DE3325954A1 - Faserverstaerkte verbundmaterialien - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

dr. V. SCHMIED-KOWARZIK. · dr. P. WElNHOLD · dr. P. BARZ · mOnchen D1PL.-INC. G. DANNENBERG · dr. D. GUDEL- dipl-ing. S. SCHUBERT · Frankfurt

ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT

GROSSE ESCHENHEIMER STR. 39 6OOO FRANKFURTAM MAIN 1

TELEFON: (06II) 281I34 + 287OI4 TELEGRAMME: WIRPATENTE TELEX: 4131IO

18. Juli 1983 S S/Ha

Dart Industries Inc.

2211 Sanders Road

Northbrook, Illinois 60062 / USA

Faserverstärkte Verbundmaterialien Hintergrund der Erfindung

Die Verwendung von Kunststoffgehäusen für elektronische Einrichtungen ist heutzutage auf den Gebieten der Ausstattung bei Fahrzeugbau und Elektronik weitgehend eingeführt. Die derzeit zur Verfügung stehenden Kunststoff materialien leiden jedoch unter dem Nachteil, daß sie transparent bzw. durchlässig für elektromagnetische Störung sind, die allgemein unter der Bezeichnung EMI !electromagnetic interference) bekannt ist. Dieser Nachteil der verfügbaren Kunststoffmaterialien ist von großer Bedeutung im Hinblick auf die von elektronischen Geräten gegenüber den nachteiligen Effekten der EMI-Emission durch die steigende Zahl von Konsumgütern, welche solche EMI-Signale'erzeugen und gegenüber den zunehmenden Schutzmaßnahmen gegen das überhandnehmen solcher elektromagnetischer Störungen.

Die derzeitige Annäherung an die Lösung der Äbschirmprobleme von Kunststoffmaterial besteht hauptsächlich in der Aufbringung von metallischen Oberflächenbe-

Schichtungen auf den geformten Kunststoff. Dazu gehören die Anwendung von Vakuumablagerung, Metallfolienverkleidung, metallgefüllten Sprühüberzügen, Zink-Flammenversprühung und elektrische Bogenentladung. Jeder dieser Prozesse ist mit einem oder mehreren Nachteilen verbunden hinsichtlich Kosten, Haftvermögen, Kratzfestigkeit, Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse, Länge der für das Aufbringen erforderlichen Zeit und Schwierigkeiten beim angemessenen Schutz der verschiedenartigen geometrischen Formen, in den die Kunststofformlinge verfügbar sein müssen.

In neuerer Zeit wurden Versuche gemacht, um das Problem der EMI durch Formulierung von Verbundkunststoffmaterialien auf der Basis der Verwendung verschiedener Füllmittel in thermoplastischen Matrices zu lösen. Unter den leitfähigen Füllmitteln, die für diesen Zweck verwendet wurden, befinden sich Ruß, Kohlefasern, mit Silber überzogene Glasperlen und metallisierte Glasfasern. Diese Materialien haben jedoch die Nachteile einer so großen Sprödigkeit, daß sie bei der Verarbeitung in kürzere Stücke zerbrechen. Die kürzeren Fasern und Teilchen erfordern eine höhere Beladung bzw. Füllmittelkonzentration, wodurch sie kommerziell unannehmbar werden. Daher hat sich keines der bisher entwickelten Verbundkunststoffprodukte als völlig befriedigend erwiesen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß vorliegender Erfindung wurde gefunden, daß ein Verbundprodukt mit außergewöhnlichem Abschirmvermögen gegen elektromagnetische Störungen erhalten wird durch Formen einer verstärkten thermoplastischen Harzzusammensetzung, die durch Einarbeiten von Fasern aus rostfreiem Stahl in Form von kontinuierlichen Strähnen in eine thermoplastische Harzmatrix erhalten wurde.

Die Kombination dieses Materials mit einem thermoplastischen Harz ermöglicht die Realisierung eines Verbund-

Produktes mit ausgezeichneter Äbschirmwirksamkeit gegen elektromagnetische Störungen. Die erfindungsgemäßen Verbundprodukte sind hervorragend geeignet zur Verwendung für Abschirmzwecke bei den vielfältigsten Endgebrauchsgegenständen wie Radios, Sendern, Computern u. dgl.

Das Verbundprodukt aus thermoplastischem Harz und Fasern aus rostfreiem Stahl kann nach auf dem Fachgebiet bekannten Verfahren hergestellt werden. Es wurde jedoch gefunden, daß die vorteilhaftesten Eigenschaften erzielt werden, wenn diese Produkte nach dem Verfahren der US-PS 2,877.501 hergestellt werden, auf die hier Bezug genommen wird.

In dem Verbundprodukt sind die Fasern in der Harzmatrix eingemischt und die resultierende Zusammensetzung ist nach bekannten Methoden des Harzformens geformt. Vorzugsweise werden jedoch die Endprodukte durch Spritzguß hergestellt und die Anwendung dieser Her stellungsmethode ist für die Erzielung optimaler Ergebnisse vorteilhaft.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Faserverstärkungsbestandteile können zweckmäßig nach dem auf dem Fachgebiet als "Langglas"-Verfahren genannten Verfahren hergestellt werden, wobei die gebildeten Produkte auf dem Fachgebiet als "Langfaser"-Produkte charakterisiert sind. Die Länge der Mehrheit der Fäden in diesen "Langfaser"-Produkten liegt im allgemeinen weit über der Hauptfaserlänge in sogenannten "Kurzfaser"-Produkten, welche normalerweise im Bereich von ungefähr 0,0254 bis 0,0762 cm (0,01 bis 0,03 inch) liegen, und sie erstreckt sich im allgemeinen über die ganze Länge der Stücke selber. Die Faserform kann aus kontinuierlichem Roving von 60 bis 20.000 Fäden oder einem Stapelgarn, das nominell 2000 Fäden enthält, bestehen. Das Stapelgarn besteht

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aus einer kontinuierlichen Strähne, die aus Fasern diskreter Längen hergestellt ist, wobei die Länge jeder einzelnen Fasern 7,62 bis 25,4 cm (3 bis 10 inch) betragen kann. Diese Fasern diskreter Länge werden oft als "Slivers" bezeichnet.

Dieses Verfahren umfaßt im allgemeinen die Verwendung von kontinuierlichen Fadenlängen, welche durch ein Bad aus geschmolzenem Harz geführt werden, wobei diese Fäden mit der gewünschten Menge Harz imprägniert werden. Sobald die kontinuierlichen Fäden imprägniert sind, werden sie aus dem Bad genommen, vor oder nach dem Durchgang durch eine Wärmequelle vermischt und abgekühlt, um das Harz rund um die rostfreien Stahlfasern zu verfestigen, und anschließend im wesentlichen in Querrichtung zerschnitten, um die kurzen Stücke zu bilden. Diese Stücke sind ähnlich den oben beschriebenen "Kurzfaser"-Produkten, indem sich die Fasern im wesentlichen parallel zueinander und in: wesentlichen parallel zu der Achse erstrecken, die durch die Richtung., in der die Materialien aus dem Bad herausgezogen wurden, definiert ist. Im Gegensatz zu den "Kurzfaser"-Produkten erstrecken sich jedoch die Fasern der "Langfaser"-Produkte im wesentlichen über den gesamten Abstand von einer durchschnittenen Seite zur anderen durchschnittenen Seite. Dabei können auch die "Langfaser"-Produktstücke im Bereich von ungefähr 0,16 bis 3,81 cm (1/16 bis 1-1/2 inch) liegen. Ein Verfahren dieses Typs ist in der US-PS 3,042.570 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.

Bei dem obigen Verfahren können die Fäden aber auch anstelle in einem Bad aus geschmolzenem Harz mit einer Harzsuspension oder -emulsion imprägniert und anschließend genügend Wärme ausgesetzt werden, um das Harz rund um die vermischten Fäden zu trocknen und zu schmelzen. Ein solches Verfahren ist in der US-PS 2,877.501 beschrieben.

In beiden Produkten, d.h. den "Kurzfaser"-Produkten und

den "Langfaser"-Produkten, können die Querschnittsabmessungen beträchtlich schwanken _s was von mehreren Faktoren abhängt. Bei den "Kurzfaser"-Produkten, die durch Extrudieren von Strähnen gebildet werden, hängt die Querschnittsabmessung von der Größe der Extrusionsöffnung -ab. Bei den "Langfaser"-Produkten, die durch Imprägnieren von kontinuierlichen Fadenlängen gebildet werden, hängt die Querschnittsabmessung von der Gesamtzahl der imprägnierten und zusammengefaßten Fäden und der Menge des Harzes ab. Es gibt natürlich gewisse praktische Grenzen für die Querschnittsdi^mensionen der Teile, die auf Verarbeitungsbeschränkungen beruhen. Im allgemeinen erwies es sich höchst zweckmäßig, Stücke mit nominellen Querschnittsabmessungen im Bereich von ungefähr 1,59 bis 6,35 cm U/16 bis 1/4 inch) zu bilden.

Langgestreckte Körner, die die rostfreien Stahlfasern in der thermoplastischen Harzmatrix enthalten, werden nach einem der weiter oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Nach der Herstellung der länglichen Körner iv.s rostfreien Stahlfasern in thermoplastischem Harz, beispielsweise Polycarbonatharz, werden die resultierenden Verbundkörper dann nach bekannten Verfahren geformt. Die Homogenisierung findet in der Formungsstufe statt.

Die Gewichtsanteile der Komponenten in dem Endgemisch können innerhalb eines Bereiches von gesamter Faserverstärkung zu Harz von ungefähr 0,5 bis ungefähr 60 % variiert werden, bei einem bevorzugten Bereich von ungefähr 1 bis 8 Gew.-%. Innerhalb dieses Bereiches wird die Wahl des optimalen Anteiles von der Endverwendung oder dem besonderen angestrebten Ziel abhängen. Für optimale Ergenibsse wurde unter manchen Umständen gefunden, daß ein Anteil von Faser zu Harz von 1 bis 5 Gew.-% am vorteilhaftesten für elektrostatische Zerstreu-ung und von 1 bis Gew.-% für EMI/EFI-Abschirraungsanwendungen ist.

Es ist natürlich möglich, gebräuchliche Glasfasern, wie "E"-Glasfasern, in die Zusammensetzung als Streckmittel einzubringen. In ähnlicher Weise können auch andere gebräuchliche Füllmittel, Pigmente u. dgl. zugesetzt werden.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Fasern sind Fasern aus rostfreiem Stahl. Diese Fasern sind in Roving-Form und in zerschnittener (chopped) Form erhältlich. Bei vorliegender Erfindung erwies es sich in der Praxis als notwendig, rostfreie Stahlfasern in Form von Stapelgarn, Roving oder kontinuierlichen Strähnen einzusetzen.

Die Untersuchungen der Patentinhaberin haben gezeigt, daß bei Verwendung der rostfreien Stahlfasern in zerschnittener Form keine bemerkenswerte EMI-RFI-Abschirmung oder elektrische Leitfähigkeit erzielt wird, ohne daß übermäßig große Mengen in der Gr cßenordnung von ungefähr 25 % eingesetzt werden. Nur wenn die rostfreien Stahlfasern in· Form eines kontinuierlichen Stranges oder Stapelgarns verwendet werden, erhält man die gewünschte EMI/RFI-Abschirmung und elektrische Leitfähigkeit bei wesentlich niedrigeren Mengen als es mit dem Kurzfaserprodukt möglich ist. Die niedrigeren Beladungen ermöglichen eine größere Schlagfestigkeit, Dehnbarkeit und niedrigere Kosten im Vergleich mit den Kurzfaserprodukten.

Thermoplastische Harze können allgemein für die Herstellung des verstärkten Harzproduktes verwendet werden. Zu diesen Harzen gehören Polyolefine, insbesondere Polypropylen und Copolymere von Äthylen und Propylen; Polystyrol, Styrol-Acrylonitrilpolymere, ABS-Polymere (Polymere auf der Basis von Acrylonitril-Polybutadien-Styrol); Polyamide, insbesondere Polyamid 6,6; Polyphenylenoxide; Polyphenylenoxid-Polystyrol-Gemische; Polyphenylensulfide; Polyacetale; Polysulfone; Polycarbonate; Polyurethane;

Celluloseester; Polyester wie Polyethylenterephthalat; Polymonochlorstyrol; acrylisches Polymere; Polyvinylchlorid; Polyvinylidenchloride; Copolymere von Vinylchlorid und Vinylidenchlorid, verschiedene thermoplastische Elastomere wie solche auf der Basis von Styrol und Butadien oder Äthylen oder Propylen sowie Gemische beliebiger der vorgenannten Harze.

Bei der Verarbeitung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials wird das Gemisch in üblicher V7eise einem Einfülltrichter der Spritzgußeinrichtung zugeführt. Dann wird das Gemisch in der Einrichtung in üblicher Weise unter Temperaturbedingungen, die das Harz schmelzen und fließfähig machen, verarbeitet.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung, ohne daß ihr Umfang darauf beschränkt seir soll.

Beispiel 1

Eine Zusammensetzung von langgestreckten Pellets mit einem Gehalt von 5 % rostfreiem Stahlfaserprodukt, hergestellt durch Vermischen eines mit 30 % Langfasern aus rostfreiem Stahl gefüllten Polycarbonatkornes mit ungefülltem Polycarbonat im Verhältnis von 1 zu 5, wird in eine Schnecken-Spritzgußmaschine eingebracht. Die Zusammensetzung wird in der Maschine bei Temperaturen im Bereich von 260 bis 287°C (500 bis 58O°F) verarbeitet und ergibt einen Formling mit dem erwünschten gleichmäßigen Aussehen und guten physikalischen Eigenschaften.

Zu Vergleichszwecken werden langgestreckte Pellets, die 15 % zerschnittene rostfreie Stahlfasern von 8um Durchmesser in Polycarbonatharz enthalten, unter identischen Bedingungen verarbeitet und der erhaltene Formling wird gegenüber dem die kontinuierliche Strähne aus rostfreien Fasern enthaltendem Produkt auf EMI-Abschirmwirksamkeit

getestet. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist in nachstehender Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Zerschnittene Faser Kontinuierliche

Strähne

Abschirmwirksamkeit bei

1000 MHz - flache Platte dB 1 4C

Beispiel 2

Zusammensetzungen enthaltend rostfreie Stahlfasern in den in Tabelle II angegebenen Mengen und Formen wurden nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt und geformt. Die erhaltenen Produkte wurden getestetjund die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Flache Platte-Äbschixmwirksamkeit bei 1000 MHz, dB Polvcarbonat enthaltend 5, % 10% 15%

3 mm, 8Mm zerschnittene rostfreie Stahlfasern	0	0
8μπι kontinuierliche rostfreie Stahlfasem	38,5	40,5
Vergleiche
8 % Glasfasern in Polycarbonat	0 dB
Polycarbonat-Nickel -Anstrich	55

^a Pelletlänge 3,175 mm (1/8 ")

^b Pelletlänge 9,525 - (3/8" - 1/2")

— 8 ·—

Beispiel 3

Zusammensetzungen enthaltend rostfreie Stahlfasern in äen in Tabelle III angegebenen Mengen und Formen wurden wie in Beispiel 1 und 2 hergestellt und geformt. Die erhaltenen Produkte wurden auf Leitfähigkeit und EMI-Abschirmung getestet und die Ergebnisse sind in Tabelle III angegeben.

Tabelle III

Leitfähigkeit und EMI-Abschirmung von Langfasern und Kurzfasern Rostfreie Stahlfaser-Formmasse

ABC

Masse-Widerstand einer Platte von

7,62 χ 15,24 χ 0,318 cm

(3 χ 6 χ 0,125 inch), Ohm oo 400

EMI-Abschirmwirksamkeit einer Platte

15,24 χ 15,24 χ 0,318 cm (6 χ 6 χ 0,125

inch), db bei 1000 MHz 10 20

Erläuterung:

A - Polycarbonat enthaltend 5 Gew.-% zerschnittene rostfreie Stahlfasern, 4 μπι, 6mm, willkürlich verteilt in 6,35 mm (1/4 inch) langen Pellets

B - Polycarbonat enthaltend 5 Gew.-% kontinuierliche rostfreie Stahlfasern, 8 μπι, imprägniert in 6,35 mm (1/4"inch) langen Pellets.

C - Polycarbonat enthaltend 5 Gew.-% kontinuierliche rostfreie Stahlfasern, 8 μπι, imprägniert in 9,525 mm (3/8 inch) langen Pellets

²⁰ - Unendlich bedeutet offener Stromkreis, d.h. keine Leitfähigkeit.

Claims (8)

Patentansprüche :

1. Faserverstärkte thermoplastische Harzzusammensetzung,' dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem thermoplastischen Harz mit einer darin eingebetteten Faserkomponente aus kontinuierlichen Strähnen von Fasern aus rostfreiem Stahl besteht.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserkomponente und die Harzkomponente innerhalb eines Bereiches von Faser zu Harz von ungefähr 0,5 % bis ungefähr 60 % vorliegen.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich von Faser zu Harz ungefähr 1,0 % bis ungefähr 8,0 % beträgt.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Harz aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist Polyolefine, Polystyrol, StyrDl-Acrylonitril-Polymere, Acrylonitril-Polybutadien-Styrol, Polyamid^ Polyphenylensulfide,- Polyacetale, Polysulfone, Polycarbonate, Polyurethane, Celluloseester, Polyester, acrylische Polymere, Polyvinylchlorid^ Polyvinylidenchlorid^ Copolymere von Vinylchlorid und Vinylidenchlorid, Polyphenylenoxide Pclyphenylenoxid-PoIystyrol-Gemische und Gemische von .beliebigen der vorgenannten Harze.

5. Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Polycarbonatharz ist.

6. Geformte Produkte, abgeleitet von einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1.

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7. Geformte Produkte gemäß Anspruch 6, wenn nach einem Spritzgußverfahren geformt.

8. Geformter Gegenstand bestehend aus einer polymeren Matrix und einer Faserverstärkung aus kontinuierlichen Strähnen von rostfreien Stahlfasern.

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