METHOD FOR THE PRODUCTION OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE THERMOPLASTICS, AND THEIR USE IN THE ELECTRICAL INDUSTRY

Abstract: 1. A process for molding small thermoplastic articles which, on the outside, contain conductive additives in highly concentrated form but on the inside comprise substantially additive-free thermoplastic into moldings having electroconductivities of not less than 0.001 S/cm with substantial retention of the inhomogeneous structure of the additive-free and additive-containing thermoplastic arrangement, which comprises heating up the thermoplastic particles without employment of pressure until the thermoplastic melts and moving the resulting melt under pressure inside a mold element using a flow rate from 5 to 150 m/hour and a low shear rate.

Description: Verfahren zur Herstellung geformter Artikel aus leitfähigen Thermoplasten und deren Verwendung in der Elektroindustrie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen kleinteiliger Thermoplastteilchen, die an der Aussenschicht leitfähige Additive in hochangereicherter Form enthalten, im Inneren aber aus möglichst additivfreiem Thermoplast bestehen unter weitgehender Beibehaltung der inhomogenen Struktur aus additivfreier und additiventhaltender Thermoplastanordnung zu Formteilen mit elektrischen Leitfähigkeiten von mindestens 0,001 S/cm. Bei derartigen Formteilen soll es sich um kompliziert verformte Fertigteile handeln, die wegen ihrer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit in der Elektroindustrie z.B. als Stromträger oder als Heizflächenelement oder zur Ableitung elektrischer Ladungen Verwendung finden können. Aus der Literaturstelle EP-B1-13 753 ist es bereits bekannt, elektrisch leitende Polyolefinformkörper durch Verformen kleinteiliger Polyolefinteilchen, die an der Aussenschicht leitfähige Additive in hochangereicherter Form enthalten, im Inneren aber aus möglichst additivfreiem Thermoplast bestehen unter Beibehaltung der inhomogenen Struktur herzustellen. Bei diesem bekannten Verfahren werden aus den kleinteiligen Polyolefinteilchen im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Pressverfahren bei möglichst geringer Scherung elektrisch leitende Halbzeugplatten hergestellt. Das erhaltene elektrisch leitende Halbzeug kann einer nachträglichen Formgebung z.B. durch Tiefziehen unterworfen werden, wobei kein Fliessen statt Finden soll und auftretende Scherkräfte möglichst klein gehalten werden sollen. Ein analoges Verfahren ist auch in der Druckschrift EP-31-13 872 beschrieben. Als leitfähiges Additiv wird bei diesem bekannten Verfahren Leitfähigkeitsruss verwendet, die hergestellten kleinteiligen Polyolefinteilchen können nach üblichen SpritzguB-, Extrusionsund Hohlkörperblasverfahren zu Formkorpern mit einem Oberflächenwiderstand von < 1010 Ohm verarbeitet werden. Die Herstellung von elektrisch leitenden Formkörpern aus kleinteiligen Thermoplastteilchen, die im Inneren gleichmässig verteilt ein elektrisch leitendes Additiv wie Russ sowie oberflächlich einen dünnen Belag einer ebenfalls elektrisch leitenden, feinverteilten Substanz, vorzugsweise Silberpulver, enthalten, ist in der Literaturstelle US-A-3 003 975 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die kleinteiligen Thermoplastteil- chen nach üblichen Verfahren verformt. In der Vorveröffentlichung JP-A2-56/144771 (vgl. Derwent Abstracts 94 137 D/51 > ist ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitfähiger Thermoplastformkörper beschrieben, bei dem auf die Oberfläche des Formkörpers eine Schicht aus kleinteiligen Thermoplastteilchen, die an der Oberfläche leitfähige Additive enthalten, aufgebracht wird. Aus der Schrift JP-A2-58/075706 (vgl. Derwent Abstracts 83-767 153138t schliesslich ist ein leitfähiger Thermoplastformkörper bekannt, der aus einer Polyolefinmatrix besteht, in der gleichmässig Teilchen aus mit nichtleitendem Füllstoff gefülltem Polyethylen vorhanden sind, die an der Oberfläche mit leitfähigen Additiven wie Leitfähigkeitsruss versehen sind. Diese bekannten Formkörper mit elektrischer Leitfähigkeit werden nach ub- lichen Verfahren wie Extrusion hergestellt. Nachteilig bei den üblichen Techniken der Extrusion und des Spritzgiessens von Thermoplastteilchen, die an der Aussenschicht leitfähige Additive enthalten, ist die Tatsache, dass die Leitfähigkeit der erhaltenen Halbzeuge und Fertigteile stark erniedrigt ist. Das in den Literaturstellen EP-B1-13753 und EP-B1-13B77 beschriebene Pressverfahren weist zudem starke Einschränkungen hinsichtlich der Formgebung auf, da so keine komplizierten Fertigteile mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zu erhalten sind. Aufgabe der Erfindung war es daher, Pressverfahren zu finden, welche die Formgebung zu komplizierten Fertigteilen erlauben, die gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit bei niederer Konzentration an leitfähigen Additiven aufweisen. Diese Aufgabe wurde durch die Verfahren gemäss Patentansprüchen 1 bis 4 gelöst. Unter kleinteiligen Thermoplastteilchen, die an der Aussenschicht leitfä- hige Additive in hochangereicherter Form enthalten, im Inneren aber aus möglichst additivfreien Thermoplast bestehen, soll es sich um die in den Druckschriften EP-61-13 753 und EP-81-13 872 beschriebenen Teilchen mit mittleren Korngrössen von 10 bis 5000 Am handeln. Als Thermoplast sind alle Kunststoffe mit thermoplastischen Eigenschaften brauchbar, insbesondere geeignet sind aber die Polyolefine, bevorzugt das Polyethylen hoher Dichte im Dichtebereich von 0,935 bis 0,965 g/cm3 und übliches Polypropylen. Die Thermoplaste sollten bevorzugt eine Grenzviskosität, gemessen nach DIN 53 728 in Decalin bei 135gC, im Bereich von 0,5 bis 15 haben. Besonders bevorzugt sind Thermoplastteilchen aus einem Polyethylen der Dichte 0,94 bis 0,96 g/cm3 und des Schmelzindex 0,5 bis 20 g/10 min, gemessen bei 1900c und 21,6 kg nach DIN 53 735, die in Griessform mit einer mittleren Korngrösse von 100 bis 1000 gm vorliegen und die eine mit leitfähigen Additiv gefüllte Aussenschichtdicke von 5 bis 20 Am aufweisen. Als leitfähige Additive kommen insbesondere geperiter oder pulverförmiger Leitfähigkeitsruss, Aluminiumpulver, -flocken oder -fasern, Eisenpulver, Kupferpulver, Kohlefasern, aluminisierte Glasfasern, vernickelte Glasoder Kohlefasern etc. in Frage. Die Herstellung der Compounds nach der Prallsintertechnik ist bekannt, so dass sich eine eingehende Beschreibung erübrigt. Die durch Verformung der Thermoplastteilchen hergestellten Formteile sollen eine weitgehend inhomogene Struktur aus additivfreier und additiventhaltender Thermoplastanordnung aufweisen. Derartige Strukturen sind nach bekannten Verfahren so erhalten worden, dass man Teilchen, deren Thermoplastkern nahezu frei von Additiv ist, während in der Aussenschicht (Mantell eine hohe Konzentration an Additiv herrscht, bei hohen Drücken und weitgehender Vermeidung von Scherung zu Platten verpresst (vgl. EP-91-13753}. Beim nachträglichen Verformen der Halbzeugplatten durch Umformen sind die auftretenden Scherkräfte klein zu halten. In Fig. 1 ist der Vorgang des Verpressens zu Formkörpern unter weitgehender Beibehaltung der inhomogenen Struktur der Teilchen schematisch dargestellt. Die elektrische Leitfähigkeit der erhaltenen Formteile grösser als 0,001 S/cm (entsprechend einem Durchgangswiderstand kleiner als 103¯com), insbesondere im Bereich von 0,05 bis 5 S/cm liegen. Im Gegensatz zu dem aus der Druckschrift EP-31-13 735 bekannten Verfahren wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren der Compound aus kleinteiligen Thermoplastteilchen und Additiv ohne Anwendung von Druck voll durchgeschmolzen und als Schmelze bewegt. Hierzu werden die Thermoplastteilchen ohne Anwendung von Druck bis zum Schmelzen des Thermoplasten aufgeheizt und es wird die resultierende Schmelze mit einer Fliessgeschwindigkeit von 5 bis 150, bevorzugt 10 bis 100 m/Stunde bei niedriger Schergeschwindigkeit unter Druck, bevorzugt von 50 bis 300 bar, in einem Formgebungselement bewegt. Bevorzugt ist ein Verformungsverfahren, bei dem die über den Schmelzpunkt des Thermoplasten aufgeheizten Thermoplastteilchen in einer Form durch freies Fliessen zum Formteil verformt werden. Hierzu kann die Aufheizung der Teilchen innerhalb oder ausserhalb einer Pressform erfolgen, durch Schliessen der Pressform füllt die Kunststoffmasse anschliessend die Form völlig aus. Derartige Verformungsverfahren sind allgemein bekannt, so dass sie an dieser Stelle nicht ausführlich beschrieben werden müssen (vgl. Kunststoff-Taschenbuch, 22. Ausgabe, Kapitel 3.3.5-3.3.8, Carl-Hanser Verlag, München, Wien, 1983). Besonders wirtschaftlich ist dabei das Verfahren, bei dem die Thermoplastteilchen ausserhalb der Form auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzbereichs erwärmt und dann in eine Pressforin gegeben werden, die auf eine Temperatur unterhalb des Schmeizbereiches temperiert wird. Das Formteil ist dann nach kurzer Zeit erstarrt und kann entformt werden. Bevorzugt ist auch ein Verfahren, bei dem die Teilchen zunächst nach dem in der EP-B1-13 753 beschriebenen Verfahren zu einer Platte gepresst werden, wobei die Kern/Hantelstruktur der Thermoplastteilchen weitgehend erhalten bleibt (vgl. Fig. 1). Anschliessend wird die Platte über den Schmelzpunkt des Thermoplasten ausserhalb einer Pressform erhitzt, und anschliessend in einer Pressform unter Fliessen der Schmelze verpresst, wobei der Thermoplast durch Fliessen die Form völlig ausfüllt. Bei dieser sog. Fliesspresstechnik wird das thermoplastische Plattenmaterial in mechanischen oder hydraulischen Pressen zu komplizierten Formteilen verpresst (vgl. H. Schaab und K. Stoeckhert, Kunststoff-Maschinen-Fuhrer, Carl-Hanser-Verlag 1979, Seiten 449 bis 459 und Technische Rundschau (Bern), 73, [ 1981 ] , [ 23 ] , Seiten 33 bis 35). Bei allen Verfahren wird die Verformung unter Druck, bevorzugt bei einem Druck zwischen 50 und 300 bar, vorgenommen. Das Aufheizen der mit leitfähigen Additiven an der Oberfläche versehenen Thermoplastteilchen (Compound) erfolgt wirksam und schnell durch Aufheizverfahren mittels Strahlung z.B. im UHF/HF-Feld mit Heissluft oder durch elektrische Aufheizung des elektrisch leitfähigen Compounds. Solche Verfahren sind bekannt und beispielsweise von H. Reichstein in der.Literaturstelle Kunststoffe", 7 (1984), (1), Seiten 25 bis 27 zusammenfassend beschrieben. Es können aber auch andere übliche Aufheiztechniken, ausser der Wärmeeinbringung durch Reibung angewendet werden. Da die reine Wärme- leitung aber der die Verarbeltungsgeschwlndlgkelt begrenzende Faktor ist, sind die Aufheizverfahren mittels Strahlung bevorzugt. Die nach dem Aufschmelzen des Thermoplasten erhaltene Masse wird unter der Einwirkung von Druck, mit einer Fliessgeschwindigkeit von 5 bis 150, bevorzugt 10 bis 100 m/Stunde in einem Formgebungswerkzeug, z.B. zweiteiligen Presswerkzeugen bewegt. Bei dieser Förderungsbewegung soll die Schergeschwindigkeit gering sein. Auf diese Weise wird Turbulenz in der Bewegung vermieden, die Strömung der Schmelze ist weitgehend laminar. Bevorzugt ist beim Fördern der Schmelze der Druck 50 bis 300 bar, und es ist die Schergeschwindigkeit kleiner als 100 sec-1, bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 sec-1. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass der geschmolzene Thermoplastcompound beim Fliessen in einem Form gebungswerkzeug trotz der dabei dort auftretenden Schorkräfte nicht homogen durchmischt wird, sondern vielmehr eine zwar verzerrte aber sonst nahezu unversehrte Kern-fHantel-Struktur aufweist, wobei die Schalen aus hochangereichertem leitfähigen Additiv und der Kern aus möglichst reinem Thermoplast bestehen. Eine derartige Struktur ist in Fig. 2 aufgezeigt. (Lichtmikroskopische Durchlichtaufnahme durch den Querschnitt eines Pro bekörpers aus Polyethylen mit Russfüllstoff). Die erhaltenen Formkörper weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf.

Claims: Patentansorüche 1. Verfahren zum Verformen kleinteiliger Thermoplastteilchen, die an der Aussenschicht leitfähige Additive in hochangereicherter Form enthal ten, im Inneren aber aus möglichst additivfreiem Thermoplast bestehen unter weitgehender Beibehaltung der inhomogenen Struktur aus additiv freier und additiventhaltender Thermoplastanordnung zu Formteilen mit elektrischen Leitfähigkeiten von mindestens 0,001 S/cm, dadurch ge kennzeichnet, dass die Thermoplastteilchen ohne Anwendung von Druck bis zum Schmelzen des Thermoplasten aufgeheizt werden und die resul tierende Schmelze mit einer Fliessgeschwindigkeit von 5 bis 150 m/Stunde bei niedriger Schergeschwindigkeit unter Druck in einem Formgebungselement bewegt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck 50 bis 300 bar und die Schergeschwindigkeit kleiner als 100 sec-1 ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermo plastteilchen über den Schmelzpunkt des Thermoplasten aufgeheizt werden und in einer Pressform durch freies Fliessen zum Formteil ver formt werden. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Ther moplastteilchen zunächst eine Platte hergestellt wird, die ausserhalb der Pressform, über den Schmelzpunkt des Thermoplasten erhitzt wird, und in einer Pressform unter Fliessen der Schmelze verpresst wird, wobei der Thermoplast durch Fliessen die Form völlig ausfüllt. 5. Verwendung der nach Ansprüchen 1 bis 4 erhaltenen Formteile in der Elektroindustrie. Zeichn.

Inventors: GIESEN, KLAUS, SCHLAG, JOHANNES, DR., SEILER, ERHARD, DR., THEYSOHN, RAINER, DR., WELZ, MARTIN
Applicants: BASF AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1986
Main classification: B29B13
IPC codes: H01B1, B29C70, B29B9, B29B13, B29C43