WO2023237192A1 - Electrically conductive elastomeric printing ink for contactless printing processes - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing an electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition as an electrically conductive printing ink in contactless printing processes for producing electrodes for sensors, actuators or EAP layer systems.
- Electrically conductive printing inks are used for the production of printed electronics in order to apply large-area or structured electrodes to a substrate in electronic components using any printing process.
- the printing of electrically conductive elastomers onto an elastic carrier (such as silicone, TPU) enables the construction of completely or partially elastic electronic components that retain their electrical properties almost unchanged even when stretched or compressed.
- electrically conductive elastomeric printing inks can be printed on flexible (but not stretchable) substrates, such as. B. on PET, PE, PTFE or paper, in order to keep the mechanical damage to the printed electrode to a minimum, even under long-term mechanical stress due to repeated bending, and thus to prevent a change in the electrical conductivity due, for example, to an increase in resistance.
- Conductive printing inks for printed electronics are known and some are also commercially available. They typically contain at least one polymeric binder, at least one conductive component such as. B. Metal or carbon particles and at least one solvent to adjust the viscosity. Basically, conductive carbon particles such as B. Carbon black and carbon nanotubes (CNT) as fillers have the disadvantage that they greatly increase the viscosity of the formulation, which affects the printability of the ink significantly more difficult, so that solvents are typically used for dilution in order to reduce the effective concentration of the particles in the printing ink and thus make the printing ink usable.
- CNT Carbon black and carbon nanotubes
- US9253878 describes such a formulation based on a silicone elastomer, conductivity carbon black and CNT, the latter being characterized by being at least 30 nm thick.
- the latter property gives the solvent-based, conductive printing ink good printability in screen printing, which is not possible with thin CNTs ( ⁇ 30 nm).
- the formulation does not work without solvents.
- CNT-containing silicone elastomers are known. Silicone elastomers containing both CNT and carbon black are described in CN103160128. The silicone elastomers described here are characterized by a high soot content. At least 3.7% by weight of carbon black is required, but the examples show that in order to obtain good electrical properties so that the specific resistance is ⁇ 20 ohm*cm, a total filler content (CB + CNT) of at least 8.5% is necessary. No printing process using these compositions is disclosed.
- stretchable applications which include the dielectric elastomer sensors, actuators and generators, stretchable binders (elastomers) are used in combination with conductive anisotropic particles that possess a high aspect ratio, typically CNT.
- the high aspect ratio of the conductive particles ensures that, in contrast to spherical particles, the conductive particles can form a conductive network through the entire system with smaller amounts of filler, which persists even when the elastomer is stretched. This ensures good electron conduction even when the elastomer is stretched.
- Creating smooth surfaces that are free of particles is particularly difficult with electrically conductive silicone compositions containing CNTs.
- the reason for this is the strong tendency of CNTs to form agglomerates, which cannot be completely broken down when incorporated into a matrix even when high shear forces are used, so that particulate agglomerates can be found in the silicone.
- the particulate agglomerates can have a size of 25, 50 or even over 100 pm and are noticeable as protruding spikes in thin raked or printed layers.
- the object of the present invention was therefore to provide a method for producing electrically conductive, cross-linking silicone elastomer compositions which, despite the simultaneous use of conductivity carbon black and CNT, have a high aspect ratio but without the use of solvents, but at the same time have good application properties as printing inks in contactless printing processes such as for example, the laser transfer printing process, and after application it provides a smooth surface that is free of particles.
- an electrically conductive silicone elastomer composition based on conductivity carbon black (0, 5 - 3 % by weight and MWCNT (0.1 - 3% by weight), without the addition of a solvent can be used as a printing ink to print electrodes for dielectric elastomer sensors and actuators if all or parts of the composition are used in at least a two-stage Step are processed in which the components MWCNT and conductivity carbon black are incorporated together
- the resulting printed image has a smooth surface and is free of jagged edges.
- the invention therefore relates to a process for producing an electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition, containing:
- MWCNT multi-walled carbon nanotubes
- the MWCNTs used according to the invention preferably have an aspect ratio of L/B>10, particularly preferably of L/B>100.
- the contact resistance is not measured because the current is applied to two contacts, and The voltage U of the current I v that has already flowed through the sample is measured at two further contacts.
- the resistance R of unvulcanized siloxanes is measured using the Multimeter Model 2110 5 digit from Keithley Instrument and a measuring apparatus made from natural PP and stainless steel (1.4571) electrodes.
- the measuring device is connected to the electrodes using brass contacts and laboratory cables.
- the measuring apparatus is a mold with defined dimensions for L x W x H of 16 cm x 3 cm x 0.975 cm, into which the siloxane is spread for measurement.
- the two outer flat electrodes are placed at a distance of 16 cm, so that the current flows through the entire sample.
- the two point electrodes with a diameter of 1 cm are located in the base plate at a distance of 12 cm ( 1 ) and measure the voltage.
- the following formula is used to calculate the specific resistance from the measured resistance R. with sample height h [cm], sample width w [cm] and electrode distance 1 [cm]
- a planetary dissolver with a scraper is preferably used.
- a vacuum planetary dissolver with a scraper and a bar stirrer is particularly preferred.
- Dissolver disks with any arrangement and number of teeth can be used.
- all silicone elastomer compositions known in the prior art can be used as base materials for the silicone elastomer composition.
- addition-curing, peroxide-curing, condensation-curing or radiation-curing silicone elastomer compositions can be used.
- Peroxidic or addition-crosslinking compositions are preferred.
- Addition-crosslinking compositions are particularly preferred.
- the silicone elastomer compositions can be formulated as one or two components.
- the silicone elastomer compositions are crosslinked by applying heat, UV light and/or moisture.
- the following silicone elastomer compositions are suitable, for example: HTV (addition-crosslinking), HTV (radiation-crosslinking), LSR, RTV 2 (addition-crosslinking), RTV 2 (condensation-crosslinking), RTV 1, TPSE (thermoplastic silicone elastomer), thiol-ene and cyanacetamide-crosslinking systems.
- the preferred addition-curing silicone elastomer compositions contain
- (B) at least one - preferably linear - organopolysiloxane compound with Si-bonded hydrogen atoms, or instead of (A) and (B) or in addition to (A) and (B) (C) at least one linear organopolysiloxane compound that has Si-C-bonded residues with aliphatic carbon f-carbon f multiple bonds and Si-bonded hydrogen atoms, and
- the dispersion being carried out in a first step using a high-speed mixer in order to achieve a homogeneous distribution and comminution of the To obtain filler aggregates so that the specific resistance of the mixture is less than 50 Q*cm, and then in a second step the mixture is mechanically treated using a three-roller mill in order to crush larger agglomerates.
- the amount of siloxane, conductivity black and MWCNT can be such that it corresponds to the desired solids proportions of conductivity black and MWCNT in the finished mixture, or a so-called masterbatch batch can also be produced.
- the concentrated solids dispersion can be diluted down to the target solids value with additional siloxane.
- the same siloxane or at least one different siloxane or mixtures of the same siloxane and at least one different siloxane can be used for dilution.
- the components of the siloxane composition according to the invention can be added and dispersed in any order.
- both conductivity carbon black and MWCNT can be used as a solid or prepared in advance. provided mixtures can be used.
- a premixed soot premix can be used instead of the soot solid.
- one or both premixes can be produced using a roller mill.
- the carbon black premix consisting of conductivity carbon black and siloxane
- the carbon black premix is first produced using a roller mill and then combined with MWCNT as a solid and additional siloxane to form a masterbatch.
- this combined masterbatch in which MWCNTs and conductivity carbon black are present together, is dispersed in a first step using a high-speed mixer so that the specific resistance of the mixture is less than 50 Q * cm, and then in a second step Mixture mechanically treated using a three-roll mill.
- the conductivity carbon black and MWCNT are mixed independently of one another in parts of the siloxane and, if necessary. predispersed, i.e. H . mixed in different mixing containers and if necessary. pre-dispersed, and then the two mixtures (soot premix and MWCNT premix) are mixed with if necessary. other components combined.
- this combined mixture in which MWCNTs and conductivity carbon black are present together, is dispersed in a first step using a high-speed mixer so that the specific resistance of the mixture is less than 50 Q*cm, and then in a second step the mixture is mixed using Fe of a three-roll mill mechanically treated.
- the final silicone composition of the 1K or 2K electrode material can be used if necessary. can be obtained by dilution in a subsequent step.
- MWCNT, conductivity carbon black and components (A) to (D) can be added in portions or by adding the entire amount.
- the mixing container and thus the mixed material contained can be tempered during dispersion, i.e. H . be kept at a target temperature by cooling or heating.
- the temperature is usually in a range of 0 - 200 ° C, preferably in a range of 20 - 100 ° C.
- the process according to the invention can be carried out under vacuum.
- Dispersion is preferably carried out, i.e. H .
- the vacuum is usually ⁇ 1. 000 mbar, preferably ⁇ 800 mbar and particularly preferably ⁇ 500 mbar.
- a vacuum following the dispersion can be done in the same device as the dispersion, or in a different device.
- the vacuum is usually applied while stirring.
- the vacuum is usually ⁇ 1. 000 mbar, preferably ⁇ 800 mbar and particularly preferably ⁇ 500 mbar.
- the dispersion takes place at a high rotational speed of the dispersing tools and in particular of the dissolver disk.
- the high power input achieved in this way leads to the desired finely dispersed distribution of the conductive fillers MWCNT and/or conductivity carbon black in the siloxane.
- Essential for the dispersion result and therefore for an optimally high one Electrical conductivity of the conductive, cross-linking silicone elastomer composition is a maximum power input from the mixing tools.
- the maximum power input depends on the selected mixing tools, their geometric arrangement, the rotational speed of the dissolver disk in particular, the temperature and the effective viscosity of the mix, i.e. H .
- the viscosity of the siloxane which depends, among other things, on the degree of polymerization of the siloxane and the amount of filler added.
- the dispersion is followed by a mechanical post-treatment with the three-roll mill in order to crush particulate agglomerates.
- the method according to the invention can be supplemented by a final aftertreatment using pressure filtration.
- this post-treatment using pressure filtration can also be dispensed with.
- a further subject of the present invention are the electrically conductive, crosslinking silicone elastomer compositions, obtainable by the process according to the invention.
- a further subject of the invention is the use of the conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to the invention as an electrically conductive printing ink Contactless printing process for the production of electrically conductive elastomers on elastic supports.
- the electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to the invention produced in this way is used as a printing ink, for example in a contactless printing process, a printed image is created which has a smooth surface that is free of particles (jagged edges).
- a printing ink for example in a contactless printing process
- a printed image is created which has a smooth surface that is free of particles (jagged edges).
- the electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to the invention can be used as a printing ink for other non-contact printing processes such as.
- B. Spray, drop-on-demand processes or laser transfer printing (LI FT process) can be used. It is preferably used in laser transfer printing (LI FT process).
- the electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to the invention is particularly suitable as a printing ink for printing electrodes for dielectric elastomer sensors, actuators and generators and EAP layer systems.
- ViPo 1,000 Vinyldimethylsiloxy-terminated polydimethylsiloxane with a viscosity of 1,000 mPa*s, available from Gelest Inc. under the product name DMS-V31 (Gelest catalog).
- HPo 1,000 Hydridodimethylsiloxy-terminated polydimethylsiloxane with a viscosity of 1,000 mPa*s, available from Gelest Inc. under the product name DMS-H31 (Gelest catalog).
- a platinum complex with phosphite ligands was chosen as the hydrosilylation catalyst for one-component systems, as described in EP2050768B1 (catalyst 6).
- WACKER® KATALYSATOR OL (available from Wacker Chemie AG) was used for two-component systems.
- 1-Ethynyl-l-cyclohexanol is available from Sigma Aldrich (CAS number: 78-27-3).
- the viscosity measurements were carried out on an air-bearing MCR 302 rheometer from Anton Paar at 25 °C.
- a cone-plate system (25 mm, 2°) with a gap size of 105 pm was used.
- the excess material was removed (trimmed) with a spatula at a gap distance of 115 pm.
- the cone then moved to a gap distance of 105 pm so that the entire gap was filled.
- a "pre-shear" is performed, where the shear history is cleared through sample preparation, application and trimming. Pre-shearing takes place for 60 seconds at a shear rate of 10 s -1 , followed by a rest period of 300 seconds.
- the shear viscosity is determined using a step profile in which the sample is sheared at constant shear rates of 1 s -1 , 10 s -1 and 100 s -1 for 100 seconds each. A measured value is recorded every 10 seconds, resulting in 10 measuring points per shear rate. The average of these 10 measuring points gives the shear viscosity at the respective shear rate.
- the storage modulus G' was determined using an amplitude test. In this oscillation experiment, the amplitude y is varied from 0.01 to 1000% (at an angular frequency w of 10 s -1 , logarithmic ramp, 30 measuring points). Typically, at low amplitude values, the linear viscoelastic (LVE) region is found, in which G', when plotted double-logarithmically over y, has a plateau value. The plateau value is the storage modulus G' to be determined.
- LVE linear viscoelastic
- the resistance R of unvulcanized siloxanes is measured using the Multimeter Model 2110 5 digit from Keithley Instrument and a measuring apparatus made from natural PP and stainless steel (1.4571) electrodes.
- the measuring device is connected to the electrodes using brass contacts and laboratory cables.
- the measuring apparatus is a mold with defined dimensions for L x W x H of 16 cm x 3 cm x 0.975 cm, into which the siloxane is spread for measurement.
- the two outer flat electrodes are placed at a distance of 16 cm, so that the current flows through the entire sample.
- the two point electrodes with a diameter of 1 cm are located in the base plate at a distance of 12 cm ( 1 ) and measure the voltage.
- the following formula is used to calculate the specific resistance p from the measured resistance R. with sample height h [cm], sample width w [cm] and electrode distance 1 [cm]
- the printing inks were vulcanized in the form of a 2 mm plate and the Type 1 shoulder bar was punched.
- the test specimen is subjected to a four-wire measurement. This is clamped in the middle between two electrically conductive clamping jaws so that the distance between them is 84.0 mm.
- the Clamping jaws which represent the two outer electrical contacts, are structured, which means that the structure achieves a penetration effect into the material (grooving).
- the two internal contacts are made by positioning two tendon 11 clamps at a distance of 29.5 mm from the nearest clamping jaw and at a distance of 25 cm from one another.
- the two inner measuring terminals are pre-treated with silver conductive paste.
- the tools used were a dissolver disk (14 teeth, teeth 90° to the disk, diameter 52 cm), a bar stirrer (standard tool) and a scraper with temperature measurement.
- a laboratory mixer Mischtechnik Hoffmann & Partner GmbH Andrä - Wördern, Austria
- the double-walled stirred tank was set to a jacket temperature of 19 °C using a thermostat.
- IKA RW20 with 3-bladed propeller stirrer (R 1381) from IKA® -Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Germany.
- Masterbatch Ml was processed using a three-roll mill. A homogeneous, black paste with a specific resistance of 5.4 Q*cm was obtained. The viscosity is 274 Pa*s at a shear rate of 10 s -1 and the storage modulus G' in the LVE range is 50500 Pa.
- a 100 pm layer was applied to a silicone film (ELASTOSIL ⁇ ®> film with a thickness of 100 pm, available from WACKER Chemie AG) using a ZAA2300 automatic film applicator with a ZUA 2000 universal applicator from Zehntner GmbH, Switzerland. lolled.
- the layer raked with M2 was smooth, shiny and free of jagged edges.
- the Ml-based layer has a rough surface with spikes emerging from the layer.
- Printing ink lb was produced analogously to printing ink la, with the difference that masterbatch Ml was used instead of M2. A homogeneous, black paste was obtained.
- the masterbatch M2 from Example 2 was diluted to a platinum-containing component A and a platinum-free component B: To produce the A component, 2500 g of the masterbatch M2 with Vipo 1000 (2138 g) and WACKER® CATALYST OL (9.25 g) mixed with a bar stirrer (100 rpm, laboratory mixer without dissolver disk) for 30 min.
- Component B was produced analogously to component A with the difference that 2500 g of the masterbatch M2 with HPo 1000
- components A and B were mixed in a ratio of 1:1 for 1 min with a propeller stirrer (800 rpm). A homogeneous, black paste was obtained.
- Printing ink 2b was produced analogously to printing ink 2a, with the difference that masterbatch Ml was used instead of M2. A homogeneous, black paste was obtained.
- the printing was carried out using a common, commercial laser engraving system from TROTEC Lasertechnik GmbH.
- a system from the Speedy l OO flexx 60/20 series with dual is used
- a homogeneous layer with a thickness of 60 pm and dimensions 200x 200mm is applied to the center of a quartz glass pane on one side.
- the edge areas of the pane remain free of printing mass.
- a silicone film (ELASTOS IL ⁇ ®> film with a thickness of 100 pm, available from WACKER Chemie AG) fixed by a film of water is placed in the cutting chamber of the laser on an uncoated glass pane as the surface to be printed.
- the coated pane is placed on the first pane at a distance of 200 pm with the coating side facing the uncoated pane. The distance is adjusted using spacers, such as 100 pm microscope plates.
- An area-filled geometry without gray areas and shading should be selected as the print template in the laser system's control software.
- the laser power in the fiber laser cutting mode between 40-60% with a 20 W laser is sufficient.
- the laser speed can be selected between 50 and 70%.
- the focus point should be approx. 4 to 4.5 mm above the interface of the coating or the quartz glass plate. The selected geometries could then be transferred to the silicone film using the laser. Assessment of the prints
- the surface of the printed electrode was assessed visually.
- the layers printed with printing inks la and 2a are smooth, shiny and free of jagged edges. These printing inks are therefore suitable as electrode material for multi-layer systems, such as. B. in dielectric elastomer sensors, actuators and generators, particularly well suited.
- Layers printed with the printing inks 1b and 2b (not according to the invention) have rough surfaces with points emerging from the layer and are therefore unsuitable for multi-layer systems.
- Table 1 shows impressively that the other values of the printing inks are very comparable, but that the manufacturing process according to the invention is decisive for the suitability of a printing ink as an electrode material in multi-layer systems.
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Abstract
The invention relates to an electrically conductive, cross-linking silicone elastomer composition as an electrically conductive printing ink in contactless printing processes for producing electrodes for sensors, actuators or EAP layer systems.
Description
Elektrisch leitfähige elastomere Drucktinte für kontaktloseElectrically conductive elastomeric printing ink for contactless
Druckverfahren Printing process
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen, vernetzenden Silikonelastomerzusammensetzung als elektrisch leitfähige Drucktinte in kontaktlosen Druckverfahren zur Herstellung von Elektroden für Sensoren, Aktoren oder EAP-Schichtsysteme . The invention relates to a method for producing an electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition as an electrically conductive printing ink in contactless printing processes for producing electrodes for sensors, actuators or EAP layer systems.
Elektrisch leitfähige Drucktinten werden für die Herstellung von gedruckter Elektronik eingesetzt , um in elektronischen Bauteilen groß flächig oder strukturiert Elektroden durch ein beliebiges Druckverfahren auf ein Substrat auf zubringen . Der Druck von elektrisch leitfähigen Elastomeren auf einen elastischen Träger (wie z . B . Silikon, TPU) ermöglicht den Aufbau von vollständig oder teilweise elastischen elektronischen Bauteilen, die auch bei Dehnung oder Stauchung die elektrischen Eigenschaften nahezu unverändert beibehalten . Zudem können elektrisch leitfähige Elastomerdrucktinten auf flexiblen ( aber nicht dehnbaren) Substraten gedruckt werden, wie z . B . auf PET , PE , PTFE oder Papier, um auch bei dauerhafter mechanischer Belastung durch mehrfaches Biegen die mechanische Schädigung der gedruckten Elektrode gering zu halten und somit eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit durch beispielsweise Anstieg des Widerstandes zu verhindern . Leitfähige Drucktinten für die gedruckte Elektronik sind bekannt und teilweise auch kommerziell erhältlich . Sie enthalten typischerweise mindestens ein polymeres Bindemittel , mindestens eine leitfähige Komponente wie z . B . Metall- oder Kohlenstof fpartikel und mindestens ein Lösungsmittel zum Einstellen der Viskosität . Grundsätzlich haben leitfähige Kohlenstof fpartikel wie z . B . Ruß und Kohlenstof fnanoröhren ( CNT ) als Füllstof f den Nachteil , dass sie die Viskosität der Formulierung stark anheben, was die Verdruckbarkeit der Tinte
deutlich erschwert, so dass typischerweise Lösungsmittel zur Verdünnung eingesetzt werden, um die effektive Konzentration der Partikel in der Drucktinte zu reduzieren und die Drucktinte so applizierbar zu machen. US9253878 beschreibt eine solche Formulierung basierend auf einem Silikon-Elastomer, Leitfähigkeitsruß sowie CNT, wobei Letztere dadurch gekennzeichnet sind, dass sie mindestens 30 nm dick sind. Letztere Eigenschaft verleiht der lösungsmittelhaltigen, leitfähigen Drucktinte eine gute Verdruckbarkeit im Siebdruck, was mit dünnen CNT (< 30 nm) nicht möglich ist. Die Formulierung kommt dennoch nicht ohne Lösungsmittel aus. Electrically conductive printing inks are used for the production of printed electronics in order to apply large-area or structured electrodes to a substrate in electronic components using any printing process. The printing of electrically conductive elastomers onto an elastic carrier (such as silicone, TPU) enables the construction of completely or partially elastic electronic components that retain their electrical properties almost unchanged even when stretched or compressed. Additionally, electrically conductive elastomeric printing inks can be printed on flexible (but not stretchable) substrates, such as. B. on PET, PE, PTFE or paper, in order to keep the mechanical damage to the printed electrode to a minimum, even under long-term mechanical stress due to repeated bending, and thus to prevent a change in the electrical conductivity due, for example, to an increase in resistance. Conductive printing inks for printed electronics are known and some are also commercially available. They typically contain at least one polymeric binder, at least one conductive component such as. B. Metal or carbon particles and at least one solvent to adjust the viscosity. Basically, conductive carbon particles such as B. Carbon black and carbon nanotubes (CNT) as fillers have the disadvantage that they greatly increase the viscosity of the formulation, which affects the printability of the ink significantly more difficult, so that solvents are typically used for dilution in order to reduce the effective concentration of the particles in the printing ink and thus make the printing ink usable. US9253878 describes such a formulation based on a silicone elastomer, conductivity carbon black and CNT, the latter being characterized by being at least 30 nm thick. The latter property gives the solvent-based, conductive printing ink good printability in screen printing, which is not possible with thin CNTs (< 30 nm). However, the formulation does not work without solvents.
US2016351289 beschreibt, dass ein Lösungsmittelgehalt von mindestens 10% in einer Silikon-basierten leitfähigen Drucktinte enthalten sein muss, damit sie applizierbar ist. Typischerweise werden im Bereich der Silikondrucktinten organische Lösungsmittel eingesetzt, welche im Anschluss nur sehr schwer vollständig entfernt werden können und für den Anwender hinsichtlich Arbeits- und Umweltschutz einen hohen Kostenaufwand mit sich bringen. US2016351289 describes that a solvent content of at least 10% must be contained in a silicone-based conductive printing ink in order for it to be applicable. Typically, organic solvents are used in the area of silicone printing inks, which are then very difficult to completely remove and entail high costs for the user in terms of occupational safety and environmental protection.
CNT-haltige Silikon-Elastomere sind bekannt. Silikonelastomere, die sowohl CNT als auch Ruß enthalten, werden in CN103160128 beschrieben. Die hier beschriebenen Silikon-Elastomere zeichnen sich durch einen hohen Rußanteil aus. Beansprucht werden mindestens 3.7 Gew% Ruß, die Beispiele zeigen jedoch, dass, um gute elektrische Eigenschaften zu erhalten, so dass der spezifische Widerstand < 20 Ohm*cm beträgt, ein Gesamtfüllstoff gehalt (CB + CNT) von mindestens 8.5% notwendig ist. Es wird kein Druckverfahren unter Verwendung dieser Zusammensetzungen offenbart. CNT-containing silicone elastomers are known. Silicone elastomers containing both CNT and carbon black are described in CN103160128. The silicone elastomers described here are characterized by a high soot content. At least 3.7% by weight of carbon black is required, but the examples show that in order to obtain good electrical properties so that the specific resistance is <20 ohm*cm, a total filler content (CB + CNT) of at least 8.5% is necessary. No printing process using these compositions is disclosed.
Lösungsmittel-freie Silikon-basierte Drucktinten sind nur wenig bekannt: Z.B. wird in US2014060903 eine lösungsmittelfreie, Silikon-basierte, leitfähige Drucktinte beschrieben,
die allerdings keine leitfähigen Partikel mit hohem Aspektverhältnis enthält (wie z . B . Kohlenstof fnanoröhren = CNT ) und somit nicht für dehnbare Anwendungen geeignet ist . Für dehnbare Anwendungen, zu denen die dielektrischen Elastomersensoren, -aktoren und -generatoren gehören, werden dehnbare Bindemittel (Elastomere ) in Kombination mit leitfähigen anisotropen Partikeln eingesetzt , die ein hohes Aspektverhältnis besitzen, typischerweise CNT . Das hohe Aspektverhält-nis der leitfähigen Partikel sorgt dafür, dass die leitfähigen Partikel im Gegensatz zu sphärischen Partikeln bei geringeren Füllstof fmengen ein leitfähiges Netzwerk durch das gesamte System bilden können, das auch bei Dehnung des Elastomers Bestand hat . Damit bleibt eine gute Elektronenleitung auch bei Dehnung des Elastomers gewährleistet . Solvent-free silicone-based printing inks are little known: For example, US2014060903 describes a solvent-free, silicone-based, conductive printing ink, which, however, does not contain conductive particles with a high aspect ratio (such as carbon nanotubes = CNT) and is therefore not suitable for stretchable applications. For stretchable applications, which include the dielectric elastomer sensors, actuators and generators, stretchable binders (elastomers) are used in combination with conductive anisotropic particles that possess a high aspect ratio, typically CNT. The high aspect ratio of the conductive particles ensures that, in contrast to spherical particles, the conductive particles can form a conductive network through the entire system with smaller amounts of filler, which persists even when the elastomer is stretched. This ensures good electron conduction even when the elastomer is stretched.
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Auftragung von Silikonschichten, insbesondere solche , die zur Herstellung von Elektrodenschichten und/oder dielektrischer Schichten in Aktoren, Sensoren und anderen elektroaktiven Polymerschichtsystemen geeignet sind, sind in ihrer Variabilität , Auftragegenauigkeit , Durchsatz sowie in der später erreichten Bauteilef fektivität und Beständigkeit beschränkt . The methods known in the prior art for applying silicone layers, in particular those that are suitable for producing electrode layers and/or dielectric layers in actuators, sensors and other electroactive polymer layer systems, are outstanding in their variability, application precision, throughput and in the component efficiency achieved later effectiveness and durability limited.
Zur Auftragung von Schichten ist im Stand der Technik unter anderem das sogenannte Lasertrans ferdruck-Verfahren bekannt . Dieses Verfahren beschränkt sich j edoch in seiner Anwendung bisher auf niedrigviskose Tinten und Dispersionen sowie Metalle . The so-called laser transfer printing process is known in the prior art for applying layers. However, this process has so far been limited in its application to low-viscosity inks and dispersions as well as metals.
WO 2009/ 153192 A2 (= korrespondierend zu US2011151614A) beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung leitfähiger Schichten auf Halbleiterstrukturen, wobei eine Metallpulverdispersion auf einen Träger aufgebracht und durch einen Laserstrahl vom Träger auf ein Target abgelöst wird .
US2011298878A (= korrespondierend zu WO 2010/ 069900 Al ) beschreibt beispielsweise den Laser-Trans ferdruck von Farbe . WO 2009/153192 A2 (=corresponding to US2011151614A), for example, describes a method for producing conductive layers on semiconductor structures, wherein a metal powder dispersion is applied to a carrier and detached from the carrier onto a target by a laser beam. US2011298878A (= corresponding to WO 2010/069900 Al) describes, for example, laser transfer printing of color.
US2017189995A (= korrespondierend zu WO 2015/ 181810 Al ) beschreibt ein Lasertrans fer-Verfahren zum Drucken von metallischen Körpern . Ein Metall film wird dabei auf einem transparenten Träger punktuell erhitzt und in Form von Tropfen positioniert . US2017189995A (= corresponding to WO 2015/181810 Al) describes a laser transfer process for printing metallic bodies. A metal film is heated at specific points on a transparent support and positioned in the form of drops.
Das Erzeugen von glatten Oberflächen, die frei von Partikeln sind, ist bei elektrisch leitenden Silikonzusammensetzungen, die CNTs enthalten, besonders erschwert . Grund hierfür ist die starke Neigung von CNTs , Agglomerate aus zubilden, die auch beim Einsatz hoher Scherkräfte beim Einarbeiten in eine Matrix nicht vollständig aufgeschlossen werden können, so dass im Silikon partikuläre Agglomerate zu finden sind . Die partikulären Agglomerate können eine Größe von 25 , 50 oder sogar über 100 pm betragen und machen sich in dünnen geräkelten oder gedruckten Schichten als herausragende Zacken bemerkbar . Creating smooth surfaces that are free of particles is particularly difficult with electrically conductive silicone compositions containing CNTs. The reason for this is the strong tendency of CNTs to form agglomerates, which cannot be completely broken down when incorporated into a matrix even when high shear forces are used, so that particulate agglomerates can be found in the silicone. The particulate agglomerates can have a size of 25, 50 or even over 100 pm and are noticeable as protruding spikes in thin raked or printed layers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung elektrisch leitfähiger, vernetzender Silikonelastomerzusammensetzungen, welche trotz des gleichzeitigen Einsatzes von Leitfähigkeitruß und CNT mit einem hohen Aspektverhältnis , aber ohne den Einsatz von Lösungsmitteln auskommt , gleichzeitig aber gute Applikationseigenschaften als Drucktinte in kontaktlosen Druckverfahren wie beispielsweise dem Laser-Trans ferdruckverfahren zeigt , und nach dem Aufträgen eine glatte Oberfläche , die frei von Partikeln ist , liefert . The object of the present invention was therefore to provide a method for producing electrically conductive, cross-linking silicone elastomer compositions which, despite the simultaneous use of conductivity carbon black and CNT, have a high aspect ratio but without the use of solvents, but at the same time have good application properties as printing inks in contactless printing processes such as for example, the laser transfer printing process, and after application it provides a smooth surface that is free of particles.
Überraschenderweise wurde in der vorliegenden Erfindung gefunden, dass eine elektrisch leitfähige Silikonelastomerzusammensetzung, basierend auf Leitfähigkeitruß ( 0 , 5 - 3
Gew.%) und MWCNT (0,1 - 3 Gew.-%) , ohne Zusatz eines Lösungsmittels als Drucktinte eingesetzt werden kann, um Elektroden für dielektrische Elastomersensoren und -aktoren zu drucken, wenn die gesamte oder Teile der Zusammensetzung in mindestens einem zweistufigen Schritt verarbeitet werden, bei der die Komponenten MWCNT und Leitfähigkeitruß gemeinsam eingearbeitet werden, indem Surprisingly, it was found in the present invention that an electrically conductive silicone elastomer composition based on conductivity carbon black (0, 5 - 3 % by weight and MWCNT (0.1 - 3% by weight), without the addition of a solvent, can be used as a printing ink to print electrodes for dielectric elastomer sensors and actuators if all or parts of the composition are used in at least a two-stage Step are processed in which the components MWCNT and conductivity carbon black are incorporated together
1. zunächst in einem ersten Schritt (Dispergierung) mittels eines Hochgeschwindigkeitsmischers dispergiert wird, so dass der spezifische Widerstand kleiner 50 Qcm beträgt, und 1. is initially dispersed in a first step (dispersion) using a high-speed mixer so that the specific resistance is less than 50 Qcm, and
2. anschließend in einem zweiten Schritt (Nachbehandlung) mithilfe eines Dreiwalzenstuhls mechanisch nachbehandelt wird, um größere Agglomerate zu zerkleinern. Die endgültige Silikon- zusammeset zung des 1K- bzw. 2K-Elektrodenmaterials kann ggf. durch Verdünnen in einem folgenden Schritt erhalten werden. Das somit erhaltene Druckbild besitzt eine glatte Oberfläche und ist frei von Zacken. 2. is then mechanically treated in a second step (post-treatment) using a three-roll mill in order to break down larger agglomerates. The final silicone composition of the 1K or 2K electrode material can, if necessary, be obtained by diluting it in a subsequent step. The resulting printed image has a smooth surface and is free of jagged edges.
Um die Seitenzahl der Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht zu umfangreich zu gestalten, werden im Folgenden nur die bevorzugten Aus führungs formen der einzelnen Merkmale aufgeführt . In order not to make the number of pages in the description of the present invention too extensive, only the preferred embodiments of the individual features are listed below.
Der fachkundige Leser soll diese Art der Offenbarung aber explizit so verstehen, dass damit auch jede Kombination aus unterschiedlichen Bevorzugungsstufen explizit offenbart und explizit gewünscht ist. However, the expert reader should explicitly understand this type of disclosure to mean that every combination of different preference levels is explicitly disclosed and explicitly desired.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen, vernetzenden Silikonelastomerzusammensetzung, enthaltend : The invention therefore relates to a process for producing an electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition, containing:
0,5 bis 3,0 Gew.% Leitfähigkeitsruß, 0,1 bis 3,0 Gew.% mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) , 0.5 to 3.0% by weight of conductivity carbon black, 0.1 to 3.0% by weight of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT),
- KEIN Lösungsmittel,
mit der Maßgabe , dass a ) bei IK-Systemen alle Komponenten in einem oder in mehreren Schritten vermischt werden, oder dass b ) bei 2K-Systemen j eweils nur die Komponenten der A- bzw . der B-Zusammensetzung in einem oder in mehreren Schritten vermischt werden, mit der Maßgabe , dass zum Vermischen zumindest ein Schritt aus einer zweistufigen Verarbeitung besteht , bei der die Komponenten MWCNT und Leitfähigkeitruß gemeinsam eingearbeitet werden, wobei hierfür gleich die Gesamtmengen beider Komponenten oder nur Teilmengen beider Komponenten oder eine Kombination aus Gesamtmenge einer mit einer Teilmenge der anderen Komponente eingesetzt werden, wobei - NO solvent, with the proviso that a) in IK systems all components are mixed in one or more steps, or that b) in 2K systems only the components of the A or the B composition can be mixed in one or more steps, with the proviso that for mixing at least one step consists of a two-stage processing in which the components MWCNT and conductivity carbon black are incorporated together, for which the total amounts of both components or only partial amounts are used both components or a combination of the total amount of one with a subset of the other component can be used, whereby
MWCNT , Leitfähigkeitruß und mindestens eine weitere Komponente in einem ersten Schritt (= Dispergierung) mittels eines Hochgeschwindigkeitsmischers dispergiert werden, so dass der spezi fische Widerstand der Mischung höchstens 50 Qcm beträgt , und anschließend diese Mischung in einem zweiten Schritt (= mechanische Nachbehandlung) mit einem Dreiwal zenstuhl nachbehandelt wird . MWCNT, conductivity carbon black and at least one other component are dispersed in a first step (= dispersion) using a high-speed mixer so that the specific resistance of the mixture is at most 50 Qcm, and then this mixture is mixed in a second step (= mechanical aftertreatment) with a Three-roller mill is post-treated.
Die erfindungsgemäß eingesetzten MWCNTs weisen bevorzugt ein Aspektverhältnis von L/B>10 , insbesondere bevorzugt von L/B>100 auf . The MWCNTs used according to the invention preferably have an aspect ratio of L/B>10, particularly preferably of L/B>100.
Die Messung des spezi fischen Widerstandes der o . g . Mischung erfolgt mittels folgender Messmethode : The measurement of the specific resistance of the above. g. Mixing is done using the following measuring method:
Wider Standsmessung : Against level measurement:
Bei einer Vierleitermessung wird der Kontaktwiderstand nicht mitgemessen, da der Strom an zwei Kontakten angelegt wird, und
an zwei weiteren Kontakten die Spannung U des bereits durch die Probe geflossenen Stromes Iv gemessen wird . In a four-wire measurement, the contact resistance is not measured because the current is applied to two contacts, and The voltage U of the current I v that has already flowed through the sample is measured at two further contacts.
U R = - [fi] lu U R = - [fi] lu
Der Widerstand R von nicht vulkanisierten Siloxanen wird mit dem Multimeter Model 2110 5
digit von Keithley Instrument und einer angefertigten Messapparatur aus PP Natur- und Edelstahl- ( 1 . 4571 ) -Elektroden gemessen . Die Verbindung des Messgeräts mit den Elektroden erfolgt mittels Messingkontakten und Laborleitungen . Die Messapparatur ist eine Form mit definierten Maßen für L x B x H von 16 cm x 3 cm x 0 , 975 cm, in die das Siloxan zur Messung gestrichen wird . Die beiden äußeren flächigen Elektroden sind im Abstand von 16 cm angebracht , wodurch der Strom die ganze Probe durchströmt . Die beiden Punkt-Elektroden mit einem Durchmesser von 1 cm befinden sich in der Bodenplatte im Abstand von 12 cm ( 1 ) und messen die Spannung . Mit folgender Formel wird der spezi fische Widerstand aus dem gemessenen Widerstand R berechnet .
mit Probenhöhe h [ cm] , Probenbreite w [ cm] und Elektrodenabstand 1 [ cm] The resistance R of unvulcanized siloxanes is measured using the Multimeter Model 2110 5 digit from Keithley Instrument and a measuring apparatus made from natural PP and stainless steel (1.4571) electrodes. The measuring device is connected to the electrodes using brass contacts and laboratory cables. The measuring apparatus is a mold with defined dimensions for L x W x H of 16 cm x 3 cm x 0.975 cm, into which the siloxane is spread for measurement. The two outer flat electrodes are placed at a distance of 16 cm, so that the current flows through the entire sample. The two point electrodes with a diameter of 1 cm are located in the base plate at a distance of 12 cm ( 1 ) and measure the voltage. The following formula is used to calculate the specific resistance from the measured resistance R. with sample height h [cm], sample width w [cm] and electrode distance 1 [cm]
(hier : h = 0 , 975 cm, w = 3 cm, 1 = 12 cm) (here: h = 0, 975 cm, w = 3 cm, 1 = 12 cm)
Die Methoden zur Dispergierung der leitfähigen Füllstof fe , zum Vermischen der Komponenten und die dabei verwendbaren Apparaturen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt . The methods for dispersing the conductive fillers, for mixing the components and the apparatus that can be used are well known to those skilled in the art from the prior art.
Die Dispergierung erfolgt in einem Hochgeschwindigkeitsmischer (= Dissolver ) , wobei zusätzlich bevorzugt ein Abstrei fer eingesetzt werden kann, um eine gleichmäßige Verteilung der
leitfähigen Füllstof fe zu erreichen . Bevorzugt wird ein Planetendissolver mit Abstrei fer eingesetzt . Besonders bevorzugt wird ein Vakuum-Planetendissolver mit Abstrei fer und Balkenrührer eingesetzt . Es können Dissolverscheiben mit beliebiger Anordnung und Anzahl an Zähnen eingesetzt werden . Als Basismaterialien für die Silikonelastomerzusammensetzung können prinzipiell alle im Stand der Technik bekannten Silikonelastomerzusammensetzungen verwendet werden . The dispersion takes place in a high-speed mixer (=dissolver), whereby a scraper can also preferably be used to ensure a uniform distribution of the to achieve conductive fillers. A planetary dissolver with a scraper is preferably used. A vacuum planetary dissolver with a scraper and a bar stirrer is particularly preferred. Dissolver disks with any arrangement and number of teeth can be used. In principle, all silicone elastomer compositions known in the prior art can be used as base materials for the silicone elastomer composition.
Es können beispielsweise additionsvernetzende , peroxidisch vernetzende , kondensationsvernetzende oder strahlenvernetzende Silikonelastomerzusammensetzungen verwendet werden . Bevorzugt sind peroxidisch oder additionsvernetzende Zusammensetzungen . Besonders bevorzugt sind additionsvernetzende Zusammensetzungen . For example, addition-curing, peroxide-curing, condensation-curing or radiation-curing silicone elastomer compositions can be used. Peroxidic or addition-crosslinking compositions are preferred. Addition-crosslinking compositions are particularly preferred.
Die Silikonelastomerzusammensetzungen können ein- oder zweikomponentig formuliert sein . Die Vernetzung der Silikonelastomerzusammensetzungen erfolgt dabei durch Wärmezufuhr, UV-Licht und/oder Feuchtigkeit . Geeignet sind beispielsweise folgende Silikonelastomerzusammensetzungen : HTV ( additionsvernetzend) , HTV ( strahlenvernetzend) , LSR, RTV 2 ( additionsvernetzend) , RTV 2 ( kondensationsvernetzend) , RTV 1 , TPSE ( thermoplastisches Silikonelastomer ) , Thiol-En- und Cyanacetamid- vernetzende Systeme . The silicone elastomer compositions can be formulated as one or two components. The silicone elastomer compositions are crosslinked by applying heat, UV light and/or moisture. The following silicone elastomer compositions are suitable, for example: HTV (addition-crosslinking), HTV (radiation-crosslinking), LSR, RTV 2 (addition-crosslinking), RTV 2 (condensation-crosslinking), RTV 1, TPSE (thermoplastic silicone elastomer), thiol-ene and cyanacetamide-crosslinking systems.
Die bevorzugten additionsvernetzenden Silikonelastomerzusammensetzungen enthalten im einfachsten Fall In the simplest case, the preferred addition-curing silicone elastomer compositions contain
(A) mindestens eine lineare Verbindung, die Reste mit aliphatischen Kohlenstof f-Kohlenstof f-Mehrfachbindungen aufweist ,(A) at least one linear compound that has residues with aliphatic carbon f-carbon f multiple bonds,
(B ) mindestens eine - bevorzugt lineare - Organopolysiloxan- Verbindung mit Si-gebundenen Wasserstof f atomen, oder anstelle von (A) und (B ) oder zusätzlich zu (A) und (B )
( C ) mindestens eine lineare Organopolysiloxan-Verbindung, die Si-C-gebundene Reste mit aliphatischen Kohlenstof f-Kohlenstof f-Mehrfachbindungen und Si-gebundene Wasserstof f atome aufweist , und (B) at least one - preferably linear - organopolysiloxane compound with Si-bonded hydrogen atoms, or instead of (A) and (B) or in addition to (A) and (B) (C) at least one linear organopolysiloxane compound that has Si-C-bonded residues with aliphatic carbon f-carbon f multiple bonds and Si-bonded hydrogen atoms, and
( D) mindestens einen Hydrosilylierungskatalysator . (D) at least one hydrosilylation catalyst.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es ganz wesentlich, dass zumindest Teilmengen von Leitfähigkeitruß und MWCNT gemeinsam und in zwei aufeinanderfolgenden Schritten im Silikon dispergiert werden, wobei zunächst in einem ersten Schritt die Dispergierung mittels eines Hochgeschwindigkeits-mischers durchgeführt wird, um eine homogene Verteilung und Zerkleinerung der Füllstof f aggregate zu erhalten, so dass der spezi fsche Widerstand der Mischung kleiner 50 Q*cm beträgt , und anschließend in einem zweiten Schritt die Mischung mithil fe eines Dreiwal zenstuhls mechanisch nachbehandelt wird, um größere Agglomerate zu zerkleinern . Die Menge an Siloxan, Leitfähigkeitruß und MWCNT kann dabei so bemessen sein, dass sie den angestrebten Feststof f anteilen von Leitfähigkeitruß und MWCNT in der fertigen Mischung entspricht , oder es kann auch ein sogenannter Masterbatch-Ansatz hergestellt werden . Dabei wird entweder die Siloxanmenge und/oder die Leitfähigkeitruß- und MWCNT-Menge so bemessen, dass ein höherer Feststof fanteil in der Mischung resultiert , als später benötigt wird . Beim Masterbatchansatz kann die konzentrierte Feststof fdispersion auf den Feststof f-Zielwert mit weiterem Siloxan herunterverdünnt werden . Zur Verdünnung können dasselbe Siloxan oder mindestens ein anderes Siloxan oder auch Mischungen aus demselben Siloxan und mindestens einem anderen Siloxan verwendet werden . For the method according to the invention, it is very important that at least partial amounts of conductivity carbon black and MWCNT are dispersed together in the silicone in two successive steps, with the dispersion being carried out in a first step using a high-speed mixer in order to achieve a homogeneous distribution and comminution of the To obtain filler aggregates so that the specific resistance of the mixture is less than 50 Q*cm, and then in a second step the mixture is mechanically treated using a three-roller mill in order to crush larger agglomerates. The amount of siloxane, conductivity black and MWCNT can be such that it corresponds to the desired solids proportions of conductivity black and MWCNT in the finished mixture, or a so-called masterbatch batch can also be produced. Either the amount of siloxane and/or the amount of conductivity carbon black and MWCNT is measured in such a way that a higher proportion of solids results in the mixture than is later required. With the masterbatch approach, the concentrated solids dispersion can be diluted down to the target solids value with additional siloxane. The same siloxane or at least one different siloxane or mixtures of the same siloxane and at least one different siloxane can be used for dilution.
Zur Dispergierung können die Komponenten der erfindungsgemäßen Siloxanzusammensetzung in beliebiger Reihenfolge zugegeben und dispergiert werden . Zur Dispergierung können sowohl Leitfähigkeitruß als auch MWCNT als Feststof f oder als im Vorfeld her-
gestellte Vermischungen eingesetzt werden . Vor der eigent-li- chen Dispergierung kann es vorteilhaft sein, die Feststof fe bei einer niedrigeren Umlaufgeschwindigkeit der Mischwerkzeuge in das Siloxan einzurühren oder einzumischen . Auf diese Weise kann eine entsprechende Vorbenetzung der Feststof fe mit Siloxan erreicht werden . For dispersion, the components of the siloxane composition according to the invention can be added and dispersed in any order. For dispersion, both conductivity carbon black and MWCNT can be used as a solid or prepared in advance. provided mixtures can be used. Before the actual dispersion, it can be advantageous to stir or mix the solids into the siloxane at a lower rotational speed of the mixing tools. In this way, appropriate pre-wetting of the solids with siloxane can be achieved.
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form kann anstelle des Ruß feststof fs eine im Vorfeld hergestellte Rußvormischung eingesetzt werden . In a particularly preferred embodiment, a premixed soot premix can be used instead of the soot solid.
In einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens kann eine oder können beide Vormischungen mittels eines Wal zenstuhls hergestellt werden . In a further embodiment of the process, one or both premixes can be produced using a roller mill.
Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, die Rußvormischung mittels eines Wal zenstuhls herzustellen . It has proven to be advantageous to produce the soot premix using a roller mill.
In einer bevorzugten Aus führungs form des Verfahrens wird die Rußvormischung, bestehend aus Leitfähigkeitsruß und Siloxan, zunächst mit einem Wal zenstuhl hergestellt und anschließend mit MWCNT als Feststof f und weiterem Siloxan zu einem Masterbatch vereint . In der erfindungsgemäßen Aus führungs form wird dieser vereinigte Masterbatch, in dem MWCNTs und Leitfähigkeitruß gemeinsam vorliegen, in einem ersten Schritt mittels eines Hochgeschwindigkeitsmischers dispergiert , so dass der spezi fsche Widerstand der Mischung kleiner 50 Q*cm beträgt , und anschließend in einem zweiten Schritt die Mischung mithil fe eines Dreiwal zenstuhls mechanisch nachbehandelt . In a preferred embodiment of the process, the carbon black premix, consisting of conductivity carbon black and siloxane, is first produced using a roller mill and then combined with MWCNT as a solid and additional siloxane to form a masterbatch. In the embodiment according to the invention, this combined masterbatch, in which MWCNTs and conductivity carbon black are present together, is dispersed in a first step using a high-speed mixer so that the specific resistance of the mixture is less than 50 Q * cm, and then in a second step Mixture mechanically treated using a three-roll mill.
In einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens werden der Leitfähigkeitruß und MWCNT unabhängig voneinander in Teilen des Siloxans eingemischt und ggf . vordispergiert , d . h . in unterschiedlichen Mischbehältern eingemischt und ggf . vor-dis- pergiert , und anschließend werden die beiden Mischungen (Rußvormischung und MWCNT-Vormischung) unter Mischen mit ggf . weiteren Komponenten vereinigt . In der erfindungsgemäßen Aus füh-
rungs form wird diese vereinigte Mischung, in der MWCNTs und Leitfähigkeitruß gemeinsam vorliegen, in einem ersten Schritt mittels eines Hochgeschwindigkeitsmischers disper-giert , so dass der spezi fsche Widerstand der Mischung kleiner 50 Q*cm beträgt , und anschließend in einem zweiten Schritt die Mischung mithil fe eines Dreiwal zenstuhls mechanisch nachbehandelt . Die endgültige Silikonzusammensetzung des 1K- bzw . 2K-Elektrodenmaterials kann ggf . durch Verdünnen in einem folgenden Schritt erhalten werden . In a further embodiment of the process, the conductivity carbon black and MWCNT are mixed independently of one another in parts of the siloxane and, if necessary. predispersed, i.e. H . mixed in different mixing containers and if necessary. pre-dispersed, and then the two mixtures (soot premix and MWCNT premix) are mixed with if necessary. other components combined. In the embodiment according to the invention In this form, this combined mixture, in which MWCNTs and conductivity carbon black are present together, is dispersed in a first step using a high-speed mixer so that the specific resistance of the mixture is less than 50 Q*cm, and then in a second step the mixture is mixed using Fe of a three-roll mill mechanically treated. The final silicone composition of the 1K or 2K electrode material can be used if necessary. can be obtained by dilution in a subsequent step.
Die Zugabe von MWCNT , Leitfähigkeitruß und der Komponenten (A) bis ( D) kann unabhängig vom genauen Verfahren j eweils portionsweise oder durch Zugabe der Gesamtmenge erfolgen . Optional kann der Mischbehälter und damit das enthaltene Mischgut während der Dispergierung temperiert werden, d . h . durch Kühlen oder Hei zen auf einer Zieltemperatur gehalten werden . Üblicherweise liegt die Temperatur in einem Bereich von 0 - 200 ° C, bevorzugt in einem Bereich von 20 - 100 ° C . Optional kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Vakuum durchgeführt werden . Bevorzugt erfolgt die Dispergierung, d . h . Dispergierintervalle inklusive Dispergierpausen, unter Vakuum . Das Vakuum beträgt üblicherweise < 1 . 000 mbar, bevorzugt < 800 mbar und besonders bevorzugt < 500 mbar . Regardless of the exact process, MWCNT, conductivity carbon black and components (A) to (D) can be added in portions or by adding the entire amount. Optionally, the mixing container and thus the mixed material contained can be tempered during dispersion, i.e. H . be kept at a target temperature by cooling or heating. The temperature is usually in a range of 0 - 200 ° C, preferably in a range of 20 - 100 ° C. Optionally, the process according to the invention can be carried out under vacuum. Dispersion is preferably carried out, i.e. H . Dispersion intervals including dispersion pauses, under vacuum. The vacuum is usually <1. 000 mbar, preferably <800 mbar and particularly preferably <500 mbar.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, im Anschluss an die Dispergierung ein Vakuum anzulegen . Dies kann im gleichen Gerät wie die Dispergierung erfolgen, oder in einem anderen Apparat . Üblicherweise erfolgt das Anlegen von Vakuum unter Rühren . Das Vakuum beträgt üblicherweise < 1 . 000 mbar, bevorzugt < 800 mbar und besonders bevorzugt < 500 mbar . Furthermore, it can be advantageous to apply a vacuum following the dispersion. This can be done in the same device as the dispersion, or in a different device. The vacuum is usually applied while stirring. The vacuum is usually <1. 000 mbar, preferably <800 mbar and particularly preferably <500 mbar.
Die Dispergierung erfolgt bei einer hohen Umlaufgeschwindigkeit der Dispergierwerkzeuge und insbesondere der Dissolver- scheibe . Der so erzielte hohe Leistungseintrag führt zu der gewünschten feindispersen Verteilung der leitfähigen Füllstof fe MWCNT und/oder Leitfähigkeitruß im Siloxan . Wesentlich für das Dispersionsergebnis und damit für eine optimal hohe
elektrische Leitfähigkeit der leitfähigen, vernetzenden Silikonelastomerzusammensetzung ist dabei ein maximaler Leistungseintrag der Mischwerkzeuge . Der maximale Leistungseintrag ist dabei abhängig von den gewählten Mischwerkzeugen, deren geometrischer Anordnung, der Umlaufgeschwindigkeit insbesondere der Dissolverscheibe , der Temperatur und der ef fektiven Viskosität des Mischguts , d . h . der Viskosität des Siloxans , die unter anderem vom Polymerisationsgrad des Siloxans abhängt und der zugesetzten Füllstof fmenge . An die Dispergierung schließt sich eine mechanische Nachbehandlung mit dem Dreiwal zenstuhl an, um partikuläre Agglomerate zu zerkleinern . The dispersion takes place at a high rotational speed of the dispersing tools and in particular of the dissolver disk. The high power input achieved in this way leads to the desired finely dispersed distribution of the conductive fillers MWCNT and/or conductivity carbon black in the siloxane. Essential for the dispersion result and therefore for an optimally high one Electrical conductivity of the conductive, cross-linking silicone elastomer composition is a maximum power input from the mixing tools. The maximum power input depends on the selected mixing tools, their geometric arrangement, the rotational speed of the dissolver disk in particular, the temperature and the effective viscosity of the mix, i.e. H . the viscosity of the siloxane, which depends, among other things, on the degree of polymerization of the siloxane and the amount of filler added. The dispersion is followed by a mechanical post-treatment with the three-roll mill in order to crush particulate agglomerates.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann um eine finale Nachbehandlung mittels Druckfiltration ergänzt werden . Es kann aber auch auf diese Nachbehandlung mittels Druckfiltration verzichtet werden . The method according to the invention can be supplemented by a final aftertreatment using pressure filtration. However, this post-treatment using pressure filtration can also be dispensed with.
Sollte eine solche Nachbehandlung erfolgen, so ist diese dadurch gekennzeichnet , dass c ) bei IK-Systemen die Druckfiltration durch ein Metallgewebe mit einer Maschenweite von mindestens 100 pm erfolgt , bevorzugt mindestens 200 pm, oder dass d) bei 2K-Systemen j eweils nur für die A- bzw . die B-Zusammen- setzung die Druckfiltration durch ein Metallgewebe mit einer Maschenweite von mindestens 100 pm, bevorzugt mindestens 200 pm, erfolgt . Should such an aftertreatment take place, it is characterized in that c) in IK systems the pressure filtration is carried out through a metal mesh with a mesh size of at least 100 pm, preferably at least 200 pm, or that d) in 2K systems each only for the A or the B composition is pressure filtered through a metal mesh with a mesh size of at least 100 pm, preferably at least 200 pm.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind die elektrisch leitfähigen, vernetzenden Silikonelastomerzusammensetzungen, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren . A further subject of the present invention are the electrically conductive, crosslinking silicone elastomer compositions, obtainable by the process according to the invention.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen leitfähigen, vernetzenden Silikonelastomerzusammensetzung als elektrisch leitfähige Drucktinte in
kontaktlosen Druckverfahren zur Herstellung von elektrisch leitfähigen Elastomeren auf elastischen Trägern . A further subject of the invention is the use of the conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to the invention as an electrically conductive printing ink Contactless printing process for the production of electrically conductive elastomers on elastic supports.
Wird die so hergestellte erfindungsgemäße elektrisch leitfähige , vernetzende Silikonelastomerzusammensetzung als Drucktinte , beispielsweise in einem kontaktlosen Druckverfahren eingesetzt , so entsteht ein Druckbild, welches eine glatte Oberfläche besitzt , die frei von Partikeln ( Zacken) ist . Dies ist von entscheidendem Vorteil , wenn mehrlagige Systeme hergestellt werden sollen, in denen das leitfähige Material zwischen weiteren Schichten eingebracht werden soll , z . B . durch Lamination oder Überschichten . If the electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to the invention produced in this way is used as a printing ink, for example in a contactless printing process, a printed image is created which has a smooth surface that is free of particles (jagged edges). This is a decisive advantage if multi-layer systems are to be produced in which the conductive material is to be introduced between further layers, e.g. B. by lamination or overlaying.
Kontaktlose Druckverfahren haben den Vorteil , dass der Bedruckstof f während des Druckprozesses eine möglichst geringe mechanische Belastung erfährt . Die erfindungsgemäße elektrisch leitfähige , vernetzende Silikonelastomerzusammensetzung kann als Drucktinte für andere kontaklose Druckverfahren wie z . B . Sprüh- , drop-on-demand-Verf ahren oder den Lasertrans ferdruck ( LI FT-Verf ahren) eingesetzt werden . Bevorzugt wird sie im Lasertrans ferdruck ( LI FT-Verf ahren) eingesetzt . Contactless printing processes have the advantage that the printing material experiences as little mechanical stress as possible during the printing process. The electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to the invention can be used as a printing ink for other non-contact printing processes such as. B. Spray, drop-on-demand processes or laser transfer printing (LI FT process) can be used. It is preferably used in laser transfer printing (LI FT process).
Die erfindungsgemäße elektrisch leitfähige , vernetzende Silikonelastomerzusammensetzung eignet sich besonders bevorzugt als Drucktinte zum Verdrucken von Elektroden für dielektrische Elastomersensoren, -aktoren und -generatoren und EAP-Schicht- systemen . The electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to the invention is particularly suitable as a printing ink for printing electrodes for dielectric elastomer sensors, actuators and generators and EAP layer systems.
Ausführungsbeispiele Examples of embodiments
Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die prinzipielle Ausführbarkeit der vorliegenden Erfindung, ohne j edoch diese auf die darin of fenbarten Inhalte zu beschränken . The following examples describe the basic feasibility of the present invention, without however limiting it to the contents disclosed therein.
Die nachfolgenden Beispiele wurden bei einem Druck der umgebenden Atmosphäre , also bei etwa 1013 hPa, und, sofern nicht
anders angegeben, bei Raumtemperatur, also etwa 23°C bzw. einer Temperatur, die sich beim Zusammengehen der Reaktanden bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Heizung oder Kühlung einstellt, durchgeführt. The following examples were taken at a pressure of the surrounding atmosphere, i.e. at around 1013 hPa, and, if not otherwise stated, carried out at room temperature, i.e. about 23 ° C or a temperature that occurs when the reactants combine at room temperature without additional heating or cooling.
Chemikalien : Chemicals:
MWCNTs LUCAN BT1001M, Hersteller LG Chem Ltd., mittlerer Durchmesser laut Herstellerangaben: 10 nm MWCNTs LUCAN BT1001M, manufacturer LG Chem Ltd., average diameter according to manufacturer's information: 10 nm
Zur Herstellung der Rußvormischung wurden 5 Gew.-% des Hochleit fähigkeitsrußes Ketjenblack EC-600JD (erhältlich bei Nouryon) in 95 Gew.-% ViPo 1.000 auf einem Dreiwalzenstuhl eingearbeitet . To produce the carbon black premix, 5% by weight of the high-conductivity carbon black Ketjenblack EC-600JD (available from Nouryon) was incorporated into 95% by weight of ViPo 1,000 on a three-roll mill.
ViPo 1.000: Vinyldimethylsiloxy-endständiges Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von 1.000 mPa*s, erhältlich bei Gelest Inc. unter der Produktbezeichnung DMS-V31 (Gelest- Katalog) . ViPo 1,000: Vinyldimethylsiloxy-terminated polydimethylsiloxane with a viscosity of 1,000 mPa*s, available from Gelest Inc. under the product name DMS-V31 (Gelest catalog).
HPo 1.000: Hydridodimethylsiloxy-endständiges Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von 1.000 mPa*s, erhältlich bei Gelest Inc. unter der Produktbezeichnung DMS-H31 (Gelest- Katalog) . HPo 1,000: Hydridodimethylsiloxy-terminated polydimethylsiloxane with a viscosity of 1,000 mPa*s, available from Gelest Inc. under the product name DMS-H31 (Gelest catalog).
Als Vernetzer wurde ein a, w-Dimethylhydrogensiloxy-poly (dime- thyl-methylhydrogen) siloxan (Viskosität 130 - 200 mm2/s; 0,145 - 0,165 Gew.-%-H) eingesetzt. An a, w-dimethylhydrogensiloxy-poly (dimethylmethylhydrogen) siloxane (viscosity 130 - 200 mm 2 /s; 0.145 - 0.165% by weight of H) was used as the crosslinker.
Als Hydrosilylierungskatalysator wurde für einkomponentige Systeme ein Platinkomplex mit Phosphitliganden gewählt, wie in EP2050768B1 (Katalysator 6) beschrieben. Für zweikomponentige Systeme wurde WACKER® KATALYSATOR OL (erhältlich bei Wacker Chemie AG) eingesetzt.
1-Ethinyl-l-cyclohexanol ist erhältlich bei Sigma Aldrich (CAS -Nummer: 78-27-3) . A platinum complex with phosphite ligands was chosen as the hydrosilylation catalyst for one-component systems, as described in EP2050768B1 (catalyst 6). WACKER® KATALYSATOR OL (available from Wacker Chemie AG) was used for two-component systems. 1-Ethynyl-l-cyclohexanol is available from Sigma Aldrich (CAS number: 78-27-3).
Viskositätsmessung : Viscosity measurement:
Die Messungen der Viskosität wurden an einem luftgelagerten MCR 302 Rheometer der Firma Anton Paar bei 25 °C durchgeführt. Es wurde ein Kegel-Platte-System (25 mm, 2°) mit einem Spaltmaß von 105 pm verwendet. Das überschüssige Material wurde bei einem Spalt-Abstand von 115 pm mit einem Spatel entfernt (getrimmt) . Anschließend bewegte sich der Kegel auf 105 pm Spaltabstand, damit der komplette Spalt gefüllt war. Vor jeder Messung wird eine "Vorscherung" durchgeführt, bei der die Scherhistorie durch die Probenvorbereitung, die Auftragung und das Trimmen gelöscht wird. Die Vorscherung erfolgt für 60 Sekunden bei Scherrate 10 s-1, gefolgt von einer Ruhezeit von 300 Sekunden. Die Scherviskosität wird mittels eines Stufenprofils bestimmt, bei dem die Probe mit konstanter Scherrate von 1 s-1, 10 s-1 und 100 s-1 für jeweils 100 Sekunden geschert wird. Alle 10 Sekunden wird ein Messwert auf gezeichnet , wodurch sich 10 Messpunkte pro Scherrate ergeben. Der Mittelwert aus diesen 10 Messpunkten ergibt die Scherviskosität bei der jeweiligen Scherrate. The viscosity measurements were carried out on an air-bearing MCR 302 rheometer from Anton Paar at 25 °C. A cone-plate system (25 mm, 2°) with a gap size of 105 pm was used. The excess material was removed (trimmed) with a spatula at a gap distance of 115 pm. The cone then moved to a gap distance of 105 pm so that the entire gap was filled. Before each measurement, a "pre-shear" is performed, where the shear history is cleared through sample preparation, application and trimming. Pre-shearing takes place for 60 seconds at a shear rate of 10 s -1 , followed by a rest period of 300 seconds. The shear viscosity is determined using a step profile in which the sample is sheared at constant shear rates of 1 s -1 , 10 s -1 and 100 s -1 for 100 seconds each. A measured value is recorded every 10 seconds, resulting in 10 measuring points per shear rate. The average of these 10 measuring points gives the shear viscosity at the respective shear rate.
Die Bestimmung des Speichermoduls G' erfolgte mittels eines Amplitudentests. Bei diesem Oszillationsversuch wird die Amplitude y von 0,01 auf 1000% variiert (bei einer Kreisfrequenz w von 10 s-1, logarithmische Rampe, 30 Messpunkte) . Typischerweise findet sich bei geringen Amplitudenwerten der linear-viskoelastische (LVE) Bereich, bei dem G', wenn über y doppellogarithmisch auf getragen, einen Plateauwert aufweist. Der Plateauwert ist der zu bestimmende Speichermodul G'. The storage modulus G' was determined using an amplitude test. In this oscillation experiment, the amplitude y is varied from 0.01 to 1000% (at an angular frequency w of 10 s -1 , logarithmic ramp, 30 measuring points). Typically, at low amplitude values, the linear viscoelastic (LVE) region is found, in which G', when plotted double-logarithmically over y, has a plateau value. The plateau value is the storage modulus G' to be determined.
Widerstandsmessung (wie auch bereits weiter oben im Text beschrieben) :
Bei einer Vierleitermessung wird der Kontaktwiderstand nicht mitgemessen, da der Strom an zwei Kontakten angelegt wird und an zwei weiteren Kontakten die Spannung U des bereits durch die Probe geflossenen Stromes Iv gemessen wird . Resistance measurement (as already described above in the text): In a four-wire measurement, the contact resistance is not measured because the current is applied to two contacts and the voltage U of the current I v that has already flowed through the sample is measured at two further contacts.
U R = - [fi] lu U R = - [fi] lu
Der Widerstand R von nicht vulkanisierten Siloxanen wird mit dem Multimeter Model 2110 5
digit von Keithley Instrument und einer angefertigten Messapparatur aus PP Natur- und Edelstahl- ( 1 . 4571 ) -Elektroden gemessen . Die Verbindung des Messgeräts mit den Elektroden erfolgt mittels Messingkontakten und Laborleitungen . Die Messapparatur ist eine Form mit definierten Maßen für L x B x H von 16 cm x 3 cm x 0 , 975 cm, in die das Siloxan zur Messung gestrichen wird . Die beiden äußeren flächigen Elektroden sind im Abstand von 16 cm angebracht , wodurch der Strom die ganze Probe durchströmt . Die beiden Punkt-Elektroden mit einem Durchmesser von 1 cm befinden sich in der Bodenplatte im Abstand von 12 cm ( 1 ) und messen die Spannung . Mit folgender Formel wird der spezi fische Widerstand p aus dem gemessenen Widerstand R berechnet .
mit Probenhöhe h [ cm] , Probenbreite w [ cm] und Elektrodenabstand 1 [ cm] The resistance R of unvulcanized siloxanes is measured using the Multimeter Model 2110 5 digit from Keithley Instrument and a measuring apparatus made from natural PP and stainless steel (1.4571) electrodes. The measuring device is connected to the electrodes using brass contacts and laboratory cables. The measuring apparatus is a mold with defined dimensions for L x W x H of 16 cm x 3 cm x 0.975 cm, into which the siloxane is spread for measurement. The two outer flat electrodes are placed at a distance of 16 cm, so that the current flows through the entire sample. The two point electrodes with a diameter of 1 cm are located in the base plate at a distance of 12 cm ( 1 ) and measure the voltage. The following formula is used to calculate the specific resistance p from the measured resistance R. with sample height h [cm], sample width w [cm] and electrode distance 1 [cm]
(hier : h = 0 , 975 cm, w = 3 cm, 1 = 12 cm) (here: h = 0, 975 cm, w = 3 cm, 1 = 12 cm)
Widerstandsänderung unter Dehnung Change in resistance under stretch
Gemäß ISO 37 wurden die Drucktinten in Form einer 2 mm Platte vulkanisiert und der Schulterstab Typ 1 gestanzt . Der Prüfkörper wird einer Vierleitermessung unterzogen . Dieser wird mittig zwischen zwei elektrisch leitfähigen Klemmbacken gespannt , so dass deren Abstand voneinander 84 , 0 mm beträgt . Die
Klemmbacken, die die beiden äußeren elektrischen Kontakte darstellen, sind strukturiert, womit durch die Struktur ein Eindringeffekt ins Material (Einstechen) erreicht wird. According to ISO 37, the printing inks were vulcanized in the form of a 2 mm plate and the Type 1 shoulder bar was punched. The test specimen is subjected to a four-wire measurement. This is clamped in the middle between two electrically conductive clamping jaws so that the distance between them is 84.0 mm. The Clamping jaws, which represent the two outer electrical contacts, are structured, which means that the structure achieves a penetration effect into the material (grooving).
Die beiden inneren Kontakte werden dadurch hergestellt, dass zwei Sehne 11 klemmen in 29,5 mm Entfernung von der jeweils nächsten Klemmbacke und in einem Abstand von 25 cm voneinander positioniert werden. Die beiden inneren Messklemmen werden mit Silberleitpaste vorbehandelt. Der so gemessene Widerstand ohne Dehnung (L=Lo) ist Ro. Die beiden äußeren Klemmbacken ermöglichen zusätzlich die uniaxiale Dehnung des Prüfkörpers und somit die Messung des Widerstands R der gedruckten Elektrode bei der Dehnung (L-Lo) /Lo = 50%. The two internal contacts are made by positioning two tendon 11 clamps at a distance of 29.5 mm from the nearest clamping jaw and at a distance of 25 cm from one another. The two inner measuring terminals are pre-treated with silver conductive paste. The resistance measured in this way without stretching (L=Lo) is Ro. The two outer clamping jaws also enable the uniaxial stretching of the test specimen and thus the measurement of the resistance R of the printed electrode at the stretching (L-Lo) /Lo = 50%.
Mischmethoden : Mixing methods:
Die Mischungen wurden in einem Labotop ILA der Firma PC Laborsystem GmbH mit einem Fassungsvermögen von 1 Liter bei The mixtures were stored in a Labotop ILA from PC Laborsystem GmbH with a capacity of 1 liter
300 mbar Vakuum und Raumtemperatur hergestellt. Als Werkzeuge wurden eine Dissolverscheibe (14 Zähne, Zähne 90° zur Scheibe, Durchmesser 52 cm) , ein Balkenrührer (Standardwerkzeug) und ein Abstreifer mit Temperaturmessung verwendet. Für größere Ansätze wurde ein Labormischer (Mischtechnik Hoffmann & Partner GmbH Andrä - Wördern, Österreich) mit einem Fassungsvermögen von 10 Liter mit Zahn-Dissolverscheibe (vier Zähne, Durchmesser 98 mm) , Balkenrührer und Abstreifer eingesetzt. Der doppelwandige Rührkessel wurde mit einem Thermostaten auf 19 °C Manteltemperatur eingestellt. 300 mbar vacuum and room temperature. The tools used were a dissolver disk (14 teeth, teeth 90° to the disk, diameter 52 cm), a bar stirrer (standard tool) and a scraper with temperature measurement. For larger batches, a laboratory mixer (Mischtechnik Hoffmann & Partner GmbH Andrä - Wördern, Austria) with a capacity of 10 liters with a toothed dissolver disk (four teeth, diameter 98 mm), bar stirrer and scraper was used. The double-walled stirred tank was set to a jacket temperature of 19 °C using a thermostat.
Zum Mischen der A- und B-Komponenten wurde ein LaborrührerA laboratory stirrer was used to mix the A and B components
(IKA RW20) mit 3-flügeligem Propellerrührer (R 1381) der Firma IKA® -Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Deutschland eingesetzt.(IKA RW20) with 3-bladed propeller stirrer (R 1381) from IKA® -Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Germany.
Es wurde ein Dreiwalzenstuhl der Firma EXAKT (Modell 80E) eingesetzt. Der Walzenspalt wurde auf 15 pm zwischen Walze 1 und 2 und auf minimalen Abstand (< 5 pm) zwischen Walze 2 und 3 eingestellt .
Beispiel 1 Herstellung des Masterbatches Ml A three-roll mill from EXAKT (model 80E) was used. The roll gap was set to 15 pm between rolls 1 and 2 and to a minimum distance (<5 pm) between rolls 2 and 3. Example 1 Production of the masterbatch Ml
In einem Labormischer mit einem Fassungsvermögen von 10 L mit Zahn-Dissolverscheibe (Durchmesser 98 mm mit vier Zähnen) , Balkenrührer und Abstreifer wurden MWCNT (36 g) und 1783 g der Rußvormischung in ViPo 1.000 (581 g) für 60 min bei 1800 rpm (Dissolver) und 50 rpm (Balkenrührer) eingemischt. Der doppelwandige Rührkessel wurde mit einem Thermostaten auf 19 °C Manteltemperatur eingestellt. Es wurde eine homogene, schwarze Paste mit einem spezifischen Widerstand von 5,4 Q*cm erhalten. Die Viskosität beträgt bei Scherrate 10 s-1 296 Pa*s und der Speichermodul G' im LVE-Bereich 51200 Pa. In a laboratory mixer with a capacity of 10 L with a toothed dissolver disk (diameter 98 mm with four teeth), bar stirrer and scraper, MWCNT (36 g) and 1783 g of the carbon black premix in ViPo 1,000 (581 g) were mixed for 60 min at 1800 rpm ( Dissolver) and 50 rpm (beam stirrer) mixed in. The double-walled stirred tank was set to a jacket temperature of 19 °C using a thermostat. A homogeneous, black paste with a specific resistance of 5.4 Q*cm was obtained. The viscosity is 296 Pa*s at a shear rate of 10 s -1 and the storage modulus G' in the LVE range is 51200 Pa.
Beispiel 2 Herstellung des Masterbatches M2 Example 2 Production of the masterbatch M2
Masterbatch Ml wurde mithilfe eines Dreiwalzenstuhls bearbeitet. Es wurde eine homogene, schwarze Paste mit einem spezifischen Widerstand von 5,4 Q*cm erhalten. Die Viskosität beträgt bei Scherrate 10 s-1 274 Pa*s und der Speichermodul G' im LVE- Bereich 50500 Pa. Masterbatch Ml was processed using a three-roll mill. A homogeneous, black paste with a specific resistance of 5.4 Q*cm was obtained. The viscosity is 274 Pa*s at a shear rate of 10 s -1 and the storage modulus G' in the LVE range is 50500 Pa.
Beurteilung des Masterbatches Ml und M2 Assessment of the masterbatch Ml and M2
Zur Beurteilung der Massen wurde mittels eines ZAA2300 Automatischen Filmziehgeräts mit einem ZUA 2000 Universal-Applikator der Firma Zehntner GmbH, Schweiz, eine 100 pm Schicht auf eine Silikonfolie (ELASTOSIL<®>-Film mit 100 pm Dicke, erhältlich bei der WACKER Chemie AG) geräkelt. Die mit M2 geräkelte Schicht war glatt, glänzend und frei von Zacken. Die auf Ml basierende Schicht besitzt eine raue Oberfläche mit aus der Schicht heraustretenden Zacken. To assess the masses, a 100 pm layer was applied to a silicone film (ELASTOSIL<®> film with a thickness of 100 pm, available from WACKER Chemie AG) using a ZAA2300 automatic film applicator with a ZUA 2000 universal applicator from Zehntner GmbH, Switzerland. lolled. The layer raked with M2 was smooth, shiny and free of jagged edges. The Ml-based layer has a rough surface with spikes emerging from the layer.
Beispiel 3 Herstellung der Drucktinte la Example 3 Production of the printing ink la
In einem Labormischer mit 1 L Fassungsvermögen wurden 134 g des Masterbatch M2 in eine Mischung aus ViPo 1.000 (21 g) , HPo 1.000 (77 g) , Vernetzer (10 g) , Pt-Katalysator (0,2 g) und 1- Ethinyl-l-cyclohexanol (15°mg) mit einem Balkenrührer
(100 rpm, Labormischer ohne Dissolverscheibe ) 30 min gemischt. Es wurde eine homogene, schwarze Paste erhalten. In a laboratory mixer with a capacity of 1 L, 134 g of the masterbatch M2 were mixed into a mixture of ViPo 1,000 (21 g), HPo 1,000 (77 g), crosslinker (10 g), Pt catalyst (0.2 g) and 1-ethynyl -l-cyclohexanol (15°mg) with a bar stirrer (100 rpm, laboratory mixer without dissolver disk) mixed for 30 min. A homogeneous, black paste was obtained.
Beispiel 4 Herstellung der Drucktinte lb (nicht erfindungsgemäß ) Example 4 Production of the printing ink lb (not according to the invention)
Drucktinte lb wurde analog zu Drucktinte la hergestellt, mit dem Unterschied, dass Masterbatch Ml anstelle von M2 eingesetzt wurde. Es wurde eine homogene, schwarze Paste erhalten. Printing ink lb was produced analogously to printing ink la, with the difference that masterbatch Ml was used instead of M2. A homogeneous, black paste was obtained.
Beispiel 5 Herstellung der Drucktinte 2a Example 5 Production of printing ink 2a
Der Masterbatch M2 aus Beispiel 2 wurde zu einer platin-haltigen Komponente A und einer platinfreien Komponente B verdünnt: Zur Herstellung der A-Komponente wurden in einem Labormischer mit einem Fassungsvermögen von 10 L 2500 g des Masterbatch M2 mit Vipo 1000 (2138 g) und WACKER® KATALYSATOR OL (9,25 g) mit einem Balkenrührer (100 rpm, Labormischer ohne Dissolver- scheibe) 30 min gemischt. The masterbatch M2 from Example 2 was diluted to a platinum-containing component A and a platinum-free component B: To produce the A component, 2500 g of the masterbatch M2 with Vipo 1000 (2138 g) and WACKER® CATALYST OL (9.25 g) mixed with a bar stirrer (100 rpm, laboratory mixer without dissolver disk) for 30 min.
Komponente B wurde analog zu Komponente A hergestellt mit dem Unterschied, dass 2500 g des Masterbatch M2 mit HPo 1000Component B was produced analogously to component A with the difference that 2500 g of the masterbatch M2 with HPo 1000
(1163 g) , Vernetzer (650 g) , Vipo 1000 (335 g) und 1-Ethinyl- 1-cyclohexanol (6,5 g) gemischt wurde. (1163 g), crosslinker (650 g), Vipo 1000 (335 g) and 1-ethynyl-1-cyclohexanol (6.5 g) was mixed.
Zur Herstellung der Drucktinte 2a wurden die Komponenten A und B im Verhältnis 1:1 für 1 min mit einem Propellerrührer (800 rpm) gemischt. Es wurde eine homogene, schwarze Paste erhalten . To produce the printing ink 2a, components A and B were mixed in a ratio of 1:1 for 1 min with a propeller stirrer (800 rpm). A homogeneous, black paste was obtained.
Beispiel 6 Herstellung der Drucktinte 2b (nicht erfindungsgemäß ) Example 6 Production of printing ink 2b (not according to the invention)
Drucktinte 2b wurde analog zu Drucktinte 2a hergestellt, mit dem Unterschied, dass Masterbatch Ml anstelle von M2 eingesetzt wurde. Es wurde eine homogene, schwarze Paste erhalten. Printing ink 2b was produced analogously to printing ink 2a, with the difference that masterbatch Ml was used instead of M2. A homogeneous, black paste was obtained.
Druckversuche Pressure tests
Der LIFT Prozess wurde wie in US2021367140A (= korrespondierend zu WO2020156632 ) beschrieben durchgeführt. Das Drucken
erfolgte mit einem gängigen, kommerziellen Laser-Gravursystem der Firma TROTEC Laser Deutschland GmbH . Zur Anwendung kommt dabei ein System der Baureihe Speedy l O O flexx 60/20 mit DualThe LIFT process was carried out as described in US2021367140A (= corresponding to WO2020156632). The printing was carried out using a common, commercial laser engraving system from TROTEC Laser Deutschland GmbH. A system from the Speedy l OO flexx 60/20 series with dual is used
Laserquelle ( 60 W 10 , 6 pm CO2 Laser ; 20 W 1064 nm Faser- Laser ) . Als Träger und Druckmassenträger werden gängige Quarzglasplatten ( 300x300x3 mm) der Firma GVB GmbH Solution in Glas , Deutschland, verwendet . Zur Aufbringung des Druckmassenfilmes wird ein ZAA2300 Automatisches Filmziehgerät mit einem ZUA 2000 Universal-Applikator der Firma Zehntner GmbH, Schwei z , verwendet . Laser source (60 W 10.6 pm CO2 laser; 20 W 1064 nm fiber laser). Common quartz glass plates (300x300x3 mm) from GVB GmbH Solution in Glas, Germany, are used as carriers and printing mass carriers. A ZAA2300 automatic film applicator with a ZUA 2000 universal applicator from Zehntner GmbH, Switzerland, is used to apply the printing material film.
Mit dem Rakelsystem wird einseitig auf einer Quarzglasscheibe eine homogene Schicht in einer Dicke von 60 pm und in den Abmessungen 200x 200mm mittig aufgerakelt . Die Randbereiche der Scheibe bleiben dabei frei von Druckmasse . In den Schneidraum des Lasers wird auf eine unbeschichtete Glasscheibe eine durch einen Wasserfilm fixierte Silikonfolie (ELASTOS IL<®>-Film mit 100 pm Dicke , erhältlich bei der WACKER Chemie AG) als zu bedruckende Fläche eingelegt . Die beschichtete Scheibe wird, mit der Beschichtungsseite der unbeschichteten Scheibe zuge-wandt , in einem Abstand von 200 pm auf der ersten Scheibe platziert . Der Abstand wird dabei durch Abstandshalter, wie beispielsweise 100 pm Mikroskopplatten, eingestellt . Als Druckvorlage in der Steuersoftware des Lasersystems ist eine flächig gefüllte Geometrie ohne Graubereiche und Schattierungen zu wählen . Weiter ist die Laserleistung im Schneidmodus Faserlaser zwischen 40- 60 % bei einem 20 W Laser ausreichend . Der Laserspeed ist zwischen 50 und 70 % zu wählen . Der Fokus-punkt sollte ca . 4 bis 4 , 5 mm oberhalb der Grenz fläche der Beschichtung bzw . der Quarzglasplatte liegen . Die gewählten Geometrien konnten so durch den Laser auf die Silikonfolie trans feriert werden .
Beurteilung der Drucke With the squeegee system, a homogeneous layer with a thickness of 60 pm and dimensions 200x 200mm is applied to the center of a quartz glass pane on one side. The edge areas of the pane remain free of printing mass. A silicone film (ELASTOS IL<®> film with a thickness of 100 pm, available from WACKER Chemie AG) fixed by a film of water is placed in the cutting chamber of the laser on an uncoated glass pane as the surface to be printed. The coated pane is placed on the first pane at a distance of 200 pm with the coating side facing the uncoated pane. The distance is adjusted using spacers, such as 100 pm microscope plates. An area-filled geometry without gray areas and shading should be selected as the print template in the laser system's control software. Furthermore, the laser power in the fiber laser cutting mode between 40-60% with a 20 W laser is sufficient. The laser speed can be selected between 50 and 70%. The focus point should be approx. 4 to 4.5 mm above the interface of the coating or the quartz glass plate. The selected geometries could then be transferred to the silicone film using the laser. Assessment of the prints
Die Oberfläche der gedruckten Elektrode wurde optisch beurteilt . Die Schichten, die mit den Drucktinten la und 2a gedruckt wurden, sind glatt , glänzend und frei von Zacken . Diese Drucktinten sind somit als Elektrodenmaterial für mehrlagige Systeme , wie z . B . in dielektrischen Elastomersensoren, -akto- ren und -generatoren, besonders gut eignet . The surface of the printed electrode was assessed visually. The layers printed with printing inks la and 2a are smooth, shiny and free of jagged edges. These printing inks are therefore suitable as electrode material for multi-layer systems, such as. B. in dielectric elastomer sensors, actuators and generators, particularly well suited.
Mit den Drucktinten 1b und 2b (nicht erfindungsgemäß ) gedruckte Schichten weisen raue Oberflächen mit aus der Schicht heraustretenden Zacken auf und sind somit für mehrlagige Systeme ungeeignet . Layers printed with the printing inks 1b and 2b (not according to the invention) have rough surfaces with points emerging from the layer and are therefore unsuitable for multi-layer systems.
Tabelle 1 zeigt eindrucksvoll , dass die sonstigen Werte der Drucktinten sehr vergleichbar sind, das erfindungsgemäße Herstellverfahren j edoch ausschlaggebend ist für die Eignung einer Drucktinte als Elektrodenmaterial in mehrlagigen Systemen . Table 1 shows impressively that the other values of the printing inks are very comparable, but that the manufacturing process according to the invention is decisive for the suitability of a printing ink as an electrode material in multi-layer systems.
Ruß = Leitfähigkeitsruß
Soot = conductivity soot
Claims
1. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen, vernetzenden Silikonelastomerzusammensetzung, enthaltend : 1. Process for producing an electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition, containing:
0,5 bis 3,0 Gew.% Leitfähigkeitsruß, 0.5 to 3.0% by weight of conductivity carbon black,
0,1 bis 3,0 Gew.% mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) , 0.1 to 3.0% by weight of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT),
- KEIN Lösungsmittel, mit der Maßgabe, dass a) bei IK-Systemen alle Komponenten in einem oder in mehreren Schritten vermischt werden, oder dass b) bei 2K-Systemen jeweils nur die Komponenten der A- bzw. der B-Zusammensetzung in einem oder in mehreren Schritten vermischt werden, mit der Maßgabe, dass zum Vermischen zumindest ein Schritt aus einer zweistufigen Verarbeitung besteht, bei der die Komponenten MWCNT und Leitfähigkeitruß gemeinsam eingearbeitet werden, wobei hierfür gleich die Gesamtmengen beider Komponenten oder nur Teilmengen beider Komponenten oder eine Kombination aus Gesamtmenge einer mit einer Teilmenge der anderen Komponente eingesetzt werden, wobei - NO solvent, with the proviso that a) in IK systems all components are mixed in one or more steps, or that b) in 2K systems only the components of the A or B composition are mixed in one or more steps are mixed in several steps, with the proviso that for mixing at least one step consists of a two-stage processing in which the components MWCNT and conductivity carbon black are incorporated together, for which the total amounts of both components or only partial amounts of both components or a combination of the total amount one can be used with a subset of the other component, where
MWCNT, Leitfähigkeitruß und mindestens eine weitere Komponente in einem ersten Schritt (= Dispergierung) mittels eines Hochgeschwindigkeitsmischers dispergiert werden, so dass der spezifische Widerstand der Mischung höchstens 50 Qcm beträgt, und anschließend diese Mischung in einem zweiten Schritt (= mechanische Nachbehandlung) mit einem Dreiwalzenstuhl nachbehandelt wird.
MWCNT, conductivity carbon black and at least one other component are dispersed in a first step (= dispersion) using a high-speed mixer so that the specific resistance of the mixture is at most 50 Qcm, and then this mixture in a second step (= mechanical aftertreatment) with a three-roll mill is treated afterwards.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent , dass es eine elektrisch leitfähige, additionsvernetzende Silikonelastomerzusammensetzung ist, und folgende Kompononenten enthält:2. The method according to claim 1, characterized in that it is an electrically conductive, addition-curing silicone elastomer composition and contains the following components:
(A) mindestens eine lineare Verbindung, die Reste mit aliphatischen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen aufweist,(A) at least one linear compound that has residues with aliphatic carbon-carbon multiple bonds,
(B) mindestens eine - bevorzugt lineare - Organopolysiloxan- Verbindung mit Si-gebundenen Wasserstoff atomen, oder anstelle von (A) und (B) oder zusätzlich zu (A) und (B)(B) at least one - preferably linear - organopolysiloxane compound with Si-bonded hydrogen atoms, or instead of (A) and (B) or in addition to (A) and (B)
(C) mindestens eine lineare Organopolysiloxan Verbindung, die Si-C-gebundene Reste mit aliphatischen Kohlenstoff- Kohlenstoff-Mehrfachbindungen und Si-gebundene Wasserstoffatome aufweist, und (C) at least one linear organopolysiloxane compound which has Si-C-bonded residues with aliphatic carbon-carbon multiple bonds and Si-bonded hydrogen atoms, and
(D) mindestens einen Hydrosilylierungskatalysator. (D) at least one hydrosilylation catalyst.
3. Elektisch leitfähige, vernetzende Silikonelastomerzusammensetzung, erhältlich nach einem der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 2. 3. Electrically conductive, crosslinking silicone elastomer composition, obtainable by one of the processes according to claims 1 to 2.
4. Verwendung der leitfähigen, vernetzenden Silikonelastomerzusammensetzung gemäß Anspruch 3 als elektrisch leitfähige Drucktinte in kontaktlosen Druckverfahren zur Herstellung von elektrisch leitfähigen Elastomeren auf elastischen Trägern. 4. Use of the conductive, crosslinking silicone elastomer composition according to claim 3 as an electrically conductive printing ink in contactless printing processes for producing electrically conductive elastomers on elastic supports.
5. Verwendung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichent, dass das kontaktlose Druckverfahren der Laser-Transferdruck ist. 5. Use according to claim 4, characterized in that the contactless printing process is laser transfer printing.
6. Verwendung gemäß Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten elektrisch leitfähigen Elastomere auf elastischen Trägern Elektroden für dielektrische Elastomersensoren, -aktoren und -generatoren und EAP-Schichtsysteme sind . 6. Use according to claim 4 and 5, characterized in that the electrically conductive elastomers produced on elastic supports are electrodes for dielectric elastomer sensors, actuators and generators and EAP layer systems.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss folgende Nachbehandlung erfolgt:
c) bei 1K-Systemen eine Druckfiltration durch ein Metallgewebe mit einer Maschenweite von mindestens 100 gm, oder d) bei 2K-Systemen jeweils nur für die A- bzw. die B- Zusammenset zung eine Druckfiltration durch ein Metallgewebe mit einer Maschenweite von mindestens 100 gm. 7. The method according to claim 1, characterized in that the following aftertreatment takes place: c) for 1K systems, pressure filtration through a metal mesh with a mesh size of at least 100 gm, or d) for 2K systems only for the A or B composition, pressure filtration through a metal mesh with a mesh size of at least 100 gm.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallgewebe mit einer Maschenweite von mindestens 200 gm verwendet wird. 8. The method according to claim 7, characterized in that a metal mesh with a mesh size of at least 200 gm is used.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass keine Nachbehandlung mittels Druckfiltration durch ein Metallgewebe erfolgt.
9. The method according to claim 1, characterized in that there is no aftertreatment by means of pressure filtration through a metal mesh.
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