WO2006128403A1 - Elektrisch leitfähiges material und ein verfahren zur herstellung eines elektrisch leitfähigen materials - Google Patents

Elektrisch leitfähiges material und ein verfahren zur herstellung eines elektrisch leitfähigen materials Download PDF

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WO2006128403A1
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electrically conductive
pigments
conductive material
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carrier material
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PCT/DE2005/002263
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Frank-Heinrich Ransmann
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Heitexx Ltd.
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/24—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
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    • C08K3/04—Carbon
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Definitions

  • the present invention relates to an electrically conductive material comprising a carrier material, in particular a plastic or a binder, and electrically conductive pigments distributed in the carrier material.
  • the present invention relates to a method for producing an electrically conductive material, the method comprising the steps: producing and / or providing a carrier material, in particular a plastic or a binder, or providing the components of a carrier material, providing electrically conductive pigments, Distribution of the electrically conductive pigments in the carrier material and optionally combining the components of the carrier material, spreading the carrier material into a desired shape and curing of the carrier material.
  • Electrically conductive materials of the type mentioned are already known for several decades from practice. Such materials are made to provide electrical conductivity within materials that are inherently no or very poor electrical conductors.
  • electrically conductive pigments are generally distributed within the non-conductive or only very poorly conductive carrier material, in particular in plastics or in binders. By bridge formation of the electrically conductive pigments with each other, an electrical conduction is made possible within the per se non-electrically conductive material.
  • the main feature of such filled systems is the formation of an electrically conductive network of the added electrically conductive pigments from a certain critical filler concentration.
  • This critical filler concentration corresponds to the concentration from which a minimum number of electrically conductive pigments within the carrier material are in direct contact with each other Standing in contact. This critical filler concentration is known as the so-called percolation threshold.
  • the electrically conductive pigments used should have the highest possible intrinsic conductivity. As a result, the lowest possible electrical conduction within the network in the carrier material can be achieved.
  • the electrically conductive pigments should occupy the largest possible volume within the carrier material. This ensures that a minimum number of electrically conductive pigments are in contact with each other, whereby only the production of an electrically conductive network within the carrier material is made possible. If the electrically conductive pigments occupy a particularly large volume within the carrier material, a particularly large "line cross-section" is provided, so that a very low-loss electrical line is made possible.
  • the electrically conductive pigments used should not undergo any undesired chemical or physical reactions with the carrier material used.
  • a disadvantageous modification of the material properties of the carrier material by the electrically conductive pigments is generally undesirable. This means, in particular, that the addition of the electrically conductive pigments to the support material should not result in reduced flexibility and no increased susceptibility to breakage of the resulting material.
  • graphite which has a resistivity of about 10 "3 ohms x cm, must be done in a correspondingly large amount, so as to form an electrically conductive network of pigments added at all. In other words, graphite must be in a large mass be added to even reach the volume percolation threshold.
  • carbon black for example so-called high-conductivity carbon black or so-called conductive carbon black
  • conductive carbon black is added to the support material
  • carbon black has a relatively high resistivity of about 0.05 ohm.cm, which places the resulting electrically conductive network in high opposition to the electrical current being conducted. Consequently, the known electrically conductive materials with conductive carbon blacks as additives
  • a resistance of usually 10 to 100 ohm.cm This conductivity is not sufficient for many fields of application, for example in the electrical and electronics industry (eg for EMI shielding), although the use of conductive carbon black seems particularly desirable in this industry, as it is completely inert to plastics.
  • the known from the prior art electrically conductive materials of the type in question usually contain one of the aforementioned types of pigments, namely a metal or a metal oxide, graphite or carbon black.
  • the pigments are usually in ground form, i. in powder form and are added to the carrier material. Thus, by and large, the pigments have a spherical or globular shape.
  • the present invention is therefore based on the object, an electrically conductive material and a method for producing an electrically conductive material of the type mentioned in such a design and further that an increased electrical conductivity is achieved at the same time low impairment of the mechanical properties of the material.
  • the above object is achieved with respect to an electrically conductive material with the features of claim 1.
  • the electrically conductive material is characterized in that the electrically conductive pigments have a broad size distribution and / or different shapes.
  • the correlation of the pigment particles with one another ie a preferred chain formation of the pigment particles, favors the formation of electrically conductive paths and thus the percolation threshold can be lowered.
  • an electrically conductive material is specified in which an increased electrical conductivity is achieved with at the same time little impairment of the mechanical properties of the material.
  • the electrically conductive pigments are finely dispersed, i. statistically distributed within the carrier material. Due to the statistical distribution of the electrically conductive pigments, the formation of an electrically conductive network is most likely to be favored.
  • the distribution of the pigments denotes the positioning of the pigments within the support material, but not their orientation with respect to a spatial direction.
  • the electrically conductive pigments have elongated and / or fibrous pigments.
  • the pigments may comprise carbon fibers. These carbon fibers can consist of Vapor Grown Carbon Fibers (VGCF). Elongated or fibrous pigments require a small volume within the carrier material, but at the same time can bridge electrically over a wide area of the carrier material. The elongated or fibrous pigments are used for electrical contacting of the smaller or spherical pigments. In this way, can be dispensed with a particularly high concentration of only small / spherical pigments, which would otherwise be necessary to allow any electrical contacting of the small pigments.
  • VGCF Vapor Grown Carbon Fibers
  • the elongated and / or fibrous pigments have a length to diameter ratio of at least 100. This ensures that the elongated or fibrous pigments occupy a small volume within the carrier material, but can nevertheless form a far-reaching electrical contact or a far-reaching electrically conductive network.
  • the elongate and / or fibrous pigments are aligned at least substantially along the direction of the electrical current to be conducted.
  • the elongated and / or fibrous pigments form a particularly effective network in this embodiment of the invention, wherein a useless overfilling of the support material with electrically conductive pigments is effectively avoided.
  • a network is formed by the elongated and / or fibrous pigments, through which the possibly present small / spherical pigments are electrically contacted.
  • the electrically conductive pigments are carbon-based.
  • Carbon-based electroconductive pigments generally occupy a larger volume within the support material, thereby more rapidly reaching the percolation threshold.
  • carbon-based electrically conductive pigments do not lead to any undesired chemical and / or physical reactions with the support material, which is frequently the case when using metals or metal oxides.
  • the - usually undesirable - modification of the mechanical properties of the carrier material in carbon-based electrically conductive pigments is less pronounced than metals or metal oxides. Therefore, the use of carbon-based electrically conductive pigments, in particular in the electrical and electronics industry is desirable.
  • the electrically conductive pigments to carbon macromolecules which are known as so-called.
  • Fullerenes In fullerenes, comparable to metals, one free electron per carbon atom is present due to the molecular structure. As a result, an electrical conductivity on the order of metallic conductivities is observed for fullerenes, although it is a carbon macromolecule. The conductivity of fullerenes can even be up to five times higher than the conductivity of copper. Accordingly, fullerenes are particularly suitable for use as electrically conductive pigments, especially when a carbon-based pigment with simultaneously high electrical conductivity is to be used.
  • fullerenes have a pentagonal or hexagonal arrangement of the carbon atoms. Each carbon atom has three other carbon-binding partners.
  • the fullerenes comprise so-called carbon nanotubes (CNTs).
  • CNTs are made of pure carbon. They belong to the group of fullerenes and are perfect, hollow-shaped molecules.
  • the carbon atoms are connected in a hexagonal network which forms a hollow cylinder.
  • the formed tubes are seamless with open or closed ends.
  • the known carbon nanotubes are up to 20% stretchable, very bendable and extremely kink-resistant. They are far superior to conventional carbon fibers in this regard.
  • CNTs have up to five times the electrical conductivity of copper.
  • the CNTs used in the invention may include Single Wall Nano Tubes (LWNT) or Multi Wall Nano Tubes (MWNT).
  • the CNTs have a diameter of about 1 nanometer (nm) to about 20 nm.
  • the CNT used thus have a diameter several orders of magnitude smaller than comparable carbon fibers.
  • eligible carbon fibers usually a diameter of 15 to 20 microns is measured.
  • the carbon nanotubes (CNT) may have a length to diameter ratio of about 100 to about 10,000.
  • carbon nanotubes having a length to diameter ratio of about 1,000 are preferred. Due to the very small diameter of the CNT can therefore be achieved a particularly large ratio of length to diameter, without the CNT assume an undesirably large length.
  • the content of the carbon nanotubes on the electroconductive material may be about 0.5 mass% (wt%) to about 10 mass%, and more preferably about 1 mass% to about 5 mass%. It has been found that even with the addition of 1 wt.% Of carbon nanotubes (CNT), the percolation threshold is achieved in a polymer system, for example in polyurethane. The conductivity of the carrier increases immediately by several orders of magnitude. Upon further addition of CNT, a typical S-shaped percolation curve is observed. This means that upon reaching the percolation threshold, the conductivity of the system increases rapidly with further, low addition of CNT, until a slower increase in electrical conductivity is observed with increasing pigment concentration.
  • CNT carbon nanotubes
  • the carbon nanotubes (CNT) are within the carrier material at about 100 nanometers (nm) to about 1000 nm apart from each other.
  • the carbon nanotubes have an optimal spacing from one another in order to contact any smaller and / or spherical electrically conductive pigments that may be present and thus form a powerful network. Furthermore, the preferred spacing of the CNTs ensures that no unacceptable detrimental modification of the mechanical properties of the substrate by the CNT is to be feared.
  • the electrically conductive pigments include carbon black, in particular acetylene black.
  • the electrically conductive pigments of carbon black can be present as the only electrically conductive pigments present, or they can be present in conjunction with electrically conductive pigments of carbon macromolecules, in particular CNT.
  • the proportion of carbon black in the electrically conductive material may be about 10% to about 50% by weight.
  • electrically conductive pigments of carbon macromolecules and electrically conductive pigments of carbon black coexist.
  • the addition of carbon black pigments to the support material with already contained CNT achieves a further significant increase in conductivity. Due to the different size distribution of the particles, the CNT network formed is filled with conductive particles in such a way that even with small addition of powdered particles, the conductivity increases further. It should be noted that it is no longer necessary to fulfill the requirement that the powdery particles themselves must touch each other in order to generate conductivity paths. Rather, the particles are contacted via the conductive CNT network, even when not in contact with each other.
  • any further, even small addition of conductive (powdery / spherical) particles therefore leads to a significant increase in the specific electrical conductivity of the carrier material.
  • Superfluous conductive particles which do not contribute to conductivity increase, are in this combination of network factory-forming CNT and small, powdery / spherical particles no longer exist, since virtually all existing, electrically conductive pigments are contacted by the electrically conductive network of CNT.
  • carbon black pigments having a diameter of from about 10 nanometers (nm) to about 100 nm, and more preferably from about 30 nm to about 60 nm.
  • the added carbon black pigments thus have an optimum diameter to be located within the CNT network and contacted by the CNT network.
  • the carbon black pigments by themselves, can have an electrical conductivity of from about 10 Siemens / cm (S / cm) to about 40 S / cm, and more preferably about 25 S / cm. These values reflect the conductivity range commonly observed for acetylene black.
  • the electrically conductive pigments comprise graphite, in particular expanded graphite.
  • the electrically conductive pigments can therefore consist only of graphite.
  • the electrically conductive pigments may comprise a mixture of graphite and carbon macromolecules, in particular CNT. This mixture may also have carbon black pigments.
  • the electrically conductive pigments have at least one mixture of carbon macromolecules (CNT) and graphite pigments.
  • the graphite pigments are incorporated in the manner already described for the carbon black pigments within the electrically conductive network of carbon macromolecules and contacted by this electrically conductive.
  • the proportion of expanded graphite in the electrically conductive material may be about 10% to about 40% by weight.
  • the graphite or expanded graphite pigments may have a diameter of from about 10 microns ( ⁇ m) to about 100 ⁇ m, and more particularly of about 20 microns to about 60 microns.
  • the graphite pigments are thus significantly larger than available acetylene black particles.
  • the graphite or expanded graphite pigments may have an electrical conductivity of from about 500 S / cm to about 5,000 S / cm, more preferably about 1,000 S / cm.
  • the graphite pigments thus have a much higher electrical conductivity compared with (acetylene) soot, which makes their use desirable despite the significantly larger pigment diameter and even necessary for very high conductivities of the electrically conductive material.
  • the proportion of the carrier material in the electrically conductive material according to the invention can be more than 40% by weight, and is preferably more than 70% by weight. This means that the proportion of conductive pigments can be less than 30% by weight, so that the mechanical properties of the electrically conductive material according to the invention are impaired as little as possible while at the same time having a high conductivity.
  • the carrier material may be polyurethane, polyacrylate, polycarbonate or mixtures thereof.
  • the carrier material can in principle consist of any desired plastic, adhesive or any other suitable material which in itself has poor or no electrical conductivity.
  • the only requirement of the carrier material is that electrically conductive pigments must be dispersible in the carrier material.
  • the selected carrier material should not undergo chemical and / or physical reactions with the electrically conductive pigments.
  • the electrically conductive material according to the invention has a carrier material made of a plastic or of a binder which can be produced from a rapidly curing preparation.
  • This particularly relates to embodiments of the invention in which the electrically conductive pigments have fibrous pigments and / or carbon nanotubes. It has been found by the inventor that in carrier systems with a long curing time (eg polyurethane) the achievable conductivities are significantly lower than those in carrier systems with a very short curing time to be watched. This degradation in electrical conductivity is attributed to an interaction of the elongated / fibrous pigments with the carbon black and / or graphite pigments in the uncured mixture.
  • a fast-curing carrier system allows the elongated / fibrous electrically conductive pigments to be "frozen” without agglomeration, so that they fulfill their task of electrical Bridging can meet without loss.
  • fast-curing preparations are formed from two or more components.
  • these are so-called two-component systems.
  • the curing time of the preparation for a carrier material for the electrically conductive material according to the invention should preferably be less than 10 minutes, and in particular less than 5 minutes. Especially at curing times below 5 minutes, significantly improved conductivities of the produced electrically conductive material are found. This is attributed by the inventor to the fact that the undesired interactions of the elongated / fibrous pigments with the other pigments are reduced to a minimum period of time.
  • Fast curing plastic or binder formulations which have a cure time of from about 2 seconds to about 90 seconds. Such preparations can be used as starting systems for the carrier material within the invention.
  • the carrier material of the electrically conductive material according to the invention consists of an elastomer.
  • An elastomer can best absorb the stiffening of the resulting electrically conductive material caused by the addition of electrically conductive pigments and still provide satisfactory mechanical properties even with higher pigment addition.
  • the carrier material of the electrically conductive material consists of an elastomer having an elongation at break of about 800% to about 1400%. In particular, an elongation at break of approximately 1200% is desired.
  • the carrier material comprises polyurea.
  • Polyureas combine short reaction times with excellent mechanical properties. Be also have a very high temperature resistance. Polyurea elastomers can constantly be exposed to temperatures of 18O 0 C, in the short term even 240 0 C, without any impairment of the properties is observed. Thus, these materials are best suited as a carrier material for high temperature applications (eg industrial heating elements).
  • the formation of polyureas in contrast to polyurethane formation, proceeds without the presence of catalysts. Thus, interactions of catalysts with the electrically conductive pigments are excluded because no catalysts must be used. Special polyurea systems also have elongations at break of 1200%, allowing them to provide an elastic, electrically conductive material even at high fill levels. Furthermore, polyurea systems can be processed as a solvent-free system, thereby eliminating a burden on the environment and additional costs through the use or disposal of solvents.
  • the polyurea which can be used for the support material of the electrically conductive material according to the invention can be obtained by reaction of a two-component system.
  • the first component consists of isocyanate prepolymers.
  • these may be aliphatic isocyanates (for example hexane diisocyanate (HDI), isophorone diisocyanate (IPDI) or mixtures thereof).
  • aromatic isocyanates are also usable as prepolymers. These may be mixtures of 4,4'-MDI or 2,4'-MDI isocyanates.
  • the typical content of free isocyanate groups is 13-16%.
  • the second component is usually amine resins based on aminated polyethers or pure oligoamines with average Molecular masses from 2000 to 5000 (bi- or trifunctional). Monoamines can also be used.
  • electrical conductivities of about 0.1 S / cm to about 200 S / cm and in particular from about 10 S / cm to about 100 S / cm can be achieved.
  • a suitable carrier system in particular with polyurea, makes it possible to realize conductivities which are at least one and up to two orders of magnitude above the previously known values.
  • the abovementioned conductivities are realized by the electrically conductive pigments having both carbon macromolecules (CNT) and acetylene black particles and expanded graphite.
  • the precise achievable electrical conductivity will vary depending on the percentages of the three different conductive additives, and in particular on the percentages of added carbon black and graphite pigments.
  • the mechanical properties of the carrier material are hardly affected by the flexible CNT network and the overall reduced addition of electrically conductive pigments.
  • a method for producing an electrically conductive material with the features of claim 33. Thereafter, a method for producing an electrically conductive material of the type mentioned is characterized in that electrically conductive pigments are provided with a wide size distribution and / or with a different shape.
  • the electrically conductive pigments have elongated and / or fibrous pigments, for example carbon nanotubes (CNTs).
  • CNTs carbon nanotubes
  • the material consisting of plastic or binder Carrier material is produced from a fast-curing preparation.
  • the preparation of the carrier material from a fast-curing formulation prevents agglomeration of elongated, electrically conductive pigments with globular pigments of similar diameter. These may be, in particular, soot particles.
  • the use of a fast-curing formulation for the carrier material prevents long-stretched pigments and soot particles from accumulating due to the occurrence of van der Waals forces. This can lead to the formation of agglomerates or to the entanglement of the elongated pigments. An electrical bridging would be prevented.
  • the preparation for the carrier material is formed from two or more components. As already stated, a two-component system is preferred.
  • a portion of the electrically conductive pigments, in particular fibrous pigments and / or carbon nanotubes (CNT), dispersed in a first component of the preparation i. before combining the components of the preparation.
  • the electrically conductive pigments in particular fibrous pigments and / or carbon nanotubes (CNT)
  • CNT carbon nanotubes
  • any remaining fraction of the electrically conductive pigments namely in particular carbon black and / or graphite, is dispersed in a second component of the preparation. This means that different fractions of the electrically conductive pigments, which could possibly interact in adversely affecting the resulting electrical conductivity, can not already come into contact during the dispersion.
  • the aim is that the preparation for the carrier material is cured in a particularly short time. This will - even after merging different fractions of the electrically conductive pigments - adverse mutual interference of the particles, in particular agglomerates, prevents.
  • the preparation is cured in such a short time that neither agglomerates nor the elongated pigments can be destroyed.
  • the support material is preferably cured in a time of less than 10 minutes and more preferably less than five minutes. Curing times of less than 90 seconds are particularly optimal.
  • an elastomer is produced and / or provided as carrier material.
  • a method is preferred in which a polyurea is produced and / or provided as a carrier material.
  • inventive electrically conductive material is made to the statements regarding the inventive electrically conductive material.
  • a process is proposed in which the polyurea is prepared from a preparation of two components, in particular an isocyanate-containing prepolymer and an amine component, in particular a mono- or oligoamine.
  • a polyurea is produced / provided as carrier material and this is formed from the latter components, a development of the method according to the invention is now particularly preferred in which before forming the preparation (the curing reaction forms the polyurea), a part of the electrically conductive pigments, in particular fibrous pigments and / or carbon nanotubes (CNT) are dispersed in the isocyanate-containing prepolymer.
  • the elongated / fibrous pigments can be dispersed in a particularly gentle manner, namely without breakage of the elongate pigments or entanglement of the same occurring.
  • the elongated, electrically conductive pigments in the subsequent carrier material (polyurea) can effect the electrical bridging without sacrificing quality.
  • the elongated, electrically conductive pigments can be dispersed, for example, under the action of ultrasound.
  • elongated / fibrous pigments, especially carbon fibers or CNT can be maintained dispersed in solvents and are gently dispersed in the prepolymer in this form. The solvent can be removed in a next step by slow stirring in vacuo.
  • a further embodiment provides that prior to forming the preparation (the hardening reaction of which forms the carrier material (polyurea)) a part of the electrically conductive pigments, in particular carbon black and / or graphite, in the amine. component are dispersed.
  • These electroconductive pigments can be dispersed at a high stirring speed and / or high shear forces (for example, with a planetary mixer or a dissolver), since these pigments show no disintegration and / or agglomeration under high agitation / shear stress.
  • the carbon black particles are dispersed separately from the elongated / fibrous pigments in the carrier material, namely in that they are introduced into a second component of the carrier material.
  • a rapid curing reaction preferably takes place, so that a "freezing effect" takes place, thereby preventing agglomeration and / or entanglement of elongated or fibrous pigments.
  • the aforementioned developments of the method according to the invention is not limited to a preparation of two components, which forms polyurea as a carrier material. It is quite generally preferred to form the carrier material from at least two components by means of a rapid curing reaction. It is preferred to disperse a portion of the electrically conductive pigments in a first component and a second portion of the electrically conductive pigments in a second component, before these components are mixed together to form the carrier material.
  • the components of the carrier material and the electrically conductive pigments contained in the respective components are mixed prior to curing in a hand-held cartridge and applied as casting elastomer.
  • the components of the carrier material can thereby be gently mixed together and applied to a desired shape, whereupon a rapid curing reaction preferably takes place.

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Abstract

Ein elektrisch leitfähiges Material, umfassend ein Trägermaterial, insbesondere einen Kunststoff oder ein Bindemittel, und im Trägermaterial verteilte elektrisch leitfähige Pigmente, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig geringer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Materials zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente eine breite Größenverteilung und/oder unterschiedliche Formen aufweisen. Des Weiteren ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials angegeben.

Description

ELEKTRISCH LEITFÄHIGES MATERIAL UND EIN VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES ELEKTRISCH LEITFÄHIGEN MATERIALS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch leitfähiges Material, umfassend ein Trägermaterial, insbesondere einen Kunststoff oder ein Bindemittel, und im Trägermaterial verteilte elektrisch leitfähige Pigmente.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen und/oder Bereitstellen eines Trägermaterials, insbesondere eines Kunststoffs oder eines Bindemittels, oder Bereitstellen der Komponenten eines Trägermaterials, Bereitstellen von elektrisch leitfähigen Pigmenten, Verteilung der elektrisch leitfähigen Pigmente im Trägermaterial und ggf. Zusammenführen der Komponenten des Trägermaterials, Ausbringen des Trägermaterials in eine gewünschte Form und Aushärten des Trägermaterials.
Elektrisch leitfähige Materialien der eingangs genannten Art sind bereits seit mehreren Jahrzehnten aus der Praxis bekannt. Solche Materialien werden hergestellt, um innerhalb von Werkstoffen, welche an sich keine oder nur sehr schlechte elektrische Leiter darstellen, eine elektrische Leitfähigkeit zu ermöglichen.
Dazu werden im Allgemeinen innerhalb des nicht oder nur sehr schlecht leitenden Trägermaterials, insbesondere in Kunststoffen oder in Bindemitteln, elektrisch leitfähige Pigmente verteilt. Durch Brückenbildung der elektrisch leitfähigen Pigmente untereinander wird innerhalb des an sich nicht elektrisch leitfähigen Werkstoffs eine elektrische Leitung ermöglicht.
Mit anderen Worten ist das Hauptmerkmal solcher gefüllter Systeme die Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Netzwerks der zugesetzten elektrisch leitfähigen Pigmente ab einer bestimmten kritischen Füllstoff konzentration. Diese kritische Füllstoffkonzentration entspricht der Konzentration, ab der eine Mindestanzahl der elektrisch leitfähigen Pigmente innerhalb des Trägermaterials miteinander in unmittelbarem Kontakt stehen. Diese kritische Füllstoffkonzentration ist als sog. Perkolations- schwelle bekannt.
Bei der leitfähigen Modifizierung von Kunststoffen und Bindemittelsystemen (bspw. Polyurethan, Polyacrylate, Polycarbonate, usw.) werden an die verwendeten leitfähigen Pigmente verschiedene Anforderungen gestellt. Zunächst sollen die verwendeten elektrisch leitfähigen Pigmente eine möglichst hohe Eigenleitfähigkeit aufweisen. Dadurch kann eine möglichst verlustarme elektrische Leitung innerhalb des Netzwerks im Trägermaterial erreicht werden.
Des Weiteren sollen die elektrisch leitfähigen Pigmente ein möglichst großes Volumen innerhalb des Trägermaterials einnehmen. Dadurch wird erreicht, dass eine Mindestanzahl von elektrisch leitfähigen Pigmenten miteinander in Kontakt stehen, wodurch erst die Herstellung eines elektrisch leitfähigen Netzwerks innerhalb des Trägematerials ermöglicht ist. Nehmen die elektrisch leitfähigen Pigmente ein besonders großes Volumen innerhalb des Trägermaterials ein, wird ein besonders großer „Leitungsquerschnitt" bereitgestellt, so dass eine möglichst verlustarme elektrische Leitung ermöglicht ist.
Weiterhin sollen die verwendeten elektrisch leitfähigen Pigmente keine unerwünschten chemischen oder physikalischen Reaktionen mit dem verwendeten Trägermaterial eingehen. Darüber hinaus ist im Allgemeinen eine nachteilige Modifikation der Werkstoffeigenschaften des Trägermaterials durch die elektrisch leitfähigen Pigmente nicht erwünscht. Dies bedeutet insbesondere, dass durch die Zugabe der elektrisch leitfähigen Pigmente zum Trägermaterial keine verminderte Flexibilität und keine erhöhte Bruchanfälligkeit des entstehenden Materials einhergehen soll.
Neben der Verringerung der Flexibilität und der Zähigkeit des entstehenden Materials sind die Beeinträchtigung der thermischen Stabilität sowie Störungen von Aus- härtungs- und Vemetzungsreaktionen weitere nachteilige Modifikationen.
Um elektrisch leitfähige Materialien der in Rede stehenden Art herzustellen, ist aus dem Stand der Technik einerseits bekannt, nicht oder nur schlecht elektrisch leitenden Trägermaterialien metallische Pigmente zuzusetzen. Die meisten Metalle weisen bekanntlich eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit auf. So liegt der spezifische Widerstand bei etwa 10"4 bis 10"6 Ohm x cm. Allerdings beanspruchen Metalle bzw. Metalloxide - bezogen auf die Menge der Zugabe zum Trägermaterial - ein relativ kleines Volumen innerhalb des Trägermaterials. Dadurch ist die Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Netzwerks der zugegebenen Pigmente erschwert.
Dadurch muss aufgrund der hohen spezifischen Masse eine große Masse von metallbasierten Pigmenten zugegeben werden, um die volumenbezogene Perkolati- onsschwelle zu erreichen. Deshalb sind die mechanischen Eigenschaften bei elektrisch leitfähigen Materialien mit elektrisch leitfähigen Pigmenten aus Metallen bzw. Metalloxiden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, üblicherweise in nachteiliger Weise verändert. Des Weiteren können unerwünschte chemische bzw. physikalische Reaktionen der verwendeten Metalle bzw. Metalloxide mit dem Trägermaterial nicht ausgeschlossen werden.
Auch die Zugabe von Graphit, der einen spezifischen Widerstand von ca. 10"3 Ohm x cm aufweist, muss in einer entsprechend großen Menge erfolgen, damit sich überhaupt ein elektrisch leitfähiges Netzwerk der zugesetzten Pigmente ausbildet. Mit anderen Worten muss Graphit in einer großen Masse zugegeben werden, um überhaupt die volumenbezogene Perkolationsschwelle zu erreichen.
Des Weiteren ist die elektrische Leitfähigkeit von Graphit verglichen mit Metallen bzw. Metalloxiden deutlich verringert, so dass insgesamt ein elektrisch leitfähiges Netzwerk mit geringerer Leitfähigkeit bereitgestellt wird. Durch die hochdosierte Zugabe des Graphits sind darüber hinaus die vorgenannten verschlechterten mechanischen Eigenschaften des entstehenden Materials zu berücksichtigen.
Wird dem Trägermaterial Ruß, bspw. sog. Hochleitfähigkeitsruß oder sog. Leitfähigkeitsruß zugegeben, wird bereits bei einer geringeren mengenmäßigen Zugabe die Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Netzwerks erreicht. Allerdings weist Ruß einen relativ hohen spezifischen Widerstand von ca. 0,05 Ohm x cm auf, wodurch das entstehende elektrisch leitfähige Netzwerk dem zu leitenden elektrischen Strom einen hohen Widerstand entgegensetzt. Folglich weisen die bekannten elektrisch leitfähigen Materialien mit Leitfähigkeitsrußen als Zusatzstoff aufgrund der ver- gleichsweise schlechten Eigenleitfähigkeit des Rußes einen Widerstand von üblicherweise 10 bis 100 Ohm x cm auf. Diese Leitfähigkeit reicht für viele Anwendungsgebiete, z.B. in der Elektro- und Elektronikindustrie (z.B. für EMI-Shielding), nicht aus, obwohl der Einsatz von Leitfähigkeitsruß gerade in diesem Industriezweig besonders wünschenswert erscheint, da er sich gegenüber Kunststoffen völlig inert verhält.
Die aus dem Stand der Technik bekannten elektrisch leitfähigen Materialien der in Rede stehenden Art enthalten zumeist eine der vorgenannten Pigmentarten, nämlich ein Metall bzw. ein Metalloxid, Graphit oder Ruß. Die Pigmente liegen üblicherweise in gemahlener Form, d.h. in Pulverform vor und werden dem Trägermaterial zugegeben. Demnach weisen die Pigmente im Großen und Ganzen eine sphärische bzw. globulare Gestalt auf.
Mathematische Modellierungen zur Ausbildung leitfähiger Netzwerke bzw. Strukturen in gefüllten Trägermaterialien zeigen, dass für dreidimensionale Systeme mit statistisch verteilten, oben genannten pulverförmigen Pigmenten je nach Packungsdichte die Perkolationsschwelle bei etwa 20 bis etwa 33 VoI .-% liegt. Zum Erreichen dieser hohen volumenbezogenen Perkolationsschwelle ist die Zugabe einer verhältnismäßig großen Menge von elektrisch leitfähigen Pigmenten notwendig.
Demnach muss - wie bereits vorstehend erläutert - abhängig von der spezifischen Masse der zugesetzten Pigmente eine verhältnismäßig große Masse von elektrisch leitfähigen Pigmenten zugegeben werden.
Durch die große Masse zugegebener elektrisch leitfähiger Pigmente zum Trägermaterial werden die mechanischen Eigenschaften des Trägermaterials jedoch in vorbezeichneter Weise nachteilig modifiziert. Des Weiteren können unerwünschte physikalische und/oder chemische Reaktionen der elektrisch leitfähigen Pigmente mit dem Trägermaterial stattfinden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitfähiges Material sowie ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig geringer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Materials erreicht ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich eines elektrisch leitfähigen Materials mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das elektrisch leitfähige Material dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente eine breite Größenverteilung und/oder unterschiedliche Formen aufweisen.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass die Ausbildung elektrisch leitfähiger Pfade dadurch stark begünstigt wird, dass innerhalb des Trägermaterials elektrisch leitfähige Pigmente stark variierender Größe und/oder Form vorhanden sind. Dabei dienen besonders große und/oder lang gestreckte Pigmente als Brückenbildner für die elektrische Kontaktierung der kleineren Pigmente, die ihrerseits eine elektrische Leitung im Nahbereich innerhalb des Trägermaterials sicherstellen.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass durch eine Korrelation der Pigmentteilchen untereinander, also eine bevorzugte Kettenbildung der Pigmentteilchen, die Ausbildung elektrisch leitfähiger Pfade begünstigt und damit die Perkolationsschwelle erniedrigt werden kann.
Werden lediglich feingemahlene Pigmente in Pulverform verwendet, die jeweils einen annähernd kugelförmigen Aufbau und einen annähernd identischen Korndurchmesser aufweisen, müssen innerhalb des Trägermaterials sehr viele Pigmente vorhanden sein, um überhaupt einen elektrisch leitfähigen Pfad bereitstellen zu können.
Liegen jedoch innerhalb des Trägermaterials zumindest einige besonders große und/oder lang gestreckte Pigmente vor, reichen diese aus, um die kleineren Pigmente elektrisch zu kontaktieren, wodurch die „Überfüllung" mit lediglich kleinen und gleichförmigen Pigmenten unnötig wird. Die Perkolationsschwelle wird stark herabgesetzt.
Es ist demnach erfindungsgemäß ermöglicht, dass dieselbe elektrische Leitfähigkeit der aus dem Stand der Technik bekannten elektrisch leitfähigen Materialien bereits mit einer stark reduzierten Pigmentzugabe erreicht werden kann. Alternativ kann mit einer gleich bleibenden Pigmentzugabe eine stark erhöhte elektrische Leitfähigkeit bereitgestellt werden. Diese Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit bei gleich bleibender Pigmentzugabe kann den Umfang von ein bis zwei Größenordnungen annehmen.
Des Weiteren ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass die mechanischen Eigenschaften des Trägermaterials, insbesondere in Bezug auf die Dehnfähigkeit und die Flexibilität, durch eine verringerte Zugabe von elektrisch leitfähigen Pigmenten lediglich minimal beeinträchtigt werden.
Schließlich ist erkannt worden, dass das Auftreten von unerwünschten physikalischen und/oder chemischen Reaktionen zwischen den elektrisch leitfähigen Pigmenten und dem Trägermaterial durch die verminderte Zugabe der elektrisch leitfähigen Pigmente minimiert werden kann.
Folglich ist ein elektrisch leitfähiges Material angegeben, bei dem ein eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig geringer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Materials erreicht ist.
In bevorzugter Weise liegen die elektrisch leitfähigen Pigmente fein dispergiert, d.h. statistisch verteilt innerhalb des Trägermaterials vor. Durch die statistische Verteilung der elektrisch leitfähigen Pigmente wird am ehesten die Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Netzwerks begünstigt. Die Verteilung der Pigmente bezeichnet hierbei die Positionierung der Pigmente innerhalb des Trägermaterials, nicht jedoch deren Ausrichtung bezogen auf eine Raumrichtung.
In einer ganz besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die elektrisch leitfähigen Pigmente lang gestreckte und/oder faserartige Pigmente auf. Beispielsweise können die Pigmente Carbonfasern aufweisen. Diese Carbonfasern können aus Vapour Grown Carbon Fibres (VGCF) bestehen. Langgestreckte oder faserartige Pigmente beanspruchen ein geringes Volumen innerhalb des Trägermaterials, können jedoch gleichzeitig weite Bereiche des Trägermaterials elektrisch leitend überbrücken. Die lang gestreckten bzw. faserartigen Pigmente dienen zur elektrischen Kontaktierung der kleineren bzw. sphärischen Pigmente. Auf diese Weise kann auf eine besonders hohe Konzentration von lediglich kleinen/sphärischen Pigmenten verzichtet werden, die ansonsten nötig wäre, um überhaupt eine elektrische Kontaktierung der kleinen Pigmente zu ermöglichen.
In bevorzugter Weise weisen die lang gestreckten und/oder faserartigen Pigmente ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser von mindestens 100 auf. Dadurch wird erreicht, dass die lang gestreckten bzw. faserartigen Pigmente ein kleines Volumen innerhalb des Trägermaterials einnehmen, aber dennoch eine weitreichende elektrische Kontaktierung bzw. ein weitreichendes elektrisch leitfähiges Netzwerk ausbilden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die lang gestreckten und/oder faserartigen Pigmente zumindest im Wesentlichen entlang der Richtung des zu leitenden elektrischen Stroms ausgerichtet. Die lang gestreckten und/oder faserartigen Pigmente bilden in dieser Ausführungsform der Erfindung ein besonders effektives Netzwerk, wobei eine nutzlose Überfüllung des Trägermaterials mit elektrisch leitfähigen Pigmenten wirksam vermieden ist. Gleichzeitig wird durch die lang gestreckten und/oder faserartigen Pigmente ein Netzwerk gebildet, durch das die ggf. vorhandenen kleinen/sphärischen Pigmente elektrisch kontaktiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrisch leitfähigen Pigmente kohlenstoffbasiert. Kohlenstoffbasierte elektrisch leitfähige Pigmente nehmen im Allgemeinen innerhalb des Trägermaterials ein größeres Volumen ein, wodurch die Perkolationsschwelle rascher erreicht wird. Gleichzeitig sind durch kohlenstoffbasierte elektrisch leitfähige Pigmente keine unerwünschten chemischen und/oder physikalischen Reaktionen mit dem Trägermaterial zu erwarten, was bei der Verwendung von Metallen bzw. Metalloxiden häufig der Fall ist. Außerdem ist die - meist unerwünschte - Modifikation der mechanischen Eigenschaften des Trägermaterials bei kohlenstoffbasierten elektrisch leitfähigen Pigmenten geringer ausgeprägt als bei Metallen bzw. Metalloxiden. Deswegen ist die Verwendung von kohlenstoff basierten elektrisch leitfähigen Pigmenten insbesondere in der Elektro- und Elektronikindustrie anzustreben. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die elektrisch leitfähigen Pigmente Kohlenstoff-Makromoleküle auf, die als sog. Fullerene bekannt sind. Bei Fullerenen ist - vergleichbar zu Metallen - aufgrund der Molekularstruktur je ein freies Elektron pro Kohlenstoffatom vorhanden. Dadurch wird für Fullerene eine elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung von metallischen Leitfähigkeiten beobachtet, obwohl es sich um ein Kohlenstoff-Makromolekül handelt. Die Leitfähigkeit von Fullerenen kann sogar bis zu fünfmal höher als die Leitfähigkeit von Kupfer sein. Demzufolge sind Fullerene ganz besonders zur Verwendung als elektrisch leitfähige Pigmente geeignet, insbesondere wenn ein kohlenstoffbasiertes Pigment mit gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden soll.
Im Allgemeinen weisen Fullerene eine pentagonale oder hexagonale Anordnung der Kohlenstoffatome auf. Dabei besitzt jedes Kohlenstoffatom drei weitere Kohlenstoff- Bindungspartner.
In einer favorisierten Ausführungsform der Erfindung weisen die Fullerene sog. Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nano Tubes, CNT) auf. CNT bestehen aus reinem Kohlenstoff. Sie gehören zur Gruppe der Fullerene und sind perfekte, hohlförmige Moleküle. Die Kohlenstoffatome sind in einem hexagonalen Netzwerk verbunden, welches einen Hohlzylinder bildet. Die gebildeten Röhren sind nahtlos mit offenen oder verschlossenen Enden. Die bekannten Kohlenstoff-Nanoröhren sind bis zu 20% dehnbar, sehr biegefähig und äußerst knickfest. Sie sind diesbezüglich herkömmlichen Carbonfasern bei Weitem überlegen. CNT weisen eine bis zu fünffache elektrische Leitfähigkeit von Kupfer auf. Die in der Erfindung verwendeten CNT können Single Wall Nano Tubes (LWNT) oder Multi Wall Nano Tubes (MWNT) aufweisen.
In bevorzugter Weise weisen die CNT einen Durchmesser von ungefähr 1 Nano- meter (nm) bis ungefähr 20 nm auf. Die verwendeten CNT weisen damit einen um mehrere Größenordnungen geringeren Durchmesser auf als vergleichbare Carbonfasern. Bei in Frage kommenden Carbonfasern wird üblicherweise ein Durchmesser von 15 bis 20 μm gemessen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) können ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser von ungefähr 100 bis ungefähr 10.000 aufweisen. In der Erfindung werden Kohlenstoff-Nanoröhren bevorzugt, welche ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser von ungefähr 1.000 aufweisen. Bedingt durch den sehr kleinen Durchmesser der CNT kann demnach ein besonders großes Verhältnis der Länge zum Durchmesser erreicht werden, ohne dass die CNT eine unerwünscht große Länge annehmen. Bei Carbonfasern hingegen ist bei einem mindestens anzustrebenden Verhältnis der Länge zum Durchmesser von etwa 100 - bedingt durch den großen Durchmesser der Fasern - bereits eine unerwünscht hohe Länge der Fasern erreicht. Darüber hinaus bewirken die relativ steifen Carbonfasern eine starke Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des gefüllten Polymers, insbesondere in Bezug auf die Dehnbarkeit, die Elastizität und die Flexibilität. Diese Beeinträchtigung wird durch den Einsatz der äußerst dehnfähigen und flexiblen CNT wirksam vermieden.
Der Anteil der Kohlenstoff-Nanoröhren an dem elektrisch leitfähigen Material kann ungefähr 0,5 Massenprozent (Ma.-%) bis ungefähr 10 Ma.-% betragen, und kann insbesondere ungefähr 1 Ma.-% bis ungefähr 5 Ma.-% betragen. Es ist festgestellt worden, dass bereits bei einer Zugabe von 1 Ma.-% von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) die Perkolationsschwelle in einem Polymersystem, z.B. in Polyurethan, erreicht wird. Die Leitfähigkeit des Trägermaterials steigt dabei sofort um mehrere Zehnerpotenzen. Bei einer weiteren Zugabe von CNT wird eine typische S-förmige Perkolationskurve beobachtet. Das bedeutet, dass nach Erreichen der Perkolationsschwelle die Leitfähigkeit des Systems bei weiterer, geringer Zugabe von CNT rapide ansteigt, bis eine verlangsamte Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit mit steigender Pigmentkonzentration beobachtet wird. Diese verlangsamte Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit wird bei alleine mit CNT gefüllten Trägersystemen bei einem Füllgrad von etwa 10% beobachtet. Bei diesem Füllgrad erreichen mit CNT gefüllte Kunststoffe Leitfähigkeiten von 0,1 bis 0,5 S/cm. Eine weitere Erhöhung der Zugabe von CNT resultiert in einer verlangsamten Abnahme des spezifischen elektrischen Widerstands des Trägermaterials. Eine weitere Erhöhung der CNT-Kon- zentration ist grundsätzlich möglich, kann jedoch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nachteilig erscheinen. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen die Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) innerhalb des Trägermaterials mit ungefähr 100 Nanometern (nm) bis ungefähr 1.000 nm voneinander beabstandet vor. Die Kohlenstoff-Nanoröhren weisen hierdurch eine optimale Beabstandung voneinander auf, um ggf. vorhandene kleinere und/oder kugelförmig ausgebildete elektrisch leitfähige Pigmente zu kontaktieren und so ein leistungsfähiges Netzwerk zu bilden. Des Weiteren ist durch den bevorzugten Abstand der CNT voneinander sichergestellt, dass keine unakzeptable nachteilige Modifikation der mechanischen Eigenschaften des Trägermaterials durch die CNT zu befürchten ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die elektrisch leitfähigen Pigmente Ruß, insbesondere Acetylenruß, auf. Die elektrisch leitfähigen Pigmente aus Ruß können als einzig vorhandene elektrisch leitfähige Pigmente vorliegen, oder sie können in Verbindung mit elektrisch leitfähigen Pigmenten aus Kohlenstoff- Makromolekülen, insbesondere CNT, vorliegen. Der Anteil des Rußes am elektrisch leitfähigen Material kann ungefähr 10 Gewichts-% bis ungefähr 50 Gew.-% betragen.
In der Erfindung wird allerdings eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der elektrisch leitfähige Pigmente aus Kohlenstoff-Makromolekülen und elektrisch leitfähige Pigmente aus Ruß nebeneinander vorliegen. Durch die Zugabe von Rußpigmenten zu dem Trägermaterial mit bereits enthaltenen CNT wird eine weitere signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit erreicht. Aufgrund der unterschiedlichen Größenverteilung der Teilchen wird das gebildete CNT-Netzwerk mit leitfähigen Teilchen derart ausgefüllt, dass schon bei geringer Zugabe pulverförmiger Teilchen die Leitfähigkeit weiter ansteigt. Dabei ist zu beachten, dass nun nicht mehr die Voraussetzung zu erfüllen ist, dass sich die pulverförmigen Teilchen selbst untereinander berühren müssen, um Leitfähigkeitspfade zu generieren. Die Teilchen werden vielmehr - auch bei nicht gegenseitiger Berührung - über das leitende CNT-Netzwerk kontaktiert.
Bedingt durch das bereits im Trägermaterial vorhandene leitfähige CNT-Netzwerk führt daher jede weitere, auch geringe Zugabe von leitfähigen (pulverförmi- gen/kugelförmigen) Teilchen zu einer signifikanten Erhöhung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Trägermaterials. Überflüssige leitfähige Teilchen, welche nicht zur Leitfähigkeitssteigerung beitragen, sind bei dieser Kombination von netz- werkbildenden CNT und kleinen, pulverförmigen/kugelförmigen Teilchen nicht mehr vorhanden, da praktisch alle vorhandenen, elektrisch leitfähigen Pigmente durch das elektrisch leitfähige Netzwerk aus CNT kontaktiert werden.
Es wird die Zugabe von Rußpigmenten bevorzugt, die einen Durchmesser von ungefähr 10 Nanometer (nm) bis ungefähr 100 nm, und insbesondere von ungefähr 30 nm bis ungefähr 60 nm, aufweisen. Die zugesetzten Rußpigmente weisen damit einen optimalen Durchmesser auf, um innerhalb des CNT-Netzwerks angeordnet und durch das CNT-Netzwerk kontaktiert zu werden.
Die Rußpigmente können - für sich gesehen - eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 10 Siemens/cm (S/cm) bis ungefähr 40 S/cm, und insbesondere von ungefähr 25 S/cm, aufweisen. Diese Werte geben den üblicherweise für Acetylenruß beobachteten Leitfähigkeitsbereich wieder.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die elektrisch leitfähigen Pigmente Graphit, insbesondere expandierten Graphit, auf. Die elektrisch leitfähigen Pigmente können demnach lediglich aus Graphit bestehen. Alternativ können die elektrisch leitfähigen Pigmente eine Mischung aus Graphit und Kohlenstoff-Makromolekülen, insbesondere CNT, aufweisen. Diese Mischung kann darüber hinaus noch Rußpigmente aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch bevorzugt, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente zumindest eine Mischung von Kohlenstoff- Makromolekülen (CNT) und Graphitpigmenten aufweisen. Die Graphitpigmente werden dabei auf die bereits für die Rußpigmente beschriebene Art und Weise innerhalb des elektrisch leitfähigen Netzwerks aus Kohlenstoff-Makromolekülen eingelagert und durch dieses elektrisch leitend kontaktiert. Dadurch ergibt sich selbst bei einer sehr geringen Zugabe von Graphitpigmenten zu dem Trägersystem mit Kohlenstoff-Makromolekülen (CNT) bereits eine signifikante Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Trägermaterials. Der Anteil des expandierten Graphits an dem elektrisch leitfähigen Material kann ungefähr 10 Gewichts-% bis ungefähr 40 Gew.-% betragen.
Die Pigmente aus Graphit bzw. aus expandiertem Graphit können einen Durchmesser von ungefähr 10 Mikrometern (μm) bis ungefähr 100 μm, und insbesondere von ungefähr 20 μm bis ungefähr 60 μm aufweisen. Die Graphitpigmente sind damit deutlich größer als verfügbare Acetylenruß-Teilchen.
Die Pigmente aus Graphit bzw. aus expandiertem Graphit können eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 500 S/cm bis ungefähr 5.000 S/cm, insbesondere von ungefähr 1.000 S/cm, aufweisen. Die Graphitpigmente weisen damit eine vielfach höhere elektrische Leitfähigkeit verglichen mit (Acetylen-)Ruß auf, was deren Verwendung trotz des deutlich größeren Pigmentdurchmessers wünschenswert und für sehr hohe Leitfähigkeiten des elektrisch leitfähigen Materials sogar notwendig macht.
Der Anteil des Trägermaterials an dem erfindungsgemäßen, elektrisch leitfähigen Material kann über 40 Gew.-% betragen, und beträgt in bevorzugter Weise über 70 Gew.-%. Dies bedeutet, dass der Anteil von leitfähigen Pigmenten unter 30 Gew.-% liegen kann, so dass die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Materials bei gleichzeitig hoher Leitfähigkeit möglichst wenig beeinträchtigt werden.
Das Trägermaterial kann Polyurethan, Polyacrylat, Polycarbonat oder Mischungen hiervon ausweisen. Das Trägermaterial kann prinzipiell aus jedem beliebigen Kunststoff, Klebstoff oder jedem anderen geeigneten Material bestehen, welches für sich gesehen eine schlechte oder keine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die einzige Anforderung an das Trägermaterial besteht darin, dass elektrisch leitfähige Pigmente im Trägermaterial dispergierbar sein müssen. Des Weiteren sollte das ausgewählte Trägermaterial keine chemischen und/oder physikalischen Reaktionen mit den elektrisch leitfähigen Pigmenten eingehen.
In besonders bevorzugter Weise weist das erfindungsgemäße, elektrisch leitfähige Material jedoch ein Trägermaterial aus einem Kunststoff oder aus einem Bindemittel auf, das aus einer schnell aushärtenden Zubereitung herstellbar ist. Dies betrifft insbesondere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die elektrisch leitfähigen Pigmente faserartige Pigmente und/oder Kohlenstoffnanoröhren aufweisen. Es ist vom Erfinder festgestellt worden, dass bei Trägersystemen mit einer langen Aushärtezeit (bspw. Polyurethan) die erreichbaren Leitfähigkeiten deutlich unter denjenigen liegen, die bei Trägersystemen mit einer sehr kurzen Aushärtezeit beobachtet werden. Diese Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit wird auf eine Wechselwirkung der lang gestreckten/faserartigen Pigmente mit den Ruß- und/oder Graphitpigmenten in der noch nicht ausgehärteten Mischung zurückgeführt. Diese Wechselwirkung führt zu einer starken „Verknäuelung" und damit zur weitestgehenden Inaktivierung der lang gestreckten/faserartigen Pigmente. Durch ein schnell aushärtendes Trägersystem können insbesondere die lang gestreckten/faserartigen elektrisch leitfähigen Pigmente ohne Agglomeratbildung „eingefroren" werden, so dass sie ihre Aufgabe der elektrischen Brückenbildung ohne Einbußen erfüllen können.
Üblicher Weise werden solche schnell aushärtenden Zubereitungen aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet. Insbesondere handelt es sich hierbei um so genannte Zweikomponentensysteme.
Es ist weiterhin festgestellt worden, dass die Aushärtezeit der Zubereitung für ein Trägermaterial für das erfindungsgemäße, elektrisch leitfähige Material bevorzugt unter 10 Minuten, und insbesondere unter 5 Minuten liegen sollte. Vor allem bei Aushärtezeiten unterhalb von 5 Minuten werden deutlich verbesserte Leitfähigkeiten des hergestellten elektrisch leitfähigen Materials festgestellt. Dies wird vom Erfinder darauf zurückgeführt, dass die unerwünschten Wechselwirkungen der lang gestreckten/faserartigen Pigmente mit den übrigen Pigmenten auf einen minimalen Zeitraum reduziert werden.
Es sind schnell aushärtende Kunststoff- bzw. Bindemittelzubereitungen bekannt, die eine Aushärtezeit von ungefähr 2 Sekunden bis ungefähr 90 Sekunden aufweisen. Solche Zubereitungen können als Ausgangssysteme für das Trägermaterial innerhalb der Erfindung eingesetzt werden.
In bevorzugter Weise besteht das Trägermaterial des erfindungsgemäßen, elektrisch leitfähigen Materials aus einem Elastomer. Ein Elastomer kann am besten die durch die Zugabe von elektrisch leitfähigen Pigmenten verursachte Versteifung des resultierenden, elektrisch leitfähigen Materials auffangen und selbst bei höherer Pigmentzugabe noch befriedigende mechanische Eigenschaften bereitstellen. In einer Weiterbildung der Erfindung besteht das Trägermaterial des elektrisch leitfähigen Materials aus einem Elastomer, das eine Bruchdehnung von ungefähr 800% bis ungefähr 1400% aufweist. Insbesondere wird eine Bruchdehnung von ungefähr 1200% angestrebt.
In ganz besonders bevorzugter Weise weist das Trägermaterial Polyharnstoff auf. Polyharnstoffe verbinden kurze Reaktionszeiten mit exzellenten mechanischen Eigenschaften. Sei weisen außerdem eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit auf. Polyharnstoffelastomere können ständig Temperaturen von 18O0C, kurzfristig sogar 2400C ausgesetzt werden, ohne dass eine Beeinträchtigung der Eigenschaften zu beobachten ist. Damit sind diese Materialien als Trägermaterial für Hochtemperaturanwendungen (bspw. industrielle Heizelemente) bestens geeignet. Des Weiteren verläuft die Bildung von Polyharnstoffen im Gegensatz zur Polyurethanbildung ohne die Anwesenheit von Katalysatoren. Damit sind Wechselwirkungen von Katalysatoren mit den elektrisch leitfähigen Pigmenten ausgeschlossen, da keine Katalysatoren verwendet werden müssen. Spezielle Polyharnstoffsysteme weisen außerdem Bruchdehnungen von 1200% auf, wodurch sie selbst bei hohen Füllgraden noch ein elastisches, elektrisch leitfähiges Material bereitstellen können. Des Weiteren können Polyharnstoffsysteme als lösemittelfreies System verarbeitet werden, dadurch entfällt eine Belastung der Umwelt sowie Mehrkosten durch den Einsatz bzw. die Entsorgung von Lösemitteln.
Der Polyharnstoff, der für das Trägermaterial des erfindungsgemäßen, elektrisch leitfähigen Materials eingesetzt werden kann, kann durch Reaktion eines Zweikomponentensystems gewonnen werden. Dabei besteht die erste Komponente aus Isocyanat-Präpolymeren. Dabei kann es sich einerseits um aliphatische Isocyanate handeln (bspw. Hexandiisocyanat (HDI), Isophorondiisocanat (IPDI), oder Mischungen hiervon). Des Weiteren sind auch aromatische Isocyanate als Präpolymere einsatzfähig. Dabei kann es sich um Mischungen von 4,4'-MDI- oder 2,4'-MDI- Isocyanaten handeln. Der typische Gehalt an freien Isocyanatgruppen liegt bei 13-16 %.
Bei der zweiten Komponente handelt es sich üblicher Weise um Aminharze auf Basis von aminierten Polyethern oder reinen Oligoaminen mit durchschnittlichen Molekularmassen von 2000 bis 5000 (bi- oder trifunktionell). Es sind ebenfalls Mono- amine einsetzbar.
Mit dem erfindungsgemäßen, elektrisch leitfähigen Material sind elektrische Leitfähigkeiten von ungefähr 0,1 S/cm bis ungefähr 200 S/cm und insbesondere von ungefähr 10 S/cm bis ungefähr 100 S/cm erreichbar. Durch die erfindungsgemäße Bereitstellung einer Mischung verschieden großer und verschieden geformter elektrisch leitfähiger Pigmente und der Verbindung der erfindungsgemäßen Lehre mit einem geeigneten Trägersystem, insbesondere mit Polyharnstoff, lassen sich Leitfähigkeiten realisieren, die um mindestens eine und bis zu zwei Größenordnungen über den bisher bekannten Werten liegen. Die genannten Leitfähigkeiten werden realisiert, indem die elektrisch leitfähigen Pigmente sowohl Kohlenstoff-Makromoleküle (CNT) als auch Acetylenruß-Teilchen und expandierten Graphit aufweisen. Die genaue erreichbare elektrische Leitfähigkeit variiert je nach den prozentualen Anteilen der drei verschiedenen leitfähigen Additive, und insbesondere nach den prozentualen Anteilen der zugesetzten Ruß- und Graphitpigmente. Gleichzeitig werden durch das flexible CNT-Netzwerk und die insgesamt verminderte Zudosierung von elektrisch leitfähigen Pigmenten die mechanischen Eigenschaften des Trägermaterials kaum beeinträchtigt.
Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials mit den Merkmalen des Patentanspruchs 33 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitfähige Pigmente mit einer breiten Größenverteilung und/oder mit unterschiedlicher Form bereitgestellt werden.
Es wird insbesondere eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, bei dem die elektrisch leitfähigen Pigmente lang gestreckte und/oder faserartige Pigmente, bspw. Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), aufweisen. Die Zugabe dieser Pigmente ist im Sinne einer besonders hohen Leitfähigkeit anzustreben.
Dementsprechend wird - analog zum erfindungsgemäßen, elektrisch leitfähigen Material - bevorzugt, dass das aus Kunststoff oder aus Bindemittel bestehende Trägermaterial aus einer schnell aushärtenden Zubereitung hergestellt wird. Durch die Herstellung des Trägermaterials aus einer schnell aushärtenden Zubereitung wird verhindert, dass eine Agglomeration von lang gestreckten, elektrisch leitfähigen Pigmenten mit globularen Pigmenten ähnlichen Durchmessers stattfindet. Dabei kann es sich insbesondere um Rußpartikel handeln. Durch die Verwendung einer schnell aushärtenden Zubereitung für das Trägermaterial wird verhindert, dass sich lang gestreckte Pigmente und Rußpartikel durch das Auftreten von van-der-Waals-Kräften aneinander anlagern. Dies kann zur Bildung von Agglomeraten oder zur Verknäuelung der lang gestreckten Pigmente führen. Eine elektrische Brückenbildung wäre dadurch unterbunden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Zubereitung für das Trägermaterial aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet. Wie bereits ausgeführt worden ist, wird dabei ein Zweikomponentensystem bevorzugt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun vor dem Bilden der Zubereitung, d.h. vor dem Zusammenführen der Komponenten der Zubereitung, ein Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente, insbesondere faserartige Pigmente und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), in einer ersten Komponente der Zubereitung dispergiert. Dadurch ist zunächst ausgeschlossen, dass die lang gestreckten und/oder faserartigen Pigmente mit globularen Teilchen ähnlichen Durchmessers agglomerieren können.
Dementsprechend wird angestrebt, dass vor dem Bilden der Zubereitung ein ggf. vorhandener verbleibender Anteil der elektrisch leitfähigen Pigmente, nämlich insbesondere Ruß und/oder Graphit, in einer zweiten Komponente der Zubereitung dispergiert wird. Dies bedeutet, dass verschiedene Fraktionen der elektrisch leitfähigen Pigmente, die ggf. in für die resultierende elektrische Leitfähigkeit nachteiliger Weise interagieren könnten, nicht bereits während der Dispergierung in Kontakt treten können.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird angestrebt, dass die Zubereitung für das Trägermaterial in besonders kurzer Zeit ausgehärtet wird. Dadurch werden - selbst nach dem Zusammenführen evtl. vorhandener unter- schiedlicher Fraktionen der elektrisch leitfähigen Pigmente - nachteilige gegenseitige Beeinflussungen der Teilchen, insbesondere Agglomeratbildungen, verhindert. Die Zubereitung wird in so kurzer Zeit ausgehärtet, dass sich währenddessen weder Agglomerate bilden noch die lang gestreckten Pigmente zerstört werden können. Dabei wird das Trägermaterial vorzugsweise in einer Zeit von unter 10 Minuten und noch bevorzugter von unter fünf Minuten ausgehärtet. Besonders optimal sind Aushärtezeiten von unter 90 Sekunden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Trägermaterial ein Elastomer hergestellt und/oder bereitgestellt. Dabei wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem als Trägermaterial ein Polyharnstoff hergestellt und/oder bereitgestellt wird. Diesbezüglich wird auf die Ausführungen bzgl. des erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Materials verwiesen.
Sofern als Trägermaterial ein Polyharnstoff hergestellt und/oder bereitgestellt wird, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der Polyharnstoff aus einer Zubereitung aus zwei Komponenten, insbesondere aus einem isocyanathaltigen Präpolymer und aus einer Aminkomponente, insbesondere aus einem Mono- oder Oligoamin, hergestellt wird.
Sofern als Trägermaterial ein Polyharnstoff hergestellt/bereitgestellt wird und dieser aus den letztgenannten Komponenten gebildet wird, wird nun eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugt, bei der vor dem Bilden der Zubereitung (deren Aushärtereaktion den Polyharnstoff bildet) ein Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente, insbesondere faserartige Pigmente und/oder Kohlenstoff-Nano- röhren (CNT) in dem isocyanathaltigen Präpolymer dispergiert werden. Dabei können die lang gestreckten/faserartigen Pigmente besonders schonend dispergiert werden, nämlich ohne dass ein Brechen der lang gestreckten Pigmente oder ein Verknäulen derselben eintritt. Dadurch können die lang gestreckten, elektrisch leitfähigen Pigmente in dem späteren Trägermaterial (Polyharnstoff) die elektrische Brückenbildung ohne Qualitätseinbußen bewerkstelligen. Die lang gestreckten, elektrisch leitfähigen Pigmente können bspw. unter Einwirkung von Ultraschall dispergiert werden. Alternativ können lang gestreckte/faserartige Pigmente, insbesondere Carbonfasern oder CNT, in Lösemitteln dispergiert vorgehalten werden und in dieser Form schonend im Präpolymer dispergiert werden. Das Lösemittel kann in einem nächsten Schritt durch langsames Rühren im Vakuum entfernt werden.
Insbesondere in Bezug auf die letztgenannte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass vor dem Bilden der Zubereitung (deren Aushärtereaktion das Trägermaterial (Polyharnstoff) bildet) ein Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente, insbesondere Ruß und/oder Graphit, in der Amin- komponente dispergiert werden. Diese elektrisch leitfähigen Pigmente können mit hoher Rührgeschwindigkeit und/oder starken Scherkräften (bspw. mit einem Planetenmischer oder einem Dissolver) dispergiert werden, da diese Pigmente keinen Zerfall und/oder Agglomeration bei starker Rühr-/Scherbeanspruchung zeigen. Es ist des Weiteren besonders vorteilhaft, dass insbesondere die Rußteilchen getrennt von den lang gestreckten/faserartigen Pigmenten in dem Trägermaterial dispergiert werden, nämlich in dem sie in eine zweite Komponente des Trägermaterials eingebracht werden. Dadurch sind unerwünschte Agglomerations- /Verknäuelungsphänomene zwischen den lang gestreckten/faserartigen Pigmenten und den eher globularen Pigmenten (bspw. Ruß/Graphit) ausgeschlossen. Durch die schnelle Aushärtereaktion der vorgeschlagenen Zubereitungen werden solche unerwünschten Reaktionen auch zum großen Teil unterdrückt, wenn die beiden Komponenten der Zubereitung schließlich miteinander vermischt werden. Nach dem Zusammenführen der beiden Komponenten mit den jeweils darin dispergierten Fraktionen der elektrisch leitfähigen Pigmente findet in bevorzugter Weise eine schnelle Aushärtereaktion statt, so dass ein „Einfriereffekt" stattfindet. Agglomerationen und/oder Verknäuelungen lang gestreckter oder faserartiger Pigmente werden dadurch verhindert.
Es soll noch einmal besonders betont werden, dass die vorgenannten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht auf eine Zubereitung aus zwei Komponenten beschränkt ist, die Polyharnstoff als Trägermaterial bildet. Es ist ganz allgemein bevorzugt, dass Trägermaterial aus mindestens zwei Komponenten mittels einer schnellen Aushärtereaktion zu bilden. Dabei wird bevorzugt, einen Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente in einer ersten Komponente und einen zweiten Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente in einer zweiten Komponente zu dispergieren, bevor diese Komponenten zur Bildung des Trägermaterials miteinander vermischt werden.
Nach der Zugabe der jeweiligen Fraktion der elektrisch leitfähigen Pigmente zu den Komponenten des Trägermaterials können diese vor dem Aushärten in einem Statikmischer gemischt und als Spritzelastomer ausgebracht werden.
Es ist des Weiteren möglich, dass die Komponenten des Trägermaterials und die in den jeweiligen Komponenten enthaltenen elektrisch leitfähigen Pigmente vor dem Aushärten in einer Handkartusche gemischt und als Gießelastomer ausgebracht werden.
Die Komponenten des Trägermaterials können dadurch schonend miteinander vermischt und in eine gewünschte Form ausgebracht werden, woraufhin in bevorzugter Weise eine schnelle Aushärtereaktion stattfindet.
Um Wiederholungen zu vermeiden, sei hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Ausführungen bezüglich des elektrisch leitfähigen Materials verwiesen.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird auch auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen. Es sei ganz besonders hervorgehoben, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf eines dieser Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisch leitfähiges Material, umfassend ein Trägermaterial, insbesondere einen Kunststoff oder ein Bindemittel, und im Trägermaterial verteilte elektrisch leitfähige Pigmente, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente eine breite Größenverteilung und/oder unterschiedliche Formen aufweisen.
2. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente fein dispergiert innerhalb des Trägermaterials vorliegen.
3. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente lang gestreckte und/oder faserartige Pigmente aufweisen.
4. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lang gestreckten und/oder faserartigen Pigmente ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser von mindestens 100 aufweisen.
5. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lang gestreckten und/oder faserartigen Pigmente zumindest im Wesentlichen entlang der Richtung des zu leitenden elektrischen Stroms ausgerichtet sind.
6. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente kohlenstoffbasiert sind.
7. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente Kohlenstoff-Makromoleküle (Fullerene) aufweisen.
8. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fullerene eine pentagonale oder hexagonale Anordnung der Kohlenstoffatome aufweisen.
9. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fullerene Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nano Tubes, CNT) aufweisen.
10. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) einen Durchmesser von ungefähr 1 Nano- meter (nm) bis ungefähr 20 nm aufweisen.
11. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser von ungefähr 100 bis ungefähr 10000 aufweisen.
12. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser von ungefähr 1000 aufweisen.
13. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) ungefähr 0,5 Massenprozent (Ma.-%) bis ungefähr 10 Ma.-%, insbesondere ungefähr 1 Ma.-% bis ungefähr 5 Ma.-% beträgt.
14. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) innerhalb des Trägermaterials mit ungefähr 100 Nanometer (nm) bis ungefähr 1000 nm voneinander beabstandet vorliegen.
15. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente Ruß, insbesondere Ace- tylenruß, aufweisen.
16. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußpigmente einen Durchmesser von ungefähr 10 Nanometer (nm) bis ungefähr 100 nm, insbesondere von ungefähr 30 nm bis ungefähr 60 nm, aufweisen.
17. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußpigmente eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 10 Siemens/cm (S/cm) bis ungefähr 40 S/cm, insbesondere von ungefähr 25 S/cm, aufweisen.
18. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente Graphit, insbesondere expandierten Graphit, aufweisen.
19. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitpigmente einen Durchmesser von ungefähr 10 Mikrometer (μm) bis ungefähr 100 μm, insbesondere von ungefähr 20 μm bis ungefähr 60 μm, aufweisen.
20. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitpigmente eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 500 S/cm bis ungefähr 5000 S/cm, insbesondere von ungefähr 1000 S/cm, aufweisen.
21. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch einen Anteil des Trägermaterials von über 40 Gewichts-%, insbesondere von über 70 Gew.-%.
22. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial Polyurethan, Polyacrylat, Polycarbonat oder Mischungen hiervon aufweist.
23. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch ein Trägermaterial aus Kunststoff oder aus Bindemittel, dass aus einer schnell aushärtenden Zubereitung herstellbar ist.
24. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zubereitung aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet ist.
25. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Zubereitung eine Aushärtezeit von unter 10 min, insbesondere von unter 5 min, aufweist.
26. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Zubereitung eine Aushärtezeit von ungefähr 2 sec bis ungefähr 90 sec aufweist.
27. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 23 bis 26, gekennzeichnet durch ein Trägermaterial aus einem Elastomer.
28. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer eine Bruchdehnung von ungefähr 800% bis ungefähr 1400%, insbesondere von ungefähr 1200%, aufweist.
29. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 23 bis 28, gekennzeichnet durch ein Trägermaterial aus Polyharnstoff.
30. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyharnstoff aus einer Zubereitung aus zwei Komponenten, insbesondere aus einem isocyanathaltigen Präpolymer und aus einer Aminkomponente, insbesondere aus Mono- oder Oligoamin, herstellbar ist.
31. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 1 bis 30, gekennzeichnet durch eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 0,1 S/cm bis ungefähr 200 S/cm, insbesondere von ungefähr 10 S/cm bis ungefähr 100 S/cm.
32. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials, insbesondere eines elektrisch leitfähigen Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 31 , wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Herstellen und/oder Bereitstellen eines Trägermaterials, insbesondere eines Kunststoffs oder eines Bindemittels, oder Bereitstellen der Komponenten eines Trägermaterials,
Bereitstellen von elektrisch leitfähigen Pigmenten, Verteilung der elektrisch leitfähigen Pigmente im Trägermaterial und ggf. Zusammenführen der Komponenten des Trägermaterials,
Ausbringen des Trägermaterials in eine gewünschte Form und Aushärten des Trägermaterials, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass elektrisch leitfähige Pigmente mit einer breiten Größenverteilung und/oder mit unterschiedlicher Form bereitgestellt werden.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitfähige Pigmente bereitgestellt werden, die lang gestreckte und/oder faserartige Pigmente aufweisen.
34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass das aus Kunststoff oder aus Bindemittel bestehende Trägermaterial aus einer schnell aushärtenden Zubereitung hergestellt wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Zubereitung aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bilden der Zubereitung ein Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente, insbesondere faserartige Pigmente und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), in einer ersten Komponente der Zubereitung dispergiert werden.
37. Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bilden der Zubereitung ein Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente, insbesondere Ruß und/oder Graphit, in einer zweiten Komponente der Zubereitung dispergiert werden.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Zubereitung in einer Zeit von unter 10 min, insbesondere von unter 5 min, ausgehärtet wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Zubereitung in einer Zeit von ungefähr 2 sec bis ungefähr 90 sec ausgehärtet wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial ein Elastomer hergestellt und/oder bereitgestellt wird.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial ein Polyhamstoff hergestellt und/oder bereitgestellt wird.
42. Verfahren nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, dass der Polyhamstoff aus einer Zubereitung aus zwei Komponenten, insbesondere aus einem isocyanathaltigen Präpolymer und aus einer Aminkomponente, insbesondere einem Mono- oder Oligoamin, hergestellt wird.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bilden der Zubereitung ein Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente, insbesondere faserartige Pigmente und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), in dem isocyanathaltigen Präpolymer dispergiert werden.
44. Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bilden der Zubereitung ein Teil der elektrisch leitfähigen Pigmente, insbesondere Ruß und/oder Graphit, in der Aminkomponente dispergiert werden.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Trägermaterials mit den elektrisch leitfähigen Pigmenten vor dem Aushärten in einem Statikmischer gemischt und als Spritzelastomer ausgebracht werden.
46. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Trägermaterials und die elektrisch leitfähigen Pigmente vor dem Aushärten in einer Handkartusche gemischt und als Gießelastomer ausgebracht werden.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Pigmente innerhalb des Trägermaterials fein disper- giert werden und/oder entlang der Richtung des zu leitenden Stroms ausgerichtet werden.
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