DE102004032152A1

DE102004032152A1 - Verbund umfassend mindestens eine harte Komponente und mindestens eine weiche Komponente

Info

Publication number: DE102004032152A1
Application number: DE200410032152
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Pfeiffer
Original assignee: Ticona GmbH
Current assignee: Ticona GmbH
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US20080118726A1; WO2006002856A2; WO2006002856A3; JP2008504981A; US8361606B2; JP2013063657A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kunststoff-Verbund, umfassend mindestens eine harte Komponente, die ein E-Modul größer oder gleich 1000 MPa aufweist, und eine weiche Komponente, die ein E-Modul kleiner oder gleich 500 MPa aufweist, wobei die harte und die weiche Komponente eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wobei der Verbund eine Verbundfestigkeit von mindestens 0,5 N/mm·2· aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbunde umfassend mindestens eine harte Komponente und mindestens eine weiche Komponente, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.

Die zunehmende Verwendung elektrischer und elektronischer Geräte auf immer engerem Raum (Handy, Kfz, Flugzeugbau, Schiffsbau) macht einen steigenden Einsatz von Kunststoffen erforderlich. Gehäuse und Baugruppen aus Metall werden immer mehr durch Kunststoffbauteile abgelöst. Der Gewichtsersparnis und den Integrationsmöglichkeiten bei Kunststoffen steht aber fehlende elektromagnetische Abschirmung hochfrequenter Felder und Wellen entgegen. Der Schutz sensibler elektronischer Schaltungen vor Einstrahlung und Abstrahlung elektromagnetischer Felder und Wellen, d. h. die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist mit diesen Kunststoffen nicht zu realisieren.

Eine Möglichkeit, mit Kunststoffen eine elektromagnetische Abschirmung zu erzielen, besteht darin, nachträglich, d. h. nach der Herstellung des Kunststoff Formteiles, eine Metallschicht aufzubringen. Dies hat den Nachteil, dass ein teurer Folgeschritt erforderlich ist, der zusätzliche Logistik erfordert, Fehler zulässt und meist die Herstellkosten des eigentlichen Kunststoff Formteiles übersteigt.

Die bevorzugte Möglichkeit besteht darin, den Kunststoff leitfähig zu machen. Kommerziell haben nur die leitfähig gefüllten Kunststoffe (Compounds) eine Bedeutung. Intrinsisch leitfähige Kunststoffe sind unschmelzbar und unlöslich und können aus diesem Grunde nicht mit den herkömmlichen Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe verarbeitet werden. Sie können aber in fein gemahlener Form als leitfähiges Additiv dienen.

Werden leitfähige Kunststoffgehäuse jedoch miteinander verbunden, so resultiert eine relativ schlechte Abschirmung, die sich in einem hohen Übergangswiderstand manifestiert.

Das Einlegen hoch leitfähiger Dichtungen (meist Silberfüllung) verbessert die Abschirmung. Dies ist in den meisten Fällen jedoch nicht ausreichend und zusätzlich teuer, da aus Gründen der mechanischen Stabilität und Handhabbarkeit die Dichtung eine Dicke im Bereich von Millimetern haben muss.

In Anbetracht des hierin angegebenen Standes der Technik war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verbunde anzugeben, die eine hohe Leitfähigkeit und daraus resultierend eine hohe elektromagnetische Abschirmung ermöglichen.

Des Weiteren war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verbunde anzugeben, die großtechnisch und kostengünstig hergestellt werden können. Hierbei sollten insbesondere Werkstoffe verwendet werden, die preisgünstig zu erhalten sind.

Weiterhin war ein Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verbunde zur Verfügung zu stellen, die gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Hierbei sollten diese Eigenschaften in großem Maß an die Bedürfnisse der Anwendung angepasst werden können.

Diese und weitere Aufgaben, die sich dem Fachmann durch den einleitend diskutierten Stand der Technik ergeben werden, werden durch die in Anspruch 1 dargelegten Verbunde gelöst.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind dementsprechend Kunststoff-Verbunde umfassend mindestens eine harte Komponente, die ein E-Modul größer oder gleich 1000 MPa aufweist, und eine weiche Komponente, die ein E-Modul kleiner oder gleich 500 MPa aufweist, wobei die harte und die weiche Komponente eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wobei der Verbund eine Verbundfestigkeit von mindestens 0,5 N/mm² aufweist.

Die Verbunde der vorliegenden Erfindung eignen sich hervorragend, um sensible elektronische Schaltungen vor Einstrahlung und Abstrahlung elektromagnetischer Felder und Wellen abzuschirmen. Des Weiteren können die mechanischen Eigenschaften der Verbunde in weiten Bereichen den Bedürfnissen der Endverbraucher angepasst werden.

Darüber hinaus können die Verbunde der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise kostengünstig hergestellt werden, wobei insbesondere preisgünstige Werkstoffe eingesetzt werden können. Die Verbunde können hierbei durch vollautomatische Werkzeuge hergestellt werden. Hierdurch kann eine hohe und gleichbleibende Qualität erzielt werden.

Die Verbunde der vorliegenden Erfindung weisen mindestens eine harte Komponente auf, die mindestens einen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff umfasst. Die harte Komponente zeigt ein E-Modul von mindestens 1000 MPa, vorzugsweise mindestens 1500 MPa und besonders bevorzugt mindestens 2000 MPa. Das E-Modul kann aus Spannungsdehnungsversuchen gemäß ISO 527 erhalten werden, wobei im allgemeinen mit einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm/min bei 23°C gemessen wird.

Das hohe E-Modul wird im Allgemeinen durch den Einsatz von entsprechenden thermoplastischen Kunststoffen erzielt. Kunststoffe, die diese Eigenschaften aufweisen, sind dem Fachmann bekannt. Hierzu gehören unter anderem Polyolefine, insbesondere Polyethylen, Polypropylen oder Cycloolefincopolymer; Polyacetale, insbesondere Polyoxymethylen; Polyamid; Polyphenylenoxid; Polyphenylensulfid; Polyphenylenether; Polyurethan; Polycarbonat; Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat oder Polybutylenterephthalat; Polystyrol; Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere oder Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Pfropfpolymeren; Liquid Crystal Polymeren oder Blends aus den genannten Kunststoffen. Besonders bevorzugt kann die harte Komponente Polyacetale umfassen, wobei Homo- und Copolymere eingesetzt werden können. Diese Homo- und/oder Copolymere sind in WO 00/20204 beschrieben.

Bevorzugte Kunststoffe, die ein hohes E-Modul aufweisen, haben ein zahlenmittleres Molekulargewicht M _n von 2 000 bis 400 000, vorzugsweise von 10 000 bis 200 000, und einen Volumen-Fließindex (melt volume rate, MVR) bei 190 °C und einer Auflagekraft von 2,16 kg nach DIN ISO 1133 von 0,5 bis 200 cm³/10 min, vorzugsweise von 1 bis 70 cm³/10 min. Das Zahlenmittel des Molekulargewichts kann durch Gelpermeationschromatographie (GPC) ermittelt werden.

Vorzugsweise umfasst die harte Komponente 0,1 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der harten Komponente, an Kunststoffen, die ein hohes E-Modul aufweisen.

Die harte Komponente enthält mindestens einen leitfähigen Zusatzstoff, der eine Leitfähigkeit der harten Komponente bewirkt. Diese Stoffe sind in der Fachwelt bekannt. Hierzu gehören unter anderem Metalle, wie beispielsweise Eisen, Stahl, Kupfer, Messing, Nickel, Zink, Silber, Gold, Platin; Kohlenstoff, der auch metallisiert sein kann, wie z. B. vernickelten oder versilberten Kohlenstoff; leitfähige Kunststoffe, wie zum Beispiel Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen oder metallisierte Füllstoffe, wie beispielsweise metallisiertes Glas. Die leitfähigen Füllstoffe können die Form von Pulver, Kugeln, Hohlkugeln, Mineralien, langen oder kurzen Fasern besitzen. Bevorzugt werden Pulver von Ruß, Leitruß, Graphit, vernickelte oder versilberte pulverförmige Füllstoffe wie vernickelter oder versilberter Kohlenstoff, vernickelter oder versilberter Graphit, vernickeltes oder versilbertes Glas oder intrinsisch leitfähigen Polymeren wie z. B. Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen oder Fasern aus Edelstahl, Kohlenstoff, metallisiertem (vernickeltem) Kohlenstoff oder vernickelte oder versilberte Kugeln oder Hohlkugeln aus Glas eingesetzt. Diese Stoffe können einzeln oder als Mischung eingesetzt werden.

Besonders bevorzugt werden lange Fasern aus Edelstahl, Kohlenstoff, metallisiertem Kohlenstoff, Graphit oder Glas, vernickeltem oder versilbertem Kohlenstoff, vernickeltem oder versilbertem Graphit oder vernickeltem oder versilbertem Glas oder Kohlenstoff Single-Wall oder Multi-Wall Nanotubes eingesetzt. Unter Kurzfaserprodukten werden hierbei Granulate, Pellets und Bauteile verstanden, die Fasern mit Faserlängen bis 0,3 μm enthalten. Unter Langfaserprodukten werden hierbei Granulate, Pellets oder Bauteile verstanden, die Fasern mit Faserlängen über 0,3 μm enthalten, insbesondere Faserlängen 0,5 μm bis 50 mm, besonders bevorzugt Faserlängen 0,5 μm bis 10 mm.

Bei den leitfähigen Füllstoffen ist die Effizienz des Füllstoffes für die Leitfähigkeit, die Abschirmung und die elektromagnetische Verträglichkeit umso höher, je länger und dünner die Füllstoffpartikel sind. Aus diesem Grunde werden bevorzugt lange dünne Fasern eingesetzt (vgl. B. Pfeiffer, Edelstahlfasergefüllte Kunststoffe, Plastverarbeiter 48. Jahrg. 1997, Nr. 12).

Die harte Komponente umfasst vorzugsweise 0,1 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 30 Gew.-% an leitfähigen Zusatzstoffen, bezogen auf das Gewicht der harten Komponenten. Die spezifische Durchgangsleitfähigkeit der harten Komponente beträgt vorzugsweise mindestens 10^–7 S und liegt insbesondere im Bereich von 10^–7 bis 10⁴, besonders bevorzugt im Bereich von 10^–3 bis 10² S/cm, wobei die Leitfähigkeit gemäß DIN EN 0303 Teil 30 gemessen werden kann.

Des Weiteren kann die harte Komponente allgemein bekannte Additive aufweisen. Hierzu gehören unter anderem Füll- und Verstärkungsstoffe wie zum Beispiel Fasern, insbesondere Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Mineralfasern; Verarbeitungshilfen, polymere Gleitstoffe, Gleitmittel mit äußerer und/oder innerer Gleitwirkung, Antioxidantien, Haftvermittler, Wachse, Nukleierungsmittel, Entformungshilfen, Glaskugeln, mineralische Füllstoffe wie Kreide, Calciumcarbonat, Wollastonit, Siliciumdioxid, Talk, Glimmer, Montmorillonit, organisch modifiziert oder unmodifiziert, organisch modifizierte oder unmodifizierte Schichtsilikate, mit dem flüssigkristallinen Kunststoff oder dem Polyarylensulfid Nanokomposite bildende Materialien oder Nylon-Nanokomposite oder Mischungen der vorgenannten Stoffe.

Die Verbunde der vorliegenden Erfindung weisen mindestens eine weiche Komponente auf, die vorzugsweise mindestens einen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff umfasst. Die weiche Komponente weist ein E-Modul von höchstens 500 MPa, vorzugsweise höchstens 100 MPa und besonders bevorzugt höchstens 50 MPa auf. Das geringe E-Modul wird im Allgemeinen durch den Einsatz von entsprechenden Kunststoffen erzielt. Kunststoffe, die diese Eigenschaften aufweisen, sind dem Fachmann bekannt. Hierzu gehören insbesonsdere reine oder modifizierte Polyolefin-Elastomere (TPE-O) insbesondere Polypropylen-Elastomere, wie Ethylen/Propylen-Terpolymer / Propylen (PP-EPDM), vernetztes Ethylen/Propylen-Terpolymer / Propylen (PP-X/EPDM), Nitril-Butadien-Kautschuk / Polypropylen (PP-NBR); vernetzte Polyolefin-Elastomere (TPE-V); Elastomere auf Basis von Polyetherester oder Polyesterester (TPE-E), Polyetherurethan-Elastomer und/oder Polyesterurethan-Elastomer (TPE-U); Polyetheramid-Elastomer (TPE-A) und/oder Styrol-Elastomer (TPE-S), insbesondere Styrol-Butadien-Styrol-Copolymere (SBS), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymere (SEBS), Styrol-Ethylen-Propylen-Styrol-Copolymere (SEPS), Styrol-Isopren-Styrol-Copolymere (SIS). Die thermoplastischen Elastomere können einzeln oder als Mischung eingesetzt werden.

Bevorzugte Kunststoffe, die ein geringes E-Modul aufweisen, haben ein zahlenmittleres Molekulargewicht M _n von 2 000 bis 400 000, vorzugsweise von 10 000 bis 200 000, und einen Volumen-Fließindex (melt volume rate, MVR) bei 190 °C und einer Auflagekraft von 2,16 kg nach DIN ISO 1133 von 0,5 bis 200 cm³/10 min, vorzugsweise von 1 bis 70 cm³/10 min.

Vorzugsweise umfasst die weiche Komponente 0,1 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der weichen Komponente, an thermoplastischen Elastomeren.

Bevorzugt wird mindestens ein thermoplastisches Elastomer mit einer Shore Härte A 90 bis D30, vorzugsweise Shore A 40 bis A 90 eingesetzt. Die Härte der weichen Komponente des Verbunds liegt vorzugsweise im Bereich von Shore Härte A 90 bis D30, besonders bevorzugt Shore A 40 bis A 90

Die weiche Komponente umfasst ebenfalls die zuvor dargelegten Zusatzstoffe, die eine Leitfähigkeit bewirken. Besonders bevorzugt werden lange Fasern aus Edelstahl, Kohlenstoff, metallisiertem Kohlenstoff, Graphit oder Glas, vernickeltem oder versilbertem Kohlenstoff, vernickeltem oder versilbertem Graphit oder vernickeltem oder versilbertem Glas oder Kohlenstoff Single-Wall oder Multi-Wall Nanotubes eingesetzt. Unter Kurzfaserprodukten werden hierbei Granulate, Pellets und Bauteile verstanden, die Fasern mit Faserlängen bis 0,3 μm enthalten. Unter Langfaserprodukten werden hierbei Granulate, Pellets oder Bauteile verstanden, die Fasern mit Faserlängen über 0,3 μm enthalten, insbesondere Faserlängen 0,5 μm bis 50 mm, besonders bevorzugt Faserlängen 0,5 μm bis 10 mm.

Die weiche Komponente umfasst vorzugsweise 0,1 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 30 Gew.-% an leitfähigen Zusatzstoffen, bezogen auf das Gewicht der weichen Komponenten. Die spezifische Durchgangsleitfähigkeit der weichen Komponente beträgt vorzugsweise mindestens 10^–7 S und liegt insbesondere im Bereich von 10^–7 bis 10⁴, besonders bevorzugt im Bereich von 10^–3 bis 10² S/cm, wobei die Leitfähigkeit gemäß DIN EN 0303 Teil 30 gemessen werden kann Des Weiteren kann die weiche Komponente allgemein bekannte Additive aufweisen, wobei diese beispielhaft zuvor dargelegt wurden.

Die weiche Komponente kann des weiteren die zuvor genannten Kunststoffe mit einem E-Modul größer als 1000 MPa aufweisen.

Der Verbundkörper weist eine Verbundfestigkeit von mindestens 0,5 N/mm², vorzugsweise mindestens 1,0 N/mm² auf. Die Verbundfestigkeit kann aus Spannungsdehnungsversuchen gemäß ISO 527 erhalten werden, wobei im allgemeinen mit einer Prüfgeschwindigkeit von 50 mm/min bei 23°C gemessen wird. Hierzu wird ein Prüfkörper hergestellt, wobei eine Schulter aus der harten Komponenten und die zweite Schulter aus der weichen Komponenten bestehen. Da der Prüfkörper üblich an der Grenzfläche der harten und der weichen Komponenten versagt, entspricht die Verbundfestigkeit der Bruchspannung des Prüfkörpers. Die Herstellung der Prüfkörper erfolgt bevorzugt durch Spritzgussverfahren, wobei Einzelheiten der Druckschrift EP 1 128 955 , insbesondere Seite 5, Zeilen 34 bis 58, entnommen werden können.

Die Verbundfestigkeit kann durch allgemein bekannte Massnahmen erzielt werden. Beispielsweise kann eine Klebstoffschicht eingesetzt werden, die leitfähig ausgerüstet wurde.

Vielfach kann jedoch durch eine gezielte Auswahl der harten Komponenten bzw. der weichen Komponenten eine ausreichende Festigkeit erzielt werden, ohne dass eine Klebstoffschicht aufgebracht wird. Um eine hohe Haftung zu erzielen sollte die Schmelztemperatur der weichen und der harten Komponenten in einem ähnlichen Bereich liegen. Des Weiteren sollte die Polarität der beiden Komponenten ähnlich sein. Zur Verbesserung der Haftung kann die weiche Komponente mit einer geringen Menge an Polymer mit hohem E-Modul der harten Phase modifiziert werden. Des Weiteren kann auch die harte Komponente mit einer geringen Menge an Elastomer der weichen Komponente enthalten.

Hilfreiche Hinweise finden sich unter anderem in der Patentliteratur, beispielsweise in DE 198 45 235 , EP 1 128 955 und EP 1 225 036 ; sowie Prospekte der Hersteller von verschiedenen Kunststoffen, beispielsweise „Technik Haftungsprüfung an Hart/Weichverbindungen" von PTS-Marketing & Vertriebs GmbH, 91587, Adelshofen und „Technology: Combimelt" von Engel AG.

So können weiche Komponenten, die Styrol-Elastomere (TPE-S) umfassen, bevorzugt mit harten Komponenten kombiniert werden, die Polypropylen enthalten. Bei entsprechender Modifikation, die im Einzelfall dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt ist, können Styrol-Elastomere mit Polyamiden, Polystyrolen, Polyoxymethylen-Homo- und -Copolymeren, Polycarbonaten, Polybutylenterephthalaten und Polyphenylenether verbunden werden.

Weiche Komponenten, die vernetzte und/oder unvernetzte Polyolefin-Elastomere (TPE-V; TPE-O) umfassen, eignen sich vielfach zur Kombination mit harten Komponenten, die Polypropylen und/oder Polyamide umfassen, wobei gegebenenfalls Modifikationen notwendig sind.

Polyurethan- und/oder Polyester-Elastomere (TPE-U; TPE-E) eignen sich insbesondere zur Kombination mit Polyamiden, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polyoxymethylen-Homo- und -Copolymeren, Polycarbonaten (PC) und/oder Polybutylenterphthalaten, wobei teilweise eine Modifikation der Elastomere und/oder der Kunststoffe der harten Komponente notwendig ist.

Polyamid-Elastomere (TPE-A) können vorteilhaft mit Polyamiden und/oder Polycarbonaten verbunden werden.

Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Verbund eine spezifische Durchgangsleitfähigkeit von größer oder gleich 0,01 S/cm, bevorzugt größer oder gleich 0,1 S/cm, besonders bevorzugt größer oder gleich 1 S/cm aufweisen, wobei die Leitfähigkeit gemäß DIN EN 0303 Teil 30 gemessen werden kann.

Vorzugsweise umfasst der Verbund mindestens eine Oberfläche mit einer spezifischen Oberflächenleitfähigkeit größer oder gleich 10^–3 S, bevorzugt größer oder gleich 10^–2 S besonders bevorzugt größer oder gleich 0,1 S, wobei die spezifische Oberflächenleitfähigkeit nach DIN EN 0303 Teil 30 gemessen werden kann.

Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind mindestens eine harte Komponente und mindestens eine weiche Komponente unmittelbar miteinander verbunden. Diese Verbindung kann unter anderem durch thermoplastische Formgebungsverfahren erzielt werden. Hierzu gehören unter anderem die Coextrusion sowie spezielle Spritzgussverfahren.

Die Herstellung des Verbunds erfolgt nach den allgemein bekannten Methoden und Verfahren, wie zum Beispiel Spritzguss, Spritzprägen, Extrusion, Blasformen. Wirtschaftlich und vorteilhaft ist die Verwendung des Mehrkomponentenspritzgussverfahrens, wobei beispielsweise zunächst die harte Komponente im Spritzgusswerkzeug geformt, d.h. vorgespritzt wird und anschließend eine Beschichtung oder ein Formteil aus der weichen Komponenten in das Formteil gespritzt wird.

Bei der Fertigung der harten Komponenten liegt die Massetemperatur dabei im üblichen Bereich, der von den jeweils eingesetzten Kunststoffen abhängig ist. Falls Polyacetale eingesetzt werden liegt diese Temperatur im Allgemeinen im Bereich von etwa 180 bis 240°C vorzugsweise bei 190 bis 230°C. Das Werkzeug selbst wird vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der Formmasse eingestellt. Für Polyacetale liegt die Werkzeugtemperatur vorzugsweise im Bereich von 20 bis 140°C. Für die Form-Präzision und Dimensionsstabilität der harten Komponente kann eine Werkzeugtemperatur im oberen Temperaturbereich vorteilhaft sein.

Sobald die Kavität im Werkzeug vollständig gefüllt und der Nachdruck nicht weiter wirksam ist (Siegelpunkt), kann das Formteil aus der harten Komponenten fertig ausgekühlt und als erster Teil des Verbunds (Vorspritzling) entformt werden. In einem zweiten, nach geschalteten separaten Spritzgießschritt wird dann z.B. dieser Vorspritzling in ein anderes Werkzeug mit einer ausgesparten Kavität eingelegt bzw. umgesetzt und die weiche Komponente in das Werkzeug eingespritzt und dabei auf den Vorspritzling aufgespritzt. Dieses Verfahren ist als Einlege- oder Umsetzverfahren bekannt. Für die nachfolgend erreichbare Haftung ist es besonders vorteilhaft, wenn das vorgespritzte Formteil der harten Komponenten vorgewärmt wird, um ein Anschmelzen der Oberfläche durch die aufgespritzte weiche Komponente und deren Eindringen in die Grenzschicht zu erleichtern. Hierbei kann die Temperatur des vorgespritzten Formteils bis knapp unter den Schmelzpunkt, der gemäß ISO 3146 Methode C 1b bestimmt werden kann, erwärmt werden. Falls die harte Komponente Polyacetal umfasst, liegt diese Temperatur vorzugsweise im Bereich von 80°C bis knapp unter dem Schmelzpunkt.

Das vorgespritzte Formteil aus der harten Komponenten kann aber auch nur teilentformt wenden und zusammen mit einem Teil des ursprünglichen Werkzeugs [z.B. der Angussplatte, der Ausstoßerseite oder nur einer Indexplatte) in eine weitere größere Kavität bewegt werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die weiche Komponente ohne Zwischenöffnen der Maschine und Weitertransport des Vorspritzlings aus der harten Komponente in das gleiche Werkzeug einzuspritzen. Dabei sind die für die weiche Komponente vorgesehenen Werkzeughohlräume beim Einspritzen der harten Komponente zunächst durch verschiebbare Einsätze oder Kerne verschlossen und werden erst zum Einspritzen der weichen Komponente geöffnet (Schiebertechnik). Diese Verfahrensvariante ist auch zum Erzielen einer guten Haftung besonders vorteilhaft, da bereits nach kurzer Kühlzeit die Schmelze der weichen Komponenten auf einen noch heißen Vorspritzling trifft.

Gegebenenfalls können im Mehrkomponentenspritzgussverfahren weitere Teile aus einer oder mehrerer harten Komponenten weichen Komponenten und/oder Kunststoffen, die keine Leitfähigkeit aufweisen, gleichzeitig oder in aufeinander folgenden Schritten aufgespritzt werden.

Beim Aufspritzen der weichen Komponenten ist es für eine gute Haftung vorteilhaft, die Einstellungen für die Massetemperatur so wie den Einspritz- und den Nachdruck möglichst hoch zu wählen. Die obere Temperaturgrenze ist hierbei durch die Zersetzungstemperatur gegeben. Bei Styrol-Olefin-Elastomeren liegt die Massetemperatur vorzugsweise im Bereich von 200 bis 270°C und wird nach oben durch ihre Zersetzung begrenzt. Die Werte für die Einspritzgeschwindigkeit sowie für den Einspritz- und Nachdruck sind maschinen- und formteilabhängig und sind den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen.

Nach allen Verfahrensvarianten, mit oder ohne Entformung des Vorspritzlings kann das Werkzeug im zweiten Schritt auf eine Temperatur im Bereich von 20°C bis 140°C temperiert werden. Je nach Konstruktion der Teile kann es sinnvoll sein, die Werkzeugtemperatur etwas abzusenken, um somit die Entformbarkeit und die Zykluszeiten zu optimieren. Nach dem Auskühlen der Teile wird der Verbundkörper entformt. Hierbei ist es bei der Werkzeugkonstruktion wichtig, die Auswerfer an geeigneter Stelle anzubringen, um eine Belastung der Werkstoff-Verbundnaht zu minimieren. Auch eine ausreichende Entlüftung der Kavität im Nahtbereich ist bei der Werkzeugkonstruktion vorzusehen, um eine Behinderung der Verbindung zwischen den beiden Komponenten durch eingeschlossene Luft möglichst gering zu halten. Einen ähnlichen Einfluß übt auch die Art der Werkzeugwandrauhigkeit aus. Für die Ausbildung einer guten Haftung ist eine glatte Oberfläche an der Stelle der Verbundnaht vorteilhaft, da dann weniger Luft in der Oberfläche eingeschlossen wird.

Die Befestigung der Weichkomponente auf der Hartkomponente kann durch Hinterschnitt (mechanische Verankerung) oder adhäsive Anbindung erfolgen. Besonders bevorzugt wird ein Anschmelzen der Oberfläche der Komponente 1 (i. d. Regel die Hartkomponente) durch die Komponente 2 (i. d. Regel die Weichkomponente), da hierdurch überraschend eine besonders hohe Leitfähigkeit des Verbunds erzielt werden kann.

Neben den verschiedenen Spritzverfahren sind die Verfahren der Coextrusion und des Coblasformens geeignet, um die beanspruchten elektrisch leitfähigen Verbunde aus mindestens einem harten und einem weichen Thermoplasten herzustellen.

Die Verbunde der vorliegenden Erfindung können insbesondere zur Herstellung von Gehäusen bzw. Gehäuseteile in der Elektronik, dem Flugzeug- und Fahrzeugbau eingesetzt werden. Überraschend konnte festgestellt werden, dass durch diese Gehäuse eine hervorragende Abschirmung von elektromagnetischen Wellen erzeugt wird, wobei die Gehäuse einen effektiven geschlossenen Schirm oder Käfig bilden.

Zusätzlich können mit diesen Verbunden großflächige Kontakte zur Erdung und Einleitung großer Stromstärken hergestellt werden, wie sie für die elektromagnetische Abschirmung, die Antistatik und dissipative Ableitung von Oberflächenladungen und die Herstellung und Kontaktierung von Widerstandsheizelementen erforderlich sind.

Im Bereich der Coextrusion und Coblasformens sind insbesondere die Verwendung als Rohr in jeglicher Form (Kraftstoffleitungen) und abschirmende Kabelmantel und -hüllen vorgesehen.

Beispiel 1
In einem Plattenwerkzeug wurden 80 mm × 120 mm × 3 mm Platten aus verschiedenen stahlfasergefüllten Thermoplasten gespritzt. Die verwendeten Werkstoffe sind in Tabelle 1 dargelegt. Anschließend wurden die Platten auf 80 °C aufgeheizt, in das gleiche Plattenwerkzeug allerdings mit 4 mm Dicke eingelegt und mit SEBS mit Ni/Graphit überspritzt. Dabei wurde eine 1 mm dicke SEBS Schicht mit Ni/Graphit erzeugt, die eine sehr hohe Leitfähigkeit an der Oberfläche aufwies und damit mit einem geringen Kontaktwiderstand kontaktiert werden konnte.
Der erhaltene Verbund wurde auf Haftung und elektrische Leitfähigkeit getestet. Zur Haftungsbeurteilung wurde die Weichkomponente in einem Schältest abgezogen und die Grenzfläche unter dem Mikroskop begutachtet. Bei guter Haftung findet ein Kohäsionsbruch in der Weichkomponente statt, was daran erkannt wird, dass auf der Hartkomponente Reste der Weichkomponente verbleiben. Die ermittelten Haftungen sind in Tabelle 1 angegeben. Bei einem Adhäsionsbruch liegt die Verbundfestigkeit oberhalb von 0,5 N/mm².
Tabelle 1: Haftung des Verbundes aus einer elektrisch leitfähigen Hart- und einer elektrisch leitfähigen Weichkomponente (++ Kohäsionsbruch, + teilweise Kohäsionsbruch, 0 Adhäsionsbruch in der Grenzschicht, – keine Haftung).
Zur Ermittlung des spezifischen Durchgangswiderstandes wurden 10 mm × 10 mm große Plättchen herausgeschnitten und die Oberflächen mit Leitsilber kontaktiert. Aus einer Querschnittsfläche von 1 cm² und einer Dicke von 0,4 cm errechnet sich bei Verbunden mit guter Haftung aus den gemessenen Widerstandswerten von ca. 0,5 Ohm ein spezifischer Durchgangswiderstand des Verbundes von ca. 1,3 Ohm cm. Dies entspricht einer spezifischen Durchgangsleitfähigkeit von 0,8 S/cm.
Der spezifische Oberflächenwiderstand wurde nach DIN EN 0303 Teil 30 gemessen. Er beträgt für die Hartkomponente 10²-10³ Ohm (spezifische Oberflächenleitfähigkeit 10^–2-10^–3 S), der spezifische Oberflächenwiderstand der Weichkomponente wurde analog bestimmt und beträgt 0,1 Ohm (spezifische Oberflächenleitfähigkeit 10 S).
Tabelle 2: Spezifischer elektrischer Durchgangswiderstand des Verbundes aus einer elektrisch leitfähigen Hart- und einer elektrisch leitfähigen Weichkomponente (das Formteil besitzt keinen Hinterschnitt. Ohne Haftung konnte kein Verbund hergestellt werden. Aus diesem Grunde wurde kein Widerstand angegeben.). Letzte Spalte Vergleich zu einer aufgelegten Dichtung.
Die dargelegten Beispiele zeigen, dass Verbunde mit einer hohen Verbundfestigkeit einen überraschen geringen spezifischen Durchgangswiderstand von unter 1 Ohm·cm (spezifische Durchgangsleitfähigkeit über 1 S/cm) aufweisen. Insbesondere der Vergleich mit aufgelegten Weichkomponenten verdeutlicht die unerwartete Verbesserung (spezifische Durchgangsleitfähigkeit unter 0,07 S/cm).
Beispiel 2:
Der elektrisch leitfähige Hart/Weich-Verbund wurde in einem 2-Komponenten Zugstab Drehwerkzeug hergestellt. Zuerst wurde die 1. Zugstabhälfte aus einem stahlfasergefüllten Thermoplasten gespritzt. Anschließend wurde das Werkzeug gedreht und die 2. Zugstabhälfte aus einem thermoplastischen Elastomer stumpf auf die vorgespritzte 1. Zugstabhälfte aufgespritzt. Zur Messung des elektrischen Widerstandes des erhaltenen Verbundes wurden die Zugstabenden mit Leitsilber kontaktiert und der Widerstand über den Verbund durch die Grenzflächen Hart/Weich (Fläche 2 mm × 5 mm) mit einem Widerstandsmessgerät gemessen. Für einen Verbund aus POM mit 10 Gew.-% Edelstahlfasern und SEBS mit Ni/Graphit wurde ein elektrischer Widerstand von 10.5 +/- 1.9 Ohm gemessen.
Bezogen auf den eingesetzten Querschnitt von 0,1 cm² und eine Zugstablänge von 10 cm beträgt der spezifische Durchgangswiderstand des Verbundes ca. 0,1 Ohm cm (spezifische Durchgangsleitfähigkeit größer als 10 S/cm).
Analog wurde der spezifische Durchgangswiderstand für den Verbund aus Polycarbonat mit 10 Gew.-% Edelstahlfasern und 8 Gew.-% Glasfasern und SEBS mit Ni/Graphit zu 0,4 Ohm cm ermittelt. Wie in Beispiel 1 führt die schlechtere Haftung zu einem höheren Widerstand des Verbundes.

Claims

Kunststoff-Verbund umfassend mindestens eine harte Komponente, die ein E-Modul größer oder gleich 1000 MPa aufweist, und eine weiche Komponente, die ein E-Modul kleiner oder gleich 500 MPa aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die harte und die weiche Komponente eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wobei der Verbund eine Verbundfestigkeit von mindestens 0,5 N/mm² aufweist.
Verbund gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Komponente und die weiche Komponente eine spezifische elektrische Durchgangsleitfähigkeit gößer oder gleich 10^–7 S/cm aufweisen.
Verbund gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Komponente und die weiche Komponente leitfähige Zusatzstoffe aufweisen.
Verbund gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Zusatzstoffe Eisen, Stahl, Kupfer, Messing, Nickel, Zink, Silber, Gold, Platin, Kohlenstoff, metallisierten Kohlenstoff oder metallisiertes Glas umfassen
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Komponente und/oder die weiche Komponente leitfähigen Zusatzstoffe in der Form von Pulver, Kugeln, Hohlkugeln, Mineralien und lange oder kurz Fasern oder Single-Wall- oder Multi-Wall-Nanotubes aufweisen.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die harte und die weiche Komponente unmittelbar miteinander verbunden sind.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund einen spezifische Durchgangsleitfähigkeit von größer 0,01 S/cm, bevorzugt größer 0,1 S/cm, besonders bevorzugt größer 1 S/cm besitzt.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund mindestens eine Oberfläche mit einer spezifischen Oberflächenleitfähigkeit größer 0,001 S, bevorzugt größer 0,01 S besonders bevorzugt größer 0,1 S besitzt.
Verbund gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die harte Komponente Polyolefine, Polyacetale, Polyamide, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfide, Polyphenylenether Polyurethane, Polycarbonate, Polyester, Polystyrole, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere, Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Pfropfpolymeren und/oder Liquid Crystal Polymere enthält.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Komponente mindestens ein thermoplastisches Elastomer umfasst.
Verbund gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Elastomer ein reines oder modifiziertes Polyolefin-Elastomer (TPE-O), vernetztes Polyolefin-Elastomer (TPE-V), Polyetherester-Elastomer oder Polyesterester-Elastomer (TPE-E), Polyetherurethan-Elastomer oder Polyesterurethan-Elastomer (TPE-U), Polyetheramid-Elastomer (TPE-A) oder Styrol-Elastomer (TPE-S) oder ein Blend umfassend mindestens zwei dieser Kunststoffe ist.
Verbund gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Komponente ein Blend aufweist, welches ein thermoplastisches Elastomer und mindestens ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyolefine, Polyacetale, Polyamide, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfide, Polyphenylenether Polyurethane, Polycarbonate, Polyester, Polystyrole, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere, Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Pfropfpolymeren und/oder Liquid Crystal Polymere umfasst.
Verbund gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Komponente ein thermoplastisches Elastomer mit einer Shore Härte von A 90 bis D30, bevorzugt A80 bis A60 enthält.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Komponente eine Shore Härte von A 90 bis D30, bevorzugt A80 bis A60 aufweist.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus einer oder mehreren weichen Komponenten und ein oder mehrerer harter Komponenten besteht.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Durchgangsleitfähigkeit durch die Grenzfläche harte Komponente/weiche Komponente größer 0,01 S, bevorzug größer 0,1 S besonders bevorzugt größer 1 S ist.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Komponente als elektrische Kontaktfläche dienen kann.
Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiche Komponente als Dichtung dienen kann.
Verfahren zur Herstellung von einem Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass man die weiche und/oder die harte Komponente durch Spritzguss, Spritzprägen, Coextrusion oder Coblasformen formt.
Verwendung von einem Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18, als Gehäuse im Bereich der Elektrik, Elektronik, Telekom, Informationstechnologie, Kraftfahrzeuge, Flugzeuge, Schiffen.
Verwendung gemäß Verbund 20 als Gehäuse für Sensoren, Schaltbaugruppen, Steuerungen, Stecker.
Verwendung von einem Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18 als Rohrleitung für Kraftstoffe, Chemikalien, Flüssigkeiten, Pulver und Stäube mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und/oder niedriger Dielektrizitätskonstante.
Verwendung von einem Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18 als Widerstandsheizelemente.
Verwendung von einem Verbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18 als elektromagnetische Abschirmung in elektrischen Kabeln.