DE60202623T2

DE60202623T2 - Verfahren zur herstellung von imprägnierten elektrischen stromleitenden fasern und faserteilchen

Info

Publication number: DE60202623T2
Application number: DE2002602623
Authority: DE
Inventors: Cameron G Cofer; Dale E Mccoy
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: KR20040029085A; US20020108699A1; DE60202623D1; WO2003022026A1; EP1421838B1; EP1421838A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch leitende imprägnierte Fasern und das Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Fasern durch Imprägnieren von leitenden Fasern mit einem organischen Benetzungsmittel, um ein imprägniertes und anschließend ummanteltes Faserwerg zu bilden. Aus einer solchen ummantelten imprägnierten Werg kann eine große Bandbreite an Produkten erzeugt werden, zum Beispiel Funkfrequenz- und elektromagnetisch abgeschirmte Kunststoffartikel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Durch die immer verbreitetere Verwendung von elektronischen Geräten, wie Computern und anderen digitalen Vorrichtungen, steigen die Befürchtungen in Bezug auf die Risiken in Zusammenhang mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Radarwellen, Mikrowellen und elektromagnetische Strahlung, die durch elektronische Kreise erzeugt werden. Da die Elektronikindustrie weiterhin sehr schnell wächst, besteht ein Bedürfnis, Materialien zu schaffen, die elektromagnetische Wellen besser abschirmen und die in elektronische Produkte eingebaut werden können.
Im Laufe der Jahre wurden eine Reihe von elektrisch leitenden Materialien entwickelt, um Verbundartikel, wie Kunststoffartikel, für elektromagnetische Abschirmung, elektrostatische Zerstreuung und andere elektrisch verstärkte Eigenschaften herzustellen. Kunststoffartikel, die aus elektrisch leitenden Materialien hergestellt werden, sind im Vergleich zu herkömmlichen Materialien aus Metall besonders praktisch, weil sie ein geringes Gewicht aufweisen, unter Anwendung von Spritzgusstechniken leicht herzustellen sind und geringe Kosten verursachen. Typischerweise sind diese elektrisch leitenden Materialien Verbundstoffe aus Kunststoff und leitenden Pulvern und geschnittenen Fasern.
Beim Einbringen von elektrisch leitenden Pulvern und geschnittenen Fasern in einen Verbundartikel sind verschiedene Techniken angewendet worden. 1 stellt eine herkömmliche thermoplastische Extrusions-Compounding-Technik dar, welche gemeinhin angewendet wird (im Allgemeinen als Compounding bezeichnet). Bei diesem Verfahren wird ein thermoplastisches Harz 12 in einen Compounder 10 eingeführt. Das Harz 12 wird auf eine Schmelztemperatur erhitzt und danach werden dem Compounder 10 Fasern oder Pulvermengen (gemeinsam als 14 bezeichnet) zugeführt. Die Mischung wird geknetet, um sich mit den leitenden Pulvern oder geschnittenen Fasern zu vermengen. Leider werden beim Kneten leitender Fasern mit einem geschmolzenen thermoplastischen Material die Fasern aufgrund des Schnittvorgangs durch die Knetschraube 16 und durch das Scheren des Harzes oft gebrochen.
Diese Fasern werden in immer kleinere Segmente zerbrochen, so dass der resultierende Verbundartikel nur gebrochene Fasern mit kürzeren Längen aufweist. Solche verkürzten Fasern verleihen dem Verbundstoff aufgrund ihrer reduzierten Fähigkeit, ein leitendes Fasernetzwerk zu bilden und Strom durch den Verbundartikel zu leiten, verringerte elektromagnetische Abschirmungseigenschaften. Alternativ dazu ist es typischerweise notwendig, beim Mischen von leitenden Pulvern mit dem geschmolzenen thermoplastischen Material eine große Menge an leitendem Pulver zu verwenden. Diese großen Pulvermengen können zu einer schlechten Verteilung des Pulvers oder verringerter mechanischer Festigkeit des Endproduktes führen. Infolgedessen erfordern Verbundartikel, die aus gebrochenen Fasern und Pulvern gebildet werden, höhere Konzentrationen an Beschwerungsmitteln oder Füllstoffen, was zu einer Versprödung des gebildeten Verbundartikels und zu höheren Materialkosten führt. Das Gemisch aus Harz und gebrochenen Fasern wird extrudiert 18, in einem Wasserbad 20 abgekühlt, danach durch eine Strangschneidevorrichtung 22 in Pellets 24 geschnitten.
In einem alternativen Ansatz werden geschnittene leitende Fasern mit dem Harz direkt beim Spritzgussverfahren vermischt. Dies führt jedoch typischerweise zu einer sehr schlechten Faserverteilung und unbeständiger elektrischer Leistung von Teil zu Teil. Ferner kann es bei Arbeitern, die direkt mit den geschnittenen Fasern und Pulvern arbeiten, bei der Handhabung der Materialien zu Hautreizungen kommen.
Um die Probleme zu vermeiden, die beim direkten Beimengen von geschnittenen Fasern und Pulvern entstehen, wurden Versuche unternommen, Pellets, die elektromagnetische Wellen abschirmen, bereitzustellen, indem eine elektrisch leitende Faser mit einem Kunstharz beschichtet und danach die beschichtete Faser in Pelletform geschnitten wurde. Typischerweise erfordert ein solches Verfahren die Verwendung von fortlaufenden Längen an Filamenten, die durch ein Bad geführt werden, das ein geschmolzenes Harz enthält, wobei diese Filamente mit dem Harz imprägniert werden. Sobald die Filamente imprägniert sind, werden sie fortlaufend dem Bad entzogen, entweder vor oder nach dem Durchgang durch eine Wärmequelle zusammengemischt und abgekühlt, um das geschmolzene Harz um die Fasern herum zu verfestigen. Diese imprägnierten Fasern werden dann geschnitten, um Pellets auszubilden, die danach in Verbundartikel geformt werden. Leider ist dieses Verfahren der direkten Imprägnierung sehr langsam, und die imprägnierten Fasern können sich zerfasern, wenn sie in Pellets geschnitten werden und sich vom Harz lösen.
Ein weiteres Verfahren, das bei der Herstellung von elektromagnetisch abgeschirmten Artikeln verwendet wird, ist die Beschichtung von elektrisch leitenden Fasern mit einem Haftmittel, gefolgt von der Beschichtung der beschichteten Fasern mit einer Kunstharzschicht. Zum Beispiel werden Titanat-Haftmittel, wie im Allgemeinen in der US-Patentschrift 4,530,779 beschrieben, als erstes Beschichtungsmittel für die elektrisch leitenden Fasern verwendet. In ähnlicher Weise wurden bei anderen Versuchen zur Herstellung von elektromagnetisch abgeschirmten Artikeln elektrisch leitende Fasern durch ein Bad aus einem Polymermaterial durchgeführt, um zuerst die Fasern zu imprägnieren. Diese imprägnierten Fasern werden danach mit einem zweiten Polymermaterial ummantelt. Wie allgemein in den US-Patentschriften 4,664,971 und 5,397,608 beschrieben, kann bei der Erzeugung eines Verbundartikels eine elektrisch leitende Faser imprägniert und ummantelt werden, um eine noch gleichmäßigere Verteilung der leitenden Fasern bereitzustellen, unter minimaler Scherkraft und ohne wesentlichen Faserbruch. Dennoch schließt, wie allgemein durch die US-Patentschrift 4,960,642 beschrieben, ein weiteres Verfahren zur Bildung von imprägnierten und ummantelten Fasern die Extrusion eines imprägnierenden Harzes auf die Faser und anschließendes Extrudieren eines zweiten Harzes auf die imprägnierte Faser ein.
Vorhergehende Verfahren zum Imprägnieren und Ummanteln von leitenden Fasern haben sich nicht als gänzlich zufriedenstellend im Hinblick auf ein gleichmäßiges Imprägnieren von leitenden Fasern aus einem Bad erwiesen, um ein imprägniertes Werg zu bilden, welches einen hohen Grad an organischem Beschichtungsmittel aufweist.
Ferner kann, wie in WO 98/06551 beschrieben, eine chemische Behandlung bei Fasern, wie Verstärkungsfasern, die zur Herstellung eines Verbundartikels geeignet sind, durchge führt werden, um die Fasern zu schlichten und/oder zu imprägnieren. Verbundstränge gemäß WO 98/06551 können verwendet werden, um faserverstärkte thermoplastische leitende Artikel herzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung beschäftigt sich mit den Problemen in Zusammenhang mit vorhergehenden Verfahren zur Herstellung eines imprägnierten leitenden Wergs durch Imprägnieren von elektrisch leitenden Fasern in einem Bad eines organischen Benetzungsmittels. Das imprägnierte Werg ist für eine Reihe von Verwendungsmöglichkeiten, wie die Herstellung von Verbundartikel mit elektromagnetischen Abschirmungseigenschaften, geeignet. Insbesondere sind, bei Anwendung von hohen Pegeln eines imprägnierenden organischen Benetzungsmittels in dem Faserwerg, den Pellets, die aus dem erfinderischen Werg hergestellt werden, in der Lage, eine gleichmäßigere Verteilung der leitenden Fasern zu erreichen, wenn sie zu einem Verbundartikel gebildet werden. Ferner können die erfinderischen Verbundmaterialien, da sie eine gleichmäßigere Verteilung von leitenden Fasern aufweisen, verbesserte elektromagnetische Abschirmungseigenschaften haben.
Insbesondere schafft die Erfindung ein imprägniertes Werg aus elektrisch leitenden Fasern und das Verfahren zu deren Herstellung. Im Allgemeinen schließt das Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden imprägnierten Fasern der Erfindung das Zuführen von elektrisch leitenden Fasern in ein Bad, das ein organisches Benetzungsmittel enthält, und das Imprägnieren der Fasern mit dem organischen Benetzungsmittel ein, um ein imprägniertes Faserwerg zu bilden. Im Bad wird das organische Benetzungsmittel derart angewendet, dass das Benetzungsmittel mindestens zehn (10) Gewichtsprozent des resultierenden imprägnierten Faserwergs ausmacht. Nach dem Imprägnieren wird ein thermoplastischer oder wärmehärtbarer Mantel auf das imprägnierte Faserwerg aufgebracht. Das resultierende ummantelte, imprägnierte Werg kann danach in Pellets geschnitten oder in eine Packung aufgerollt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein elektrisch leitendes imprägniertes Faserpellet gebildet, indem die elektrisch leitenden Fasern durch ein Bad, das eine wässerige Emulsion von ungefähr fünfunddreißig (35) bis ungefähr fünfundsechzig (65) Gewichtsprozent Wachs enthält, gezogen werden, so dass das Wachs die leitenden Fasern imprägniert und ein imprägniertes Werg bildet.
Es wird bevorzugt, dass das imprägnierte Werg Wachs in einer Menge von ungefähr zehn (10) bis ungefähr dreißig (30) Gewichtsprozent des resultierenden imprägnierten Faserwergs enthält. Nach dem Imprägnieren des Wergs mit Wachs wird ein thermoplastischer oder wärmehärtbarer Stoff auf das imprägnierte Werg aufgebracht, um eine Ummantelung zu bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die zum besseren Verständnis der Erfindung angeführt und in die vorliegende Patentschrift aufgenommen werden und einen Teil derselben darstellen, zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung der Erläuterung des Prinzips der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines thermoplastischen Extrusions-Compoundings des bekannten Stands der Technik;
2a und 2b schematische Darstellungen, welche ein Verfahren zur Herstellung eines imprägnierten Wergs aus elektrisch leitenden Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, jeweils off-line bzw. in-line; und
3 ein Schaubild, welches die verbesserte EMI-Fernfeldabschirmungsleistung zeigt, die durch Artikel erreicht wird, welche Fasern aufweisen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden;
4 ein Schaubild, das die verbesserte EMI-Nahfeldabschirmungsleistung zeigt, die durch Artikel erzielt wird, welche Fasern aufweisen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden;
5 ein Schaubild, das die im Vergleich zu Artikeln, die herkömmliche Fasern aufweisen, bei denen die Fasern und das Harz durch Trockenmischen verbunden werden, verbesserte EMI-Abschirmungsleistung zeigt, welche mit thermoplastischen Formartikeln erzielt wird, die Fasern aufweisen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden;
6A eine Röntgenaufnahme von Fasern, die mit Harz trockenvermischt und danach spritzgegossen wurden, wobei die Fasern nicht vorimprägniert sind;
6B eine Röntgenaufnahme von spritzgegossenen vorimprägnierten Fasern, aber ohne optimiertes Schlichten;
6C eine Röntgenaufnahme von vorimprägnierten Fasern, die mit Harz trockenvermischt und danach gemäß der vorliegenden Erfindung spritzgegossen wurden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Sofern nicht anders definiert, haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die in der vorliegenden Patentschrift verwendet werden, dieselben Bedeutungen, die ihnen gemeinhin von einem Durchschnittsfachmann jenes Fachgebietes beigemessen werden, zu dem die vorliegende Erfindung gehört. Obwohl einige Verfahren und Materialien, die den hierin beschriebenen ähnlich oder gleichwertig sind, in der Umsetzung oder beim Testen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind die bevorzugten Verfahren und Materialien hierin beschrieben. Nun wird im Detail auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, von der Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind.
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von imprägniertem leitendem Werg durch Imprägnieren von elektrisch leitenden Fasern in einem Bad eines organischen Benetzungsmittels. Durch Verwenden von hohen Pegeln eines imprägnierenden organischen Benetzungsmittels in dem Faserwerg, können Pellets, die aus dem erfinderischen Werg hergestellt werden, eine gleichmäßigere Verteilung der leitenden Fasern bereitstellen, wenn diese zu einem Verbundartikel gebildet werden. Insbesondere sind Verbundstoffe, die mit einem Werg gemäß der Erfindung, die mit hohen Pegeln an organischem Benetzungsmittel imprägniert sind, in der Lage, verbesserte elektromagnetische Abschirmungseigenschaften aufzuweisen.
Es wurde festgestellt, dass eine erhöhte Imprägnierung des organischen Benetzungsmittels die Verteilung der elektrisch leitenden Fasern beim Bilden eines Verbundmaterials verbessert. Somit ist es beim Verfahren gemäß der Erfindung gewünscht, jede der elektrisch leitenden Fasern in dem Werg zur Gänze mit dem organischen Benetzungsmittel zu beschichten, um die Fasern vorzubenetzen. Es wird angenommen, dass – wenn kein organisches Benetzungsmittel verwendet wird, die Verteilung der Fasern darunter aufgrund der Oberflächenspannung leidet, welche die elektrisch leitenden Fasern zusammen hält, anstatt ihnen zu ermöglichen, sich zu trennen und sich zu verteilen.
Um eine gewünschte Menge an organischem Benetzungsmittel auf dem imprägnierten Werg zu erzielen, wird das imprägnierte Werg der Erfindung im Allgemeinen dadurch gebildet, dass elektrisch leitende Fasern in ein Bad, das ein organisches Benetzungsmittel enthält, eingeführt werden. Im Bad wird dem organischen Benetzungsmittel erlaubt, die Fasern zu imprägnieren, um ein imprägniertes Faserwerg zu bilden, so dass das Benetzungsmittel in einer Menge von mindestens 10 Gewichtsprozent des resultierenden imprägnierten Faserwergs vorhanden ist. Dieses imprägnierte Werg wird dann mit einem Ummantelungsmaterial, typischerweise einer thermoplastischen oder wärmehärtbaren Ummantelung, ummantelt. Das ummantelte, imprägnierte Werg kann danach in Pellets geschnitten oder in eine Packung aufgerollt werden.
Durch die Verwendung der Erfindung können Pellets gebildet werden, welche lange elektrisch leitende Fasern mit verbesserten Verteilungseigenschaften aufweisen. Infolgedessen verteilen sich, wenn ein Verbundartikel mit den Pellets der Erfindung gebildet wird, die Fasern leichter und bilden ein elektrisch leitendes Netzwerk in der thermoplastischen oder wärmehärtbaren Matrize während des Formverfahrens, wodurch die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Artikels verbessert werden. Die Erfindung wird unten detaillierter beschrieben.
ELEKTRISCH LEITENDE FASERN
Verschiedene Arten von elektrisch leitenden Fasern können in der Erfindung verwendet werden. Im Allgemeinen handelt es sich bei den in der Erfindung verwendeten elektrisch leitenden Fasern um Metallfasern und metallbeschichtete Fasern. Zu den geeigneten Metallfasern zählen, ohne darauf beschränkt zu sein, Kupfer, Aluminium, Silber, Zink, Gold, Nickel, rostfreier Stahl und Legierungen davon. Zu geeigneten metallbeschichteten Fasern zählen Kohlenstoff, wie Graphit, und Glasfasern, die mit einem leitenden Metall überzogen sind. Im Allgemeinen werden die Metallbeschichtungen aus Kupferlegierungen, Silber, Gold, Zinn, Nickel, Aluminium, Zink und Legierungen davon hergestellt. Die bevorzugten elektrisch leitenden Fasern der Erfindung sind metallbeschichtete Kohlenstoff- und Glasfasern. Es wird bevorzugt, dass die leitenden Fasern der Erfindung beim Bilden von Verbundmaterialien in der Lage sind, unter ausreichend niedrigen Scherkräften ohne wesentlichen Bruch verteilt zu werden. Infolgedessen weisen bevorzugte leitende Fasern der Erfindung einen Durchmesser auf, der von ungefähr 2 bis ungefähr 20 Mikrometern reicht, bevorzugter von ungefähr 3 bis ungefähr 15, am bevorzugtesten von ungefähr 5 bis ungefähr 10 Mikrometern.
Die Fasern der Erfindung können aus einer Reihe von Quellen bereitgestellt werden, einschließlich einer Hülse aus geschmolzenem Verstärkungsmaterial, z. B. Glas, oder einer oder mehrerer Spulen oder anderen Packungen von vorgeformten Fasern, welche leitend sind oder leitend gemacht werden können. Zum Beispiel kann ein In-Line-Verfahren angewendet werden, bei dem Glasfasern fortlaufend aus einem geschmolzenen Glasmaterial hergestellt werden. Diese Glasfasern können dann mit einem Metall unter Anwendung bekannter Verfahren, wie Elektroplattieren oder chemisches Aufdampfen, beschichtet werden, so dass leitende, metallisierte Glasfasern gebildet werden. Vorzugsweise werden die elektrisch leitenden Fasern jedoch off-line von einer Packung oder Spule zugeführt.
Darüber hinaus ist es möglich, ein Gemisch aus leitenden und nicht-leitenden Fasern dem imprägnierenden Bad zuzuführen, um ein imprägniertes Werg zu bilden. Zum Beispiel ist es möglich, dem imprägnierenden Bad eine Seite-an-Seite-Konfiguration von leitenden Fasern und nicht-leitenden Fasern zuzuführen, um ein imprägniertes Werg zu bilden.
ANWENDEN VON ORGANISCHEM BENETZUNGSMITTEL
Im Allgemeinen werden die elektrisch leitenden Fasern der Erfindung einem imprägnierenden Bad zugeführt, das ein organisches Benetzungsmittel enthält. Die Fasern können dem Bad in Form eines leitenden Faserwergs (Strang) oder als einzelne Stränge zugeführt werden. Typischerweise werden ungefähr 1000 bis ungefähr 35.000 Fasern dem Bad zugeführt, vorzugsweise ungefähr 1.500 bis ungefähr 10.000 Fasern und am bevorzugtesten ungefähr 2.000 bis 4.000 Fasern. Dieses elektrisch leitende Faserwerg oder die Stränge können unter Verwendung einer Zugvorrichtung zum und vom Bad gezogen werden. Dieses Beschichtungsverfahren ermöglicht es, dass alle Fasern innerhalb eines Strangs gleichmäßig benetzt werden, so dass sie sich während des Formverfahrens adäquat verteilen. Um das Eindringen des organischen Benetzungsmittels zu erleichtern, können eine Brecherstange und ein Sammelkamm in Verbindung mit dem Bad verwendet werden.
Das organische Benetzungsmittel ist typischerweise ein filmbildendes Material oder ein Haftmittel oder ein Gemisch davon. Geeignete organische Benetzungsmittel für die Erfindung werden in WO 98/06551 beschrieben, deren Offenbarung durch Bezugnahme zur Gänze hierin aufgenommen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Bad, welches das organische Benetzungsmittel enthält, bei einer Viskosität von weniger als ungefähr 1 Pa-s und einer Temperatur im Bereich von ungefähr 93°C bis ungefähr 110°C gehalten. Bevorzugter weist das organische Benetzungsmittel eine Viskosität von ungefähr 0,3 Pa-s oder weniger, am bevorzugtesten weniger als ungefähr 0,05 Pa-s auf.
Im Allgemeinen sind Filmbildner für die Erfindung in der Lage, die einzelnen elektrisch leitenden Fasern zu beschichten, um ein imprägniertes Werg zu bilden. Zum Beispiel zählen zu geeigneten Filmbildnern, ohne darauf beschränkt zu sein, Wachse, Polyethylenglykole, Polypropylenglykole, Polycaprolactone, Glycidylether, Epoxidharze, Urethane, Polyesteralkyde, Amsäure, Propylenglykolfumarat, propoxyliertes Bisphenol-A-maleat, propoxyliertes Allylalkoholmaleat, Polyvinylacetate, Olefine, Nylon, Polyester mit niedrigem Molekulargewicht, wie Polyethylenterephthalat und Polybutylenterephthalat, und Mischungen davon. Ein bevorzugter Filmbildner der Erfindung ist Wachs, bevorzugter Velvetol-Wachs, das im Handel bei RhonePoulenc erhältlich ist.
Die Haftmittel der Erfindung sind typischerweise in der Lage, an die leitenden Fasern und/oder die Ummantelungsmaterialien zu binden, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 100 bis ungefähr 350°C. Das Haftmittel kann helfen, einen Filmbildner an die leitenden Fasern oder an das Ummantelungsmaterial zu binden oder in anderer Weise zu heften. Zum Beispiel kann das Haftmittel, falls gewünscht, ausgewählt werden, um dem Filmbildner zu helfen, mit dem Ummantelungsmaterial zu reagieren oder zu interagieren. Geeignete Haftmittel schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Alkohole, Amine, Ester, Ether, Kohlenwasserstoffe, Siloxane, Silazane, Silane, Lactame, Lactone, Anhydride, Carbene, Nitrene, Orthoester, Imide, Enamine, Imine, Amide, Imide, Olefine, funktionalisierte Olefine und Mischungen davon ein. Beispielhafte Haftmittel schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Gamma-Aminopropyltriethoxysilan, Gamma-Methacryloxypropyltrimethoxysilan und Gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan ein, die alle im Handel bei Witco Chemical Company of Chicago, Illinois, erhältlich sind. Darüber hinaus sind in einer Ausführungsform der Erfindung die Haftmittel Monomere und/oder Oligomere, zum Beispiel Alkohole mit 6 bis 50 Kohlenstoffen, alkoxylierte Alkohole, Alkylencarbonate, Fettsäureester, Karbonsäuren und Öle. Bevorzugte Monomer- und/oder Oligomer-Haftmittel schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, propoxyliertes Bisphenol-A, Ethylenkarbonat, Bisphenol-A, Sorbitanmonostearat, Rizinusöl, Zitronensäure, Mineralöl, Butoxyethylstearat, stearat-gekappte Propylenglykolfumaratoligomere und Mischungen davon.
Das organische Benetzungsmittel wird auf die Fasern aus einem Bad aufgetragen. Das Benetzungsmittel kann die Form einer wässerigen Emulsion des Benetzungsmittels, einer auf einem Lösemittel basierenden Dispersion des Benetzungsmittels oder eines im Wesentlichen lösemittelfreien, wässerigfreien Bads aufweisen, welches das organische Benetzungsmittel enthält.
Wenn das organische Benetzungsmittel aus einem wässerigen Bad, wie in 2B gezeigt, aufgetragen wird, kann das Benetzungsmittel ein Feststoff oder eine Flüssigkeit sein, welche im Wasser dispergiert oder emulgiert werden. Eine bevorzugte Emulsion der Erfindung enthält Wasser, mindestens ein organisches Benetzungsmittel, einen Emulgator, wie einen oberflächenaktiven Stoff, und herkömmliche Zusatzmittel. Es kann jeder oberflächenaktive Stoff, der in der Lage ist, das organische Benetzungsmittel im Bad zu emulgieren, verwendet werden. Somit wird in Betracht gezogen, dass der oberflächenaktive Stoff aus anionischen, nichtionischen, kationischen, amphoteren und zwitterionischen oberflächenaktiven Stoffen ausgewählt werden kann. Beispielhafte oberflächenaktive Stoffe schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Pluronic L101 und Pluronic P105 ein, die beide im Handel bei BASF Corporation erhältlich sind.
Somit kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die wässerige Emulsion Wasser, einen oberflächenaktiven Stoff und ein organisches Benetzungsmittel enthalten, wobei das Benetzungsmittel in einer Menge vorhanden ist, die von ungefähr 35 bis ungefähr 65 Gewichtsprozent des Bads reicht, bevorzugter von ungefähr 45 bis 55 Gewichtsprozent. Bevorzugte organische Benetzungsmittel in den wässerigen Emulsionen schließen Wachse, Nylon, Epoxide mit geringem Molekulargewicht, Polyvinylpyrrolidone, Aminosilane wie Dow Corning Z6020, das im Handel bei Dow Corning erhältlich ist, ein.
Wenn das Benetzungsmittel aus einem wässerigen Bad aufgetragen wird, wird bevorzugt, dass vor dem Ummanteln der Fasern ein Trocknungsschritt ausgeführt wird. Der Trocknungsschritt verdampft typischerweise im Wesentlichen das gesamte Wasser auf dem imprägnierten Faserspinnkabel, um zu verhindern, dass große Wassermengen im ummantelten Werg gefangen werden.
Es wurde festgestellt, dass in einigen Fällen das Imprägnieren von zu viel organischem Benetzungsmittel auf der Faser die mechanischen Eigenschaften der aus den Pellets gebildeten Verbundmaterialien negativ beeinflussen kann. Während im Allgemeinen erhöhte Mengen an organischen Benetzungsmitteln zu durchgehend beschichteten Fasern führen, die sich leichter verteilen, können die mechanischen Eigenschaften der Pellets und der resultierenden elektrisch leitenden Artikel leiden, wenn die Menge des organischen Benetzungsmittels auf dem Faserwerg zu groß ist. Zum Beispiel kann ein erhöhter Pegel an organischem Benetzungsmittel einen Verlust an Grenzflächenbindung im Pellet zur Folge haben, so dass die Fasern aus der Ummantelung herausgleiten und getrennt werden können. Es wird auch gewünscht, dass die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Artikels, wie Festigkeit, Flexibilität oder Farbe, durch das in der Ummantelung verwendete Material dominiert werden. Wenn jedoch die Menge an organischem Benetzungsmittel zu hoch ist, können die mechanischen Eigenschaften in unerwünschter Weise durch jene des organischen Benetzungsmittels beeinflusst werden.
Demzufolge macht das organische Benetzungsmittel auf dem elektrisch leitenden Faserwerg weniger als ungefähr 30 Gewichtsprozent aus und reicht bevorzugter von ungefähr 15 bis ungefähr 25 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gewicht des imprägnierten Wergs. Ferner sollte, bei einer Messung in Bezug auf den Glühverlust (LOI), das imprägnierte Werg der Erfindung einen LOI von mehr als 10 Prozent und weniger als ungefähr 30 Prozent, bevorzugter von ungefähr 15 bis ungefähr 25 Prozent aufweisen.
Zusätzlich zu den mindestens 10% Imprägnierung des organischen Benetzungsmittels wird gewünscht, dass die Fasern vollständig mit dem organischen Benetzungsmittel imprägniert werden und dass das organische Benetzungsmittel gleichmäßig durch jedes Faserbündel verteilt wird. Im Allgemeinen gelten die Fasern als imprägniert, wenn das organische Benetzungsmittel derart aufgetragen ist, dass es im Wesentlichen die Räume zwischen den Fasern füllt, wenn die Fasern zu einem Werg gebildet sind.
Im Allgemeinen können die Fasern der Erfindung dem Bad aus organischem Benetzungsmittel in jeder beliebigen Geschwindigkeit zugeführt werden, so dass die Fasern mit dem organischen Benetzungsmittel in einer Menge von mindestens 10 Gewichtsprozent der imprägnierten Fasern imprägniert werden. Typischerweise werden geringere Geschwindigkeiten angewendet, um zu gewährleisten, dass die Fasern ordnungsgemäß imprägniert sind und dass die imprägnierte Beschichtung im Wesentlichen vor dem Ummanteln der Fasern getrocknet ist. Demzufolge werden die Fasern durch das Bad aus organischem Benetzungsmittel mit einer relativ geringen Geschwindigkeit wie 76 cm/s geführt. Wenn jedoch die Fasern in einem Trocknungsschritt vor dem Ummanteln getrocknet werden, können höhere Geschwindigkeiten beim Durchführen der Fasern durch das Bad angewendet werden. Wenn zum Beispiel ein Trocknungsofen verwendet wird, um die Fasern vor dem Ummanteln zu trocknen, können die Fasern durch das Bad aus organischem Benetzungsmittel mit höheren Geschwindigkeiten, wie 76 bis 152 cm/s, durchgeführt werden.
Ferner kann, wenn dies gewünscht wird, ein Härtungsschritt ausgeführt werden, um das organische Benetzungsmittel vor dem Ummanteln des imprägnierten Faserwergs zu härten oder teilweise zu härten.
UMMANTELN DES IMPRÄGNIERTEN WERGS
Im Allgemeinen kann das Ummanteln eines elektrisch leitenden Faserwergs durch ein beliebiges, herkömmliches Verfahren, das auf dem Fachgebiet bekannt ist, erfolgen. Zum Beispiel kann das Faserwerg ummantelt werden, indem das Faserwerg durch eine Vorrichtung gezogen wird, die als „Drahtbeschichtungsvorrichtung" bezeichnet worden ist. Drahtbeschichtungsvorrichtungen schließen typischerweise einen Extruder zum Bereitstellen eines geschmolzenen Ummantelungsmaterials und eine Düse mit einer Eintrittsöffnung, einer Austrittsöffnung und einer dazwischen angeordneten Beschichtungskammer ein. Der Extruder führt der Beschichtungskammer geschmolzenes Ummantelungsmaterial zu. Der Strang wird mit dem geschmolzenen Material beschichtet, und die Beschichtung wird in eine gleichmäßige Ummantelungslage gebildet, während sie durch die Austrittsöffnung der Düse durchgeführt wird. Eine geeignete Drahtbeschichtungsvorrichtung ist der KN200 50,8 mm (2-Inch)-Extruder, der mit einer Kreuzkopf-Beschichtungsdüse ausgestattet ist, die bei Killion in Cedar Grove, New Jersey, erhältlich ist.
Eine bevorzugte Drahtbeschichtungsvorrichtung der Erfindung weist eine Düse auf, welche die Ummantelung in die gewünschte gleichmäßige Dicke und/oder den gewünschten Querschnitt ausbildet. Zum Beispiel können ummantelte Stränge gebildet werden, indem das imprägnierte Faserwerg durch eine entsprechende Anzahl an Düsen gezogen oder auf andere Weise durchgeführt wird, wobei jede Düse mindestens eine Austrittsöffnung aufweist, die so dimensioniert ist, dass sie ein Ummantelungsmaterial in eine Ummantelung der gewünschten Dicke bildet. Bei der Verwendung einer Drahtbeschichtungsvorrichtung wird das imprägnierte Werg typischerweise durch die Beschichtungsvorrichtung mit Hilfe einer Zugvorrichtung zugeführt oder durchgeführt. Die Zugvorrichtung kann von der Drahtbeschichtungsvorrichtung getrennt oder ein Teil dieser sein.
Geeignete Ummantelungsmaterialien schließen thermoplastische und wärmehärtbare Materialien ein, einschließlich jener, die in WO 98/06551 beschrieben werden. Bevorzugte Ummantelungsmaterialien für die Erfindung sind polymere Materialien wie Polycarbonatharz (PC), Nylon, Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polystyrol (PS), Polyethylen, Polypropylen, Acrylonitrilbutadienstyrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), thermoplastische Elastomere (TPE), thermoplastische Olefine (TPO) und Mischungen davon. Die bevorzugten Ummantelungsmaterialien sind PC/ABS, Nylon und PET.
Bei der Auswahl der Ummantelungsmaterialien und organischen Benetzungsmittel wird bevorzugt, dass die zwei Materialien miteinander verträglich sind. Im Allgemeinen gilt ein Ummantelungsmaterial als mit einem organischen Benetzungsmittel als verträglich, wenn die zwei Materialien miteinander interagieren und/oder miteinander reagieren können, so dass das imprägnierte Faserwerg sich nicht von der Ummantelung trennt.
Um die Imprägnierung während des Ummantelungsverfahrens weiterhin zu verbessern, kann das imprägnierte Faserwerg unmittelbar vor dem Drahtbeschichten vorgewärmt werden. Es wird angenommen, dass dies die Kapillaraktion des Ummantelungsmaterials erhöht, so dass eine größere Anzahl an Fasern benetzt wird. Das Vorerwärmen kann durch Widerstandserwärmung, elektrostatische Erwärmung, Strah lungserwärmung oder konvektive Erwärmung des Faserwergs erfolgen, wobei die Widerstandserwärmung das bevorzugte Verfahren ist. Die Widerstandserwärmung ist deshalb möglich, weil das Faserwerg elektrisch leitend ist.
Mittels Durchführen des Strangs durch Metallkontaktpunkte mit einem potentiellen Spannungsunterschied ist es möglich, den Strang schnell zu erwärmen. Die typische Spannung zwischen Kontaktpunkten liegt zwischen 3 und 5 Volt bei 5 bis 20 Amperes.
Vorzugsweise bildet das Ummantelungsmaterial mindestens 75 Gewichtsprozent der ummantelten Faser. Durch die Verwendung der Erfindung kann das resultierende ummantelte Werg 5 Gewichtsprozent leitende Fasern enthalten, dabei jedoch bessere elektromagnetische Abschirmung aufweisen, wenn es zu einem Verbundartikel gebildet wird. In der bevorzugten Ausführungsform bildet das Ummantelungsmaterial 80 bis 95 Gewichtsprozent der ummantelten Faser. In der am bevorzugtesten Ausführungsform bildet das Ummantelungsmaterial 85 bis 90 Gewichtsprozent der ummantelten Faser.
Nachdem es ummantelt wurde, kann das imprägnierte Faserwerg geschnitten oder auf sonstige Weise in diskrete Längen geteilt werden, um eine Mehrzahl an umhüllten Verbundpellets zu bilden, oder gewickelt oder auf sonstige Weise verpackt werden, um ein ummanteltes Verbundswerg zu bilden.
ZUSATZMITTEL
Herkömmliche Zusatzmittel können in Kombination mit dem organischen Benetzungsmittel oder Ummantelungsmittel oder in einem getrennten Verfahren, wie einem zusätzlichen Bad oder Extruder, angewendet werden. Vorzugsweise werden die herkömmlichen Zusatzmittel gemeinsam mit dem organischen Benetzungsmittel und dem Ummantelungsmaterial hinzugefügt.
Zu geeigneten Zusatzmitteln zählen die herkömmlichen Zusatzmittel, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, wie zum Beispiel Kompatibilisatoren, Viskositätsmodifikatoren, Schmiermittel, statische Reduktionsmittel und Verarbeitungshilfsmittel, die auf die Fasern aufgetragen werden. Insbesondere schließen Zusatzmittel, die in der Erfindung eingesetzt werden können, ohne darauf beschränkt zu sein, epoxidfunktionelle Viskositätsmodifikatoren, Butoxyethylstearat, Diglycidylether von 1,4-Butandiol, Polyglycidylether von Rhizinusöl, Monomeräquivalente von Di-n-butylterephthalat, Dibenzoatester von 1,4-Butandiol, Diethylterephthalat, Dibenzoatester von Ethylenglykol, Caprolacton, Additionsprodukte von Adipoylchlorid, N-Aminohexan, N-Butylamsäure, Additionsprodukte von 1,6-Hexadiamin, Hexanoylchlorid, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenglykolesteremulsionen in Mineralöl, Polyethylenglykole, Polyethylenglykolmonostearate und Polyethylenimine ein.
SCHNEIDEN VON UMMANTELTEM WERG IN PELLETS
Das ummantelte imprägnierte Faserwerg kann mit Hilfe einer Schneidevorrichtung in Pellets geschnitten werden. Falls gewünscht, kann die Schneidevorrichtung so angepasst werden, dass sie auch als Ziehvorrichtung arbeitet oder das Ziehen durch Ziehen des imprägnierten Wergs durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung unterstützt. Eine beispielhafte Schneidevorrichtung ist im Handel als Modell 204 T Chopper erhältlich und wird von Conair-Jettro in Bay City, Michigan, hergestellt.
Beim Schneiden das ummantelten imprägnierten Faserwerg in Pellets werden die elektrisch leitenden Fasern im Allgemeinen die Länge des Pellets vergrößern. Somit werden das Pellet und die darin enthaltenen Fasern im Wesentlichen dieselbe Länge aufweisen. Im Allgemeinen wird das ummantelte imprägnierte Faserwerg in Pellets geschnitten, welche eine Länge zwischen ungefähr 4 mm bis ungefähr 15 mm aufweisen, bevorzugter von ungefähr 6 mm bis 13 mm.
VERBUNDSTOFFE DER ERFINDUNG
Aus dem ummantelten imprägnierten Werg oder den Pellets gemäß der Erfindung können Verbundartikel hergestellt werden. Beispielhafte Verbundartikel der Erfindung schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, EMI-abgeschirmte Verbundartikel und leitende Kunststoffmatten, Gewebe, Blätter, Platten und filamentgewickelte Rohre ein.
Als ein Beispiel einer Anwendung für einen leitenden Kunststoff kann ein Artikel, der aus einem Kunststoff geformt wurde, welcher nur wenig leitet, eine elektrische Ladung erhalten und dann durch elektrostatische Lackierungstechniken lackiert werden. Zu einer weiteren anspruchsvolleren Anforderungen kommt es bei den Verbundstoffen der Erfindung, wenn sie zu leitenden Kunststoffumschließungen (Abdeckungen) für ein elektronisches Gerät gebildet werden, welches elektromagnetische Abschirmung benötigt. Die Abdeckung isoliert das Gerät vor elektromagnetischer Strahlung, die sonst Störsignale in den Kreisen des nicht abgeschirmten Geräts erzeugen könnte, und in ähnlicher Weise verhindert die Abdeckung, dass das Gerät innerhalb einer abgeschirmten Abdeckung Signale überträgt, um ein anderes, benachbartes Gerät zu beeinträchtigen.
Es sollte anerkannt werden, dass leitende Kunststoffverbundstoffe gemäß der Erfindung nicht in dem Ausmaß leitend sind, in dem Metallleiter leiten. Im Allgemeinen stellen die leitenden Fasern in einem Formartikel Leitung insofern bereit, als dass sie zufällig berühren oder beinahe berühren. Die elektrische Leitung und elektromagnetische Ab schirmung kann auch auf kapazitive und induktive Haftung zwischen isolierten Fasern zurückgeführt werden. In einer idealen Situation hätten die Fasern zufällige Positionen und zufällige Ausrichtungen, so dass elektrische Pfade sich in drei Dimensionen von jeder einzelnen Faser erstrecken würden. Wie oben beschrieben, wird die Verteilung der Fasern in einem Verbundstoff durch Verwenden des organischen Benetzungsmittels in einer Menge von ungefähr 10 Gewichtsprozent des imprägnierten Wergs verbessert, was zu einer verbesserten Leitfähigkeit und verbesserten elektromagnetischen Abschirmungseigenschaften für den resultierenden Verbundstoff führt.
Durch die Verwendung der Erfindung können elektromagnetisch abgeschirmte Artikel gebildet werden, welche eine Abschirmungseffizienz von 80 dB bei einer Frequenz von 30 bis 1500 MHz aufweisen. Die Abschirmungseffizienz kann durch ASTM D4935 bestimmt werden, welcher die Fernfeldabschirmungseffizienz (3) misst, oder durch ASTM ES7-83 bestimmt werden, welcher die Nahfeldabschirmungseffizienz (4) misst. 3 und 4 stellen die EMI-Leistung von flachen Platten, die aus drahtbeschichteten Pellets spritzgegossen werden, wie in der Erfindung beschrieben, dar. Sowohl 3 als auch 4 zeigen ein Material, bei dem eine nickelbeschichtete Kohlenstofffaser mit einem Polycaprolactonharz imprägniert und danach mit einem Nylon-6,6-Harz drahtbeschichtet wurde. Die resultierenden drahtbeschichteten Pellets und der Formkunststoff enthalten 15 Gewichtsprozent Ladung leitender Fasern. 3 zeigt die Fernfeldabschirmungseffizienz gemessen durch ASTM-Test D4935, während 4 die durch den ASTM-Test ES7-83 gemessene Nahfeldabschirmungseffizienz zeigt.
Die Verbundartikel der Erfindung können durch herkömmliche, auf dem Fachgebiet bekannte, Mittel gebildet werden. Zum Beispiel können eines oder mehrere der ummantelten Werg oder Pellets zusammen verarbeitet werden, um die gesamte oder einen Teil der Matrix eines Verbundartikels zu bilden. Zu geeigneten Verfahren zählen Mischen und Formen, z. B. Spritzgussformen und Kompressionsformen. Ferner können für geschäumte Verbundartikel die Pellets der Erfindung in der Gegenwart einer geeigneten Menge eines Treibmittels geformt werden.
In Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Verbundartikels kann es von Vorteil sein, Pulver, Flocken oder zusätzliche geschnittene Fasern, wie Verstärkungsfasern, beim Mischen des ummantelten Wergs oder der Pellets gemäß der Erfindung aufzunehmen. Zum Beispiel könnten Pellets, welche das ummantelte imprägnierte Werg gemäß der Erfindung enthalten, mit Pellets gemischt werden, welche ummantelte und imprägnierte nicht-leitende Fasern enthalten.
Zu geeigneten Verstärkungsfasern zählen, ohne darauf beschränkt zu sein, Glasmaterialien wie Borosilikatglas, Glaswolle, Steinwolle, Schlacken- und Mineralwolle sowie Nicht-Glasmaterialien wie Kohlenstoff, Graphit, Siliziumcarbid und Kevlar^®.
Geeignete Flocken können aus Metallpartikeln hergestellt werden, zum Beispiel Silber, Aluminium, Kupfer oder Nickel oder Legierungen davon. Die Flocken können verschiedene Formen aufweisen, zum Beispiel flach oder oval sein.
Geeignete Pulver schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, leitende und halbleitende Pulver ein. Zum Beispiel können die Pulver aus Zinkoxiden, Zinksulfiden, Cadmiumsulfiden, Bleisulfid, Manganoxiden, Zinnoxiden, Indiumoxiden und Nickeloxiden ausgewählt werden. Die durchschnittliche Größe solcher Pulver kann von ungefähr 0,1 Mikrometern bis ungefähr 50 Mikrometern reichen, vorzugsweise von ungefähr 0,1 bis ungefähr 25 Mikrometern, am bevorzugtesten von ungefähr 0,2 bis ungefähr 4 Mikrometern.
Das Verfahren zum Bilden von elektrisch leitenden imprägnierten Fasern und Pellets, welche diese aufweisen, wird nun unter Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben.
2A zeigt ein schematisches Verfahren für das Bilden von elektrisch leitenden imprägnierten Fasern unter Verwendung einer Off-Line-Anwendung des organischen Benetzungsmittels. Wie in 2A gezeigt, wird das elektrisch leitende Faserwerg 103 von einer Packung oder Spule 105 abgewickelt. Das elektrisch leitende Faserswerg 103 kann unter Verwendung einer Ziehvorrichtung (nicht dargestellt) gezogen werden. Das elektrisch leitende Faserwerg 103 enthält eine Mehrzahl an elektrisch leitenden Fasern. Diese leitenden Fasern können aus einer nicht-leitenden Substratfaser gebildet werden, welche abgewickelt und mit einem Metall durch wässeriges Elektroplattieren oder dergleichen beschichtet wird.
Das elektrisch leitende Faserwerg 103 wird durch ein Bad 107 gezogen, um ein organisches Benetzungsmittel aufzutragen. Demzufolge wird das organische Benetzungsmittel das elektrisch leitende Faserwerg 103 derart penetrieren, dass das elektrisch leitende Faserwerg 103 mit dem organischen Benetzungsmittel imprägniert wird und die Fasern des elektrisch leitenden Faserwergs 103 beschichtet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wendet das Schlichtebad 107 Haftmittel, Filmbildner und Mischungen davon auf das elektrisch leitende Faserwerg 103 an. Das Bad 107 kann wässerig oder nicht-wässerig sein, und für den Fall, dass es sich bei dem Bad um eine nicht-wässerige Lösung handelt, erfordert das Verfahren vorzugsweise keinen Trocknungsofen vor dem Abspulen, wie unten beschrieben.
Wenn ein wässeriges Schlichtemittel in dem Bad 107 verwendet wird, wird das imprägnierte elektrisch leitende Faser werg 103 dann durch einen Trocknungsofen 109 gezogen, um das elektrisch leitende Faserwerg 103 zu trocknen. Wenn zum Beispiel eine wässerige Emulsion im Schlichtebad 107 verwendet wird, kann gewünscht werden, den Wassergehalt durch die Verwendung eines Trocknungsofens zu vertreiben. Das imprägnierte elektrisch leitende Faserwerg 103 kann danach auf eine Packung (oder Spule) 113 gewickelt werden.
Das imprägnierte elektrisch leitende Faserwerg 103 wird dann von der Packung 113 einer Drahtbeschichtungsdüse (nicht dargestellt) zugeführt. Innerhalb der Düse wird eine thermoplastische oder wärmehärtbare Ummantelung um den Strang herum gebildet, um das elektrisch leitende Faserwerg 103 mit dem elektrisch leitenden Faserwerg 103 einzukapseln, das den Kern des ummantelten Werg bildet. Weder das Vorwärmen des Strangs noch Brecherstangen innerhalb der Düse sind erforderlich. Das heißt, dass Ummantelungsmaterialien wie thermoplastische Materialien oder wärmehärtbare Materialien leicht als Ummantelung um das elektrisch leitende Faserwerg 103 herum angebracht werden können. Das ummantelte Werg kann danach auf eine andere Packung, wie eine Spule (nicht dargestellt), gewickelt werden.
Als nächstes kann das ummantelte Werg dann abgewickelt und einer Schneidevorrichtung (nicht dargestellt) zugeführt werden, um das ummantelte Werg in Pellets von gewünschter Länge zu schneiden. Alternativ dazu kann das imprägnierte elektrisch leitende Faserwerg 103 in die Drahtbeschichtungsdüse eingeführt werden, um die Ummantelung in-line aufzutragen, ohne gewickelt zu werden. Ferner kann das ummantelte elektrisch leitende Faserwerg 103 der Schneidevorrichtung zugeführt werden, ohne gewickelt zu werden, um das ummantelte Werg 103 in-line in Pellets zu schneiden.
In einem In-Line-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 2B gezeigt, wird ein Faserwerg 103' von einer Packung oder Spule 105' abgewickelt und durch ein wässeriges Silanbad 106 gezogen, um eine leitende Schicht auf das Werg 103' aufzutragen. Das Werg 103' wird danach durch ein wässeriges Silanbad 104 und durch einen Ofen 108 gezogen. Im Anschluss daran wird das Werg 103' durch ein nicht-wässeriges Schlichtebad (107') geführt (welches alternativ auch mit einem Rollenapplikator, nicht dargestellt, aufgetragen werden kann). Nach diesem Schritt gemäß der Erfindung erfordert das Werg 103' typischerweise keinen Trocknungsschritt, da dem Schlichtebad 107' kein Wasser hinzugefügt worden ist. Das Werg 103' wird danach auf eine Packung (oder Spule) 113' gewickelt. Alternativen zu dem in 2B gezeigten In-Line-Verfahren schließen die Verwendung eines einzelnen Bads und somit den Ausschluss von entweder 104 oder 107' ein, gezeigt in 2B. Falls alle Beschichtungsanwendungen, die verwendet werden (106 und 104 und/oder 107'), nicht wässerig sind, kann es sein, dass der Ofen 108 nicht erforderlich ist, da es bei einem solchen nicht-wässerigen Verfahren nicht notwendig wäre, durch die Verwendung eines Trocknungsofens Wassergehalt zu vertreiben.
Eine bevorzugtes wässeriges Schlichtemittel besteht aus einer beliebigen einer der Familien von Paraffinwachsen, Polycaprolactonen, Epoxiden mit geringem Molekulargewicht, Polyethylenglykol oder einer beliebigen Anzahl von Typen von niedrig schmelzenden Filmbildnern. Diese Schlichtemittel, die in ausreichend hoher organischer Konzentration auf den Strang aufgetragen werden, werden es dem Strang erlauben, sich nach der Drahtbeschichtung und dem Spritzgießen zu verteilen. Ein bevorzugtes nicht-wässeriges Auftragen der leitenden Metallbeschichtung umfasst ein gasförmiges chemisches Aufdampfverfahren, so wie dies auf dem Fachgebiet bekannt ist.
3 und 4 stellen die besseren Ergebnisse dar, welche mit elektrisch leitenden Fasern erzielt werden, die mit den hohen Pegeln an organischem Benetzungsmittel gemäß der Erfindung vorbenetzt wurden. 3 zeigt die Fernfeldabschirmungseffizienz (ASTM D4935) für spritzgegossene flache Platten, die Abschirmung basierend auf 15% nickelbeschichteten Fasern, wobei die Fasern mit Polycaprolacton vorimprägniert und danach mit Nylon 6,6 drahtbeschichtet wurden. 4 zeigt die Nahfeldabschirmungseffizienz (ASTM ES7-83) für Platten, die jenen ähneln, die für 3 getestet wurden. Typisches Compounding bei 15% Ladung würde nur bei ungefähr 15 bis 25 dB liegen, während wir, wie in 3 und 4 gezeigt, unter Verwendung der vorliegenden Erfindung 70 bis 90 dB erreichten.
5 zeigt die Abschirmungseffizienz von PC/ABS-Tafeln (ASTM D4935), wobei die verbesserte EMI-Abschirmungsleistung dargestellt wird, welche mit thermoplastischen Formartikeln erzielt wird, die Fasern aufweisen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurden, im Vergleich zu Artikeln mit herkömmlichen Fasern, bei denen die Fasern und das Harz durch Trockenmischen verbunden werden. Für die drahtbeschichteten (ummantelten) Fasern wurde die Abschirmungseffizienz sowohl für 15% als auch für 10% nickelbeschichtete Kohlenstofffasern mit Ummantelung aus PC/ABS-Harz (Cycoloy C6200) von GE Plastics überprüft, dargestellt in 5 als Linien 510 bzw. 512. Die Pellets gemäß der vorliegenden Erfindung sind ungefähr 6,35 mm (0,25 Inches) lang. Demzufolge sind die elektrisch leitenden Fasern ebenfalls ungefähr 6,35 mm (0,25 Inches) lang. Diese elektrisch leitenden Fasern wurden jeweils mit Velvetol-Wachsemulsion von RhonPoulenc (50%), Neoxil 954D-Polyesteremulsion von DSM (25%) und AD502-Epoxidemulsion von Owens Corning (25%) imprägniert. Zum Vergleich wird die Abschirmungseffizienz, die durch Formartikel aus Pellets, welche unbeschichtete Fasern (mit Längen von 6,35 mm (0,25 Inches)) aufweisen und mit PC/ABS-Harz trockenvermischt sind, erzielt wird, ebenfalls in 5 bei Linie 514 dargestellt.
6A, 6B und 6C bieten einen sichtbaren Beweis dafür, wie die vorliegende Erfindung eine effizientere elektrische Leitungsfähigkeit bereitstellt, die den Formverbundstoffen verliehen werden kann. In diesen 6A bis 6C wurden 3 mm dicke PC/ABS-Tafeln durch drei verschiedene Techniken geformt und danach geröntgt, um den relativen Standort der leitenden Fasern zu überprüfen. In 6A werden Fasern mit Harz trockenvermischt und danach spritzgegossen. Da die Fasern nicht vorimprägniert sind, verteilen sie sich nicht adäquat in dem Formteil und erscheinen als Faserbündel, wobei sie typischerweise in Clustern von 500 bis 2000 Fasern zusammen bleiben.
Infolgedessen wird innerhalb des Teils kein leitendes Netzwerk von Fasern geschaffen und es können nicht-benetzte Fasern an der Oberfläche des Teils beobachtet werden. In 6B wurden Fasern vorimprägniert, aber die Vorimprägnierungsbeschichtung hat die Verteilung von Fasern während des Formverfahrens nur geringfügig verbessert, da das Schlichten in diesem Beispiel nicht optimiert wurde. In 6C wurden die leitenden Fasern ordnungsgemäß vorimprägniert [Velevetol-Wachsemulsion von RhonePoulenc (50%), Neoxil 954D-Polyesteremulsion von DSM (25%) und AD502-Epoxidemulsion von Owens Corning (25%)] und danach mit PC/ABS ummantelt. Die ummantelten Fasern von 6C verteilen sich außergewöhnlich gut, wodurch die Entwicklung eines leitenden Fasernetzwerks durch den Teil hindurch ermöglicht wird.
Die vorhergehende detaillierte Beschreibung wurde nur zum besseren Verständnis bereitgestellt, so dass daraus keine unnotwendigen Beschränkungen abzuleiten sind, da für Fachleute Modifikationen offensichtlich sein werden.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen, einschließlich der Tatsache, dass die elektrisch leitenden Fasern leicht im Formverfahren verteilt werden. Durch Verwendung eines organischen Benetzungsmittels in einer Menge von mindestens 10 Gewichtsprozent eines imprägnierten Wergs werden die elektrisch leitenden Fasern benetzt und sind besser geeignet, sich während des Formverfahrens vollständig und zufällig zu verteilen. Somit schaffen die elektrisch leitenden Fasern, wenn ein Artikel aus den Pellets gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, ein vollständig integriertes elektrisches leitendes Netzwerk innerhalb des Kunststoffes. Als Folge werden ein besseres statisches Dissipationsverhalten, eine bessere elektromagnetische Abschirmung und andere elektrische Eigenschaften erzielt. Im Gegensatz dazu neigen elektrisch leitende Fasern, die nicht vorbenetzt sind, dazu, in Bündeln zusammen zu bleiben, anstatt sich zu verteilen. Solche unverteilten Bündel können zu inakzeptablen Erscheinungsbildern und reduzierten elektromagnetischen Abschirmungseigenschaften führen.
Zu den weiteren Vorteilen zählt der Umstand, dass eine gleichmäßige Gewichtsfraktion von elektrisch leitender Faser zu thermoplastischem (oder wärmehärtbaren) Material in Pellets erzielt wird, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt worden sind, da jedes Pellet ein elektrisch leitendes Faserwergsegment aufweist, welches die Länge des Pellets erweitert. Somit gibt es innerhalb jedes Pellet-Batches eine gleichmäßige Faserladung. Im Gegensatz dazu werden bei herkömmlichen Techniken lange Fasern mit thermoplastischen Pellets einfach trockenvermischt. Dies führt dazu, dass die herkömmlichen, tro ckenvermischten Fasern dazu neigen, sich von den Pellets zu lösen, so dass die Faserladung unbeständig werden kann.
BEISPIELE
Es wurde eine große Bandbreite an Verbindungen mit Hilfe der vorliegenden Erfindung hergestellt. Mehrere repräsentative Proben sind in untenstehender Tabelle angeführt. Alle Proben wurden unter Verwendung einer mehrlagigen metallbeschichteten leitenden Faser (Nickel-Kupfer-Nickel-beschichteter Kohlenstoff) erzeugt. Verschiedene Imprägnierungsbeschichtungen wurden verwendet, um die Imprägnierung, Faserhaftung, Verteilung, Oberflächenerscheinung und elektrischen Eigenschaften zu optimieren. Die Abschirmungseffizienz wurde gemäß ASTM D4935 quantifiziert.
Wie in den vorangegangenen Beispielen angeführt, wurde bei allen Verbindungen eine hervorragende Abschirmung erzielt. Im Allgemeinen wird eine Abschirmungseffizienz von mehr als 60 dB als geeignet erachtet, um als leitende Abschirmung auf den meisten elektronischen Teilen verwendet zu werden.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung von elektrisch imprägnierten Fasern und in Bezug auf die Fasern selbst beschrieben wurde, wird verstanden werden, dass die Erfindung weiterhin modifiziert werden kann und dass die vorliegende Anmeldung alle Variationen, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung abdeckt, welche in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden imprägnierten Fasern, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Führen von elektrisch leitenden Fasern (105, 105') durch ein Bad (107, 107'), welches ein organisches Benetzungsmittel enthält, um die Fasern mit dem organischen Benetzungsmittel zu imprägnieren, wodurch ein imprägniertes Faserwerg (103, 103') gebildet wird und (b) Auftragen einer thermoplastischen oder wärmehärtbaren Ummantelung auf das imprägnierte Faserwerg (103, 103'), um ein ummanteltes, imprägniertes Faserwerg zu bilden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das organische Benetzungsmittel, das in Schritt (a) imprägniert wird, mindestens 10 Gewichtsprozent des resultierenden imprägnierten Faserwergs ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner folgenden Schritt umfasst: (c) Schneiden des ummantelten imprägnierten Faserwergs in Pellets.
Verfahren nach Anspruch 2, welches ferner folgende Schritte umfasst: (d) Einführen der Pellets in eine Form; und (e) Schmelzen der Pellets in der Form, um einen elektromagnetisch abschirmenden Verbundstoff zu bilden, wobei das organische Benetzungsmittel die gleichmäßige Verteilung der Fasern in dem Verbundstoff ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner vor dem Schritt (a) folgende Schritte umfasst: (i) Abziehen von nicht elektrisch leitenden Fasern (105') und (ii) Auftragen einer elektrisch leitenden Beschichtung (106) auf die nicht elektrisch leitenden Fasern (105').
Verfahren nach Anspruch 4, wobei Schritt (a) (ii), Auftragen der elektrisch leitenden Beschichtung (106), das Elektroplattieren von nicht elektrisch leitenden Kohlenstofffasern mit einer Metallbeschichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) in Linie ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitenden Fasern (105, 105') von Schritt (a) mit einer Geschwindigkeit von weniger als ungefähr 76 cm/s abgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Imprägnierungsschritt (a) das Ziehen der elektrisch leitenden Fasern (105, 105') durch ein Bad (107, 107') umfasst, welches das organische Benetzungsmittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das organische Benetzungsmittel aus der Gruppe bestehend aus Haftmitteln, Filmbildnern und Mischungen davon ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das organische Benetzungsmittel einen Filmbildner enthält, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wachsen, Polyethylenglykolen, Polypropylenglykolen, Polycaprolactonen, Glycidylethern, Epoxidharzen, Urethanen, Polyesteralkyden, Säureamid, Propylenglykolfumarat, propoxyliertem Bisphenol-A-Maleat, propoxyliertem Allylalkoholmaleat, Polyvinylacetaten, Olefinen, Polyestern mit niedrigem Molekulargewicht und Mischungen davon besteht, wobei der Filmbildner in der Lage ist, die einzelnen elektrisch leitenden Fasern zu beschichten, um ein imprägniertes Spinnkabel zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das organische Benetzungsmittel ein Haftmittel enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkoholen, Aminen, Estern, Ethern, Kohlenwasserstoffen, Siloxanen, Silazanen, Silanen, Lactamen, Lactonen, Anhydriden, Carbenen, Nitrenen, Orthoestern, Imiden, Enaminen, Iminen, Amiden, Imiden, funktionalisierten Olefinen und Mischungen davon besteht, wobei das Haftmittel in der Lage ist, die leitenden Fasern an die thermoplastische oder wärmehärtbare Ummantelung bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 100 bis ungefähr 300°C zu binden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bad (107, 107') eine wässerige Emulsion des Benetzungsmittels ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Imprägnierungsschritt (a) das Ziehen der elektrisch leitenden Faser durch ein nicht wässeriges Bad (107, 107'), welches das organische Benetzungsmittel enthält, und das direkte Zuführen des imprägnierten Faserwergs zum Ummantelungsschritt (b) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ummantelung des imprägnierten Faserwergs in Linie mit dem Imprägnierungsschritt (a) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei vor dem Schneideschritt (c) das ummantelte elektrisch leitende Faserwerg in eine Packung (113, 113') gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schneideschritt (c) in Linie mit der Ummantelung des imprägnierten Faserwergs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schneideschritt (c) das Schneiden des Faserwergs in Pellets mit einer Länge im Bereich von ungefähr 6 mm bis ungefähr 13 mm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das elektrisch leitende Faserwerg sich im Wesentlichen auf einer Achse des Pellets befindet und die Länge des Pellets erweitert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das organische Benetzungsmittel zwischen 10 und 30 Gewichtsprozent des imprägnierten Faserwergs ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das organische Benetzungsmittel zwischen 15 und 25 Gewichtsprozent des imprägnierten Faserwergs ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das organische Benetzungsmittel eine wässerige Emulsion aus ungefähr 35 bis 65 Gewichtsprozent Wachs ist und wobei das Wachs auf den Fasern in einer Menge zwischen ungefähr 10 bis ungefähr 30 Gewichtsprozent des resultierenden imprägnierten Faserwergs vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Ummantelung ein thermoplastisches Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polycarbonatharz, Nylon, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polystyrol, Polypropylen, Acrylonitrilbutadienstyrol, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, Polyetherimid, thermoplastischen Olefinen, Elastomeren und Mischungen davon besteht, und wobei die leitenden Fasern in den Pellets in einer Menge von weniger als ungefähr 25 Gewichtsprozent vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das imprägnierte Faserwerg unmittelbar vor dem Ummanteln vorerwärmt wird, um das Imprägnieren durch das Ummantelungsmaterial zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das imprägnierte Faserwerg unter Anwendung von Widerstandserwärmung vorerwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung ein organisches Material umfasst, das bei einem Temperaturbereich von 80°C bis 180°C eine Viskosität aufweist, die nicht größer als 1,5 Pa-s ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Viskosität des organischen Materials bei einem Temperaturbereich von 80°C bis 180°C nicht größer als 0,8 Pa-s ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Viskosität des organischen Materials bei einem Temperaturbereich von 80°C bis 180°C nicht größer als 0,4 Pa-s ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Viskosität des organischen Materials bei einem Temperaturbereich von 80°C bis 180°C nicht größer als 0,2 Pa-s ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Viskosität des organischen Materials bei einem Temperaturbereich von 80°C bis 180°C nicht größer als 0,075 Pa-s ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Viskosität des organischen Materials bei einem Temperaturbereich von 80°C bis 180°C nicht größer als 0,025 Pa-s ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Viskosität des organischen Materials bei einem Temperaturbereich von 80°C bis 180°C nicht größer als 0,005 Pa-s ist.