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Title:
CARBON FIBRE-REINFORCED PLASTIC MOULDING COMPOUNDS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/074945
Kind Code:
A1
Abstract:
Proposed is a plastic moulding compound composed of: (a) 49 to 97 wt.% of at least one matrix-forming plastic A, (b) 3 to 40 wt.% of at least one carbon fibre coated with at least one plastic B, and (c) 0 to 48 wt.% of at least one other additive C, whose components (a) to (c) add up to 100 wt.%, the moulding compound having a surface resistivity of 1*107 to 1*1022 ohm and a volume resistivity of 1*105 to 1*1020 ohm*m, both determined in accordance with IEC 60093.

Inventors:
AEPLI ETIENNE (CH)
LAMBERTS NIKOLAI (CH)
Application Number:
PCT/EP2014/074490
Publication Date:
May 28, 2015
Filing Date:
November 13, 2014
Export Citation:
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Assignee:
EMS PATENT AG (CH)
International Classes:
C08J5/06; C08J5/04; H01B3/30; H01B3/47
Domestic Patent References:
WO2009135486A12009-11-12
Foreign References:
US6248262B12001-06-19
EP0459287A21991-12-04
EP0459287A21991-12-04
US20090130995A12009-05-21
Other References:
FENG NAN ET AL: "Surface modification of recycled carbon fiber and its reinforcement effect on nylon 6 composites: Mechanical properties, morphology and crystallization behaviors", CURRENT APPLIED PHYSICS, vol. 13, no. 9, 20 September 2013 (2013-09-20), pages 2038 - 2050, XP028760758, ISSN: 1567-1739, DOI: 10.1016/J.CAP.2013.09.009
TONY MCNALLY ET AL: "Recycled carbon fiber filled polyethylene composites", JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE, vol. 107, no. 3, 30 October 2007 (2007-10-30), pages 2015 - 2021, XP055161248, ISSN: 0021-8995, DOI: 10.1002/app.27253
V A SHELESTOVA ET AL: "The Effect of the Size of Carbon Fibers on the Physicomechanical Properties of Fluvis Composites", MECHANICS OF COMPOSITE MATERIALS, 1 March 2002 (2002-03-01), New York, pages 125 - 130, XP055161368, Retrieved from the Internet [retrieved on 20150112], DOI: 10.1023/A:1014929426126
Attorney, Agent or Firm:
OK PAT AG (CH)
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Claims:
Kunststoff- Form masse mit folgender Zusammensetzung:

(a) 49 bis 97 Gew.-% mindestens eines eine Matrix bildenden Kunststoffs (A),

(b) 3 bis 40 Gew.-% mindestens einer mit mindestens einem Kunststoff (B) beschichteten Kohlenstofffaser,

(c) 0 bis 48 Gew.-% mindestens eines weiteren Zusatzstoffs (C),

wobei sich die Komponenten (a) bis (c) auf 100 Gew.-% ergänzen,

dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Formmasse einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 1*107 bis 1*1022 Ohm und einen spezifischen Volumenwiderstand von 1*105 bis 1*1020 Ohm*m, beides bestimmt nach IEC 60093, aufweist.

Kunststoff-Formmasse gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffaser der Komponente (b) mit mindestens einem Kunststoff (B) beschichtet ist, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Polyamiden, insbesondere Copolyamiden, Polyestern, insbesondere Copolyestern, Polyurethanen, Epoxidharzen, Polyhydroxyethern, Acryl-Copolymeren, und Mischungen oder übereinanderliegenden Schichten aus zwei oder mehreren dieser Kunststoffe, wobei Acryl-Copolymere bevorzugt sind.

Kunststoff-Formmasse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kunststoff (A) der Komponente (a) ein Thermoplast ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acetalharzen, flüssigkristallinen Polymeren, Polyacrylaten, Polymethacrylaten, olefinischen und cycloolefinischen Polymeren, Polyamiden, Polyamidelastomeren, insbesondere Polyesteramiden, Polyetheramiden und Polyetheresteramiden, Polyamidimiden, Polyethern, Polyarylethern beeinhaltend Polyphenylether, Polyhydroxyethern, Polycarbonaten, Polysulfonen, Polyetherimiden, Polyimiden, Polyestern, Polyes- ter-Polycarbonaten, Polyoxyethylenen, Polystyrolen, Styrol-Copolymeren, Polysulfonen, vinylischen Polymeren wie Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat, und Mischungen oder Blends aus zwei oder mehreren der aufgezählten Thermoplaste, oder ein Duroplast ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Melaminhar- zen, Phenoplasten, Polyesterharzen, Aminoplasten, Epoxidharzen, Polyuretha- nen, vernetzten Polyacrylaten, und Mischungen oder Blends aus zwei oder mehreren der genannten Duroplaste ist.

Kunststoff-Formmasse gemäss Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kunststoff (A) mindestens ein Polyamid ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PA 6; PA 46; PA 66; PA 66/6; PA 610; PA 612;

PA 1010; PA 11; PA 12; PA MXD6; PA MXD10; PA MACM 12; PA PACM 12;

PA 6T/6I; PA 6T/66; PA 6T/612; PA 6T/1012; PA 4T; PA 9T; PA 10T; PA 12T; PA 10/6T; PA 6T/6I/66; PA 11/10T; PA 12/10T; PA 610/10T; PA 612/10T;

PA 1010/10T; PA 1012/10T; PA 1212/10T; PA 11/10T/12; PA 11/10T/6;

PA 12/10T/6; PA 11/10T/10I; PA 11/10T/106; PA 12/10T/10I; PA 12/10T/106; Polyamide auf Basis einer Mischung aus Hexamethylendiamin und 2-Methyl- Pentamethylendiamin als Diaminkomponente und Terephthalsäure als Dicar- bonsäurekomponente; Polyamide deren Diaminbaustein 4,4'-Diamino- cyclohexylmethan, 3,3'-Dimethyl-4,4'-diaminocyclohexylmethan, Cyclohexyldi- amin, oder 2,2',6,6'-Tetramethyl-4/4'-methylenbis-(cyclohexylamin) ist, und Mischungen oder Blends aus zwei oder mehreren dieser Polyamide.

Kunststoff-Formmasse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffaser der Komponente (b) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus recycelten Kohlenstofffasern und Kohlenstofffasern auf Zellulosebasis, wobei recycelte Kohlenstofffasern bevorzugt sind.

Kunststoff-Formmasse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Kohlenstofffaser 4 bis 35 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 30 Gew.-% und besonders bevorzugt 6 bis 25 Gew.-% beträgt.

Kunststoff-Formmasse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Beschichtung der Kohlenstofffaser verwendete mindestens eine Kunststoff (B) 0.1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0.5 bis 5 Gew.-% und besonders bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der beschichteten Kohlenstofffaser ausmacht.

8. Kunststoff-Formmasse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffaser der Komponente (b) eine durch- schnittliche Länge im Bereich zwischen 30 und 500 μιη, bevorzugt im Bereich zwischen 40 und 300 μιη, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 50 und 200 m aufweist. 9. Kunststoff-Formmasse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr spezifischer Oberflächenwiderstand 1*108 bis 1*1018, bevorzugt 1*109 bis 1*1016 und besonders bevorzugt 1*1010 bis 1*1014 Ohm ist. 10. Kunststoff- Form masse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr spezifischer Volumenwiderstand 1*106 bis 1*1016, bevorzugt 1*107 bis 1* 1014 und besonders bevorzugt 1*108 bis 1*1012 Ohm*m ist.

11. Kunststoff-Formmasse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Zusatzstoff (C) der Komponente (c) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus UV-Absorbern, UV- Stabilisatoren, Hitzestabilisatoren, Hydrolysestabilisatoren, Vernetzungsaktivatoren, Vernetzungsmitteln, Flammschutzmitteln, Schichtsilikaten, Füllstoffen, Farbmitteln, Verstärkungsmitteln, Haftvermittlern, Schlagzähigkeitsmodifikato- ren, Gleitmitteln, Glaskugeln, Glasfasern, Mineralpulvern, Gleit- und Entfor- mungshilfsmitteln, anorganischen Pigmenten, organischen Pigmenten, IR- Absorbern, Antistatika, Antiblockmitteln, Nukleierungsmitteln, Kristallisationsbeschleunigern, Kristallisationsverzögerern, kettenverlängernden Additiven, optischen Aufhellern, photochromen Additiven, und Mischungen von zwei oder mehreren dieser Zusatzstoffe besteht.

12. Kunststoff-Formmasse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des mindestens einen weiteren Zusatzstoffs (C) 0.01 bis 45 Gew.-%, bevorzugt 0.5 bis 35 Gew.-% und besonders bevorzugt 1.0 bis 20 Gew.-% beträgt.

13. Kunststoff- Form masse gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reissdehnung in trockenem Zustand bestimmt nach ISO 527 0.7 bis 6.0 %, bevorzugt 1.0 bis 5.0 % und besonders bevorzugt 1.3 bis 3.0 % beträgt.

14. Formkörper, welcher zumindest bereichsweise aus einer Kunststoff-Formmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 13 besteht, bevorzugt in Form eines Bauteils für den Elektro/Elektronikbereich, insbesondere für Teile von Leiterplatten, Gehäusen, Folien, Leitungen, Schaltern, Verteilern, Relais, Widerständen, Kondensatoren, Spulen, Lampen, Dioden, LED, Transistoren, Konnektoren, Reglern, Speichern und Sensoren und Gehäusen- oder Gehäuseteilen von Mobiltelefonen, Smart Phones, Tablet-PC's, Laptops, Notebooks und Netbooks.

15. Verwendung von mit mindestens einem Kunststoff beschichteten Kohlenstofffasern als Zusatzstoff bei der Herstellung von Kunststoff-Formmassen, wobei diese Kunststoff-Formmassen einen spezifischen Volumenwiderstand von 105 bis 1020 Ohm*m, bevorzugt von 108 bis 1012 Ohm*m bestimmt nach IEC 60093 aufweisen, oder zur Herstellung von Formkörpern aus diesen Kunststoff- Formmassen, wobei der mindestens eine Kunststoff der Kohlenstofffaser- Beschichtung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Polyamiden, insbesondere Copolyamiden, Polyestern, insbesondere Copolyestern, Polyurethanen, Epoxidharzen, Polyhydroxyethern, Acryl-Copolymeren, und Mischungen oder übereinanderliegenden Schichten aus zwei oder mehreren dieser Kunststoffe.

Description:
Kohlenstofffaser- verstärkte Kunststoff-Formmassen

Die vorliegende Erfindung betrifft Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoff-Form- massen, aus diesen Formmassen hergestellte Formkörper, sowie die Verwendung von Kohlenstofffasern als Zusatzstoff zur Herstellung von Kohlenstofffaser- ve rstä rkte n Ku n ststoff- Fo r m ma sse n .

Neben ihrer guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit zeichnen sich Kohlen- stofffasern (auch Carbonfasern oder seltener Kohlefasern genannt) vor allem durch ihr geringes Gewicht aus. Kohlenstofffasern haben einen Durchmesser im Bereich von 2 bis 10 pm und werden meist auf der Basis von Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe (auch bekannt unter der Abkürzung CFK) finden wegen des erwähnten geringen Gewichts und wegen ihrer hervorragenden me- chanischen Eigenschaften Einsatz im Leichtbau, wie z.B. für die Luft- und Raumfahrt oder für Sportgeräte. Kohlenstofffasern werden in unbeschichteter oder oft in beschichteter Form eingesetzt. Eine Beschichtung soll mit der Kunststoff matrix gut verträglich sein, um eine gute Einbettung und Adhäsion und damit eine gute Verstärkungswirkung zu gewährleisten/ Neben der Verstärkung verleihen die Kohlenstofffa- sern den Kunststoffen auch eine für viele Anwendungen gewünschte elektrische Leitfähigkeit bzw. antistatische Eigenschaften.

EP 0 459 287 A2 offenbart eine spezielle Kohlenstofffaser, deren Oberfläche mit einem Copolymer aus einer Diaminverbindung, einer Dicarbonsäureverbindung und ei- nem Glycidylpolyalkylenoxidderivat beschichtet ist. Ausserdem werden mit diesen Fasern verstärkte Harze beschrieben, die eine hohe Festigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Mit dem hier beschriebenen Copolymer für die Oberflä- chenbeschichtung der Kohlenstofffasern konnte die elektrische Leitfähigkeit der Formmasse im Vergleich zu Oberflächenbeschichtungen mit anderen Polymeren noch weiter erhöht werden. Elektrische Leitfähigkeit spielt beispielsweise eine Rolle zur antistatischen Ausrüstung von Kunststoffteilen im Kraftstoffsystem von Automobilen. Durch fliessenden Kraftstoff kann es zu elektrostatischer Aufladung kommen und die Gefahr der Entzündung des Kraftstoffes besteht. Dieses Problem kann durch die antistatische Ausrüstung der Kraftstoff-berührenden Kunststoffteile durch elektrisch leitfähige Additive wie Kohlenstofffasern ausgeräumt werden.

Für gewisse andere Anwendungen, wie z.B. bei der Übertragung elektromagnetischer Wellen, ist die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern jedoch hinderlich, weil sich daraus eine elektromagnetische Abschirmung ergibt. Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe sind darum nur bedingt für den Einsatz in mobilen Kommunikationsgeräten geeignet. Eine Möglichkeit den erwähnten Nachteil der Kohlenstofffasern zu umgehen beschreibt die US 2009/0130995 AI. Dort wird eine spezielle Gehäusestruktur offenbart, die einen Kohlenstofffaser-verstärkten Gehäuseteil und einen Teil mit einer nicht-leitenden Faser, wie z.B. einer Glasfaser, aufweist. Der Teil des Gehäuses unter dem sich die Antenne befindet, wird dabei mit einer nicht-leitenden Faser verstärkt. Die in der US 2009/0130995 AI beschriebene Lösung bringt die Nachteile eines komplizierten Herstellungs- und Montageverfahrens und eines höheren Gewichts mit sich.

Somit ergab es sich als Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff-Formmassen mit guten mechanischen Eigenschaften bereitzustellen, die entgegen dem Stand der Technik nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und unter anderem für den Einsatz in mobilen Kommunikationsgerä- ten auch im Antennenbereich geeignet sind.

Diese Aufgabe wird gemäss der vorliegenden Erfindung durch eine Kunststoff- Formmasse mit folgender Zusammensetzung bzw. Merkmalen gelöst: (a) 49 bis 97 Gew.-% mindestens eines eine Matrix bildenden Kunststoffs A,

(b) 3 bis 40 Gew.% mindestens einer mit mindestens einem Kunststoff B beschichteten Kohlenstofffaser,

(c) 0 bis 48 Gew.-% mindestens eines weiteren Zusatzstoffs C,

wobei sich die Komponenten (a) bis (c) auf 100 Gew.-% ergänzen, wobei die Formmasse einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 1*10 7 bis 1*10 22 Ohm und einen spezifischen Volumenwiderstand von 1*10 5 bis 1*10 20

Ohm*m, beides bestimmt nach der Norm IEC 60093, aufweist. Kunststoff A ist der Kunststoff der Komponente (a). Kunststoff B ist der Kunststoff der Beschichtung der Komponente (b).

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Kunststoff-Formmasse ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Zudem wird die Verwendung entspre- chender Kohlenstofffasern als Zusatzstoff bei der Herstellung von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff-Formmassen beansprucht.

Die in der erfindungsgemässen Kunststoff-Formmasse als Komponente (b) enthaltene Kohlenstofffaser ist mit mindestens einem Kunststoff B beschichtet, welcher vorzugsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Polyamiden, insbesondere Copolyamiden, Polyestern, insbesondere Copolyestern, Polyurethanen, Epoxidharzen, Polyhydroxyethern, Acryl-Copolymeren, und Mischungen oder übereinanderliegenden Schichten aus zwei oder mehreren dieser Kunststoffe, wobei Acryl-Copolymere bevorzugt sind.

Kunststoff A und Kunststoff B können gleich oder unterschiedlich sein.

Eine Kunststoff-Beschichtung der Kohlenstofffasern hat zum einen eine gewisse isolierende Wirkung und kann im Vergleich zu unbeschichteten Kohlenstofffasern zu einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit entsprechender Kunststoff-Formmassen beitragen. Zum anderen hat die Beschichtung bei der Einarbeitung der Kohlenstofffaser in die Kunststoff-Formmasse einen Einfluss auf die erhaltene Faserlänge. Eine Beschichtung führt zu einer steiferen Kohlenstofffaser. Diese weist nach der Compoun- dierung eine geringere Länge auf als eine unbeschichtete und damit flexiblere Faser, die den bei der Verarbeitung einwirkenden Kräften besser widersteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind Copolymere aus einem Diamin, einer Di- carbonsäure und einem Glycidyl-Polyalkylenoxid-Derivat als Kunststoff B ausgeschlossen. Bei der erfindungsgemässen Kunststoff- Form masse ist zudem der mindestens eine Kunststoff A der Komponente (a) vorzugsweise entweder ein Thermoplast ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acetalharzen, flüssigkristallinen Polymeren, Polyacrylaten, Polymethacrylaten, olefinischen und cycloolefinischen Polymeren, Polyamiden, Polyamidelastomeren, insbesondere Polyesteramiden, Polyetheramiden und Polyetheresteramiden, Polyamidimiden, Polyethern, Polyarylethern beeinhaltend Polyphenylether, Polyhydroxyethern, Polycarbonaten, Polysulfonen, Polyetherimiden, Polyimiden, Polyestern, Polyester-Polycarbonaten, Polyoxyethylenen, Polystyrolen, Styrol-Copolymeren, Polysulfonen, vinylischen Polymeren wie Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat, und Mischungen oder Blends aus zwei oder mehreren der aufgezählten Thermoplaste, oder ein Duroplast ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Me- laminharzen, Phenoplasten, Polyesterharzen, Aminoplasten, Epoxidharzen, Polyurethanen, vernetzten Polyacrylaten, und Mischungen oder Blends aus zwei oder mehreren der genannten Duroplaste.

In einer besonderen Ausführungsform sind Polymerisate des Propylens als Kunststoff A ausgeschlossen.

Wird der mindestens eine Kunststoff A aus den Polyamiden ausgewählt, so ist das mindestens eine Polyamid bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus

PA 6; PA 46; PA 66; PA 66/6; PA 610; PA 612; PA 1010; PA 11; PA 12; PA MXD6;

PA MXD10; PA MACM12; PA PACM12; PA 6T/6I; PA 6T/66; PA 6T/612; PA 6T/1012;

PA 4T; PA 9T; PA 10T; PA 12T; PA 10/6T; PA 6T/6I/66; PA 11/10T; PA 12/10T;

PA 610/lOT; PA 612/lOT; PA 1010/10T; PA 1012/lOT; PA 1212/lOT; PA 11/10T/12; PA 11/10T/6; PA 12/10T/6; PA 11/10T/10I; PA 11/10T/106; PA 12/10T/10I;

PA 12/10T/106; Polyamide auf Basis einer Mischung aus Hexamethylendiamin und

2-Methyl-Pentamethylendiamin als Diaminkomponente und Terephthalsäure als Di- carbonsäurekomponente; Polyamide deren Diaminbaustein 4,4'-Diamino-cyclo- hexylmethan, 3,3'-Dimethyl-4,4'-diaminocyclohexylmethan, Cyclohexyldiamin, oder 2,2',6,6'-Tetramethyl-4,4'-methylenbis-(cyclohexylamin) ist, und Mischungen oder

Blends aus zwei oder mehreren dieser Polyamide.

An dieser Stelle soll die Anmerkung gemacht werden, dass der Begriff„Polyamid" ein Oberbegriff ist, der Homopolyamide und Copolyamide sowie Mischungen davon um- fasst. Die Schreibweisen und Abkürzungen für Polyamide und deren Monomere sind in der ISO-Norm 1874-1 : 1992(E) festgelegt.

Die Struktur der Kohlenstofffasern selbst hat auch einen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit. Zum Erreichen einer geringen elektrischen Leitfähigkeit einer erfin- dungsgemässen Kunststoff-Formmasse trägt erfindungsgemäss auch die Verwendung von Kohlenstofffasern mit einer bevorzugt wenig perfekten inneren Struktur bei. Unter einer wenig perfekten inneren Struktur ist dabei unter anderem zu verstehen, dass Störungen in der Delokalisierung der Elektronen über die komplette Struk- tur, wie z.B. durch Unterbrüche eines konjugierten Doppelbindungssystems durch partielle Hydrierung, vorliegen. Unter den extremen Reaktionsbedingungen beim Re- cyclen von Kohlenstofffasern aus Kohlenstofffaser-enthaltenden Kunststoffen, besonders wenn ein Pyrolyseschritt enthalten ist, können Störungen der perfekten inneren Struktur hervorgerufen werden. In dieser Hinsicht wird die Kohlenstofffaser der Komponente (b) vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus recycelten Kohlenstofffasern und Kohlenstofffasern auf Zellulosebasis, wobei recycelte Kohlenstofffasern bevorzugt sind. Ein Recyclingverfahren zur Rückgewinnung von Kohlenstofffasern aus CFK-Produktions- und CFK-Bauteil-Abfällen ist z.B. beschrieben in der WO 2009/135486 AI.

Der Anteil der Kohlenstofffaser beträgt in den erfindungsgemässen Kunststoff- Formmassen bevorzugt 4 bis 35 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 30 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 6 bis 25 Gew.-%. Der für die Beschichtung der Kohlenstofffaser verwendete mindestens eine Kunststoff B macht bevorzugt 0.1 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 0.5 bis 5 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der beschichteten Kohlenstofffaser aus. Des weiteren ist für eine erfindungsgemässe Kunststoff-Formmasse bevorzugt, wenn die Kohlenstofffaser der Komponente (b) eine durchschnittliche Länge im Bereich zwischen 30 und 500 pm, bevorzugt im Bereich zwischen 40 und 300 pm, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 50 und 200 pm aufweist. Auch solche sehr kurzen Kohlenstofffasern tragen erfindungsgemäss zu einer geringen elektrischen Leitfähigkeit bei, weil sich solche in der Kunststoff-Formmasse dispergierten Carbon- Kurzfasern nur an wenigen Stellen berühren und somit nur wenige elektrische Leitungswege in der Formmasse bilden.

Die Anzahl der Berührungspunkte der Kohlenstofffasern untereinander wird nicht al- leine durch die Faserlänge bestimmt. Auch der Anteil der Kohlenstofffaser in der Formmasse, also der Füllgrad, hat einen wesentlichen Einfluss darauf. Je geringer der Füllgrad und je geringer die Faserlänge, desto weniger Berührungspunkte liegen vor. Dies ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Trotzdem sind eine gute Einbettung und Verankerung sowie die mechanische Verstärkungswirkung in der Matrix der Kunststoff-Formmasse immer noch vorhanden.

Erfindungsgemäss können die Einflussfaktoren für eine geringe Leitfähigkeit auch kombiniert werden, um hohe spezifische Widerstände zu erreichen.

Bevorzugt weist eine erfindungsgemässe Kunststoff-Formmasse einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 1*10 8 bis 1*10 18 , besonders bevorzugt von 1* 10 9 bis 1*10 16 und ganz besonders bevorzugt 1*10 10 bis 1*10 14 Ohm auf. Der spezifische Volumenwiderstand einer erfindungsgemässen Kunststoff-Formmasse beträgt bevor- zugt 1*10 6 bis 1*10 16 , besonders bevorzugt 1*10 7 bis 1*10 14 und ganz besonders bevorzugt 1*10 8 bis 1*10 12 Ohm*m.

Vorzugsweise ist der mindestens eine weitere Zusatzstoff C der Komponente (c) der erfindungsgemässen Kunststoff- Form masse ausgewählt aus einer Gruppe, die aus UV-Absorbern, UV-Stabilisatoren, Hitzestabilisatoren, Hydrolysestabilisatoren, Vernetzungsaktivatoren, Vernetzungsmitteln, Flammschutzmitteln, Schichtsilikaten, Füllstoffen, Farbmitteln, Verstärkungsmitteln, Haftvermittlern, Schlagzähigkeitsmodi- fikatoren, Gleitmitteln, Glaskugeln, Glasfasern, Mineralpulvern, Gleit- und Entfor- mungshilfsmitteln, anorganischen Pigmenten, organischen Pigmenten, IR-Absorbern, Antistatika, Antiblockmitteln, Nukleierungsmitteln, Kristallisationsbeschleunigern, Kristallisationsverzögerern, kettenverlängernden Additiven, optischen Aufhellern, photochromen Additiven, und Mischungen von zwei oder mehreren dieser Zusatzstoffe besteht. Der Anteil des mindestens einen weiteren Zusatzstoffs C beträgt bevorzugt 0.01 bis 45 Gew. -%, besonders bevorzugt 0.5 bis 35 Gew.-% und ganz beson- ders bevorzugt 1.0 bis 20 Gew.-%. Das Vorhandensein der mechanischen Verstärkungswirkung der Kohlenstofffasern in der erfindungsgemässen Kunststoff-Formmasse ist daran feststellbar, dass die Reissdehnung im trockenem Zustand bestimmt nach ISO 527 bevorzugt 0.7 bis 6.0 %, besonders bevorzugt 1.0 bis 5.0 % und ganz besonders bevorzugt 1.3 bis 3.0 % be- trägt.

Erfindungsgemässe Formkörper bestehen zumindest bereichsweise aus einer erfindungsgemässen Kunststoff-Formmasse, und liegen bevorzugt in Form eines Bauteils für den Elektro/Elektronikbereich, insbesondere für Teile von Leiterplatten, Gehäu- sen, Folien, Leitungen, Schaltern, Verteilern, Relais, Widerständen, Kondensatoren, Spulen, Lampen, Dioden, LED, Transistoren, Konnektoren, Reglern, Speichern und Sensoren und Gehäusen- oder Gehäuseteilen von Mobiltelefonen, Smart Phones, Tablet-PC's, Laptops, Notebooks und Netbooks vor. Erfindungsgemäss ist auch die Verwendung von mit mindestens einem Kunststoff beschichteten Kohlenstofffasern als Zusatzstoff bei der Herstellung von Kunststoff- Formmassen, wobei diese Kunststoff-Formmassen einen spezifischen Volumenwiderstand von 10 5 bis 10 20 Ohm*m, bevorzugt von 10 8 bis 10 12 Ohm*m bestimmt nach IEC 60093 aufweisen, oder zur Herstellung von Formkörpern aus diesen Kunststoff- Formmassen, wobei der mindestens eine Kunststoff der Kohlenstofffaser-Beschich- tung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Polyamiden, insbesondere Co- polyamiden, Polyestern, insbesondere Copolyestern, Polyurethanen, Epoxidharzen, Polyhydroxyethern, Acryl-Copolymeren, und Mischungen oder übereinanderliegenden Schichten aus zwei oder mehreren dieser Kunststoffe. In einer bevorzugten Ausfüh- rungsform sind Copolymere aus einem Diamin, einer Dicarbonsäure und einem Gly- cidyl-Polyalkylenoxid-Derivat als Beschichtung ausgeschlossen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele, welche die Er- findung illustrieren, nicht aber den Erfindungsumfang einschränken sollen, näher dargestellt.

Die in Tabelle 1 aufgeführten Materialien wurden in den Beispielen und Vergleichsbeispielen eingesetzt. Tabelle 1: Eingesetzte Materialien .

a) Bestimmt nach ISO 307 (1.0 g Polyamid gelöst in 100 ml H 2 S0 4 ), Berechnung der relativen Viskosität (RV) nach RV = t/t 0 in Anlehnung an Abschnitt 11 der Norm;

b) Bestimmt nach ISO 307 (0.5 g Polyamid gelöst in 100 ml m-Kresol), Berechnung der rela- tiven Viskosität (RV) nach RV = t/t 0 in Anlehnung an Abschnitt 11 der Norm;

c) Unbeschichtete Kohlenstofffaser auf PAN-Basis, plasmabehandelt;

d) Beschichtet mit 1.6 Gew.-% (bezogen auf die Gesamtmasse der Kohlefaser und der Be- schichtung) des acrylischen Copolymers Carboset® 515 Compoundierung

Generell werden zur Herstellung der Kunststoff-Formmasse die Komponenten auf üblichen Compoundiermaschinen, wie z. B. ein- oder zweiwelligen Extrudern oder Schneckenknetern, in der Polymerschmelze gemischt (compoundiert). Die Kompo- nenten werden dabei einzeln in den Einzug dosiert oder in Form eines Dryblends zugeführt. Werden Zusatzstoffe (Additive) verwendet, können diese direkt oder in Form eines Masterbatches eingebracht werden . Bei einer Drybiend-Herstellung werden die getrockneten Polymer-Granulate und die Zusatzstoffe vermischt. Zur Vermeidung der Feuchtigkeitsaufnahme kann das Mischen unter getrocknetem Schutzgas erfolgen.

Die Compoundierung erfolgt bei eingestellten Extruder-Zylindertemperaturen von z.B. 230 °C bis 350 °C. Vor der Düse kann Vakuum angelegt oder atmosphärisch entgast werden. Die Schmelze wird in Strangform in ein Wasserbad ausgetragen und granuliert. Bevorzugt wird zum Granulieren eine Unterwassergranulierung oder ein Heissabschlag verwendet. Die somit bevorzugt in Granulatform erhaltene Kunststoff- Formmasse wird anschliessend getrocknet und kann nachher zu Formkörpern weiter- verarbeitet werden.

Die Formmassen für die erfindungsgemässen Beispiele Bl, B2 und B3 sowie für die Vergleichsbeispiele VB1, VB2 und VB3 wurden auf einem Zweiwellenextruder der Fa. Berstorff Typ ZE 40Ax33D UT hergestellt. Es wurden die in Tabelle 2 angegebenen Mengenanteile der Ausgangsstoffe in Gewichtsprozent (Gew.-%) bezogen auf 100 Gew.-% der gesamten Formmasse im Zweiwellenextruder compoundiert. Aus dem erhaltenen Granulat wurden Probekörper gespritzt, an denen die in Tabelle 2 angegebenen Eigenschaften bestimmt wurden. Normen zur Bestimmung der mechanischen Daten und der elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften

Die in Tabelle 2 angegebenen mechanischen Daten und Leitfähigkeitseigenschaften (letztere ausgedrückt durch den elektrischen Widerstand, der sich umgekehrt pro- portional zur Leitfähigkeit verhält) wurden nach den folgenden Normen bestimmt.

Zug-E-Modul:

ISO 527 mit einer Zuggeschwindigkeit von 1 mm/min

ISO-Zugstab, Norm : ISO 3167, Typ A, 170 x 20/10 x 4 mm, Temperatur 23 °C.

Reissfestigkeit und Reissdehnung:

ISO 527 mit einer Zuggeschwindigkeit von 5 mm/min

ISO-Zugstab, Norm : ISO 3167, Typ A, 170 x 20/10 x 4 mm, Temperatur 23°C. Charpy-Schlagzähigkeit und Charpy-Kerbschlagzähigkeit:

ISO 179-2/leU (Charpy-Schlagzähigkeit)

ISO-Schlagstab, Norm : ISO 179-1, Typ 1, 80 x 10 x 4 mm, Temperatur 23°C. Reissdehnung:

ISO 527 mit einer Zuggeschwindigkeit von 5 mm/min

ISO-Zugstab, Norm : ISO 3167, Typ A, 170 x 20/10 x 4 mm, Temperatur 23°C.

Spezifischer (elektrischer) Voiumenwiderstand:

(auch spezifischer Durchgangswiderstand genannt, in [Ohm*m])

IEC 60093

Platten 100*100*2mm mit Leitsilber kontaktiert

Spezifischer (elektrischer) Oberflächenwiderstand:

(wegen der Elektrodenanordnung auch als Ω Square bezeichnet, in [Ohm])

IEC 60093

Platten 100*100*2mm mit Leitsilber kontaktiert

Versuche:

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Zusammensetzungen der Formmassen der durchgeführten Versuche und die Messresultate dargestellt (B=erfindungsgemässe Beispiele, VB= Vergleichsbeispiele).

Tabelle 2: Zusammensetzungen und Resultate.

Die Erfindungsbeispiele Bl, B2 und B3 zeigen im Vergleich zu den entsprechenden Vergleichsbeispielen VB1, VB2 und VB3, bei welchen eine unbeschichtete 6 mm lan- ge Kohlenstofffaser eingesetzt wurde, einen jeweils in der Grössenordnung um einen Faktor 10 7 bis 10 8 höheren spezifischen Widerstand an Probekörpern aus den Kunststoff-Formmassen, sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen. Ein Unterschied um derart viele Zehnerpotenzen ist enorm und völlig unerwartet angesichts dessen, dass im Stand der Technik (z.B. in der eingangs zitierten EP 0 459 287 A2) auch bei Kunststoff-Formmassen mit Polymer-beschichteten Kohlenstofffasern über gute elektrische Leitfähigkeit berichtet wurde. Die mit den Beispielen erreichten hohen spezifischen Widerstände liegen alle im erfindungsgemäss bevorzugten Bereich, weit über den bisher bekannten Werten für Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoff-Formmassen, und schon fast in der Nähe von Kohlenstofffaser-freien Kunststoff-Form- massen. Ebenso erstaunlich ist, dass andererseits die mechanische Verstärkungswirkung durch die Kohlenstofffasern in der Kunststoff-Formmasse nach wie vor vorhan- den ist, was man an den gemessenen Reissdehnungswerten sieht, die bei den Erfindungsbeispielen ungefähr gleich gross oder nur ein bisschen kleiner als bei den Vergleichsbeispielen sind. Die Reissdehnungswerte liegen im erfindungsgemäss bevorzugten Bereich, und entsprechen bei den Beispielen Bl und B2 sogar ziemlich genau dem Reissdehnungswert (auch Bruchdehnung genannt) von reinen Kohlenstofffasern, der ca. 1.5 % beträgt. Das heisst dass auch in den Erfindungsbeispielen die mechanische Hauptlast nach wie vor von den Kohlenstofffasern getragen wird.

Mit der vorliegenden Erfindung können zur völligen Überraschung des Fachmanns Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoff-Formmassen bereitgestellt werden, die sich im Gegensatz zum Stand der Technik durch einen sehr hohen elektrischen Widerstand, d.h. durch eine geringe elektrische Leitfähigkeit auszeichnen, aber trotzdem gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Es konnten zwei bisher miteinander verbundene Eigenschaften entkoppelt werden, so dass nun eine verstärkte Leichtgewichts- Variante auch für solche Anwendungen zur Verfügung steht, bei denen keine oder nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit vorkommen soll. Damit kann die Palette der Kunststoff-Formmassen um eine interessante Variante erweitert werden. So lassen sich jetzt z.B. Gehäuse für mobile Geräte mit eingebauter Antenne aus einem einzigen, Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoff herstellen und müssen nicht mehr zwei- teilig konzipiert werden.




 
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