DE3619606A1 - Verfahren zur erzeugung einer elektrisch leitfaehigen oberflaechenschicht auf formkoerpern aus kunststoffen - Google Patents
Verfahren zur erzeugung einer elektrisch leitfaehigen oberflaechenschicht auf formkoerpern aus kunststoffenInfo
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- H01B1/12—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
- H01B1/121—Charge-transfer complexes
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Erzeugung
einer elektrisch leitfähigen Oberflächenschicht auf Formkörpern aus in
organischen Lösungsmitteln löslichen oder quellbaren Kunststoffen, deren
Leitfähigkeit auf einem hierin eingelagerten System von
- - organischen Elektronenakzeptoren (I) einerseits und
- - organischen Elektronendonoren (II) und/oder Jodiden (III) als Elektronendonoren andererseits
beruht.
Kunststoffe haben im allgemeinen eine geringere spezifische elektrische
Leitfähigkeit als 10-13 S/cm und sind daher gute elektrische Isolatoren.
Formkörper aus Kunststoffen können sich daher stark elektrostatisch
aufladen, was für viele Anwendungsbereiche unbedingt vermieden werden
muß. Dieses trifft insbesondere dort zu, wo explosive Gas- oder Staubgasgemische
durch Funkenentladung gezündet werden können.
Um Kunststoffe antistatisch auszurüsten, ist eine große Zahl von Zusätzen
entwickelt worden. Diese Stoffe werden auf die Oberfläche von Formteilen
aufgebracht (G. Balbach, Kunststoffe 67, (1977) 3). In der Regel verlieren
sie aber nach kurzer Zeit ihre Wirksamkeit. Man hat auch Antistatika in
die Kunststoffe eingearbeitet. Häufig verschlechtern sich dann die Eigenschaften
des Kunststoffes oder die Zusätze diffundieren aus. Die Antistatika
verleihen der Kunststoffoberfläche eine gewisse Hydrophilie, so
daß sich ein von der Luftfeuchte abhängiger Wasserfilm an der Oberfläche
bilden kann, der die Aufladung verhindert.
Um Kunststoffe antistatisch zu machen, bedarf es mindestens einer spezifischen
Leitfähigkeit von 10-11 bis 10-10 S/cm.
Diese zur Verhinderung der elektrostatischen Aufladung erforderlichen
Mindestleitfähigkeiten reichen jedoch für zahlreiche Zwecke der Elektrotechnik
und Elektronik nicht aus; vielmehr verlangt man hier "echte"
Leitfähigkeiten von mindestens 10-8 S/cm. So werden z. B. in zunehmendem
Maße Formteile benötigt, die elektromagnetische Felder abschirmen können.
Natürlich richtet sich hier die Anwendung nach der erzielten Leitfähigkeit.
Hierbei kommt es darauf an, daß die übrigen Eigenschaften der
Kunststoffe, wie thermische und mechanische Beständigkeit, durch leitfähig
machende Zusätze nicht beeinträchtigt werden.
Um Polymere elektrisch leitfähig zu machen, hat man versucht, anorganische,
elektrisch leitende Substanzen, z. B. Metalle, Metalloxide, Metallsulfide,
Ruß oder Graphit einzuarbeiten. Durch die für eine erwünschte
Leitfähigkeit benötigte Menge von in der Regel 10 bis 30 Gew.-%, bezogen
auf den Kunststoff, verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften
des Kunststoffes jedoch entscheidend.
Es wurden auch organische Zusätze mit hoher elektrischer Leitfähigkeit,
die mit Kunststoffen besser verträglich sind, eingesetzt. Dazu gehören
die sogenannten Charge-Transfer-Komplexe (CT-Komplexe) und Radikalionensalze.
Bei den CT-Komplexen handelt es sich um Zweikomponentensysteme
aus bestimmten organischen Verbindungen, die als Elektronenakzeptoren
bzw. Elektronendonoren fungieren und die zusammen meist kristalline
Komplexe mit frei beweglichen, die Leitfähigkeit bewirkenden Elektronen
oder Defektelektronen bilden. Ähnlich verhält es sich bei den aus Jodiden
und Elektronenakzeptoren gebildeten Radikalionensalzen. Hierbei gibt das
J--Anion eine Ladung an den Elektronenakzeptor ab und wird zum elementaren
Jod oxidiert. Es entsteht ein Elektronenakzeptor-Anion, in welchem
das aufgenommene Elektron wiederum frei beweglich ist, so daß ein
Kristallit eines solchen Salzes eine hohe elektrische Leitfähigkeit
aufweist.
Aus der DE-A-31 31 251 sind in bestimmter Weise hergestellte Formkörper
aus Polystyrol bekannt, in welches 0,8 bis 1,6 Gew.-% eines CT-Komplexes
eingearbeitet wurden. Die spezifische Leitfähigkeit dieses Materials
liegt zwischen 10-6 und 10-2 S/cm, jedoch hat es den grundsätzlichen
Nachteil, daß der CT-Komplex über die gesamte Masse verteilt ist, wie es
meistens, z. B. für Abschirmungszwecke, nicht erforderlich ist.
Weiterhin ist es aus der DE-B-15 44 976 bekannt, stickstoffhaltige Polymere
durch Massezusatz von Radikalionensalzen leitfähig zu machen.
Nach der EP-A-1 34 026 sind Kunststoff-Formkörper mit hoher Oberflächenleitfähigkeit
erhältlich, indem man zu ihrer Herstellung Polymere verwendet,
die in der Masse 0,2 bis 5 Gew.-% eines Elektronenakzeptors enthalten.
Nach der Formung wird der Formkörper sodann in ein Bad getaucht,
welches einen Elektronendonor enthält. Der Elektronendonor
diffundiert in den Formkörper hinein und bildet in der Oberflächenschicht
zusammen mit dem bereits vorhandenen Elektronenakzeptor den die Oberflächenleitfähigkeit
bewirkenden CT-Komplex. Auch dieses Verfahren ist
evident nachteilig, da der Großteil des teuren Elektronenakzeptors nicht
nur ungenutzt bleibt, sondern auch die sonstigen Eigenschaften des Polymeren
beeinträchtigt.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, Formteile mit elektrisch
leitender Oberflächenschicht herzustellen und die bisher hiermit verbundenen
Nachteile zu vermeiden.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur Erzeugung einer elektrisch leitfähigen
Oberflächenschicht auf Formkörpern aus in organischen Lösungsmitteln
löslichen oder quellbaren Kunststoffen, deren Leitfähigkeit auf einem
hierin eingelagerten System von
- - organischen Elektronenakzeptoren (I) einerseits und
- - organischen Elektronendonoren (II) und/oder Jodiden (III) als Elektronendonoren andererseits
beruht, gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Formkörper
mit organischen Lösungen dieser Komponenten behandelt.
Außerdem wurde gefunden, daß die besonderen Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß den Unteransprüchen vorteilhaft sind.
Dieses Verfahren ist auf Formkörper aus allen Kunststoffen anwendbar, die
löslich oder quellbar sind und somit eine Diffusion der Behandlungslösungen
in die Oberfläche der Formteile ermöglichen. Geeignete Kunststoffe
sind daher in erster Linie Thermoplaste oder deren Gemische, aber
auch solche Materialien, die nur leicht vernetzt sind und deswegen noch
quellbar sind. Geeignet sind Homo- und Copolymerisate, die Vinylacetat,
Vinylcarbazol, Vinylchlorid, Vinylpyridin, Vinylpyrrolidon, Vinylidenchlorid,
Vinylidenfluorid, p-Methylstyrol, Olefine, Acrylsäure, Acrylsäureester,
Acrylamid, Methacrylsäure, Methacrylsäureester, Methacrylamid,
Maleinsäure oder Maleinsäureester enthalten, und/oder in deren
Hauptkette Verknüpfungseinheiten wie Urethan-, Carbonat-, Ester-, Amid-,
Ether-, Thioether-, Acetale-, Keton- oder Sulfongruppierungen wiederkehren,
insbesondere Homo- und Copolymerisate des Styrols, α-Methylstyrols,
Butadiens, Acryl- oder Methacrylnitrils, von C1-C18-
Alkylacrylaten oder -Methacrylaten. Beispiele sind Pforpfcopolymerisate aus Styrol,
Acrylnitril, Butadien und/oder C1-C18-Alkylacrylaten oder deren Gemische
mit Polymerisaten, die in der Hauptkette Carbonatgruppen enthalten. Diese
Kunststoffe sind dem Fachmann bekannt und z. B. in H. Saechting, "Kunststoff-
Taschenbuch", 22. Ausgabe, Carl Hanser Verlag 1983, beschrieben.
Die Lösungsmittel sollen sowohl ein ausreichendes Lösungs- bzw. Quellungsvermögen
für die Kunststoffe als auch für die Komponenten I bis III
haben. Derartige Lösungsmittel sind dem Fachmann bekannt oder durch
einige Vorversuche unschwer zu ermitteln. Da es sich bei den Komponenten
I und II um Verbindungen mit hochkonjugiertem Charakter handelt,
kommen in erster Linie aromatische Verbindungen wie Benzol, Toluol,
Xylol, Chlorbenzol oder Dichlorbenzol, aber auch nichtaromatische Lösungsmittel
wie Dichlormethan oder 1,1,1-Trichlormethan in Betracht, zumal
diese meist auch ein gutes Lösungsvermögen für Kunststoffe aller Art
haben. Die Lösungsmittel für III sollten eher polaren Charakter haben wie
beispielsweise Acetonitril, Nitromethan, Dimethylformamid, Dichlormethan,
Chloroform, 1,1,1-Trichlorethan oder Tetrahydrofuran. Häufig ist es von
Vorteil, Lösungsmittelgemische zu verwenden wie Toluol/Acetonitril,
Chlorbenzol/Dimethylformamid oder Xylol/Tetrahydrofuran.
Die Konzentrationen von I, II bzw. III liegen vorzugsweise zwischen 0,01
und 20 Gew.-% können aber, je nach den Applikationsbedingungen höher,
etwa bis zu 30 Gew.-% sein.
Die Behandlung mit den Komponenten I bis III kann entweder aus derselben
Lösung oder aus getrennten Lösungen nacheinander in beliebiger Reihenfolge
durchgeführt werden. Das Formteil kann bevorzugt durch Tauchen,
aber auch durch Besprühen oder Bestreichen mit den Lösungen in Berührung
gebracht und anschließend getrocknet werden. Die Behandlung kann auch
mehrfach mit derselben Lösung, bevorzugt mit Zwischentrocknungen, durchgeführt
werden.
Die Verweilzeit des Formteils in den Lösungen sollte so gewählt sein, daß
der Kunststoff oberflächlich anquillt, so daß einerseits ein Teil von I
bis III in die Oberfläche des Formteils eindiffundieren und dort die
elektrisch leitfähigen Kristalle bilden kann und andererseits das Formteil
nicht irreversibel beschädigt wird. Die Verweilzeit wird daher bei
Raumtemperatur üblicherweise zwischen 0,5 und 120 Minuten, vorzugsweise
zwischen 1 und 30 Minuten liegen. Durch Erhöhung der Temperatur werden
physikalische Vorgänge, wie Diffusion und Quellung, bekanntermaßen beschleunigt,
so daß die Verweilzeit beim Arbeiten oberhalb von Raumtemperatur
entsprechend verkürzt werden kann. Die Trocknungen können in
üblichen Verfahren, z. B. durch Behandlung mit Wärme oder Vakuum, durchgeführt
werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden I bis III üblicherweise in
einer Konzentration von 10-3 bis 20, insbesondere 10-2 bis 10 g/m2, auf
die Oberfläche des Formteils gebracht, so daß die Oberflächenleitfähigkeit
des Formkörpers im allgemeinen auf 10-8 bis 10-2 S/cm ansteigt.
Als Elektronenakzeptoren I haben sich die Tetracyanchinodimethane
und die N,N′-Dicyanchinondiimine
die aus der DE-A-34 37 814 bekannt sind, bewährt, als Elektronendonoren
II eignen sich die Tetrachalkogenafulvalene
und als Jodide III finden üblicherweise die Salze
M m+J m -
Verwendung, wobei R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander für Methyl,
Ethyl, Propyl, Isopropyl, Methoxy, Ethoxy, Propoxy, Butoxy, Pentoxy,
Methylsulfido, Fluor, Chlor, Brom, Cyan oder insbesondere für Wasserstoff
stehen oder einer der Reste R1 oder R2 und/oder einer der Reste R3
oder R4 für Phenyl oder Butyl oder R1 und R2 und/oder R3 und R4 zusammen
für einen Rest der Formel
stehen, worin die ankondensierten, aromatischen Ringe gegebenenfalls
durch ein oder zwei Chlor- oder Bromatome oder Methoxy- und/oder Methylgruppen
substituiert sind, R5, R6, R7 und R8 unabhängig voneinander für
Methyl, Ethyl, Phenyl, Methylphenyl, Methoxyphenyl oder insbesondere für
Wasserstoff, oder R5 und R6 und/oder R7 und R8 zusammen jeweils für einen
und X, Y, W und Z für Selen oder insbesondere für Schwefel,
M für ein m-wertiges Alkali-, Erdalkali- oder Übergangsmetall, Zinn,
Blei, Thallium, Ammonium, Phosphonium, Arsonium oder Stibonium, insbesondere
für Kupfer, Silber, Pyridinium, N-Methylpyridinium,
Chinolinium, N-Methylchinolinium, Phenazinium, N-Methylphenazinium,
Tetramethylammonium, Tetraethylammonium, Tetrabenzylammonium, Trimethylbenzylammonium
oder Triethylbenzylammonium und
m für 1, 2 oder 3 stehen.
Ferner sind als Elektronenakzeptoren I auch Metallkomplexe der Formel
oder deren Ammoniumsalze, worin Me Pt oder Pd und R9 -CN, -CH3 oder -CF3
bedeuten, 2,4,5-Trinitro-9-(Dicyanmethylen)-fluoren oder Tetracyanethylen
und als Elektronendonoren II N-Methyl-carbazol, Tetracen, Pentacen,
Tetrathiatetracen
oder die Diazoverbindung
verwendbar. Diese und andere geeignete Verbindungen sind in
R. C. Wheland et al, Journal American Chemical Society 98 (1976) 3916
beschrieben.
Üblicherweise werden Formkörper wie Fasern, Folien, Platten oder durch
Kalandrieren, Extrudieren, Spritzguß oder Schleuderguß hergestellte Teile
dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen, um als elektromagnetische
Abschirmung und/oder zur Ableitung elektrostatischer Aufladungen oder als
elektrische Leiterbahnen zu dienen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich ohne Verlust an Wirksubstanz
an der Oberfläche leitende Formteile aus Kunststoffen herstellen,
dessen übrige Eigenschaften nicht durch Fremdstoffe im Inneren
des Formteils verschlechtert werden. Das Verfahren ist praktisch auf
beliebige Formteile aus beliebigen quellbaren Kunststoffen anwendbar,
wobei die erfindungsgemäß aufgebrachte elektrisch leitfähige Schicht fest
in der Oberfläche des Formstückes haftet.
Ein Formkörper aus einem handelsüblichen ABS-Kunststoff aus einem Emulsionspfropfmischpolymerisat
aus 54 Gew.-% Styrol, 18 Gew.-% Butadien und
28 Gew.-% Acrylnitril mit einer Vicat-Erweichungstemperatur von 99°C,
gemessen nach DIN 53 460 (VST/B/50) und einem Schmelzindex von
14 g/10 min, gemessen nach DIN 53 735 (220/10), wurde 5 Minuten in eine
Lösung von 1,7 g N,N′-Dicyan-p-benzochinondiimin in 250 ml Toluol getaucht.
Nach dem Trocknen an Luft wurde derselbe Formkörper in eine
Lösung von 30 g Kupfer-I-Jodid in 200 ml Acetonitril getaucht, wobei er
sich mit einer blau-schwarzen Schicht überzog. Anschließend wurde an Luft
getrocknet. Die Oberflächenleitfähigkeit des Formkörpers stieg von
10-13 S/cm vor der Behandlung auf 10-6 S/cm nach der Behandlung an.
Ein Formkörper aus einem handelsüblichen ASA-Kunststoff aus 55 Gew.-%
Styrol, 17 Gew.-% n-Butylacrylat und 28 Gew-% Acrylnitril mit einer Victat-
Erweichungstemperatur von 98°C, gemessen nach DIN 53 460 (VST/B/50) und
einem Schmelzindex von 8 g/10 min, gemessen nach DIN 53 735 (220/10),
wurde 5 Minuten in eine Lösung von 1,7 g N,N′-Dicyan-p-benzochinon-diimin
in 250 ml Toluol getaucht. Nach Trocknen an Luft wurde der Formkörper
1 Minute in eine Lösung von 2 g Kupfer-I-jodid in 200 ml Acetonitril
getaucht, wobei er sich mit einer blauschwarzen Schicht überzog. Die
Oberflächenleitfähigkeit des Formkörpers stieg von 1,4 · 10-14 S/cm vor der
Behandlung auf 2,4 · 10-6 S/cm nach der Behandlung an.
Ein Formkörper aus einem handelsüblichen Blend aus 60 Gew.-% Polycarbonat
auf Basis Bisphenol A und 40 Gew.-% eines ASA-Polymers aus 30 Gew.-% Butylacrylat,
53 Gew.-% Styrol und 17 Gew.-% Acrylnitril mit einer Vicat-
Erweichungstemperatur von 121°C, gemessen nach DIN 53 460 (VST/B/50) und
einem Schmelzindex von 4 g/10 min, gemessen nach DIN 53 735 (220/10),
wurde wie in Beispiel 2 behandelt. Die Oberflächenleitfähigkeit stieg
durch die Behandlung von 1,4 · 10-14 S/cm auf 1,4 · 10-6 S/cm an.
Ein Formkörper aus dem in Beispiel 3 verwendeten Kunststoff wurde 5 Minuten
in eine Lösung von 1,7 g N,N′-Dicyan-p-benzochinondiimin und 0,6 g
2,5-Dimethyl-N-N′-dicyan-p-benzochinondiimin in 250 ml Toluol getaucht.
Nach Trocknen an der Luft wurde der Formkörper eine Minute in eine Lösung von
2 g Kupfer-I-jodid in 200 ml Acetonitril getaucht, wobei er sich mit
einer blauschwarzen Schicht überzog. Seine Oberflächenleitfähigkeit stieg
durch die Behandlung von 1,4 · 10-14 S/cm auf 2,4 · 10-6 S/cm an.
Ein Formkörper aus dem in Beispiel 2 verwendeten Kunststoff wurde wie in
Beispiel 4 behandelt. Seine Oberflächenleitfähigkeit stieg dabei von
1,4 · 10-14 S/cm auf 4,2 · 10-6 S/cm an.
Claims (10)
1. Verfahren zur Erzeugung einer elektrisch leitfähigen Oberflächenschicht
auf Formkörpern aus in organischen Lösungsmitteln löslichen
oder quellbaren Kunststoffen, deren Leitfähigkeit auf einem hierin
eingelagerten System von
- - organischen Elektronenakzeptoren (I) einerseits und
- - organischen Elektronendonoren (II) und/oder Jodiden (III) als Elektronendonoren andererseits
- beruht, dadurch gekennzeichnet, daß man die Formkörper mit organischen Lösungen dieser Komponenten behandelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man solche
Lösungen verwendet, welche die Komponenten I und II, I und III bzw.
I, II und III jeweils gemeinsam enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung
in beliebiger Reihenfolge mit Lösungen vornimmt, die jeweils nur
eine der Komponente I bis III enthalten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Formkörper
zwischen den Behandlungsschritten trocknet.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
man als organische Elektroakzeptoren I Tetracyanchinodimethane
(Ia) und/oder N,N′-Dicyanchinondiimine (Ib)
oder deren kernsubstituierte Derivate verwendet.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
man als organische Elektronendonoren (II) Tetrachalkogenafulvalene
(IIa)
worin X, Y, W und Z unabhängig voneinander Schwefel oder Selen
bedeuten, oder deren Derivate verwendet.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
man als Jodide III Kupfer-, Silber-, Pyridinium-, N-Methylpyridinium-,
Chinolinium-, N-Methylchinolinium-, Phenazinium-, N-Methylphenazinium-,
Tetramethylammonium-, Tetraethylammonium-, Tetrabenzylammonium-,
Trimethylbenzylammonium- oder Triethylbenzylammoniumjodid
verwendet.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
man es auf Formkörper aus Homo- oder Copolymerisaten des Styrols,
α-Methylstyrols, Butadiens, Acryl- oder Methacrylnitrils, von
C1-C18-Alkylacrylaten oder -Methacrylaten anwendet.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
man es auf Formkörper aus Pfropfcopolymerisaten aus Styrol, Acrylnitril,
Butadien und/oder C1-C18-Alkylacrylaten oder deren Gemischen
mit Polymerisaten, die in der Hauptkette Carbonatgruppen enthalten,
anwendet.
10. Verwendung der nach den Ansprüchen 1 bis 8 erhältlichen Formkörper
für solche Einsatzzwecke, in denen sie eine elektromagnetische Abschirmung
bewirken sollen und/oder als antielektrostatische Formkörper
oder elektrische Leiterbahnen.
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