DE4024268C2

DE4024268C2 -

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Publication number: DE4024268C2
Application number: DE19904024268
Authority: DE
Inventors: Christoph 2000 Hamburg De Tegethoff; Georg 2100 Hamburg De Schlicke
Original assignee: Lehmann & Voss & Co 2000 Hamburg De
Current assignee: SCHLICKE, GEORG, 21079 HAMBURG, DE TEGETHOFF, CHRI
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-08-06
Also published as: DE4024268A1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitfähiges Kunststoff element auf der Basis von thermoplastischen oder duroplasti schen Polymeren oder Polymerenmischungen sowie seine Verwen dung.

Kunststoffelemente mit einer gewissen elektrischen Leitfähig keit sind bereits bekannt. Sie erhalten diese charakteristi sche Eigenschaft durch möglichst homogen in der Polymer matrix verteilte leitfähige Zusatzstoffe, wie z. B. Graphit- und/oder Rußteilchen und/oder Kohlenstoff- oder Graphit fasern.

So wird in der DE-AS 20 22 848 die Herstellung von elek trisch leitfähigen Kunststoffen beschrieben, bei der 5 bis 30 Gew.-% Graphitpulver mit einem mit ungesättigten Poly estern copolymerisierbaren Monomeren, wie Styrol, Acryl nitril oder Methylmethacrylat, angefeuchtet werden und die erhaltene Mischung dann in ein ungesättigtes Polyesterharz eingemischt und das Gemisch ausgehärtet wird. Produkte mit einem Gehalt von 20 bis 25 Gew.-% Graphit werden als gut leitfähig bezeichnet, während niedrigere Gehalte an Graphit den polymeren Formkörpern lediglich antistatische Eigen schaften zu verleihen vermögen. Aus den Beispielen geht hervor, daß solche Produkte einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10³ bis 10⁷ Ωcm haben.

Um die elektrische Leitfähigkeit von thermoplastischen Mas sen weiter zu erhöhen, hat man den Gehalt an elektrisch leitfähigen Zusatzstoffen, z. B. Ruß, entsprechend erhöht. Dabei hat sich gezeigt, daß z. B. hohe Rußbeladungen die mechanischen Eigenschaften, z. B. die Bruchdehnung oder Span nungsbruchfestigkeit, der Polymerprodukte verschlechtern und insbesondere bei tiefen Temperaturen zu einer verstärkten Versprödung des Materials führen. Um diese Nachteile zu vermeiden und eine annehmbare elektrische Leitfähigkeit auch mit niedrigeren Gehalten an z. B. Ruß zu erzielen, wird in DE-PS 23 45 303 vorgeschlagen, eine leitende polymere Zusam mensetzung mit einem Rußgehalt von nicht mehr als 15 Gew.-% einer längeren Wärmebehandlung bei wenigstens 120°C zu unter werfen.

In der DE-OS 35 10 959 werden elektrisch leitfähige Kunst stoffe mit eingelagertem leitfähigem Ruß oder Graphit in einer Menge von 5 bis 25 Gew.-%, dem auch Metalle zudotiert werden können, beschrieben, wobei ein zusätzlicher Anteil von 3 bis 15 Gew.-% an Glasfasern oder Kohlenstoffasern dem Produkt die gewünschte Bruchfestigkeit und Formstabilität verleihen soll.

Aus DE-PS 35 24 631 ist ein polymeres elektrisches Verbund heizelement bekannt, das aus einem Vinylidenfluorid-Tri fluorethylen-Copolymeren mit 5 bis 15 Gew.-% elektrisch leitendem Kohlenstoff besteht, wobei auch Gemische von elek trisch leitendem Kohlenstoff und Graphit oder von elektrisch leitendem Kohlenstoff und Kohlenstoffasern vorgeschlagen wer den. Es wird angegeben, daß Mengen des kohlenstoffhaltigen Materials unter 3 Gew.-% zu einer Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit des Heizelements führen.

Ferner kann man elektrisch leitende Polymermassen dadurch erhalten, daß man feinteilige Metallpulver in einer Kunst stoffmatrix dispergiert, wie dies in der DE-PS 27 55 077 erwähnt wird.

Die EP 01 56 390 B1 beschreibt eine elektrisch leitfähige Zusammensetzung aus 10 Gew.-Teilen eines Kunstharzes und/oder Kautschuks und 5 bis 100 Gew.-Teilen Ruß hoher Leitfähigkeit mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 0,3 Ω×cm sowie 1 bis 100 Gew.-Teilen Kohlenstoffasern. Hierbei wird besonderer Wert auf die Ver wendung eines in spezifischer Weise hergestellten Acetylen rußes von besonders hoher elektrischer Leitfähigkeit gelegt.

Aus DE 36 10 388 A1 sind stabile Elektroden für elektrolyti sche Zwecke auf der Basis thermoplastischer makromolekularer Werkstoffe bekannt, die eine Mischung aus einem nichtmetalli schen, elektrisch leitfähigen Stoff, nämlich Leitruß, und einem weiteren leitfähigen Zusatz, z. B., Ruße mit geringerer Leitfähigkeit, Graphit und Kohlefasern, enthalten. Die leit fähigen Zusätze werden in Konzentrationen von 3 bis 75% mit dem makromolekularen Werkstoff vermischt.

Aus FR-PS 25 74 803 ist ein thermoplastisches Material mit elektrischer Leitfähigkeit bekannt, das 30 bis 50 Gew.-% Ruß und 0 bis 10 Gew.-% Kohlenstoffasern enthalten kann. Ferner ist aus Patent Abstracts of Japan C-726, Vol. 14/No. 265 vom 08. 06. 1990 eine elektrisch leitfähige thermoplasti sche Zusammensetzung bekannt, die 5 bis 20 Gew.-% Ruß oder Graphit und 1 bis 40 Gew.-% Kohlenstoffasern oder 0,5 bis 5 Gew.-% elektrisch leitfähigen Ruß und 1 bis 30 Gew.-% Kohlenstoffasern enthält.

Die elektrische Leitfähigkeit solcher Polymerzusammensetzun gen wird u. a. von der Art und der Konzentration der elek trisch leitfähigen Füllstoffe und der Art und Zusammenset zung der Kunststoffmatrix bestimmt. Bei gleicher Kunststoff matrix hängt die elektrische Leitfähigkeit wesentlich vom Füllgrad des elektrisch leitfähigen Füllstoffes ab; erst wenn ein bestimmter, experimentell ermittelbarer Füllgrad, die sog. Perkolationsgrenze, erreicht und überschritten wird, sind die Bedingungen für eine durchgehende elektrische Leitfähigkeit in dem betreffenden Polymerverbund erfüllt. Dies zeigt sich darin, daß die elektrische Leitfähigkeit in dem Polymersystem sprunghaft ansteigt. Der erreichbare obere Grenzwert der elektrischen Leitfähigkeit des Polymersystems ist von der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Füllstoffes und seiner maximalen Konzentration, bei der sich das Polymersystem noch verarbeiten läßt, ab hängig.

Wie aus dem vorstehend zitierten Stand der Technik hervor geht, ist zur Erzielung einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit in dem jeweiligen Polymersystem ein relativ hoher Zusatz von etwa 10 bis 40 Gew.-% des oder der bekannten elektrisch leitfähigen Füllstoffe in möglichst homogener Verteilung in der Kunststoffmatrix erforderlich. Wie bereits ausgeführt, birgt ein hoher Anteil an Füllstoffen in der Kunststoffmatrix stets die Gefahr einer Beeinträchtigung der chemischen und mechanischen Eigenschaften des resultie renden Kunststoffmaterials in sich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei Polymerverbundmaterialien mit hohem Füllstoffanteil große Schwierigkeiten bei der Verarbeitung, insbesondere bei der Homogenisierung der Mischung, auftreten können, woraus sich unerwünschte Schwankungen in der Quali tät der resultierenden Endprodukte ergeben. Der Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Polymersystemen der vorge nannten Art sind daher verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kunststoffelement auf der Basis von thermoplastischen oder duroplastischen Polymeren oder Polymerenmischungen mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit zu schaffen, wobei diese Leitfähigkeit mit einer relativ geringen Konzentration an elektrisch leitfähigen Füllstoffen erreicht werden soll, so daß das Kunststoffelement mit herkömmlichen Verarbeitungs verfahren, wie z. B. der Extrusions- oder Spritzgußtechnik, ohne Schwierigkeiten herstellbar ist. Dabei soll die elektri sche Leitfähigkeit in einem relativ weiten Bereich einge stellt werden können, ohne daß dies zu einer merklichen Beeinträchtigung der Verarbeitbarkeit der Kunststoffmischun gen und der mechanischen Eigenschaften der resultierenden Kunststoffelemente führt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Es wurde überraschend gefunden, daß die elektrische Leit fähigkeit eines Kunststoffelements der vorbezeichneten Art dadurch erheblich gesteigert werden kann, daß ein elektrisch leitfähiger Füllstoff aus Ruß und/oder Graphitpulver oder Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern als Perkolationssystem in einer Menge, die einem Gehalt dieser Füllstoffe von jeweils 5 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, in dem Kunstoffelement entspricht, mit 0,4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Polymermatrix, Metallfasern und/oder metallisierten Kohlenstoffasern kombi niert wird, wobei die Konzentration dieser letztgenannten Komponenten deutlich unterhalb der Mindestkonzentration liegt, die für die Erreichung der Perkolationsgrenze für diesen bzw. diese zusätzlichen Füllstoffe erforderlich ist. Mit dieser erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kombination elek trisch leitfähiger Füllstoffe in den angegebenen Mengenver hältnissen wird ein Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit des Kunststoffelements erzielt, der erheblich größer ist, als die Summe der Wirkungen der Einzelkomponenten erwarten läßt. Eine solche synergistisch verstärkte Wirkung der erfin dungsgemäß kombinierten Füllstoffe war auch bei genauer Kenntnis des vorbekannten Standes der Technik von einem Fachmann nicht vorhersehbar.

Ein weiterer überraschender Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination von elektrisch leitfähigen Füllstoffen liegt darin, daß die derart ausgerüsteten Kunststoffelemente in einem weiten Temperaturbereich, der mindestens von -40°C bis +40°C reicht, eine praktisch konstante elektrische Leit fähigkeit aufweisen. Eine solche in bestimmten Bereichen vorhandene Temperaturunabhängigkeit der elektrischen Leit fähigkeiten von Kunststoffelementen ist von großer prakti scher Bedeutung, da ein erfindungsgemäßes Kunststoffelement auch bei lang anhaltender Beanspruchung seine elektrische Leitfähigkeit praktisch konstant beibehält. Im Unterschied dazu weisen Kunststoffelemente mit bekannten Kombinationen aus z. B. Ruß und Kohlenstoffasern eine starke Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur auf.

Der Vorteil einer solchen erfindungsgemäßen Kombination liegt auf der Hand. Um eine gewünschte gute elektrische Leitfähigkeit einer ausgewählten Polymermasse zu erreichen, muß nicht mehr wie bisher die Konzentration des elektrisch leitfähigen Füllstoffes bis zur Grenze der Verarbeitbarkeit der Polymermasse erhöht werden, sondern zur Erzielung der gleichen Wirkung reicht es nunmehr aus, geringe Mengen eines zweiten und gegebenenfalls dritten elektrisch leitfähi gen Zusatzes zu dem als Perkolationssystem vorhandenen elek trisch leitfähigen Kohlenstoff in Form von Ruß und/oder Graphitpulver oder Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern zuzu geben entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung, wie sie sich im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs darstellt. Danach lassen sich erfindungsgemäß folgende in Tabelle I zusammengestellte elektrisch leitfähige Füllstoff kombinationen in einer Polymermatrix bilden:

Tabelle I

Für den erfindungsgemäßen Zweck sind als Polymermatrix so wohl thermoplastische als auch duroplastische Polymere oder Polymerenmischungen geeignet, und zwar insbesondere solche, die in einem Temperaturbereich von 130 bis 380°C, vorzugswei se von 150 bis 350°C, schmelzen. Bevorzugt anwendbare Thermo plaste sind Polyolefine, insbesondere Hochdruckpolyethylen und Polypropylen mit hoher Kristallinität sowie Ethylen-Pro pylen-Copolymerisate, ferner Polyamide, Polyester, insbeson dere Polybutylenterephthalat (PBTP), Polycarbonate, Poly phenylensulfide (PPS), lineare Polyurethane (TPU), aromati sche Polyether, Polyetherketone und Polyethersulfone. Als Duroplaste werden ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze), Phenoplaste und vernetzbare Polyurethane bevorzugt angewen det.

Bei den in der Polymermatrix homogen verteilten elektrisch leitfähigen Zusatzstoffen unterscheidet man erfindungsgemäß diejenigen, die in einer solchen Menge in der Polymermatrix vorliegen, daß die Perkolationsgrenze der leitfähigen Teil chen in der Polymermatrix mindestens erreicht oder gerade überschritten wird, von denjenigen, die in einer erheblich geringeren Menge vorliegen als die das Perkolationssystem bildenden Zusatzstoffe. Für ein perkoliertes elektrisch leit fähiges Grundsystem werden in einer Menge, die einem Gehalt von 5 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse des elektrisch leitfähigen Kunststoffelements, entspricht, folgende Zusatzstoffe angewendet:

1. Elektrisch leitfähiger Ruß, vorzugsweise jeweils mit einer spezifischen Oberfläche im Bereich von 120 bis 1600 m²/g (BET/N₂). Besonders bevorzugt sind die folgenden Rußtypen:
- a) Ruß mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberfläche von 120 m²/g in einer Menge von 20 bis 25 Gew.-%;
- b) Ruß mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberfläche von 500 m²/g in einer Menge von 15 bis 20 Gew.-%;
- c) Ruß mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberflä che von etwa 900 m²/g in einer Menge von 10 bis 15 Gew.-%;
- d) Ruß mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberflä che von etwa 1200 m²/g in einer Menge von 5 bis 10 Gew.-%, wobei die Gewichtsprozente jeweils bezogen sind auf das Gewicht der Gesamtmasse.
2. Elektrisch leitfähiges Graphitpulver mit einer durch schnittlichen spezifischen Oberfläche von 6 bis 20 m²/g (BET/N₂), einer mittleren Teilchengröße von 5 bis 40 µm und einer Dichte von 2,2 bis 2,3 g/ml.
3. Elektrisch leitfähige Kohlenstoff- und/oder Graphit fasern, bevorzugt mit einem Faserdurchmesser von 5 bis 15 µm und mit einer durchschnittlichen Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 9 mm. Besonders bevorzugt werden aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellte Kohlen stoff- bzw. Graphitfasern mit einer Dichte von 1,7 bis 1,9 g/ml angewendet.

Wie bereits erwähnt, liegt bei Ruß und/oder Graphitpulver als Perkolationssystem liegt der Gehalt im Bereich von 5 bis 25 Gew.-%, besonders bevorzugt von 10 bis 15 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse. Werden Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern als Perkolationssystem angewendet, dann liegt der Gehalt bevorzugt im Bereich von 5 bis 25 Gew.-%, bevorzugt bei 8 bis 20 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse.

Diejenigen der vorbezeichneten elektrisch leitfähigen Zusatz stoffe, die nicht das erforderliche perkolierte Grundsystem bilden, können in entsprechend geringerer Menge als synergi stisch wirkende Komponente verwendet werden. Bildet leitfähi ger Ruß und/oder Graphitpulver das Perkolationssystem, so liegen als synergistisch wirkende Komponenten 0,4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, Metall fasern und/oder metallisierte Kohlenstoffasern, gegebenen falls zusammen mit Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern in einer Menge von 0 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise von 0 bis 2,5 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt in einer Menge von 0,05 bis 2,0 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht der Gesamt masse, vor. Bilden hingegen elektrisch leitfähige Kohlen stoff- und/oder Graphitfasern das Perkolationssystem, so werden 0,4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, Metallfasern und/oder metallisierte Kohlenstoffasern, gegebenenfalls zusammen mit Ruß und/oder Graphitpul ver in einer Menge von 0 bis 4 Gew.-%, bevorzugt von 0 bis 3 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,05 bis 2,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, als synergistisch wirkende Komponente eingesetzt.

Die Metallfasern haben vorzugsweise einen Faserdurchmesser von 5 bis 30 µm und eine durchschnittliche Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 9 mm. Die metallisierten Kohlen stoffasern weisen bevorzugt einen Faserdurchmesser von 6 bis 10 µm und eine durchschnittliche Faserlänge des Aus gangsmaterials von 3 bis 6 mm auf, wobei die Schichtdicke des aufgebrachten Metalls etwa 0,5 µm beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Me tallfasern aus einem korrosionsbeständigen Metall, besonders bevorzugt aus Edelstahl. Die metallisierten Kohlenstoffasern bestehen vorzugsweise aus elektrolytisch vernickelten oder versilberten Kohlenstoffasern.

Das erfindungsgemäße Kunststoffelement kann daneben weitere, nicht elektrisch leitfähige Zusatzstoffe enthalten, die bei spielsweise der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffelementes dienen. So können z. B. mechanisch verstärkende Zusatzstoffe zur Erzielung bestimmter Festigkei ten in dem Kunststoffelement in Form von Glasfasern, bei spielsweise mit einer durchschnittlichen Faserlänge des Aus gangsmaterials von 3 bis 6 mm und einem Faserdurchmesser von 5 bis 15 µm, oder Glaskugeln, z. B. mit einem mittleren Durchmesser von 5 bis 50 µm, oder Glassplitter, z. B. mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 400 µm, eingesetzt werden, ferner mineralische Füllstoffe, z. B. Carbonate, ins besondere Calciumcarbonat, Silicate, Kieselerde oder Barium sulfat u. dgl. Diese Zusatzstoffe werden in den üblichen Konzentrationen, beispielsweise die Glasfasern, Glaskugeln und mineralischen Füllstoffe in Mengen bis zu 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, eingesetzt. Sie haben in diesen Mengen keinen oder nur einen geringen Einfluß auf die elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemä ßen Kunststoffelemente.

In der nachfolgenden Tabelle II sind die Ergebnisse von elektrischen Leitfähigkeitsmessungen mit verschiedenen elek trisch leitfähigen Zusatzstoffen einzeln und in Kombination miteinander in unterschiedlichen Mengen zusammengestellt, wobei die Beispiele unter den Nr. 1 bis 7 den Stand der Technik zum Vergleich wiedergeben, während unter den Nr. 8 bis 10 erfindungsgemäße Kombinationen untersucht werden.

Tabelle II

Elektrische Leitfähigkeit von Polypropylenmatrizen, mit Ruß als perkoliertem System + verschiedenen elektrisch leitfähigen Füllstoffzusätzen + 15 bis 20 Gew.-% Glasfasern bei 23°C und 50% r. F.

Wie aus Tabelle II ersichtlich, wird die elektrische Leit fähigkeit durch die unter Nr. 8 bis 10 angegebenen erfin dungsgemäßen Kombinationen elektrisch leitfähiger Zusatzstoffe durch einen synergistischen Effekt kräftig erhöht, so daß im Vergleich zu bekannten Zusatzstoffen oder Zusatzstoff kombinationen, die unter Nr. 1 bis 7 angegeben sind, eine gleich gute elektrische Leitfähigkeit bei geringerem Mengen gleich gute elektrische Leitfähigkeit bei geringerem Mengen einsatz oder bei etwa gleichem Mengeneinsatz eine erhebliche Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit erreicht wird, was insbesondere bei einem Vergleich der Ergebnisse von Nr. 5 mit Nr. 9 und von Nr. 6 mit Nr. 10 eindrucksvoll bestätigt wird.

In Tabelle III sind für ein Perkolationssystem aus Kohlen stoffasern in einer Polyamid-6-Matrix mit verschiedenen elek trisch leitfähigen Zusätzen die Ergebnisse der elektrischen Leitfähigkeitsmessungen zusammengestellt, wobei unter den Nr. 1 bis 6 Vergleichsversuche nach dem Stand der Technik und unter Nr. 7 ein Versuch mit einer erfindungsgemäßen Kombination aus Kohlenstoffasern und Stahlfasern angegeben sind. Es zeigt sich auch hier ein überlegener synergisti scher Effekt bei der unter Nr. 7 eingesetzten erfindungsgemä ßen Kombination.

Tabelle III

Elektrische Leitfähigkeit von Polyamid-6-Matrizen mit Kohlenstoffasern als perkoliertem System + verschiedenen elektrisch leitfähigen Füllstoffzusätzen + Zusatz von Glasfasern bis zum Gesamtfasergehalt von 12,5 Gew.-% bei 23°C und 50% r. F.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Kunststoffelemente kann nach herkömmlichen Verfahren erfolgen, wie sie bei der Verarbeitung von thermoplastischen und duroplastischen Werk stoffen gebräuchlich und bekannt sind. Die Ausgangsmate rialien, aus denen die jeweilige Polymermatrix hergestellt werden soll, liegen gewöhnlich in Form von Granulaten, Pulvern oder Fasern vor. Sie werden zunächst zusammen mit den elektrisch leitfähigen und gegebenenfalls auch nicht leitfähigen Zusatzstoffen mechanisch vermischt und dann in Extrudern, Knetern, Mischwalzwerken und anderen geeigneten Plastifikatoren thermisch-mechanisch behandelt, wobei die schmelzbaren Bestandteile geschmolzen und die nicht schmelz baren Bestandteile, insbesondere die elektrisch leitfähigen Zusatzstoffe, in der Schmelze homogen verteilt werden. Dabei werden diese Zusatzstoffe z. T. simultan weiter zerkleinert, beispielsweise können eventuell zugegebene Fasermaterialien durch die Behandlung zu kürzerfaserigen Produkten zerklei nert werden.

Die resultierende Formmasse kann in verschiedener Weise aus der plastifizierenden Vorrichtung ausgetragen werden, z. B. bei einer Strangextrusion als Strang, der zu einem Zylinder granulat der gewünschten Korngröße geschnitten wird, oder bei einer Profilextrusion als Stange mit dem gewünschten Profil, die in vorbestimmten Längen geschnitten werden kann, oder als ungeformte, erstarrte Schmelze, die in geeigneten Vorrichtungen, wie Profilwalzen oder Schneidwalzen, direkt zu Granulaten vermahlen werden kann. Die erhaltenen Granula te werden dann zur Herstellung von Formteilen bzw. Werk stücken in bekannter Weise, z. B. durch Spritzgießen oder Spritzpressen in die gewünschten Formen, weiterverarbeitet, aus denen die Formteile nach dem Abkühlen und Erstarren bzw. nach dem Aushärten ausgestoßen werden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, ohne den Umweg über die Herstellung von Granulaten die erhitzten plastischen Formmassen direkt mit hoher Geschwindigkeit und unter Druck in geschlossene Formen zu spritzgießen oder zu spritzpres sen, die gebildeten Formteile oder Werkstücke im Falle von Thermoplasten dann bis zur Erstarrung abkühlen zu lassen oder im Falle von Duroplasten durch Temperatureinwirkung erst vernetzen zu lassen, worauf die Formteile oder Werk stücke entformt werden. Diese Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.

Der Einsatz der erfindungsgemäß synergistisch wirkenden Kom binationen bestimmter elektrisch leitfähiger Füllstoffe be wirkt in den Kunststoffelementen eine überraschend große Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit und ermöglicht durch die Zugabe der elektrisch leitfähigen Füllstoffe in dosierten Mengenverhältnissen eine Einstellung der elektri schen Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Kunststoffelements in einem weiten Bereich, ohne daß hierdurch die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffelements beeinträchtigt werden.

Die erfindungsgemäßen Kombinationen von elektrisch leitfähi gen Füllstoffen weisen außer der gezeigten überraschenden synergistischen Wirkung auch einen vorteilhaften stabilisie renden Effekt auf, der sich bei perkolierten Systemen aus Ruß/Graphitpulver darin äußert, daß ein Absinken der elektri schen Leitfähigkeit, die bei ausschließlicher Verwendung von z. B. Ruß nach einer gewissen Beanspruchungsdauer stets zu beobachten ist, durch die erfindungsgemäße Kombination mit 0,4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamt masse, Metallfasern oder metallisierten Kohlenstoffasern, gegebenenfalls zusammen mit 0 bis 5 Gew.-% Kohlenstoffasern und/oder Graphitfasern, vollständig aufgehoben wird, so daß ein erfindungsgemäßes Kunststoffelement auch bei lang anhal tender Beanspruchung seine elektrische Leitfähigkeit prak tisch konstant beibehält. Bei perkolierten Systemen aus Kohlenstoffasern ist hingegen bekannt, daß ihr elektrischer Widerstand unter Stromlast mit steigender Temperatur sinkt, und zwar in einem solchen Maße, daß es zu einer Selbstzerstö rung des betreffenden Produktes kommen kann. Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Kombination von Kohlenstoffasern als perkoliertem System mit 0,4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, Metallfasern oder metallisierten Kohlenstoffasern, gegebenenfalls zusammen mit 0 bis 4 Gew.-% Ruß und/oder Graphitpulver, erreicht man unter Stromlast eine Stabilisierung des elektrischen Widerstandes bei höhe ren Temperaturen bis zur oberen Gebrauchstemperatur des Polymeren in einem solchen Maße, daß die Gefahr einer Selbstzerstörung vollständig beseitigt wird. Diese Vorteile sind insofern von großer Wichtigkeit, als sie die Gebrauchs fähigkeit des erfindungsgemäßen Kunststoffelements enorm steigern.

Dementsprechend zeigt das erfindungsgemäße Kunststoffelement in weiten Bereichen eine nur geringe Abhängigkeit des elek trischen Widerstandes von der Temperatur, d. h. sehr kleine Temperaturleitwerte α, wobei im Temperaturbereich zwischen -40°C und +40°C der elektrische Widerstand praktisch tempera turunabhängig ist, eine deutlich verbesserte Heizenergie verteilung, was von großem Vorteil bei der Verwendung als Heizelement ist und bedeutet, daß sich bei gleicher Lei stungsaufnahme die Temperatur in den Strompfaden des Kunst stoffelements reduzieren läßt. Dies hat eine verringerte thermische Belastung der Polymermatrix zur Folge, da keine örtlichen Überhitzungen im Bereich der Leitfähigkeits zusätze auftreten. Gleichzeitig wird hierdurch eine erhebli che Verbesserung der Langzeitstabilität des erfindungsge mäßen Kunststoffelements sowohl hinsichtlich seiner Heizlei stung als auch seiner mechanischen Eigenschaften erreicht.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kunststoff elements besteht darin, daß sich durch eine dosierte Zugabe der synergistisch wirkenden Kombinationen elektrisch leitfä higer Zusatzstoffe der Widerstands-Temperatur-Koeffizient in weiten Bereichen variieren läßt und insbesondere durch die Verwendung von Metallfasern bzw. metallisierten Kohlenstof fasern kleine Widerstands-Temperatur-Koeffizienten über den gesamten Einsatztemperaturbereich erreicht werden können, und zwar selbst bei sehr niedrigen Temperaturwerten, z. B. bei -15 bis -40°C.

Aufgrund der vorerwähnten Vorteile läßt sich das erfindungs gemäße Kunststoffelement auf den verschiedensten technischen Gebieten überall dort einsetzen, wo elektrisch leitfähige Bauelemente gebraucht werden. Besonders hervorgehoben werden in diesem Zusammenhang die Verwendungen des Kunststoffele ments als Heizelement, z. B. zur Beheizung von flächigen Gebilden, wie Matten, Flüssigkeitsbehälter, Außenspiegel bei Kraftfahrzeugen sowie Scheiben- oder Scheinwerferwaschanla gen u. dgl., und als elektronische Bauelemente, beispiels weise im Bereich der Fahrzeug- und Flugtechnik.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen weiter erläutert. Wenn nichts anderes angegeben, sind die Prozent angaben Gewichtsprozente, bezogen auf das Gewicht der Gesamt masse.

Beispiel 1

Ein elektrisch leitfähiges Kunststoffelement gemäß der Erfin dung mit einer Polypropylenmatrix wurde wie folgt herge stellt: Zunächst wurde eine Mischung aus
65,45% isotaktischem Polypropylen (Homopolymer) in Granulat form,
14,00% Kurzschnittglasfasern mit einem Faserdurchmesser von 5 bis 15 µm und einer Faserlänge des Einsatzmate rials von 3 bis 6 mm,
9,85% Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von 950 m²/g (BET/N₂),
5,30% Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von 5 bis 15 µm, einer Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 6 mm und mit einem Gehalt von 25% Bindemittel,
4,00% Kohlenstoffasern, gewonnen aus Polyacrylnitril (PAN), mit einem Faserdurchmesser von 6 bis 9 µm und einer Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 6 mm sowie
1,40% Stabilisatoren und Kopplungsmittel,
in einem Flügelmischer homogen gemischt und durch Strang extrusion zu Granulaten verarbeitet. Das erhaltene Granulat wurde mittels Spritzguß zu stangenförmigen Probekörpern mit den Abmessungen 85 mm × 10 mm × 4 mm verarbeitet. Die spritzgegossenen Probekörper wurden mit zwei Durchgangsboh rungen (Durchmesser 5,5 mm) im Abstand von 33 mm für die Aufnahme von Klemmen in Form von Schraubverbindungen und zusätzlich in der Mitte zwischen diesen beiden Bohrungen mit einer weiteren, 2 mm tiefen Bohrung (Durchmesser 1 mm) für die Aufnahme eines Thermoelements versehen. Die Innenflä chen der Bohrungen wurden mit Silberleitlack beschichtet. Die Klemmen wurden mit einer Gleichspannungsquelle verbun den, wobei ein Amperemeter und ein Voltmeter zwischengeschal tet waren.

Die Meßspannung zwischen den Klemmen betrug 3 Volt, der Abstand zwischen den Klemmen war mit 33 mm gleich dem Abstand der Durchgangsbohrungen. Die Stromstärke I wurde gemessen. Die vom elektrischen Strom durchflossene Quer schnittsfläche entsprach aufgrund der gewählten Versuchsan ordnung der gesamten bekannten Querschnittsfläche des Probe körpers. Aus den bekannten Abmessungen des Probekörpers und der gemessenen elektrischen Spannung und Stromstärke wurde der spezifische Durchgangswiderstand ρ_D = R_D · A/l bei den eingestellten Temperaturen +23°C und -40°C ermittelt, wobei R_D den Durchgangswiderstand (Ω), A die Querschnittsfläche des Probekörpers (cm²) und l den Klemmenabstand (3,3 cm) bedeuten. Bei 23°C betrug die relative Luftfeuchtigkeit (r. F.) 50%. Die bei Spannungsbelastung auftretende Tempera tur wurde mit einem Thermoelement gemessen, das in die 2 mm tiefe Bohrung zwischen den beiden Durchgangsbohrungen des Probekörpers eingeführt wurde und dessen Zuleitungen am Probekörper befestigt waren.

Es ergaben sich folgende spezifischen Durchgangswiderstände:

ρ_23°C = 0,735 Ωcm; ρ_-40°C = 0,727 Ωcm.

Daraus ergeben sich die entsprechenden elektrischen Leitfä higkeiten.

_23°C = 1360 mS/cm; _-40°C = 1375 mS/cm.

Aus den ermittelten spezifischen Widerstandswerten ρ bei 23°C und -40°C läßt sich der Temperaturbeiwert α₁ des Probekörpers aus der Formel

errechnen. Man erhält α₁ = 1,727 · 10^-4.

Zum Vergleich wurde ein Kunststoffelement mit 20 Gew.-% Kohlenstoffasern und einer Polyamid-6-Matrix denselben Prü fungen bei 23°C und -40°C unterzogen. Für dieses Material ergaben sich folgende Werte:

ρ_23°C = 0,58 Ωcm; ρ_-40°C = 0,43 Ωcm; α₂ = 4,11 × 10^-3.

Ein Vergleich zwischen α₁ und α₂ zeigt, daß der Temperatur beiwert α₁ des erfindungsgemäßen Materials um mehr als eine Zehnerpotenz kleiner ist als der Temperaturbeiwert α₂ für das bekannte Vergleichsmaterial, was bedeutet, daß das erfin dungsgemäße Kunststoffelement in dem gemessenen Temperaturbe reich eine praktisch konstante elektrische Leitfähigkeit aufweist, während das Vergleichsmaterial in diesem Tempera turbereich eine deutliche Zunahme der elektrischen Leitfähig keit zeigt.

Beispiel 2

Die Zusammensetzung der Mischung dieses Beispiels unterschei det sich von der des Beispiels 1 nur dadurch, daß anstelle der Kurzschnittglasfasern 14 Gew.-% Mikroglaskugeln mit einem Durchmesser von weniger als 50 µm eingesetzt wurden.

Die Temperatur-Widerstandsmessungen erfolgten wie in Bei spiel 1 bei -40°C Umgebungstemperatur. Der Probekörper, der die gleichen Abmessungen wie der in Beispiel 1 hatte, wurde einem 250 Stunden dauernden Wechseltest unterzogen, bei dem jeweils 30 Minuten Belastung mit einer Spannung von 4,5 Volt und 30 Minuten ohne Belastung abwechselten. Die Tempera tur blieb über die gesamte Versuchsdauer konstant bei 72±3°C, eine Änderung des spezifischen Durchgangswiderstandes war während dieser Zeit nicht festzustellen.

Als Vergleichsmaterial wurde wiederum eine Polyamid-6-Matrix mit 20 Gew.-% Kohlenstoffasern gewählt. Der Wechseltest wurde unter den gleichen Temperaturbedingungen an dem Ver gleichsmaterial mit einer Spannung von 3 Volt durchgeführt, wobei der Test nach 40 Stunden abgebrochen werden mußte, da die Temperatur bereits von anfänglich 73°C auf 97,4°C ange stiegen und der Widerstand um 30% abgesunken war.

Ein ähnliches Verhalten sowohl des erfindungsgemäßen Mate rials als auch des Vergleichsmaterials wurde bei Raumtempera tur (23°C) festgestellt. Das erfindungsgemäße Material zeig te bei den Wechseltests keine Änderung von Temperatur und Widerstand, während das Vergleichsmaterial bereits nach 3 Wechselzyklen einen Temperaturanstieg von 8°C und eine Wider standsänderung von 26% aufwies.

Beispiel 3

Es wurden elektrisch leitfähige Kunststoffelemente in der in Beispiel 1 angegebenen Weise mit den folgenden Zusammen setzungen hergestellt, wobei die einzelnen Bestandteile die gleichen Eigenschaften aufwiesen, wie in Beispiel 1 beschrie ben.

Formmasse 1 (Vergleichsmaterial):

69,05% isotaktisches Polypropylen
20,00% Kurzschnittglasfasern
9,45% Ruß
1,5% Stabilisatoren und Kopplungsmittel

Formmasse 2 (Vergleichsmaterial):

69,20% isotaktisches Polypropylen
19,85% Kurzschnittglasfasern
9,45% Ruß
0,1% Kohlenstoffasern (aus PAN)
1,4% Stabilisatoren und Kopplungsmittel

Formmasse 3 (gemäß Erfindung):

68,70% isotaktisches Polypropylen
19,85% Kurzschnittglasfasern
9,45% Ruß
0,1% Kohlenstoffasern (aus PAN)
0,45% Edelstahlfasern
1,45% Stabilisatoren und Kopplungsmittel

Diese Formmassen wurden mit der in Beispiel 1 beschriebenen Versuchsanordnung untersucht. Es wurden die in der folgenden Tabelle zusammengestellten Meßergebnisse erhalten:

Die Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäße Formmasse 3, die sich von der Formmasse 1 und der Formmasse 2 in ihrer Zusammensetzung lediglich dadurch unterscheidet, daß zusätzlich zu den 9,45% Ruß (Formmasse 1 und 2) und 0,1% Kohlenstoffasern (Formmasse 2) noch 0,45% Edelstahlfasern in der Formmasse 3 enthalten sind, eine gegenüber den Vergleichsformmassen 1 und 2 deutlich gesteigerte elektrische Leitfähigkeit aufweist. Der geringe Zusatz von 0,45% Edelstahlfasern führt gegenüber der Vergleichformmasse 1 zu einer Verringerung des spezifischen Durchgangswiderstan des ρ_D um 60% oder, umgekehrt, zu einer praktisch 150%igen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit . Gegenüber der Vergleichsformmasse 2 verringert sich ρ_D immerhin noch um mehr als 9% oder, umgekehrt, die elektrische Leitfähig keit steigert sich um knapp 11%. Demgegenüber besitzt ein Material aus Polypropylenmatrix mit lediglich 0,1 Gew.-% Kohlenstoffasern als Leitfähigkeitszusatz eine spezifische Leitfähigkeit von <10^-10 S/cm und damit praktisch die gleichen Isolatoreigenschaften wie ein Polypropylenmaterial ohne jeglichen Leitfähigkeitszusatz. Auch eine entsprechende Formmasse, die lediglich 0,1% Kohlenstoffasern und 0,45% Edelstahlfasern als Leitfähigkeitszusätze enthält, die also beide die Perkolationsgrenze nicht erreichen, zeigt gegen über einem Polypropylenmaterial ohne Leitfähigkeitszusätze keine feststellbare Änderung des elektrischen Widerstandes.

Beispiel 4

Es wurde ein weiteres elektrisch leitfähiges Kunststoff element gemäß der Erfindung mit einer Polyamid-Matrix wie folgt hergestellt:

Zunächst wurde eine Mischung aus
63,7% Polyamid-6 in Granulatform,
17,5% Polyamid-66 in Granulatform,
15,5% Kohlenstoffasern, gewonnen aus Polyacrylnitril (PAN), mit einem Faserdurchmesser von 6 bis 9 µm und einer Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 6 mm,
2,8% Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von 5 bis 15 µm, einer Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 6 mm und mit einem Gehalt von 25% Bindemittel
hergestellt und die homogene Mischung durch Strangextrusion zu Granulaten verarbeitet. Das erhaltene Granulat wurde mittels Spritzguß zu stangenförmigen Probekörpern mit den Abmessungen 85 mm×10 mm×4 mm verarbeitet. Die spritz gegossenen Probekörper wurden, wie in Beispiel 1 beschrie ben, mit zwei Durchgangsbohrungen im Abstand von 33 mm und mit einer weiteren, 2 mm tiefen Bohrung für die Aufnahme eines Thermoelements versehen und für die Prüfung vorberei tet. Die Messung selbst wurde, wie im Beispiel 1 beschrie ben, durchgeführt.

Die Ergebnisse der Langzeitmessung sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Der Probekörper wurde während der gesamten Zeit vom elektrischen Strom durchflossen. Die Umge bungstemperatur T_u in der Klimakammer, in der die Messungen durchgeführt wurden, durchlief eine Temperaturperiode, die mit 20°C begann und über 0°C, -20°C, -40°C, -20°C, 0°C, +20°C bis +40°C führte.

Die Ergebnisse in der Tabelle zeigen, daß der spezifische Durchgangswiderstand ρ_D nach etwa 350 Stunden einen Wert erreichte, der auch nach 577 Stunden noch praktisch konstant war. Obwohl während dieser Zeit sich die Umgebungstemperatur T_u in der Klimakammer von -40°C bis +40°C änderte, blieb der spezifische Durchgangswiderstand trotz dieser Temperatur schwankungen um 80°C mit Werten zwischen 1,03 und 1,12 cm relativ konstant, woraus sich ergibt, daß das erfindungs gemäße elektrisch leitfähige Kunststoffelement dieses Bei spiels einen spezifischen Durchgangswiderstand aufweist, der praktisch zeitunabhängig und temperaturunabhängig in den angegebenen Bereichen ist. Das eingesetzte Kunststoffelement enthielt keine Glasfasern oder Glaskugeln, die zur Errei chung der erhöhten elektrischen Leitfähigkeit auch nicht erforderlich sind.

Beispiel 5

Ein Vergleichsprodukt und ein erfindungsgemäßes Produkt wur den in der gleichen Weise, wie in Beispiel 4 bzw. Beispiel 1 angegeben, hergestellt und zu entsprechenden stangenförmi gen Probekörpern verarbeitet und für die Durchführung der Messung des spezifischen Durchgangswiderstands vorbereitet.

Tabelle zu Beispiel 4

Messung des spez. Durchgangswiderstands ρ_D(Ω · cm)

Das Vergleichsprodukt hatte folgende Zusammensetzung:
77,7% Polyamid-66 in Granulatform,
19,8% Kohlenstoffasern, gewonnen aus Polyacrylnitril, mit gleichem Faserdurchmesser und gleicher Faserlänge wie in Beispiel 4,
2,5% Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von 950 m²/g (BET/N₂).

Das erfindungsgemäße Produkt hatte folgende Zusammensetzung:
73,7% Polyamid-66 in Granulatform,
19,8% Kohlenstoffasern, gewonnen aus Polyacrylnitril, mit gleichem Faserdurchmesser und gleicher Faserlänge wie in Beispiel 4,
4,0% Edelstahlfasern mit einem Faserdurchmesser von 5 bis 15 µm, einer Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 6 mm und mit einem Gehalt von 25% Bindemittel,
2,5% Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von 950 m²/g (BET/N₂).

Die Ergebnisse der durchgeführten Langzeitmessungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Der elektrische Strom wurde abwechselnd jeweils für 1/2 Stunde angestellt und für 1/2 Stunde ausgeschaltet. Die Temperatur in der Klimaanlage lag über die gesamte Versuchsdauer bei -40°C.

Aus der Tabelle geht hervor, daß der erfindungsgemäße Prüf körper bei gleicher Ausgangsleistung (2,22 W) eine wesent lich geringere Leistungssteigerung zeigt als der Vergleichs prüfkörper im entsprechenden Zeitraum. So betrug die Lei stungssteigerung des erfindungsgemäßen Prüfkörpers nach 45 Stunden 41%, beim Vergleichsprüfkörper betrug die Leistungs steigerung nach 44 Stunden bereits 141%. Ferner geht aus der Tabelle hervor, daß beim erfindungsgemäßen Prüfkörper nach etwa 300 Stunden eine Temperaturstabilisierung eintrat, d. h. die Oberflächentemperatur des Prüfkörpers erhöhte sich danach innerhalb von etwa 400 Stunden nur um weitere knapp 3°C und blieb dann für den restlichen Zeitraum der Messung, d. h. für die weiteren 520 Stunden, praktisch konstant bei etwa 73,5°C. Demgegenüber weist die Oberflächentemperatur des Vergleichsprüfkörpers eine stetige starke Erhöhung auf, mit der Folge, daß nach 64 Stunden bereits die Gebrauchs temperatur des Prüfkörpers weit überschritten war und die Messung daher abgebrochen werden mußte.

Die in der Tabelle aufgeführten Ergebnisse zeigen weiterhin, daß der erfindungsgemäße Prüfkörper eine relativ geringe Temperatur- und Leistungssteigerung aufweist, wobei beson ders wichtig ist, daß der Prüfkörper selbst nach 1220 Stunden eine Temperatur aufwies, die weit unterhalb der kritischen Temperatur liegt, bei der ein Dauergebrauch nicht mehr möglich ist. Demgegenüber hatte bei gleicher Ausgangs leistung der Vergleichsprüfkörper, wie bereits erwähnt, bereits nach 64 Stunden eine Temperatur von 166,3°C erreicht, womit die Gebrauchstemperatur dieses Polymeren bereits weit überschritten war.

Parallel zum Temperaturverhalten zeigte der erfindungsgemäße Prüfkörper bereits nach 45 Stunden einen spezifischen Durch gangswiderstand von 0,22 Ω · cm, der sich im weiteren Verlauf nur unwesentlich auf 0,19 Ω · cm änderte, wobei dieser Wert nach 350 Stunden erreicht war und innerhalb der nächsten 905 Stunden unverändert blieb. Der Vergleichsprüfkörper ver änderte hingegen seinen spezifischen Durchgangswiderstand erheblich von 1,97 Ω · cm nach 1 Stunde auf 0,66 Ω · cm nach 64 Stunden, als der Versuch wegen zu hoher Oberflächentempe ratur des Prüfkörpers abgebrochen werden mußte.

Beispiel 6

Es wurden elektrisch leitfähige Kunststoffelemente in der in Beispiel 1 angegebenen Weise hergestellt und für die nachfolgenden elektrischen Widerstandsmessungen vorbereitet, wobei die einzelnen Bestandteile die gleichen Eigenschaften aufwiesen, wie im Beispiel 1 beschrieben. Das hergestellte Produkt hatte folgende Zusammensetzung:
68,25% isotaktisches Polypropylen
19,0% Kurzschnittglasfasern
9,85% Ruß
0,5% Edelstahlfasern
2,4% Stabilisatoren und Kopplungsmittel.

Die stangenförmigen Probekörper besaßen die gleichen Abmes sungen, wie im Beispiel 1 beschrieben.

Die Meßergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammenge stellt. Daraus ergibt sich, daß der spezifische Durchgangs widerstand des erfindungsgemäßen Probekörpers ebenso wie die Oberflächentemperatur des Probekörpers während der Dauer des Versuches relativ konstant waren, und daß sich insbeson dere der spezifische Durchgangswiderstand zwischen -40°C und +40°C von 9,44 bis 10,3 Ω · cm nur unwesentlich änderte.

Beispiel 7

Es wurden erfindungsgemäße Prüfkörper in Form eines Flach stabes mit einer Querschnittsfläche von 3,2 mm×12,5 mm und einer Länge von 80 mm aus einer Mischung aus
72,0% Polyamid-12 in Granulatform
25,0% Kohlenstoffasern, gewonnen aus Polyacrylnitril, mit einem Faserdurchmesser von 6 bis 9 µm und einer Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 6 mm, und
3,0% vernickelten Kohlenstoffasern, Schichtdicke des aufge brachten Nickels etwa 0,5 µm,
hergestellt, wobei der Flachstab aus einem gespritzten Prüf körper herausgetrennt wurde. Die beiden Querschnittsflächen wurden mit Silberleitlack beschichtet und in einen Kontaktie rungsrahmen gespannt.

Tabelle zu Beispiel 6

Messung des spez. Durchgangswiderstands ρ_D(Ω · cm)

Als Stromquelle wurde ein Netzgerät mit Konstantstromrege lung verwendet. Im Kurzschlußbetrieb kann eine Stromstärke eingestellt werden, die das Netzgerät unabhängig vom Wider stand des Stromkreises einhält, bis die Leistungsobergrenze (30 V) erreicht ist.

Die Klimakammer lief periodisch in einem Temperaturwechsel programm von -40°C über -20°C, 0°C, +20°C bis +40°C hin und her.

Der Versuch wurde a) mit einer Stromstärke von 0,2 A gestartet, b) ab 61 Stunden auf 0,3 A und c) ab 190 Stunden auf 0,4 A gesteigert. Dabei wurden folgende Leistungsberei che bei einem Umgebungsklima in der Klimaanlage von 0°C im Umluftbetrieb durchfahren:

a) 1,17 W bis 0,46 W;
b) 0,9 W bis 0,65 W;
c) 1,06 W bis 0,86 W.

Die Meßergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammen gestellt. Sie zeigen, daß bei einer Umgebungstemperatur von 0°C der Innenwiderstand R_i (in Ω bei 0°C) des Prüfkörpers zu Anfang der Untersuchung relativ hoch ist, im Laufe der Untersuchung jedoch kontinuierlich abfällt und nach etwa 400 Stunden sich asymptotisch einem Grenzwert nähert, so daß nach weiteren 400 Stunden sich der Innenwiderstand nicht weiter wesentlich geändert hat. Dies wird besonders gut sichtbar in der beigefügten graphischen Darstellung (Fig. 1), in der die zeitliche Abhängigkeit des Innenwider standes R_i in einfach logarithmischem Maßstab dargestellt ist.

Die Oberflächentemperatur des Prüfkörpers wurde während die ser Untersuchung nicht gemessen, qualitativ konnte aber festgestellt werden, daß auch nach 800 Stunden die Oberflä chentemperatur noch weit unterhalb der kritischen Temperatur grenze für den Dauergebrauch lag.

Tabelle zu Beispiel 7

Claims

1. Elektrisch leitfähiges Kunststoffelement auf Basis von thermoplastischen oder duroplastischen Polymeren oder Polymerenmischungen mit in der Polymermatrix homogen ver teilten elektrisch leitfähigen Zusatzstoffen in Form von Kohlenstoff zusammen mit Metallen, gekennzeichnet durch einen Gehalt an

a₁) 5 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamt masse, elektrisch leitfähigem Ruß und/oder Graphitpul ver als Perkolationssystem und
b₁) 0 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamt masse, elektrisch leitfähige Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern,
oder
a₂) 5 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamt masse, elektrisch leitfähigen Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern als Perkolationssystem und
b₂) 0 bis 4 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamt masse, elektrisch leitfähigen Ruß und/oder Graphit pulver,
jeweils in Kombination mit
c) 0,4 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamt masse, Metallfasern und/oder metallisierte Kohlen stoffasern.

2. Kunststoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Ruß eine spezifische Oberfläche im Bereich von 120 bis 1600 m²/g (BET/N₂) aufweist.

3. Kunststoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Graphitpulver eine durchschnittliche spezifi sche Oberfläche von 6 bis 20 m²/g (BET/N₂), eine mittlere Teilchengröße von 5 bis 40 µm und eine Dichte von 2,2 bis 2,3 g/ml aufweist.

4. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Kohlenstoffasern und/oder Graphitfasern solche mit einem Durchmesser von 5 bis 15 µm und mit einer durchschnittlichen Faserlänge des Aus gangsmaterials von 3 bis 9 mm enthält.

5. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Ruß und/oder Graphit pulver als Perkolationssystem 10 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, beträgt.

6. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern als Perkolationssystem 8 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, beträgt.

7. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der unter b₁ genannten Kohlenstoff- und/oder Graphitfasern 0 bis 2,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, beträgt.

8. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des unter b₂ genannten Rußes und/oder Graphitpulvers 0 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, beträgt.

9. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Metallfasern und/oder metallisierten Kohlenstoffasern 0,4 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, beträgt.

10. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern einen Faserdurchmes ser von 5 bis 30 µm und eine durchschnittliche Faserlän ge des Ausgangsmaterials von 3 bis 9 mm haben.

11. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern aus Edelstahl be stehen.

12. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Kohlenstoffasern einen Faserdurchmesser von 6 bis 10 µm und eine durch schnittliche Faserlänge des Ausgangsmaterials von 3 bis 6 mm aufweisen, wobei die Schichtdicke des aufgebrachten Metalls bei etwa 0,5 µm liegt.

13. Kunststoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Kohlenstoffasern aus elektrolytisch vernickelten oder versilberten Kohlen stoffasern bestehen.

14. Verwendung des Kunststoffelements nach den Ansprüchen 1 bis 13 als Heizelement oder als elektronisches Bau element, insbesondere im Bereich der Fahrzeug- und Flug technik.