Einblicke in leitfähige Kunststoffe

Übersicht

Die meisten Kunststoffe sind von Natur aus elektrisch isolierende Materialien, sie leiten keinen Strom. In einigen Anwendungen bietet die elektrische Leitfähigkeit einen erheblichen Mehrwert und Nutzen. Beispielsweise ermöglicht die elektrische Leitfähigkeit von Kunststoffen die elektrostatische Lackierung von Stoßfängern in Kraftfahrzeugen, verringert die Staubsammlung von Haushaltsformartikeln und erleichtert die Herstellung einiger Arten von Kunststofffolien; Verringerung des “Teleskopierens” oder der Erzeugung und Speicherung statischer Elektrizität. Elektrisch leitfähige Kunststoffverbindungen werden als Mantelabdeckungen für Hochleistungsübertragungskabel verwendet; Reduzierung induzierter Ströme von nahe gelegenen Kabeln. Zusätzlich werden elektrisch leitfähige Kunststoffe zur Abschirmung empfindlicher elektronischer Bauteile eingesetzt.

Es gibt drei Bereiche der elektrischen Leitfähigkeit in Kunststoffen; 1) antistatisch, 2) elektrostatische Ableitung (ESD) und 3) elektromagnetische Ableitung (EMI.) Antistatische Anwendungen beinhalten Materialien, die einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 10 ^ 12 bis 10 ^ 6 Ohm-cm aufweisen, beinhalten ESD-Anwendungen eine ausreichende Leitfähigkeit von Kunststoffen, um ihren spezifischen Oberflächenwiderstand auf den Bereich von 10 ^ 6 bis 10 ^ 4 Ohm-cm zu reduzieren. Der EMI-Bereich liegt unter 10 ^ 4 Ohm-cm.

Steratadditive werden typischerweise verwendet, um antistatische Leistungsniveaus zu erreichen. Ruß und Spezialadditive werden häufig verwendet, um eine ESD-Leistung zu erzielen. Um eine EMI-Leistung zu erzielen, werden Metallpulver oder -drähte benötigt, um dieses Leitfähigkeitsniveau zu erreichen. Dieser Modern Dispersions Insight-Artikel konzentriert sich auf Verbindungen, die zur Erzielung der ESD-Leistung verwendet werden, und auf die Bedeutung der Dispersion für die Erzielung der elektrischen Leitfähigkeit.

Faktoren, die die Leitfähigkeit beeinflussen

Eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst die Leitfähigkeit von Kunststoffverbindungen, einschließlich der inhärenten Leitfähigkeit des Kunststoffs, des für das leitfähige Additiv erreichten Dispersionsgrades, der intrinsischen Leitfähigkeit des Additivs und des angelegten elektrischen Potentials. Bei antistatischen Verbindungen ist der leitende Mechanismus die Oberflächenleitfähigkeit durch Brücken, die zwischen Wassermolekülen gebildet werden, die an der Polymeroberfläche absorbiert werden, was durch die Verwendung von oberflächenaktiven Mitteln wie Glycerinderivaten ermöglicht wird.

Für die ESD-Leistung wird häufig Ruß als Wirkstoff verwendet, und die Leitfähigkeit wird erreicht, indem leitfähige Brücken durch eine “Leitungszone” überlappender elektronischer Strukturen gebildet werden, die den Transfer von Elektronen ermöglichen. Um mit Ruß eine Leitfähigkeit zu erreichen, muß folglich genügend Ruß vorhanden sein, um leitfähige Brücken für die Elektronen zu bilden.

Perkolation: Wenn Ruß verwendet wird, um Kunststoffen elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, zeigt er ein Phänomen, das als Perkolation bekannt ist – wobei der Rußgehalt ausreicht, um eine signifikante und abrupte Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zu verursachen. Mit zunehmender Beladung des Rußes in der Masse bleibt die Kunststoffmasse zunächst isolierend, mit zunehmender Beladung durchläuft die Leitfähigkeit einen scharfen und abrupten Anstieg über einen sehr engen Schwarzkonzentrations- (Beladungs-)Bereich. Weitere Erhöhungen der Belastung über diesen Schwellenwert hinaus bewirken eine geringe Erhöhung der Leitfähigkeit. Dieser enge Bereich wird als Perkolationsschwelle bezeichnet.

Struktur beeinflusst Leitfähigkeit: Rußstruktur, Oberfläche und Beladung haben wesentlichen Einfluss auf die Leitfähigkeit der Verbindung. Die Janzen-Gleichung, ein weit verbreitetes Modell, kann verwendet werden, um die Perkolationsschwellenkonzentration basierend auf der Dichte und Struktur (CDBP) eines Rußes vorherzusagen.

Die Janzen-Gleichung wird wie folgt dargestellt: ϕkrit = 1 / (1 + 4 ρυ)

• ϕcrit = der kritische Volumenanteil (Schwellenkonzentration)
• ρ = Dichte von Ruß
• 体 = die DBP-Absorption auf dem zerkleinerten Ruß, ausgedrückt in cm ^ 3 / g.

Die Leitfähigkeitseffizienz von Ruß ist eine Funktion der Primärpartikelgröße, Struktur und Porosität. Schwarze mit kleiner Partikelgröße haben eine hohe Oberfläche und eine höhere Anziehungskraft zwischen den Aggregaten, was zu Agglomeraten und einer Pseudo “Sekundärstruktur führt.” Folglich führt die Pseudostruktur zu einer höheren Leitfähigkeit, als aufgrund der intrinsischen Struktur des entstehenden Rußes vorhergesagt worden wäre. Diese Sekundärstruktur kann jedoch eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften und eine Erhöhung der Schmelzviskosität verursachen.

Eine ideale Rußverbindung für industrielle Anwender sollte die folgenden wünschenswerten Eigenschaften aufweisen:

• niedrige Perkolationsschwelle (Wirkungsgrad)
• minimale Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften
• minimale Auswirkung auf die Schmelzrheologie der Verbindung
• geringe Feuchtigkeitsaufnahme der Verbindung (CMA)
• kostengünstig

Das Erreichen des gewünschten Gleichgewichts der Eigenschaften ist häufig mit Kompromissen verbunden.

Bedeutung der Dispersionsqualität

In Anbetracht der Tatsache, dass die ESD-Leitfähigkeit durch die Bildung von Brücken zwischen den leitfähigen Additiven erreicht wird, ist eine qualitativ hochwertige Dispersion unerlässlich, um die leitfähigen Additive homogen in der Polymermatrix zu verteilen und das von der Endanwendung gewünschte Gleichgewicht der Eigenschaften aufrechtzuerhalten. Rußbelastungen von über 20% sind häufig erforderlich, um ESD-Leistung in den meisten thermoplastischen Harzen zu erzielen. Bei diesem Belastungsniveau werden die physikalischen Eigenschaften des Polymers häufig beeinträchtigt, so dass die Auswahl des richtigen Rußes, um die Leitfähigkeit zu verleihen, aber nicht die Eigenschaften oder die Verarbeitung zu beeinträchtigen, kritisch ist. Fähigkeiten und Kenntnisse, die durch jahrelange Erfahrung erworben wurden, sind für die Entwicklung der geeigneten Verbindung für das spezifische Harz und die spezifische Endanwendung unerlässlich.

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• Leitfähige Konzentrate und Compounds
• Einblicke in die Dispersion
• Grundlagen von Carbon Black