-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft elektrisch leitfähige Zusammensetzungen, die
flexibel sind, Materialien zu ihrer Herstellung, die leicht formbar
sind, und Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Erfindung betrifft
auch Herstellungsgegenstände,
die aus elektrisch leitfähigen
Zusammensetzungen gebildet sind, z. B. geformte Gegenstände und
spritzgegossene Gegenstände
wie z. B. Dichtungen.
-
Es
werden verschiedene Veröffentlichungen
zitiert, die den die Erfindung betreffenden Stand der Technik vollständiger beschreiben
und die durch Hinweis hierin aufgenommen werden.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Mit
fortgesetzten Fortschritten in der industriellen Technologie und
des allgemeinen Lebensstandards haben die Nutzungen von elektromagnetischer
Energie zugenommen und die Anzahl von Quellen zum Erzeugen einer
solchen Energie hat sich gleichzeitig vervielfacht. Der Austritt
von elektromagnetischer Strahlung in die Umgebung wurde zu einem
signifikanten Problem.
-
Eine
Technologie, die die Leitung von elektromagnetischer Energie in
einem vorbestimmten, gut definierten Weg erfordert, z. B. in Wellenleiteranwendungen,
ist beispielsweise zunehmend eine wichtige Komponente von modernen
Kommunikationen und anderen Technologien. Diese Wellenleiteranwendungen
erfordern eine quantitative Einschränkung von elektromagnetischer
Strahlung für
die effektive Implementierung der ausgewählten Technologie. Der Austritt
der elektromagnetischen Strahlung kann das Erreichen der gewünschten Ergebnisse
beträchtlich
stören.
-
Ferner
ist der Austritt von elektromagnetischer Strahlung an sich für Lebensformen
und eine andere Anlage, die dieselbe Umgebung belegt, schädlich. Außer dass
sie nachteilige Einflüsse
auf den menschlichen Körper
hat, kann die ausge tretene Strahlung auch ein unberechenbares Verhalten
und/oder eine Beschädigung
von integrierten Schaltungen und einer elektronischen Anlage verursachen.
Elektromagnetische Wellen, die von elektronischen Computern in verschiedenen
Büroanlagen
ausgestrahlt werden, können
beispielsweise die Leistung von Fernsehgeräten und einer Audioanlage stören.
-
Es
war lang bekannt, dass verschiedene elektrisch leitfähige Materialien
verwendet werden können, um
elektromagnetische Wellen zu absorbieren oder zu reflektieren und
folglich elektromagnetische Strahlung einzuschränken oder andere System oder
eine Anlage vor ihr abzuschirmen. Beispiele sind Metalle, die elektromagnetische
Wellen absorbieren oder reflektieren können, und Kunststoffe, auf
denen solche Metalle abgeschieden sind.
-
Zusammensetzungen,
die metallische leitfähige
Füllstoffe
in Mengen enthalten, die ausreichend groß sind, um eine gute elektrische
Leitfähigkeit
sicherzustellen, können
jedoch anderen Schwierigkeiten unterliegen. Sowohl die Kosten als
auch das spezifische Gewicht sind gewöhnlich höher als erwünscht. Die Menge an Füllstoff,
die erforderlich ist, um die elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen, kann
sich auch auf die Flexibilität
der Zusammensetzungen und die Formbarkeit von Precursor-Materialien,
aus denen die Zusammensetzungen hergestellt werden (z. B. Fließfähigkeit,
wie z. B. Formbarkeit einer Paste, aus der die Zusammensetzung gebildet
wird), auswirken. Es ist bekannt, metallische Partikel durch Partikel
mit einem nicht metallischen Kern oder Substrat, der/das mit einem
elektrisch leitfähigen
Material beschichtet ist, zu ersetzen. Obwohl dieses Hilfsmittel
die Kosten und das spezifische Gewicht nach unten treiben kann,
ist es nicht problemfrei. Dies liegt an der Beständigkeit einer grundsätzlich problematischen
Zweiteilung, die die Einführung
von leitfähigen Füllstoffen
in flexible Matrix-Materialien belastet hat, nämlich: wenn der leitfähige Füllstoff
in kleineren Mengen zugegeben wird, um die Flexibilität und Formbarkeit
zu bewahren, wird der leitfähige
Effekt unerwünscht
verringert; wenn jedoch der Füllstoff
in größeren Mengen
für eine
hohe Leitfähigkeit
zugegeben wird, werden die Flexibilität und Formbarkeit (z. B. mechanische
Festigkeit, Formbarkeit) beeinträchtigt.
-
Beispielsweise
haben Versuche, Polymermaterialien elektrisch leitfähig zu machen,
einen weniger als gleichmäßigen Erfolg
gehabt. Das Formen von Polymeren, in die leitfähige Fasern integriert sind,
wurde versucht, aber, um eine annehmbare elektrische Leitfähigkeit
zu erreichen, muss so viel Faser zugegeben werden, dass eine merkliche
Verringerung in bestimmten anderen erwünschten Polymereigenschaften
besteht (wie z. B. jenen, die die Flexibilität und/oder Formbarkeit betreffen).
Silber- oder andere Metallflocken und mit Metall beschichtete Glaskugeln
wurden auch zu Polymeren zugegeben, aber wiederum sind sehr hohe
Beladungsniveaus erforderlich, um elektrische Leitfähigkeit
zu erreichen, was für
die meisten Anwendungen unerschwinglich wird und das gewünschte Erreichen
aller Eigenschaften stören
kann.
-
Speziellere
Beispiele der vorangehenden sind wie folgt:
- – Das US-Patent
Nr. 3 140 342 beschreibt ein Verfahren, das bei der Herstellung
von leitfähigen
Kunststoffgegenständen
mit Hochfrequenz-Abschirmungsfähigkeiten
verwendet wird. Metallpartikel werden mit der ungehärteten Phase
eines komprimierbaren Harzes vermischt und die Masse wird dann gehärtet. Der
Kontakt von Partikel zu Partikel stellt zahlreiche leitfähige Wege
durch den gehärteten
Gegenstand mit einer resultierenden hohen Leitfähigkeit bereit. Die Kosten
des leitfähigen
Kunststoffs sind jedoch aufgrund der hohen Konzentration von Metall
darin ziemlich hoch, insbesondere wenn ein teures Metall wie z.
B. Silber verwendet wird. Mit einer hohen Metallkonzentration werden überdies
viele der erwünschten
physikalischen Eigenschaften des Kunststoffs erheblich abgeschwächt. Folglich
kann der fertig gestellte Gegenstand nicht so viel Zugfestigkeit
wie gewünscht
aufweisen und seine Komprimierbarkeit wird durch die große Anzahl
von Verbindungsmetallpartikeln signifikant vermindert.
- – Das
US-Patent Nr. 3 194 860 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
von Dichtungen aus mit Metall gefülltem leitfähigem Kunststoff, wobei die
flache Dichtung aus einer Platte von Kunststoffelastomer, das mit einem
leitfähigen
Metallpulver gefüllt
ist, ausgestanzt wird. Die Pulverpartikel können feste Edelmetallpartikel
oder Nicht-Edelmetall-Partikel wie z. B. Eisen oder Kupfer, das
mit einem Edelmetallüberzug
wie z. B. Silber oder Gold beschichtet ist, sein. Obwohl die Verwendung
von Nicht-Edelmetall-Dichtungen, die mit Silber oder Gold beschichtet
sind, einen weniger kostspieligen leitfähigen Kunststoff bereitstellt,
vermindern hohe Beladungen, die häufig erforderlich sind, um
den Kunststoff leitfähig
zu machen, andere erwünschte physikalische
Eigenschaften des Kunststoffs, wie z. B. Komprimierbarkeit und Zugfestigkeit.
- – Das
US-Patent Nr. 4 500 447; US-Patent Nr. 4 557 859; US-Patent Nr.
4 642 202; US-Patent Nr. 4 765 930; US-Patent Nr. 4 822 089 und
US-Patent Nr. 5
430 085 beschreiben elektrisch leitfähige Zusammensetzungen, in
denen Kohlenstoff das elektrisch leitfähige Material ist. Der in diesen
Bezugsquellen angeführte
Kohlenstoff kann Ruß sein,
der üblicherweise
in elektrisch leitfähigen
Silikonkautschuken oder als Teil eines Systems, das andere Metalle
umfasst, verwendet wird. Die Metalle können Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb und
Ag als Kugeln, Plättchen
oder Whisker sein. Der Kohlenstoff kann als Fasern oder Filamente,
unbeschichtet oder beschichtet mit Metall durch Elektroabscheidung,
verwendet werden. Eine stark elektrisch leitfähige Zusammensetzung mit einem
niedrigen spezifischen elektrischen Volumenwiderstand wird jedoch
nicht leicht mit solchen Verfahren erreicht. Wenn Polymere mit Kohlenstofffasern
beladen werden, um eine annehmbare elektrische Leitfähigkeit
zu erreichen, muss jedoch so viel Kohlenstofffaser zugegeben werden,
dass eine merkliche Verringerung der anderen erwünschten Qualitäten wie
z. B. Polymerflexibilität und
Precursor-Formbarkeit besteht. Aufgrund der großen Differenz des spezifischen
elektrischen Widerstandes zwischen Kohlenstoff und Metallen wie
z. B. Silber können überdies
mit Kohlenstofftasern gefüllte Polymere
nicht den spezifischen elektrischen Widerstand bereitstellen, der
für die
EMI-Abschirmung erforderlich ist. Wenn Kohlenstofffasern, die mit
elektrisch leitfähigem
Metall beschichtet sind, verwendet werden, ist ebenso die resultierende
elektrische Leitfähigkeit
nicht gleichmäßig und
kontinuierlich. Dies wird teilweise durch die schlechte Haftung
des Metalls an den Kohlenstofffasern verursacht.
- – Das
US-Patent Nr. 5 214 091 beschreibt mit Silber beschichtete Glaskügelchen,
die ein Beispiel für
leitfähige
anorganische Füllstoffe
sind, die für
den Zweck des gleichzeitigen Erreichens einer annehmbaren Leitfähigkeit
mit niedrigeren Kosten als feste Edelmetallpartikel und auch zum
Vermeiden der mit der Verwendung von Kohlenstoff verbundenen Nachteile
modifiziert sind. Um die gewünschte
Leitfähigkeit
bereitzustellen, ist es jedoch erforderlich, eine allzu große Menge
an leitfähigem
anorganischen Füllstoff
zuzugeben.
- – Das
US-Patent Nr. 5 672 297 beschreibt die Verwendung von Gelpartikeln
in einem gequollenen Zustand, um ausdehnbare und zusammenziehbare
Matrizes auszubilden. Die leitfähigen
Verbundgegenstände,
die aus diesen Mat rizes hergestellt werden, können als elektrische "Ein-Aus"-Schalter verwendet
werden. Die in dieser Bezugsquelle offenbarte Matrix enthält leitfähige Füllpartikel
mit regelmäßiger oder
unregelmäßiger Form,
wie z. B. Kügelchen-,
Faser- oder Flockenformen. Eine Kombination von zwei oder mehr leitfähigen Füllpartikeln
ist beschrieben. Beispiele von Füllpartikeln
umfassen Kupferpulver, mit Silber beschichtete Nickelflocken, mit
Silber beschichtete Glasblasen, feste Glaskügelchen, Glimmerflocken und
Kohlenstoffpulver. Der resultierende Gelmatrix-Verbundstoff besitzt
einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und unterliegt
einer signifikanten Änderung
im Ansprechen auf unbedeutende Veränderungen in einem von mehreren
extern gesteuerten thermodynamischen Parametern, wie z. B. Temperatur,
pH-Wert, Ionenstärke
und Lösungsmittelzusammensetzung.
Die Lehren des Patents sind zum Lehren der Erfindung ungeeignet,
da die von diesem offenbarten Gelmatrix-Verbundstoffe für Dichtungen
oder als Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung nicht nützlich wären, die
Zugabe von anorganischen Füllstoffen
gewöhnlich
eine lokale Änderung
der elektrischen Leitfähigkeit
aufgrund einer unzweckmäßigen Verteilung von
Füllstoffen
verursacht und die Zugabe von großen Mengen von solchen anorganischen
Füllstoffen
auch die Flexibilität
und Formbarkeit der Polymerzusammensetzung beeinträchtigt,
was sie schwierig zu formen macht.
- – Das
US-Patent Nr. 4 816 184 offenbart thermoplastische Harzpellets,
die zum Formen zu Gegenständen mit
einem Abschirmeffekt für
elektromagnetische Wellen verwendet werden. Die Pellets besitzen
einen Kern aus Glasfasern, der mit Metall beschichtet ist, das sich
von einem Ende des Pellets zum anderen erstreckt. Der Kern ist von
thermoplastischem Harz mit anderen leitfähigen Pulvern, Flocken oder
kurzen Füllstoffen,
die darin verteilt sind, umgeben. Um eine nützliche elektrische Leitfähigkeit
zu erreichen, sind jedoch hohe Beladungsniveaus erforderlich. Fasern
richten sich überdies
gewöhnlich
innerhalb einer Polymermatrix aus, was Steifigkeit in der resultierenden
Zusammensetzung und eine gleichzeitige Verringerung der Flexibilität verursacht.
-
Von
speziellem Interesse sind leitfähige
Zusammensetzungen mit einem Matrixsystem auf Silikonbasis, die wegen
ihrer überlegenen
elastomeren Eigenschaften geschätzt
werden, aber trotzdem nicht erfolgreich wünschenswert stark leitfähig gemacht
wurden, ohne die Flexibilität
zu vermindern, wie folgt:
- – Das US-Patent Nr. 4 777 205
richtet sich auf eine Organopolysiloxan-Zusammensetzung, die mit
Silber beschichtete Glimmerpartikel und Ruß, einen Platinkatalysator
und einen Platin-Katalysator-Inhibitor sowie halb oder nicht verstärkende nicht
leitfähige
Füllstoffe,
einschließlich
Glaskügelchen,
-blasen oder -fasern, enthält.
Es ist zu beachten, dass Glimmer ein Material ist, das nicht das
Niveau an spezifischem elektrischen Widerstand bereitstellen kann,
das für
Dichtungen, die bei der EMI-Abschirmung nützlich sind, erforderlich ist.
- – Das
US-Patent Nr. 4 357 266 offenbart ein elektrisch isolierendes Polymermaterial
wie z. B. Diorganopolysiloxan, das einen fein verteilten teilchenförmigen Stoff
oder Fibrillen von metallischem Silicium beinhaltet. Die in dieser
Bezugsquelle beschriebene Matrix enthält ein mono- oder difunktionelles
Silikon, um die Widerstandsfähigkeit
aufrechtzuerhalten, wenn ein geformter Kautschukgegenstand einer
Biege- oder Schwingungsbeanspruchung ausgesetzt wird.
- – Das
US-Patent Nr. 5 227 093 richtet sich auf eine Organosiloxan-Zusammensetzung (mit
einem Platinkatalysator gehärtet),
die Silber oder mit Silber beschichtete Partikel enthält, die
vor ihrer Integration mit einem Fettsäureester behandelt werden.
- – Das
US-Patent Nr. 4 836 955 offenbart ein Silikonbindemittelsystem (mit
einem Vinylgummityp von Silikonharz als erster Komponente und einem
flüssigen
Silikonharz als zweiter Komponente), das mit Silber überzogene
Kupferpartikel enthält,
zur Verwendung als Dichtung, wobei eine solche Formulierung eine
verbesserte elektrisch leitfähige
Stabilität
aufweist, wenn die Partikel einer Langzeit-Wärmebehandlung vor ihrer Integration
in die Matrix unterzogen werden. Mit Silber beschichtete Kupferpartikel
sehen jedoch einen dichten Füllstoff
vor. Um einen spezifischen elektrischen Widerstand zu erhalten,
der zu mit Silber beschichteten Glasfüllstoffen vergleichbar ist,
sind wesentlich mehr Kupferpartikel erforderlich. Folglich werden
die Flexibilität
und die Formbarkeit der Dichtung beeinträchtigt. Überdies sind mit Silber beschichtete
Kupferpartikel sehr teuer.
- – Das
US-Patent Nr. 5 075 038 beschreibt eine Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen,
wie z. B. einen druckempfindlichen Siloxansilikon-Klebstoff, der
mit Silber überzogenes
Kupferpulver enthält,
einen elektrisch leitfähigen
Werkstoff mit einem Gemisch aus Siloxanpolymer mit einem Härtungsmittel
(Aminosilan oder Aminosilazan) und elektrisch leitfähigen Partikeln
mit einer äußeren Oberfläche aus
Edelmetall, Vinyl enthaltende Organopolysiloxane und Organopolysiloxane
mit Si-gebundenen Wasserstoffatomen zusammen mit einem Katalysator
und einem leitfähigen
Material, eine Polymerzusammensetzung (z. B. ein Epoxidharz, Silikon,
Fluorsilikon, Polyurethan oder langkettiger Kohlenwasserstoff),
die mit Silberflocken beladen ist, und eine Silikonzusammensetzung,
die unter Verwendung eines Platinkatalysators und eines Silikonpolymers
mit Mengen an aromatischen Stoffen enthaltenden Resten oder ethylenisch
ungesättigten Kohlenwasserstoffresten
(z. B. Vinylresten zusätzlich
zu jenen, die üblicherweise
als Endblocker verwendet werden), sowie Silberpartikeln oder mit
Silber beschichtetem Kupfer, festem Glas, hohlem Glas, Glimmerflocken,
Nickelkörnchen
und -kugeln, kurzer Glas- und Keramikfaser gebildet wird.
- – Ferner
beschreibt das US-Patent Nr. 5 229 037 mehrere Systeme, wie z. B.:
eine stark elektrisch leitfähige Silikonkautschuk-Zusammensetzung,
die Edelmetallpulver oder ein anorganisches Material (beispielsweise
Glas, Glimmer, Aluminiumoxid, Kohlenstoff und dergleichen), das
mit Silber, Nickel usw. beschichtet oder überzogen ist, enthält; eine
Silikonkautschuk-Zusammensetzung, die durch Vermischen eines metallischen,
elektrische Leitfähigkeit
verleihenden Mittels mit einer isolierenden Silikonkautschuk-Zusammensetzung
in Kombination mit einem feinen Pulver oder einem gehärteten Silikonkautschuk
(oder alternativ Ruß)
erhalten wird; und eine elektrisch leitfähige Zusammensetzung mit einem
Diorganopolysiloxan, kugelförmigen
Partikeln eines gehärteten
Silikonelastomers, einem metallischen, elektrische Leitfähigkeit
verleihenden Mittel in fein verteilter Form und einem Härtungsmittel
sowie (wahlweise) einer flüssigen
Organosilikon-Verbindung.
-
Die
vorangehenden Offenbarungen stellen Versuche beim Beladen von Silikonkautschukmaterialien dar.
Im Allgemeinen weisen diese Materialien eine ausgezeichnete heiße und kalte
Beständigkeit
und Bewitterungsfähigkeit
sowie ausgezeichnete elektrische Isolationseigenschaften auf, so
dass sie in einer Vielfalt von Anwendungen umfangreich verwendet
werden. Elektrisch leitfähige
Silikonkautschuke mit einem spezifischen elektrischen Volumenwiderstand
von 10–4 bis
106 Ohm·cm wurden durch Vermischen
eines isolierenden Silikonkautschuk-Precursors mit einer beträchtlichen
Menge eines elektrische Leitfähigkeit
verleihenden Mittels und Härten,
um den Silikonkautschuk zu bilden, hergestellt. Typischerweise weisen
Dichtungen oder Zusammensetzungen, die zur EMI-Abschirmung vorgesehen
sind, einen spezifischen elektrischen Volumenwiderstand von 10–3 bis
10–2 Ohm·cm auf.
Obwohl solche Kautschuke eigentlich an und für sich angemessen flexibel sind
und typischerweise aus Precursor-Materialien hergestellt werden,
die angemessen formbar sind, können jedoch
bei Beladungsniveaus, die erforderlich sind, um den Endprodukten
eine hohe Leitfähigkeit
zu verleihen, diese Eigenschaften unannehmbar vermindert werden.
-
Zusammengefasst:
die Formbarkeit und Flexibilität
sind wichtige Erwägungen,
wenn das Ziel darin besteht, flexible Dichtungsringe oder Dichtungen
auszubilden, die für
Wellenleiteranordnungen, wetterdichte HF-Umhüllungen und dergleichen nützlich sind,
oder eine relativ leichtgewichtige Abschirmung zum Schützen von
empfindlichen elektronischen Vorrichtungen vor höheren Pegeln von elektromagnetischer
Strahlung in der Umgebung aufgrund einer erhöhten Verwendung der elektronischen
Anlage auszubilden. Bei Rückkehr
zu den Wellenleiteranwendungen müssen
die verwendeten Materialien beispielsweise eine hohe elektrische
Leitfähigkeit
und Undurchlässigkeit
für die
elektromagnetische Energie im Wellenleiter aufweisen, um als wirksamer Teil
der Wellenleiterstruktur zu wirken. Ebenso müssen Materialien, die als Hochfrequenzabschirmung
verwendet werden, sehr leitfähig
und für
elektromagnetische Strahlung bei den betreffenden Frequenzen undurchlässig sein,
um eine empfindliche elektronische Instrumentenausrüstung vor
fremder elektromagnetischer Energie zu schützen, die in der Umgebung vorliegt.
Die Eigenschaften der Flexibilität
und Precursor-Formbarkeit sind jedoch auch in jeder der vorstehend
erwähnten
Anwendung wichtig, so dass (beispielsweise) ein leitfähiger Gegenstand,
der aus einem solchen Material ausgebildet ist, in Kontakt mit einem
manipulierbaren Element konfiguriert und/oder gehalten werden kann,
um die erforderliche Zone der Einschränkung der elektromagnetischen
Energie für
den Wellenleiterweg oder den Ausschluss der Energie von den abgeschirmten
Komponenten vorzusehen. (Es ist selbstverständlich, dass solche Eigenschaften
auch für
das Erreichen einer flüssigkeits-
oder luftdichten Dichtung, beispielsweise wie durch eine flexible
elektrisch leitfähige
Dichtung bereitgestellt, zwischen einem Paar von in Eingriff stehenden
Teilen wichtig sind.) Es liegt solchen bisher hergestellten Materialien
nachteiligerweise inne, dass ein Kompromiss zwischen der Flexibilität einerseits
und der elektrischen Leitfähigkeit andererseits
besteht. Wenn ein besser elektrisch leitfähiger Füllstoff zum Matrix-Material zugegeben
wird, nimmt die Leitfähigkeit
des Materials zu, aber die Flexibilität nimmt ab. Hohe Füllstoffbeladungen,
die als zum Erreichen einer ausreichenden Leitfähigkeit notwendig erachtet
werden, begrenzen überdies auch
die Verarbeitungsvielseitigkeit eines Materials, wie z. B. seine
Kompatibilität
mit Spritzgießverfahren.
Verschiedene Versuche wurden unternommen, um die vor stehend beschriebenen
Probleme zu lösen,
jedoch ohne zufrieden stellende Ergebnisse.
-
Ein
Material, das sowohl gute elektrische Leitfähigkeit als auch gute Flexibilität (oder
im Fall eines Precursors gute Formbarkeit) aufweist, wie vorstehend
genannt, würde
das Fachgebiet wesentlich vorwärts
bringen.
-
Aufgaben der
Erfindung
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, die vorstehend identifizierten Schwierigkeiten
zu beseitigen.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material
mit guter Flexibilität
zu schaffen, das auch elektrisch leitfähig ist.
-
Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Precursor-Material,
das gute Formbarkeit aufweist, und in Bezug auf die Herstellung
eines elektrisch leitfähigen
flexiblen Material daraus zu schaffen.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur
Herstellung und Verwendung der vorstehend erwähnten Zusammensetzungen und
Precursor-Materialien
zu schaffen.
-
Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Produkte,
die aus solchen Zusammensetzungen ausgebildet sind, herzustellen,
einschließlich
Dichtungen, geformten Gegenständen,
spritzgegossenen Gegenständen
usw.
-
Verschiedene
weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind aus der
folgenden Beschreibung leicht ersichtlich.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
In
einem Aspekt ist die Erfindung eine elektrisch leitfähige Zusammensetzung,
die ein elastisches Matrix-Material und ein darin verteiltes korpuskulares
Füllmaterial
umfasst, wobei der korpuskulare Füllstoff eine Vielzahl von Partikeln
mit einem länglichen
Kern oder Substrat, der/das mit einem leitfähigen Material beschichtet
ist, und eine Vielzahl von Partikeln mit einem kugelförmigen Kern
oder Substrat, der/das mit einem leitfähigen Material beschichtet
ist, umfasst. Die Verteilung des korpuskularen Füllmaterials in dem Matrix-Material
ist derart, dass die länglichen
Partikel und die kugelförmigen
Partikel im Wesentlichen gegenseitig vermischt sind, wobei die Gesamtmenge
des korpuskularen Füllstoffs
40 bis 70 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ist und das Gewichtsverhältnis der
länglichen
Partikel zu den kugelförmigen
Partikeln 1:1 bis 4:1 ist, so dass die mit leitfähigem Material beschichteten
Partikel in einer elektromagnetischen Beziehung stehen und so dass
die Zusammensetzung funktional flexibel ist.
-
In
einem weiteren Aspekt ist die Erfindung eine elektrisch leitfähige Paste
zum Ausbilden einer verfestigten flexiblen elektrisch leitfähigen Zusammensetzung,
wobei die Paste ein Precursor-Material, das zu einem elastischen
Matrix-Material formbar ist, und korpuskulares Füllmaterial, das in dem Precursor-Material
verteilt ist, umfasst, wobei das korpuskulare Füllmaterial eine Vielzahl von
Partikeln mit einem länglichen
Kern oder Substrat, der/das mit einem leitfähigen Material beschichtet
ist, und eine Vielzahl von kugelförmigen Partikeln mit einem
Kern oder Substrat, der/das mit einem leitfähigen Material beschichtet
ist, umfasst, wobei die länglichen
Partikel und kugelförmigen
Partikel im Wesentlichen gegenseitig vermischt sind, wobei die Gesamtmenge
des korpuskularen Füllstoffs
und die Mengen der länglichen
und kugelförmigen
leitfähigen
Partikel relativ zueinander derart sind, dass, wenn das Precursor-Material
in die Matrix geformt wird, die mit leitfähigem Material beschichteten
Partikel in einer elektrisch leitfähigen Beziehung stehen und
die Zusammensetzung funktional flexibel ist.
-
Die
vorliegende Erfindung macht von einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Partikeln
Gebrauch, die einen ersten Teil von Partikeln, die im Wesentlichen
aus einem länglichen
Kern oder Substrat bestehen, der/das mit einem elektrisch leitfähigen Material
beschichtet ist, und einen zweiten Teil von Partikeln, die im Wesentlichen
aus einem kugelförmigen
Kern oder Substrat bestehen, der/das mit einem elektrisch leitfähigen Material
beschichtet ist, umfassen, wobei die zwei Teile von Partikeln im
Wesentlichen gegenseitig vermischt sind, wobei die Mengen der länglichen
Partikel und kugelförmigen
Partikel relativ zueinander derart sind, dass, wenn die Partikel
in eine Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus solchen Partikeln
und einem im Wesentlichen nicht leitfähigen flexiblen Matrix-Material
besteht, in einer Menge integriert werden, die wirksam ist, um der
Zusammensetzung elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, die Zusammensetzung
auch funktionale Flexibilität
aufweist.
-
In
einem weiteren Aspekt ist die Erfindung als Herstellungsgegenstand
ein geformtes Element mit einer elektrisch leitfähigen Zusammensetzung, wie
vorstehend definiert.
-
Die
Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können durch ein Verfahren hergestellt
werden, das das Einmischen eines korpuskularen Füllmaterials mit einer Vielzahl
von länglichen
Partikeln mit einem Kern oder Substrat, der/das mit einem leitfähigen Material
beschichtet ist, und einer Vielzahl von kugelförmigen Partikeln mit einem
Kern oder Substrat, der/das mit einem leitfähigen Material beschichtet
ist, in einen Precursor eines flexiblen Matrix-Materials derart
umfasst, dass die länglichen
Partikel und die kugelförmigen
Partikel im Precursor im Wesentlichen gegenseitig vermischt werden;
anschließend
wird der Precursor gehärtet,
um die Matrix zu bilden; wobei die Menge des gesamten korpuskularen
Füllstoffs
und die Mengen der länglichen leitfähigen Partikel
und kugelförmigen
leitfähigen
Partikel relativ zueinander derart sind, dass die mit leitfähigem Material
beschichteten Partikel in der Zusammensetzung nach dem Härten in
einer elektrisch leitfähigen Beziehung
stehen und die Zusammensetzung funktional flexibel ist.
-
Die
Pasten der vorliegenden Erfindung können durch ein Verfahren hergestellt
werden, das das Einmischen eines korpuskularen Füllmaterials mit einer Vielzahl
von länglichen
Partikeln mit einem Kern oder Substrat, der/das mit einem leitfähigen Material
beschichtet ist, und einer Vielzahl von kugelförmigen Partikeln mit einem
Kern oder Substrat, der/das mit einem leitfähigen Material beschichtet
ist, in ein Precursor-Material, das zu einem flexiblen Matrix-Material
formbar ist, so dass die länglichen
Partikel und die kugelförmigen
Partikel im Precursor im Wesentlichen gegenseitig vermischt werden,
umfasst. Die Gesamtmenge des korpuskularen Füllstoffs und die Mengen der
länglichen
Partikel und kugelförmigen
Partikel relativ zueinander sind derart, dass, wenn das Precursor-Material
zur Matrix ge formt wird, die mit leitfähigem Material beschichteten
Partikel in der Zusammensetzung in einer elektrisch leitfähigen Beziehung
stehen und die Zusammensetzung funktionale Flexibilität aufweist.
-
Die
Erfindung ist zum Schaffen einer Abschirmung, von leitfähigen Komponenten,
Elementen zur Ableitung einer elektrostatischen Ladung und anderen
Herstellungsgegenständen,
in denen gute elektrische Leitfähigkeit
und Flexibilität
erforderlich oder vorteilhaft sind, nützlich.
-
Die
Praxis gemäß der Erfindung
führt zu
merklichen Vorteilen. Die gute Leitfähigkeit wird durch die Integration
einer beträchtlichen
Menge von korpuskularem leitfähigem
Füllstoff
erreicht. Außerdem
wird eine Wirtschaftlichkeit durch die Verwendung von leitfähigen Füllmaterialien
erreicht, die weitgehend aus einer oder mehreren relativ kostengünstigen
Substanzen bestehen, die typischerweise als Kern oder Substrat fungieren, und
die im Wesentlichen vollständig
oder in einem wirksamen Teil mit einem elektrisch leitfähigen Material
bedeckt sind, das gewöhnlich
(wenn auch nicht notwendigerweise) teurer ist als die vorstehend
erwähnte(n)
Substanz(en). In dieser Weise kann die Menge an teurerem Material
im Vergleich zu Ausführungsformen
verringert werden, in denen der leitfähige Füllstoff vollständig (oder
hauptsächlich)
aus einer oder mehreren relativ teuren elektrisch leitfähigen Substanzen
besteht. Überdies
kann der korpuskulare leitfähige
Füllstoff
der Erfindung derart formuliert werden, dass sein spezifisches Gewicht
relativ niedriger ist als jenes von festen Metallfüllstoffen,
mit dem vorteilhaften Ergebnis, dass das spezifische Gewicht von
mit dem Füllstoff
der Erfindung beladenen Zusammensetzungen auch niedriger ist. Und
trotz der Verwendung von merklichen Mengen von korpuskularem leitfähigen Füllstoff,
um die vorstehend erwähnten
Vorteile sicherzustellen, schafft die Erfindung trotzdem auch eine
Weise zum Aufrechterhalten eines effektiven Grades an Flexibilität eines
Matrix-Materials und der eigenen Formbarkeit einer Precursor-Paste,
in der der Füllstoff
verteilt ist.
-
Durch
Ausführung
innerhalb der Erfindung können
folglich alle konkurrierenden Belange, die in den vorangehenden
Absätzen
erörtert
sind, gelöst
werden.
-
Beschreibung von bestimmten
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung
-
Einleitend
ist zu erkennen, dass die in der vorliegenden Erfindung verwendeten
Matrix-Materialien passend diejenigen sind, die in Anwendungen verwendet
werden, für
die Flexibilität
erwünscht
ist, oder diejenigen sind, die ansonsten elastomere Eigenschaften
zeigen. Solche Materialien umfassen Kautschuke, wie z. B. Fluorsilikon,
EPDM (Ethylenpropylendien-Monomer) und thermoplastisches Polyurethan.
Von speziellem Interesse sind Matrixsysteme auf Silikonbasis, die
wegen ihrer elastomeren Eigenschaften geschätzt werden. Materialien auf
Silikonbasis ermöglichen
die Herstellung von geformten elektrisch leitfähigen Körpern, die für Anwendungen
geeignet sind, die hohe Flexibilität erfordern. In Abhängigkeit
von der Formulierung der Matrix können diese verwendet werden,
um Herstellungsgegenstände,
wie z. B. leitfähige
Dichtungen, Abschirmungen, leitfähige
Klebstoffe und dergleichen, zu bilden.
-
Die
Matrix wird aus einem härtbaren
Precursor-Material ausgebildet. Dieses Material ist typischerweise
eine Substanz oder Substanzen (z. B. ein System), die, wenn sie
einer Bedingung wie z. B. Katalyse, Wärme, Bestrahlung mit Ultraviolettlicht
oder dergleichen ausgesetzt wird – in ein verfestigtes flexibles
Material umgewandelt werden kann. An und für sich sind die Auswahl und
Verarbeitung von Precursor-Materialien zur Bildung zu den Matrizes,
die bei der Ausführung
der Erfindung nützlich
sind, auf dem Fachgebiet bekannt. Als Beispiel siehe im Allgemeinen
die vorstehend erörterten
Offenbarungen im "Hintergrund
der Erfindung".
Ein üblicher
Fachmann kann, sobald er mit den Lehren hierin versehen ist, ein
solches Wissen von Precursor-Materialien an die Praxis der Erfindung
ohne übermäßige Experimentierung
oder weitere Erfindung anpassen.
-
Die
vorstehend erwähnten
besonders interessierenden Polysiloxan-Matrix-Materialien werden
aus einem härtbaren
Siloxan-Precursor-System ausgebildet und umfassen typischerweise
eine nicht leitfähige
Polymersubstanz, in der das elektrisch leitfähige Füllmaterial verteilt werden
kann, um elektrische Leitfähigkeit
zu verleihen. Der Begriff "Polysiloxan" bezieht sich auf
die Hauptkomponente der Polymersubstanz, schließt jedoch die Anwesenheit anderer
Substanzen nicht aus. Folglich enthält eine Polysiloxan-Matrix
eine Vielzahl von verschiedenen Siloxaneinheiten, die sich jeweils über das
ganze Material wiederholen, wobei solche Einheiten typischerweise
mit einem oder mehreren organischen Resten substituiert sind, zusammen
mit anderen Komponenten, wie z. B. einem Härtungsmittel, einem Katalysator
oder einem oder mehreren Katalysator-Inhibitoren, und Bestandteilen
zum Verbessern der Bearbeitbarkeit des härtbaren Precursor-Systems oder
einer oder mehrerer der Eigenschaften des aus einem solchen System
hergestellten gehärteten
Materials. Zusätzliche Bestandteile
in dieser letzten Kategorie umfassen, sind jedoch nicht begrenzt
auf Verstärkungsfüllstoffe,
wie z. B. fein verteiltes Siliciumdioxid, nicht verstärkende Füllstoffe,
Füllstoff-Behandlungsmittel,
Haftförderer, Flammverzögerungsmittel,
Wärmestabilisatoren,
Pigmente und Farbstoffe. In Abhängigkeit
von dem Polymerisationsgrad kann die Viskosität der Precursor-Siloxan-Komponente,
die im härtbaren
System verwendet wird, von jener einer fließfähigen Flüssigkeit bis zu jener eines
relativ viskosen Gels oder Harzes reichen, obwohl es in bestimmten
guten Ausführungsformen
der Erfindung wichtig ist, dass der Precursor eine ausreichende Formbarkeit
besitzt, so dass er in Spritzgießvorgängen und dergleichen verwendet
werden kann. Die ausgewählten
Siloxan-Komponenten hängen
von den gewünschten
Prozessen und Härtungsbedingungen
zusätzlich
zu den physikalischen Eigenschaften, die in der gehärteten Matrix
angestrebt werden, ab. Wie bisher angegeben, ist die Polysiloxan-Matrix-Technologie,
einschließlich
deren Ausbildung aus einer Siloxan-Komponente, an und für sich bekannt
und ein üblicher
Fachmann kann geeignete Matrix-Materialien in Abhängigkeit von
den gewünschten
physikalischen Eigenschaften und Precursor-Siloxan-Komponenten zur
Herstellung derselben ohne übermäßige Experimentierung
oder weitere Erfindung auswählen.
-
In
noch weiteren guten Ausführungsformen
der Erfindung werden Fluorsilikone verwendet. Dies bietet die Vorteile
von sowohl Silikonen als auch Fluorkohlenstoffen (Silikone sind
in den vorangehenden Absätzen erörtert; die
Fluorierung von Verbindungen verbessert häufig ihre Wärmestabilität). Im Fall von Siloxanen beginnt
die Fluorierung gewöhnlich
in der Gamma-Position einer Substituenten-Alkylkette (aufgrund der elektropositiven
Art von Silikon kann die Fluorierung in den Alpha- und Beta-Positionen
zu einer schlechten Wärmestabilität führen). Folglich
sind kommerzielle Fluorsilikone häufig mit Trifluorpropyl substituierte
Methylmaterialien.
-
Beispiele
von Matrix-Materialien auf Silikonbasis, die in der vorliegenden
Erfindung nützlich
sind, sind: elastomeres thermoplastisches Polyblock-Organopolysiloxan-Copolymer
(in einer Reaktion gebildet, die durch Platinchlorid-Derivate katalysiert
wird), wie im US-Patent Nr. 4 822 523 beschrieben; Organopoly-Siloxane,
wie im US-Patent Nr. 4 777 205 und US-Patent Nr. 5 227 093 beschrieben;
ein Silikon-Bindemittelsystem mit einem Vinylgummityp von Silikonharz
als erster Komponente und einem flüssigen Silikonharz als zweiter
Komponente, wie im US-Patent
Nr. 4 836 955 beschrieben; ein druckempfindlicher Siloxansilikon-Klebstoff,
ein elektrisch leitfähiger
Werkstoff mit einem Gemisch von Siloxanpolymer mit einem Härtungsmittel
(Aminosilan oder Aminosilazan), Vinyl enthaltende Organopolysiloxane
und Organopolysiloxane mit Si-gebundenen Wasserstoffatomen, eine
Polymerzusammensetzung (z. B. ein Epoxidharz, Silikon, Fluorsilikon,
Polyurethan oder langkettiger Kohlenwasserstoff) und eine Silikonzusammensetzung,
die unter Verwendung eines Platinkatalysators und Silikonpolymers
mit Mengen von aromatische Stoffe enthaltenden Resten oder ethylenisch
ungesättigten Kohlenwasserstoffresten
(z. B. Vinylresten zusätzlich
zu jenen, die üblicherweise
als Endblocker verwendet werden) gebildet wird, alle wie im US-Patent
Nr. 5 075 038 beschrieben.
-
Für die Matrix
der Erfindung sind auch mehrere Systeme nützlich, wie z. B.: ein stark
elektrisch leitfähiger
Silikonkautschuk; eine Silikonkautschuk-Zusammensetzung, die in
einem angemessenen Teil durch Vermischen einer isolierenden Silikonkautschuk-Zusammensetzung
in Kombination mit einem feinen Pulver eines gehärteten Silikonkautschuks (oder
alternativ Ruß)
erhalten wird; und eine Zusammensetzung mit einem Diorganopolysiloxan,
kugelförmigen
Partikeln eines gehärteten
Silikonelastomers und einem Härtungsmittel
sowie (wahlweise) einer flüssigen
Organosilikon-Verbindung, alle wie im US-Patent Nr. 5 229 037 beschrieben. Außerdem sind
für die
Matrix der Erfindung nützlich:
ein mit Vinylgruppen beendetes Polydimethylsiloxan, das wahlweise
andere Polymerkomponenten und ein Hydrosylgruppen enthaltendes Polydimethylsiloxan
zum Wirken als Härtungsmittel
enthält,
wie im US-Patent Nr. 5 344 593 beschrieben; ein System mit einem
Organopolysiloxan mit mindestens zwei Alkenylgruppen in seinem Molekül, einem
Organowasserstoff-Polysiloxan mit mindestens zwei Silikon-gebundenen
Wasserstoffatomen in seinem Molekül, einem Platingruppen-Metallkatalysator,
einer Organosilikon-Verbindung mit mindestens einem Silikon-gebundenen
Wasserstoffatom und mindestens einer an Silikon gebundenen Epoxygruppen
enthaltenden organischen Gruppe oder Alkoxygruppe, wie im US-Patent
Nr. 5 384 075 offenbart; ein Silikonelastomer, das beispielsweise
durch Mischen von Vinylmethylsiloxan mit einem Platinkatalysator
mit Methylhydrogensiloxan, einem Teflon-Pulver und einem wärmehärtbaren
Silikonkautschuksystem, das einen inhibierten Platinkatalysator
enthält,
hergestellt wird, wie im US-Patent Nr. 5 498 644 offenbart; und
eine Zusammensetzung, die durch Entfernen von Wasser aus einer Emulsion
mit einer dispergierten Phase von Elastomer (z. B. auf der Basis
von Polydiorganosiloxan) und einer kontinuierlichen Phase von Wasser
hergestellt wird, wie im US-Patent Nr. 5 091 114 offenbart.
-
In
bestimmten guten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung enthalten die elektrisch leitfähigen Zusammensetzungen
der Erfindung auch anorganische Füllstoffe wie z. B. gewöhnliches
Siliciumdioxidpulver, kolloidales Siliciumdioxid, Aerogel-Siliciumdioxid,
Aluminiumoxid oder dergleichen. Solche Füllmaterialien haben typischerweise
eine Verstärkungsfunktion
mit einer Oberfläche
von mindestens 50 m2/g und/oder pyrogen
hergestelltem Siliciumdioxid. Der Einschluss eines solchen Materials
verleiht dem ungehärteten
Gemisch ausreichend Thixotropie, höhere Viskosität und eine
verbesserte Verteilungsstabilität
der elektrisch leitfähigen
Partikel und kann auch der gehärteten
Zusammensetzung eine verbesserte Festigkeit verleihen. Außerdem kann
es in einigen weiteren Ausführungsformen
der Erfindung vorteilhaft sein, Füllstoffe einzuschließen, die
halb oder nicht verstärkend
sind, d. h. Füllstoffe,
die eine Oberfläche
von weniger als 50 m2/g aufweisen. Beispiele
von halb oder nicht verstärkenden
Füllstoffen
sind Metalloxide, Metallnitride, Glaskügelchen, -blasen oder -fasern,
Metallflocken, -pulver und -fasern, wie z. B. Kupfer-, Nickel- und
Aluminiumkork, organische Harze, Polytetrafluorethylen, Polychlortrifluorethylen,
Polyvinylchlorid, Bentonit, Diatomeenerde, zerstoßener Quarz,
Glimmer und Gemische davon. Diese Füllmaterialien können beispielsweise
mit Trialkylalkoxysilanen wie z. B. Trimethylethoxysilan behandelt
werden, um die Oberflächen
mit Organosiloxy-Gruppen zu beschichten.
-
Andere
Additive, die in die leitfähigen
Zusammensetzungen der Erfindung integriert werden können, umfassen
Pigmente, Druckverformungsadditive, Oxidationsinhibitoren, Weichmacher,
Haftförderer,
Basenstabilisatoren und andere Materialien, die üblicherweise als Additive auf
dem Silikonkautschuk-Fachgebiet verwendet werden. Die leitfähige Zusammensetzung
der Erfindung kann auch einen Wärmebeständigkeitsverbesserer
wie z. B. Ceroxid, einen Flammverzögerer und nicht funktionale
Organopolysiloxane zum Verbessern der Wärmeschockbeständigkeit,
Flexibilität
und dergleichen der gehärteten
Zusammensetzung enthalten.
-
In
Einklang mit der vorangehenden Offenbarung sind Härtungsverfahren
an und für
sich bekannt. Folglich wird das Härten häufig durch Integrieren einer
geeigneten Katalysatorkomponente in das Precursor-Material für die Additionsreaktion,
beispielsweise zum Wirken als Härtungsbeschleuniger,
implementiert. Solche Ka talysatoren sind auch an und für sich bekannt
und ein üblicher
Fachmann kann, sobald er die Lehren hierin besitzt, geeignete Katalysatoren
zum Erreichen der gewünschten
Härtung
ohne übermäßige Experimentierung
der weiteren Erfindung auswählen.
Der Katalysator kann beispielsweise ein beliebiger Härtungskatalysator
sein, der für
die in den Zusammensetzungen der Erfindung verwendeten Matrix-Precursors
geeignet ist. In der vorliegenden Erfindung sind mobile Metallkatalysatoren
und Organoperoxid-Katalysatoren unter den bevorzugten. Nützliche
Edelmetall-Katalysatoren umfassen Platin und Palladium für die Extrusion;
nützliche
Organoperoxid-Katalysatoren umfassen Dicumylperoxid, Dibenzoylperoxid
und MEK-Peroxid (Methylethylketon-Peroxid).
-
Das
Verfahren der Zugabe des Härtungskatalysators
ist nicht kritisch. Der Katalysator kann mit der (den) Siloxankomponente(n)
für den
Zweck der Lagerstabilität,
der Verhinderung einer gleichmäßigen Katalysatorverteilung
usw. im Voraus vermischt werden. Der Katalysator wird häufig in
das Reaktionsgemisch bei Raumtemperatur integriert, obwohl der Katalysator
bei erhöhter
Temperatur zugegeben werden kann, falls erwünscht. Die Menge an Katalysator
kann durch einen üblichen
Fachmann ohne Ausübung
einer weiteren Erfindung bestimmt werden, sobald er mit den Lehren
dieser Erfindung versehen ist. Diese Menge basiert typischerweise
auf der gewünschten
tatsächlichen
Härtungsrate,
Arbeitslebensdauer und dergleichen.
-
Ein
zentrales Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
eines korpuskularen Füllmaterials
mit sowohl länglichen
als auch kugelförmigen
leitfähigen
Partikeln. Jede unterschiedliche Partikelform, die in einer geeigneten
Menge enthalten ist, ist für
die Verwirklichung des durch die Erfindung verliehenen Vorteils wichtig.
Einerseits sind längliche
Formen insofern sehr vorteilhaft, als ihre Verwendung zu einem verringerten Volumen
eines relativ starren Füllmaterials
in der Zusammensetzung (und im Precursor-Material) führen sollte, wenn
sie zweckmäßig verteilt
sind. Mit der Verwendung von länglichen
Formen kommt leider auch die Gefahr einer Ausrichtung und folglich
Steifigkeit, die die gewünschte
Flexibilität
und Formbarkeit gewöhnlich
verringert. Obwohl die Integration von kugelförmigen Partikeln das Auftreten
einer richtungsabhängigen
Ausrichtung minimiert, ist andererseits die Leitung zwischen jeweiligen
Kugeln im Wesentlichen punktweiser Art und hat die Anwesenheit einer
viel größeren Menge
an starrem Füllmaterial,
um die Leitfähigkeit
zu erreichen, als bei länglichen
Partikeln zur Folge. Dies erhöht
nicht nur die Menge an erforderlichem leitfähigem Metall, sondern verringert
auch die Menge an Matrix-Material, was gewöhnlich die Formbarkeit und
Flexibilität
beeinträchtigt.
Das Problem wird von der vorliegenden Erfindung gelöst. Es wird
angenommen, dass der Einschluss von länglichen leitfähigen Partikeln
in Kombination mit kugelförmigen
leitfähigen
Partikeln zu einer vorteilhaften Desorientierung von länglichen
Partikeln führt,
um die Formbarkeit und Flexibilität zu fördern. Das heißt, während längliche
Partikel, die allein in Polymermatrizes integriert sind, sich gewöhnlich entlang
einer einzelnen Achse orientieren, sind längliche Partikel, die in die
Polymermatrizes in Gegenwart von kugelförmigen Partikeln integriert
sind, gewöhnlich
zufällig
verteilt oder zumindest ausreichend wenig orientiert, dass das Verbundmaterial nicht
in einem schädlichen
Ausmaß versteift.
Folglich werden die Formbarkeit und Flexibilität auf relativ hohen Niveaus
gehalten. Dies wird bewerkstelligt, während trotzdem eine relativ
kostengünstige,
stark elektrisch leitfähige
Zusammensetzung und ein Precursor-Material, aus dem eine solche
Zusammensetzung hergestellt werden kann, erreicht werden.
-
Die
Verwendung von kugelförmigen
Partikeln zusammen mit länglichen
Partikeln führt
ferner zu einer Zusammensetzung mit überlegener Maßgleichmäßigkeit
und -stabilität
im Vergleich zu Zusammensetzungen, die nur längliche Partikel verwenden.
Die physikalischen Effekte der Orientierung von länglichen
Partikeln gemäß der Erfindung
sind beispielsweise signifikant. Längliche Partikel, die entlang
einer einzelnen Achse orientiert sind, verursachen selektiv Steifigkeit
entlang dieser Achse. Die Desorientierung von länglichen Partikeln verhindert
eine verschlimmerte Versteifung entlang irgendeiner Achse und bricht
statt dessen effektiv den Versteifungseffekt der länglichen
Partikel auf und verteilt diesen gleichmäßig über die ganze Matrix, was zu
Flexibilität
beiträgt.
Eine solche Desorientierung führt
auch zu einer gleichmäßigeren
elektrischen Leitfähigkeit
und einem gleichmäßigeren
spezifischen elektrischen Widerstand.
-
Die
vorstehend erwähnten
Eigenschaften werden durch eine Verteilung eines Gemisches von kugelförmigen leitfähigen Partikeln
und länglichen
leitfähigen
Partikeln in einer geeigneten Matrix erreicht. Dass die länglichen
Partikel und kugelförmigen
Partikel "im Wesentlichen
gegenseitig vermischt" sind,
soll für
die Zwecke der vorliegenden Beschreibung bedeuten, dass die länglichen
Partikel mehr oder weniger gleichmäßig unter den kugelförmigen Partikeln
verteilt sind und umgekehrt. Diese Bedingung tritt gemäß der Erfindung
nicht nur auf, wenn die Partikel miteinander in Abwesenheit eines
Matrix-Materials oder Precursors davon vermischt werden, sondern
auch, wenn die Partikel in diesem Material oder einem Precursor-Material
enthalten sind. Durch Erreichen dieser Vermischung können die
Vorteile der Erfindung verwirklicht werden. Es können natürlich lokale Schwankungen bestehen,
wobei das korpuskulare Füllmaterial
uncharakteristisch konzentriert oder spärlich ist, aber diese Stellen
sollten in der Größe und Anzahl
eingeschränkt
sein, so dass die guten Eigenschaften, die durch die Praxis der
Erfindung verliehen werden, nicht verloren gehen.
-
Der
Begriff "Partikel" oder "korpuskular", wie hierin verwendet,
bezieht sich auf eine kleine, diskrete Menge von Stoff; obwohl diese
Partikel kugelförmig
oder länglich
sind, müssen
sie nicht vollständig
symmetrisch sein und können
tatsächlich
an verschiedenen unterschiedlichen Stellen eine unregelmäßige Form
aufweisen, solange die allgemeinen länglichen bzw. kugelförmigen Konfigurationen
bewahrt werden. Typischerweise umfasst der Partikel einen Kern oder
ein Substrat eines geeigneten Füllmaterials
und darauf abgeschieden ein geeignet elektrisch leitfähiges Material.
Die Form eines leitfähigen
Partikels wird durch die Konfiguration eines solchen Kerns oder
Substrats bestimmt. Folglich umfassen die länglichen Partikel einen Kern
oder ein Substrat mit einer Länge,
die größer ist
als entweder die Breite oder Dicke. Es ist bevorzugt, dass der längliche
Kern oder das längliche
Substrat in Form eines Stabes oder einer Faser vorliegt. Ebenso
umfassen die kugelförmigen
leitfähigen
Partikel einen kugelförmigen
Kern oder ein kugelförmiges
Substrat, der/das aus einem geeigneten Füllmaterial besteht, und eine
Ablagerung eines elektrisch leitfähigen Materials auf dem Äußeren. Es
ist bevorzugt, dass der kugelförmige
Kern oder das kugelförmige
Substrat kugelförmig
oder im Wesentlichen kugelförmig,
beispielsweise ein kugelförmiges
oder im Wesentlichen kugelförmiges
Kügelchen,
ist.
-
Die
länglichen
Partikel sind ein beliebiges geeignetes Füllmaterial und sind typischerweise
Fasern einer anorganischen Substanz. Ebenso sind die kugelförmigen Partikel
ein beliebiges geeignetes Füllmaterial; sie
sind typischerweise Kügelchen
einer anorganischen Substanz. Der Kern oder das Substrat jedes elektrisch leitfähigen Partikels
ist geeigneterweise ein anorganisches nicht metallisches Material.
Dies kann ein beliebiges eines breiten Bereichs von Materialien
sein, die Eigenschaften und physikalische Eigenschaften aufweisen,
die mit dem Erreichen der Ziele dieser Erfindung konsistent sind.
In diesem Zusammenhang ist es selbstverständlich, dass "nicht metallische" Eigenschaften und
physikalische Eigenschaften gezeigt werden. Geeignete Materialien
zeigen typischerweise nicht elektrisch leitfähige Eigenschaften. Folglich
sind diese Materialien typischerweise Glä ser, Keramiksubstanzen und
natürlich
vorkommende Mineralsubstanzen. Das Folgende sind Beispiele der vorangehenden
Materialien: Oxide, wie z. B. Bauxit, Korund, Ilmenit, Brookit,
Anatas, Rutil und Magnetit, und Hydroxide, wie z. B. Brucit, Sulfide,
wie z. B. Galenit, Pyrit, Chalkopyrit und Sphalerit; Halogenide,
wie z. B. Natriumchlorid, Sylvit und Fluorit; Carbonate, wie z.
B. Calcit, Magnesit und Siderit, Nitrate, wie z. B. Natriumnitrat,
und Borate, wie z. B. Borax und Kernit; Sulfate, Chromate und Molybdate,
wobei Beispiele Celestit, Anhydrit und Gips sind; und Phosphate,
wie z. B. Bivianit, Apatit und Pyromorphit, Arsenate, wie z. B.
Erythrit, und Vanadate, wie z. B. Bavanadinit. Zusätzliche
Beispiele von geeigneten Materialien werden zweckmäßigerweise
folgendermaßen
in Kategorien klassifiziert: die Tectosilikate, einschließlich der
Siliciumdioxid-Gruppe, der Feldspat-Gruppe, der Feldspatoid-Gruppe,
der Zeolith-Gruppe; die Philosilikate, einschließlich Kaolinit, Talkum und
Vermiculit, und der Glimmergruppe, beispielsweise Muscovit, Phlogovit
und Biotit; die Inosilikate, einschließlich der Amphibol-Gruppe,
beispielsweise der Cummingtonit-Serie, der Pyroxen-Gruppe, einschließlich der
Hypersthen-Serie,
beispielsweise Spodumen, und der Pyroxenoid-Gruppe; die Cyclosilikate,
einschließlich
Beryl und Turmalin; die Sorosilikat-Gruppe, beispielsweise Vesuvian;
die Neosilikate, einschließlich
der Olivin-Serie, wie z. B. Magnesiumeisensilikat, und auch einschließlich Willemit;
die Aluminiumsilikat-Gruppe; die Granat-Gruppe, und Silikate mit Zwischenstruktur,
wie z. B. Prehnit, Chrysokoll und Dumortierit. Es ist selbstverständlich,
dass synthetische sowie natürlich
vorkommende, anorganische, nicht metallische Materialien für die Ausführung der
Erfindung geeignet sind.
-
Der
längliche
Kern oder das längliche
Substrat ist typischerweise eine Faser. Seine Verarbeitung kann häufig ohne
die strengeren Bedingungen durchgeführt werden, die häufig mit
der Zusammenballung verbunden sind. Andererseits ist der kugelförmige Kern
oder das kugelförmige
Substrat typischerweise ein Kügelchen.
Um ein Material zusammenzuballen, ist häufig seine Erhitzung auf ziemlich
hohe Temperaturen erforderlich und bei solchen Temperaturen können einige
der vorangehenden Materialien, beispielsweise einige unter den Hydroxiden,
Sulfiden, Halogeniden, Carbonaten, Nitraten und Sulfaten, in Oxide
umgewandelt werden. Folglich kann die Zusammenballung dieser Materialien
nur mit Sorgfalt, falls überhaupt,
durchgeführt
werden.
-
In
Ausführungsformen,
in denen der leitfähige
Partikelkern oder das leitfähige
Partikelsubstrat Glas ist, ist es typisch, Kalkglas, eine Soda-Kalk-Silikatglas-Zusam mensetzung,
die auf dem Fachgebiet bekannt ist, zu verwenden. Der Kern oder
das Substrat kann jedoch auch geeigneterweise aus Titanglas oder
einem anderen stärker
feuerfesten Glas für
Anwendungen, die spezielle Eigenschaften wie z. B. Wärmebeständigkeit,
niedriger Alkaligehalt und dergleichen erfordern, bestehen.
-
Im
Allgemeinen muss ein anorganisches nicht metallisches Material,
das zur Verwendung als Partikelkern oder Ersatz ausgewählt wird,
derart sein, dass die Partikel unter Verarbeitungsbedingungen, denen
das Precursor-Material dieser Erfindung bei der Herstellung eines
elektrisch leitfähigen
Körpers
daraus unterzogen wird, nicht erweichen oder sich merklich in der
Form verzerren.
-
Die
Partikel aus anorganischem nicht metallischen Material werden in
einer beliebigen geeigneten Weise hergestellt. Als Beispiel ist
ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von geeigneten Fasern durch Strangpressen
durch Spinndüsen.
Als weiteres Beispiel besteht ein geeignetes Verfahren zur Herstellung
von Glaskügelchen
darin, zerstoßene
Glaspartikel in ein vertikal angeordnetes Zugrohr einzuführen. Das
Rohr besitzt eine Wärmequelle
nahe seinem unteren Ende, normalerweise eine gut verteilte Gasflamme,
die durch eine Reihe von Brennern erzeugt wird. Wenn die Verbrennungsgase
aufsteigen, strömen
sie in eine Expansionskammer und führen die Glaspartikel, die
weich werden, mit sich, so dass die Partikel durch Oberflächenspannung
zu einer Kugelform geformt werden. Die Kügelchen werden dann gekühlt und
gesammelt. Verschiedene Kügelchenherstellungssysteme
sind beispielsweise im US-Patent Nrn. 3 279 905, am 18. Oktober
1956 Thomas K. Wood et al. erteilt, 3 887 914, am 15. April 1975
Ib Von Irgensbergh erteilt, 3 887 918, am 15. April 1975 Thomas
A Cerbo erteilt, 3 907 537, am 23. September 1975 Ib Von Irgensbergh
erteilt, und 4 046 548, am 6. September 1977 Thomas K. Wood et al.
erteilt, im Einzelnen erörtert.
-
Die
Beschichtung der anorganischen nicht metallischen Partikel wird
geeigneterweise durch zahlreiche auf dem Fachgebiet bekannte Mittel
bewirkt. Die Silberbeschichtung wird beispielsweise durch Fluidisierung über trockene
oder nasse Verfahren, durch stromloses Plattieren und dergleichen
aufgebracht. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4 777 205, LaScola
erteilt, Nr. 4 822 523, Prud'Homme
erteilt, Nr. 4 836 955, Ehrreich erteilt, 5 075 038, Cole et al.
erteilt, und Nr. 5 227 093, Cole et al. erteilt; US-Patent Nr. 5
229 037, Tanaka et al. erteilt; und US-Patent Nr. 3 635 824, Raymond
G. Brandes et al. erteilt.
-
Wie
vorstehend angegeben, wird jede Art von korpuskularem Füllstoff
leitfähig
gemacht, indem eine Schicht einer wirksamen Menge an leitfähigem Material
darauf abgeschieden wird. Das leitfähige Material ist eine beliebige
geeignete leitfähige
Substanz und kann beispielsweise ein Metall, eine Metalllegierung
oder eine andere Metall enthaltende Substanz sein. Folglich ist
das elektrisch leitfähige
Material vorzugsweise ein Edelmetall oder ein anderes leitfähiges Metall,
eine Legierung von zwei oder mehr dieser Metalle oder eine elektrisch
leitfähige
Verbindung, ein elektrisch leitfähiges
Polymer oder eine andere Substanz, die ein oder mehrere solcher
Metalle enthält.
Besonders bevorzugt sind Edelmetalle, wie z. B. Gold, Silber, Platin,
Palladium, sowie andere leitfähige
Metalle, wie z. B. Nickel, Eisen, Kupfer, Zink, Chrom, Kobalt und
Aluminium.
-
Gemäß dem Vorangehenden
sind die leitfähigen
kugelförmigen
Partikel vorzugsweise mit leitfähigem Metall
beschichtete Glaskügelchen,
insbesondere mit Silber beschichtete Glaskügelchen, die eine im Wesentlichen
kugelförmige
Form aufweisen. Typischerweise besitzen die kugelförmigen Partikel,
einschließlich
der äußeren Schicht
aus leitfähigem
Material, eine Größe von etwa
10 Mikrometer bis 100 Mikrometer im mittleren Durchmesser. Solche
Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 30 Mikrometer bis 70
Mikrometer sind besonders bevorzugt.
-
Die
kugelförmigen
Partikel werden im Allgemeinen mit einem leitfähigen Material in einer Menge
von 8 Gewichtsprozent bis 24 Gewichtsprozent, vorzugsweise in einer
Menge von 12 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent, beschichtet.
-
Ebenso
sind die mit leitfähigem
Metall beschichteten länglichen
Partikel, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, vorzugsweise mit
leitfähigem
Metall beschichtete Glasfasern. Typischerweise weisen die länglichen
Partikel, einschließlich
der äußeren Schicht
aus leitfähigem
Material, einen Durchmesser von 1 Mikrometer bis 50 Mikrometer,
vorzugsweise von 10 Mikrometer bis 20 Mikrometer und am meisten
bevorzugt von 16 Mikrometer auf. Die länglichen Partikel weisen eine
Länge von
4 × 10–4 m
bis 16 × 10–4 m
(1/64 Inch bis 1/16 Inch) auf, wobei 8 × 10–4 m
(1/32 Inch) bevorzugt ist. Besonders bevorzugte längliche
Partikel weisen einen Durchmesser von 16 Mikrometer und eine Länge von
8 × 10–4 m
(1/32 Inch) auf. Im Durchschnitt weisen die länglichen Partikel ein Längenverhältnis von
40:1 bis 320:1 auf, wobei ein Längenverhältnis von
mehr als 80:1 bevorzugt ist.
-
Die
länglichen
Partikel können
durch beliebige bekannte Mittel mit einem leitfähigen Material beschichtet
oder überzogen
werden, vorzugsweise Metallen, wie vorstehend beschrieben. Die Menge
der Metallbeschichtung auf den länglichen
Partikeln variiert von 15 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent,
vorzugsweise von 20 Gewichtsprozent bis 27 Gewichtsprozent. In bestimmten
sehr bevorzugten Ausführungsformen
sind die länglichen
Partikel mit Silber beschichtete Glasfasern, wobei Silber in einer
Menge von 15 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent und am meisten
bevorzugt von 20 Gewichtsprozent bis 27 Gewichtsprozent zu finden ist.
-
Die
vorstehend erwähnten
Komponenten des korpuskularen Füllstoffs
werden (a) in einer zusammengesetzten Menge und (b) in Mengen relativ
zueinander verwendet, so dass die vorstehend erörterten Eigenschaften sichergestellt
werden. Insbesondere ist die Menge an Füllstoff derart, dass die gewünschte gute
Leitfähigkeit
verwirklicht werden kann. Typischerweise liegt das leitfähige Material
in einer Menge vor, die ausreicht, damit die Zusammensetzung einen
spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 20 mOhm·cm aufweist.
Es ist wichtig, dass dies unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs
bewerkstelligt wird, der größtenteils
ein anorganisches Material ist, das weniger kostspielig ist und
das weniger dicht ist als ein Füllstoff,
der hauptsächlich
metallisch ist. Gleichzeitig sind die relativen Mengen von kugelförmigen bzw.
länglichen
leitfähigen
Partikeln derart, dass die sie enthaltende Zusammensetzung angemessen
flexibel ist.
-
Wie
zu erkennen ist, ist es unpraktisch, ein streng numerisches Maß der gesamten
Wirksamkeit der Erfindung beim Bewahren der Flexibilität in dem
für die
elektrisch leitfähige
Zusammensetzung erforderlichen Ausmaß, um bei der gewünschten
Anwendung erfolgreich zu arbeiten, gegenüber der Flexibilität des Materials,
wenn es nicht mit leitfähigem
korpuskularem Füllstoff
beladen ist, bereitzustellen. Was annehmbar ist, variiert von einer
Anwendung zur anderen, usw. Nachdem dies gesagt ist, ist es trotzdem
klar, dass die elektrisch leitfähige
Zusammensetzung die erforderliche minimale Menge an Flexibilität aufweisen
muss, damit sie in der Praxis geeignet ist. Die Erfindung ermöglicht das
Erreichen dieser minimalen Menge an Flexibilität. Da sich diese Menge in Abhängigkeit
von den Verwendungsumständen ändert und
nicht als ein allgemeiner numerischer Parameter ausgedrückt werden
kann, soll die Bedingung des Aufweisens von Flexibilität in zumindest der
erforderlichen minimalen Menge hierin als "effektiv flexibel" bezeichnet werden. Ein üblicher
Fachmann wird in der Lage sein (ohne übermäßige Experimentierung oder
weitere Erfindung), zumindest empirisch die minimale Flexibilität zu identifizieren,
die unter irgendeinem speziellen Satz von Umständen erforderlich ist, und
wird folglich leicht den Begriff "effektiv flexibel" verstehen. Insbesondere reicht die
Menge an korpuskularem Füllstoff
aus, um eine gute Leitfähigkeit
(wie indirekt durch den Widerstand gemessen) zu verwirklichen, vermindert
jedoch nicht signifikant die Flexibilität gegenüber jener des Matrix-Materials
allein (indirekt durch die Durometer-Härte oder durch andere Messungen
der physikalischen und strukturellen Integrität gemessen). Der leitfähige Füllstoff
kann in einer beliebigen zusammengesetzten Menge enthalten sein,
die für
eine gewünschte
Anwendung geeignet ist. Sobald er im Besitz der Lehren hierin ist,
kann ein üblicher
Fachmann eine solche Menge als Routineangelegenheit und ohne den
Bedarf für
eine Innovation, Erfindung oder dergleichen bestimmen.
-
Wenn
ein Gemisch von leiffähigen
länglichen
und kugelförmigen
Partikeln als Füllmaterial
für die
Zusammensetzungen der Erfindung verwendet wird, wurde unerwartet
festgestellt, dass die leitfähigen
länglichen Partikel
und leitfähigen
kugelförmigen
Partikel in gewissen Mengen relativ zueinander vorliegen müssen, so dass
die mit leitfähigem
Material beschichteten Partikel in einer elektrisch leitfähigen Beziehung
stehen, während
der erforderliche Grad an Flexibilität der Matrix immer noch beibehalten
wird. Das Verhältnis
von länglichen
(beispielsweise auf Faserbasis Partikeln zu kugelförmigen (beispielsweise
auf Kügelchenbasis)
Partikeln wird ausgewählt,
um die Zusammensetzung zuzuschneiden, um die gewünschte Flexibilität sicherzustellen. Die
Beziehung zwischen den leitfähigen
länglichen
und leiffähigen
kugelförmigen
Partikeln wird als Gewichtsverhältnis
ausgedrückt,
das von 1:1 bis 4:1, vorzugsweise 2:1 bis 4:1, bevorzugter 3:1 variiert.
-
Die
gesamte leitfähige
Beladung der Zusammensetzungen der Erfindung ist auch sehr wichtig.
Elektrisch leitfähige
Zusammensetzungen, die nur kugelförmige Partikel als Füllstoff
des Materials enthalten, stellen einen guten spezifischen elektrischen
Widerstand (mit niedrigem Wert) bereit. Die Flexibilität der Matrix, wie
durch hohe Durometer-Härtewerte
widergespiegelt, ist jedoch niedrig und für viele Anwendungen nicht erwünscht. Um
einen guten spezifischen elektrischen Widerstand nur mit kugelförmigen Partikeln
als Füllmaterial
zu erreichen, sind überdies
ziemlich hohe gesamte leitfähige
Beladungen erforderlich. Gesamte leitfähige Beladungen unterhalb 69
Gewichtsprozent, die nur kugelförmige
Partikel als leitfähiges
Material verwenden, verleihen beispielsweise keine angemessene Leitfähigkeit. Überraschenderweise
wurde jedoch festgestellt, dass, wenn ein Gemisch von länglichen
und kugelförmigen
Partikeln in leitfähiger
Beziehung verwendet wird, gute Werte des spezifischen elektrischen
Widerstandes mit niedrigeren gesamten leitfähigen Beladungen erhalten werden
können,
als es ansonsten als erforderlich erachtet werden würde, wenn
nur kugelförmige
Partikel für
ein leitfähiges
Kügelchen-Füllmaterial
verwendet werden. Die gesamte leitfähige Beladung für die Zusammensetzungen
der Erfindung ist 40 Gewichtsprozent bis 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise
50 Gewichtsprozent bis 60 Gewichtsprozent und bevorzugter 50 Gewichtsprozent
bis 55 Gewichtsprozent. Es ist selbstverständlich, dass das Vorangehende
zu Kosteneinsparungen und einem niedrigeren spezifischen Gewicht
führen
kann.
-
Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Zusammensetzungen
bereitzustellen, die überlegene
Eigenschaften aufweisen, unter anderem einschließlich guter elektrischer Leitfähigkeit
und guter Flexibilität.
Die elektrische Leitfähigkeit
kann hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstandes gemessen
werden, wobei ein niedriger spezifischer elektrischer Widerstand
auf eine hohe elektrische Leitfähigkeit
hinweist und umgekehrt. Die Flexibilität kann als Durometer-Härte gemessen
werden, wobei niedrigere Durometer-Werte flexibleren, weniger steifen
Verbundstoffen entsprechen.
-
Elektrisch
leitfähige
Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen einen ausgezeichneten anfänglichen spezifischen elektrischen
Widerstand, typischerweise in einem Bereich von 10 mΩ·cm bis
zu, jedoch nicht einschließlich
200 mΩ·cm bei
einer mittleren Durometer-Härte
von 50 bis 70 auf der "D"-Skala. In bestimmten
guten Ausführungsformen
weist die elektrisch leitfähige
Zusammensetzung einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht
mehr als 20 mΩ·cm und
eine mittlere Durometer-Härte
von nicht mehr als 70 auf der "D"-Skala auf. Andere
gute Zusammensetzungen zeigen einen ähnlichen spezifischen elektrischen
Widerstand bei einer mittleren Durometer-Härte, die 8% bis 30% geringer
ist als das flexible Matrix-Material, das nur kugelförmige Partikel
enthält,
die ausreichen, um einen spezifischen elektrischen Widerstand bereitzustellen,
der zu jenem der Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung vergleichbar
ist.
-
Ein
weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das
Precursor-Material
günstige
rheologische Eigenschaften besitzt. Folglich weist es ausreichend
Fließfähigkeit
oder andere Verformbarkeit auf, damit es nach Bedarf geformt werden
kann, um die Gestaltung der elektrisch leitfähigen Zusammenset zung zu einer
gewünschten
Form zu ermöglichen.
Das Precursor-Material liegt typischerweise in Form einer Paste vor,
kann jedoch auch in bestimmten Ausführungsformen eine Flüssigkeit
sein.
-
Es
ist nicht praktisch, ein streng numerisches Maß dessen, ob ein Precursor-Material formbar
oder statt dessen auch viskos, steif oder anderweitig unnachgiebig
ist, bereitzustellen. Wie zu erkennen ist, variiert das, was annehmbar
ist, von einer Anwendung zur anderen usw. Es ist jedoch ersichtlich,
dass ein üblicher Fachmann
für irgendeinen
speziellen Satz von Bedingungen wissen wird, ob ein spezielles Precursor-Material eine
geeignete Formbarkeit aufweist oder nicht. Die Praxis der Erfindung
ermöglicht
das Erreichen einer solchen Formbarkeit. Für die Zwecke der Einfachheit
im Ausdruck soll die Bedingung des Aufweisens einer ausreichenden
Formbarkeit, damit das Precursor-Material nach Wunsch konfiguriert
werden kann, dann hierin als "effektiv
formbar" bezeichnet
werden. Ein üblicher
Fachmann wird in der Lage sein (ohne übermäßige Experimentierung oder
weitere Erfindung), zumindest empirisch die minimale Formbarkeit
zu identifizieren, die unter irgendeinem speziellen Satz von Bedingungen
erforderlich ist, und wird folglich den Begriff "effektiv formbar" leicht verstehen.
-
BEISPIELE
-
Die
folgenden Beispiele dienen zum Vorsehen einer weiteren Einschätzung der
Erfindung, sollen jedoch in keiner Weise ihren effektiven Schutzbereich
einschränken.
Die physikalischen Eigenschaften wurden bei Raumtemperatur gemessen,
wenn nicht anders angegeben oder aus dem Zusammenhang klar ist.
-
Materialien
und Verfahren
-
Bestimmte
der nachstehend beschriebenen Beispiele demonstrieren die Erfindung
und beinhalten daher die Verwendung von sowohl kugelförmigen leitfähigen Partikeln
als auch länglichen
leitfähigen
Partikeln. Andere der Beispiele demonstrieren Kontrollausführungsformen,
in denen entweder kugelförmige
oder längliche
leitfähige
Partikel, aber nicht beide, verwendet wurden.
-
Für alle folgenden
Beispiele wurden die physikalischen Eigenschaften, wie z. B. anfänglicher
spezifischer elektrischer Widerstand und Härte, an Streifen gemessen,
die aus Dichtungen geschnitten wurden, die aus der elektrisch leitfähigen Zu sammensetzung
der vorliegenden Erfindung bestanden.
-
Mehrere
unterschiedliche Klassen von mit Silber bedeckten Glaskügelchen
wurden als kugelförmige leitfähige Partikel
in den Beispielausführungsformen
verwendet. Diese waren die Klassennummern S-3000-S2, S-3000-S4,
S-3000-S5 und S-2530-S4, die alle von Potters Industries, Inc.,
kommerziell erhältlich sind.
Die Partikel der Serie S-3000 umfassen Glaskügelchen mit einem mittleren
Durchmesser von 30 μ,
während
die Partikel der Serie S-2530 Glaskügelchen mit einem mittleren
Durchmesser von 66 μ umfassen.
Die Silberbeschichtung auf den Glaskügelchen war 8, 16 bzw. 20 Gewichtsprozent
für die
Klassen S-3000-S2, S-3000-S4
bzw. S-3000-S5. Der Silber-Gewichtsprozentgehalt für S-2530-S4
war 16 Gewichtsprozent.
-
Mit
Silber beschichtete Glasfasern wurden als leitfähige längliche Partikel in den Beispielausführungsformen
verwendet. Die verwendeten beschichteten Fasern waren Fibertec-Partikel
T-3082, T-3032 und T3016, die alle von Potters Industries Inc. kommerziell
erhältlich
sind. Die beschichteten Fasern T-3082 und T-3032 besitzen einen
Durchmesser von 16 μ und
die Partikel T-3016 einen Durchmesser von 10 μ. Die beschichteten Fasern T-3016
besitzen eine Länge
von 16 × 10–4 m
(1/16 Inch) und die beschichteten Fasern T-3082 eine Länge von
4 × 10–4 m
(1/32 Inch). Die Rohdichte von T-3032 war von jener von T-3082 verschieden.
Die Fasern hatten ein Längenverhältnis von
etwa 50:1 bis etwa 160:1.
-
Die
getesteten Dichtungen wurden durch Vermischen von Proben von Silikonkautschuk
SE-6370 und SE-6350, wie von General Electric Co. erhältlich,
mit mit Silber beschichteten Glasfasern und/oder mit Silber beschichteten
Kügelchen,
wie vorstehend beschrieben, hergestellt. Ein härtender Organoperoxid-Katalysator, nämlich Dicumylperoxid,
Dibenzoylperoxid oder MEK-Peroxid, wurde in das Reaktionsgemisch
bei Raumtemperatur integriert, obwohl der Katalysator auch bei erhöhten Temperatur
zugegeben worden sein könnte,
falls erwünscht.
Die Menge an Katalysator kann durch einen Fachmann ohne Ausübung einer
weiteren Erfindung bestimmt werden und basiert typischerweise auf
der gewünschten
tatsächlichen
Härtungsrate,
Arbeitslebensdauer und dergleichen. Organoperoxid-Katalysatoren,
die mit dem Silikongummikautschuk mischbar sind, wurden in einer
Menge von etwa 0,5–1%
auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung auf der Basis der Gesamtmenge
von Silikongummikautschuk verwendet.
-
Das
Mischen wurde unter Verwendung eines Brabender® Plasticorder-Kneters
durchgeführt
und die Mengen von leitfähigem
korpuskularen Füllstoff
wurden ausgewählt,
um Zielgewichtsprozent der gesamten leitfähigen Beladung in der elektrisch
leitfähigen
Zusammensetzung bereitzustellen. Die Art der Zugabe des leitfähigen Materials
zum Silikongummikautschuk ist nicht wesentlich. (In den Beispielen,
die die Erfindung demonstrieren, wurden mit Silber bedeckte Glaskügelchen
zuerst zugegeben, gefolgt von der Zugabe von mit Silber bedeckten
Glasfasern; eine umgekehrte Reihenfolge der Zugabe kann auch funktionieren.)
Das resultierende härtbare
Gemisch von Silikongummikautschuk, leitfähigen Füllpartikeln und Organo-Katalysator
wurde dann in eine Dichtungsform gegeben, wo es mit 9070 kg (20000
lbs) Druck und bei 176,67°C
(350°F)
für etwa
30 Minuten gepresst, dann abkühlen
lassen wurde. Eine Dichtung wurde hergestellt, die 0,178 m (7 Inch) lang,
0,178 m (7 Inch) breit und ungefähr
20 × 10–4 m
(0,08 Inch) dick war. Anschließend
wurde die Dichtung in einen Ofen mit etwa 200°C für einen Zeitraum von etwa 1
Stunde bis etwa 4 Stunden für
die Nachhärtung, d.
h. um die flüchtigen
Stoffe auszutreiben, gelegt. Vier oder fünf Streifen, jeweils 0,102
m (4 Inch) lang, 127 × 10–4 m
(0,5 Inch) breit und ungefähr
20 × 10–4 m
(0,08 Inch) dick, wurden zur Verwendung als Prüfstücke beim Messen der physikalischen
Eigenschaften, wie z. B. des anfänglichen
spezifischen elektrischen Widerstandes und der Härte, aus jeder Dichtung geschnitten.
Insbesondere wurde der Oberflächenwiderstand
der Streifen von jeder Dichtung mit einem Widerstandsmesser des
Walhalla-Modells 4100 OTC an vier oder fünf Stellen an jedem Streifen
gemessen und aus diesen Werten und der gemessenen Dicke wurde ein
mittlerer anfänglicher
spezifischer elektrischer Volumenwiderstand für jede Dichtung berechnet.
Die Härte
jeder Probe wurde unter Verwendung eines Durometers von Gardner
Scientific gemessen.
-
BEISPIELE 1–18
-
Dichtungen
wurden wie vorstehend im Abschnitt mit dem Titel "Materialien und Verfahren" beschrieben hergestellt.
Für jedes
Beispiel wurden die folgenden Daten aufgezeichnet: die anfängliche
Härte des
Silikongummikautschuks, die gesamte leitfähige Beladung der Zusammensetzung,
die Gewichtsprozent von Kügelchen
und/oder Fasern in der elektrisch leitfähigen Zusammensetzung, die
Gewichtsprozent an Silberbeschichtung auf den Kügelchen und/oder Fasern, der
anfängliche
spezifische elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen Zusammensetzung
in mΩ·cm und
ihre Härte,
wie in Durometer-Skalen A und D gemes sen.
-
Die
nachstehende Tabelle 1 fasst die Verarbeitungsparameter und Testergebnisse
für die
getesteten Ausführungsformen
zusammen.
-
-
-
Die
Beispiele 5, 7, 11, 13 und 16–18
zeigen physikalische Eigenschaften der elektrisch leitfähigen Zusammensetzungen
der Erfindung, wobei das leitfähige
Füllmaterial
ein Gemisch von länglichen
Partikeln und kugelförmigen
Partikeln ist, die beide mit Silber als leitfähigem Material beschichtet
sind. In diesen Beispielen waren die länglichen leitfähigen Partikel
mit Silber beschichtete Glasfasern mit einem Durchmesser von 16 μ und einer
Länge von
4 × 104 m (1/32 Inch), wie von Potters Industries
Inc. als Fibertec T-3082 geliefert. Die leitfähige Beschichtung auf den Fasern
variierte von etwa 20 Gewichtsprozent bis etwa 30 Gewichtsprozent Silber.
Ebenso waren die leitfähigen
kugelförmigen
Partikel mit Silber beschichtete Glaskügelchen mit einem mittleren
Durchmesser von 30 μ und
einer Silberbeschichtung, die von etwa 8 Gewichtsprozent bis etwa
20 Gewichtsprozent variierte, mit Ausnahme von Beispiel 17, in dem
die mit Silber beschichteten Kügelchen
des Füllstoffs
einen Durchmesser von 66 μ hatten.
Im Vergleich mit der in Beispiel 16 getesteten Probe verbesserte (verringerte)
sich der anfängliche
spezifische elektrische Widerstand, wenn Kügelchen mit größerem Durchmesser
verwendet wurden.
-
Andererseits
zeigen die Beispiele 1–4,
6, 8–10,
12, 14 und 15 die physikalischen Eigenschaften von verschiedenen
Kontrollausführungsformen,
die mit Dichtungen durchgeführt
wurden, die unter Verwendung von nicht einer Kombination von elektrisch
leitfähigen
länglichen
Partikeln und elektrisch leitfähigen
kugelförmigen
Partikeln, sondern statt dessen nur kugelförmigen leitfähigen Partikeln
oder nur länglichen
leitfähigen Partikeln
hergestellt wurden. Insbesondere richten sich die Beispiele 1 und
3 auf Dichtungen mit nur elektrisch leitfähigen, mit Silber beschichteten
Kügelchen
mit einem mittleren Durchmesser von 30 μ (kommerziell erhältlich von
Potters Industries, Inc.). Die Silberbeschichtung war 16 Gewichtsprozent
und die Matrix-Materialien waren Silikongummikautschuk von GE Corporation
mit einer anfänglichen
Härte von
70 bzw. 50. Die restlichen Kontrollausführungsformen waren Dichtungen,
die nur längliche
elektrisch leitfähige
Partikel enthielten, nämlich
mit Silber beschichtete Glasfasern, wie von Potters Industries Inc.
kommerziell erhältlich.
Die Fasern hatten einen Durchmesser von 16 μ und eine Länge von ungefähr 4 × 104 m (1/32 Inch) mit einem Längenverhältnis von
60:1. Der Silbergehalt der Beschichtung für diese Fasern variierte von
etwa 8 Gewichtsprozent bis etwa 44 Gewichtsprozent.
-
BEISPIELE 19–26
-
Ähnliche
Tests wurden an Kontrollausführungsformen
und an Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung durchgeführt,
wobei das leitfähige
Füllmaterial
leitfähige
längliche
Partikel mit einem höheren
Längenverhältnis als
jene, die als leitfähiges
Füllmaterial
in den Beispielen 1–18
verwendet wurden, enthielt. Insbesondere waren die Beispiele 21–24 auf
die Verwendung von leitfähigen
länglichen
Partikeln, wie z. B. Fibertec T-3016, wie von Potters Industries,
Inc., geliefert, mit einem Durchmesser von 10 μ und einer Länge von 16 × 10–4 m
(1/16 Inch) mit einer Beschichtung, die 24 Gewichtsprozent des Partikels
bildete, gerichtet. Die nachstehende Tabelle 2 fasst den anfänglichen
spezifischen elektrischen Widerstand und die Härtewerte, die für die Dichtungen
von Beispielen 19–26
erhalten wurden, zusammen, wobei jede von solchen Dichtungen die
in der Tabelle angegebenen Längenverhältnisse
aufweist.
-
-
Die
Beispiele 19, 20, 25 und 26 richten sich auf die vorstehend erwähnten Kontrollausführungsformen. In
den Kontrollbeispielen 19 und 20 bestanden die Proben aus Dichtungen,
die gemäß dem Abschnitt
mit dem Titel "Materialien
und Verfahren" vorstehend
hergestellt wurden, außer
dass das leitfähige
Füllmaterial
nicht ein Gemisch von elektrisch leitfähigen länglichen und kugelförmigen Partikeln
bildete. Insbesondere wurden die in Beispielen 19 und 20 getesteten
Dichtungen aus einer elektrisch leiffähigen Zusammensetzung hergestellt,
die als leitfähiges
Füllmaterial
nur mit Silber beschichtete Fasern mit einer gesamten leitfähigen Beladung
von 50% bzw. 55% enthielt. Außerdem
bestand in den Kontrollausführungsformen
25 und 26 das leitfähige
Füllmaterial
nur aus länglichen
Partikeln mit einem geringfügig
größeren Durchmesser,
d. h. mit Silber beschichteten Fasern, die von Potters Industries,
Inc., unter Fibertec T-3032 kommerziell erhältlich sind. Diese Fasern hatten
ein Längenverhältnis von
60:1.
-
Wie
aus obiger Tabelle 2 sowie aus Tabelle 1 leicht ersichtlich ist,
verbesserte (verringerte) sich der anfängliche spezifische elektrische
Widerstand, wenn das Verhältnis
der länglichen
Partikel zu den kugelförmigen
Partikeln 3:1 ist, insbesondere für eine gesamte leitfähige Beladung
von etwa 55 Gewichtsprozent bis etwa 60 Gewichtsprozent. Außerdem wurde
der Silikonkautschuk mit 50 Durometer auch weicher und daher flexibler
gemacht. Dies wird durch die Beispiele 5 und 6 unterstützt.
