ES2284974T3 - Procedimiento para producir composiciones termoplasticas electricamente conductoras. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para producir un artículo termoplástico moldeado por inyección, una lámina extruida, o un perfil extruido eléctricamente conductores, que comprende las etapas de: (i) proporcionar a resina termoplástica y una combinación sinérgica de una fibra metálica y una fibra metálica revestida con un metal a un aparato de mezclado en estado fundido y (ii) conformar un artículo termoplástico moldeado por inyección, una lámina extruida, o un perfil extruido eléctricamente conductores, directamente desde el aparato de mezclado en estado fundido.

Description

Procedimiento para producir composiciones termopláticas eléctricamente conductoras.

Esta invención se refiere a una composición eléctricamente conductora de un polímero termoplástico y a una estructura preparada a partir de la misma y a un procedimiento para preparar la misma.

El equipamiento electrónico, particularmente el equipamiento electrónico sensible tal como los ordenadores y el equipamiento para comunicaciones son todos susceptibles de funcionar mal como resultado de las interferencias por ondas electromagnéticas. Además de ser sensibles a la interferencia por ondas electromagnéticas extrañas, muchos de estos dispositivos generan interferencia por ondas electromagnéticas. Para dotar de protección contra la interferencia por ondas electromagnéticas a las carcasas de los equipamientos electrónicos se han usado varios métodos. Típicamente, la protección de carcasas de equipamientos electrónicos se logra mediante una o más de tres técnicas principales, es decir, usando carcasas metálicas que sean intrínsecamente conductoras; utilizando carcasas de plástico moldeadas que tengan una superficie electroconductora proporcionada, por ejemplo, por una película conductora, un recubrimiento electrolítico o una pintura conductora; y moldeando una carcasa de un plástico conductor a partir de un polímero que contenga materiales electroconductores.

Se han realizado intentos para preparar plásticos conductores incorporando ciertas cargas conductoras a materiales termoplásticos industriales. Específicamente, estas cargas incluyen polvos, escamas y fibras conductoras. Más recientemente, se han realizado intentos para encontrar combinaciones sinérgicas de cargas conductoras para proporcionar mezclas moldeables y/o extruibles que tengan una protección consistente a cargas más bajas que mantengan las propiedades en el artículo moldeado acabado. Tales combinaciones incluyen fibras metálicas y fibras de carbono, escamas metálicas y/o fibras de carbono en combinación con polvo de negro de humo, escamas metálicas y fibras metálicas o revestidas con un metal, y escamas metálicas y/o fibras metálicas y/o revestidas con un metal con polvo de carbón conductor.

Aunque estas combinaciones tienen una alta efectividad global de protección contra las interferencias por ondas electromagnéticas, padecen de problemas tales como el deterioro de las propiedades físicas y estéticas del polímero. Además, las concentraciones de carga conductora requeridas para obtener la efectividad de protección contra la interferencia por ondas electromagnéticas dan lugar con frecuencia a un polímero con una viscosidad tan alta que prácticamente no puede moldearse para formar carcasas de equipamientos electrónicos, especialmente algunas de las recientes carcasas de paredes finas, tales como las encontradas en teléfonos u ordenadores portátiles. Otro serio problema es la ruptura de fibras electroconductoras debido a la cizalla y al amasado de un polímero y de las fibras electroconductoras para preparar pelets para moldear y que da lugar a una disminución de la efectividad de la protección en proporción al grado de ruptura. Así, es necesario aumentar la cantidad de fibras electroconductoras en el polímero para anticiparse a la ruptura de las fibras electroconductoras, pero esto traerá problemas secundarios tales como la disminución de la productividad y un aumento del peso del artículo moldeado.

Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar una composición conductora de un polímero termoplástico con un buen equilibrio de propiedades de electroconductividad, procesabilidad, mecánicas y estéticas, a la vez que se reduce la cantidad total de carga metálica necesaria para lograr la efectividad de protección deseada.

Para conseguir el objeto anterior según la presente invención, se proporciona una composición conductora de un polímero termoplástico, la cual comprende una combinación sinérgica de una fibra metálica y de una fibra metálica revestida con un metal.

Otro objeto de la presente invención se refiere a un procedimiento para producir un artículo moldeado por inyección, una lámina extruida o un perfil extruido eléctricamente conductores proporcionando un polímero termoplástico y una combinación sinérgica de una fibra metálica y de una fibra metálica revestida con un metal a un aparato para mezclar masas fundidas, preferiblemente una máquina de moldeo por inyección o una extrusora, conformando a continuación un artículo moldeado por inyección, una lámina extruida, o un perfil extruido, eléctricamente conductores, preferiblemente un artículo moldeado por inyección o una lámina extruida.

En la presente invención, pueden producirse artículos moldeados que tengan una función distinguida de protección contra la interferencia por ondas electromagnéticas mediante moldeo por inyección, termoconformado, conformado a vacío-presión, moldeo por compresión, etc. Preferiblemente, el artículo es un artículo moldeado por inyección, por ejemplo, una carcasa de equipamiento electrónico o un recipiente de piezas electrónicas para proteger contra las cargas electrostáticas o un artículo conformado a partir de una lámina extruida, por ejemplo, una pared para proteger contra la interferencia por ondas electromagnéticas o una placa protectora para pizarras electrónicas y paneles de presentación.

La composición conductora de un polímero termoplástico de la presente invención se produce a partir de una combinación sinérgica de una o más fibras metálicas y una o más fibras revestidas con un metal. Las fibras metálicas y las fibras revestidas con un metal, útiles en la presente composición son bien conocidas y están ampliamente disponibles.

En general, las fibras metálicas pueden fabricarse de aluminio, cinc, cobre, plata, níquel, hierro, oro, cromo, y sus aleaciones tales como bronce y acero. La fibra metálica preferida es acero inoxidable.

Como se sabe en la técnica, las fibras metálicas adecuadas pueden ser esencialmente de cualquier longitud y diámetro que sean prácticos tanto desde el punto de vista de la composición como desde el punto de vista del procesado. Por ejemplo, las fibras de aluminio que miden 10 milímetros (mm) de longitud por 90 micrómetros de diámetro son útiles y prácticas mientras que las fibras de acero inoxidable de similares dimensiones puede que no sean prácticas y provoquen un desgaste innecesario al equipamiento de procesado en masa fundida: en su lugar, puede ser más adecuada una fibra de acero inoxidable de 6 mm de longitud por 4 micrómetros de diámetro. En general, todas las fibras adecuadas tendrán una longitud igual a o menor que 20 mm, preferiblemente igual a o menor que 15 mm, más preferiblemente igual a o menor que 10 mm y mucho más preferiblemente igual a o menor que 7 mm. En general, todas las fibras adecuadas tendrán una longitud igual a o mayor que 0,5mm, preferiblemente igual a o mayor que 1mm, más preferiblemente igual a o mayor que 2 mm y mucho más preferiblemente igual a o mayor que 4 mm.

Preferiblemente, las fibras metálicas basadas en hierro, tales como las fibras de acero inoxidable, tienen un diámetro de 2 a 20 micrómetros. Otras fibras basadas en metales, por ejemplo las de aluminio, cinc, cobre, plata, níquel, oro y cromo, preferiblemente tienen un diámetro de 15 a 60 micrómetros.

Las fibras metálicas tienen preferiblemente una relación de aspecto (el valor obtenido dividiendo la longitud de la fibra entre el diámetro de la fibra) de 200 a 1000, preferiblemente de 200 a 750.

Preferiblemente, la fibra metálica está presente en una cantidad igual a o mayor que 2 por ciento en peso, preferiblemente igual a o mayor que 3 por ciento en peso, y más preferiblemente igual a o mayor que 5 por ciento en peso basada en el peso de la composición conductora de un polímero termoplástico. Preferiblemente, la fibra metálica está presente en una cantidad igual a o menor que 15 por ciento en peso, preferiblemente igual a o menor que 13 por ciento en peso, y más preferiblemente igual a o menor que 12 por ciento en peso basada en el peso de la composición conductora de un polímero termoplástico.

Similarmente, las fibras de las fibras revestidas con un metal son en general fibras no metálicas tales como carbono, vidrio o un núcleo de un polímero (tal como un polímero acrílico, poli(p-fenileno tereftalamida), por ejemplo, KEVLAR^{TM}, y polibenzoxazol) con un revestimiento de plata, níquel, aluminio, cromo, estaño, plomo, cobre, y sus aleaciones tales como latón y suelda (aleación para soldar). La fibra metálica revestida con un metal preferida es carbono revestido con níquel.

Como se sabe en la técnica, las fibras adecuadas revestidas con un metal pueden ser esencialmente de cualquier longitud y diámetro que sean prácticos tanto desde el punto de vista de la composición como desde el punto de vista del procesado. En general, todas las fibras adecuadas revestidas con un metal tendrán una longitud igual a o menor que 20 mm, preferiblemente igual a o menor que 15 mm, más preferiblemente igual a o menor que 10 mm y mucho más preferiblemente igual a o menor que 7 mm. En general, todas las fibras adecuadas revestidas con un metal tendrán una longitud igual a o mayor que de 0,1 mm, preferiblemente igual a o mayor que 1 mm, más preferiblemente igual a o mayor que 2 mm y mucho más preferiblemente igual a o mayor que 4 mm.

Las fibras de las fibras revestidas con un metal tienen preferiblemente un diámetro de 5 a 100 micrómetros.

El espesor de revestimiento metálico sobre la fibra es igual a o menor que 2 micrómetros, preferiblemente igual a o menor que 1 micrómetro y más preferiblemente igual a o menor que 0,5 micrómetros. El espesor de revestimiento metálico sobre la fibra es igual a o mayor que 0,1 micrómetros y preferiblemente igual a o mayor que 0,25.

Las fibras revestidas con un metal tienen preferiblemente una relación de aspecto de 200 a 1000, preferiblemente de 200 a 750.

Preferiblemente, la fibra metálica revestida con un metal está presente en una cantidad igual a o mayor que 2 por ciento en peso, preferiblemente igual a o mayor que 5 por ciento en peso, y más preferiblemente igual a o mayor que 10 por ciento en peso basada en el peso de la composición conductora de un polímero termoplástico. Preferiblemente, la fibra metálica revestida con un metal está presente en una cantidad igual a o menor que 25 por ciento en peso, preferiblemente igual a o menor que 20 por ciento en peso, y más preferiblemente igual a o menor que 16 por ciento en peso basada en el peso de la composición conductora de un polímero termoplástico.

A menos que se advierta lo contrario, las longitudes y relaciones de aspecto preferibles de las fibras dadas anteriormente en la presente memoria son para fibras antes del mezclado de las masas fundidas.

Fuentes de estas fibras incluyen Bekaert Fibre de Marrietta, Geogia; INCO Special Products de Wykdef, New Jersey; y Toho Carbon Fibers de Menlo Park, California.

La combinación sinérgica anteriormente mencionada de fibra metálica y de fibra metálica revestida con un metal es útil en casi cualquier polímero termoplástico o mezcla de polímeros termoplásticos. Los polímeros termoplásticos adecuados son bien conocidos e incluyen polietilenos, polipropilenos, interpolímeros de etileno y estireno, poli(cloruro de vinilo), poliestirenos, poliestirenos de impacto, copolímeros de estireno y acrilonitrilo, terpolímeros de acrilonitrilo, butadieno y estireno, poliésteres, policarbonatos, copoliésterpolicarbonatos, poliamidas, poliarilamidas, poliuretanos termoplásticos, resinas epoxi, poliacrilatos, poliarilato éter sulfonas o cetonas, poli(fenilen-éteres), poliamida-imidas, poliéter-imidas, o sus mezclas.

Las composiciones termoplásticas eléctricamente conductoras de la presente invención pueden además comprender los aditivos típicamente encontrados en tales composiciones, por ejemplo, agentes retardantes de la llama, agentes colorantes, agentes plastificantes, agentes estabilizantes frente a la radiación UV, agentes lubricantes, agentes estabilizantes frente al calor, agentes antiestáticos y otros tipos de aditivos, en tanto y cuanto no impidan las características de las composiciones.

La preparación de la composición de polímero eléctricamente conductora de la presente invención puede lograrse por cualquier medio de mezclado conocido en la técnica, por ejemplo mezclando en seco el polímero termoplástico, la fibra metálica y la fibra metálica revestida con un metal y subsiguientemente mezclando directamente la masa fundida en el aparato de mezclado de masas fundidas, por ejemplo, una máquina de moldeo por inyección o una extrusora, para fabricar la estructura termoplástica eléctricamente conductora de la presente invención (por ejemplo, un artículo moldeado por inyección o una lámina extruida o un perfil extruido).

Las mezclas vía seca de las composiciones se moldean por inyección o se extruyen directamente en una lámina o en un perfil sin mezclar antes de la fusión y se mezclan en estado fundido para formar pelets. El polímero termoplástico, la fibra metálica y la fibra metálica revestida con un metal pueden introducirse en el aparato de mezclado en estado fundido simultáneamente en la misma zona (por ejemplo, una tolva de alimentación), individualmente en diferentes zonas (por ejemplo, una tolva de alimentación y una o más zonas de alimentación laterales), o en cualquier combinación. Este procedimiento permite la flexibilidad de aumentar o disminuir en línea la cantidad de fibra metálica y/o de aumentar o disminuir la cantidad de fibra metálica revestida con un metal y/o de cambiar el polímero termoplástico de la composición conductora de un polímero termoplástico. Esto es, pueden diseñarse y producirse diferentes equilibrios entre la efectividad de la protección contra las ondas electromagnéticas y otras propiedades para una estructura termoplástica específica eléctricamente conductora con poco esfuerzo y mínimo inventario de polímeros y fibras frente a usar composiciones eléctricamente conductoras premezcladas de polímeros termoplásticos en forma de pelets.

Preferiblemente, se usan haces de filamentos de fibras metálicas y fibras revestidas con un metal, algunas veces denominados haces de fibras. Los haces de filamentos de fibras son múltiples hebras de fibras empaquetadas conjuntamente y revestidas, o impregnadas, con una capa fina de polímero. El polímero usado para revestir el haz puede ser el mismo o diferente del polímero termoplástico de la composición termoplástica eléctricamente conductora. Cuando se usan haces filamentosos de fibras, es necesario decidir la cantidad a mezclar de los haces filamentosos de fibras de tal manera que la fibra metálica pura y/o la fibra metálica revestida con un metal pura deben estar dentro de los intervalos anteriormente mencionados después de tener en cuenta el polímero impregnado en y adherido a las fibras empaquetadas.

Cuando la estructura termoplástica eléctricamente conductora de la presente invención es una lámina, la lámina puede ablandarse o fundirse mediante la aplicación de calor, y conformarse o moldearse usando técnicas convencionales tales como el moldeo por compresión, el conformado por vacío-presión y el termoconformado.

Ejemplos

Para ilustrar la práctica de esta invención, seguidamente se ponen de manifiesto ejemplos de realizaciones preferidas. Sin embargo, estos ejemplos no restringen de ninguna manera el alcance de esta invención.

Las composiciones de los ejemplos 3 a 40 se preparan mezclando en seco pelets de una resina de policarbonato, un haz de filamentos de fibras metálicas y/o un haz de filamentos de fibra metálicas revestidas con un metal. Las mezclas se secan a 100ºC durante al menos 12 horas. Se preparan probetas para ensayos de tracción Iso de 3,2 mm de espesor alimentando las mezclas secas mezcladas en una máquina de moldeo por inyección de husillo alternativo Battenfeld de 22 Tm que tiene un husillo con una relación de longitud:diámetro 14:1, con las siguientes condiciones de moldeo: regulación de la temperatura del cuerpo cilíndrico de 263/273/282/292ºC (sección de alimentación a boquilla); una temperatura del molde de 40 a 50ºC; y la presión de sujeción inmediatamente después de que se llene la cavidad se mantiene a 73,8 MPa.

El contenido de la formulación de los ejemplos 1 a 40 se da más adelante en la tabla 1 en partes en peso de la composición total. En la tabla 1:

"PC-1" es un policarbonato lineal disponible como resina de policarbonato CALIBRE^{TM} 200-15 de Dow Chemical Company que tiene un índice de fluidez de la masa fundida (MFR) de 15 gramos por 10 minutos (g/10 min.) que se mide según la norma ASTM D-1238 en las condiciones de 300ºC/1,2 kg,

"PC-2" es un policarbonato lineal disponible como resina de policarbonato CALIBRE 200-22 de Dow Chemical Company que tiene un índice de fluidez de la masa fundida (MFR) de 22 gramos por 10 minutos (g/10 min.) que se mide según la norma ASTM D-1238 en las condiciones de 300ºC/1,2 kg,

"SS-1" son fibras de acero inoxidable disponibles como haces de filamentos de fibras de acero inoxidable BEKI-SHIELD^{TM} GR60/C20/6 PC de Bekaert Fibre Technologies que tienen longitudes medias de 6 mm y diámetros medios de 8 micrómetros. Por tanto, el haz tiene 60 por ciento en peso de acero inoxidable y 40 por ciento en peso de policarbonato,

"SS-2" son fibras de acero inoxidable disponibles como haces de filamentos de fibras acero inoxidable BEKI-SHIELD GR75/C20/6 PC de Bekaert Fibre Technologies que tienen longitudes medias de 6 mm y diámetros medios de 8 micrómetros. Por tanto, el haz tiene 75 por ciento en peso de acero inoxidable y 25 por ciento en peso de policarbonato,

"NiC-1" son fibras de carbono revestidas de níquel empaquetadas disponibles como fibras de carbono revestidas de níquel INCOSHIELD^{TM} PC+níquel de INCO Special Products que tienen un espesor medio de revestimiento de níquel de 0,25 micrómetros sobre fibras de carbono que tienen una longitud media de 6,4 mm y las fibras de carbono revestidas de níquel tienen un diámetro medio de 8 micrómetros. Por tanto, el haz tiene 60 por ciento en peso de fibras de carbono revestidas de níquel y 40 por ciento en peso de policarbonato,

"NiC-2" son fibras de carbono revestidas de níquel empaquetadas disponibles como fibras de carbono cortadas revestidas de níquel BESFIGH^{TM} C-5MS de Toho Carbon Fibers que tienen un espesor medio de revestimiento de níquel de 0,25 micrómetros sobre fibras de carbono que tienen una longitud media de 5 mm y las fibras de carbono revestidas de níquel tienen un diámetro medio de 8 micrómetros. Por tanto, el haz tiene 75 por ciento en peso de fibras de carbono revestidas de níquel y 25 por ciento en peso de polímero,

En los ejemplos 1 a 40 se realizan uno o más de los siguientes ensayos y los resultados de estos ensayos se muestran en la tabla 1:

"SE" es la efectividad de la protección medida según un método aplicador de líneas de transmisión de campos que se describe en "A Comparison de Material Measurements Using A Standard ASTM Measurement Cell And A Stripline Field Applicator", Proceedings de la Antenna Measurement Test Association, B. Wilmhdef, et al., Denver, CO, Octubre 2001, y "An Improved De-Embedding Technique ForThe Measurement Of The Complex Constitutive Parameters Of Materials Using A Stripline Field Applicator," IEEE IM-S Trans., Vol. 42, no. 3, pp. 740 a 745, Junio de 1993. Las probetas de ensayo se preparan a partir de probetas de ensayo para ensayos de tracción ISO de 3,2 mm maquinadas hasta un espesor de 2,66 mm, y los valores de la SE reflejan aquellos en el intervalo de frecuencias de 1 a 2 gigahercios (GHz).

"CP" es la presión de la cavidad determinada por medio de un sensor transductor de presión de cuarzo tipo 6157 BA de Kistler Instrument Corporation, Amherst, NY, montado en una cavidad del molde localizada antes del extremo más alejado de la puerta de la probeta de ensayo para ensayos de tracción ISO. Cuando la viscosidad de la composición de polímero disminuye, se mide la presión de la cavidad para unas condiciones de inyección fijas y en general las dimensiones de la senda de flujo aumentan. En general, una mayor presión de la cavidad indica una formulación rellena de fibras más fluida y más fácilmente moldeable.

El ensayo de las propiedades de tracción se hace según la norma ASTM D638. Las probetas de ensayo para ensayos de tracción ISO se acondicionan a 23ºC y 50 por ciento de humedad relativa 24 horas antes del ensayo. El ensayo se realiza usando una máquina de ensayos mecánicos INSTRON^{TM} 1125. El ensayo se realiza a temperatura ambiente. Se dan los siguientes valores:

El rendimiento de tracción "Ty" se da en MPa,

El módulo de tracción "Tm" se da en MPa,

La elongación debida a la tracción "E" se da en tanto por ciento (%),

La temperatura de flexión elástica bajo carga "DTUL" se determina en una máquina Vicat Ceast HDT 300 según la norma ASTM D 648-82 en la que se preparan probetas de ensayo a partir de probetas de ensayo para ensayos de tracción ISO y no se recuecen y se ensayan bajo una presión aplicada de 1,82 MPa.

La resistencia al impacto "Izod" que se mide mediante el ensayo Izod con entalla (Izod) se determina según la norma ASTM D 256-90-B a 23ºC. Las probetas se entallan con un entallador TMI 22-05 para dar una entalladura de 0,254 mm de radio. Se usa un péndulo de 0,91 kilogramos. Los valores se dan en julios por metro (J/m).

1

2

Claims (16)

1. Un procedimiento para producir un artículo termoplástico moldeado por inyección, una lámina extruida, o un perfil extruido eléctricamente conductores, que comprende las etapas de:

(i)

proporcionar a resina termoplástica y una combinación sinérgica de una fibra metálica y una fibra metálica revestida con un metal a un aparato de mezclado en estado fundido y

(ii)

conformar un artículo termoplástico moldeado por inyección, una lámina extruida, o un perfil extruido eléctricamente conductores, directamente desde el aparato de mezclado en estado fundido.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la resina termoplástica es un polietileno, polipropileno, interpolímeros de etileno y estireno, poli(cloruro de vinilo), poliestireno, poliestireno de impacto, copolímeros de estireno y acrilonitrilo, un terpolímero de acrilonitrilo, butadieno y estireno, poliéster, policarbonato, copoliésterpolicarbonato, poliamida, poliuretano termoplástico, resina epoxi, poliacrilato, poliarilato éter sulfona, poliarilato éter cetona, poli(fenilen-éter), poliamida-imida, poliéter-imida, o sus mezclas.

3. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la resina termoplástica es un policarbonato, un terpolímero de acrilonitrilo, butadieno y estireno, o sus mezclas.

4. El procedimiento según la reivindicación, 1 en el que la fibra metálica es aluminio, cinc, cobre, plata, níquel, acero inoxidable, oro, cromo, y sus aleaciones.

5. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la fibra metálica es acero inoxidable.

6. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la fibra metálica revestida con un metal comprende un revestimiento metálico sobre una fibra no metálica.

7. El procedimiento según la reivindicación 6, en el que el espesor del revestimiento metálico es de 0,1 micrómetros a 2 micrómetros.

8. El procedimiento según la reivindicación 6, en el que el revestimiento metálico es plata, níquel, aluminio, cromo, estaño, plomo, cobre, y sus aleaciones.

9. El procedimiento según la reivindicación 6, en el que la fibra no conductora es de carbono, vidrio o de un polímero.

10. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la fibra metálica revestida con un metal es carbono revestido con níquel.

11. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el aparato de mezclado en estado fundido es una extrusora o una máquina de moldeo por inyección.

12. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la fibra metálica se proporciona en una cantidad de 2 por ciento en peso a 15 por ciento en peso basada en el volumen del material termoplástico eléctricamente conductor.

13. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la fibra metálica revestida con un metal se proporciona en una cantidad de 3 por ciento en peso a 25 por ciento en peso.

14. El procedimiento que se muestra en la reivindicación 11, en el que el aparato de mezclado en estado fundido es una extrusora y la estructura termoplástica eléctricamente conductora es una lámina o un perfil.

15. El procedimiento que se muestra en la reivindicación 14, que además comprende la etapa de:

(iii) termoconformar, conformar a vacío o moldear por compresión la lámina.

16. El procedimiento que se muestra en la reivindicación 11, en el que el aparato de mezclado en estado fundido es una máquina de moldeo por inyección y la estructura termoplástica eléctricamente conductora es un artículo moldeado por inyección.