DE4118388A1

DE4118388A1 - Verfahren zur herstellung von organischen verbundwerkstoff-formkoerpern und hiernach hergestellte formkoerper

Info

Publication number: DE4118388A1
Application number: DE19914118388
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Dr Sc N Teuschler; Dieter R Heuer; Eberhard Thiede
Original assignee: TECH WISSENSCHAFTLICHE GES THI
Current assignee: TECH WISSENSCHAFTLICHE GES THI
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 1992-01-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von organischen Verbundwerkstoff-Formkörpern und Formkörper nach diesem Verfahren, die aus einem umformbaren Formstoff und einer urformbaren Formmasse in Gieß-, Preß- und Spritzgießformen unter Beachtung werkstoffspezifischer Druck-, Temperatur- und Zeitbedingungen hergestellt werden. Bei diesen Formkörpern ist charakteristisch, daß sich zwischen diesen Werkstofftypen eine nichtlösbare Phasengrenze ausbildet und daß eine dieser Phasen elektrisch leitend ausgebildet wird.

Diese Formkörper finden als Bauelemente oder Konstruktionswerkstoffe in der elektronischen Geräteindustrie, Elektrotechnik und Feingerätetechnik und als Transport, Lagerungs- und Verpackungsmaterialien für elektronische Bauelemente und zündfähige Flüssigkeiten, Stäube und Explosivstoffe Verwendung.

Verbundwerkstoffe im Sinne der Erfindung wurden in der DE-OS 35 01 541 beschrieben, wobei extrem hohe elektrische Spannungsfestigkeiten nachgewiesen werden konnten. Da sich gleichzeitig Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften und der Dichtigkeit gegenüber mit Druck beauflagten Gasen gezeigt haben, ist die Frage nach einer hohen elektrischen Isolierfestigkeit erneut dergestalt zu untersuchen, ob für besondere Anwendungsfälle nicht eine dieser Phasen elektrisch leitfähig gestaltet werden sollte.

Die Möglichkeiten, Polymere elektrisch leitfähig zu modifizieren, ist seit langem bekannt. Zunächst wurde ausschließlich Ruß hierfür eingesetzt, z. B. in Kabelmischungen zur Feldglättung, Werkstoffmischungen zur Vermeidung von Elektrostatikfeldern usw. In den letzten Jahren wurden für diese Anwendungsfälle auch metallisch- oder ionenleitende Zusatzstoffe eingesetzt. Aus der Grundlagenforschung zeichnet sich für die Zukunft der Einsatz von organischen Eigen(halb)leitern ab, bei denen die Leitfähigkeit nicht mehr durch Zusätze, sondern aufgrund ihrer chemischen und Kristallstruktur bzw. ihres Gefüges bewirkt wird. (Siehe: Elektrisch leitfähige Kunststoffe, Weßling, B., Kunststoffe 76 (1986), 10, S. 930-936.)

Diese intrinsisch leitfähigen Polymere bestehen z. B. aus Polyacetylen (PAc), Polypyrrol (PPy), Polyphthalocyanin (PPhc), Polyanilin (PANI), Polythiophene (PTh) u. a. und gestatten z. B. die Umklebung mit nichtleitfähigen Polymeren. Die Herstellung von Formkörpern, deren eine Seite elektrisch leitfähig und deren andere Seite elektrisch isolierend wirkt, ist mit Hilfe einer Verbindungstechnik unter Verwendung weiterer Grund- und Hilfsmaterialien möglich, wie es z. B. in der DD-PS 1 39 929 beschrieben wurde.

Viele der marktüblichen elektrisch leitfähigen Compounds, beispielsweise auf der Basis von eindispergiertem Ruß, z. B. Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polystyren (PS) u. a. zeigen gegenüber dem Ausgangsmaterial eine deutlich erhöhte Wasseraufnahme. In kritischen Fällen müssen daher die Oberflächen gegen Wasserdiffusion geschützt werden.

Bekannt ist, daß mit PANI Polymerblends mit anderen Thermoplasten im Labormaßstab hergestellt wurden. In Hinblick auf die resultierende elektrische Leitfähigkeit dieses Blends wurde ermittelt, daß die gleichen Percolationsgesetze bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit wie beim Polymer/Ruß- Compound Gültigkeit haben.

Aus der Analyse des bekannten technischen Standes konnten keine Hinweise für die Herstellung von spaltfreien organischen Verbundwerkstoffen ermittelt werden, bei denen die eine Komponente elektrisch leitfähig und die andere Komponente elektrisch isolierend ausgebildet ist, daß beide Komponenten gemeinsam verarbeitet werden können und eine Phasengrenze dergestaltig aufweisen, daß an einem Formkörper die eine Seite elektrisch leitfähig und die andere Seite elektrisch isolierend gestaltet werden kann.

Die Nachteile der bekannten technischen Lösungen bestehen einerseits aus einer mangelnden Perfektion des elektrischen Leit/Isolier-Verbundes und andererseits im hohem Aufwand bei der Herstellung funktionsbezogener Formkörper:

- Es existiert noch kein technologisches Konzept zur Einbeziehung intrinsisch elektrisch leitfähiger Polymerer zu einem Werkstoffverbund in gemeinsamer Verarbeitung.
- Nur mit hohen Aufwand lassen sich getrennt hergestellte Teilformkörper unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften mit Hilfe der Fügungstechnologien vereinen.
- Aus Teilformkörpern gefügte Endprodukte, z. B. durch Verkleben, gelten bezüglich des Kriechstromverhaltens in der Fügeebene als "offene" Verbindung.
- Die bekannten Fügeverfahren weisen Mängel bei der Form- und Kraftschlüssigkeit auf und begrenzen die Anwendungen wegen der Problematik der Maßhaltigkeit von funktionsbezogenen Formkörpern.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Herstellung von organischen Formkörpern in Verbundtechnik aus zwei organischen Komponenten, soweit sie sich in Gieß-, Spritzgieß-, Preß- und Spritzpreßtechnik herstellen lassen, von denen eine Komponente elektrisch leitfähig und die andere Komponente elektrisch isolierend ausgebildet sein muß. Es sollen sich so Formkörper herstellen lassen, die einseitig bestimmte elektrische Leitwerte aufweisen, während die Zweitseite als hervorragener elektrischer Isolierwerkstoff ausgebildet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern in Verbundtechnik zu entwickeln, wobei ein elektrisch leitfähiger Plastwerkstoff und ein elektrisch isolierender Plastwerkstoff zu verwenden sind, in denen diese beiden Komponenten einen spaltfreien und praktisch unlösbaren Werkstoffverbund bilden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, indem Thermoplastabschnitte als leitrußgefülltes Compound in eine Form eingelegt werden, in den durch die Thermoplastabschnitte begrenzten und den Konturen der Form abgewandten Raum ein fließfähiger, mindestens auf die Erweichungstemperatur der Thermoplastabschnitte aufweisender Duroplast eingepreßt wird, die erweichenden Thermoplastabschnitte durch den Duroplast in Verbindung mit der auf diesen wirkenden Druckkraft verformt und in die Konturen der auf die Aushärtetemperatur des Duroplasts vorgewärmten Form gepreßt werden und der an den erweichten und verformten Thermoplastabschnitten anliegende Duroplast während der Aushärtung unter Druck verbleibt.

Bei einer anderen Verfahrensweise findet ein reiner Thermoplast (Isolierstoff) und ein leitrußgefüllter Duroplast als Compound Verwendung.

Die Formkörper mit elektrischer Innen- oder Außenleitung können gemäß der Anwendungsgebiete zur Abführung elektrischer Ladungen, als Widerstandsheizung, als Überspannungsschutz, zur Feldglättung usw. eingesetzt werden. Wegen der technologisch bedingten hohen Form- und Kraftschlüssigkeit sind auch komplizierte und Feinstrukturen zu realisieren, wobei die Phasengrenze als "geschlossen" gegenüber elektrischen Kriechströmen anzusehen ist.

Ausführungsbeispiel

Wie dargelegt wurde, muß eine Komponente elektrisch leitfähig gestaltet werden, was durch die Einarbeitung eines Leitfähigkeitsrußes nach bekannten Verfahren erreicht werden kann. Der zu verwendende Compoundruß wird wie folgt charakterisiert:

- BET-Oberfläche: 600 bis 800 qm/g
- DPB-Absorption: 250 bis 350 ml/100 g (Dibutylphthalat)
- Kornband: 10 bis 40 nm
- Habitus: kugelige Primärteilchen

Bei der Realisierung bestimmter Leitfähigkeitswerte treten hohe Schwierigkeiten auf, die auch bei gleichbleibenden Rezepturen eine große technologische Abhängigkeit zeigen. Es ist daher nur möglich, anwendungsbezogene Leitfähigkeitsgruppen im technischen Maßstab herzustellen.

Rezepturen:

10 Vol.-% Ruß entspr. 12,5-15,0 Masse-%: 10⁵ bis 10⁸ Ohm · cm
25 Vol.-% Ruß entspr. 31,5-37,5 Masse-%: 10² bis 10⁴ Ohm · cm

Die Ergänzung auf 100% wird mit den folgend genannten Thermoplastgruppen bewirkt: Polyvinylchloride, Polystyrene, Polypropylene, Polyamide, Polyester, Polyethylene, Polyimide, Polyetherimide, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Polyetheretherketone, Polyphenylchinoxaline u. a.

Die Ergänzung auf 100% wird mit den folgend genannten Duroplastgruppen bewirkt: Phenoplaste, Aminoplaste, ungesättigte Polyester, Epoxide, Polyurethane u. a.

Die erste Rezeptur ist für antistatische Anwendungen und die zweite Rezeptur für halbleitende Eigenschaften ausgelegt.

Beispiel 1 Antistatische Ausführungen

1. Thermoplastcompound aus 87,5 M-% Polymer+12,5 M-% Ruß als Einlegeteil
Duroplast (ungefüllt) als Treibmittel
2. Thermoplast (ungefüllt) als Einlegeteil
Duroplast aus 87,5 M-% Polymer+12,5 M-% Ruß als Treibmittel

Beispiel 2 Halbleitende Ausführungen

1. Thermoplastcompound aus 65 M-% Polymer+35 M-% Ruß als Einlegeteil
Duroplast (ungefüllt) als Treibmittel
2. Thermoplast (ungefüllt) als Einlegeteil
Duroplastcompound aus 65 M-% Polymer+35 M-% Ruß als Treibmittel

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus organischen Formstoffen und urformbaren organischen Formmassen, die im Verbundkörper als geometrisch kompatible Teile die jeweils zugeordnete äußere oder innere Gestaltung bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß der urformbare Formstoff durch Eindispergieren von Leitfähigkeitsruß elektrisch leitfähig gestaltet und in eine Form eingelegt und durch die sich im Zustand der Urformfähigkeit befindliche Formmasse als Druckübertragungsmittel umgeformt und in die der Druckrichtung entsprechenden Konturen der Form ausfüllend, in ihrer geometrischen Ausbildung fixiert wird.

2. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als umformbare Massen Thermoplaste der folgenden Gruppen eingesetzt und durch das Eindispergieren von Leitfähigkeitsruß elektrisch leitfähig gestaltet werden: Polyvinylchloride, Polystyrene, Polypropylene, Polyurethane, Polyamide, Polyester, Polyethylene, Polyimide, Polyetherimide, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Polyetheretherketone, Polyphenylchinoxaline u. a.

3. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als urformbare Massen Duroplaste eingesetzt und durch das Eindispergieren von Leitfähigkeitsruß elektrisch leitfähig gestaltet werden, wenn elektrisch nichtleitfähige Thermoplaste zur Anwendung gelangen.

4. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastischen Formmasse 10 bis 25 Masse-% Leitfähigkeitsruß als Compound eindispergiert wird.

5. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der duroplastischen Urformmasse 10 bis 25 Masse-% Leitfähigkeitsruß als Compound eindispergiert wird, wenn elektrisch nichtleitfähige Thermoplaste zur Anwendung gelangen.

6. Formkörper aus organischen um- und urformbaren thermo- und duroplastischen Massen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese gemäß der Spritzgießform einseitig elektrisch leitend und zweiseitig elektrisch isolierend ausgebildet sind.