DE4410341A1 - Elektrischer Leiter mit einer Isolation aus Kunststoffmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Leiter mit einer Isolation aus Kunststoffmaterial nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Elektrische Kabelverbindungen im Nieder- und Mittelspan­ nungsbereich befinden sich in Gehäusen oder Umhüllungen, die mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen sollen. Die wichtigste ist, eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten der Verbindung und der Außenseite des Ge­ häuses sicherzustellen. Eine weitere Bedingung ist, bei Beeinträchtigung oder mechanischer Zerstörung des Gehäuses aus Sicherheitsgründen einen Kurzschlußweg zu bilden. Zu diesem Zweck muß eine ausreichende Leitfähigkeit bestehen. Im Stand der Technik werden diese Bedingungen durch kon­ struktive Lösungen erfüllt.

Es ist bekannt, eine elektrische Verbindung durch ein Metallgehäuse zu umgeben, das mit isolierendem Material beschichtet ist. Es ist auch bekannt, ein Kunststoffge­ häuse an der Innenseite dadurch leitfähig zu machen, daß Metall im Flammspritzverfahren aufgetragen wird. Es ist ferner bekannt, ein Metallgehäuse in eine Spritzgußform zu legen und die Außenseite mit Kunststoff zu umspritzen. Es ist ferner denkbar, statt eines Metallgehäuses ein Gitter oder ein Netz aus metallischem Material mit Kunststoff zu umspritzen. Ein Metallgehäuse für eine elektrische Verbin­ dung kann auch mit einem isolierenden Band umwickelt wer­ den. Alternativ kann auch ein Kunststoffgehäuse mit einem elektrisch leitenden Band umwickelt werden.

Alle bekannten Ausführungsformen haben den Nachteil, daß sie mehrere Fertigungsschritte erfordern und daher ent­ sprechend aufwendig sind.

Es ist ferner bekanntgeworden, Kunststoffmaterial durch Zumischung von Ruß, Metallpulver, Metallfasern und der­ gleichen begrenzt leitfähig zu machen. Aus einem derarti­ gen Kunststoff kann eine Abschirmung für Signalleitungen, elektronische Bauteile und dergleichen geschaffen werden. Der spezifische Widerstand ist bei derartigen Abschirmun­ gen verhältnismäßig hoch. Deshalb können leitfähig gemachte Kunststoffe nicht zur Leitung von größeren Strömen heran­ gezogen werden, wie das etwa im Fall von Gehäusen für Ka­ belverbindungen im Nieder- oder Mittelspannungsbereich gefordert wird. Die gewünschten Kurzschlußströme sollen sich bis in den Kiloamperebereich bewegen.

Halbleitende Kunststoffmaterialien mit einem relativ gro­ ßen spezifischen Widerstand werden auch zu antistatischen Zwecken eingesetzt. Sie dienen dazu, elektrostatische La­ dungen abzuleiten. Die hierbei fließenden Ströme sind sehr klein.

Aus der JP60(1985)162778 ist bekanntgeworden, Kunststoff­ material dadurch leitfähig zu machen, daß dem Kunststoff Teilchen zugemischt sind, die mit einer leitenden Beschich­ tung versehen sind. Der auf diese Weise gewonnene Kunst­ stoff dient Abschirmungszwecken.

Aus der JP63(1988)277279 und der JP63(1988)251468 ist be­ kanntgeworden, leitende Fasern, zum Beispiel aus Kupfer, mit einem thermoplastischen Harz zu beschichten und die beschichteten Fasern zusammen mit Metallpulver, einem niedrigschmelzenden Metall und einem Flußmittel einer Kunststoffmatrix zuzusetzen, um einen leitfähigen Kunst­ stoff zu Abschirmzwecken zu erhalten. Die Metallfasern, insbesondere Kupfer, werden in einem Bündel durch ein Bad oder eine Form gezogen, um sie zu beschichten. Anschließend werden sie zu Granulat geschnitten, beispielsweise einer Länge von 6 mm. Hierdurch wird zwar ein relativ geringer spezifischer Widerstand in der Größenordnung von 3×10^-3 Ohmcm erhalten mit verbesserter Abschirmeigenschaften. Ein derartiger Kunststoff ist jedoch nicht in der Lage, Strom im Größenordnungsbereich von Ampere oder sogar Kiloampere zu leiten. Dies erfordert einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-3 Ohmcm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektri­ schen Leiter zu schaffen, der besonders einfach herstell­ bar und dessen äußere Konfiguration an gewünschte räum­ liche Verhältnisse anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung sieht einen einteiligen Körper vor, der aus einer Mischung aus Kunststoff und einem Anteil von Metall­ fasern von sehr geringer Querschnittsabmessung im Verhält­ nis zur Länge geformt ist, und zwar durch Spritzformen oder Extrudieren. Er ist so hergestellt, daß sich die Metallfasern im Hinblick auf die Fließrichtung beim Form­ prozeß im wesentlichen auf einen mittleren Bereich konzen­ trieren und einen hochleitfähigen Leiterabschnitt bilden.

Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, daß beim Spritzformen oder Extrudieren der genannten Zusammen­ setzung die Metallfasern sich nicht etwa gleichmäßig im geformten Körper verteilen, sondern sich im wesentlichen auf einen Bereich konzentrieren, der in der Ebene liegt, in der das Material aus der Extrudier- bzw. Spritzdüse austritt. In Verbindung mit faserverstärkten Thermoplasmen ist eine derartige Faserverteilung und -orientierung aus der Zeitschrift Kunststoffe 74 (1984) "Faserorientierung beim Verarbeiten kunstfaserverstärkter Thermoplaste", Sei­ ten 271 bis 277, bekanntgeworden. Es versteht sich, daß die Form und die Abmessung der Einspritzdüse bzw. der Ex­ trudieröffnung Einfluß auf das Verhalten der Fasern hat. Der Fachmann kann indessen durch Versuche die günstigste Geometrie und Abmessung leicht herausfinden. Soll bei­ spielsweise ein plattenartiger Körper geformt werden, kon­ zentrieren sich die Metallfasern im wesentlichen im mitt­ leren Bereich des Plattenkörpers, so daß in zwei aufein­ anderstehenden Richtungen eine gute Leitfähigkeit erhalten wird, während in Richtung senkrecht zu dieser Ebene die Isolation des Kunststoffs zur Wirkung kommt.

Bei der Erfindung wird mithin ein einteiliger leitfähiger Körper erhalten, der in einem Arbeitsgang hergestellt wird. Bei einer entsprechenden hohen Konzentration an Me­ tallfasern lassen sich Leitfähigkeitswerte in der Größen­ ordnung wie bei Metalleitern erzielen.

Die Erfindung hat auch den Vorteil, daß die äußere Konfi­ guration des Leiters beliebig gewählt werden kann in An­ passung an geforderte Bedürfnisse. Soll zum Beispiel ein Gehäuse für eine Kabelverbindung geschaffen werden, wird mit der Ausformung des Gehäuses bzw. die Gehäuseteile aus geeignetem Kunststoffmaterial zugleich ein geeigneter lei­ tender Bereich mitgeformt, der im Kurzschlußfall hohe Stromstärken aufzunehmen in der Lage ist. Im Prinzip ist die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Leiters unbegrenzt. Eine Verwendung wird jedoch in erster Linie dort in Frage kommen, wo für die Übertragung von Energie und/oder Signa­ len relativ geringe Längen von zum Beispiel 1 bis 100 mm in Frage kommen.

Die für den erfindungsgemäßen Leiter verwendeten Metall­ fasern sind im Querschnitt im wesentlichen kreisförmig oder oval und sollen eine verhältnismäßig große Länge auf­ weisen, beispielsweise 5 bis 15 mm lang sein. Demgegenüber weisen sie indessen eine sehr geringe Dicke bzw. Durchmes­ ser auf, beispielsweise von 35 bis 200 µm. Das Verhältnis von Länge zu Dicke oder Durchmesser beträgt 50 bis 500, vorzugsweise etwa 240.

Besonders vorteilhaft ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Metallfasern Teil eines Verbundstoffes sind, bei dem die Fasern weitgehend parallel ausgerichtet, durch eine polymere haftvermittelnde Substanz verbunden und anschließend in definierte Längen geschnitten sind. Ein derartiges Granulat ist aus der DE 38 10 598 an sich bekannt. Als Umhüllungsmaterial dient z. B. Polyamid 6, glasfaserverstärktes Polyamid, Polycarbonat-Polymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol oder dergleichen. Das Granulat dient dort zur Herstellung von Formteilen zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung. Bei der Erfindung hin­ gegen werden Kunststoff und Metallfasern zur Herstellung eines elektrischen Leiters verwendet, dessen spezifischer Widerstand vorzugsweise kleiner ist als 10^-3 Ohmcm.

Das verwendete Kunststoffmaterial für die Matrix muß mit den ummantelten Metallfasern kompatibel sein und geeignet, daß die Metallfasern eingemischt werden können. Besonders geeignet sind z. B. Polyamide, insbesondere Polyamid 6.6, Polyamid 6, Polyamid 4.6 oder Polyamid 10, Polyamid 11. Alternativ können Polyester oder Terephthalate, wie PBT oder PET, Polycarbonate oder aromatische Polyamide, wie Polyarylamid verwendet werden. Die Matrix beeinflußt die elektrische Leitfähigkeit.

Die Metallfasern bestehen nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise aus gut leitfähigem Metall im Bereich von 10 bis 60 m/mm²Ω, insbesondere aus Cu, Ag, Fe, Ni, Co oder aus deren Legierungen auch mit anderen Metal­ len. Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Kupferfasern erwiesen.

Zur Herstellung eines Leiters ist eine relativ große Menge an Metallfasern erforderlich. Für die Leitung von relativ hohen Strömen erweist es sich als zweckmäßig, ummantelte Metallfasern bis zu 50 Gew.-% zuzumischen. Für übliche Anwendungszwecke, beispielsweise für die Herstellung von Gehäusen für Kabelverbindungen ist es ausreichend, den An­ teil von ummantelten Metallfasern auf 20 bis 35 Gew.-% zu begrenzen.

Es hat sich nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn Glasfasern von einer Länge < 1 mm der Zusammensetzung aus einer Kunst­ stoffmatrix und Metallfasern zugesetzt werden. Ihr Anteil kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bis zu 30 Gew.-% betragen. Die Glasfasern sind in an sich be­ kannter Weise, vorzugsweise mit einem Beschichtungsmittel, z. B. Silane, beschichtet.

Es hat sich herausgestellt, daß sich auch die Glasfasern im wesentlichen in einem mittleren Bereich konzentrieren und nicht an die Oberfläche des geformten Körpers gelangen. Außerdem scheinen sie die Eigenschaft zu haben, die Kon­ taktierung der einzelnen Kupferfasern während des Mischens und des Formprozesses zu verbessern. Insgesamt ist eine ausgewogene Verteilung der Komponenten anzustreben, insbe­ sondere zwischen Metallfasern und Glasfasern. Letztere verhindern ein Separieren der Metallfasern und ermöglichen eine ausreichende Homogenität. Die Fließeigenschaft der Matrix soll nicht zu gut sein, weil sonst die Metallfasern und die Glasfasern separiert werden. Zur Erzielung einer guten Homogenität ist erforderlich, einen Separiereffekt zu vermeiden.

Die nachstehende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen Matrixmaterial und Widerstand.

Tabelle 1

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem der spezifische Wider­ stand eines erfindungsgemäßen Testkörpers in Abhän­ gigkeit von den Anteilen an Kupferfasern aufgetra­ gen ist.

Fig. 2 zeigt einen Testkörper mit den erfindungsgemäßen Merkmalen.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Spannung in Abhängig­ keit vom Strom für einen erfindungsgemäß ausgeführ­ ten Testkörper aufgetragen ist.

Fig. 4 zeigt die Oberflächentemperatur eines Testkörpers in Abhängigkeit vom Strom.

Fig. 5 bis 7 zeigen die Anwendungsbeispiele für einen er­ findungsgemäßen Leiter.

Zu Versuchszwecken wurden rechteckige und kreisförmige Platten hergestellt. Die rechteckigen Platten hatten die Abmessungen 152×76×3,2 mm. Die kreisförmige Platte hatte einen Durchmesser von 140 mm und eine Dicke von 3,2 mm. Zur Herstellung wurde eine Matrix aus Polyarylamid verwen­ det, der 30 Gew.-% kurze Glasfasern (< 1 mm Länge) zuge­ mischt waren. Dieses Matrixmaterial wurde in einem Stan­ dardmischverfahren mit Kupferfasern gemischt, die gemäß der DE 38 10 598 hergestellt worden sind, also z. B. mit einem Polyamid ummantelt. Es handelt sich mithin um Ver­ bund-Granulatmaterial, das mit parallel ausgerichteten Metallfasern, hier Kupferfasern, versehen ist, die durch eine polymere haftvermittelnde Substanz verbunden sind. Die Kupferfasern sind mit einem geeigneten Kunststoffmate­ rial beschichtet, von denen Beispiele in der genannten Druckschrift angegeben sind. Die Mischungsverhältnisse bewegten sich zwischen 16 und 36 Gew.-% reines Kupfer, wo­ bei der Anteil des Beschichtungsmaterials etwa 13% be­ trägt.

Die erhaltenen Platten wurden gemäß DIN 53 482 VDE ver­ messen. Aus Fig. 1 geht hervor, daß bei einem Anteil von 30 Gew.-% Kupfer der spezifische Widerstand deutlich unter 50 Ohmcm liegt.

Bei den Platten mit 140 mm Durchmesser wurden entsprechend DIN 53 482 folgende Werte ermittelt:

IXEF 1503 steht für ein aromatisches Polyamid der Fa. Solvay.

Aus der Tabelle ergibt sich, daß die Leitfähigkeit des er­ findungsgemäßen Leiters nur eine Größenordnung kleiner ist als die von Stahl.

Es sei noch nachgetragen, daß die Testplatten im Spritz­ formverfahren hergestellt worden sind. Mit diesem Verfah­ ren sind auch Testkörper hergestellt worden, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Bei diesen Testkörpern befinden sich die Kupferfasern völlig eingebettet in der Kunst­ stoffmatrix, so daß der Testkörper einem vollständig iso­ lierten elektrischen Leiter entspricht, beispielsweise einem isolierten Kabel. Die Kupferfasern bilden keinen massiven Leiter; der leitende Abschnitt kann eher mit einem sogenannten Litzenleiter verglichen werden.

Im Abstand von 115 mm ist eine Spannung an den Testkörper nach Fig. 2 angelegt worden. Der dabei fließende Strom wurde gemessen, wobei sich Verhältnisse ergeben, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Die obere Kurve entspricht einem Anteil von 36 Gew.-% Kupferteilen, während die un­ tere einem Anteil von 24,6% Kupferfasern entspricht.

Für diese beiden Zusammensetzungen wurden an den Punkten a, b und c auch Temperaturmessungen vorgenommen. Der Ver­ lauf der Oberflächentemperatur ergibt sich aus dem Dia­ gramm nach Fig. 4. Aus Fig. 4 ergibt sich, daß für wenige Ampere der Temperaturanstieg unterhalb 10°C liegt, aus­ gehend von einer Umgebungstemperatur von 20°C. Bei wesent­ lich höheren Strömen ergibt sich ein Temperaturanstieg über 60°C.

Fig. 5 zeigt einen spritzgegossenen Leiter 10 mit Kreis­ querschnitt, der aus einer Mischung von Kupferfaser 12 und Kunststoff 14 hergestellt ist (Beispiele für die Stoffe sind oben angegeben). Zur Herstellung wird vorzugsweise eine kreisförmige Spritzdüse verwendet, die mittig zum kreisförmigen Ende des Leiters liegt und einen Durchmesser von 0,5 bis 1,0 mm aufweist. Dadurch kann der Leiter 10 mit einer Länge von 300 mm und einem Durchmesser von 5 mm hergestellt werden.

Fig. 6 zeigt einen flachen im Querschnitt rechteckigen Leiter 18 mit Kupferfasern 20 und Kunststoff 22. In beiden Fällen ist gut zu erkennen, daß die Fasern 12 bzw. 20 sich in der Mitte konzentrieren, während die Außenhaut 24 bzw. 26 faserfrei ist. Optimal ist eine "Film" erzeugende Düse mit rechteckigem Querschnitt, die an der Schmalseite des Leiters angeordnet ist, vorzugsweise an der oberen Kante und die sich mit einer Breite von 0,5 bis 1 mm über die gesamte Breite des Leiters erstreckt. Dadurch läßt sich ein Leiter von 200 mm Länge, 20 mm Breite und 2 mm Höhe oder Dicke herstellen.

Fig. 7 zeigt perspektivisch eine Ecke 28 eines Gehäuses, das ebenfalls durch Spritzgußverfahren geformt ist, wobei die Wandteile wiederum aus Kunststoff 30 und Kupferfasern 32 bestehen, wobei letztere sich wiederum in der Mitte konzentrieren, während die Außenhaut 34 keine Fasern auf­ weist. Die Ausbildung und Anordnung der Spritzdüsen ist relativ komplex. Sie wird aus einer Kombination von klei­ nen kreisförmigen und "Film"-Düsen bestehen.

Claims (16)

1. Elektrischer Leiter mit einer Isolation aus Kunststoff­ material, gekennzeichnet durch einen einteiligen Körper, der aus einer Mischung aus Kunststoff und einem Anteil an Metallfasern von sehr geringer Querschnittsabmessung im Verhältnis zur Länge durch Spritzformen oder Extru­ dieren so hergestellt ist, daß sich die Metallfasern im Hinblick auf die Fließrichtung beim Formprozeß im we­ sentlichen auf einen mittleren Bereich konzentrieren und einen gut leitfähigen Leiterabschnitt bilden.

2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern eine Länge von 5 bis 15 mm aufweisen.

3. Leiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern etwa eine Länge von 8 bis 12 mm, vorzugs­ weise 10 mm, aufweisen.

4. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallfasern einen Durchmesser oder eine Dicke von 35 bis 200 µm aufweisen.

5. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis von Länge und Dicke bzw. Durchmesser der Metallfasern zwischen 50 und 500 be­ trägt, vorzugsweise etwa 240.

6. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallfasern mit einem thermoplasti­ schen Kunststoffmaterial ummantelt sind.

7. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallfasern Teil eines Verbund­ stoffes sind, bei dem die Fasern weitgehend parallel ausgerichtet, durch eine polymere haftvermittelnde Sub­ stanz verbunden und anschließend in definierte Längen geschnitten sind.

8. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Metallfasern aus gut leitfähigem Me­ tall im Leitfähigkeitsbereich von 10 bis 60 m/mm²Ω, insbesondere aus Cu, Ag, Fe, Ni, Co oder aus deren Legierungen auch mit anderen Metallen bestehen.

9. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anteil an beschichteten Metall­ fasern bis zu 50 Gew.-% beträgt, vorzugsweise zwischen 20 und 35 Gew.-% liegt.

10. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Glasfasern zugemischt sind von einer Länge < 1 mm.

11. Leiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Glasfasern bis zu 30 Gew.-% beträgt.

12. Leiter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Glasfasern mit einem Beschichtungsmittel beschichtet sind.

13. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der spezifische Widerstand < 10^-3 Ohmcm ist.

14. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er platten-, block- oder stabförmig ist.

15. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial elastisch nachgebend ist.

16. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeich­ net durch seine Verwendung für Gehäuse, Kästen oder dergleichen mit leitfähigen Wänden, insbesondere für Kabelverbindungen im Mittel- und Niederspannungsbe­ reich.