DE3325954A1 - Faserverstaerkte verbundmaterialien - Google Patents
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Description
dr. V. SCHMIED-KOWARZIK. · dr. P. WElNHOLD · dr. P. BARZ · mOnchen
D1PL.-INC. G. DANNENBERG · dr. D. GUDEL- dipl-ing. S. SCHUBERT · Frankfurt
GROSSE ESCHENHEIMER STR. 39 6OOO FRANKFURTAM MAIN 1
TELEFON: (06II) 281I34 + 287OI4
TELEGRAMME: WIRPATENTE TELEX: 4131IO
18. Juli 1983 S S/Ha
Dart Industries Inc.
2211 Sanders Road
Northbrook, Illinois 60062 / USA
Die Verwendung von Kunststoffgehäusen für elektronische
Einrichtungen ist heutzutage auf den Gebieten der Ausstattung bei Fahrzeugbau und Elektronik weitgehend
eingeführt. Die derzeit zur Verfügung stehenden Kunststoff materialien leiden jedoch unter dem Nachteil, daß
sie transparent bzw. durchlässig für elektromagnetische Störung sind, die allgemein unter der Bezeichnung EMI
!electromagnetic interference) bekannt ist. Dieser Nachteil der verfügbaren Kunststoffmaterialien ist von großer Bedeutung
im Hinblick auf die von elektronischen Geräten gegenüber den nachteiligen Effekten der EMI-Emission durch
die steigende Zahl von Konsumgütern, welche solche EMI-Signale'erzeugen und gegenüber den zunehmenden Schutzmaßnahmen
gegen das überhandnehmen solcher elektromagnetischer Störungen.
Die derzeitige Annäherung an die Lösung der Äbschirmprobleme von Kunststoffmaterial besteht hauptsächlich
in der Aufbringung von metallischen Oberflächenbe-
Schichtungen auf den geformten Kunststoff. Dazu gehören die
Anwendung von Vakuumablagerung, Metallfolienverkleidung, metallgefüllten Sprühüberzügen, Zink-Flammenversprühung
und elektrische Bogenentladung. Jeder dieser Prozesse ist mit einem oder mehreren Nachteilen verbunden hinsichtlich
Kosten, Haftvermögen, Kratzfestigkeit, Beständigkeit
gegen Umwelteinflüsse, Länge der für das Aufbringen erforderlichen
Zeit und Schwierigkeiten beim angemessenen Schutz der verschiedenartigen geometrischen Formen, in den
die Kunststofformlinge verfügbar sein müssen.
In neuerer Zeit wurden Versuche gemacht, um das Problem der EMI durch Formulierung von Verbundkunststoffmaterialien
auf der Basis der Verwendung verschiedener Füllmittel in thermoplastischen Matrices zu lösen. Unter den
leitfähigen Füllmitteln, die für diesen Zweck verwendet wurden, befinden sich Ruß, Kohlefasern, mit Silber überzogene
Glasperlen und metallisierte Glasfasern. Diese Materialien haben jedoch die Nachteile einer so großen
Sprödigkeit, daß sie bei der Verarbeitung in kürzere Stücke zerbrechen. Die kürzeren Fasern und Teilchen erfordern
eine höhere Beladung bzw. Füllmittelkonzentration, wodurch sie kommerziell unannehmbar werden. Daher hat sich keines
der bisher entwickelten Verbundkunststoffprodukte als völlig befriedigend erwiesen.
Gemäß vorliegender Erfindung wurde gefunden, daß ein Verbundprodukt mit außergewöhnlichem Abschirmvermögen gegen
elektromagnetische Störungen erhalten wird durch Formen einer verstärkten thermoplastischen Harzzusammensetzung,
die durch Einarbeiten von Fasern aus rostfreiem Stahl in Form von kontinuierlichen Strähnen in eine thermoplastische
Harzmatrix erhalten wurde.
Die Kombination dieses Materials mit einem thermoplastischen Harz ermöglicht die Realisierung eines Verbund-
Produktes mit ausgezeichneter Äbschirmwirksamkeit gegen elektromagnetische Störungen. Die erfindungsgemäßen
Verbundprodukte sind hervorragend geeignet zur Verwendung für Abschirmzwecke bei den vielfältigsten Endgebrauchsgegenständen
wie Radios, Sendern, Computern u. dgl.
Das Verbundprodukt aus thermoplastischem Harz und Fasern aus rostfreiem Stahl kann nach auf dem Fachgebiet
bekannten Verfahren hergestellt werden. Es wurde jedoch gefunden, daß die vorteilhaftesten Eigenschaften erzielt
werden, wenn diese Produkte nach dem Verfahren der US-PS 2,877.501 hergestellt werden, auf die hier Bezug genommen
wird.
In dem Verbundprodukt sind die Fasern in der Harzmatrix eingemischt und die resultierende Zusammensetzung
ist nach bekannten Methoden des Harzformens geformt. Vorzugsweise werden jedoch die Endprodukte durch Spritzguß hergestellt
und die Anwendung dieser Her stellungsmethode ist
für die Erzielung optimaler Ergebnisse vorteilhaft.
Die Faserverstärkungsbestandteile können zweckmäßig nach dem auf dem Fachgebiet als "Langglas"-Verfahren genannten
Verfahren hergestellt werden, wobei die gebildeten Produkte auf dem Fachgebiet als "Langfaser"-Produkte
charakterisiert sind. Die Länge der Mehrheit der Fäden in diesen "Langfaser"-Produkten liegt im allgemeinen
weit über der Hauptfaserlänge in sogenannten "Kurzfaser"-Produkten,
welche normalerweise im Bereich von ungefähr
0,0254 bis 0,0762 cm (0,01 bis 0,03 inch) liegen, und sie erstreckt sich im allgemeinen über die ganze Länge der Stücke
selber. Die Faserform kann aus kontinuierlichem Roving von 60 bis 20.000 Fäden oder einem Stapelgarn, das nominell
2000 Fäden enthält, bestehen. Das Stapelgarn besteht
- 3
aus einer kontinuierlichen Strähne, die aus Fasern diskreter Längen hergestellt ist, wobei die Länge jeder einzelnen
Fasern 7,62 bis 25,4 cm (3 bis 10 inch) betragen kann. Diese Fasern diskreter Länge werden oft als "Slivers" bezeichnet.
Dieses Verfahren umfaßt im allgemeinen die Verwendung von kontinuierlichen Fadenlängen, welche durch ein Bad aus
geschmolzenem Harz geführt werden, wobei diese Fäden mit der gewünschten Menge Harz imprägniert werden. Sobald die
kontinuierlichen Fäden imprägniert sind, werden sie aus dem Bad genommen, vor oder nach dem Durchgang durch eine
Wärmequelle vermischt und abgekühlt, um das Harz rund um die rostfreien Stahlfasern zu verfestigen, und anschließend im
wesentlichen in Querrichtung zerschnitten, um die kurzen Stücke zu bilden. Diese Stücke sind ähnlich den oben beschriebenen
"Kurzfaser"-Produkten, indem sich die Fasern
im wesentlichen parallel zueinander und in: wesentlichen parallel zu der Achse erstrecken, die durch die Richtung., in
der die Materialien aus dem Bad herausgezogen wurden, definiert ist. Im Gegensatz zu den "Kurzfaser"-Produkten erstrecken
sich jedoch die Fasern der "Langfaser"-Produkte im wesentlichen über den gesamten Abstand von einer durchschnittenen
Seite zur anderen durchschnittenen Seite. Dabei können auch die "Langfaser"-Produktstücke im Bereich von
ungefähr 0,16 bis 3,81 cm (1/16 bis 1-1/2 inch) liegen. Ein Verfahren dieses Typs ist in der US-PS 3,042.570
beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.
Bei dem obigen Verfahren können die Fäden aber auch anstelle in einem Bad aus geschmolzenem Harz mit einer
Harzsuspension oder -emulsion imprägniert und anschließend genügend Wärme ausgesetzt werden, um das Harz rund um die
vermischten Fäden zu trocknen und zu schmelzen. Ein solches Verfahren ist in der US-PS 2,877.501 beschrieben.
In beiden Produkten, d.h. den "Kurzfaser"-Produkten und
den "Langfaser"-Produkten, können die Querschnittsabmessungen beträchtlich schwanken s was von mehreren Faktoren abhängt.
Bei den "Kurzfaser"-Produkten, die durch Extrudieren von Strähnen gebildet werden, hängt die Querschnittsabmessung
von der Größe der Extrusionsöffnung -ab. Bei den "Langfaser"-Produkten,
die durch Imprägnieren von kontinuierlichen Fadenlängen gebildet werden, hängt die Querschnittsabmessung
von der Gesamtzahl der imprägnierten und zusammengefaßten
Fäden und der Menge des Harzes ab. Es gibt natürlich gewisse praktische Grenzen für die Querschnittsdi^mensionen
der Teile, die auf Verarbeitungsbeschränkungen beruhen. Im allgemeinen erwies es sich höchst zweckmäßig, Stücke mit
nominellen Querschnittsabmessungen im Bereich von ungefähr 1,59 bis 6,35 cm U/16 bis 1/4 inch) zu bilden.
Langgestreckte Körner, die die rostfreien Stahlfasern
in der thermoplastischen Harzmatrix enthalten, werden nach einem der weiter oben beschriebenen Verfahren hergestellt.
Nach der Herstellung der länglichen Körner iv.s rostfreien
Stahlfasern in thermoplastischem Harz, beispielsweise Polycarbonatharz, werden die resultierenden Verbundkörper
dann nach bekannten Verfahren geformt. Die Homogenisierung findet in der Formungsstufe statt.
Die Gewichtsanteile der Komponenten in dem Endgemisch können innerhalb eines Bereiches von gesamter Faserverstärkung
zu Harz von ungefähr 0,5 bis ungefähr 60 % variiert werden, bei einem bevorzugten Bereich von ungefähr
1 bis 8 Gew.-%. Innerhalb dieses Bereiches wird die Wahl des optimalen Anteiles von der Endverwendung oder dem
besonderen angestrebten Ziel abhängen. Für optimale Ergenibsse wurde unter manchen Umständen gefunden, daß ein
Anteil von Faser zu Harz von 1 bis 5 Gew.-% am vorteilhaftesten für elektrostatische Zerstreu-ung und von 1 bis
Gew.-% für EMI/EFI-Abschirraungsanwendungen ist.
Es ist natürlich möglich, gebräuchliche Glasfasern, wie "E"-Glasfasern, in die Zusammensetzung als Streckmittel
einzubringen. In ähnlicher Weise können auch andere gebräuchliche Füllmittel, Pigmente u. dgl. zugesetzt
werden.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Fasern sind Fasern aus rostfreiem Stahl. Diese Fasern sind in
Roving-Form und in zerschnittener (chopped) Form erhältlich. Bei vorliegender Erfindung erwies es sich in der Praxis
als notwendig, rostfreie Stahlfasern in Form von Stapelgarn, Roving oder kontinuierlichen Strähnen einzusetzen.
Die Untersuchungen der Patentinhaberin haben gezeigt,
daß bei Verwendung der rostfreien Stahlfasern in zerschnittener Form keine bemerkenswerte EMI-RFI-Abschirmung
oder elektrische Leitfähigkeit erzielt wird, ohne daß übermäßig große Mengen in der Gr cßenordnung von ungefähr 25 %
eingesetzt werden. Nur wenn die rostfreien Stahlfasern in· Form eines kontinuierlichen Stranges oder Stapelgarns
verwendet werden, erhält man die gewünschte EMI/RFI-Abschirmung und elektrische Leitfähigkeit bei wesentlich
niedrigeren Mengen als es mit dem Kurzfaserprodukt möglich ist. Die niedrigeren Beladungen ermöglichen eine größere
Schlagfestigkeit, Dehnbarkeit und niedrigere Kosten im Vergleich mit den Kurzfaserprodukten.
Thermoplastische Harze können allgemein für die Herstellung des verstärkten Harzproduktes verwendet werden.
Zu diesen Harzen gehören Polyolefine, insbesondere Polypropylen und Copolymere von Äthylen und Propylen;
Polystyrol, Styrol-Acrylonitrilpolymere, ABS-Polymere (Polymere auf der Basis von Acrylonitril-Polybutadien-Styrol);
Polyamide, insbesondere Polyamid 6,6; Polyphenylenoxide; Polyphenylenoxid-Polystyrol-Gemische; Polyphenylensulfide;
Polyacetale; Polysulfone; Polycarbonate; Polyurethane;
Celluloseester; Polyester wie Polyethylenterephthalat;
Polymonochlorstyrol; acrylisches Polymere; Polyvinylchlorid;
Polyvinylidenchloride; Copolymere von Vinylchlorid und
Vinylidenchlorid, verschiedene thermoplastische Elastomere wie solche auf der Basis von Styrol und Butadien oder Äthylen
oder Propylen sowie Gemische beliebiger der vorgenannten Harze.
Bei der Verarbeitung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials
wird das Gemisch in üblicher V7eise einem Einfülltrichter der Spritzgußeinrichtung zugeführt. Dann wird das
Gemisch in der Einrichtung in üblicher Weise unter Temperaturbedingungen, die das Harz schmelzen und fließfähig machen,
verarbeitet.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende
Erfindung, ohne daß ihr Umfang darauf beschränkt seir soll.
Eine Zusammensetzung von langgestreckten Pellets mit einem Gehalt von 5 % rostfreiem Stahlfaserprodukt, hergestellt
durch Vermischen eines mit 30 % Langfasern aus rostfreiem Stahl gefüllten Polycarbonatkornes mit ungefülltem
Polycarbonat im Verhältnis von 1 zu 5, wird in eine Schnecken-Spritzgußmaschine eingebracht. Die Zusammensetzung wird in
der Maschine bei Temperaturen im Bereich von 260 bis 287°C (500 bis 58O°F) verarbeitet und ergibt einen Formling mit
dem erwünschten gleichmäßigen Aussehen und guten physikalischen Eigenschaften.
Zu Vergleichszwecken werden langgestreckte Pellets, die 15 % zerschnittene rostfreie Stahlfasern von 8um Durchmesser
in Polycarbonatharz enthalten, unter identischen Bedingungen verarbeitet und der erhaltene Formling wird
gegenüber dem die kontinuierliche Strähne aus rostfreien Fasern enthaltendem Produkt auf EMI-Abschirmwirksamkeit
getestet. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist in nachstehender Tabelle I angegeben.
Zerschnittene Faser Kontinuierliche
Strähne
Abschirmwirksamkeit bei
1000 MHz - flache Platte dB 1 4C
Zusammensetzungen enthaltend rostfreie Stahlfasern in den in Tabelle II angegebenen Mengen und Formen wurden nach
dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt und geformt. Die erhaltenen Produkte wurden getestetjund die
Ergebnisse der Tests sind in Tabelle II angegeben.
Flache Platte-Äbschixmwirksamkeit bei 1000 MHz, dB
Polvcarbonat enthaltend 5, % 10% 15%
3 mm, 8Mm zerschnittene rostfreie Stahlfasern |
0 | 0 |
8μπι kontinuierliche rostfreie Stahlfasem |
38,5 | 40,5 |
Vergleiche | ||
8 % Glasfasern in Polycarbonat |
0 dB | |
Polycarbonat-Nickel -Anstrich |
55 |
a Pelletlänge 3,175 mm (1/8 ")
b Pelletlänge 9,525 - (3/8" - 1/2")
— 8 ·—
Zusammensetzungen enthaltend rostfreie Stahlfasern
in äen in Tabelle III angegebenen Mengen und Formen wurden wie in Beispiel 1 und 2 hergestellt und geformt. Die
erhaltenen Produkte wurden auf Leitfähigkeit und EMI-Abschirmung getestet und die Ergebnisse sind in Tabelle III
angegeben.
Leitfähigkeit und EMI-Abschirmung von Langfasern und Kurzfasern
Rostfreie Stahlfaser-Formmasse
ABC
Masse-Widerstand einer Platte von
7,62 χ 15,24 χ 0,318 cm
(3 χ 6 χ 0,125 inch), Ohm oo 400
EMI-Abschirmwirksamkeit einer Platte
15,24 χ 15,24 χ 0,318 cm (6 χ 6 χ 0,125
inch), db bei 1000 MHz 10 20
Erläuterung:
A - Polycarbonat enthaltend 5 Gew.-% zerschnittene rostfreie Stahlfasern, 4 μπι, 6mm, willkürlich verteilt
in 6,35 mm (1/4 inch) langen Pellets
B - Polycarbonat enthaltend 5 Gew.-% kontinuierliche rostfreie Stahlfasern, 8 μπι, imprägniert in 6,35 mm (1/4"inch)
langen Pellets.
C - Polycarbonat enthaltend 5 Gew.-% kontinuierliche rostfreie Stahlfasern, 8 μπι, imprägniert in 9,525 mm (3/8 inch)
langen Pellets
20 - Unendlich bedeutet offener Stromkreis, d.h. keine
Leitfähigkeit.
Claims (8)
1. Faserverstärkte thermoplastische Harzzusammensetzung,' dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem thermoplastischen
Harz mit einer darin eingebetteten Faserkomponente aus kontinuierlichen Strähnen von Fasern aus rostfreiem Stahl
besteht.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserkomponente und die Harzkomponente innerhalb
eines Bereiches von Faser zu Harz von ungefähr 0,5 % bis ungefähr 60 % vorliegen.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich von Faser zu Harz ungefähr 1,0 % bis ungefähr
8,0 % beträgt.
4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Harz aus der folgenden Gruppe
ausgewählt ist Polyolefine, Polystyrol, StyrDl-Acrylonitril-Polymere,
Acrylonitril-Polybutadien-Styrol, Polyamid^ Polyphenylensulfide,- Polyacetale, Polysulfone, Polycarbonate,
Polyurethane, Celluloseester, Polyester, acrylische Polymere, Polyvinylchlorid^ Polyvinylidenchlorid^ Copolymere von
Vinylchlorid und Vinylidenchlorid, Polyphenylenoxide Pclyphenylenoxid-PoIystyrol-Gemische und Gemische von
.beliebigen der vorgenannten Harze.
5. Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Polycarbonatharz ist.
6. Geformte Produkte, abgeleitet von einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1.
- 10 -
S^v>^s ;VV ■;·
ίί1"νί>5;
7. Geformte Produkte gemäß Anspruch 6, wenn nach einem Spritzgußverfahren
geformt.
8. Geformter Gegenstand bestehend aus einer polymeren Matrix und einer Faserverstärkung aus kontinuierlichen
Strähnen von rostfreien Stahlfasern.
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