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DE2839036A1 - Elektrisch leitfaehiges bahnmaterial - Google Patents

Elektrisch leitfaehiges bahnmaterial

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Publication number
DE2839036A1
DE2839036A1 DE19782839036 DE2839036A DE2839036A1 DE 2839036 A1 DE2839036 A1 DE 2839036A1 DE 19782839036 DE19782839036 DE 19782839036 DE 2839036 A DE2839036 A DE 2839036A DE 2839036 A1 DE2839036 A1 DE 2839036A1
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DE
Germany
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layer
conductive
conductive material
material web
perforated
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19782839036
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English (en)
Inventor
Thomas W Lindsay
Walter M Westerberg
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3M Co
Original Assignee
Minnesota Mining and Manufacturing Co
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Description

2-83903S
- 3 - M 3976-
Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota
551ol, V.St.A-
Elektrisch leitfähiges Bahnmaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches leitfähiges Bahnmaterial, das sich zu Bodenmatten, Vorhängen, Kleidungsstücken und anderen Gegenständen verarbeiten läßt. Das Bahnmaterial zeigt kontrollierte elektrische Eigenschaften, die erlauben, es auf wirkungsvolle Weise zum Entladen statisch aufgeladener Gegenstände einzusetzen, die in Berührung mit der halbleitenden Oberflächenschicht geraten.
Ein Mensch kann sich auf ein Potential von bis zu 3o kV statisch aufladen. Kommt er in Berührung mit einer hochleitfähigen und gut geerdeten Oberfläche, tritt eine im wesentlichen augenblickliche Funkenentladung auf; derartige Entladungen können sowohl unangenehm als auch gefährlich sein.
Herkömmliche Werkstoffe zur Kontrolle statischer Elektrizität I
j sind handelsüblich und werden für eine Vielzahl von Zwecken j eingesetzt. Typische Anwendungsfälle sind das Verhindern der von Entladungen statischer Elektrizität herrührender Unannehmlichkeiten und das Vermeiden von Funken in gefährdeten Bereichen - bspw. Munitionsfabriken und Operationssälen. Weiterhin werden
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diese Stoffe auch zu Bodenbelägen verarbeitet, die an Rechnerterminals und anderen empfindlichen elektronischen Anlagenteilen verlegt werden.
Zur Herstellung leitfähiger Bahnmaterialien zur Kontrolle der statischen Elektrizität geht man nach zwei grundsätzlichen Verfahren vor.
Nach einem Verfahren des Standes der Technik stellt man eine Matte her, die leitfähiger ist als die der Anmelderin. Die US-PS 3 4o6 126 lehrt ein Beispiel eines hochleitfähigen Bahnmaterials.· Hochleitfähige Matten sind brauchbar zum Verhindern der Ansammlung elektrischer Ladungen. Derartige Bahnen sind aber gewöhnlich zu leitfähig, um statische Ladungen abzuleiten, die sich auf Personen bereits angesammelt haben. Ein hochleitfähiger Bodenbelag erlaubt eine im wesentlichen augenblickliche Entladung, die zu einem gefährlichen Funken führen kann.
Das zweite herkömmliche Verfahren, statische Aufladungen zu verhindern, verlangt den Einsatz stark widerstandsbehafteter Bahnmaterialien. Die US-PS 3 891 786 lehrt ein Beispiel einer mit Kohlenstoff versetzten Bahn nach dem Stand dar Technik. Derartige Bahnen sind gewöhnlich ausreichend, um sich ansammelnde statische Aufladungen unter Kontrolle zu halten. Im allgemeinen zeigen sie aber auch elektrische Eigenschaften, die von der Um- j Weltfeuchtigkeit abhängig sind. In den meisten Anwendungsfällen ist es jedoch erwünscht, daß das Bahnmaterial elektrische Entladeeigenschaften zeigt, die vom Feuchtigkeitsgehalt der Um-
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- 5 gebung unabhängig sind, in der das Bahnmaterial sich befindet.
Die Bahn der Anmelderin stellt ein Mittel dar, sowohl Ansammlungen statischer Elektrizität zu verhindern als auch ein schnelles und sicheres Abfließen bereits angesammelter elektrischer Ladungen zu gewährleisten.
Die Bahn der Anmelderin kann eine statisch aufgeladene Person innerhalb von ein bis zwei Sekunden nach Berühren der Matte von 3o kV auf Erdpotential entladen. Die kontrollierten elektrischen Eigenschaften der Mattenstruktur gewährleisten auch einen ausreichenden Widerstand, um eine Funkenentladung zu verhindern.
Die neuartige Bahnstruktur der Anmelderin unterscheidet sich von den Strukturen nach dem Stand der Technik und zeigt eine ungewöhnliche und wünschenswerte elektrische Entladeeigenschaft. Wenn die Bahn der Anmelderin geerdet ist und man eine statische Ladung auf die Bahn durch ein Isoliermaterial hindurch aufbringt, entlädt sie sich über die Matte der Anmelderin schneller als über eine geerdete Metallplatte unter entsprechenden Bedingungen. Obgleich kein Grund für dieses anomale Verhalten bekannt ist, ist es dennoch erwünscht, denn es gewährleistet, daß eine statisch aufgeladene Person, die Schuhe mit Kunststoffsohlen trägt, trotz der Isoliereigenschaften der Schuhe schnell entladen wird.
Die Struktur nach der Anmeldung enthält eine durchlöcherte Materialschicht - bspw. Grobgewebe oder offenzelligen Schaum -,
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die elektrisch leitfähig gemacht wird, indem man sie mit einem Latex oder einem anderen geeigneten Bindemittelharz beschichtet, das leitfähige Kohlenstoffteilchen enthält. Der Widerstand der beschichteten durchlöcherten Schicht soll im Bereich von etwa
3 7
Io bis Io Ohm liegen. Diese beschichtete durchlöcherte Schicht wird dann auf eine Schicht aus halbleitendem thermoplastischen Polymerisatmaterial fest aufgebracht. Dient ein Grobgewebe als durchlöcherte Schicht, durchdringt das halbleitende Polymerisatmaterial das leitfähige Grobgewebe, umhüllt es und stellt eine gute elektrische und mechanische Verbindung zu ihm her. Auf diese Weise braucht nicht chemisch für eine Haftung zwischen dem leitfähigen Grobgewebe und der halbleitenden Polymerisatschicht gesorgt zu werden, während man gleichzeitig für gute elektrische und mechanische Bindung sorgt.
Die halbleitende Polymerisatschicht sollte einen spezifischen
7 12
Volumenwiderstand zwischen 1 χ Io und 1 χ Io Ohm.cm aufweisen.
Geeignete Polymerisatharze zu diesem Zweck sind thermoplastische Werkstoffe wie weichgemachtes Vinyl, insbesondere in seiner Plastisol-Form. Geeignete Weichmacher können mit dem Polyvinylchlorid zusammen eingesetzt werden, um den gewünschten spezifischen Volumenwiderstand einzustellen. Zusätzliche Zuschläge können mit dem Polymerisatharz zusammen eingesetzt werden, um gewünschte physikalische Eigenschaften zu erteilen - bspw. Abriebfestigkeit, Zähigkeit, Farbe und Flexibilität. Die halbleitende Schicht sollte vorzugsweise zwischen o,25 und o,39 mm (o,ol und o,125 in.) dick sein. Nach dem Aushärten kann man das Bahnmaterial auf ein tragendes Substrat aufbringen, um den fer-
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tigen Gegenstand herzustellen.
Eine leitende Verbindung wird an der fertigen Bahn angebracht, damit ein Erddraht an die leitfähige durchlöcherte Schicht angeschlossen werden kann. Typischerweise bildet man diese Verbindung als metallische Hülse aus, die durch die Bahn hindurch verläuft und einen guten elektrischen Kontakt zur beschichteten durchlöcherten Schicht aufweist.
Fig. 1 zeigt als Teilschnitt die fertige Bahnstruktur aus einem leitfähigen Grobgewebe als durchlöcherte Bahn; und
Fig. 2 ist ein Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Bahnstruktur und zeigt einen leitfähigen Schaum als durchlöcherte Bahn.
In der Fig. 1 ist eine beschichtete leitfähige durchlöcherte Schicht 2 teilweise in ein halbleitendes Polymerisatmaterial 3 eingebettet gezeigt. Diese Verbundstruktur wird dann auf einem geeigneten tragenden Substrat 4 festgelegt. Das tragende Substrat wird so gewählt, daß es auf die mechanischen Eigenschaften der fertigen Bahn und deren beabsichtigte Anwendung abgestimmt ist. Eine elastische Schaumschicht kann verwendet werden, um eine Polsterung zu erreichen, wenn man die Matte als Fußbodenbelag auf einer harten Oberfläche verwendet; wird die Matte bzw. Bahn unter Stühlen - insbesondere auf Teppichbelägen - angeordnet kann man eine dünne Platte auf steifem Kunststoff oder Faserplattenmaterial vorsehen.
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In der Fig. 2 bildet eine leitfähige Schaumschicht 6 eine durchlöcherte Bahn, die mit einer halbleitenden Polymerisatschicht 5 verbunden ist. Im Bereich 7 durchdringt das halbleitende Polymerisatmaterial den Schaum und gewährleistet dadurch eine gute mechanische und elektrische Verbindung zur halbleitenden Schicht.
Die durchlöcherte Schicht kann ein offengewebtes Textil-Grobgewebe ausreichender Festigkeit sein, um der Verbundstruktur Zähigkeit und mechanische Festigkeit zu erteilen· Baumwoll-Grobgewebe mit 4,7 bis 9,4 Fäden pro Zentimeter (12 bis 24 Fäden pro Inch) hat eine ausreichende Festigkeit zur Verwendung als leitfähige Bodenmatte. Ein solches Grobgewebe kann man elek-
mit
trisch leitfähig machen, indem man es mit/einem geeigneten Bindemittel (bspw. Chloroprenlatex) vermischten Kohlenstoff überzieht.
Die durchlöcherte Schicht kann auch die Form eines offenzelligen Schaums - bspw. Urethanschaum - annehmen. Diese Art einer durchlöcherten Schicht kann man elektrisch leitfähig machen, indem man sie in einen mit Kohlenstoff versetzten Chloroprenlatex eintaucht, um sie mit diesem zu überziehen.
In beiden Ausführungsformen muß die fertige durchlöcherte Schicht eine ausreichende Kohlenstoffmenge enthalten, um einen
3 7 Widerstand der Bahn zwischen etwa Io und Io Ohm zu erreichen, den man mißt, indem man 2,27 kg schwere Elektroden von je 63,5 mm Durchmesser im Abstand von 12,7 mm auf die Bahn aufsetzt und zwischen sie eine Gleichspannung von 5oo V legt.
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Obgleich die genaue Kohlenstoffmenge zur Erfüllung dieser Bedingung von der Eigenleitfähigkeit der durchlöcherten Schicht abhängt, hat sich erwiesen, daß Textil-Grobgewebe mit etwa o,34
2
bis 7,9 g/m Ruß in einem Latex- oder Chloropren-Binder einen geeigneten Widerstand aufweisen.
Das halbleitende Polymerisatmaterial muß einen spezifischen
7 12
Volumenwiderstand von Io bis Io Ohm.cm aufweisen. Dabei stimmt man diesen Volumenwiderstand auf beabsichtigte Anwendung der fertigen Bahn ab. Je höher der Widerstand, desto langer dauert es im allgemeinen, bis ein vorliegendes Potential sich über die Bahn entladen hat.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Entladegeschwindigkeit linear mit zunehmender Dicke der halbleitenden Schicht abnimmt. Dieser Parameter kann unterschiedlich angesetzt werden, um sich den elektrischen und meschanischen Eigenschaften der fertigen Bahn in ihrer beabsichtigten Anwendung anzupassen.
Weiterhin kann man für ein gegebenes Polymerisatmaterial die Art und die Menge des Weichmachers verwenden, um·-den spezifischen Volumenwiderstand einzustellen, den die halbleitende Schicht zeigt. Im allgemeinen nimmt der spezifische Widerstand des Materials ab, wenn man die Weichmachermenge erhöht.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern. In jedem Beispiel wurden die trockenen und flüssigen Bestandteile mit einem Löffelmischer gründlich durchmischt, dann aus
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- Io -
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der Mischung Folien gegossen, diese Harzfolien fünf Minuten bei 17o C gehärtet und schließlich ihr spezifischer Volumenwiderstand gemessen.
Beispiel 1
a· Harz; Mischpolymerisat, 95 % Polyvinylchlorid, 5 % Polyvinylacetat
b. Weichmacher; Dixsodecylphthalat
c. Weichmacher; epoxidiertes Sojaöl
d. Stabilisator;Barium/Cadmium-F^üssiqkeit
e. Fungizid;
f. Pigment
spezifischer Volumenwiderstand 7 χ Io ° Ohm.cm
185 j O Gew. -Teile
14o > O »
9 > 6 I! Il
5 > 5 II Il
1 j 7 It Il
7 j O Il Il
Beispiel 2
a. Harz:
Celluloseacetatbutyrat
5,ο Gew.-Teile
b. Weichmacher-AT; Niedrigviskoses, mit Butyl abgeschlossenes und niedermolekulares Äthylenoxid-Oligomer - (bspw. antistatischer Weichmacher "Mobay" der Fa. Mobay Chemicals, Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.)
spezifischer Volumenwiderstand 5,3 χ Io ° Ohm.cm
4, ο "
Die elektrisch leitfähige Bahn wird hergestellt, indem man eines der beiden oben erläuterten beispielhaften Harze mit der leitfähigen durchlöcherten Schicht kombiniert. Dies erfolgt zweckmäßigerweise, indem man eine dünne Schicht (o,25 bis 3,18 mm) (o,ol - o,125 in.)) des Harzes auf ein gemustertes Abziehgewebe auflegt, diese Schicht dann drei Minuten lang auf 17o C vorhalt,
um das Harz zu "gelieren". Dann legt man die leitfähige durch- ; löcherte Schicht auf die gelierte Schicht und trägt zusätzliches j
ι Harz auf die Oberfläche der durchlöcha±en Schicht auf, um das I
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Bahnmaterial auszufüllen und ggf. vollständig zu überziehen. i Der Verbund wird dann bei 17o C sechs Minuten lang gehärtet. Erwunschtenfalls kann man den Verbund mit einem geeigneten KIe- ; ber auf einem geeigneten tragenden Substrat befestigen. Das fertige Material zeigte eine gute mechanische Bindung zwischen der halbleitenden Schicht und der leitfähigen durchlöcherten Schicht.
Soll das fertige Material als Fußbodenbelag eingesetzt werden, setzt man erwünschtexweise eine Metallhülse in die fertige Bahn ein,, so daß sie guten elektrischen Kontakt zu der durchlöcherten leitfähigen Schicht hat; an dieser Hülse kann dann die Erdverbindung angeschlossen werden.
Probenstücke einer nach der vorliegenden Erfindung ausgeführten Materialbahn zeigten die elektrischen Entladeeigenschaften, die in der Tabelle 1 zusammengefaßt sind:
Tabelle 1 j
Probe Nr. Dicke spez. Volumen- Entladezeit (s)
(mm/in.) widerstand von 5 kV auf 1 kV (Ohm, cm)
1 1,45 i 7 X 9 o,2
2 2,39 y 5 X a°9 o,2
3 1,98 i 8 X lo9 o,2
4 2,18 , 6 X lo9 o,2
5 2,74 > 9 o,2
I o,o57
' o,o94
' o,o78
> 0,086
' o,lo8
Eine nach der vorliegenden Erfindung ausgebildete Materialbahn zeigte weiterhin eine ungewöhnliche und erwünschte elektrische Eigenschaft, beim Einsatz als geerdete Fußbodenmatte. In diesem
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Fall ist sehr erwünscht, geladene Personen schnell zu entladen. Ledersohlen sind verhältnismäßig gute Leiter und erlauben eine schnelle Entladung. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine Person, die Schuhe mit Kunststoffsohlen trägt, sich nur sehr langsam entlädt, wenn sie mit den herkömmlichen Materialien in Berührung gerät. Über einen geerdeten Fußbodenbelag aus dem Bahnmaterial räch der vorliegenden Erfindung kann sich eine Schuhe mit Kunststoff sohlen tragende Person schnei ler/fentladen, als wenn sie auf einer geerdeten Metallplatte steht. Dieses Phänomen wurde durch eine Messung der Zeitspanne verifiziert, die erforderlich war, eine eine Person simulierende Elektrode von 5 kV auf 1 kV durch eine Isolierschicht aus Polymerisatmaterial zu entladen, die eine Schuhsohle aus Kunststoffmaterial simuliert. Die Isolierschicht hatte einen spezifischen VoIu-
12
menwiderstand von 5 χ Io Ohm.cm. Dabei wurde die geladene Elektrode mit der Isolierschicht in Berührung mit einer geerdeten leitfähigen Bahn gebracht und die Entladezeit gemessen, dann die Elektrode und die Isolierschicht erneut geladen, in Berührung mit einer geerdeten Metallplatte gebracht und die Entladezeit erneut gemessen. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
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Tabelle
Geerdete leitfähige Bahn Entladezeit (s) von kV auf 1 kV
5,ο 4,8 5,ο 6,ο 7,ο 6,ο 5,ο
■ ■ 9, ο 7,o 4,ο 5,ο 6,ο
durchschnittliche Entladezeit: 5,8 Sekunden Geerdete Metallplatte Entladezeit (s) von kV auf 1 kV
23,ο 25,ο 31,ο
7,ο
7,ο Ιο,ο 16,ο 13,ο 13,ο 19,ο 15,ο
8, ο
durchschnittliche Entladezeit: 12 Sekunden
Cl: Be
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Leerseite

Claims (9)

  1. 2839Q38
    1BERLIN33 8MUNCHEN80
    A'jgiiste-Viktoria-StfaBe 65 n η||θΛΜ|/|: t DADTMCD PienzenauerstraBa 2
    Pat.-Anw.Dr.lng.Ruschke Dr. RUSCHKE & PARTNtR Pat-AnwDipl-lng
    Sf^A0J1-"1'- PATENTANWÄLTE ^sAE%uDÄeIng·
    Tel. (030)3 26 38 95/8 26 44 81 BERLIN -MÖNCHEN Tel. (089) 98 03 24 / 98 72
    Telegramm-Adresse: Telegramm-Adresss:
    Quadratur Berlin Quadratur München
    TELEX: 183786 TELEX: S22767
    M 3976
    (lJ Leitfähige Materialbahn zum Entladen aufgebrachter statischer Elektrizität aus einer thermoplastischen Polymerisat-Oberflächenschicht in unmittelbarer körperlicher und elektrischer Berührung mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, dadurch gekennzeichnet , daß die thermoplastische Polymerisat-Oberflächen-
    7 schicht einen spezifischen Volumenwiderstand zwischen 1 χ Io
    12
    Ohm.cm und 1 χ Io Ohm.cm aufweist, die elektrisch leitfähige Schicht eine durchlöcherte Schicht ist, die mit einem mit Kohlenstoff versetzten Harzmaterial beschichtet ist, um einen Wi-
    3 7
    derstand von zwischen 1 χ Io und 1 χ Io 0hm zu erteilen, und daß die leitfähige Bahnweiterhin leitfähige Mittel aufweist, die in elektrischer Berührung mit der durchlöcherten Schicht stehen, um die durchlöcherte Schicht an Erdpotential zu legen.
  2. 2. Leitfähige Materialbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Polymerisat-Oberflächenschicht im wesentlichen aus einem Mischpolymerisatharz aus 95 % Polyvinylchlorid und 5 % Polyvinylacetat besteht, das mit Diisodecylphthalat und epoxidiertem Sojaöl v/eichgemacht wurde.
  3. 3. Leitfähige Materialbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Polymerisat-Oberflächenschicht im
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    _ 2 —
    wesentlichen aus Celluloseacetatbutyrat besteht, das mit einem mit Butyl abgeschlossenes ("butyl-capped") Äthylenoxid-Oligomeren als niedrigviskosem monomerem Weichmacher weichgemacht ist.
  4. 4. Leitfähige Materialbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlöcherte Schicht ein offenzelliger Polymerisatschaum ist.
  5. 5. Leitfähige Materialbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der durchlöcherten Schicht um ein offenes Textil-Grobgewebe handelt.
  6. 6. Leitfähige Materialbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der durchlöcherten Schicht in elektrischer Berührung stehende leitfähige Mittel eine Metallhülse ist, die die vollständige leitfähige Materialbahn durchstößt und durch die durchlöcherte Schicht verläuft.
  7. 7. Leitfähige Materialbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Bahn weiterhin ein tragendes Substrat aufweist, das mit der durchlöcherten Schicht fest verbunden ist.
  8. 8. Leitfähige Materialbahn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem tragenden Substrat um flexiblen Polymerisatschaum handelt.
  9. 9. Leitfähige Materialbahn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem tragenden Substrat um eine steife Platte handelt. .. _.. ....__.
    ci/Be 909811/0997
DE19782839036 1977-09-06 1978-09-05 Elektrisch leitfaehiges bahnmaterial Withdrawn DE2839036A1 (de)

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