine Glasplatte aufgebracht und anschliessend getrocknet. Die aus (C2H40)8NaB (C6H5)4 bestehenden Oberflächenschichten hatten eine durchschnittliche elektrische Leitfähigkeit von 10- 9 bis 10-8 (#cm)-¹ bei einer Temperatur von 20°C.
Statt Acetylaceton kann zum Auflösen der Trockensubstanz auch Acetonitril verwendet werden.
Ganz allgemein können zur Durchführung des Verfahrens ionenleitende Kunststoffpolymere verwendet werden, mit welchen sich Oberflächenschichten mit einer elektrischen Leitfähigkeit bei 20°C von mindestens 10-¹° (#cm)-¹, bevorzugt mit einer solchen von mindestens 10- 9 (#cm)-¹ erzeugen lassen.
Mit Vorteil kann der ionenleitende Kunststoffpolymer ein Polyätherkomplex mit einem Wassergehalt von höchstens 1 % sein und insbesondere aus Polyäthylenoxid und einer weiteren Komponente aufgebaut sein. Diese weitere Komponente wird vorzugsweise aus der Gruppe der Alkalisalze oder der Ammoniumsalze ausgewählt.
Bevorzugte Ausführungen dieser Art entsprechen zum Beispiel den nachstehenden chemischen Formeln: (C2H40)5LiOF3CO0; (C2H40)4KSCN; ( C2H40 ) 4NaSCN.
Die oben erwähnte weitere Komponente kann auch im besonderen eine nicht wasserlösliche Komplexverbindung, zum Beispiel Natrium-Tetraphenylborat sein.
Die nach dem Verfahren hergestellten Ueberzüge weisen bevorzugt eine Oberflächenleitfähigkeit von 10-¹¹ bis 10-7 #-¹ bei 20°C auf.
Die Anwendungsbereiche des Verfahrens bewegen sich von der Herstellung von Ueberzügen zur Ableitung elektrostatischer Ladungen über die Erzeugung von Oberflächenschichten zur Steuerung elektrischer Potentiale bis zur Beschichtung von Isolierkörpern zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen im Hochfrequenzbereich.

Claims

Fatentanspruche 1. Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit eines aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehenden Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit einem Ueberzug aus einem ionenleitenden Kunststoffpolymer mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 10-¹° (#cm)-¹ bei 20°C versehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ionenleitende Kunststoffpolymer eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10 9 (llcm) bei 200C aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ionenleitender Kunststoffpolymer ein Polyätherkomplex mit einem Wassergehalt von höchstens 1 % verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyätherkomplex aus Polyäthylenoxid (C2H40)n und einer weiteren Komponente aufgebaut ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Komponente ein Alkalisalz oder ein Ammoniumsalz verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyätherkomplex nach einer der nachstehenden Formeln aufgebaut ist: (C2H40)5LiCF3COO (C2H40)4KSCN; (C2H 4NaSCN.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Komponente eine schwer- oder nicht wasserlösliche Komplexverbindung verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyätherkomplex Natrium-Tetraphenylborat enthält und nach der Formel (C2H40)8NaB(C6H5)4 aufgebaut ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ionenleitende Kunststoffpolymer in einem Lösungsmittel gelöst und der mit einem Ueberzug zu versehende Körper mit der auf diese Weise hergestellten Lösung durch Bepinseln, Bestreichen, Spritzen, Eintauchen beschichtet und das Lösungsmittel durch Verdampfen oder Verdunsten ausgetrieben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ueberzug aus ionenleitendem Kunststoffpolymer mit einer Oberflächenleitfähigkeit von 10 11 bis 10 7 ß -1 bei 2000 erzeugt wird.