!HU000007121T2! (19)
HU
(11) Lajstromszám:
E 007 121
(13)
T2
MAGYAR KÖZTÁRSASÁG Magyar Szabadalmi Hivatal
EURÓPAI SZABADALOM SZÖVEGÉNEK FORDÍTÁSA (51) Int. Cl.:
(30) Elsõbbségi adatok: 050405434 2005. 07. 12.
(73) Jogosult: Sulzer Metco (Canada) Inc., Fort Saskatchewan, Alberta T8L 4R1 (CA)
EP
(72) Feltalálók: Callen, Brian William, Sherwood Park Alberta T8H 2P4 (CA); Walkhouse, William Kimber, Gibbons Alberta T0A 1N0 (CA) (54)
HU 007 121 T2
H01B 1/00
(21) Magyar ügyszám: E 06 405255 (22) A bejelentés napja: 2006. 06. 13. (96) Az európai bejelentés bejelentési száma: EP 20060405255 (97) Az európai bejelentés közzétételi adatai: EP 1744326 A1 2007. 01. 17. (97) Az európai szabadalom megadásának meghirdetési adatai: EP 1744326 B1 2009. 09. 30.
(2006.01)
(74) Képviselõ: Kmethy Boglárka, DANUBIA Szabadalmi és Jogi Iroda Kft., Budapest
Vezetõképes töltõanyag és alkalmazása
A leírás terjedelme 8 oldal (ezen belül 1 lap ábra) Az európai szabadalom ellen, megadásának az Európai Szabadalmi Közlönyben való meghirdetésétõl számított kilenc hónapon belül, felszólalást lehet benyújtani az Európai Szabadalmi Hivatalnál. (Európai Szabadalmi Egyezmény 99. cikk (1)) A fordítást a szabadalmas az 1995. évi XXXIII. törvény 84/H. §-a szerint nyújtotta be. A fordítás tartalmi helyességét a Magyar Szabadalmi Hivatal nem vizsgálta.
1
HU 007 121 T2
A találmány területe A találmány az 1. igénypont preambuluma szerinti szemcsés vezetõképes töltõanyagra vonatkozik EMIárnyékoló alkalmazásokhoz, valamint ilyen vezetõképes töltõanyagot tartalmazó vezetõképes polimerkompozícióra vonatkozik. A találmány továbbá a 9. igénypont preambulma szerinti EMI-árnyékolás biztosítására irányuló eljárásra vonatkozik. A technika állásának ismertetése Elektronikai berendezésekben a repülõgép-alkatrészektõl kezdve a mobiltelefonokig használnak szokásos árnyékolótermékeket azért, hogy védelmet biztosítsanak az elektromágneses interferencia (EMI) és a rádiófrekvenciás interferencia (RFI) ellen. Ilyen árnyékolótermékeket jellemzõen egy vezetõképes töltõanyagnak egy polimermátrixba történõ bevitelével állították elõ olyan megfontolás alapján, hogy a csökkent térfogati ellenállás (DC ellenállás) átalakul egy árnyékolásihatékonyság-növekedéssé. A Thomas Clupper: „Correlating DC Resistance to the Shielding Effectiveness of an EMI Gasket” Interference Technology Engineers’ Master ITEM 1999, 59. oldal szakcikkben elméleti modelleket ismertetnek, amelyek összefüggésbe hozzák az árnyékolás hatékonyságát az ellenállással. Mérték két tömítõanyag EMI-árnyékolásának hatékonyságát, valamint az egyes tömítõanyagok DC ellenállását, miközben a tömítések egy szerelvényre voltak szerelve. A szerelvényen levõ A tömítésre 1 ohm ellenállást mértek és a B tömítésre 0,01 ohm ellenállást mértek. Az A és B tömítések EMI-árnyékolásának hatékonyságát 100 MHz-nél rendre 65 dB¹nek, illetve 42 dB¹nek mérték, ami azt mutatja, hogy az árnyékolás hatékonysága nõ, ha a fajlagos térfogati ellenállás csökken. Kezdetben a vezetõképes töltõanyagok szilárd nemesfém részecskékbõl álltak. Azonban az ilyen töltõanyagok túlságosan drágák, és kísérleteket tettek arra, hogy gazdaságosabb vezetõképes töltõanyagokat fejlesszenek ki anélkül, hogy csökkennének az árnyékolási és a vezetõképességi tulajdonságok. Kevésbé költséges alternatív anyagok nemesfémekkel bevont viszonylag olcsó maganyagokból állnak, amilyen például az üveg, az alumínium vagy a réz. Bizonyos alkalmazásoknál a nemesfémek használatát túl drágának tartják. Ezután réz- és nikkelporokat használtak erre a célra, majd nikkellel borított grafit- vagy fémmag részecskéket használtak. Az US 5 284 888 számú szabadalomban egy EMI/RFI árnyékoló kompozíciót ismertetnek, amely egy stabilizált vezetõképes töltõanyagot és egy azolt tartalmazó, két polimerbõl kialakított poliuretán gyantából áll. Az elõnyös töltõanyag egy ezüsttel stabilizált rézpor. Kalinoski és munkatársai az US 6 096 413 számú szabadalomban egy vezetõképes tömítést ismertetnek, amelyet helyben történõ elõállítási eljárással készítenek és magában foglal szilikont, uretánt és/vagy hõre lágyuló blokk-kopolimereket, amelyekhez egy vezetõképes töltõanyag van társítva. Az elasztomerek tölté-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 2
2
séhez használt vezetõképes töltõanyagot megválaszthatjuk tiszta ezüst, nemesfémmel borított nem nemesfémek, mint például ezüsttel bevont réz, nikkel vagy alumínium közül. Nem nemesfém alapú anyagok, többek között nem nemesfémmel borított nem nemesfémek szintén alkalmasak, ezekre példák lehetnek a rézzel bevont vasrészecskék. Ezenkívül használni lehet nemfémes anyagokat is, mint például kormot és grafitot és ezek kombinációit. A „Corrosion-resistant form-in-place EMI shielding gasket” címû US 5 910 524 számú szabadalomban Kalinoski egy 10 MHz és 10 GHz között legalább 80 dB¹es EMI-árnyékolási hatékonysággal rendelkezõ, 75 mikronos méretû, nikkellel borított grafitrészecskékbõl álló vezetõképes töltõanyag alkalmazásával készült EMI-árnyékoló tömítést ismertet. A fajlagos térfogati ellenállása ennek az anyagnak az ismertetés szerint mintegy 500–1000 milliohm×cm. A WO 94/11885 A, US 6 132 645 és US 5 498 372 számú dokumentumokban elektronikusan vezetõképes polimerkompozíciókat ismertetnek, amelyek tartalmaznak egy mátrixpolimerbe ágyazott vezetõképes polimerrel bevont szénrészecskéket. Az US 5 958 302 számú szabadalomban kis vezetõképes szubmikron polimerkompozitok elõállítását ismertetik, amelyek a kompozit polimer mátrixában egy egyenletesen eloszlatott polimermátrixból és egy vezetõképes töltõ polimerbõl állnak. Az US 2002/160 193 A1 dokumentumban szemcsés vezetõképes töltõanyagot ismertetnek, amely egy szénalapú magon lévõ köztes nem nemesfém bevonaton lévõ nemesfém bevonatból áll. A szénalapú magok átlagos mérete mindegy 1–300 mikron. A találmány összefoglalása A találmány rendelkezésre bocsát egy az 1. igénypont jellemzõivel rendelkezõ szemcsés vezetõképes töltõanyagot EMI-árnyékoló alkalmazásokhoz, valamint az 5. igénypont jellemzõivel rendelkezõ vezetõképes polimerkompozíciót, amely tartalmazza a szemcsés vezetõképes töltõanyagot. A találmány rendelkezésre bocsát továbbá egy eljárást EMI-árnyékolás biztosítására, amely a 9. igénypont jellemzõivel rendelkezik. Az elõnyös megvalósítási módokat az aligénypontokban ismertetjük. A találmány egy fõ célja egy szemcsés vezetõképes töltõanyag rendelkezésre bocsátása, amely tartalmaz egy vezetõképes fémbevonatot egy szénmagon, amely 350–1000 mikronos durva részecskemérettel rendelkezik. A szemcsés vezetõképes töltõanyagot egy polimermátrixszal kombináljuk, hogy vezetõképes kompozit anyagokat biztosítsunk javított fizikai és elektromos tulajdonságokkal, mely anyagokból kívánt alkatrészek elõállíthatók. A találmány fõ jellemzõje tehát 350–100 mikronos tartományba esõ átlagos méretû szénrészecskék, például grafit nikkellel vagy más, vezetõképes fémes anyaggal történõ bevonása. A fémmel bevont grafitot ezután egy elasztomer mátrixba, például szilikonba ágyazzuk bele, hogy vezetõképessé tegyük. A töltött
1
HU 007 121 T2
elasztomert különféle típusú EMI-árnyékoló tömítésekké alakítjuk, különféle alkalmazásokhoz, például ajtóvagy kapcsolótábla-tömítésekhez. A meglepõen jobb használhatóság abból ered, hogy a technika állásában használthoz képest jelentõsen nagyobb méretû, fémmel bevont szénrészecskéket használunk. A töltõanyagként nagy fémmel borított szénrészecskék alkalmazásának feltatálói jellegû elõnyei közé tartoznak a javított feldolgozás alatti reológiai tulajdonságok, a nagyobb rugalmasság a töltõanyag-tartalomban, a javított elektromos vezetõképesség és a javított elektromos stabilitás, valamint a kisebb sûrûség a hasonló összetételû kisebb részecskeméretû jelenlegi töltõanyagokhoz képest. Szélesebb értelemben egy szemcsés vezetõképes töltõanyagot bocsátunk rendelkezésre, amely bevont részecskékbõl áll, egy polimermátrixszal történõ alkalmazásra vezetõképes polimerkompozíciók kialakítása céljából, ahol minden egyes bevont részecske tartalmaz egy központi szénalapú magból – melynek átlagos mérete a 350–1000 mikron tartományban van –, és egy az említett központi szénalapú magon lévõ vezetõképes fémbevonatból áll. A központi szénalapú magot természetes grafit, szintetikus grafit, korom és ezek keverékei közül választjuk és átlagos méretük a mintegy 350–1000 mikron, elõnyösen 400–800 mikron tartományban van, és még elõnyösebben mintegy 600 mikron. A vezetõképes fém az alábbiak közül választott egy vagy több fém: nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, cink, arany, ezüst, platina, palládium, ródium, irídium, indium és ezek ötvözetei, és a bevont részecskék mintegy 20–90 tömeg%¹át, elõnyösen mintegy 40–90 tömeg%¹át teszi ki. A nemesfémeket, így aranyat, ezüstöt, platinát, palládiumot, ródiumot, irídiumot és ezek ötvözeteit használhatjuk önmagukban, vagy ezek bevonhatnak egy vagy több nem nemesfémet, így nikkelt, rezet, alumíniumot, ónt, kobaltot, cinket, indiumot és ezek ötvözeteit. A szemcsés vezetõképes töltõanyag elõnyösen egy természetes grafitból vagy szintetikus grafitból készült központi szénalapú mag egy nikkelbõl készült vezetõképes fémbevonattal, ahol a nikkel a bevont részecskék mintegy 40–80 tömeg%¹át teszik ki, és körbezárja a szénalapú magot. A bevont részecske mintegy 1–40 tömeg%¹át kitevõ arany vagy ezüst körülveheti a nikkelt. A találmány kiterjed továbbá egy kompozit anyagra, amely tartalmaz egy polimermátrixot, amelyben egyenletesen el van oszlatva a szénmagon levõ vezetõképes fémborítással rendelkezõ részecskékbõl álló töltõanyag, ahol a szemcsés töltõanyag aránya jellemzõen mintegy 25–35 térfogat%. A polimermátrixot választhatjuk egyetlen anyagként vagy kombinációként természetes gumik és szintetikus elasztomerek közül, ideértve a szénhidrogén gumikat (EPM, EPDM, butil és más hasonlók), nitrileket, polikloropréneket, akrilt, fluor- és klórszulfonát-polietiléneket, poliuretánokat, poliétereket, poliszulfodiokat, nitrozogumikat, szilikonokat és fluorszilikonokat. Az említett elasztomer polimermátrix elõnyösen szilikonelasztomer, és a szemcsés töltõanyag nikkellel bevont grafitpor. Még elõnyösebben a
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 3
2
grafitpor átlagos mérete mintegy 600 mikron, a nikkel a bevont részecskék mintegy 60 tömeg%¹át teszi ki, és a bevont részecskék a kompozit anyag mintegy 30 térfogat%¹át teszik ki. Egy további megvalósítási módban a vezetõképes polimerkompozíció tartalmaz továbbá mintegy 1–30 tömeg% szemcsés vezetõképes töltõanyagot, jellemzõen ezüsttel borított üveggömböt, melynek mérete a 20–200 mikron tartományba esik. Egy még további megvalósítási módban egy nemesfém, jellemzõen arany vagy ezüst, a bevont részecske mintegy 1–40 tömeg%-ának megfelelõ mennyiségben bevonhat egy nem nemesfémet, mint például nikkelt. A találmány szerinti eljárás EMI-árnyékolás biztosítására egy szubsztráton történõ alkalmazáshoz tartalmazza az alábbi lépéseket: egy polimermátrixból és egy, a polimermátrixban egyenletesen eloszlatott szemcsés vezetõképes töltõanyagból egy kompozitot képezünk, ahol a szemcsés töltõanyag tartalmaz egy központi szénalapú magot, melynek átlagos mérete a mintegy 350–1000 mikron tartományba esik, elõnyösen mintegy 400–800 mikron, és amelyet természetes grafit, szintetikus grafit, korom és ezek keverékei közül választunk, valamint egy vezetõképes fémbevonatot az alábbiak közül választott egy vagy több fémbõl: nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, cink, arany, ezüst, platina, palládium, ródium, irídium, indium és ezek ötvözetei, amely körülveszi a központi szénalapú magot. A vezetõképes fém, kompozit fémek vagy ezek ötvözetei a bevont részecskék mintegy 20–90 tömeg%¹át, elõnyösen a bevont részecskék mintegy 40–90 tömeg%¹át teszik ki. A vezetõképes fém elõnyösen nikkel, és a központi szénalapú mag elõnyösen természetes grafit vagy szintetikus grafit, melynek átlagos részecskemérete mintegy 600 mikron, és a nikkel a bevont részecskék mintegy 40–80 tömeg%¹át, elõnyösen mintegy 60 tömeg%¹át teszi ki. A központi szénalapú magot körülvevõ nem nemesfém, például nikkelborításon bevonatot képezõ nemesfém, például arany vagy ezüst, a bevont részecskék mintegy 1–40 tömeg%¹át teheti ki. A szemcsés töltõanyag tartalmazhat továbbá mintegy 1–30 tömeg% olyan szemcsés vezetõképes töltõanyagot, mint az ezüsttel bevont üveggömbök, melyek részecskemérete a 20–200 mikronos tartományba esik. Elõnyösen a találmány gyakorlatba vételének eredményeképpen, így egy fém- vagy kompozit fém bevonat biztosításával egy 350–1000 mikronos átlagos részecskeméretû grafitmagon az alábbiakat biztosítjuk: – Egy vezetõképes töltõanyagot, amelynek javított feldolgozás alatti reológiai tulajdonságai vannak. – Egy vezetõképes töltõanyagot, amelynek szélesebb tartományban lehet az aránya ahhoz, hogy elektronikai és mechanikai teljesítõképességet érjünk el. – Egy vezetõképes töltõanyagot, amelyhez kevesebb fémre van szükség. – Egy vezetõképes töltõanyagot, amelynek kisebb a sûrûsége.
1
HU 007 121 T2
– Egy vezetõképes töltõanyagot, amelynek alacsonyabb a költsége. – Egy vezetõképes elasztomert, amelynek jobb az elektromos vezetõképessége. – Egy vezetõképes elasztomert, amelynek javított az elektromos stabilitása. – Egy vezetõképes elasztomert, amely elõállítható a szakterületen jól ismert eljárásokkal. Az ábrák ismertetése A találmány szerinti szemcsés kompozit töltõanyag, vezetõképes polimerkompozíció és eljárás EMI-árnyékolás biztosítására jobban megérthetõ az alábbi leírásból, a kísérõ rajzok figyelembevételével, ahol az 1. ábra: egy polimermátrixba kevert technika állása szerinti nikkellel bevont grafitrészecskék keresztmetszete; és a 2. ábra: egy polimermátrixba kevert találmány szerinti vezetõképes töltõanyag-részecskék egy megvalósítási módjának keresztmetszete. Az elõnyös kiviteli alak ismertetése A csatolt ábrákra hivatkozva az 1. ábrán bemutatunk egy 12 polimermátrixba kevert, töltõanyagként használt technika állása szerinti 10 nikkellel bevont grafitrészecskéket. A vezetõképes részecskék tartalmaznak egy 14 belsõ grafitmagot, egy 16 nikkel fémborítással. A 2. ábra egy 22 polimermátrixba kevert, találmány szerinti 20 vezetõképes töltõanyag-részecskéket mutatja, ahol a 24 grafitalapú mag egy 26 fémborítással rendelkezik. A 2. ábrán bemutatott részecskék, amelyek 600 mikronos méretû találmány szerinti részecskéket szemléltetnek, 216-szor nagyobb térfogatúak, mint az 1. ábrán bemutatott technika állása szerinti 100 mikronos méretû részecskék. A 2. ábrán bemutatott kiviteli alakban a belsõ mag grafit. A 26 nikkelborítást a 24 magra a szakterületen jól ismert szokásos eljárásokkal visszük fel, például nem elektrolitikus bevonással, karboniles eljárással vagy hidrometallurgiával, elõnyösen úgy, hogy a mag folytonos körülzárását biztosítsuk. A fémborításnak, például nikkelnek vagy ezüstnek az a funkciója, hogy térfogati vezetõképességet biztosítson részecskérõl részecskére. Bár elõnyös teljesen körülvenni a magot a fémmel, nyilvánvalónak értjük, hogy a kívánt vezetõképességet vagy EMI-árnyékolási hatékonyságot elérhetjük a mag fémmel történõ részleges borításával is. A 24 belsõ mag kialakítható bármilyen alkalmas természetes vagy szintetikus grafitból, amelynek átlagos mérete a mintegy 350–1000 mikron, elõnyösen mintegy 400–800 mikron tartományba esik és még elõnyösebben mintegy 600 mikronos méretû. A 26 fémborítást választhatjuk az alábbiak közül: nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, cink, arany, ezüst, platina, palládium, ródium, irídium, indium vagy ezek ötvözetei, és ez elegendõ mennyiségben körbeveszi a magot ahhoz, hogy vezetõképességet biztosítson a kompozíciónak. A fémbevonat vagy a kompozit fémbe-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 4
2
vonat a bevont részecskékhez viszonyítva mintegy 20–90 tömeg%, elõnyösen mintegy 40–90 tömeg% mennyiségben alkalmasnak bizonyult a kívánt vezetõképesség biztosításához. A bevonat lehet egy egyetlen bevonat egy nem nemes vagy nemesfémbõl vagy lehet egy kompozit bevonat, elõnyösen egy nemesfém egy nem nemesfémen, például arany vagy ezüst nikkelen. A polimermátrixok közé tartoznak természetes és szintetikus elasztomerek, nevezetesen természetes gumi és szintetikus elasztomerek, többek között szénhidrogén gumik (EPM, EPDM, butil és más hasonlók), nitrilek, polikloroprének, akril, fluor- és klórszulfonát-polietilének, poliuretánok, poliéterek, poliszulfidok, nitrozogumik, szilikonok és fluorszilikonok és akrilok, valamint ezek keverékei. A találmány szerinti szemcsés vezetõképes töltõanyag a kompozit anyagra vonatkoztatva legfeljebb 80 tömeg%, elõnyösen mintegy 50–70 tömeg% mennyiségben van jelen a vezetõképes töltõanyag részecskesûrûségétõl és a polimermátrix sûrûségétõl függõen. Például 20 tömeg% nikkelt tartalmazó részecskék a kompozit anyagok mintegy 35–45 tömeg%¹át tehetik ki, és a 80 tömeg% nikkelt tartalmazó részecskék a kompozit anyagok mintegy 70–80 tömeg%¹át tehetik ki (feltételezve, hogy a polimer sûrûsége mintegy 1 g/cm3). A szemcsés vezetõképes anyag összekeverhetõ más szemcsés vezetõképes töltõanyagokkal, mintegy 1–30 tömeg% mennyiségben azért, hogy javítsuk a polimermátrix áramlási jellemzõit, ahol a más töltõanyagokra példák az ezüsttel borított üveggömbök, melyek mérete 20–200 mikron,. A szokásos vezetõképes töltõanyagok EMI-árnyékoláshoz és más vezetõképes alkalmazásokhoz olyan részecskéket használnak, amelyek kisebbek 250 mikronnál. Egyes alkalmazásokhoz (mint például a helyben történõ elõállítási eljárásoknál) olyan vezetõképes töltõanyagokra van szükség, amelyeknek kis részecskeméretük van, mivel a tömítés nagyon vékony (1 mm¹nél kisebb) vagy kicsi keresztmetszeti területe van. Ilyen tömítéseknél a töltõanyagoknak a részecskemérete 100 mikronnál kisebb kell, hogy legyen. Más alkalmazásoknál, mint például ajtó- és táblatömítéseknél nincs a részecskeméretnek ilyen inherens korlátja. Az ilyen viszonylag vastag tömítési alkalmazásokat nem szükséges a technika állása szerinti vezetõképes töltõanyagok alkalmazására korlátozni, amelyek általában 150 mikronnál kisebb méretûek. A polimerek vezetõképes töltõanyagokkal való összekeverésének mechanikai folyamatához szükség van elegendõ bekeverési arányok eléréséhez azért, hogy meghatározott vezetõképességi teljesítményt hozzunk létre. A bekeverési arányok jellemzõen az elektromos perkolációs küszöbnél vannak, vagy annál nagyobbak, jellemzõen a 25–35 térfogat% töltõanyagaránynál. A nagy bekeverési arányok gyakran nehézséget okoznak a mechanikai feldolgozásnál, például a kompaundálásnál, a préselésnél és az extrudálásnál, ahol a túl sok töltõanyag nem teszi lehetõvé, hogy az
1
HU 007 121 T2
anyag megfelelõen folyjon. Az ilyen reológiai problémákat gyakran kevesebb töltõanyag alkalmazásával oldották meg, aminek az volt az ára, hogy csökkent a vezetõképesség. Az elõállítása után a polimer vezetõképes tömítésnek elõre meghatározott mechanikai tulajdonságai vannak a keménység és a szilárdság tekintetében. A polimer elasztomerekbõl elõállított tömítésektõl megkívánják, hogy puhák és erõsek legyenek ahhoz, hogy szoros és tartós tömítést biztosítsanak, amelyek egyben kellõképpen vezetõképesek is. Általában az a kihívás, hogy elegendõ töltõanyagot használjunk ahhoz, hogy a szükséges elektromos tulajdonságokat biztosítsuk anélkül, hogy túlságosan nagy engedményeket tennénk az elasztomer által biztosított mechanikai tulajdonságoknál. A polimergyantákba kevert durva részecskéknek kisebb az összes részecskefelszíne, amelyet a polimernek nedvesítenie kell, az ugyanilyen összetételû kisebb részecskékhez viszonyítva. Így a durvább részecskék javított folyóképességgel vagy reológiával rendelkeznek a feldolgozás során a finomabb részecskékhez képest. A durva részecskék által nyújtott javított folyóképesség javított mértékû rugalmasságot biztosít a töltõanyag arányának beállításánál a vulkanizált tömítõanyag elektromos és mechanikai tulajdonságainak optimalizálásához. A finomabb részecskékhez viszonyítva egységtérfogatonként kisebb felszínnel rendelkezõ durva részecskéknek egy további inherens elõnye is van: egy kisebb össztömegû fémborítás ugyanolyan vastagságú fémbevonatot biztosít a durva részecskéken, mivel kisebb a felszín. A kisebb mennyiségû fém egy kisebb sûrûségû anyag elõnyeit jelenti, valamint a kevesebb fém alkalmazásával potenciálisan költségeket lehet megtakarítani a töltõanyagon. A fém mennyiségének csökkentése nem jelenti a teljesítõképesség csökkenését, mivel a fémbevonat vastagsága nem változik. A durva részecskék megnövelt vezetõképességet is biztosítanak az elasztomerben ugyanolyan térfogati aránynál az ugyanolyan összetételû finomabb részecskékhez képest. Kevesebb durva részecske foglal el ugyanannyi térfogatot, mint a finomabb részecskék (ugyanolyan térfogati aránynál) az elasztomerben, ami kevesebb felületek közötti elektromos érintkezési pontot eredményez. A részecskével töltött polimer vezetõképességét nagymértékben meghatározza a részecskék közötti érintkezési ellenállás és egységtérfogatonként kisebb számú részecske kevesebb elektromos érintkezési pontot hoz létre egy adott távolságon belül az elasztomerben. A durva pornak kevesebb ellenállási pontja lesz egy áramkörben egy ugyanolyan bekeverési arányú finomabb porhoz képest, és javított vezetõképességet eredményez a tömítésben. A hõöregítéssel szembeni javított elektromos ellenállás egy váratlan javulás volt, amelyet megfigyeltünk egy durva nikkellel borított grafit töltõanyaggal töltött szilikonnál egy ugyanolyan bekeverési arányú finomabb nikkel/grafit töltõanyaghoz képest. Ezt a meglepõ megfigyelést nem teljesen értjük, de kapcsolatban állhat azzal, hogy a durva pornak kevesebb számú elektromos érintkezé-
5
2
si pontja van, amely degradálódhat a hõöregítés hatására. A találmány szerinti szemcsés vezetõképes töltõanyagot és a kompozit anyagot az alábbi nem korlátozó értelmû példákra hivatkozva ismertetjük az alábbiakban. Példák
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 5
1. példa 611 mikronos átlagos részecskeméretû grafitport vontunk be hidrometallurgiával nikkellel, 53 tömeg% nikkelt és 47 tömeg% grafitot tartalmazó vezetõpor elõállítása céljából (a valós részecskesûrûség 3,7 g/cm3). Összehasonlításképpen szokásos nikkellel bevont grafitport (Ni/grafit), melynek összetétele 63,5 tömeg% Ni és 36,5 tömeg% grafit (valós részecskesûrûség 4,2 g/cm3) és átlagos részecskemérete 120 mikron, használtunk összehasonlító vezetõképes por töltõanyagként. Vezetõképes szilikongumi lapokat állítottunk elõ az alábbiak szerint. Minden pormintát egy hõvel vulkanizálható szilikongyantával kompaundáltunk egy kéthengeres malomban a 611 mikronos por esetén 60 tömeg% porral való töltöttségig, és a 120 mikronos por esetén 63,5 tömeg% töltöttségig. A két pornál használt különbözõ tömegben kifejezett töltöttség azért volt, hogy korrigáljuk a valós részecskesûrûségben levõ különbségeket azért, hogy egyforma, mintegy 31 térfogat%¹os töltõanyag-töltöttséggel rendelkezõ mintákat készítsünk. A 120 mikronos nikkel/grafitpornál 35 percre volt szükség ahhoz, hogy teljesen belekeverjük a töltõanyagot a gyantába egyenletes és jól elegyített kompozíció kialakítása céljából. Ezzel szemben a 611 mikronos nikkel/grafitpornál csak 15 percre volt szükség ahhoz, hogy ugyanazt az egységességet és jól elkevert kompozíciót kapjuk, ugyanazzal a gépkezelõvel és kompaundálási eljárással. Azonkívül, hogy gyorsabb kompaundálási idõt figyeltünk meg a durvább töltõanyagnál, a képzõdött kompaund anyagnak nagyobb volt az affinitása ahhoz, hogy további töltõanyagot fogadjon be. 2. példa Az 1. példában elõállított 120 mikronos részecskéket és 611 mikronos részecskéket tartalmazó szilikongyanta kompaund anyagokat vulkanizáltuk és préseltük egy melegprésben 15 cm széles és 1,8 mm vastag négyzet alakú vezetõképes szilikongumi lapok kialakítása céljából. A vezetõképes vulkanizált lapok fajlagos térfogati ellenállását a lapokból kivágott 1 cm átmérõjû korongokon mértük két elektróddal, amelyek egy négypontos ellenállásmérõ érzékelõjéhez (Keithely™ model 580 mikro-ohmmeter) voltak csatlakoztatva. A fajlagos térfogati ellenállás kiszámolásánál figyelembe vettük a gumi térfogatát a két elektród között, amelyeket a vezetõképes szilikongumi korongok szemközti végeihez nyomtunk. Az ezzel a módszerrel mért fajlagos térfogati ellenállás 25 mW·cm, illetve 17 mW·cm volt a 120 mikronos, illetve 622 mikronos nikkel/grafit pornál. Ez egy 32%¹os
1
HU 007 121 T2
csökkenést mutat a fajlagos térfogati ellenállásban a durva pornál a finomabb porhoz képest a szilikongumiba töltve. A korongok shore A keménységét 79¹nek, illetve 77¹nek mértük a 120 mikronos, illetve 611 mikronos nikkel/grafit pornál.
5
2
3. példa A 2. példában készített korongokat egy 150 °C¹ra beállított légkeveréses sütõbe helyeztük 48 órára. Ezután megmértük a korongok fajlagos térfogati ellenállását és az adatokat az 1. táblázatban közöljük.
1. táblázat Nikkel/grafit porokkal töltött szilikongumi fajlagos térfogati ellenállása és Shore A keménysége Nikkel grafit típus
Fajlagos térfogati ellenállás öregítés elõtt
Fajlagos térfogati ellenállás öregítés után
Fajlagos térfogati ellenállás aránya
Shore A keménység
120 mikron
25
56
2,3
79
611 mikron
17
28
1,6
77
A 120 mikronos pornál a fajlagos térfogati ellenállás 2,3-szorosára nõtt (vagy 124%¹os növekedés), míg a durvább mintával készült mintánál csak 1,6-szorosára nõtt (vagy 64%¹os növekedés). 20 SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Szemcsés vezetõképes töltõanyag EMI-árnyékolási felhasználásokra, amely tartalmaz bevont részecskéket egy polimermátrixszal történõ alkalmazásra vezetõképes polimerkompozíciók képzése céljából, ahol minden bevont részecske tartalmaz egy központi szénalapú magot természetes grafit, szintetikus grafit, korom és ezek keverékei közül választva és egy vezetõképes fémbevonatot vagy kompozit fémbevonatot a központi szénalapú magon, azzal jellemezve, hogy a szénalapú mag átlagos mérete a 350–1000 mikron, különösen a 400–800 mikron tartományba esik. 2. Az 1. igénypont szerinti szemcsés töltõanyag, ahol a vezetõképes fémbevonat nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, cink, arany, ezüst, platina, palládium, ródium, indium, irídium és ezek ötvözetei közül választott egy vagy több fémbõl áll, és a kompozit fémbevonat egy, a szénalapú magot bevonó, nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, indium és cink közül választott nem nemesfém bevonatból és egy, a nem nemesfém bevonatot körülvevõ, arany, ezüst, platina, palládium, ródium és irídium közül választott nemesfémbõl áll, és/vagy a vezetõképes fém vagy annak ötvözete a bevont részecskék 20–90 tömeg%¹át, különösen mintegy 40–90 tömeg%¹át teszi ki. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti szemcsés vezetõképes töltõanyag, ahol a vezetõképes fémbevonat nikkel, és a központi szénalapú mag természetes grafit vagy szintetikus grafit, elõnyösen a nikkel a bevont részecskék 40–80 tömeg%¹át teszi ki, és körülveszi a szénalapú magot. 4. Az elõzõ igénypontok bármelyike szerinti szemcsés vezetõképes töltõanyag, ahol a kompozit fémbevonat tartalmaz egy nikkelbevonatot a szénalapú magon és aranyat vagy ezüstöt, amely körülveszi a nikkelbevonatot. 5. Vezetõképes polimerkompozíció, amely tartalmaz egy polimermátrixot és egy, az 1–4. igénypontok
25
30
35
40
45
50
55
60 6
bármelyike szerinti szemcsés vezetõképes töltõanyagot, azzal jellemezve, hogy a szemcsés vezetõképes töltõanyag a vezetõképes polimerkompozíció 25–35 térfogat%¹át teszi ki. 6. Az 5. igénypont szerinti vezetõképes polimerkompozíció, ahol a polimermátrixot szénhidrogén gumik (EPM, EPDM, butil és hasonlók), nitrilek, polikloroprének, akril, fluor- és klórszulfonált polietilének, poliuretánok, poliéterek, poliszulfidok, nitrozogumik, szilikonok és fluor-szilikonok közül választott, és/vagy a vezetõképes fém a nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, cink, arany, ezüst, platina, palládium, ródium, irídium, indium és ezek ötvözetei közül választott egy vagy több fém, és/vagy a vezetõképes fém vagy ennek ötvözete elõnyösen a bevont részecskék 20–90 tömeg%¹át, különösen 40–90 térfogat%¹át teszi ki. 7. Az 5. vagy 6. igénypont szerinti vezetõképes polimerkompozíció, ahol a vezetõképes fémbevonat nikkel, és a központi szénalapú mag természetes vagy szintetikus grafitpor, ahol a nikkelbevonat körülveszi a természetes vagy szintetikus grafitot és/vagy a polimermátrix elõnyösen szilikonpolimer és/vagy elõnyösen a nikkel a bevont részecskék 40–80 tömeg%¹át teszi ki és körülveszi a szénalapú magot, ahol a szemcsés töltõanyag a vezetõképes polimerkompozíció mintegy 30 térfogat%¹át teszi ki. 8. Az 5–7. igénypontok bármelyike szerinti vezetõképes polimerkompozíció, ahol a kompozit fémbevonat egy nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, indium és cink közül választott nem nemesfém bevonatból – amely bevonja a szénalapú magot –, és egy arany, ezüst, platina, palládium, ródium és irídium közül választott nemesfémbõl áll, amely körülveszi a nem nemesfém bevonatot és/vagy a grafitpornak az átlagos mérete elõnyösen mintegy 600 mikron, és a nikkel a bevont részecskék 60 tömeg%¹át teszi ki, és/vagy továbbá elõnyösen tartalmaz 1–30 tömeg% olyan szemcsés vezetõképes töltõanyagot, mint az ezüsttel bevont üveggömbök, melyek mérete a 20–200 mikron tartományban van. 9. Eljárás EMI-árnyékolás biztosítására egy szubsztráton történõ felhasználáshoz, amely tartalmazza a következõ lépéseket: elõállítunk egy kompozit anyagot egy polimermátrixból és egy szemcsés vezetõképes töltõanyagból, amely egyenletesen el van osz-
1
HU 007 121 T2
latva a polimermátrixban, ahol a szemcsés töltõanyag tartalmaz egy központi szénalapú magot természetes grafit, szintetikus grafit, korom és ezek keverékei közül választva, és egy vezetõképes fémbevonatot vagy kompozit fémbevonatot, amely körülveszi a központi szénalapú magot, azzal jellemezve, hogy a kompozit anyag a szemcsés vezetõképes töltõanyag 25–35 térfogat%¹át teszi ki, a polimermátrixot szénhidrogén gumik (EPM, EPDM, butil és hasonlók), nitrilek, polikloroprének, akril, fluor- és klórszulfonált polietilének, poliuretánok, poliéterek, poliszulfidok, nitrozogumik, szilikonok és fluor-szilikonok közül választjuk, a vezetõképes fémbevonat vagy kompozit fémbevonat tartalmaz nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, cink, arany, ezüst, platina, palládium, ródium, irídium, indium és ezek ötvözetei közül választott egy vagy több fémet, és a szénalapú mag átlagos mérete a 350–1000 mikron, különösen a 400–800 mikron tartományban van. 10. A 9. igénypont szerinti eljárás, ahol a fémbevonat, kompozit fémbevonat vagy annak ötvözete a bevont részecskék 20–90 tömeg%¹át, elõnyösen a bevont
2
részecskék mintegy 40–90 tömeg%¹át teszi ki, és/vagy elõnyösen a vezetõképes fém nikkel és a központi szénalapú mag természetes grafit vagy szintetikus grafit, melynek átlagos részecskemérete mintegy 600 mik5 ron, a nikkel a bevont részecskék mintegy 60 tömeg%¹át teszi ki és a vezetõképes töltõanyag a kompozit anyag mintegy 30 térfogat%¹át teszi ki, és/vagy elõnyösen a kompozit fémbevonat tartalmaz egy nikkel, réz, alumínium, ón, kobalt, indium és cink közül válasz10 tott nem nemesfémet, elõnyösen nikkelt, amely bevonja a szénalapú magot, és egy arany, ezüst, platina, palládium, ródium, irídium és ezek ötvözetei közül választott nemesfémet, elõnyösen aranyat vagy ezüstöt, amely körbeveszi a nem nemesfém bevonatot és/vagy elõnyö15 sen a polimerszilikon és a kompozit fémbevonat tartalmaz egy nikkelbevonatot a szénalapú magon és aranyat vagy ezüstöt, amely körülveszi a nikkelbevonatot és/vagy elõnyösen a szemcsés töltõanyag továbbá tartalmaz 1–30 tömeg% olyan szemcsés vezetõképes töl20 tõanyagot, mint az ezüsttel bevont üveggömbök, melyek mérete a 20–200 mikron tartományban van.
7
HU 007 121 T2 Int. Cl.: H01B 1/00
Kiadja a Magyar Szabadalmi Hivatal, Budapest Felelõs vezetõ: Szabó Richárd osztályvezetõ Windor Bt., Budapest
