DE3248658A1

DE3248658A1 - Kunststoffartikel und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3248658A1
Application number: DE19823248658
Authority: DE
Inventors: Lode 8710 Kortrijk Soens
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 1981-12-30
Filing date: 1982-12-30
Publication date: 1983-07-07
Anticipated expiration: 2002-12-31
Also published as: GB2150936B; AU562698B2; HK90286A; GB2150936A; AU9189882A; DE3248658C2; FR2519180B1; CA1194688A; CH659724A5; GB2112796B; FR2519180A1; SE8207260D0; LU84554A1; SE452280B; GB8501468D0; CH654970A5; IT8249746A0; SG65686G; CH659723A5; SE8207260L

Description

- ίο -

Beschreibung

Kunststoffartikel und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Kunststoffartikel, die insbesondere platten- oder blattförmig ausgebildet sind und die einen sehr niedrigen Gehalt an feinen elektrisch leitenden Fasern aufweisen, welche in dem Kunststoffgefüge verteilt sind. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf bestimmte Kunststoffkörner und Körnchen als Zwischenprodukte sowie auf Verfahren zur Herstellung dieser Artikel und auf die Anwendungen dieser Artikel, wie beispielsweise von Artikeln mit einer geeigneten Abschirmungskapazität gegenüber Funkfrequenz- und elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung oder als antistatische Kunststoffartikel.

Die Einbeziehung von elektrisch leitfähigen Fasern in Kunststoffe ist bekannt, wie beispielsweise für Verstärkungszwecke und/oder zur Verbesserung ihrer elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit. 5

Seit einiger Zeit haben Behörden, wie z.B. der Vereinigten Staaten von Amerika, Besorgnis bezüglich Umgebungsrisiken gezeigt, die verschiedene Arten von elektromagnetischer Strahlung betreffen, insbesondere mit hohen Frequenzen, wie bei Radarstrahlen, Mikrowellen und bei Signalen, die von elektronischen Schaltungen, z.B. in Digitalgeräten, erzeugt werden. Die Ausnutzung elektromagnetischer Strahlung mit Funkfrequenzen bzw. Hochfrequenz wird in Zukunft zunehmen infolge der weit verbreiteten Anwendung von Mikroprozessoren, Digitalrechnern und Waagen für Registrierkassen, elektronischen Schreibmaschinen und anderen Heim- und Bürocomputern mit zugehörigen Peripheriegeräten, elektronischem Spielzeug und Spielen, Militäranlagen, usw..

Wenn solche Geräte in Metallbehältern untergebracht sind, sind sie genügend vor der Emission von Funkfrequenz- und Hochfrequenzstrahlung durch das Metall selbst geschützt, welches die emittierte Strahlung zur Gehäuseinnenseite reflektiert. Interferenzen mit und Störungen von Rundfunk-, Fernseh- und anderen elektronischen Wellen sind damit vermieden.

Es gibt jedoch einen Trend, um Metallbehälter durch Kunststoffgehäuse zu ersetzen. Bisher war es üblich, elektrisch leitfähige Überzüge auf diese Kunststoffgehäuse aufzubringen, um eine Abschirmung gegen die Emission elektromagnetischer Strahlung zu erzielen. Ein Nachteil solcher Überzüge ist jedoch, daß sie nicht sehr dauerhaft sind. Außerdem erfordern diese Überzüge in den meisten Fällen besondere und kostspielige Verarbeitungs- und Anwendungsverfahren.

Versuche, um den Kunststoffen selber eine elektrische Leitifähigkeit zu geben (so daß sie eine Abschirmung gegen elektromagnetische Wellen bilden), sind durch Einbeziehung und Dispersion relativ großer Mengen leitfähiger Füllstoffe vorgeschlagen worden. Solche leitfähig.en Füllstoffe umfassen Ruß, Aluminiumflocken, Drahtstücke, mit Metall überzogene Glasfasern, Drahtgewebe und Kohlenstoffasern. Mit diesen leitfähigen Füllstoffen sind jedoch einige Nachteile verbunden.

Einige Füllstoffe erlauben keine genügende Dispersion in das Kunststoffgefüge und klumpen zusammen bzw. zerbrechen übermäßig und setzen sich zu sehr kleinen Teilchen ab, so daß ihr Abschirmungseffekt stark vermindert ist. Diese Verschlechterung macht es erforderlich, eine größere Menge leitender Teilchen hinzuzufügen, was eine gleichmäßige Dispersion noch schwieriger macht, während eine negative Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Materials auftritt.

Schließlich ist es bekannt, daß für eine effektive Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung die leitfähigen Teilchen in dem Kunststoffgefüge ein erhebliches Formatverhältnis, d.h. Länge/Durchmesser-Verhältnis haben müssen; diese Teilchen müssen in dem

Gefüge ein kontinuierliches leitfähiges Netzwerk soweit wie möglich bilden, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, ohne jedoch die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Kunststoffgefüges wesentlich zu ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kunststoffartikel mit weniger als etwa 0,5 Vol.% feinen elektrisch leitenden Fasern herzustellen, die beliebig und weitgehend gleichmäßig derart verteilt sind, daß die verteilten Fasern zu einer geeigneten Leitfähigkeit in jeder Richtung innerhalb der Artikel führen, und zwar für den Einsatz beispielsweise als elektromagnetische Störabschirmung. Die Fasern können gleichmäßig durch die Artikelmasse, wie beispielsweise durch eine Platte oder durch ein Slatt, verteilt sein oder ansonsten gerade in gewissen vorgegebenen Bereichen des Artikels vorgesehen sein, beispielsweise nahe eines oder beider oder eines Teiles seiner äußeren oder ebenen Flächen. Die feinen Fasern weisen vorzugsweise einen Äquivalent- bzw. Ersatzdurchmesser von weniger als etwa 0,015 mm und mehr als etwa 0,002 mm auf.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung von Einrichtungen und Maßnahmen zur Herstellung von platten- oder blattartigen Kunststoffartikeln mit einer Abschirmungs-Wirksamkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung von zumindest etwa 25 dB innerhalb eines weiten Frequenzbereiches (beispielsweise zwischen 0,1 und 10 GHz und insbesondere bei 1 GHz), während die normalen mechanischen Eigenschaften dieser Artikel beibehalten werden sollen. Unter platten- und blattartigen Artikeln werden Artikel verstanden, die Stäbe, verschiedene Quer-

schnitte aufweisende Profile, Folien, Dünnschichten, Rohre, Gehäuse, Säcke, Abdeckungen oder andere Behälter umfassen.

Zu diesem Zweck werden elektrisch leitende Fasern in dem Kunststoffartikel dispergiert, und zwar mit einer Länge und einem "äquivalenten" Durchmesserverhältnis (D/L), welches von etwa 0,0005 bis etwa 0,008 bezüglich des Hauptteils der Fasern variiert. Diese Fasern können beispielsweise Metallfasern mit einer mittleren Länge L zwischen 0,5 mm und 5 mm sein.

Der Ausdruck "äquivalenter" Durchmesser D bedeutet die Quadratwurzel aus dem Quotienten der Oberfläche des Faserquerschnitts dividiert durch Ή . Die mittlere Länge L bedeutet die Gesamtsumme der Länge der einbezogenen Fasern dividiert durch die Anzahl der Fasern. Bei einer mittleren Länge L=O,5 mm werden gewisse Fasern mit einer Länge vorhanden sein, die kürzer ist als 0,5 mm. Ein Hauptteil der Fasern weist jedoch eine"Länge auf, die sich an die mittlere Länge annähert. Gemäß der Erfindung erfüllen diese Faserabmessungsgrenzen die oben erwähnten Abschirmungsforderungen bei einer ausnehmend niedrigen Volumen- konzentration C {%) an leitenden Füllstoffen, nämlich zwischen etwa 0,05 Vol.% und etwa 0,5 Vol.?6. Wenn die Platten- oder Schichtdicke kleiner ist als 3 mm, dann ist überdies C ^ 1,4 D/L - 0,12, und bei Plattendicken zwischen 3 mm und 6 mm ist C ^ D/L - 0,18, Diese geringe Konzentration übt nahezu keinen Einfluß auf den Formfaktor der Kunststoffartikel aus. Es ist ferner ermittelt worden, daß antistatische Kunststoffartikel dadurch hergestellt werden können, daß elektrisch leitende Fasern in dem Kunststoff bei geringen Konzentrationen (weniger als etwa 0,5 Vol.%)

dispergiert werden, wobei die Konzentration C bezüglich der Faserabmessungen in dem antistatischen Kunststoff sogar die Beziehung C<D/L - 0,18 erfüllen kann. Die Fasern sollten dann zumindest nahe bzw.bei der Außenfläche der Artikel vorgesehen sein.

Es ist somit gemäß der Erfindung möglich, Kunststoffverbundartikel mit einem derart niedrigen Anteil an in diesen Artikeln vorhandenen leitenden Fasern herzustellen und diese Fasern in dem Kunststoff beliebig und gleichmäßig derart zu verteilen, daß der jeweilige Artikel ein bestimmtes Leitfähigkeitsniveau hat. Die Konzentration an leitfähigen Fasern kann dadurch zwischen etwa 0,03 V0I.J6 und etwa 0,5 Vol.% schwanken.

Ferner können optimale D/L-Grenzwerte dadurch erreicht werden, daß die Fasern während der industriellen Herstellung von Kunststoffartikeln hinzugefügt werden, und zwar innerhalb der oben erwähnten Grenzwerte für L, D und C. Diese D/L-Grenzwerte erfüllen dann auch die folgende Gleichung:

C £ 3,34 D/L - 0,137.

Da in dem Kunststoffgefüge der Kontakt zwischen den Fasern so gut wie möglich sein muß, um die Leitfähigkeit zu stimulieren, hat es sich als wichtig herausgestellt, daß die Fasern eine relativ glatte Oberfläche aufweisen. Dies bedeutet, daß die Rauhigkeiten auf der Faseroberfläche über dem mittleren Pegel der Faserfläche oder unter diesem Pegel um weniger als etwa 1/um verlaufen sollten. Auf diese Art und Weise ist es statistisch höchst wahrscheinlich, daß eine optimale Anzahl an Kontaktflächen zwischen benachbarten Fasern vorhanden sein wird, wobei die Kontaktflächen überdies optimale Abmessungen aufweisen.

Fasern aus rostfreiem Stahl, die nach einem Ringziehverfahren hergestellt sind, wie es beispielsweise in den US-Patentschriften 2 050 298 und 3 379 000 beschrieben ist, zeigten besonders geeignete wesentliche Leiteigenschaften für diese Anwendung. Wahrscheinlich geht dies auf die Tatsache zurück, daß sie weniger empfänglich dafür sind, eine mehr oder weniger isolierende Oxidschicht auf ihren Oberflächen im Vergleich beispielsweise zu Aluminium- oder Kupferfasern zu bilden. Dies bedeutet, daß der Kontaktwiderstand in bzw. an den Faserkontaktpunkten niedrig bleibt. Üblicherweise sind sie außerdem reaktionsträger als Al oder Cu für die meisten Kunststoffe. Andere Fasern, wie Hastelloy-X, Inconel, Ti oder Ni sind ebenso geeignet. Ein geeignetes spezifisches Leitvermögen der Fasern liegt bei zumindest O,5°4 des Kupfer-Normwertes.

Im Prinzip ist die Erfindung bei den meisten Kunststoffen anwendbar, und zwar vorzugsweise bei den thermoplastischen Arten, unter Anwendung der üblichen Formungstechniken, wie des Gießens, Strangpressens, Spritzgießens, Preßformens und Schäumens.

Demgemäß können die Artikel eine flexible, stabile oder elastische Eigenschaft aufweisen. Die Erfindung ist jedoch sehr leicht bei thermoplastischen Harzen und bei deren konventionellen Formungstechniken anwendbar, wie bei der Extrusions-Formung und beim Strangpreßformen unter Verwendung von Kunststofftabletten bzw. Kunststoffgranulat als Ausgangsmaterial. In der Praxis wird daher empfohlen, die leitenden Fasern auf der einen oder anderen Weise den Kunststofftabletten bzw. dem Kunststoffgranulat hinzuzugeben oder dort derart einzubeziehen, daß ihre

Kompatibilität mit dem Kunststoff nicht beeinträchtig wird und daß eine optimale gleichmäßige Dispersion der leitenden Fasern in dem Kunststoff während konventioneller Formungsprozesse erreicht wird. 5

Gemäß einem bedeutenden Aspekt der Erfindung wird die gleichmäßige Dispersion durch Verwendung von Kunststoffkörnern als Zwischenprodukt für die Herstellung des Artikels erzielt, wobei die Körner zumindest etwa 0,4 cm lang und mit leitenden Fasern beladen bzw. versehen sind. Die mittlere Länge der Fasern in den Körnern wird jene der Fasern in dem Endartikel etwas übersteigen, da während des Formungsprozesses eine Anzahl von Fasern stets gebrochen wird, überdies werden erfindungsgemäße Maßnahmen beschrieben, um dieser Neigung des Faserbruchs entgegenzuwirken.

Darüber hinaus wird die Volumenkonzentration an leitenden Fasern in den Körnern stets größer sein als die geforderte Endkonzentration in dem geformten Artikel. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, einen Artikel herzustellen, der 100% der oben beschriebenen Körner umfaßt und der eine Endkonzentration von 0,3 Vol.% an Metallfasern aufweist, dann-wird die mittlere Volumenkonzentration der Metallfasern in den Körnern zumindest 0,33 % betragen. Wenn es jedoch erwünscht ist, einen Artikel mit derselben Endkonzentration an Metallfasern (0,3 Vol.%) auf der Grundlage einer Mischung aus 67 Vol.% reinen Kunst" stofftabletten bzw. reinen Kunststoffgranulats und 33 Vol.% Kunststoffkörnern herzustellen, die mit Metallfasern beladen bzw. versehen sind, dann wird die mittlere Volumenkonzentration an Metallfasern in diesen Körnern vorzugsweise bei zumindest 0,99% liegen.

Im allgemeinen umfassen Verfahren zur Herstellung von Kunststoffartikeln, die bestimmte leitende Teile bzw. Anteile gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen, folgende Schritte. Ein Faser/Kunststoffverbund wird mit einem Gehalt an leitenden Fasern versehen, der von etwa 20 bis 70 Vol.% reicht und der eine weitgehend parallele Faseranordnung zeigt. Dieser Verbund wird einer vorbestimmten Menge von weitgehend reinem Kunststoffmaterial beigemischt, und das Gemisch wird in den Trichter beispielsweise eines Extrusionsmischers eingeführt. Bei einer derartigen Vorrichtung wird der Kunststoff erwärmt, um ihn zu erweichen und zu bearbeiten (durchzukneten), damit die Fasern in dem Kunststoff gleichmäßig dispergiert bzw. verteilt werden. Dabei werden niedrige Scherkräfte ausgeübt, um ein übermäßiges Zerbrechen der Fasern zu vermeiden; die Scherkräfte müssen jedoch einen hinreichend hohen Wert behalten, um die Fasern in dem Kunststoff gleichmäßig zu verteilen. Um den Artikel zu formen, kann die so bearbeitete viskose Masse ! sodann durch die Extruderschnecke nach vorn durch geeignete Öffnungen, Kanäle oder Schlitze zu einer Form hin geleitet werden, oder sie kann direkt und kontinuierlieh zu Stangen, Rohren, Blättern, Filmen oder Platten extrudiert oder im Strangpreßverfahren geformt werden.

Bei Verwendung einer Mischung aus reinen Kunststofftabletten bzw. reinem Kunststoffgranulat und Verbundkörnern, welche Fasern, wie oben beschrieben, umfassen, werden die zylindrischen Verbundkörner mit einem Durchmesser gewählt, der wenigstens der Durchscnnittsdicke der reinen Tabletten ist. Diese Maßname vermindert gewöhnlich die Neigung der einge-

"betteten leitfähigen Fasern, während des dem eigentlichen Preßverfahren vorangehenden Heißmischens und Knetens der Korn/Granulat- bzw. Korn/Tablettenmischung zu zerbrechen. Die Länge des Verbundkornes liegt vorzugsweise zwischen etwa 0,4 cm und etwa 1,2 cm.

Aus praktischen Erwägungen empfiehlt es sich, Kunststoffkörner mit Standardabmessungen und Standardkonzentrationen vorzusehen, die leicht mit herkömmlichen Kunststofftabletten bzw. mit herkömmlichem Kunststoffgranulat im gewünschten Verhältnis gemischt und verarbeitet werden können, um eine vorbestimmte Volumenkonzentration leitender Fasern im Endprodukt zu erhalten. Selbstverständlich wird der Hauptrohstoff dieser Körner vorzugsweise dasselbe Harz sein wie das des zu formenden Artikels. Die Querschnittsfläche der Verbundkörner wird darüber hinaus jener der reinen Harztabletten bzw. des reinen Harzgranulats sein.

So hat sich beispielsweise ein Metallfaser-Volumenanteil in den Verbundkörnern von V/a als geeignet erwiesen. Der Metallfasergehalt in den Körnern kann zwischen etwa 0,5 VoI.% und etwa 2 Vol.% gewählt werden.

Die Verbundk.örner können jedoch auch einen Kunststoff enthalten, der verschieden ist von jenem des herzustellenden Artikels. Der Erweichungs- und Schmelzpunkt des Harzes in den Verbundkörnern muß jedoch niedriger sein als der des Kunststoffes, aus welchem der Artikel hergestellt wird, um den Verbundkörnern während der Herstellung des Artikels zu ermöglichen, sich leicht zu verteilen und mit dem für den Artikel verwendeten Hauptrohstoff zu vermischen, und zwar bei hohen Temperaturen, um

dadurch den leitenden Fasern zu ermöglichen, unter minimalen Scherkräften in diesem sich zu verteilen.

Das Hauptrohmaterial muß außerdem aus anderen Gründen mit dem Harz der Verbundkörner verträglich sein. So darf dieses Harz beispielsweise sich nicht zerlegen oder mit dem Hauptrohmaterial reagieren, wenn dieses auf seine Verarbeitungs- und Formungstemperatur erwärmt wird.

Das am besten geeignete Grund- bzw. Ausgangsprodukt für die einzubeziehenden leitenden Fasern ist ein Faserbündel, obwohl auch .andere Faserbündel, wie Fi_.berbündel und Stapelfasergarne anwendbar sind.

Die Fieberfasern sollen dann eine ausreichende Garnzahl oder Tex-Zahl (Garnnummer) aufweisen, und die Faserlängen sollen ausreichend lang sein, um ein richtig zusammenhängendes Bündel mit einer ausreichenden Zugfestigkeit für die Behandlung und Verarbeitung zu bilden. Durchschnittliche Faserlängen von 7 cm und etwa 2000 Fasern pro Bandquerschnitt sind geeignet. Im allgemeinen sind die Faserbündel in einem Kunststoffgefüge derart eingebettet, daß der Faseranteil zwischen 20 Vol.96 und 70VoI.% liegt. Das imprägnierte Faserbündel kann sich versteifen (z.B. durch Abkühlung), um einen sogenannten Faden mit einer Querschnittsfläche zu erzeugen, die vorzugsweise nicht kleiner ist als die Querschnittsgröße und die etwa gleich der Querschnittsgröße der Kunststofftabletten bzw. des Kunststoffgranulats des Hauptrohmaterials ist/

Der Faden kann rund sein oder eine Vielzahl anderer Querschnittsformen aufweisen, beispielsweise eine ovale, abgeflachte oder rechteckige Form, um das

Aufwickeln und das Zerhacken in Partikel zu erleichtern. Der Faden kann 35 000 nebeneinander liegende Fäden (oder Fasern) in seinem Querschnitt aufweisen, wobei jedoch eine geringere Anzahl (zumindest etwa 1000 Fasern) empfehlenswert ist.

Es empfiehlt sich häufig, das imprägnierte Bündel mit einer Umhüllung zu versehen, die entweder aus demselben Kunststoff wie das Hauptrohmaterial besteht oder die aus demselben oder einem anderen Kunststoff besteht, mit dem das Bündel imprägniert worden ist. Dies stimuliert die allmähliche Zersetzung des .geschnittenen Bündels und die gleichmäßige Verteilung der Fasern in dem Kunststoffgefüge während des Misehens bei hohen Temperaturen. Der Faden wird in bestimmte Längen zerhackt, die nachstehend als Körner bezeichnet werden, und zwar mit Längen, die von zumindest etwa 0,4 cm bis höchstens etwa 1,5 cm reichen.

Es ist klar, daß der Kunststoff, mit dem das Faserbündel imprägniert und umhüllt worden ist, mit dem' Hauptrohmaterial des zu bildenden Artikels verträglich sein muß. In dem Fall, daß dieses Rohmaterial beispielsweise ein thermoplastisches Material ist, ist das imprägnierende Harz vorzugsweise ein thermoplastisches Polymer mit einem relativ niedrigen Molekulargewicht, wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyester, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polystyrol, PVC und PVC-Mischpolymere.

Die thermoplastischen Körner mit den in ihnen verteilten leitenden Fasern werden dadurch hergestellt, daß eine trockene Mischung aus reinen Kunststofftabletten bzw. Kunststoffgranulat (das ist das

Hauptrohmaterial) und eine Anzahl von Körnern hergestellt wird, in denen eine geeingete Menge an parallelen Fasern eingebettet ist. Diese Fasern weisen angenähert oder hauptsächlich dieselben Längen auf wie die Körner. Diese Mischung wird anschließend in einem Extrusionsmischer unter erhöhter Temperatur und unter der Anwendung von niedrigen Scherkräften durchgeknetet, um die leitenden Fasern in dem Kunststoff zu verteilen. Danach wird die weiche Masse in einem oder mehreren Fäden mit geeigneten Querschnitten extrudiert und abgekühlt. Schließlich werden die Fäden quer in Körner mit Längen von zumindest etwa 0,4 cm zerhackt .
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Die Erfindung wird nunmehr anhand einiger Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben. Fig. 1 zeigt in einer teilweisen Perspektivansicht die Formungs- und Endphasen der Bildung eines Fadens aus einem imprägnierten und umhüllten Bündel leitender Fasern und der Bildung eines aus diesem Faden abgeschnittenen Kornes.

Fig. 1A zeigt in einer teilweisen Perspektivansicht einen Faden wie in Fig. 1, jedoch mit einem abgeflachten Querschnitt. Fig. 2 zeigt ein Kunststoffkorn, in welchem leitende Fasern verteilt sind. Fig. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Wellenfrequenz (f) einer elektromagnetischen Strahlung und der Abschirmungs-Effektivität (SE) einer leitende Füllstoffe enthaltenden 3· nun dicken Kunststoffplatte.

Fig. 4 zeigt in einer graphischen Darstellung das optimale Arbeitsgebiet für die Erfindung hinsichtlich Faserkonzentrationen und D/L-Verhältnisse.

Beispiel 1

Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 1 wurde ein im wesentlichen rundes, nicht verdrilltes Bündel 1 aus 20 400 rostfreien Stahlfasern, AISI 316L des Typs BEKINOX (ein Warenzeichen der Anmelderin) mit einem äquivalenten Faserdurchmesser von 0,008 mm durch ein Bad hindurchgeleitet, welches eine Lösung aus 20 Gewichtsprozent eines linearen Polyesters mit relativ niedrigem Molekulargewicht (Molekulargewicht ca. 14 000) des Typs Dynapol L850 (Dynamit Nobel) in Trichloräthylen enthielt. Nach Verlassen des Bades wurde das Bündel durch eine runde Abstreiföffnung mit einem Durchmesser von 1,8 mm gezogen und getrocknet. Das getrocknete Bündel enthielt somit 6,2 Gewichtsprozent Harz (was gleich 70 Vol.$ Metallfasern ist). Ein derart imprägniertes Bündel wurde in einem Drahtummantelungsextruder (Typ Mailiefer mit fester Zentrierung) mit demselben Polyester Dynapol L850 umhüllt. Die runde Spritzdüse wies einen Durchmesser von 2 mm auf. Nachdem der auf diese Weise gespritzte Faden 2 abgekühlt war, wurde er in zylinderförmige Körnchen 3 mit einer Länge von 1 cm zerhackt. Die Körnchen wiesen etwa 13 Gewichtsprozent Harz auf, was etwa gleich 52 Vol.?£ Metallfasern ist. Beim Schneiden des Bündels wurden nahezu keine Metallfaserenden aus dem Bündel herausgezogen, und eine Hakenbildung und Abflachung der Faserenden waren vermiedsn. Dies war von Bedeutung im Hinblick darauf, eine zuverlässige Dosierung und fließende

Verteilung zu gewährleisten. Sodann wurden die Körnchen durch Trommelmischtechniken mit den üblichen thermoplastischen Tabletten bzw. mit dem üblichen thermoplastischen Granulat verschiedener Arten im Verhältnis von 9,75 Gewichtsprozent Körnchen auf 90,25% reiner Kunststofftabletten bzw. reinen Kunststoffgranulats trockengemischt und zu einem im wesentlichen runden Faden mit einem Durchmesser von 4 mm und einem Metallfaseranteil von etwa 8 Gewichtsprozent extrudiert. Nach dem Abkühlen wurde dieser extrudierte Faden wieder in Körner 4 (Fig. 2) mit einer Länge von 1 cm zerschnitten. In diesen Körnern erschienen die Metallfasern gleichmäßig bei einem Volumenanteil von etwa 1,1 % verteilt. Die während des Extrudierens aufgetretenen Scherkräfte wurden hinreichend niedrig gehalten, so daß ein übermäßiger Faserbruch vermieden wurde. Eine der Maßnahmen, die angewandt wurden, um die Scherkräfte auf einem minimalen Wert zu halten, umfaßte die Entfernung der Filterplatten am Einlaß der Düse. Die Temperatur an der Düse des Einschneckenextruders betrug 260°C als NORYL-SE9O (ein modifiziertes Polyphenylenoxid der General Electric) verwendet wurde. Als Cycolac AM1000AS (ein ABS-Harz von Borg Warner) verwendet wurde, betrug die Spritztemperatur an der Düse 220⁰C. Als Lexan L13848-141R-111 (ein Polycarbonat von General Electric) verwendet wurde, betrug die Temperatur 225⁰C. Der Extruder war vom Typ Samafor 45, bei dem das Längen-Durchmesser-Verhältnis der Schnecke 25 betrug. Der Zuführungs- bzw. Speisekanal in dem Kopf nahe der Spritzöffnung war ein ringartiger Zwischenraum zwischen einer konischen Außenfläche eines Dornes und der konzentrisch angeordneten konischen Innenfläche des Düsenkopfes. Der Kanal war dadurch zu der Spritzöffnung hinlaufend

begrenzt, und die Scherung wurde dadurch etwas erhöht. Dies führte zu einer besseren Faserverteilung, wodurch die Fasern in der Extrusionsrichtung mehr oder weniger ausgerichtet waren. 5

Die so erhaltenen Verbundkörner wurden trocken mit einer gleichen Gewichtsmenge reiner Kunststofftabletten bzw. von Kunststoffgranulat gemischt und einer Spritzgießmaschine des Typs Ankerwerk V 24/20 mit einer Schnecke zugeführt, mit der eine Form zur Formung von Platten in einer Dicke von 2,3 mm, einer Länge von 30 cm und einer Breite von 25 cm verbunden war. Die Temperaturen in der Schneckenkammer betrugen 250⁰C, 210⁰C bzw. 290⁰C für Noryl-, für Cycolac- bzw. für Lexan-Harze, und die Temperatur der Formen war bei 80°C, bei 5O⁰C bzw. bei 90⁰C eingestellt. Die Schnecke drehte sich mit 44 Umdrehungen pro Minute. Die Düsenöffnung hatte ein_.en Durchmesser von etwa 1 cm. Die Noryl-, Cycolac- und Lexan-Platten wiesen glatte Oberflächen auf, und die Faserverteilung oder die Verteilung durch die Platten war gleichmäßig. Die Konzentration der Metallfasern betrug 4 Gewichtsprozent oder 0,5 Vol. %. Die rostfreien Bekinox-Stahlfasern (Handelsname) wiesen eine spezifische Leitfähigkeit von etwa 2% des Kupfernormwertes auf.

Beispiel 2

Unter ähnlichen Bedingungen wie im Beispiel 1 wurden im Spritzgießverfahren gestellte Platten aus den oben erwähnten thermoplastischen Harzen hergestellt. Dabei wurde jedoch ein flaches Bündel aus 20 400 benachbarten Bekinox-Fasern mit einem Durchmesser von 0,008 mm verwendet, wie dies in Fig. 1A

veranschaulicht ist. Wie beim Beispiel 1 wurde das flache Bündel ebenfalls mit einer Dynapol-L850-Lösung imprägniert und durch eine rechteckförmige Öffnung mit den Abmessungen 5 mm χ 0,5 mm abgestreift. Das getrocknete Bündel wies 6,4 Gewichtsprozent Harz auf und war mit demselben Polyesterharz in einer Rillenstrangpresse bei 16O°C umhüllt. Die Abmessungen der rechteckförmigen Spritzdüse betrugen 5 mm zu 0,6 mm, und der erzielte abgekühlte Strang enthielt 23 Gewichtsprozent Harz, welches gleich etwa 39 Vol.% Metallfasern ist. Der flache Faden wurde in 1 cm lange Stücke zerhackt, wodurch eine Hakenausbildung und eine Abflachung der Faserenden absolut vermieden wurde. Das Festlegen der Fasern in einem flachen Bündel in dem Harzgefüge zum genauen Schneiden der Körnchen erwies sich als sehr effektiv. Die erzielten flachen Körnchen wurden dann ohne jegliche Schwierigkeit mit reinen Kunststofftabletten bzw. mit reinem Kunststoffgranulat im Verhältnis zwischen 10,66 und 89,33 Gewichtsprozent trockengemischt und zu einem weitgehend runden Faden mit einem Durchmesser von 4 mm (siehe Beispiel 1) extrudiert. Der Metallfaseranteil betrug etwa 8 Gewichtsprozent, was etwa 1,1 Vol. % entspricht. Aus diesem Faden wurden Verbundkörner mit einer Länge von 1 cm geschnitten. Nach dem trocknen Mischen dieser Verbundkörner mit reinen Kunststofftabletten bzw. reinem Kunststoffgranulat gleichen Gewichts und Spritzgießen der Mischung, wie oben beschrieben, wurde eine gleichmäßige Verteilung bzw. Dispersion festgestellt. Die mittlere Faserlänge wurde mit etwa 1,5 mm geschätzt, und die Konzentration betrug wieder 0,5 VoI.^. Siehe Bereich A in Fig. 4.

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Das Abschirmverhalten gegenüber elektromagnetischer Strahlung der im Sprutzgießverfahren hergestellten Platten wurde getestet. Wie bekannt, kann das Abschirmverhälten eines mit leitendem Füllstoff beladenen Kunststoffes im Verhältnis zu der Plattendicke dadurch bestimmt werden, daß die Reflexion R

(%), die bei einer Strahlungsfrequenz (z.B. 10 GHz) gemessen wird, mit der Reflexion (100 %) an einem Bezugsmaterial, wie einer Metallplatte, verglichen wird. Wenn die elektrischen Eigenschaften des Materials hinreichend homogen sind und wenn der leitende Füllstoff in dem Kunststoff als Netzwerk mit einer hinreichend kleinen Maschengröße (beispielsweise in einer Größenordnung, die kleiner ist als die Wellenlänge der abzuschirmenden Strahlung) wirkt, dann kann das Abschirmverhalten für den vollen Frequenzbereich extrapoliert werden. Außerdem ist es bekannt, daß für eine große Anzahl von Anwendungen für elektrisch leitende Kunststoffe die Abschirmungsanforderungen dann erfüllt sind, wenn eine Abschirmungswirksamkeit (SE) von 25 dB bei einer Frequenz von 1 GHz erzielt wird. Es ist ferner festgestellt worden, daß der SE-Wert für elektrische Felder und für Materialien mit einem spezifischen Widerstand zwischen 0,01 0hm · cm und 100 0hm · cm stets minimal in der Nähe von 0,4 bis 5 GHz-bei Plattendicken zwischen 1 und 6 mm und bei einem Abstand von etwa 1 cm bis 10 cm zwischen der Signalwellenquelle und der Kunststoffplatte liegt. Eine Beziehung zwischen der Abschirmungswirksamkeit SE und der Wellenfrequenz f ist in Fig. 3 für eine Plattendicke von 3 mm und einen Abstand zwischen der Quelle und der Platte von 1 cm gezeigt. Die Kurve 1 bezieht sich auf die Beziehung für Reflexionswerte R = 99 %, gemessen bei 10 GHz,

während die Kurve 2 die Beziehung für R = 70 % und ebenfalls bei 10 GHz zeigt. Wenn beispielsweise für eine leitende Kunststoffplatte mit einer Dicke von 3 nun eine Reflexion von 80 % bei 10 GHz gemessen wird (Quelle-Platte-Entfernung 1 cm), dann kann aus Fig. 3 abgeleitet werden, daß der SE-Wert zumindest 35 dB bei jeder Frequenz beträgt. Wenn R - 70 % und 1 GHz vorliegen, dann ist SE = 38 dB.

Analog gelten die folgenden Werte für andere Plattendicken, die bei einem Abstand von 1 cm zwischen Quelle und Platte gemessen wurden:

Dicke	R (90	1OGHz	SE (dB)	R(SO	1 (	SE (dB)
(mm)	70		35	70	IHz	41
	85		35	70		34
4	95		35	70		27
2
1

Aus der Abschirmungstheorie (Schultz) kann weiter abgeleitet werden, daß der spezifische Widerstand S (0hm . cm) für homogene leitende Kunststoffplatten und unabhängig von der Plattendicke'die folgenden Werte zeigt, welche den folgenden Reflexionswerten (R - %) entsprechen. Siehe Tabelle:

99 95 90 80 70

(Ohm · cm)

0,11

0,53 1,1 2,2 3,3

Demgemäß kann aus den Daten abgeleitet werden, daß eine dickere Platte eine geringere spezifische Leitfähigkeit (i/f>) und einen geringeren Reflexionswert aufweisen kann, um dieselbe Abschirmungswirksamkeit (SE) bei einer gegebenen Frequenz (z.B. bei 1 GHz) zu erzielen. Demgemäß kann der D/L-Wert der Fasern bei ein und derselben Faserkonzentration in einer dickeren Platte höher sein als in einer dünneren Platte, oder mit anderen Worten, die Faserkonzentration in einer dickeren Platte kann geringer sein als in einer dünneren Platte, wenn D/L in beiden Platten gleich ist.

Die Durchlässigkeits-jReflexions- und Widerstandsmessungen wurden an den im Spritzgießverfahren hergestellten Platten durchgeführt. Die Durchlässigkeitsund Reflexionsmessungen wurden bei 10 GHz vorgenommen. Für diese Messungen wurden die Platten zv/ischen einer Wellenabgäbeeinrichtung (einem Oszillator ), mit dem über einen Zirkulator eine erste Hornantenne verbündten war, und einer zweiten Hornantenne angeordnet; diese war mit einem zweiten Detektor verbunden. Die durch den Oszillator erzeugte Energie wird über die erste Antenne an die Platte ausgesendet, und die übertragene bzw. durchgelassene Energie wird über die zweite Antenne von dem damit verbundenen zweiten Detektor aufgezeichnet. Die reflektierte Energie wird zu der ersten Antenne zurückgeführt und mittels eines damit verbundenen ersten Detektors aufgezeichnet. Dieser Anteil der reflektierten Energie wird in Prozent (R-Wert) der Energiemenge (100 %) angegeben, die durch eine Metallplatte unter denselben Umständen reflektiert wird. Wenn die Menge der durchgelassenen Energie gleich Null ist, dann wird zum Zwecke der Reflexionsmessung und Aufzeichnung die Platte mit einer

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konstanten Geschwindigkeit zwischen der ersten Antenne aus deren Nähe zu der zweiten Antenne über eine Entfernung von 22 cm hin- und herbewegt. Diese Bewegung beginnt zumindest·14,5 cm von dem Zirkulator entfernt. Diese dynamische Methode gestattet die Vermeidung von Meßfehlern, die sonst bei statischen Messungen auftreten könnten, wenn die Position der verschiedenen Platten relativ zu dem Zirkulator nicht exakt dieselbe während aufeinanderfolgender Messungen ist. Tatsächlich ist das gemessene Reflexionssignal stets das Ergebnis aufeinanderfolgender Reflexionen sowie von neuen Reflexionen zwischen dem Plattenmuster und dem Metall (Zirkulator·, Antenne). Dies erzeugt eine stehende ¥elle als Funktions des Abstands zwischen dem Muster und dem Emitter. Bei der dynamischen Methode wird der Mittelwert der registrierten stehenden Welle mittels eines Mikroprozessors bestimmt.

Zur Messung des spezifischen Widerstands werden die Platten oder Schichten nahe ihrer gegenüberliegenden .Kanten zwischen Klemmen mit einer elektrischen Schaltung verbunden. Um einen guten leitenden Kontakt zwischen diesen Klemmen und den leitenden Fasern in den festgeklemmten Plattenkanten zu erzielen, sind die zuletzt erwähnten Kanten abgescheuert und mit Silberfarbe überzogen.

Die Meßergebnisse waren folgende (Durchschnittswerte):

Reflexion

Durchlässigkeit

JL

Spezifischer Widerstand Ohm . cm

Noryl Lexan Cycolac

65
71
65,5

0
0
0

2 3 4

Dies zeigt, daß die im Spritzgießverfahren hergestellten Platten mit einer Dicke von 2,3 mm auf der Grenze zwischen unzureichender und ausreichender Abschirmungswirksamkeit (35 dB) für gewisse Anwendungen lagen. Siehe Bereich A in Fig. 4.

Beispiel 3

Ein ähnlich mit einem Harz imprägniertes flaches Fadenbündel (Faden) wie im Beispiel 2 wurde in Körnchen mit einer Länge von 1 cm zerhackt und wie im Beispiel 2 mit reinen Harztabletten bzw. mit reinem Harzgranulat (Cycolac) im gewünschten Verhältnis gemischt. Dieses Harzgranulat wies die üblichen Abmessungen (etwa 0,5 cm lang, 0,5 cm breit und 0,2 cm dick) auf. Die Mischung wurde zu einem runden Faden extrudiert und zur Bildung von Verbundkörnern geschnitten, die etwa 1,1 Vol. % Metallfasern (siehe Beispiel 2) enthalten. Die Verbundkörner wurden dann mit reinen Kunststofftabletten bzw. mit reinem Kunststoffgranulat im Verhältnis 50/50 trocken gemischt und dann einer Spritzgießmaschine vom Maurer-Typ zugeführt, die eine Düsenöffnung mit einem Durchmesser von 0,95 cm auf\tfies. Dieselben Temperaturen wie beim Beispiel 2 wurden angewandt. Wenn ferner die Abschirmungscharakteristiken in der unmittelbaren Nähe der Düse ausreichend sein mußten, wurde das Spritzgießen vorzugsweise bei einem langsamen Tempo durchgeführt, und/oder ein Nachdruck wird am Ende des Spritzgießprozesses ausgeübt, der so niedrig wie möglich gehalten wird. Die im Spritzgießverfahren hergestellten Platten waren 5 mm dick. Die durchschnit^liche Faserlänge L wurde dadurch bestimmt,

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daß sehr dünne Scheiben von diesen Platten abgeschnitten wurden und daß anschließend das Harz aus diesen Scheiben gelöst wurde; das übrig bleibende Fasernetzwerk wurde bzw. wird unter einem Mikroskop analysiert. Der Bereich B in Fig. 4 entspricht der so bestimmten Faserlängenteilung. Die Abschirmungs- und Leitfähigkeitsmessungen wurden wie oben beschrieben durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt:

Durchlässigkeit
%

Spezifischer Widerstand Ohm ♦ cm

15 Cycolac

Beispiel 4

Flache Körnchen mit 20 400 parallelen rostfreien Stahlfasern, die einen Durchmesser von 8/um und eine Länge von 3 mm aufwiesen und die in 8 Gewichtsprozent Acrylharz K70 (von der Firma Kontakt Chemie) eingebettet waren, wurden unter sorgfältigem Rühren direkt einer 45&Lgen Lösung eines durch Wärme härtenden Polyesterharzes Derakene 411 in Styrol hinzugefügt. Die Fasern aus den Körnchen wurden in dem Harz gleichmäßig und beliebig verteilt, und die üblichen Beschleuniger sowie ein Katalysator wurden hinzugefügt. Die relativ flüssige Masse wurde zu Platten mit den Abmessungen 30 cm · 30 cm . 3 mm geformt und entlüftet. Die Form wurde geschlossen und während des Kaltaushärtungsprozesses gedreht, um die Metallfasern daran zu hindern, am Boden der Form sich

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abzusetzen. Die gehärtete Platte wies 0,5 Metallfasern auf. In Fig. 4 entspricht diese Mischungszusammensetzung dem Punkt G. Die gemessene Reflexion betrug 92% bei einem spezifischen Widerstand von 0,43 Ohm · cm und bei einer Durchlässigkeit von O %.

Ähnliche Platten (dieselben Abmessungen) wurden mit nachstehend angegebenen Zusammensetzungen hergestellt. Die Reflexion, die Durchlässigkeit und der spezifische Widerstand wurden gemessen.

D (mm)	L (mm)	C (#)	R (%)	Spezif. Widerst ο (Ohm-cm)	Durch lässig keit (^c/0	Punkt in Fig „4
0,008	3	0,25	70	1,44	0	C
0,004	3	0,25	87	1,68	0	D
0,004	3	0,50	84	3,11	0	η ι *JIi*
0,004	3	0,12	70	15,1	0	F

Aus den Beispielen und Ergebnissen wurden Grenzwerte für die Volumenkonzentration der Fasern (C %) als Funktion des D/L-Verhältnisses der Fasern abgeleitet,, Die gerade Linie 1 in Fig» 4 entspricht C = 1,4 D/L-0,12, \fährend die gerade Linie 2 die Gleichung C = 3,34 C = 3,34 D/L - 0,137 veranschaulicht» Gemäß der Erfindung bestimmt der Bereich zwischen den beiden geraden Linien und 2 die optimalen Bedingungen für C, D und L, um eine ausreichende Abschirmungswirksamkeit für Platten mit einer Dicke zu erzielen, die kleiner ist als 3 mm_o Bei platten- oder blattartigen Artikeln mit einer Dicke zwischen 3 mm und 6 mm wird die gerade Linie 3 in

Fig. 4 die untere Grenze zur Erzielung einer ausreichenden Abschirmung sein. Diese gerade Linie entspricht der Gleichung C = D/L - 0,18.

Beispiel 5

Ein im wesentliches rundes nicht verdrilltes Bündel aus etwa 10 000 rostfreien Bekinox-Stahlfasern AISI 31ÖL mit einem äquivalenten Faserdurchmesser von 0,004 mm wurde zur Bildung eines Stranges beispielsweise mit einer Lösung aus Dynapol L850, wie im Beispiel 1 erläutert, imprägniert und überzogen. Aus diesem Strang wurden Körnchen mit einer Länge von 0,5 cm geschnitten und in dem geeigneten Verhältnis mit CYCOLAC-KJB-Granulat zur Bildung von Körnern trocken gemischt. Die Körner wurden dann wieder durch Extrusion in einem Samafor-45-Extruder (Beispiel 1) hergestellt und enthielten etwa 0,5 VoI.

Fasern. Ihre Länge wurde mit 1 cm gewählt. Nach erneuter Trockenmischung dieser Körner mit einer gleichen Gewichtsmenge von Cycolac-KJB-Granulat wurde die Mischung der im Beispiel 1 verwendeten Spritzgießmaschine zugeführt, um eine Platte mit einer Dicke von 2,3 mm zu formen. Eine gleichmäßige Verteilung von etwa 0,23 Vol.% Fasern wurde in .der Platte erreicht, und die durchschnittliche Faserlänge wurde mit etwa 0,7 mm geschätzt. Dieses Ergebnis ist durch die Linie H in Fig. 4 angedeutet.

Die antistatische Leistung dieser Platte wurde durch Reiben der Platte mit einem Textiltuch bzw. Textilkissen abgeschätzt, um eine elektrische Ladung auf ihrer Oberfläche zu erzeugen. Die Platte wurde dann in die Nähe einer gewissen Menge feinen Zigarettenaschenstaubs gebracht, der auf einem Tisch lag. Dabei

zeigte sich keine nennenswerte Neigung für den Aschenstaub, von dem Tisch abzuheben und selbst auf der Unterseite der Platte sich abzulagern. Als derselbe Antistatik-Staubte st mit einer reinen CYCOLAC-KJB-Harzplatte wiederholt .wurde, die frei von Metallfasern war, wurde der Aschenstaub unverzüglich zu der Platte hin angezogen.

Beispiel 6

Bs wurden etwa 10 000 rostfreie Bekinox-Stahlfasern in Bandform mit einem äquivalenten Faserdurchmesser von 0,0074 mm imprägniert und überzogen, und zwar mit einem Dynapol-L850-Harz, wie dies im Beispiel 1 erläutert worden ist. Der Strang wies einen Metallfasergehalt von etwa 25 Vol.Ji auf. Es wurden Körnchen mit einer Länge von 0,6 cm bzw. 0,3 cm aus diesem Strang geschnitten und in einer Trockentrommel mit Kunststofftabletten aus Cycolac KJB (grau) vermischt, um eine Zusammensetzung aus 0,5 Vol.% Metallfasern und als Rest ein Harz zu erhalten. Die Mischung wurde direkt in den Trichter einer Spritzgießmaschine des Stubbe—Typs S150/235 eingeführt (die bei einem Druck von 130 kg/cm , bei einem Spritzdruck von 30 kg/cm , einem Nachdruck von 30 kg/cm arbeitet). Die Temperatur an der Spritzöffnung betrug 205⁰C, und die Spritzzeit betrug 4s für eine geformte Platte mit den Abmessungen 30 cm zu 30 cm und einer Dicke von 3 mm. Die Metallfasern waren weitgehend gleichmäßig in dem Kunststoff verteilt. Die elektrischen Eigenschaften sind in der nachstehenden Tabelle angegeben (Durchschnittswerte).

Faser länge in Körnchen (mm)	Reflexion n/ yO	Durch lässigkeit	Ohm . cm
3 6	70 67	0 0	7 11

Der Reflexionswert bei einem Metallfaseranteil von 0,5% in dem Kunststoff führt noch zu einer Abschirmungswirksamkeit von mehr als 25 dB.

Gemäß der vorliegenden Erfahrung kann eine ausreichende Abschirmungsleistung (25 db) mit weniger rostfreien Stahlfasern erwartet werden, die einen Durchmesser (d) von etwa 0,0065 mm aufweisen, und mit einer direkten Zuführung einer Mischung, die Körnchen mit einer Länge von etwa 3 bis 5 mm und einen Metallfaseranteil in den Körnchen von etwa 65 Vol.% , beispielsweise bei etwa 10 000 Fasern pro Körnchen, enthält,zu der Spritzgießmaschine.

Dieses Experiment beweist somit, daß gute Abschirmungsergebnisse durch eine direkte Einführung der Körnchen in der Spritzgießstufe erzielbar sind, und beseitigt somit den Zwischenschritt der Herstellung von Körnern.

Um Artikel aus thermoplastischem Schaummaterial in Formen herzustellen, kann man, wie oben beschrieben, eine bestimmte Mischung aus reinen Kunststofftabletten bzw. aus reinem Kunststoffgranulat verwenden, die bzw. das eine geeignete Menge eines Aufblasmittels enthält. Es ist außerdem möglich, das

Aufblasemittel in Pulverform mit reinen Kunststofftabletten bzw. mitreinem Kunststoffgranulat und mit einer geeigneten Menge an Verbundkörnern zu mischen.

So können beispielsweise Tabletten bzw. Granulat derart befeuchtet werden, daß sich das an ihnen klebende Pulver genügend gleichmäßig über sie verteilen kann. Danach kann das Gemisch der Spritzgießmaschine in der üblichen Art und Weise zugeführt werden.

Zur Herstellung thermoplastischer elastischer Artikel (die beispielsweise ein elastisches. Polyester Hytrel enthalten) können Elastomer-Tabletten bzw. kann Elastomergranulat verwendet werden, die bzw. das mit einem geeigneten Anteil von Verbundkörnern gemischt wird, die auf der Grundlage desselben Elastomers hergestellt sind. Die Scherkräfte müssen jedoch besonders niedrig sein während der Knet- und Formungsvorgänge.

Zur Folienformung von vorimprägnierten Faserblättern bzw. Faserfolien (Vorimprägnierungsfolien) ist es möglich, die leitenden Fasern vorbereitend in dem flüssigen Harz zu dispergieren, und zwar in einer geeigneten Konzentration. Zur Massenformung .von viskosen Mischungen aus Harz und Fasern können die leitenden Fasern in der Masse in einer entsprechenden Art und Weise dispergiert werden.

So ist es insbesondere möglich, die leitenden Fasern zunächst mit anderen Fasern zu mischen, beispielsweise mit Verstärkungsfasern, wie Glasfasern, Kohlefasern, Polyaramidfasern, und diese Fasermischung in irgendeiner Weise in dem Harz zu dispergieren. Zur

Verarbeitung in thermoplastischen Harzen ist es möglich, den zuvor beschriebenen Faden aus in Kunststoff eingebetteten leitenden Fasern durch einen Faden zu ersetzen, der eine Mischung aus

.5 Glas_üasern und leitenden Fasern im gewünschten Verhältnis umfaßt. Es ist außerdem möglich, Glasfaserbündel in einer Seite-an-Seite-Lage mit Bündeln aus leitenden Fasern zu imprägnieren, um den Faden zu bilden. Schließlich kann vorgezogen werden, Fäden, die Verstärkungsfasern enthalten und die in Körnchen zerschnitten sind, mit Fäden zu mischen, die aus leitenden Fasern bestehen und die in Körnchen geschnitten sind, und zwar in einem geeigneten Gewi_chtsverhältnis, und die betreffenden Körnchen dann der Formungsmaschine zuzuführen, während eine geeignete Menge an reinen Kunststofftabletten bzw. an reinem Kunststoffgranulat (Hauptrohmaterial) hinzugegeben wird.

Bin vorteilhaftes Verfahren dazu, in dem Kunststoff einen sehr geringen Anteil an leitenden Fasern, wie Metallfasern, zu verteilen, besteht darin, mit einem gemischten Band zu beginnen, welches thermoplastische Textilfasern mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt umfaßt, die mit einem gewünschten Anteil derartiger Metallfasern vermischt sind.^; Das gemischte Band wird dann imprägniert oder imprägniert und überzogen, beispielsweise mit einem Polymer relativ niedrigen Molekulargewichts, um einen Faden zu erhalten, der nach dem Erstarren bzw. Verfestigen weiter in Körnchen zerhackt wird. Wenn die Körnchen den Kunststofftabletten bzw. dem Kunststoffgranulat hinzugefügt werden und wenn die Mischung heiß bearbeitet wird, dann werden die thermoplastischen Textilfasern in den Körnchen erweicht und verschwinden

aus dem Kunststoffgefüge. Der Schritt des Vormischens der Metallfasern mit den Textilfasern ermöglicht eine bessere Trennung der Metallfasern in dem Kunststoff und vermeidet jegliches Auftreten von Metallfaseransammlungen "während des heißen Knetprozesses vor der Formung.

Gewisse andere Zusätze in dem Kunststoff können ebenfalls die Abschirmungseigenschaften fördern, und zwar entweder durch Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit des Kunststoffs aufgrund seiner richtigen elektrischen Eigenschaften, oder durch Erleichtern der Verteilung bzw. Dispersion der leitenden Fasern während der Verarbeitung oder durch beide Maßnahmen. Einige während der Mischung des Rohkunststoffs hinzugesetzte Flammenhemmittel haben das Abschirmverhalten in Kombination mit der Einbeziehung der rostfreien Stahlfasern in den Kunststoff, wie oben beschrieben, verbessert.

Die Erfindung ist insbesondere im Lichte ihrer Anwendung -zur Abschirmung vor Funkfrequenz- und Hochfrequenzwellen beschrieben worden. In Falle eines erheblichen L/D-Verhältnisses der dünnen leitenden Fasern in dem Kunststoffgefüge können elektromagnetische Wellen im Radarfrequenzbereich stark absorbiert werden. Die Volumenkonzentration von Fasern kann in diesem Fall sehr niedrig sein, da eine gute Leitfähigkeit für Tarnung gegenüber Radarwellen nicht gefordert ist. Der spezifische Oberflächenwiderstand der Kunststoff platten, welche di_spergierte leitende Fasern enthalten, wird hier vorzugsweise höher als 100 Ohm/Fläche sein. Ein Reflexionswert von 10% genügt, wobei '.er generell etwa 40 bis 50% sein wird. Die Beziehung zwischen

der Faserkonzentration und D/L wird in den-meisten Fällen einem Punkt im Bereich links der geraden Linie 2 gemäß Fig. 4 bei Konzentrationen unter 0,25 Vol. ^ entsprechen.
5

Es wurden Fasern aus rostfreiem Stahl bei den Beispielen verwendet. Andere elektrisch leitende Fasern sind im Prinzip ebenfalls anwendbar, wie beispielsweise Glasfasern mit einem Metallüberzug, und zwar insoweit, als der Verteilungs- bzw. Dispersionsprozeß in dem Kunststoffgefüge unter hinreichend niedrigen Scherkräften stattfinden kann, um der Neigung oder Tendenz der Fasern zu begegnen, zu zerbrechen. Möglicherweise wird es auch notwendig sein, die Spritzgießbedingungen anzupassen:

Rheologie der Kunststoffe während des Spritzgießens und die Spritzgeschwindigkeit. Der Durchmesser der Spritzgießöffnung wird zumindest zweimal der Dicke der zu formenden Platte sein.
20

Neben dem in den Beispielen beschriebenen Polymeren können zahlreiche andere Harze bei der Herstellung des Endprodukts verwendet werden, welches leitende Fasern umfaßt. Diese Harze umfassen, ohne damit darauf beschränkt zu sein, Polycarbonate, Polyacetate, Polyacrylate, Polyvinylchlorid, Fluorpolymere, wie Polyvinylidenfluorid, Polyoelfine, Polyacetale, Polystyrol, etc..

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den derzeit praktischsten und bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, dürfte einzusehen sein, daß die Erfindung auf die angegebenen Ausführungsformen nicht beschränkt ist, sondern daß im Gegenteil beabsichtigt ist, eine Vielzahl von Modifikationen

und äquivalenten Anordnungen zu erfassen, die innerhalb des Rahmens der Ansprüche liegen, wobei der betreffende Rahmen in Übereinstimmung mit der breitesten Auslegung gewährt werden soll, um alle derartige Modifikationen und äquivalenten Strukturen zu umfassen.

-UtL-

Leerseite BAD ORIGINAL

Claims

Patentanwälte Dipl.-Inig. ff. ^eipkmänNj.Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska XI N.V. BEKAERT S.A. Bekaertstraat 1 B-8550 Zwevegem 8000 MÜNCHEN 86, DEN 30. D82· 1882 POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER! Kunststoffartikel und Verfahren zu dessen Herstellung Patentansprüche

1. Kunststoffartikel, der zumindest in gewissen "bestimmten Teilen in jeder Richtung elektrisch leitend ist,

dadurch gekennzeichnet, daß er eine Kunststoffmasse mit elektrisch leitenden Fasern enthält, die beliebig und weitgehend gleichmäßig in den betreffenden Teilen verteilt sind,

daß die Fasern eine Länge L und einen äquivalenten. Durchmesser D aufweisen, der zwischen etwa 0,002 mm und etwa 0,015 mm schwankt, derart, daß das Verhältnis D/L von etwa 0,0005 bis etwa 0,008 für den Hauptteil der Fasern variiert,

und daß die Volumenkonzentration (C%) der Fasern in den betreffenden Teilen zwischen etwa 0,05% und etwa 0,5% variiert.

2. Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in Form einer Platte oder eines Blattes vorliegt.

3. Artikel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, daß die Dicke der Platte oder des Blattes geringer ist als etwa 3 mm, die Volumenkonzentration C an leitenden Fasern in der Platte oder in dem Blatt der Beziehung C M,4 D/L - 0,12 genügt ,

und daß in dem Fall, daß die Dicke der Platte oder des Blattes zwischen etwa 3 nun und etwa 6 mm liegt, die Volumenkonzentration (C) die Beziehung C ^ D/L - 0,18 erfüllt.

4. Artikel nach Anspruch 3, dadurch gekenn-' zeichnet, daß C ^ 3,34 D/L - 0,137 ist.

5. Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine spezifische Leitfähigkeit von zumindest 0,5% des Kupfer-Normwertes haben.

6. Artikel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Fasern relativ glatte Oberflächen aufweisen.

7. Artikel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Fasern Fasern aus rostfreiem Stahl sind.

8. Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein durch Wärme aushärtendes Harz ist.

9. Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein thermoplastisches Harz ist.

10. Artikel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Spritzgießen hergestellt ist.

11. Artikel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch

gekennzeichnet, daß er aus einein geschäumten Harz besteht.

12. Artikel nach Anspruch 8 oder 9_f dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Elastomer ist.

13. Artikel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das geschäumte Harz ein Elastomer ist.

14. Artikel nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß er noch andere Fasern enthält.

15· Artikel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der anderen Fasern Verstärkungsfasern sind.

16. Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Abschirmungswirksamkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung von zumindest etwa 25 dB innerhalb eines Frequenzbereiches von etwa 0,1 bis etwa 10 GHz aufweist.

17. Kunststoffkorn mit einer Länge zwischen etwa 0,4 cm und 1,2 cm, insbesondere für die Verwendung bei einem Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es Kunststoff und in diesem verteilte elektrisch leitende Fasern aufweist, wobei der Anteil der leitenden Fasern im Mittel höher ist als die Endkonzentration der Fasern in dem Artikel,

und wobei im Mittel die Fasern langer sind in dem Korn als im Artikel.

18. Kunststoffkorn nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenkonzentration der Fasern zwischen etwa 0,5$ und etwa 2% liegt.

19. Kunststoffkorn nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß es weitere andere Fasern enthält.

20. Faden mit einem Bündel aus in Kunststoff eingebetteten leitenden Fasern, insbesondere für einen Artikel nach einem der Ansprüche bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Faseranteil zwischen 20 Vol.# und 70 VoI ;$ liegt

und daß der Faserdurchmesser höchstens etwa

0,015 mm beträgt.
30

21. Faden nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß er eine abgeflachte Querschnittsfläche aufweist.

22. Faden nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel in seinem Querschnitt zwischen etwa 1000 und 35 000 benachbarten Fasern enthält.

23. Faden nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff, in welchem das Bündel eingebettet ist, ein thermoplastisches Polymer mit relativ niedrigem Molekulargewicht enthält.

24. Kunststoffverbundartikel, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Kunststoff besteht, in welchem eine Volumenkonzentration (C%) an elektrisch leitenden Fasern in einer Menge von weniger als etwa 0,5 Vol.5a vorhanden ist, daß ein Hauptteil der Fasern ein D/L-Verhältnis aufweist, welches von etwa 0,0005 bis etwa 0,008 reicht,

und daß die Fasern beliebig und weitgehend gleichmäßig derart verteilt sind, daß der Artikel ein bestimmtes Leitfähigkeitsniveau hat.

25. Kunststoffverbundartikel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der leitenden Fasern von etwa 0,03% bis etwa 0,5% variiert.

26. KunststoffVerbundartikel nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Fasern einen äquivalenten Durchmesser (D) aufweisen, der von etwa 0,002 mm bis etwa 0,015 mm reicht,

und daß die betreffenden Fasern eine mittlere Länge (L) aufweisen, die von etwa 0,5 nun bis etwa 5,0 mm variiert.

27. KunststoffVerbundartikel nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Platte oder eine Schicht ist.

28. KunststoffVerbundartikel nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten- oder Schichtdicke weniger als 3 mm beträgt und daß C ^ 1,4 D/L - 0,12 ist.

29. KunststoffVerbundartikel nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten- oder Schichtdicke von 3 mm bis etwa 6 mm variiert und daß C ^ D/L - 0,18 ist.

30. Aus einem Kunststoff hergestellter Kunststoffartikel, der zumindest bestimmte Bereiche aufweist, in denen leitende Fasern beliebig und weitgehend gleichmäßig verteilt sind, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch, gekennzeichnet, daß die leitenden Fasern in dem Artikel in einer Konzentration C von weniger als etwa 0,5 Vol.% vorhanden sind und daß ein Hauptteil der Fasern ein D/L-Verhältnis aufweist, welches von etwa 0,0005 bis etwa 0,008 variiert.

31. Verfahren zur Bildung von Kunststoffartikeln, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei die betreffenden Artikel zumindest bestimmte leitende Bereiche aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß eine Faser/Kunststoffzusammensetzung mit einem Anteil an leitenden Fasern bereitgestellt wird, der von etwa 20 bis etwa 70 Vol.% reicht und der eine weitgehend parallele Faseranordnung enthält,

b) daß dieser Faser/Kunststoff-Zusammensetzung ein bestimmtes Volumen eines weitgehend reinen Kunststoffes beigemischt wird,

c) daß diese Mischung erwärmt wird und daß die betreffende erwärmte Mischung be- bzw. verarbeitet wird, während niedrige Scherbedingungen aufrecht erhalten werden, derart, daß übermäßiges Zerbrechen der Fasern vermieden ist, während die Scherbedingungen eine ausreichende Scherung hervorrufen, um die Fasern innerhalb des Kunststoffes gleichmäßig zu verteilen.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß als der gemäß dem Schritt b) hinzugegebene Kunststoff Kunststofftabletten bzw. Kunststoffgranulat verwendet wird.

33. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Artikel durch Extrusion der be- bzw. verarbeiteten Mischung durch eine Form gebildet wird.

34. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Artikel durch Spritzgießen der be- bzw. verarbeiteten Mischung gebildet wird.

35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des reinen Kunststoffs so eingestellt wird, daß ein extrudierter Faden mit einem Anteil an leitenden Fasern erhalten wird, der zwischen etwa 0,5 und etwa 2 Vol.Ji liegt.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der extrudierte Faden in Körner mit einer Länge von etwa 0,4 cm bis etwa 1,2 cm zerhackt wird.

37. Verfahren nach-Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß den Körnern ein bestimmtes Volumen eines weitgehend reinen Kunststoffs derart beigemischt wird, daß eine Mischung erhalten wird, in der etwa 0,05 bis etwa 0,5 Vol.% Fasern weitgehend gleichmäßig verteilt sind, wobei die Mischung zu einem Kunststoffartikel geformt wird, bei dem das D/L-Verhältnis von etwa 0,0005 bis 0,008 bezüglich eines Hauptteils der Fasern variiert.

38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff in den Körnern

ein Kunststoff mit einem Erweichungs- bzw'. Schmelzpunkt verwendet wird, der höchstens gleich jenem des Kunststoffs ist, der beigemischt wird.
30

39. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Artikel durch Strangpressen (Extrusion) geformt wird.

_ Q —

40. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Artikel durch Spritzgießen geformt wird.