NL8105907A

NL8105907A - Voorwerp uit kunststof omvattende elektrisch geleidende vezels.

Info

Publication number: NL8105907A
Application number: NL8105907A
Authority: NL
Original assignee: Bekaert Sa Nv
Priority date: 1981-12-30
Filing date: 1981-12-30
Publication date: 1983-07-18
Also published as: AU6678786A; AU595563B2; JPS58150203A; US5397608A; NL193609C; NL193609B; JPS6362107A; AU6678986A; US4664971A; AU595562B2; BE895486A; AU6678886A; AU595564B2; JPS6326783B2; JPH0228621B2

Description

Μ * - 1 - N.V. Bekaert S.A.

Β-8550 Zwevegem België

Voorwerp uit kunststof omvattende elektrisch geleidende vezels.

De uitvinding betreft plaat- of velvormige voorwerpen uit kunststoffen die een zeer laag gehalte aan fijne, elektrisch geleidende vezels omvatten welke in de kunststof gedispergeerd zijn. De uitvinding betreft tevens specifieke kunststofgranulaten als tussenprodukten en werkwijzen 5 ter vervaardiging van deze voorwerpen, alsmede toepassingen van deze voorwerpen zoals bijvoorbeeld afscherming tegen radiofrequente en hoogfrequente elektromagnetische straling.

Het inbrengen van elektrisch geleidende vezels in kunststoffen is bekend, o.a. met het doel deze te versterken en/of hun elektrische en/of 10 thermische geleidbaarheid te verhogen.

Van overheidswege is echter sinds enige tijd, bijvoorbeeld in de Verenigde Staten van Amerika bezorgdheid gerezen ten aanzien van de bescherming van het milieu tegen allerlei soorten elektromagnetische straling, in het bijzonder die met hoge frequenties zoals radargolven, microgol-15 ven en die afkomstig vein signalen gebruikt in elektronische kringen bijvoorbeeld bij digitale toestellen. Het gebruik van de radiofrequente en hoogfrequente elektromagnetische straling zal in de toekomst sterk toenemen ten gevolge van de opkomst van onder meer microprocessoren, digitale reken- en weegmachines voor bedrijfskassa's, elektronische 20 typemachines en andere individuele en kantoorcomputers plus randapparatuur, elektronisch speelgoed, militaire apparatuur, enz. Wanneer de apparatuur in metalen kasten is ingebouwd, is deze voldoende afgeschermd tegen emissie van radiofrequente en hoogfrequente straling daar de metalen kast de uitgezonden straling naar binnen in de kastruimte reflek-25 teert. Interferentie met en derhalve storing van radio, televisie, en andere elektronische apparatuur-golven wordt aldus vermeden.

Er bestaat evenwel een neiging metalen plaatkasten te vervangen door kunststofkasten. Tot op heden heeft men vaak deze kunststofkasten voorzien van een elektrisch geleidende bekledingslaag om het afschermings-30 effekt ten aanzien van emissie van elektromagnetische straling tegen te gaan. Deze bekledingen hebben echter het nadeel dat ze vaak niet zeer 8105907 4 f tf - 2 - duurzaam zijn. Overigens zijn meestal dure bijkomende behandelingen vereist voor het opbrengen van de bekledingen op de kasten.

Men heeft ook getracht de kunststoffen zelf elektrisch geleidend te maken (zodat ze elektromagnetische golven afschermen) door het daarin 5 opnemen en dispergeren van relatief grote hoeveelheden van geleidende deeltjes. Als geleidende deeltjes werden onder meer voorgesteld: roet, aluminiumschilfers, draadsnippertjes, metaalbeklede glasvezels en kool-stofvezels. Deze geleidende stoffen vertonen evenwel een aantal nadelen. Sommige laten zich onvoldoende dispergeren in de kunststofmatrix doordat 10 ze samenklonteren of overmatig breken en degraderen tot zeer kleine deeltjes waardoor hun afschermingseffekt te sterk afneemt. Door deze degrada-tieneiging is men dan verplicht een groter gehalte aan geleidende deeltjes in te brengen hetgeen de gelijkmatige dispersie meestal nog bemoeilijkt en ook de mechanische eigenschappen van de kunststof nadelig beïn-15 vloedt.

Het is tenslotte bekend dat voor doeltreffende afscherming tegen elektromagnetische straling de geleidende deeltjes in de kunststofmatrix een aanzienlijke aspektverhouding, met andere woorden lengte tot diameter (L/D)-verhouding moeten bezitten: de deeltjes dienen immers zoveel moge-20 lijk een continu geleidend netwerk te vormen in de matrix teneinde de geleidbaarheid te bevorderen zonder evenwel de fysische en mechanische eigenschappen van de kunststofmatrix belangrijk te wijzigen.

De uitvinding verschaft thans middelen en maatregelen die toelaten plaat- en velvormige kunststofvoorwerpen te vervaardigen met een afscher-25 mingseffektiviteit tegen elektromagnetische straling van ten minste 35 dB over een breed frequentiegebied (en in het bijzonder bij 1 GHz) onder behoud van hun normale mechanische eigenschappen. Onder plaat- en velvor- é mige voorwerpen wordt hierbij onder meer ook verstaan latten, profielen, folies, buizen en kasten, zakken, hoezen of andere houders. In de kunst-30 stofvoorwerpen zijn daartoe elektrisch geleidende vezels, bijvoorbeeld metaalvezels, gedispergeerd met een gemiddelde lengte L tussen 0,5 mm en 5 mm en met een equivalente diameter D kleiner dan 15 μ-m. Met equivalente diameter is hier bedoeld de vierkantswortel uit de quotiënt van de oppervlakte van de vezeldwarsdoorsnede gedeeld door *ΐΓ . Met gemiddelde lengte 35 L is bedoeld de totale som van de lengten van de ingebrachte vezels gedeeld door het aantal ingebrachte vezels. Bij een gemiddelde lengte L = 0,5 mm zullen er dus zeker vezeltjes aanwezig zijn met een lengte 8105907 '· * - 3 - korter dan 0,5 mm. Volgens de uitvinding is met deze vezeldimensiegren-zen aan bovengenoemde afschermingseisen voldaan bij een uitzonderlijk lage volumeconcentratie C (%) aan geleidende vezels namelijk tussen nagenoeg 0,05 vol.% en 0,6 vol.%. Wanneer de plaat- of veldikte kleiner is 5 dan 3 mm moet bovendien C ^ 1,4 ~ - 0,12 en voor plaatdikten tussen 3 mm en 6 mm moet C ^ 2. - 0,18. Deze lage concentraties hebben overigens nauwelijks enige invloed op het uiterlijk van de kunststofvoorwerpen.

Bovendien werd gevonden dat er optimale —grenzen kunnen worden ge-realiseerd bij het inbrengen van de vezels tijdens industriële vervaar-10 diging van kunststofvoorwerpen binnen de hierboven gestelde L, D en C-grenzen. Deze —grenzen voldoen dan bovendien aan de volgende betrekking: C ^ 3,34 2- - 0,137.

Daar de vezels onderling in de matrix een zo goed mogelijk kontakt moeten vormen om de geleidbaarheid te bevorderen is het belangrijk ge-15 bleken dat ze een relatief effen oppervlak bezitten. Dit betekent dat oneffenheden in het vezeloppervlak bij voorkeur minder dan 1 μιη mogen uitsteken boven of zich uitstrekken onder het gemiddeld niveau van het vezeloppervlak. Zodoende is statistisch gezien de kans het grootst voor de vorming van een optimaal aantal kontaktoppervlakken tussen naburige 20 vezels welke kontaktoppervlakken overigens optimale afmetingen hebben.

Er werd verder ondervonden dat roestvaste staalvezels, vervaardigd volgens een methode van gebundeld trekken, analoog aan die beschreven in het ü.S.A.-octrooi Nr. 2.050.298, voor deze toepassing bijzonder geschikte intrinsieke geleidingseigenschappen vertoonden. Vermoedelijk komt dit 25 doordat ze minder de neiging vertonen een min of meer isolerende oxyde-laag op hun oppervlak te vormen in tegenstelling tot bijvoorbeeld aluminium- of kopervezels. De kontaktweerstand in de onderlinge vezelkon-taktpunten blijft dus laag. Ook zijn ze doorgaans inerter ten opzichte van de meeste kunststoffen dan Al of Cu.

30 De uitvinding is in principe toepasbaar voor de meeste kunststoffen, zowel thermohardende als thermoplastische, en onder toepassing van gebruikelijke vormgevingstechnieken, zoals gieten, extrusie, spuitgieten, persen en schuimen. De voorwerpen kunnen daarbij een soepel, stijf of elastomeer karakter hebben. De uitvinding is echter bijzonder vlot toe 35 te passen voor thermoplastische harsen en hun klassieke vormgeving door extrusie en spuitgieten waarbij uitgegaan wordt van een kunststofgranu-laat. Het is derhalve in de praktijk aangewezen de geleidende vezels op 8105907 * 4 * - 4 - één of andere manier aan het kunststofgranulaat toe te voegen of daarin te verwerken zodat hun verenigbaarheid met de kunststof niet in het gedrang komt en zodat tijdens de klassieke vormgevingsprocessen een zo gelijkmatig mogelijke dispersie van de geleidende vezels in de kunststof 5 bereikt wordt.

Aan deze vereisten is volgens een belangrijk deelaspekt van de uitvinding tegemoet gekomen door een kunststofgranulaat te verschaffen als tussenprodukt ter vervaardiging van het voorwerp waarbij de korrels een lengte hebben van ten minste 0,4 cm en daarin opgenomen geleidende vezels 10 omvatten. De gemiddelde lengte van de vezels in de korrels zal daarbij iets groter zijn dan die in het uiteindelijk voorwerp daar tijdens de vormgeving steeds een aantal vezels verder gebroken worden. Verder worden uitvindingsmaatregelen beschreven om deze breekneiging tegen te gaan. Overigens zal de volumeconcentratie geleidende vezels in deze korrels steeds 15 hoger zijn dan de vereiste eindconcentratie in het gevormde voorwerp.

Wenst men bijvoorbeeld een voorwerp te vervaardigen uit 100% van de korrels als hierboven beschreven en met een eindconcentratie 0,3 vol.% metaal vezel in het voorwerp dan zal· men de gemiddelde volumeconcentratie metaalvezel in de korrels op ten minste 0,33% kiezen. Wenst men echter 20 een voorwerp met dezelfde eindconcentratie aan metaalvezel (0,3 vol.%) te vervaardigen door uit te gaan van een mengsel van 67 vol.% zuiver kunststofgranulaat en 33 vol.% kunststofkorrels waarin metaalvezels zijn opgenomen, dan zal de gemiddelde volumeconcentratie metaalvezel in deze korrels bij voorkeur ten minste 0,99% bedragen.

25 Bij gebruik van een mengsel zuiver kunststofgranulaat met een vezel-bevattend menggranulaat zoals hierboven omschreven zal men bijvoorbeeld het menggranulaat cylindervormig kiezen met een diameter ten minste gelijk aan de gemiddelde dikte van het zuiver granulaat. Deze maatregel verlaagt meestal de breekneiging van de ingebedde geleidende vezels tijdens 30 de warme meng- en kneedbewerking van het granulaatmengsel voorafgaand aan de eigenlijke vormgeving. De lengte van de menggranulaatkorrels zal bij voorkeur tussen 0,4 cm en 1,2 cm bedragen.

Uit praktische overwegingen is het nuttig een kunststofgranulaat met standaardafmetingen en standaardconcentratie te verschaffen hetwelk ge-35 makkelijk met klassiek kunststofgranulaat in de gewenste verhouding gemengd en verwerkt kan worden voor het bereiken van een voorafbepaalde volumeconcentratie geleidende vezels in het eindprodukt. De hoofdgrondstof voor dit granulaat zal natuurlijk bij voorkeur dezelfde hars omvat- 8105907 * * * - 5 - ten als die van het te vormen voorwerp. Het dwarsdoorsnedeoppervlak van het menggranulaat zal bovendien ten minste even groot zijn als dat van de zuivere harskorrels. Bijvoorbeeld is een metaalvezelvolumepercentage in het menggranulaat van ten minste 1% geschikt gebleken.

5 Het menggranulaat kan evenwel ook een kunststof omvatten die verschilt van die van het te vervaardigen voorwerp. Het verwekingspunt/ respectievelijk smeltpunt van de hars in het menggranulaat moet dan evenwel lager zijn dan dat van het voorwerp om toe te laten dat het menggranulaat zich tijdens de vervaardiging van het voorwerp vlot verspreidt en vermengt bij 10 verhoogde temperatuur met de hoofdgrondstof ter dispergering van de geleidende vezels daarin onder minimale afschuifkrachten.

Ook op andere vlakken moet de hoofdgrondstof met de hars van het menggranulaat verenigbaar zijn. Deze hars mag bijvoorbeeld niet ontbinden of reageren met de hoofdgrondstof wanneer deze laatste op haar verwerkings-15 en vormgevingstemperatuur wordt verhit.

Het meest gebruikelijke uitgangsprodukt voor de in te brengen geleidende vezels is een filamentenbundel, hoewel ook andere vezelbundels zoals vezellonten en stapelvezelgarens toepasbaar zijn. De vezellonten zullen hierbij een voldoende titer moeten bezitten en de vezellengten 20 zullen voldoende lang moeten zijn om een behoorlijk samenhangende bundel te vormen met toereikende treksterkte voor behandeling en verhandeling. Gemiddelde vezellengten van 7 cm en nagenoeg 2.000 vezels per lontdoor-snede zijn geschikt gebleken. De vezelbundels kunnen meestal niet als zodanig aan de kunststof massa worden toegevoerd en daarin gedispergeerd.

25 Ze dienen dus voorbehandeld te worden. Volgens een voorkeursbehandeling worden de bundels zodanig ingebed in een kunststof dat het vezelgehalte daarin tussen 30 vol.% en 70 vol.% ligt. De geïmpregneerde vezelbundel laat men stijf worden (bijvoorbeeld door afkoelen} teneinde een zogenaamde streng te verkrijgen waarvan het dwarsdoorsnedeoppervlak bij voorkeur 30 niet kleiner is dan dat van de kunststofkorrels van de hoofdgrondstof.

De streng zal bij voorkeur een afgeplatte dwarsdoorsnede bezitten, bijvoorbeeld met ovale of rechthoekige vorm om het opwikkelen en het later doorhakken tot korrels te vergemakkelijken. De streng kan 35.000 naast elkaar gerangschikte filamenten (of vezels) omvatten, maar een la-35 ger aantal (boven 1.000 filamenten) is aangewezen.

Het is vaak aanbevolen de geïmpregneerde bundel nog te omhullen met een mantel uit dezelfde kunststof als de hoofdgrondstof, of dezelfde of een andere kunststof als waarmee de bundel geïmpregneerd werd. Dit bevor- 8105907 - 6 - t ί s dert het geleidelijk desintegreren van de doorgesneden bundel en de gelijkmatige dispersie van de vezels in de kunststofmatrix tijdens het mengen op verhoogde temperatuur. De streng werd doorgesneden tot korrels op lengten van ten minste 0,4 cm en ten hoogste 1,5 cm.

5 Vanzelfsprekend zal de kunststof, waarmee de vezelbundel geïmpregneerd en omhuld is, verenigbaar moeten zijn met de hoofdgrondstof van het te vormen voorwerp. Indien deze grondstof een thermoplastische kunststof is, werd gevonden dat de impregneerhars bij voorkeur een laagmoleculaire thermoplast is gekozen uit de reeks polyethyleen, polypropyleen, polyes-10 ter, polyacrylaat, polymethacrylaat, polystyreen, P.V.C. en P.V.C.-copo-. lymeren.

Het thermoplastisch kunststofgranulaat met de daarin gedispergeerde geleidende vezels wordt bereid door in de gewenste verhouding een droog mengsel te maken van zuivere kunststofkorrels (hoofdgrondstof) met een 15 aantal korrels waarin een geschikte hoeveelheid onderling parallelle vezels ingebed zijn, welke vezels nagenoeg of overwegend dezelfde lengte hebben als deze korrels. Dit granulaatmengsel wordt vervolgens in een ex-trusiemenger onder verhoogde temperatuur en onder toepassing van lage afschuifkrachten gekneed ter dispergering van de geleidende vezels in de 20 kunststof. Aansluitend wordt de kneedmassa geëxtrudeerd tot één of meer strengen met geschikte dwarsdoorsnede en afgekoeld. Tenslotte worden de strengen dwars doorgehakt in stukjes met lengten van ten minste 0,4 cm.

De uitvinding zal thans aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden nader toegelicht worden onder verwijzing naar bijgaande figuren: geleidende 25 Figuur 1 toont de geïmpregneerde en omhulde .vezelbundel en een van deze streng afgesneden korrel.

Figuur 2 is een schets van een kunststofkorrel met daarin gedispergeerde geleidende vezels.

Figuur 3 geeft grafisch het verband weer tussen de golffrequentie f 30 van de elektromagnetische straling en de afschermingseffektiviteit SE van een 3 mm dikke kunststofplaat die geleidende vulstoffen bevat.

Figuur 4 stelt grafisch het optimale werkingsgebied voor van de uitvinding in termen van vezelconcentraties en D/L-verhoudingen.

Voorbeeld I.

Een nagenoeg ronde niet getwiste bundel 1 (figuur 1), omvattende 35 20.400 roestvaste staalfilamenten AISI 316L van het type BEKINOJ^ (merk naam van aanvraagster) met een filamentdiameter van 8 vim werd door een 8105907 * * - 7 - oplossing geleid van een laagmoleculaire lineaire polyester met een M.G. van ongeveer 14.000 van het type Dynapol L850 (Dynamite Nobel) in 20% trichloorethyleen. De uit het bad komende bundel werd door een ronde af-stroopopening getrokken met een diameter van 1/8 mm en gedroogd. De ge-5 droogde bundel omvatte zodoende 6/2 gew.% aan hars (hetgeen beantwoordt aan 70 vol.% metaalvezel). Deze geïmpregneerde bundel werd vervolgens in een draadmantelextrusierichting (type Maillefer met vaste centrering) omhuld met dezelfde polyester Dynapol L850. De ronde extrusieope-ning had een diameter van 2 mm. Na afkoelen van de aldus geëxtrudeerde 10 streng 2 werd deze tot cylindrische korrels 3 versneden met een lengte van 1 cm. De korrels bevatten nagenoeg 13 gew.% hars hetgeen overeenkomt met ongeveer 52 vol.% metaalvezel. Bij het doorsnijden van de bundel werden nauwelijks metaalvezeleindjes uit de bundel uitgetrokken en werd haakvorming en uitpletting van de vezeluiteinden vermeden. Dit is belang-15 rijk om een betrouwbare dosering en een vlotte dispersie te kunnen waarborgen. Deze korrels werden nu probleemloos droog gemengd met gebruikelijk thermoplastisch kunststofgranulaat van diverse harsen in een verhouding 9,75 gew.% korrels tot 90,25% zuiver kunststofgranulaat en geëxtrudeerd tot een nagenoeg ronde streng met een diameter van 4 mm en een metaal-20 vezelgehalte van nagenoeg 8 gew.%. Deze geëxtrudeerde streng werd na afkoelen weer versneden tot korrels 4 (figuur 2) met een lengte van 1 cm.

In deze korrels, hierna genoemd menggranulaat, bleken de metaalvezels gelijkmatig gedispergeerd te zijn met een gehalte van ongeveer 1,1 vol.% metaalvezel. De afschuifkrachten tijdens de extrusie werden voldoende 25 laag gehouden met het gevolg dat een overmatige vezelbreuk werd vermeden.

Een van de toegepaste maatregelen om de afschuifkrachten minimaal te houden betreft het verwijderen van de breekplaat aan de ingang van het spuitmondstuk. De temperatuur aan de spuitkop van de enkelschroefextru-der bedroeg 260°C bij gebruik van NORYL-SE90 (een gemodificeerd polyfe-30 nyleenoxyde van General Electric). Bij toepassing van Cycolac AM1000AS (een ABS hars van Borg Warner) was de extrusietemperatuur aan de spuit-mond 220°C en bij gebruik van Lexan LI3848-141R-111 (een polycarbonaat van General Electric) 225°C.

De extruder was van het type Samafar 45 met een lengte/diameter ver-35 houding van de schroef van 25.

Het aldus verkregen menggranulaat werd nu droog gemengd met een gelijke gewichtshoeveelheid zuiver kunststofgranulaat en toegevoerd aan een spuitgietmachine van het type Ankerwerk V24/20 met schroef waarop een 8105907 , - * « - 8 - % moule was aangesloten voor het spuiten van platen met een dikte van 2,3 mm, een lengte van 30 cm en 25 cm breed. De temperaturen in de schroefgang liepen op tot respectievelijk 250°C, 210°C en 290°C voor de respectievelijke harsen Nöryl, Cycolac en Lexan en de temperatuur van de moules 5 werd ingesteld op respectievelijk 80°C, 50°C en 90°C. De schroef draaide met 44 toeren per min. De spuitopening had een diameter van nagenoeg 1 cm. De platen, zowel uit NORYL, CYCOLAC of LEXAN, vertoonden een glad oppervlak en een gelijkmatige vezeldispersie over de platen. De concentratie aan metaalvezels bedroeg 4 gew.%, hetzij 0,5 vol.%. De vezels 10 waren gelijkmatig gedispergeerd in de kunststofmatrix.

Voorbeeld II.

Onder analoge omstandigheden als in voorbeeld I werden door spuitgie-ten platen vervaardigd uit de voornoemde thermoplastische harsen. Er werd echter uitgegaan van een platte bundel van 20.400 naast elkaar gerangschikte Bekinox-filamenten met diameter 8 μ-m. De platte bundel werd 15 weer geïmpregneerd met een Dynapoi L850 oplossing zoals in voorbeeld I en af gestroopt door een rechthoekige opening van 5 mm x 0,5 mm. De gedroogde bundel bevatte zodoende 6,4 gew.% hars en werd verder in een o spleetextrusieinrichting ommanteld met dezelfde polyesterhars bij 280 C. De rechthoekige extrusieopening had afmetingen van 5 mmx0,6 mm en de 20 verkregen afgekoelde streng bevatte 23 gew.% hars, hetgeen beantwoordt aan nagenoeg 39 vol.% metaalvezel. De platte streng werd doorgehakt tot lengten van 1 cm waarbij haakvorming en uitpletting van de vezeluitein-den volledig werden vermeden. De inklemming van de vezels in de harsma-trix in een platte bundel, ten behoeve van het accuraat afsnijden van 25 korrels, bleek dus zeer doeltreffend. De verkregen platte korrels werden vervolgens zonder moeilijkheden droog gemengd in een verhouding 10,66 gew.% tot 89,33 gew.%. zuiver kunststofgranulaat en geëxtrudeerd tot een nagenoeg ronde streng met een diameter van 4 mm zoals in voorbeeld I beschreven. Het metaalvezelgehalte bedroeg ongeveer 8 gew.%, hetgeen over-30 eenkomt met ongeveer 1,1 vol.%. Na droog mengen van deze mengkorrels met evenveel gewicht aan zuiver granulaat en spuitgieten van het mengsel, zoals hiervoor beschreven, werd eveneens een gelijkmatige dispersie vastgesteld. De gemiddelde vezellengte bedroeg naar schatting ongeveer 1,5 mm en de eindconcentratie bedroeg weer 0,5 vol.%. Hiermee stemt gebied A 35 in figuur 4 overeen.

Het afschermingsgedrag tegen elektromagnetische straling van de door 8105907 1> · - 9 - spuitgieten vervaardigde platen werd getest. Zoals bekend kan het af-schermingsgedrag van een kunststof met geleidende vulstof bepaald worden in relatie tot zijn plaatdikte aan de hand van de reflektie R (%) gemeten bij één stralingsfrequentie (bijvoorbeeld 10 GHz) in vergelijking 5 met de reflektie (100%) op een referentiemateriaal zoals een metaalplaat. Indien de elektrische eigenschappen van het materiaal voldoende homogeen zijn en de geleidende vulstof in de kunststof een netwerk vormt met voldoende kleine maasafstanden (bijvoorbeeld een orde van grootte kleiner dan de golflengte van de af te schennen straling) kan het afschermings-10 gedrag over het volledig frequentiegebied worden geëxtrapoleerd. Overigens is bekend dat voor een belangrijk aantal toepassingen voor elektrisch geleidende kunststoffen aan de afschermingseisen is voldaan wanneer een afschermingseffektiviteit (SE) wordt bereikt van 35 dB bij een frequentie van 1 GHz. Er werd tevens vastgesteld dat de SE-waarde voor 15 elektrische velden en voor materialen met een specifieke weerstand tussen 0,01 en 100-Π. cm steeds minimaal is in de buurt van 1 tot 5 GHz bij plaatdikten tussen 1 en 6 mm en bij een afstand van ongeveer 1 cm tot 10 cm tussen de golfgenerator en de kunststofplaat. Het verband tussen de afschermingseffektiviteit SE en de golffrequentie f is weergegeven in 20 figuur 3 voor een plaatdikte van 3 mm en een afstand bron - plaat van 1 cm. Curve 1 betreft daarbij het verband voor reflektiewaarden R = 99%, gemeten bij 10 GHz, terwijl curve 2 het verband weergeeft voor R = 90%.

Curve 3 geldt voor R = 80% en curve 4 voor R = 70%, telkens bij 10 GHz.

Meet men bijvoorbeeld voor een geleidende kunststofplaat met een dikte 25 van 3 mm een reflektie R van 80% bij 10 GHz (afstand bron - plaat gelijk aan 1 cm) dan kan men uit figuur 3 afleiden dat de SE-waarde ten minste 35 dB zal bedragen voor elke willekeurige frequentie. Bij R = 70% en 1 GHz geldt dan SE = 38 dB.

Analoog gelden volgende waarden voor andere plaatdikten en gemeten 30 bij een afstand van 1 cm van bron tot plaat: 8105907 - 10 -

TABEL A

10 GHz 1 GHz dikte R (%) SE (dB) R (%) SE (dB) 4 70 > 35 70 41 2 85 ^ 35 70 34 1 95 ^ 35 70 J 27

Uit de afschermingstheorie kan verder worden afgeleid dat de specifie- -ke weerstand^/1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 (JT. cm) voor homogeen geleidende kunststofplaten en onafhankelijk van de plaatdikte volgende waarden oplevert in overeenstemming met de reflektiewaarde (R - %)? zie tabel B:

TABEL B

R (%) p (JT. cm) 99 0,11 95 0,53 90 1,1 80 2,2 70 3,3 8105907

Uit bovenstaande gegevens kan derhalve worden geconcludeerd dat een 2 dikkere plaat een lagere specifieke geleidbaarheid (1/y?) en lagere re 3 flektiewaarde zal mogen bezitten om bij een bepaalde frequentie (bijvoor 4 beeld bij 1 GHz) eenzelfde afschermingseffektiviteit (SE) te bereiken.

5

De D/L-waarde van de vezels zal dus hoger mogen liggen bij eenzelfde 6 vezelconcentratie in een dikkere plaat dan in een dunnere plaat of anders 7 uitgedrukt: de vezelconcentratie in een dikkere plaat zal kleiner mogen 8 zijn dan in een dunnere plaat wanneer D/L in beide platen gelijk is.

9

Aan de aldus door spuitgieten vervaardigde platen werden doorlatings-, 10 reflektie- en weerstandsmetingen uitgevoerd. De doorlatings- en reflek- 11 tiemetingen werden uitgevoerd bij 10 GHz. Voor deze metingen worden de plaatmonsters geplaatst tussen een golfzender (oscillator waarop via een circulator een eerste hoornantenne is aangesloten) en een tweede hoorn-antenne die gekoppeld is aan een tweede detector. De energie gegenereerd door de oscillator wordt via de eerste antenne naar het plaatmonster ge- - 11 - stuurd en de doorgelaten energie wordt via de tweede antenne in de hieraan gekoppelde tweede detector geregistreerd. De gereflekteerde energie wordt teruggekaatst naar de eerste antenne en geregistreerd door een eveneens daarop aangesloten eerste detector. Deze hoeveelheid gereflek-5 teerde energie wordt dan uitgedrukt in procenten (R-waarde) van de hoeveelheid energie (100%) die door een metalen plaat in dezelfde omstandigheden wordt gereflekteerd. Wanneer voor de doorgelaten energie nul is gemeten, wordt voor de reflektiemeting en registratie het plaatmonster getransleerd met konstante snelheid tussen, en bewegende van nabij, de 10 eerste naar de tweede antenne over een afstand van 22 cm. Het vertrekpunt is hierbij ten minste 14,5 cm verwijderd van de circulator. Bij deze dynamische methode worden meetfouten vermeden die zouden kunnen optreden bij statische metingen wanneer de positie van de diverse plaatmonsters ten opzichte van de circulator tijdens opeenvolgende metingen niet nauw-15 keurig dezelfde blijft. Het gemeten reflektiesignaal is immers steeds een resultante van achtereenvolgende reflekties en re-reflekties tussen het monster en het metaal van de meetopstelling (circulator, antenne) wat aanleiding geeft tot een staand golfpatroon als funktie van de afstand monster - zender. De gemiddelde waarde van het geregistreerde 20 staande golfpatroon bij de dynamische methode wordt bepaald door een microprocessor.

Voor de meting van de soortelijke weerstand worden de plaatmonsters nabij hun tegenoverliggende randen tussen stroomvoerende klemmen in een elektrische kring geschakeld. Om een goed geleidingskontakt tussen de 25 klemmen en de geleidende vezels in de ingeklemde plaatranden te bewerkstelligen worden deze randen afgeschuurd en met zilververf ingestreken.

De meetresultaten waren als volgt (gemiddelde waarden):

TABEL C

Reflektie Doorlating Specifieke weerstand (%) (-A-cm)

Noryl 65 0 2

Lexan 71 0 3

Cycolac 65,5 0 4

Hieruit kan dus besloten worden dat de door spuitgieten verkregen platen met een dikte van 2,3 mm net op de rand lagen tussen onvoldoende 30 en voldoende afschermingseffektiviteit (35 dB). Zie gebied A in figuur 4.

8105907 - 12 -

Voorbeeld III.

Eenzelfde harsgeimpregneerde platte filamentbundel (streng) als in voorbeeld II werd doorgehakt op lengten van 1 cm en in de gewenste verhouding zoals in voorbeeld II gemengd met zuivere harskorrels Cycolac. Deze harskorrels hadden weer de gebruikelijke afmetingen (ongeveer 0/5 cm lang# 5 0,5 cm breed en 0,2 cm dik). Het mengsel werd geëxtrudeerd tot een ronde draad en versneden ter vorming van een menggranulaat met nagenoeg 1,1 vol.% metaalvezel zoals beschreven in voorbeeld II. Het menggranulaat werd vervolgens droog gemengd in een verhouding 50/50 met zuiver kunst-stofgranulaat en gevoed aan een spuitgietmachine van het type Maurer met 10 spuitopening van 0,95 cm diameter. Temperaturen zoals in voorbeeld II werden hierbij toegepast. Indien het wenselijk is dat de afschermingsei-genschappen ook voldoende zijn in de onmiddellijke omgeving van de spuit-mond zal men bij voorkeur traag spuiten en/of een zo klein mogelijke nadruk toepassen bij het beëindigen van de spuitbewerking. De door spuit-15 gieten verkregen platen hadden een dikte van 5 mm. De gemiddelde vezel-lengte L werd bepaald door uit de platen volgens diverse richtingen zeer dunne schijfjes te snijden, vervolgens de hars uit deze schijfjes op te lossen en het overblijvende vezelnetwerk onder een microscoop te analyseren. Het gebied B in figuur 4 komt overeen met de aldus bepaalde vezel-20 lengteverdeling. De afschermings- en geleidbaarheidsmetingen werden uitgevoerd zoals hiervoor beschreven. De resultaten zijn samengevat in onderstaande tabel D:

» TABEL D

Reflektie Doorlating Specifieke weerstand (%) /° (J~L cm) .

Cycolac 68 0 4

Voorbeeld IV.

Platte korrels omvattende 20.400 parallelle roestvaste vezels met een diameter van 8 μ,πι en een lengte van 3 mm ingebed in 8 gew.% van een acry-25 laathars K70 (van de firma Kontakt Chemie) werden onder voorzichtig roeren toegevoegd in een 45%'s oplossing van een thermohardende polyester-hars Derakene 411 in styreen. De vezels werden hierbij gelijkmatig ge-dispergeerd in de hars en de gebruikelijke versnellers ingeroerd, waarna nog een katalysator werd toegevoegd. De relatief vloeibare massa 30 werd in een vorm voor platen van 30 cm x 30 cm x 3 mm gegoten en ont- 8105907 - 13 - lucht. De vorm werd gesloten en tijdens het koud uitharden aan een wentelende beweging onderworpen om bezinking van de metaalvezels tegen te gaan. De uitgeharde plaat bevatte 0,5 vol.% metaalvezels. In figuur 4 beantwoordt deze samenstelling derhalve aan punt B. De gemeten reflektie 5 bedroeg 92% bij een specifieke weerstand van 0,43 S\_ cm en een doorlating van 0%.

Analoge platen (zelfde afmetingen) werden bereid met de volgende samenstellingen en de reflektiewaarden, doorlating en specifieke weerstand werden opgemeten:

TABEL E

D (mm L (mm) C (%) R (%) specif. doorlating punt in weerst. (%) fig. 4 ( cm)

0,008 3 0,25 70 1,44 0 C

0,004 3 0,25 87 1,68 0 D

0,004 3 0,50 84 3,11 0 E

0,004 3 0,12 70 15,1 0 F

10 Uit deze voorbeelden en resultaten werden de grenzen afgeleid voor de volumeconcentratie aan vezels (C - %) in relatie tot de --verhouding van

L D

de vezels. De rechte 1 in figuur 4 beantwoordt hierbij aan C = 1,4 - -0,12 terwijl de rechte 2 de betrekking weergeeft C = 3,34 £ - 0,137. Het gebied tussen de twee rechten 1 en 2 bepaalt volgens de uitvinding de 15 optimale voorwaarden voor C, D en L om in de praktijk voldoende afscher-mingseffektiviteit te bewerken voor platen met dikte kleiner dan 3 mm.

Voor plaat- of velvormige voorwerpen met een dikte tussen 3 ram en 6 mm zal de rechte 3 in figuur 4 de grens vormen om voldoende afscherming te waarborgen. Deze rechte heeft de vergelijking C = £ - 0,18.

20 Om voorwerpen uit thermoplastische schuimstoffen te vervaardigen in moules zal men bijvoorbeeld een menggranulaat zoals hierboven beschreven in de gepaste verhouding mengen met zuiver kunststofgranulaat dat een geschikte hoeveelheid blaasmiddel bevat. Ook kan men het schuimmiddel in poedervorm mengen met zuiver kunststofgranulaat en met een gepast aandeel 25 menggranulaat. De korrels kunnen bijvoorbeeld bevochtigd worden zodat het poeder hierop kleeft en zich zodoende gelijkmatig verspreidt over de korrels. Het mengsel kan dan op de gebruikelijke wijze aan de spuitgiet-machine toegevoegd worden.

8105907 * r *' - 14 -

Ter vervaardiging van thermoplastische elastomere voorwerpen (bijvoorbeeld uit het polyester-elastomeer Hytrel) kan men van elastomere korrels uitgaan, gemengd in de gepaste verhouding met menggranulaat dat tevens op basis van dit elastomeer werd bereid. De afschuifkrachten tij-5 dens kneed- en vormgevingsbewerking zullen hier evenwel bijzonder laag moeten blijven.

Bij vormgeving· in mallen van met hars voorgeïmpregneerde vezelvellen (zgn. sheet molding van prepregs) kan men de geleidende vezels vooraf in de geschikte concentratie in de vloeibare hars dispergeren. Voor het vor-10 nipn van viskeuze mengsels hars en vezels in mallen en daarna uitharden (zgn. bulk molding) kan men op analoge wijze de geleidende vezels vooraf in de massa dispergeren.

Het is in het bijzonder mogelijk de geleidende vezels vooraf te kom-bineren met andere vezels, bijvoorbeeld versterkingsvezels zoals glas-15 vezels, koolstofvezels, polyamidevezels en deze vezelkombinatie op een of andere manier in de hars te dispergeren. Voor verwerking in thermo-plasten kan dan bijvoorbeeld de hiervoor beschreven streng uit geleidende vezels, ingebed in kunststof, vervangen worden door een streng omvattende een mengsel uit glasvezels en geleidende vezels in de gewenste ver-20 houding. Ook kunnen glasvezelbundels in een zij-aan-zij schikking met bundels geleidende vezels geïmpregneerd worden ter vorming van de streng. Ten slotte kan men tot granulaat versneden strengen met versterkingsvezels en tot granulaat versneden strengen met geleidende vezels in de gepaste korrelgewichtverhouding vermengen en toevoeren aan de vormgevings-25 machines, desgewenst onder toevoeging van een geschikte hoeveelheid zuiver kunststofgranulaat (hoofdgrondstof).

De uitvinding werd in het bijzonder beschreven in het licht van haar toepassing voor afscherming tegen radiofrequente en hoog frequente golven. Bij een aanzienlijke "verhouding van de dunne geleidende vezels in 30 de kunststofmatrix zullen deze evenwel ook in belangrijke mate elektromagnetische golven in het radarfrequentiegebied absorberen. De volume-concentratie aan vezels mag in dit geval bijzonder laag worden gekozen daar goede geleidbaarheid geen vereiste is voor het camouflage-vermogen tegen radargolven. De oppervlakteweerstand van de kunststofplaten met 35 daarin gedispergeerde geleidende vezels zal bij voorkeur zelfs hoger zijn dan lOOJWsq. Een reflektiewaarde van 10% is voldoende, doch deze zal meestal ongeveer 40% - 50% bedragen. De relatie vezelconcentratie tot

- zal hier in de meeste gevallen beantwoorden aan een punt in het gebied L

8105907 - 15 - ττnfc-π van de rechte 2 in figuur 4 en bij concentraties lager dan 0,25 vol.%.

. In de voorbeelden werden roestvaste staalvezels gebruikt. Andere elek trisch geleidende vezels zijn in principe ook toepasbaar, bijvoorbeeld 5 glasvezels met een metaalbekleding of koolstofvezels voor zover de dis-pergeringsbewerking in de kunststofmatrix onder voldoende lage afschuif-krachten kan plaats vinden teneinde de breekneiging van de vezels tegen te gaan. Eventueel zullen ook de spuitgietomstandigheden moeten worden aangepast: rheologie van de kunststof tijdens spuitgieten en spuitsnel-10 heid. De diameter van de spuitopening zal ten minste tweemaal de dikte van de te spuiten plaat moeten zijn.

8105907

Claims

1. Plaat- of velvormig voorwerp met een dikte kleiner dan 6 mm waarin elektrisch geleidende vezels gedispergeerd zijn, met het kenmerk, dat de volumeconcentratie C (%) aan geleidende vezels ligt tussen 0,05% en 0,6%, terwijl de vezels een equivalente diameter D (in mm) kleiner dan 0,015 mm 5 en een gemiddelde vezellengte L (in mm) tussen 0,5 mm en 5 mm hebben, waarbij C ^ 1,4 £ - 0,12 wanneer de plaat- of veldikte kleiner is dan 3 mm, terwijl C - 0,18 voor plaatdikten tussen 3 mm en 6 mm.

2. Voorwerp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat bovendien voldaan is aan C 4*3,34 7 - 0,137.

3. Voorwerp volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de gelei dende vezels een relatief effen oppervlak bezitten.

4. Voorwerp volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de geleidende vezels roestvaste staalvezels zijn.

5. Voorwerp volgens één van de voorafgaande conclusies, met het ken-15 merk, dat de kunststof een thermohardende hars is.

6. Voorwerp volgens één van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de kunststof een thermoplastische hairs is.

7. Voorwerp volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het is vervaardigd door spuitgieten.

8. Voorwerp volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat het een opgeschuimde hars is.

9. Voorwerp volgens conclusies 5, 6 of 8, met het kenmerk, dat de kunststof een elastomeer is.

10. Voorwerp volgens één van de voorafgaande conclusies, met het ken-25 merk, dat het nog andere vezels bevat.

11. Voorwerp volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat· ten minste een deel van de andere vezels uit versterkingsvezels bestaat.

12. Kunststofmenggranulaat als tussenprodukt ter vervaardiging van een voorwerp volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de korrels een lengte 30 hebben tussen 0,4 cm en 1,2 cm en elektrisch geleidende vezels bevatten, waarbij het gehalte aan daarin aanwezige vezels gemiddeld hoger is dan de eindconcentratie van de vezels in het voorwerp en de vezels in het granulaat gemiddeld langer zijn dan in het voorwerp.

13. Kunststofmenggranulaat volgens één van de voorafgaande conclusies, 35 met het kenmerk, dat de daarin aanwezige kunststof een verwekingspunt 8105907 - 17 - respectievelijk smeltpunt heeft dat ten hoogste gelijk is aan dat van de kunststof waaruit het voorwerp is vervaardigd.

14. Kunsts tofmenggranulaat volgens één van de voorafgaande conclu sies, met het kenmerk, dat het nog andere vezels bevat.

15. Streng, omvattende een bundel geleidende vezels ingebed in een kunststof, met het kenmerk, dat het vezelgehalte ligt tussen 30 vol.% en 70 vol.% en de vezeldiameter ten hoogste 0,015 mm bedraagt.

16. Streng volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat deze een afge platte doorsnede bezit.

17. Streng volgens conclusie 15 of 16, met het kenmerk, dat de vezel- bundel'tussen 1.000 en 35.000 naast elkaar gerangschikte vezels bevat.

18. Streng volgens conclusie i7, met het kenmerk, dat de kunststof waarin de bundel is ingebed, een thermoplastische kunststof uit een laag-moleculair polymeer omvat.

19. Kunststof granulaat als tussenprodukt voor het bereiden van een kunststofmenggranulaat volgens één van de conclusies 12-14, met het kenmerk, dat de korrels af gesneden zijn van een streng volgens één van de conclusies 15-18 en een lengte hebben tussen 0,4 cm en 1,5 cm.

20. Werkwijze voor het vervaardigen van een kunststofgranulaat vol- 20 gens één van de conclusies 12-14, met het kenmerk, dat a) een kunststofgranulaat volgens conclusie 19=in de gewenste verhouding droog wordt gemengd met een granulaat van de hoofdgrondstof van het te vormen voorwerp; b) genoemd granulaatmengsel in een extrusiemenger onder verhoogde tempe-25 ratuur en onder toepassing van lage afschuifkrachten wordt gekneed ter dispergering van de geleidende vezels in de kunststof; c) de kneedmassa wordt geëxtrudeerd tot een of meer strengen met geschikte dwarsdoorsnede en af gekoeld; d) de strengen dwars in stukjes met lengten van ten minste 0,4 cm worden 30 doorgehakt. 8105907