DE2614840A1

DE2614840A1 - Elektrisch leitfaehige harzmassen und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2614840A1
Application number: DE19762614840
Authority: DE
Inventors: Burton E Lederman; John J Reilly
Original assignee: ELECTRO KINETIC SYSTEMS Inc
Current assignee: ELECTRO KINETIC SYSTEMS Inc
Priority date: 1976-04-06
Filing date: 1976-04-06
Publication date: 1977-10-20

Description

KRAUS & WEISERT

PATENTANWÄLTE ^O I *♦ ö *♦ U

DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER ■ DR.-INS. ANNEKSTE WEISERT DIPL.-ING. FACHRICHTUNG CHEMIE D-a MÜNCHEN 19 · FLÜGGENSTRASSE 17 · TELEFON Ο89/Ϊ77061

1234 Wt/rm

Electro-Kinetic Systems, Inc., Chester, PA / USA

Elektrisch leitfähige Harzmassen und Verfahren zu ihrer

Herstellung

Die Erfindung betrifft Massen bzw. Zusammensetzungen, die einen elektrisch leitfähigen herzförmigen Feststoff ergeben, die daraus gebildeten elektrisch leitfähigen harzartigen Feststoffe und Verfahren zur Herstellung solcher harzartigen Feststoffe. Die Erfindung betrifft insbesondere Massen, die als ihre elektrisch leitfähige Komponente teilchenförmige Metallfüllstoffmaterialien, wie mit Oxid

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beschichtetes Kupfer, mit Oxid beschichtete Kupferlegierungen oder Gemische davon, enthalten, harzförmige Feststoffe, die aus solchen Massen hergestellt werden, und Verfahren zxir Herstellung solcher harzförmiger Feststoffe.

Elektrisch leitfähige Überzüge mit herzförmigem Bindemittelmedium und feinverteilten elektrisch leitfähigen Teilchen, die in dem Medium dispergiert sind, sind bekannt.

Harzförmige Bindemittelmedien sind elektrische Isolatoren und zur Erzielung einer elektrischen Leitfähigkeit ist eine hohe Konzentration an leitfähigen Teilchen mit ausreichendem Kontakt zwischen ihnen erforderlich. Die spezifische Größenordnung der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit kann dtirch Änderung der Konzentrationen und der elektrischen Leitfähigkeiten der leitfähigen Teilchen eingestellt werden. Beispielsweise kann zur Herstellung von Widerstandsüberzügen ein Material, wie Ruß, verwendet werden. V/iderstandsüberzüge sind im wesentliehen Überzüge mit relativ niedriger Leitfähigkeit.

Überzüge mit höheren Leitfähigkeitsgrößenordnungen werden im allgemeinen als elektrisch leitfähige Überzüge zur Unterscheidung von den ¥iderstandsüberzügen, wie von denen, die Ruß enthalten, bezeichnet. Bei diesen elektrisch leitfähigen Überzügen wird üblicherweise eine hohe Konzentration an feinverteilten Metallteilchen in der Masse verwendet und diese Teilchen besitzen, da sie fein verteilt sind, ein großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis. Bei elektrisch leitfähigen Überzügen hat man Silberteilchen wegen ihrer hohen Leitfähigkeit, ihrer Oxidationsbeständigkeit und,

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v/eil sie selbst mit einem Oxidüberzug leitfähig sind, verwendet. Die hohen Kosten von Silber begrenzen jedoch die häufige Anwendung dieses besonderen Metalls in leitfähigen Überzugsmassen.

Metalle, vrie Kupfer, Kupferlegierungen und ihre Gemische, besitzen eine zufriedenstellende elektrische Leitfähigkeitsgrößenordnung. In feinverteilter Form werden sie jedoch leicht oxidiert. Der Oxidfilm, der sich auf den feinverteilten Teilchen bildet, ist nicht-leitend; dadurch verschlechtert sich die elektrische Leitfähigkeit der Masse. Zur Herstellung einer mit Kupfer oder Kupferlegierungen gefüllten Harzmasse mit relativ hoher Leitfähigkeit müssen die nicht-leitenden Oxidüberzüge entfernt oder modifiziert werden. Ein Verfahren zur Entfernung oder Modifizierung der nicht-leitenden Oxidüberzüge xtfird in der US-Patentschrift 3 278 445 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die Epoxyharze mit einem Überschuß an primärem Amin als Härtungsmittel, wie Dimethylaminopropylamin, Diäthylentriamin und Triäthylentetramin, katalysiert. Diese Katalysatoren oder Härter sind sehr toxisch und können oft Hautausschläge und andere Arten von Hautreizungen bei den Arbeitern ergeben, die mit ihnen in Kontakt kommen. Zusätzlich werden die spezifischen physikalischen Eigenschaften der Bindemittel durch die Menge an zugegebenem Katalysator beeinflußt. Elektrisch leitfähige feste Harzmassen, die mit einem Überschuß der obigen Katalysatoren hergestellt werden, besitzen nicht die gewünschten Eigenschaften für spezifische Anwendungen. Da zur Entfernung oder Modifizierung des Oxidüberzugs auf den Metallteilchen ein Überschuß an Härter zugegeben werden muß, muß man sich entscheiden, ob man die Leitfähigkeit zugunsten

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bestimmter erforderlicher physikalischer Eigenschaften opfert oder nicht und bei einigen Anwendungen wird ein geeignetes GleichgeAtficht nicht erreicht. Die Anwesenheit von überschüssigem Katalysator begrenzt weiterhin das Topfleben der Masse und legt so eine bestimmte Zeitgrenze für ihre Verwendung fest.

In der US-Patentschrift 3 083 169 wird ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitfähiger Kunststoffe beschrieben, bei dem ein wasserlösliches Phenol harz und eine Menge an Wasser verwendet v/erden, die ausreichen, um einen guten elektrischen Leiter zu ergeben. Es wurde gefunden, daß diese große Wassermenge beachtliche Schwierigkeiten bei der Härtung gibt, da das Wasser während des Härtens abgetrieben werden muß, was eine "Kraterb.ildung", nadelartige Löcher, eine verzögerte Härtung und schlechte Eigenschaften ergibt. In dieser Patentschrift finden sich keinerlei Hinweise, daß man den Oxidüberzug aus Metallteilchen auf irgendeine Weise zur Erzielung der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit behandeln kann.

In der US-Patentschrift 3 064 151 wird ein Metall beschrieben, das mit einem Epoxy/Phenol-Genisch überzogen ist, bei dem ein Epoxyharz für Leitfähigkeitszwecke verwendet wird. In diesem System kann die elektrische Leitfähigkeit erreicht werden, indem man entweder zuerst den Oxidüberzug durch Behandlung des Kupferpulvers (was nicht erwähnt wird) entfernt oder indem man das Metall zuerst zur mechanischen Verstärkung der Leiteigenschaften des mit Oxid beschichteten Metallpulvers stampft. Es finden sich keine Hinweise, daß der Oxidüberzug des Metallpulvers in dem System vermindert wird.

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Die Erfindung betrifft Massen bzw. Zusammensetzungen bzw. Mischungen (diese Ausdrücke werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet), die zur Herstellung von elektrisch leitfähigen harzförmigen Feststoffen geeignet sind. Eine erfindungsgemäße Masse enthält ein inniges Gemisch aus einem relativ wasserfreien Phenolharz und einem teilchenförmigen Metallfüllstoffmaterial aus der Gruppe mit Oxid beschichtetes Kupfer, mit Oxid beschichtete Kupferlegierungen und ihre Gemische. Eine zweite erfindungsgemäße Masse enthält ein Epoxyharz, innigst vermischt mit einem Phenolharz und dem teilchenförmigen Füllstoffmaterial. Die Erfindung betrifft weiterhin die harzförmigen Feststoffe, die durch Härten der obigen Masse gebildet werden, und Verfahren zur Herstellung solcher harzförmigen Feststoffe.

Gegenstand der Erfindung ist eine Masse, die zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen harzförmigen Feststoffs geeignet ist und die ein inniges Gemisch aus einem Phenolharz und einem teilchenförmigen Füllstoffmaterial aus der Gruppe mit Oxid beschichtetes Kupfer, mit Oxid beschichtete Kupferlegierungen und ihre Gemische enthält.

Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Phenolharze oder anderen Aldehydharzen mit niedriger Viskosität, die relativ wasserfrei sind, sind Präpolymere, die auf die beschränkt sind, die Formaldehyd enthalten. Wenn in der vorliegenden Anmeldung auf Phenolharz Bezug genommen wird, so sollen darunter Aldehyd enthaltende Harze, die Formaldehyd enthalten, verstanden werden.

Erfindungsgemäß können weiterhin Harnstoff/Formaldehyd, Melamin/Formaldehyd, Furfurylalkohol/Formaldehyd, Resorcin/

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Formaldehyd, Katechol/Formaldehyd, Thioharnstoff/Formalde hyd, Phenol/Aldehyd und ihre Modifikationen bzw. die Kondensationsprodukte aus den jeweiligen Verbindungen verwen det werden.

Die Harze können alleine oder zusammen mit Dirnethylolphenol, Trimethylolphenol und Trimethylallylphenol verwendet werden. Als Bindemittel kann man entweder 100% Phenolharz oder ein Gemisch aus Phenolharz und Epoxyharz verwenden. Das bevorzugte Gewichtsverhältnis von Phenolfeststoffen zu Epoxyfeststoffen beträgt 10090 : 0% bis ungefähr 20% : 80%. Das teilchenförmige MetallfUllstoffmaterial ist in einer Menge im Bereich von ungefähr 50% bis ungefähr 90%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten in der Masse, vorhanden. Ein besonders bevorzugter Bereich für das teilchenförmige Metallfüllstoffmaterial beträgt von ungefähr 75% bis ungefähr 90%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten in der Masse.

Die Massen, die entweder 100% Phenolharz als Bindemittel oder ein Gemisch aus Phenolharz und Epoxyharz enthalten, v/erden unter Bildung fester harzförmiger Massen bei Temperaturen über 80°C und bevorzugt im Bereich von 150 bis 200⁰C gehärtet, wobei Formaldehyd innerhalb des Systems freigesetzt wird und wobei der Oxidfilm auf dem Kupfer oder den Kupferlegierungen reduziert oder komplexiert wird. Diese festen harzförmigen Massen besitzen eine elektrische Leitfähigkeit, die ähnlich ist, wie die der Harzmassen, bei denen Silber als leitfähige Teilchen verwendet wird. Obgleich dies nicht erforderlich ist, können die Massen

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Wöin Anwesenheit eines Säurekatalysators, durch den die Härtungsreaktion beschleunigt wird, gehärtet werden.

Die erfindungsgemäßen Massen sind wirtschaftlich, da Kupfer und Kupferlegierungen anstelle des teuren Silbers verwendet werden können. Bei den erfindungsgemäßen Harzmassen ist es weiterhin nicht erforderlich, einen Katalysator zu verwenden, und wird ein Säurekatalysator verwendet, so muß er nicht in überschüssigen Mengen eingesetzt werden. Da überschüssige Mengen des Härtungsmittels nicht erforderlich sind, besitzen die leitfähigen Harzmassen eine recht lange Lagerungsbeständigkeit, d.h. bei Umgebungstemperaturen sind sie ein Jahr oder langer stabil.

Gegenstand der Erfindung ist eine leitfähige Harzmasse, die aus einem innigen Gemisch aus einem Phenolharz mit niedriger Viskosität, das relativ wasserfrei ist, einem A-Stufen-Präpolymeren oder einem niedrigen Polymeren und einem teilchenförmigen Metallfüllstoffmaterial aus der Gruppe mit Oxid beschichtetes Kupfer, mit Oxid beschichtete Kupferlegierungen und ihre Gemische hergestellt ist. Wie bereits angegeben, enthalten die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Phenolharze Formaldehyd als eine ihrer Komponenten. Die verwendeten Phenolharze sind nicht notwendigerweise wasserlöslich. Typische Phenolharze, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Dimethylolphenol, Trimethylolphenol und Trimethylolallylphenol. Alle diese Phenolharze sind Präpolymere mit inhärent niedriger Viskosität bzw. mit niedriger Viskositätszahl und sie sind relativ wasserfrei oder besitzen einen niedrigen Wassergehalt, sie sind nicht unbedingt

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wasserlöslich und es ist nicht erforderlich, weitere Harze, Wasser oder Lösungsmittel für die Leitfähigkeit bzw. für die Herstellung der -leitfähigen Überzüge zuzugeben.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß, wenn ein Phenolharz, wie Dimethylolphenol, bei Temperaturen bevorzugt über 125°C und gegebenenfalls in Anwesenheit einer Säure gehärtet wird, der Oxidüberzug auf dem Kupfer oder der Kupferlegierung auf solche Weise modifiziert wird, daß die elektrische Leitfähigkeit der teilchenförmigen Füllstoffteilchen erhöht wird und daß dadurch die harzartige Masse leitend wird. Plan nimmt an, daß beim Erhitzen des Phenolharzes auf Temperaturen über 8O⁰C und bevorzugt im Bereich von ungefähr 150 bis ungefähr 200°C C-CHg-C-Bindungen (Methylenbindungen) gebildet werden und daß innerhalb des Systems Formaldehyd freigesetzt wird. Der Formaldehyd beeinflußt die Leitfähigkeit entweder durch Reduktion oder Komplexierung des Kupferoxidüberzugs auf den Füllstoffteilchen. Bei dem Erwärmen in Anv/esenheit einer Säure wirkt die Säure als Katalysator und beschleunigt die Härtungsreaktion. Geeignete Säuren umfassen Toluolsulfonsäure, Methansulfonsäure, Butylphosphorsäure, Octy!phosphorsäure und andere im Handel erhältliche Säuren, die zur Beschleunigung der Härtungsreaktion geeignet sind.

Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Epoxyharz, das häufig als Glyzidylpolyäther oder polymere Epoxide bezeichnet wird, zu dem Phenolharz zugegeben. Diese Epoxyharze besitzen Eigenschaften, die bewirken, daß sie als Überzugsmaterialien, als Klebematerialien, als Bindemittel usw. nützlich sind, und sie können in ver-

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' ft.

schiedenen Mengen zu dem Phenolharz zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften eines festen leitfähigen Harzes für spezielle Anwendungen zugegeben werden. Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt das Verhältnis von Phenolfeststoffen zu Epoxyfeststoffen in dem harzförmigen Bindemittelsystem der Masse im Bereich von 100% : 0% bis ungefähr 20% : 80%. Das teilchenförmige MetallfUllstoffmaterial ist in einer Menge im Bereich von ungefähr 50% bis ungefähr 90%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, vorhanden. Bevorzugt ist das teilchenförmige MetallfUllstoffmaterial in einer Menge im Bereich von ungefähr 75% bis ungefähr 90%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, vorhanden.

Andere Harze, wie Melamin/Formaldehyd-Harze, Silikone, Alkydharze und andere geeignete Bindemittel, können anstelle von Epoxyharzen zur Variation der physikalischen und chemischen Eigenschaften in den festen leitfähigen harzartigen Massen verwendet werden. Man kann auch ein Gemisch aus Aldehyd enthaltenden Harzen, wie aus Phenolharzen und einem Harnstoffharz, zusätzlich mit einem Nicht-Aldehydharz, wie einem Epoxy- und/oder einem Alkydharz, modifizieren.

Die Zusammensetzung, die Epoxyharze enthalten, werden in den gleichen Temperaturbereichen umgesetzt oder gehärtet, wie sie für die Massen, die keine Epoxyharze enthalten, angegeben wurden. Gegebenenfalls können die Massen, die Epoxyharze enthalten, in Anwesenheit einer Säure, wie sie oben aufgezählt wurden, gehärtet werden.

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Die erfindungsgemäßen leitfähigen Harzmassen sind auf vielen Gebieten anwendbar. Beispielsweise können diese Massen zur Beendigung bzw. als Abschluß bzw. als Endverschluß von elektrischen Einrichtungen und elektronischen Komponenten, zur Reparatur von Druckschaltungen, als Wärmesumpf bzw. Kühlkörper bzw. KUhlbleche, als-Widerstandselemente in Niedrigbereichwiderständen, als Leitbahnen für Glas (beispielsweise automatische Enteiser), als stromfreie Plattierung bzw. stromfreie Plattierungseinrichtungen oder für Elektroplattierungseinrichtungen, als leitende Klebemittel zum Verkleben von aktiven elektronischen Einrichtungen mit Glas- oder Aluminiumsubstraten und für andere geeignete Zwecke verwendet werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. Beispiele

Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 0,044 mm (325 mesh), i

Phenolharz-Monomer-Polymer (Trimethylolphenol und Trime- \

thylolallylphenol) und ein Epoxyharz (D.E.R. 736, herge- ₍

stellt von Dow Chemical Company) werden, wie im folgenden :

angegeben, vermischt: '

Masse (Gew.-Ji)	1	2	3	4	VJl	6	7	5	8	9	10	11	12
Phenolharz	5	25	2	1,5	10	7,5	12,	5	^a12,	5 25	25^a	50	10
Epoxyharz	5	25	8	8,5	40	42,5	12,		12,	5 0	0	0	0
Kupfer	90	50	90	90	50	50	75	75	75	75	50	90

Widerstand
(0hm
ohma) *0,2 >500 4 >500 8 >500 ^0,2 ^0,2 ^O,2*0,2^D, 2*0 £

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Bemerkungen:

a) In diesen Massen wird Trimethylolphenol verwendet; bei anderen angegebenen Massen wird Trimethylolallylphenol als Grundmasse verwendet.

b) bestimmt über eine Fläche . . ungefähr 2,5 cm lang χ 0,95 cm breit χ 76 u dick (1» χ 3/8 χ 3 mil).

Die verschiedenen angegebenen Massen werden bei dem Temperaturbereich von ungefähr 150 bis 200⁰C während 1/2 h bis 1 h gehärtet. Der elektrische Widerstand von jeder Masse wird auf einer Wheatstone-Brücke bestimmt und die Ergebnis se sind in der Tabelle angegeben.

Aus der obigen Tabelle ist erkennbar, daß die höchsten Leitfähigkeiten, d.h. die niedrigsten Widerstände, dann erhalten werden, wenn die Kupferlegierung in Mengen über 50 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse, vorhanden ist und wenn das Verhältnis von Phenolfeststoffen zu Epoxyfeststoffen in dem Phenol/Epoxy-Harzsystem von 100% ί 0% bis 20% : 80% beträgt.

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Claims

Patentansprüche

V 1. y Elektrisch leitfähige Harzmasse, dadurch gekennzeichnet , daß sie enthält eine innige Mischung aus

a) einem relativ wasserfreien präpolymeren Phenolharz mit niedriger Viskosität, das als seine eine Komponente Formaldehyd enthält, wobei das Phenolharz innerhalb der Masse Formaldehyd freisetzen kann, und

b) von 50 Gew.-% bis zu 90 Gew.-% eines teilchenförmigen Metallfüllstoffmaterials aus der Gruppe mit Oxid beschichtetes Kupfer, mit Oxid beschichtete Kupfer- !"egierungen und ihre Gemische.
2. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Phenolharz Dimethylolphenol, Trimethylolphenol und/oder Trimethylolallylphenol enthält.
3. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kupferoxidüberzug auf dem Füllstoffmaterial zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Masse durch den freigesetzten Formaldehyd reduziert wird.
4. Masse nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß sie als Phenolharz Dirnethylolphenol, Trimethylolphenol, Trimethylolallylphenol, Harnstoff/Formaldehyd, Melamin/Formaldehyd,

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ORIGINAL INSPECTED

2SH840

⁴ At '

Furfurylalkohol/Formaldehyd, Resorcin/Formaldehyd, Katechol/Formaldehyd, Thioharnstoff/Formaldehyd oder Phenol/ Aldehyd oder Gemische dieser Formaldehydkondensationsprodukte enthält.
5. Masse nach mindestens einem der Ansprüche 1,2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß sie zusätzlich ein Epoxyharz enthält.
6. Masse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß das Gewichtsverhältnis von Phenolharzen zu Epoxyharzen im Bereich von 100?S : 0% bis ungefähr 20% : 80% liegt.
7. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Harzzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet , daß man

a) ein relativ wasserfreies A-Stufen-Präpolymer-Phenolharz mit niedriger Viskosität, das als seine eine Komponente Formaldehyd enthält, auswählt,

b) damit einen teilchenförmigen Metallfüllstoff aus der Gruppe mit Oxid beschichtetes Kupfer, mit Oxid beschichtete Kupferlegierungen und ihre Gemische gut vermischt,

c) das Phenolharz bei erhöhten Temperaturen härtet,

d) Formaldehyds innerhalb des Systems feisetzt.

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e) und den Oxidüberzug durch den Formaldehyd zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Zusammensetzung
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten "bei einer Temperatur im Bereich zwischen 80 und 200⁰C durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß als Phenolharz Dirnethylolphenol, Trxmethylolphenol und/oder Trimethylolallylphenol verwendet wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gek ennzei-chnet, daß zu dem Phenolharz vor dem Härten ein Epoxyharz zugegeben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß so viel Epoxyharz zugegeben wird, daß ein Gewichtsverhältnis von Phenolharz zu Epoxyharz von ungefähr 100% : 0% bis ungefähr 20% : B0% erhalten wird.

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