FI90325B - Menetelmä sähköäjohtavan muovituotteen valmistamiseksi - Google Patents

Description

q n 7 «7 r

Menetelmä sähköäjohtavan muovituotteen valmistamiseksi ' v-' *·- ~ Förfarande för framställning av en elledande plastprodukt 5

Keksinnön kohteena on menetelmä sähköäjohtavan muovituotteen valmistamiseksi ruiskupuristuksen yhteydessä, jossa tuote muodostetaan sulasta muoviseoksesta niin, että raaka-aine plastisoidaan sylinterissä syöttöruuvin avulla ja ruiskutetaan muottiin.

10 Muovit ja muut polymeerit eivät itsessään johda sähköä, mutta ne voidaan tehdä sähköäjohtaviksi erilaisiin sovellutuksiin. Sähköäjohtavia polymeerejä voidaan valmistaa orgaanisista polymeereistä, joissa on pitkiä konjugoitujen kaksoissidosten ketjuja. Kaksoissidosten piielektronien määrään voidaan vaikuttaa lisäämällä polymeeriin tiettyjä seostusaineita (dooppausainetta), jotka ovat joko elektroneja vastaanottavia 15 tai luovuttavia. Polymeeriketjuun syntyy siten aukkoja, tai ylimääräisiä elektroneja, jotka mahdollistavat sähkövirran kulkemisen pitkin konjugoitua ketjua. Polymeerien sähkönjohtavuutta voidaan säätää seostusainepitoisuudesta riippuen niin, että se kattaa lähes koko johtavuusalueen eristeistä metalleihin. Tällaisilla sähköäjohtavilla polymeereillä on monia mielenkiintoisia käyttösovellutuksia, esim. EMl-sovellutukset ja ESD-20 sovellutukset.

Johtavat polymeeriset ja orgaaniset johteet ovat yleisesti ottaen liukenemattomia, niitä ei ole mahdollista sulattaa eikä muotoilla ja ne ovat eräissä tapauksissa epästabiileja happea, kosteutta ja korkeita lämpötiloja vastaan, minkä takia myöskään dooppaus 25 korkeissa lämpötiloissa ei aikaisemmin ole onnistunut. Tähän asti johdepolymeerejä ei siksi ole voitu käsitellä tai muokata millään tavalla termoplastisesti. Joidenkin yksittäisten johdepolymeerien sulatettavuudesta on ollut esityksiä, mutta niiden johtavuus on ollut erittäin huono. Dooppauksen jälkeen polymeeri on yleensä liukenematon eikä sitä voi enää muokata, minkä takia dooppaus perinteisesti on suoritettu jälkikäteen polymeerin 30 muokkauksen jälkeen.

2 90325

Ennestään tunnetusti polymeerien dooppaus tapahtuu siis työstön eli tuotteen muodostamisen jälkeen, esim. FeCl3:lla. Tällainen menetelmä tulee dooppaamiseen tarkoitettujen erikoislaitteiden takia hyvin kalliiksi ja lisäksi se on epäkäytännöllinen ja ympäristö-epäystävällinen, koska myrkyllisiä haihtuvia kaasuja leviää ympäristöön.

5

Ongelman ratkaisemiseksi on yritetty myös kehittää erityisiä polymerointimenetelmiä sekä muodostettu johdepolymeerien ja muiden polymeerien seoksia, joita voitaisiin muokata dooppauksen jälkeen. Johtavuus on kuitenkin yleensä ollut liian pieni.

10 Tähän keksintöön liittyvän tekniikan tason osalta viitataan EP-patenttijulkaisuun n:o 168 620, jossa tavoitteena on saada johdepolymeerin stabiili dispersio termoplastiseen polymeeriin, jonka muotoileminen on mahdollista optimaalinen johtokyky säilyttäen. Tämän julkaisun tavoitteena on myös dispergoinnin jälkeinen stabilointimahdollisuus. Tässä EP-julkaisussa johdepolymeeriin sekoitetaan (dispergoidaan tai liuotetaan) sulassa 15 tilassa termoplastinen polymeeri, kunnes saadaan homogeeninen massa, jonka jälkeen liuotin poistetaan. Matriisipolymeeriksi on ilmoitettu polyeetteri, polyesteri, polyvinyyli-deenikloridi, polyamidi jne. Julkaisun mukainen dooppaus tapahtuu liuoksessa tai ultraäänen vaikutuksesta. Työstettävyyden parantamiseksi lisätään myös lisäaineita.

20 Hakijan aikaisemmassa Fl-hakemuksessa 901632 on ensimmäistä kertaa esitetty menetelmä sähköäjohtavan polymeerituotteen valmistamiseksi dooppaamalla, jossa dooppaus tapahtuu polymeerin työstön yhteydessä tai jopa ennen työstöä. FI-hakemuksen 901632 tarkoitus on saada aikaan menetelmä johdepolymeerin dooppaamiseksi, missä johdepolymeerin ominaisuudet voidaan muokata halutuksi ja joka on stabiili.

25

Ruiskupuristus tai ruiskuvalu, kuten sitä myös kutsutaan, on yleisin muovikappaleiden valmistusmenetelmä. Ruiskupuristamalla voidaan valmistaa mittatarkkoja, monimutkaisia ja täysin samanlaisia tuotteita.

30 Ruiskupuristukseen tarvitaan ruiskupuristin, johon kuuluu muovin sulatus- ja annostelu-laite (= ruiskutusyksikkö) ja muottipuristin (= sulkuyksikkö), tuotekohtainen muotti 3 90325 sekä jäähdytysjärjestelmä. Kone koostuu yleensä kahdesta pääosasta, jotka ovat ruiskutusyksikkö ja sulkuyksikkö, jotka on asennettu yhteiselle alustalle. Ruiskutusyksi-kössä sähkövastuksilla lämmitettävässä sylinterissä pyörii kierukkaruuvi sähkö- tai hydraulimoottorin voimalla. Ruuvin kierteiden syvyys on suurin alkupäässä ja pienenee * 5 keskivaiheella ja jatkuu pienenä ruuvin päähän, missä on takaiskuventtiili. Sylinterin vaipan takapäässä on syöttöreikä ja sen päällä suppilo. Suppiloon kaadetaan raaka-aine ja pyörivä ruuvi vetää raaka-ainetta mukanaan. Muovi sulaa sitten sylinterilämmi-tyksen ja kitkan ansiosta. Plastisoinnin (sulatuksen) alkaessa ruuvi on sylinterissä etuasennossa. Ruuvi pääsee liikkumaan taaksepäin sitä mukaa kun se päästää sulaa 10 muovimassaa ohitseen. Ruuvin kärjen eteen muodostuu kammio, mihin sula muovi kiertyy. Kammion etupäässä eli sylinterin nokassa on reikä, joka on joko avoin tai varustettu venttiilillä. Kun muovia on sulatettu riittävä määrä, ruuvi pysähtyy ja ruiskutusyksikön nokka ajetaan kiinni muotissa olevaan ruiskutuskanavareikään. Tätä varten sulkuyksikön kiinnityslevyssä on aukko keskellä. Ruuvin takapäässä on hyd-15 raulisylinteri, joka antaa ruiskutuspaineen, joka tavallisella koneella on enintään 1500-2000 bar. Ruuvi toimii mäntänä, koska sen kärjessä on takaiskuventtiili (ns. rengas), joka estää sulaa massaa virtaamasta takaisin pitkin ruuvin kierteitä.

Sulkuyksikössä muovimassa ruiskutetaan erittäin korkealla paineella muottiin. Ruisku-20 tusyksikön maksimipaine on luokkaa 500 kp/cm2. Muottiin ruiskutetaan muovimassaa ja kun se on jähmettynyt riittävästi muotti avataan. Kone on sitten valmiina seuraavaan jaksoon. Useimmissa koneissa muottipöytien alle on järjestetty vapaa aukko, missä tuote voi pudota esim. kuljetusnauhalle. Useimmat koneet ovat vaakatasossa kappaleen poiston helpottamiseksi. Halvin muottiratkaisu on nk. luonnollinen muotti, missä 25 jakotaso seuraa puristeen suurimman projektion kehää ja puriste jähmettyneenä liukuu helposti ulos pesästä tai pois keeman päältä. Ruiskupuristimen nokan ja muottipesän väliin tarvitaan kanava, jota pitkin sula muovi juoksee pesään. Kanava voi olla esim. kartiomainen ja yksinkertaisimmillaan kanava jatkuu kartiona puristeen pintaan ja yhdistyy siihen. Muottiin tarvitaan erityiset ulostyöntösysteemit puristeen poisottamisek-30 si. Muottiin tulee sulan massan mukana huomattava lämpömäärä, joka täytyy kuljettaa pois ja jäähdyttää. Oheislaitteena ruiskupuristuksen yhteydessä tarvitaan esim.

4 90325 jäähdytys- ja temperointilaitteet, sillä esim. muotin lämpötila on usein pidettävä tarkasti vakiona ja melko kuumana. Ruiskupuristuskoneiden yksityiskohtien osalta viitataan monisteeseen Muovien ominaisuudet, työstömenetelmät ja käyttö, Insinööri-järjestöjen koulutuskeskus, INSKO, dipl.ins. Mikael Boedeker).

5

Kaikkia termoplastisia muoveja voi ruiskupuristaa. Usein puhutaan kahdesta ryhmästä: yleis- tai massamuovit ja tekniset muovit. Yleismuoveilla tarkoitetaan yleensä 4-6 mk/kg maksavia muoveja esim. LDPE (LD-polyeteeni), HDPE (HD-polyeteeni), PP (polypropeeni), PS (polystyreeni), SB (styreenibutadieeni) ja PVC (polyvinyylikloridi). Näiden 10 suurkuluttaja on pakkausteollisuus (usein kertakäyttöpakkauksia, kuten purkit, pullot, kalvot). Niistä tehdään myös halpoja kuljetus- ja säilytyslaatikoita, juomakoreja tms. Niitä käytetään myös teknisempiin tuotteisiin silloin kun ominaisuudet sopivat ko. kohteeseen.

15 Keksinnön kohteena on lähemmin menetelmä valmistaa sähköä johtavia muovituotteita dooppaamalla johdepolymeeria tai johdepolymeeria sisältävää muoviseosta tuotteen työstön yhteydessä, kun työstö tapahtuu ruiskupuristamalla. Tässä hakemuksessa käsitettä "johdepolymeeri" käytetään myös doopattavasta polymeeristä, vaikka se ei vielä ennen dooppausta ole sähköäjohtava.

20

On edullista tehdä muovituote sisäisesti sähköä johtavasta polymeeristä tai tällaisen polymeerin ja matriisimuovin seoksesta. Tällöin tuotteen sähkönjohtavuus on tarkasti säädettävissä halutun käyttötarkoituksen mukaiseksi joko polymeeriseoksen kokoonpanoa muuttamalla tai muuntelemalla dooppausastetta.

25

Keksinnön tarkoitus on saada aikaan menetelmä, jolla sähköä johtavasta polymeeristä voidaan valmistaa ruiskupuristettuja muovituotteita.

Keksinnön mukainen menetelmä on em. tavoitteiden saavuttamiseksi pääasiassa 30 tunnettu siitä, että menetelmässä kiinteä dooppausaine tai vaihtoehtoisesti materiaaliin sekoitettu/kiinnitetty dooppausaine lisätään ekstruuderin avulla ruiskupuristuskoneen 5 9 G 3 2 5 sekoituslaittecseen sulaan doopattavaan johdepolymeeriin tai doopattavan johdepoly-meerin ja matriisimuovin sulaan seokseen ruiskupuristuskoneen sylinterissä tapahtuneen plastisoinnin jälkeen ennen muottiin ruiskuttamista sähkönjohtavuuden aikaansaamiseksi.

5

Keksinnön edullisilla suoritusmuodoilla on alivaatimusten mukaiset tunnusmerkit.

Keksinnön etuna on, että sen mukainen dooppausmenetelmä on erittäin helppo toteuttaa. Laitteistona voidaan käyttää vähäisin muunnoksin olemassaolevaa standardilaite-10 kantaa.

Keksinnössä hyödynnetään sitä FI-hakemuksen 901632 oivallusta, että dooppaaminen voidaan suorittaa lisäämällä dooppausaine johdepolymeeriin sen ollessa sulassa tilassa ja dooppautuminen ajoittaa tapahtumaan työstön yhteydessä. FI-hakemuksessa 901632 15 dooppaaminen suoritettiin tuotetta työstettäessä esim. ruiskupuristamisen yhteydessä. Tässä keksinnössä on keksitty uusia tapoja valmistaa sähköäjohtavia tuotteita ruiskupuristuksen yhteydessä.

Tässä keksinnössä on esitetty uusi menetelmä johdepolymeerin dooppaamiseksi sulassa 20 tilassa. Dooppausaine voidaan keksinnön mukaisesti tuoda sulasekoitukseen joko johdepolymeeriin sekoitettuna, matriisimuoviin sekoitettuna tai dooppausaine voidaan lisätä suoraan johdepolymeeriin tai johdepolymeerin ja matriisimuovin muodostamaan sulaan. Kaikissa tapauksissa dooppausaineen sekoittuminen muoviin tapahtuu ennen tuotteen puristamista.

25

Hapettava tai pelkistävä dooppausaine voi olla joko kaasu (esim. jodihöyry), neste (esim. nestemäinen sulfonihappo) tai kiinteä (esim. sopivan sulamispisteen omaava sulfonihappo).

30 Käytetty polymeeri voi olla mikä tahansa sulatyöstettävä doopattava polymeeri esim. poly(3-oktyylitiofeeni) ja matriisimateriaalina mikä tahansa työstettävä polymeeri.

6 90 325

Dooppausaine lisätään johdepolymeeriin tai johdepolymeerin ja matriisipolymeerin seokseen sulattamisen yhteydessä tai sen jälkeen.

Keksintöä voidaan käyttää minkä tahansa sähköjohtokyvyn omaavan muovituotteen 5 valmistamiseksi.

Seuraavissa keksintöä esitetään oheisen piirustuksen kuvioon viitaten eri suoritusmuotoja keksinnöstä. Tällä ei haluta rajoittaa keksintöä kuvioiden yksityiskohtiin.

10 Kuvio esittää keksinnön suoritusmuotoa sovelletun ruiskupuristusmenetelmän yhteydessä, jossa dooppausaine lisätään ekstruuderin avulla sulaan johdepolymeeriseokseen sekoituslaitteessa ennen muottiin ruiskuttamista.

Kuvion mukaisessa keksinnön suoritusmuodossa ruiskupuristuskoneen 4 syöttösuppiloon 15 6 lisätään ainoastaan johdepolymeeri 1 tai johdepolymeerin 1 ja matriisimuovin 2a seos. Tämä seos plastisoidaan, kuten edellä on selostettu, sylinterissä 5 syöttöruuvin 7 avulla. Dooppausainetta lisätään sulaan johdepolymeeriseokseen 1,2 sekoituslaitteessa 11, joka sijaitsee ruiskupuristuskoneessa 4 sylinterin 5 ja muottiin 9 johtavan kanavan 8 välillä. Seos johdetaan sitten kanavaa 8 pitkin muottiin 9, jossa se puristetaan muotin 20 pesässä 10. Puriste jäähdytetään ja poistetaan sitten ennestään tunnetulla tavalla.

Kuvion mukaisen suoritusmuodon mukaisesti kiinteä dooppausaine 3 yksinään tai materiaaliin 2b sekoitettu/kiinnitetty dooppausaine 3 lisätään ekstruuderin 15 avulla sulaan johdepolymeeriseokseen 1,2a sekoituslaitteessa 11 ennen muottiin 9 ruiskuttamis-25 ta. Ekstruuderissa 15 on syöttöruuvi 16, joka syöttää dooppausaineen 3 ja mahdollisen materiaalin 2b sekoituslaitteeseen 11.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen idean puitteessa yksityiskohdat voivat vaihdella.

30

Claims (6)

1. Menetelmä sähköäj oh tavan muovituotteen valmistamiseksi ruiskupuristuksen yhteydessä, jossa tuote muodostetaan sulasta muoviseoksesta niin, että raaka-aine s 5 plastisoidaan sylinterissä syöttöruuvin (7) avulla ja ruiskutetaan muottiin (9), tunnettu siitä, että menetelmässä kiinteä dooppausaine (3) tai vaihtoehtoisesti materiaaliin sekoitettu/kiinnitetty dooppausaine (3) lisätään ekstruuderin (15) avulla ruiskupu-ristuskoneen (4) sekoituslaitteeseen (11) sulaan doopattavaan johdepolymeeriin tai doopattavan johdepolymeerin ja matriisimuovin sulaan seokseen (1,2a) ruiskupuristusko-10 neen (4) sylinterissä (5) tapahtuneen plastisoinnin jälkeen ennen muottiin (9) ruiskuttamista sähkönjohtavuuden aikaansaamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dooppausaine on jodi. 15

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että doopat-tava johdepolymeeri on työstettävä johdepolymeeri, edullisesti poly(3-oktyylitiofeeni).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 20 matriisipolymeeri johdepolymeeria sisältävässä doopattavassa muoviseoksessa on polyeteeni, polypropeeni, polystyreeni, PVC (polyvinyylikloridi) tai EVA (eteenivinyy-liasetaatti).

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 25 muovimassan ruiskutus muottiin tapahtuu lämpötilassa n. 180°C matriisipolymeerin ollessa polyeteeni, polystyreeni, PVC (polyvinyylikloridi) tai EVA (etyylivinyyliasetaat-ti).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 30 muovimassan ruiskutus muottiin tapahtuu lämpötilassa n. 195°C matriisipolymeerin ollessa polypropeeni. 90325