EP2303956A1 - Verbundmaterial mit nano-pulver und verwendung des verbundmaterials - Google Patents

Verbundmaterial mit nano-pulver und verwendung des verbundmaterials

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Publication number
EP2303956A1
EP2303956A1 EP09772249A EP09772249A EP2303956A1 EP 2303956 A1 EP2303956 A1 EP 2303956A1 EP 09772249 A EP09772249 A EP 09772249A EP 09772249 A EP09772249 A EP 09772249A EP 2303956 A1 EP2303956 A1 EP 2303956A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filler
powder
composite material
fraction
composite
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09772249A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Piecha
Matthias ÜBLER
Wilfried Albert
Mario Brockschmidt
Peter GRÖPPEL
Vicky Jablonski
Uwe Schönamsgruber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2303956A1 publication Critical patent/EP2303956A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/01—Use of inorganic substances as compounding ingredients characterized by their specific function
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/014—Additives containing two or more different additives of the same subgroup in C08K

Definitions

  • the invention relates to a composite material comprising at least one base material and at least one filler-powder mixture distributed in the base material, wherein the filler-powder mixture comprises a filler powder fraction and at least one further filler powder fraction, the filler powder Fraction has an average powder particle diameter (D 50 ) selected from the range of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, and a total filler content (degree of filling) of the filler-powder mixture in the composite material is more than 50% by weight.
  • D 50 average powder particle diameter
  • degree of filling degree of filling
  • the composite material is, for example, a thermoset cast resin system, as used in electrical engineering for producing high quality composite materials (e.g., insulating and bonding materials)
  • Construction materials is used. With the help of the fillers of the cast resin system electrical, mechanical and thermal properties of the resulting composite material can be adjusted. Such properties are, for example, the thermal conductivity, the linear thermal expansion coefficient, the modulus of elasticity or the fracture toughness of the composite material. Likewise, the reaction enthalpy that is released during the curing process of the composite material can be controlled.
  • Some of these properties depend on the level of filling, and thus the size of the surface to be wetted, which is introduced by the filler in the composite material.
  • volume effect dominates the influence on the Properties of the composite. This concerns in particular the electrical properties.
  • Surface effects that is, effects that occur due to the interface between the base material of the composite material or the composite and the filler, play only a minor role.
  • the described increase in viscosity can be achieved by increasing a processing temperature of the cast resin system or by the use of additives that increase the diligence ability of the cast resin system. Both solutions involve an undesirable limitation of the processability (eg of a process window) of the cast resin system as well as an increase in the cost of its processing. Likewise, a reduction in the degree of filling would counteract the increase in viscosity through the use of fine filler particles. But this is in terms of one the widest possible range of variation of the properties of the resulting composite undesirable.
  • WO 03/072646 A is a highly filled, yet flowable composite material, which consists of a filled with a filler casting resin system.
  • the base material of the cast resin system is, for example, an epoxy-based resin in the form of a mixture of resin and hardener.
  • the filler is a filler-powder mixture of fine, medium coarse and coarse filler-powder fractions.
  • the fine filler powder fraction is composed of powder particles having an average powder particle diameter in the range of 1 .mu.m to 10 .mu.m.
  • the average powder particle diameters of the medium coarse and coarse powder particle fractions are selected from the range of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m and from the range of 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • filling level By using several specifically matched filler fractions with different particle size distributions (filler-powder mixture with multimodal particle size distribution), it has been possible to increase the filling level by about 10% by weight and, to a lesser extent, also to increase a proportion of the fine filler powder fraction while maintaining the viscosity level of the potting compound.
  • Object of the present invention is to provide a composite material in which a high filler content is possible and at the same time a viscosity of the composite material remains low at a lower cost compared to the prior art.
  • a composite material comprising at least one base material and at least one distributed in the base material filler-powder mixture, wherein the filler-powder mixture comprises a filler powder fraction and at least one further filler powder fraction, the Filler-powder fraction has an average powder particle diameter selected from the range of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, and a total filler content of the filler-powder mixture in the composite material is more than 50% by weight.
  • the composite material is characterized in that the further filler powder fraction has a further average powder particle diameter selected from the range of 1 nm to 100 nm and a proportion of the further filler powder fraction on the filler powder mixture is selected from the range of 0.1% by weight to 50% by weight.
  • the composite material is a particle composite of base material and filler.
  • the base material represents a matrix in which the filler or the filler particles of the filler-powder mixture are distributed. Preferably, there is a homogeneous distribution of the filler particles in the base material.
  • the filler-powder mixture has a multimodal particle size distribution. At least one of the filler powder fractions has nanoscale filler particles.
  • the average powder particle diameter (D 50 ) of this filler powder fraction is selected in the range of 1 nm to 100 nm, and preferably in the range of 1 nm to 50 nm.
  • the viscosity of the composite material can be adjusted within a wide range.
  • the proportion of the further filler powder fraction in the filler-powder mixture from the range of 0.4 wt.% To 40 wt.% And in particular from the range of 0.5 wt.% To 20 % By weight selected.
  • the proportion of the further filler powder fraction of the filler-powder mixture and the total filler content of the filler-powder mixture in the composite material are chosen so that the further filler powder fraction with a proportion of not more than 10 Wt.% And in particular in a proportion from the range of 0.1 wt.% To 5 wt.% Contained in the composite material.
  • the further average powder particle diameter is selected from the range of 5 nm to 30 nm.
  • the average powder particle diameter is 20 nm.
  • the total filler content of the filler-powder mixture in the composite material is selected from the range of 60% by weight to 80% by weight.
  • a higher total filler content of For example, 90% by weight or 95% by weight are also conceivable.
  • the properties of the composite material and the composite material obtained from the composite material can be adjusted in a very wide range.
  • the composite material is particularly suitable as a casting material for use in a casting process.
  • the composite material can be used very well in the pressure gelling technique.
  • the individual filler-powder fractions can be multi-modal. This means that they in turn can be composed of several fractions with different particle size distributions.
  • the filler powder fraction or the further filler powder fraction is bi- or trimodal.
  • the filler-powder fractions may consist of the same or different materials. According to a particular embodiment, therefore, the filler powder fractions have powder particles with the same or different chemical composition. Thus, for example, it is conceivable to add nanoscale quartz powder or fused silica (SiO 2 ) merely to adjust the viscosity of the composite material. The electrical properties of the resulting composite are adjusted by the microsized filler powder fraction.
  • the micro-scale filler is a barium titanate or a lead zirconate titanate (PZT). It is also conceivable that at least one of the filler-powder fractions consists of mixtures of powder particles of different chemical compositions.
  • the micro-scale filler-powder fraction could be a mixture of powder particles with chemical compositions of the barium-calcium-strontium-titanate system (Ba x Ca x Sr y x - y TiOs).
  • the nanoscale further filler powder fraction could be a Mixture of powder particles of silicon dioxide and alumina (Al 2 O 3 ) be.
  • Aluminum Oxyhydrate (AlO (OH)) is also conceivable as a material of the nano-scale further filler powder fraction.
  • the materials mentioned could also be used for the micro-scale filler-powder fraction.
  • the chemical composition of the powder particles is selected from the group of metal carbonate, metal carbide, metal nitride, metal oxide and metal sulfide.
  • metal carbonates for example dolomite (CaCO 3) t, can be used to reduce the flammability of the resulting composite.
  • Al 2 O 3 , TiO 2 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , CeO 2 or ZrO 2 are suitable for optimizing the various thermal properties.
  • the nitrides AlN, BN, B 3 N 4 or Si 3 N 4 are suitable for increasing the hardness of the resulting composite material.
  • An improvement of the thermal conductivity is with the
  • the compounds used can, as can be seen from the examples, have only one anionic component in each case.
  • mixed compounds can be used which have a plurality of anionic components.
  • Such a mixed compound is, for example, a metal-oxi-sulfide.
  • the metal oxides may comprise a single type of metal.
  • the metal oxide has a mixed oxide with at least two different metals.
  • a mixed oxide is, for example, lead zirconate titanate, with the aid of which the electrical properties of the composite material and thus of the resulting
  • Composite can be adjusted in a wide range. Also materials of the already mentioned barium-calcium-strontium-titanate system are suitable, the adjust the electrical properties of the composite material.
  • mineral substances are also suitable materials for the filler-powder fractions.
  • Materials include mica and slate meal. These materials are used inter alia to reduce the combustibility of the composite material,
  • filler particles of the filler powder fraction and / or filler particles of the further filler powder fraction have a spherical, splintery, platelet-shaped and / or short-phase particle shape from the group. It has been found that, in particular, the spherical particle shape has a favorable influence on the viscosity of the composite material.
  • the filler-powder fractions may contain filler particles having a core-shell structure. Such particles are characterized by a radial gradient with respect to their composition.
  • filler-powder fractions used can iron uncoated filler particles.
  • filler particles of the filler powder fraction and / or filler particles of the further filler powder fraction have a particle coating.
  • the filler particles are coated.
  • the coating can be organic or inorganic.
  • the coating can be applied to the coating process in a coating process
  • Particle surfaces of the powder particles are applied.
  • the base material may be inorganic in nature.
  • the base material is an organic material.
  • the organic base material is a crosslinkable or at least partially crosslinked polymer base material.
  • An underlying crosslinking reaction may be a polymerization, polyaddition or polycondensation.
  • the crosslinking reaction can be initiated chemically, for example anionic or cationic. Likewise, a crosslinking reaction induced by light or by the application of heat is possible.
  • the composite material is used as potting compound.
  • the potting compound is used for example in a vacuum casting.
  • the potting compound has a liquid base material.
  • the liquid base material consists for example of di- or poly-epoxy compounds, hardener components based on amine, acid anhydride or isocyanate and an accelerator component for an anionic or cationic reaction initiation.
  • further additives may be included, for example defoamers, wetting aids, flexibilizers and the like.
  • the nano-scale further filler powder fraction can be used with the aid of a liquid. Particularly suitable is the use of a so-called suspension-batch mixture.
  • the composite material can also be used in the automatic pressure gelling technique. Due to the adjustability of the viscosity of the composite material, it is also particularly suitable for this technique.
  • the composite material is used as a molding compound.
  • the composite material is first brought into a desired shape by applying a pressure and then cured.
  • suitable viscosity of the composite material can be adjusted.
  • the composite material as described above is used for producing a composite material, preferably for producing a filled polymer material.
  • the polymer material comprises the base material of the composite material in cured form.
  • the filler-powder mixture is distributed.
  • the composite material is used as a construction material (structural material).
  • the construction material is produced.
  • a housing or the like is produced from the composite material.
  • the composite material is processed and then cured. The result is the housing with the composite material.
  • Powder particles of the further filler powder the workability ensured by a low viscosity of the composite material.
  • the composite material can be characterized by very good rheological properties and is therefore particularly suitable for use as potting compound.
  • Table 1 contains a summary of the starting materials used with their essential properties. These include the average particle diameter, the specific surface area.
  • the filler types A, B and C were used as a micro-scale filler powder fraction.
  • the filler type D was used as nano-scale further filler powder fraction. All filler types consist of SiO 2 .
  • Silbond® includes Quarzmehl permit the quartz works Frechen.
  • Table 2 contains filler-powder blends (types E to I) made from filler powder types A to D.
  • Type E represents a comparative powder mixture which does not belong to the invention and has only microscale filler powder fractions.
  • Epoxy-based composites were made from the filler-powder blends.
  • Table 3 contains the viscosity values of the composite materials as a function of the degree of filling.
  • Table 4 contains examples of acid anhydride cured epoxy potting systems depending on

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, aufweisend mindestens ein Basismaterial und mindestens eine im Basismaterial verteilte Füllstoff-Pulver-Mischung, wobei die Füllstoff-Pulver-Mischung eine Füllstoff-Pulver-Fraktion und mindestens eine weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion aufweist, die Füllstoff-Pulver-Fraktion einen aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählten durchschnittlichen Pulver-Partikel-Durchmesser (D50) aufweist und ein Gesamt-Füllstoff-Anteil (Füllgrad) der Füllstoff-Pulver-Mischung am Verbundmaterial über 50 Gew.% beträgt. Das Verbundmaterial ist dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion einen aus dem Bereich von 1 nm bis 50 nm ausgewählten weiteren durchschnittlichen Pulver-Partikel-Durchmesser aufweist und ein Anteil der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion an der Füllstoff-Pulver-Mischung aus dem Bereich von 0,1 Gew.% bis 50 Gew.% ausgewählt ist. Es hat sich gezeigt, dass sich in Gegenwart von nano-skaligen Füllstoff-Partikeln ein hoher Füllstoffgrad bei niedriger Viskosität erzielen lässt. Besonders eignet sich das Verbundmaterial als Vergussmasse (Gießharz-System).

Description

Beschreibung
Verbundmaterial mit Nano-Pulver und Verwendung des Verbundmaterials
Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, aufweisend mindestens ein Basismaterial und mindestens eine im Basismaterial verteilte Füllstoff-Pulver-Mischung, wobei die Füllstoff-Pulver-Mischung eine Füllstoff-Pulver-Fraktion und mindestens eine weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion aufweist, die Füllstoff-Pulver-Fraktion einen aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählten durchschnittlichen Pulver-Partikel- Durchmesser (D50) aufweist und ein Gesamt-Füllstoff-Anteil (Füllgrad) der Füllstoff-Pulver-Mischung am Verbundmaterial über 50 Gew.% beträgt. Neben dem Verbundmaterial wird eine Verwendung des Verbundmaterials angegeben.
Das Verbundmaterial ist beispielsweise ein Duroplast- Gießharz-System, wie es in der Elektrotechnik zur Herstellung hochwertiger Verbundwerkstoffe (z.B. Isolier- und
Konstruktionswerkstoffe) eingesetzt wird. Mit Hilfe der Füllstoffe des Gießharz-Systems werden elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffs eingestellt. Solche Eigenschaften sind beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient, das E-Modul oder die Risszähigkeit des Verbundwerkstoffs. Ebenso kann die Reaktionsenthalpie gesteuert werden, die beim Aushärteprozess des Verbundmaterials frei wird.
Einige dieser Eigenschaften hängen von der Höhe des Füllgrads und damit von der Größe der zu benetzenden Oberfläche ab, die durch den Füllstoff in das Verbundmaterial eingebracht wird.
In Verbundwerkstoffen in Form von gefüllten Polymer- Werkstoffen mit mikro-skaligen Füllstoffen (Füllstoffe mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser im μm-Bereich) dominiert der Volumeneffekt beim Einfluss auf die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs. Dies betrifft insbesondere die elektrischen Eigenschaften. Grenzflächeneffekte, also Effekte, die aufgrund der Grenzfläche zwischen dem Basismaterial des Verbundmaterials bzw. des Verbundwerkstoffs und dem Füllstoff auftreten, spielen nur eine untergeordnete Rolle.
Zum Teil überraschende Eigenschaftsänderungen stellen sich in der Situation ein, in der Grenzflächeneffekte eine im Vergleich zu den Volumeneffekten zunehmende Bedeutung gewinnen. Dies ist dann der Fall, wenn feine Füllstoff-Pulver mit großer spezifischer Pulver-Oberfläche eingesetzt werden.
Um die Eigenschaften eines Verbundmaterials und damit des Verbundwerkstoffs in einem weiten Bereich zu variieren, liegt daher das Bestreben nahe, neben einem hohen Volumenanteil möglichst feine Füllstoff-Partikel einzusetzen. Allerdings nimmt bei gefüllten Verbundmaterialien in Form von Gießharz- Systemen durch den Einsatz von feinen Füllstoff-Pulvern im Vergleich zu Gießharz-Systemen mit groben, monomodalen Füllstoff-Pulvern bei nahezu gleichem Volumenanteil des Füllstoffs die Viskosität spürbar zu. Gerade bei Gießharz- Systemen ist das aber problematisch, da derartige Systeme zu jedem Zeitpunkt der Herstellung und der Verarbeitung fließfähig sein sollen. Dies bedeutet, dass die Gießharz- Systeme derart niederviskos sein sollen, dass das System ohne Anwendung von Druck fließt.
Die beschriebene Erhöhung der Viskosität kann durch Erhöhung einer Verarbeitungstemperatur des Gießharz-Systems oder durch den Einsatz von Additiven erreicht werden, die die Fleißfähigkeit des Gießharz-Systems erhöhen. Beide Lösungen beinhalten eine unerwünschte Einschränkung der Verarbeitbarkeit (z.B. eines Prozessfensters) des Gießharz- Systems sowie eine Verteuerung seiner Verarbeitungsprozesse. Ebenso würde eine Verringerung des Füllgrades der Erhöhung der Viskosität durch den Einsatz von feinen Füllstoff- Partikeln entgegenwirken. Dies ist aber im Hinblick auf eine möglichst weite Variationsbreite der Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffs unerwünscht.
Aus der Druckschrift WO 03/072646 A geht ein hochgefülltes, aber dennoch fließfähiges Verbundmaterial hervor, das aus einem mit einem Füllstoff gefüllten Gießharz-System besteht. Das Basismaterial des Gießharz-Systems ist beispielsweise ein auf Epoxid basiertes Gießharz in Form einer Mischung aus Harz und Härter. Der Füllstoff ist eine Füllstoff-Pulver-Mischung aus feinen, mittelgroben und groben Füllstoff-Pulver- Fraktionen. Die feine Füllstoff-Pulver-Fraktion setzt sich aus Pulver-Partikeln mit einem durchschnittlichen Pulver- Partikel-Durchmesser aus dem Bereich von 1 μm bis 10 μm zusammen. Die durchschnittlichen Pulver-Partikel-Durchmesser der mittelgroben und der groben Pulver-Partikel-Fraktionen sind aus dem Bereich von 10 μm bis 100 μm und aus dem Bereich von 100 μm bis 1000 μm ausgewählt.
Durch die Verwendung von mehreren gezielt aufeinander abgestimmten Füllstoff-Fraktionen mit verschiedenen Partikel- Größen-Verteilungen (Füllstoff-Pulver-Mischung mit multimodaler Partikel-Größen-Verteilung) ist es gelungen, den Füllgrad um ca. 10 Gew.% und in geringem Maße auch einen Anteil der feinen Füllstoff-Pulver-Fraktion unter Beibehaltung des Viskositätsniveaus der Vergussmasse zu erhöhen .
Hierfür ist aber eine genaue Einhaltung der, beispielsweise durch Simulation ermittelten, optimierten Mengenverhältnisse der Füllstoff-Fraktionen mit verschiedenen Partikel-Größen- Verteilungen erforderlich. In der Praxis lassen sich solche präzisen Mischungsverhältnisse mit pulverförmigen Zuschlagstoffen wegen unterschiedlicher Sedimentationsverhalten und unterschiedlicher Förderverhalten nur sehr schwer und nur mit erheblichem, technischen Aufwand realisieren . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundmaterial anzugeben, bei dem ein hoher Füllstoffgehalt möglich ist und gleichzeitig eine Viskosität des Verbundmaterials bei einem im Vergleich zum Stand der Technik geringerem Aufwand niedrig bleibt.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verbundmaterial angegeben, aufweisend mindestens ein Basismaterial und mindestens eine im Basismaterial verteilte Füllstoff-Pulver-Mischung, wobei die Füllstoff-Pulver-Mischung eine Füllstoff-Pulver-Fraktion und mindestens eine weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion aufweist, die Füllstoff-Pulver-Fraktion einen aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählten durchschnittlichen Pulver- Partikel-Durchmesser aufweist und ein Gesamt-Füllstoff-Anteil der Füllstoff-Pulver-Mischung am Verbundmaterial über 50 Gew.% beträgt. Das Verbundmaterial ist dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion einen aus dem Bereich von 1 nm bis 100 nm ausgewählten weiteren durchschnittlichen Pulver-Partikel-Durchmesser aufweist und ein Anteil der weiteren Füllstoff-Pulver- Fraktion an der Füllstoff-Pulver-Mischung aus dem Bereich von 0,1 Gew.% bis 50 Gew.% ausgewählt ist.
Das Verbundmaterial ist ein Teilchenverbund aus Basismaterial und Füllstoff. Das Basismaterial stellt eine Matrix dar, in der der Füllstoff beziehungsweise die Füllstoff-Partikel der Füllstoff-Pulver-Mischung verteilt sind. Vorzugsweise liegt eine homogene Verteilung der Füllstoff-Partikel im Basismaterial vor.
Die Füllstoff-Pulver-Mischung weist eine multimodale Partikel-Größen-Verteilung auf. Zumindest eine der Füllstoff- Pulver-Fraktionen weist nano-skalige Füllstoff-Partikel auf. Der durchschnittliche Pulver-Partikel-Durchmesser (D50) dieser Füllstoff-Pulver-Fraktion ist aus dem Bereich von 1 nm bis 100 nm und vorzugsweise aus dem Bereich von 1 nm bis 50 nm ausgewählt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich - entgegen den Erkenntnissen aus dem Stand der Technik - in Gegenwart von nano-skaligen Füllstoff-Partikeln ein hoher Füllstoffgrad und gleichzeitig eine niedrige Viskosität erzielen lässt. Dies kann auf den sehr starken Oberflächeneinfluss bei Partikeln mit Partikel-Durchmesser im Nanometerbereich zurückgeführt werden. Eine Beeinflussung volumenabhängiger Eigenschaften tritt bei derartigen Füllstoff-Partikeln deutlich in den Hintergrund.
In Abhängigkeit des Anteils der nano-skaligen weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion kann die Viskosität des Verbundmaterials in einem weiten Bereich eingestellt werden. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist der Anteil der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion an der Füllstoff-Pulver- Mischung aus dem Bereich von 0,4 Gew.% bis 40 Gew.% und insbesondere aus dem Bereich von 0,5 Gew.% bis 20 Gew.% ausgewählt. Vorzugsweise sind der Anteil der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion an der Füllstoff-Pulver-Mischung und der Gesamt-Füllstoff-Anteil der Füllstoff-Pulver-Mischung am Verbundmaterial so gewählt, dass die weitere Füllstoff- Pulver-Fraktion mit einem Anteil von maximal 10 Gew.% und insbesondere mit einem Anteil aus dem Bereich von 0,1 Gew.% bis 5 Gew.% im Verbundmaterial enthalten ist.
Besonders gute Ergebnisse können dann erzielt werden, wenn der weitere durchschnittliche Pulver-Partikel-Durchmesser aus dem Bereich von 5 nm bis 30 nm ausgewählt ist. Beispielsweise beträgt der durchschnittliche Pulver-Partikel-Durchmesser 20 nm. Bei Verwendung von Pulver-Partikeln mit durchschnittlichen Pulver-Partikel-Durchmessern gerade aus diesem Bereich stellt sich die gewünschte niedrige Viskosität ein .
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist der Gesamt- Füllstoff-Anteil der Füllstoff-Pulver-Mischung am Verbundmaterial aus dem Bereich von 60 Gew.% bis 80 Gew.% ausgewählt. Ein höherer Gesamt-Füllstoff-Anteil von beispielsweise 90 Gew.% oder 95 Gew.% sind ebenfalls denkbar. Wegen derart hoher Gesamt-Füllstoff-Anteile können die Eigenschaften des Verbundmaterials und des aus dem Verbundmaterial gewonnenen Verbundwerkstoffs in einem sehr weiten Bereich eingestellt werden. Aufgrund der Gegenwart des nano-skaligen weiteren Füllstoffs bleibt aber die Verarbeitbarkeit des Verbundmaterials gegeben. Damit eignet sich das Verbundmaterial insbesondere als Gießmasse zum Einsatz in einem Gießverfahren. Ebenso kann das Verbundmaterial sehr gut in der Druck-Gelier-Technik verwendet werden.
Die einzelnen Füllstoff-Pulver-Fraktionen können mehrmodal sein. Dies bedeutet, dass sie selbst wiederum aus mehreren Fraktionen mit verschiednen Partikel-Größen-Verteilungen zusammengesetzt sein können. Beispielsweise ist die Füllstoff-Pulver-Fraktion oder die weitere Füllstoff-Pulver- Fraktion bi- oder trimodal .
Die Füllstoff-Pulver-Fraktionen können aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weisen daher die Füllstoff-Pulver- Fraktionen Pulver-Partikel mit gleicher oder mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung auf. So ist beispielsweise denkbar, nano-skaliges Quarzmehl bzw. Quarzgut (SiO2) lediglich zum Einstellen der Viskosität des Verbundmaterials zuzugeben. Die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffs werden durch die mikro- skalige Füllstoff-Pulver-Fraktion eingestellt. Beispielsweise ist der mikro-skalige Füllstoff ein Barium-Titanat oder ein Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) . Denkbar sind auch, dass zumindest eine der Füllstoff-Pulver-Fraktionen für sich aus Mischungen von Pulver-Partikeln unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen besteht. So könnte die mikro-skalige Füllstoff-Pulver-Fraktion eine Mischung aus Pulver-Partikeln mit chemischen Zusammensetzungen des Barium-Calcium- Strontium-Titanat-Systems (BaxCaySri-x-yTiOs) sein. Die nano- skalige weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion könnte eine Mischung aus Pulver-Partikel aus Silizium-Dioxid und Aluminiumoxid (AI2O3) sein. Aluminiumoxihydrat (AlO(OH)) ist ebenfalls als Material der nano-skaligen weiteren Füllstoff- Pulver-Fraktion denkbar. Die genannten Materialien könnten im Übrigen auch für die mikro-skalige Füllstoff-Pulver-Fraktion eingesetzt werden.
Insbesondere ist die chemische Zusammensetzung der Pulver- Partikel aus der Gruppe Metallcarbonat, Metallkarbid, Metallnitrid, Metalloxid und Metallsulfid ausgewählt. Dabei sind Mischungen der genannten Verbindungen denkbar. Metallcarbonate, zum Beispiel Dolomit (CaCOs) t können zur Reduzierung der Brennbarkeit des resultierenden Verbundwerkstoffs eingesetzt werden.
Zur Optimierung der verschiedener thermischer Eigenschaften eignen sich beispielsweise Al2O3, TiO2, Fe2O3, Fe3O4, CeO2 oder ZrO2. Die Nitride AlN, BN, B3N4 oder Si3N4 eignen sich zur Erhöhung einer Härte des resultierenden Verbundwerkstoffs. Eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit wird mit den
Carbiden B4C, TiC, WC, SiC und mit Bornitrid (BN) erzielt.
Die eingesetzten Verbindungen können, wie den Beispielen zu entnehmen ist, nur jeweils eine anionische Komponente aufweisen. Ebenso können Mischverbindungen zum Einsatz kommen, die mehrere anionische Komponenten aufweisen. Eine derartige Mischverbindung ist beispielsweise ein Metall-Oxi- Sulfid.
Die Metalloxide können eine einzige Art Metall aufweisen. In einer besonderen Ausgestaltung weist das Metalloxid ein Mischoxid mit mindestens zwei verschiedenen Metallen auf. Ein derartiges Mischoxid ist beispielsweise Bleizirkonattitanat, mit dessen Hilfe die elektrischen Eigenschaften des Verbundmaterials und damit des resultierenden
Verbundwerkstoffs in einem weiten Bereich eingestellt werden können. Auch Materialien des bereits erwähnten Barium- Calcium-Strontium-Titanat-Systems sind geeignet, die elektrischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs einzustellen .
Schließlich kommen auch Mineral-Stoffe als Materialien für die Füllstoff-Pulver-Fraktionen in Frage. Derartige
Materialien sind beispielsweise Glimmer und Schiefermehl. Diese Materialien werden unter anderem zur Reduzierung der Brennbarkeit des Verbundwerkstoffs verwendet,
In einer besonderen Ausgestaltung weisen Füllstoff-Partikel der Füllstoff-Pulver-Fraktion und/oder Füllstoff-Partikel der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion eine aus der Gruppe sphärische, splittrige, plättchenförmige und/oder kurz- phasrige Partikel-Form auf. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die sphärische Partikel-Form einen günstigen Einfluss auf die Viskosität des Verbundmaterials ausüben.
Die Füllstoff-Pulver-Fraktionen können Füllstoff-Partikel mit einer Core-Shell-Struktur enthalten. Solche Partikel zeichnen sich durch einen radialen Gradienten bezüglich ihrer Zusammensetzung aus.
Die eingesetzten Füllstoff-Pulver-Fraktionen können unbeschichtete Füllstoff-Partikel aufeisen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen aber Füllstoff-Partikel der Füllstoff-Pulver-Fraktion und/oder Füllstoff-Partikel der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion eine Partikel-Beschichtung auf. Die Füllstoff-Partikel sind beschichtet. Die Beschichtung kann organisch oder anorganisch sein. Die Beschichtung kann in einem Beschichtungsverfahren auf die
Partikel-Oberflächen der Pulver-Partikel aufgebracht werden.
Das Basismaterial kann anorganischer Natur sein. Insbesondere ist das Basismaterial ein organisches Material. Das organische Basismaterial ist ein vernetzbares oder ein zumindest zum Teil vernetztes Polymer-Basismaterial. Durch eine Vernetzungsreaktion (Aushärtung) des Basismaterials entsteht aus dem Verbundmaterial der Verbundwerkstoff (gefüllter Polymer-Werkstoff) . Eine zugrundeliegende Vernetzungsreaktion kann eine Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation sein. Die Vernetzungsreaktion kann chemisch initiiert werden, beispielsweise anionisch oder kationisch. Ebenso ist eine durch Licht oder eine durch Zufuhr von Wärme induzierte Vernetzungsreaktion möglich.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Verbundmaterial als Vergussmasse verwendet. Die Vergussmasse wird beispielsweise in einem Vakuumgießverfahren eingesetzt.
Die Vergussmasse weist ein flüssiges Basismaterial auf. Das flüssige Basismaterial besteht beispielsweise aus Di- oder Poly-Epoxid-Verbindungen, Härterkomponenten auf Amin-, Säureanhydrid- oder Isocyanat-Basis und einer Beschleuniger- Komponente für eine anionische oder kationische Reaktionsinitiierung. Ebenso können weitere Additive enthalten sein, beispielsweise Entschäumer, Benetzungshilfen, Flexibilisatoren und dergleichen.
Die nano-skalige weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion kann mit Hilfe einer Flüssigkeit eingesetzt werden. Besonders geeignet ist der Einsatz einer so genannten Suspensions-Batch- Mischung. Dabei wird die nano-skalige weitere Füllstoff- Pulver-Fraktion in einer der flüssigen Komponenten des
Verbundmaterials suspendiert, beispielsweise im Epoxidharz, in der Härterkomponente oder im Flexibilisator .
Das Verbundmaterial kann auch in der automatischen Druck- Gelier-Technik verwendet werden. Aufgrund der Einstellbarkeit der Viskosität des Verbundmaterials ist es auch für diese Technik besonders geeignet.
Gemäß einer weiteren Verwendung wird das Verbundmaterial als Pressmasse eingesetzt. Das Verbundmaterial wird erst durch Anlegen eines Drucks in eine gewünschte Form gebracht und anschließend ausgehärtet. Mit Hilfe der nano-skaligen weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion kann die für das Befüllen eines Spritzgieß- oder Presswerkzeugs oder für den Gieß- bzw. Pressvorgang geeignete Viskosität des Verbundmaterials eingestellt werden.
Insbesondere wird das Verbundmaterial, wie oben beschrieben, zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs verwendet, vorzugsweise zum Herstellen eines gefüllten Polymer- Werkstoffs. Der Polymer-Werkstoff weist das Basismaterial des Verbundmaterials in ausgehärteter Form auf. In diesem Polymer-Werkstoff ist die Füllstoff-Pulver-Mischung verteilt.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird der Verbundwerkstoff als Konstruktionswerkstoff (Strukturwerkstoff) eingesetzt. Ausgehend vom Verbundmaterial wird der Konstruktionswerkstoff hergestellt. Beispielsweise wird mit Hilfe des Verbundmaterials ein Gehäuse oder Ähnliches aus dem Verbundwerkstoff hergestellt. Dazu wird in einem Formgebungsprozess, beispielsweise durch Verguss, das Verbundmaterial verarbeitet und anschließend ausgehärtet. Es resultiert das Gehäuse mit dem Verbundwerkstoff.
Folgende Vorteile der Erfindung sind hervorzuheben:
- Es ist ein Verbundmaterial zugänglich, das einen hohen Füllgrad zulässt. Durch die Anwesenheit der nano-skaligen
Pulver-Partikel der weiteren Füllstoff-Pulver bleibt die Verarbeitbarkeit durch eine niedrige Viskosität des Verbundwerkstoffs gewährleistet.
- Das Verbundmaterial kann sich durch sehr gute rheologische Eigenschaften auszeichnen und ist daher besonders für den Einsatz als Vergussmasse geeignet.
- Aufgrund des möglichen hohen Füllstoffgehalts können die Eigenschaften des Verbundmaterials und damit die
Eigenschaften des aus dem Verbundmaterial hergestellten Verbundwerkstoffs in einem weiten Bereich eingestellt werden. Anhand mehrerer Beispiele wird im Folgenden die Erfindung näher beschrieben.
Tabelle 1 enthält eine Zusammenstellung der eingesetzten Ausgangsmaterialien mit ihren wesentlichen Eigenschaften. Dazu zählen der durchschnittliche Partikeldurchmesser, die spezifische Oberfläche.
Als mikro-skalige Füllstoff-Pulver-Fraktion wurden die Füllstoff-Typen A, B und C eingesetzt. Der Füllstoff-Typ D kam als nano-skalige weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion zum Einsatz. Alle Füllstoff-Typen bestehen aus Siθ2. Silbond® umfasst Quarzmehlprodukte der Quarzwerke Frechen.
Tabelle 1:
Tabelle 2 enthält aus den Füllstoff-Pulver-Typen A bis D hergestellte Füllstoff-Pulver-Mischungen (Typen E bis I). Typ E stellt dabei eine nicht zur Erfindung gehörende Vergleichs- Pulver-Mischung dar, die nur mikro-skalige Füllstoff-Pulver- Fraktionen aufweist. Tabel le 2 :
Aus den Füllstoff-Pulver-Mischungen wurden Epoxid basierte Verbundmaterialien hergestellt. Tabelle 3 enthält die Viskositätswerte der Verbundmaterialien in Abhängigkeit vom Füllgrad.
Bei Verwendung von Füllstoff-Pulver-Mischungen mit einer mikroskaligen Füllstoff-Pulver-Fraktion und einer nano- skaligen weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion werden bei hohem Gesamt-Füllstoff-Anteil hohe Viskositätswerte erzielt (insbesondere Beispiele 11, 13 und 15), die jedoch mit steigendem Nanopartikel-Anteil sinken (Beispiel 17)
Tabelle 4 enthält Beispiele für ein von Säureanhydrid gehärteten Epoxid-Verguss-Systemen in Abhängigkeit vom
Füllgrad und der Partikel-Größenverteilung. Es sind sowohl die Viskositäten der jeweiligen Verbundmaterialien (Ausgangsmaterialien) aufgelistet als auch Formeigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffs (Risszähigkeit, Spezifische Bruchenergie und Biegefestigkeit.
Tabelle 4:
*) gemessen bei 700C **) gemessen bei 600C

Claims

Patentansprüche
1. Verbundmaterial, aufweisend
- mindestens ein Basismaterial und - mindestens eine im Basismaterial verteilte Füllstoff- Pulver-Mischung, wobei
- die Füllstoff-Pulver-Mischung eine Füllstoff-Pulver- Fraktion und mindestens eine weitere Füllstoff-Pulver- Fraktion aufweist, - die Füllstoff-Pulver-Fraktion einen aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählten durchschnittlichen Pulverpartikel- Durchmesser aufweist, und
- ein Gesamt-Füllstoff-Anteil der Füllstoff-Pulver-Mischung am Verbundmaterial über 50 Gew.% beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass
- die weitere Füllstoff-Pulver-Fraktion einen aus dem Bereich von 1 nm bis 100 nm ausgewählten weiteren durchschnittlichen Pulverpartikel-Durchmesser aufweist, und
- ein Anteil der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion an der Füllstoff-Pulver-Mischung aus dem Bereich von 0,1 Gew.% bis
50 Gew.% ausgewählt ist.
2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei der Anteil der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion aus dem Bereich von 0,1 Gew.% bis 20 Gew.% und insbesondere aus dem Bereich von 0,2 Gew.% bis 10 Gew.% ausgewählt ist.
3. Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei der weitere durchschnittliche Pulverpartikel-Durchmesser aus dem Bereich von 5 nm bis 100 nm ausgewählten ist.
4. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gesamt-Füllstoff-Anteil der Füllstoff-Pulver-Mischung am Verbundmaterial aus dem Bereich von 60 Gew.% bis 80 Gew.% ausgewählt ist.
5. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Füllstoff-Pulver-Fraktion und/oder die weitere Füllstoff- Pulver-Fraktion monomodal sind.
6. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Füllstoff-Pulver-Fraktionen Pulverpartikel mit gleicher oder mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufweisen .
7. Verbundmaterial nach Anspruch 6, wobei die chemische Zusammensetzung der Pulverpartikel aus der Gruppe Metallcarbonat, Metallcarbid, Metallnitrid, Metalloxid und Metallsulfid ausgewählt ist.
8. Verbundmaterial nach Anspruch 7, wobei das Metalloxid ein Mischoxid mit mindestens zwei verschiednen Metallen aufweist.
9. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Basismaterial ein vernetzbares oder zumindest zum Teil vernetztes Polymer-Basismaterial ist.
10. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Füllstoff-Partikel der Füllstoff-Pulver-Fraktion und/oder Füllstoff-Partikel der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion eine aus der Gruppe sphärische, splittrige, plättchenförmige und/oder kurz-phasrige Partikel-Form aufweisen.
11. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Füllstoff-Partikel der Füllstoff-Pulver-Fraktion und/oder Füllstoff-Partikel der weiteren Füllstoff-Pulver-Fraktion eine Partikel-Beschichtung aufweisen.
12. Verwendung des Verbundmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Vergussmasse.
13. Verwendung des Verbundmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Pressmasse.
14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13 zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs .
15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei der Verbundwerkstoff als Konstruktionswerkstoff eingesetzt wird.
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