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CH659908A5 - METHOD FOR INCREASING THE ELECTRICAL SURFACE CONDUCTIVITY OF A BODY. - Google Patents

METHOD FOR INCREASING THE ELECTRICAL SURFACE CONDUCTIVITY OF A BODY. Download PDF

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CH659908A5
CH659908A5 CH322682A CH322682A CH659908A5 CH 659908 A5 CH659908 A5 CH 659908A5 CH 322682 A CH322682 A CH 322682A CH 322682 A CH322682 A CH 322682A CH 659908 A5 CH659908 A5 CH 659908A5
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polyether
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Tjipke Dr Hibma
Hans-Rudolf Dr Zeller
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Bbc Brown Boveri & Cie
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Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit eines Körpers nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1. The invention is based on a method for increasing the electrical surface conductivity of a body according to the preamble of claim 1.

Es gibt in der Elektrotechnik zahlreiche Anwendungsbeispiele für Isolatoren, welche eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen haben in der Ableitung statischer elektrischer Ladungen (insbesondere Oberflächenladungen), zur Feldsteuerung usw. Meist werden die Isoliermaterialien zu diesem Zweck mit elektrisch leitenden Füllermaterialien dotiert, wodurch eine entsprechende höhere Volumenleitfähigkeit des Verbundwerkstoffes erzielt wird. Unter diesen Werkstoffen nehmen u.a. die mit elektronisch leitenden Stoffen dotierten Kunststoffpolymere eine wichtige Stellung ein. In electrical engineering, there are numerous application examples for insulators that have low electrical conductivity in the discharge of static electrical charges (especially surface charges), for field control, etc. Mostly, the insulating materials are doped with electrically conductive filler materials for this purpose, resulting in a correspondingly higher volume conductivity of the composite material is achieved. Among these materials, plastic polymers doped with electronically conductive substances play an important role.

Die bisher zum Beispiel als Antistatika-Beläge meistens verwendeten, mit elektronisch leitenden Füllstoffen dotierten Kunststoffe wie Polyamide weisen jedoch in der Regel eine zu niedrige elektrische Leitfähigkeit auf und bedingen einen gewissen minimalen Wassergehalt, funktionieren also in der Regel nur bei einer gewissen minimalen Feuchtigkeit (Wasserdampfdruck) ihrer Umgebung. Zwar wurden elektrisch gut leitende Kunststoffe zum Beispiel auf der Basis von Polyacetylen entwickelt, doch sind diese Materialien chemisch nicht stabil, insbesondere nicht gegenüber Oxydation. Ferner werden für Hochfrequenz-Abschirmung Kunststoffe wie Polyäthylen verwendet, die mit elektrisch gut leitenden Stoffen wie Russ gefüllt sind. Es bereitet jedoch grosse Schwierigkeiten, die elektrische Leitfähigkeit derartiger Materialien im gewünschten Bereich mit hinreichender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit einzustellen. However, the plastics, such as polyamides doped with electronically conductive fillers, mostly used as antistatic coverings, for example, as a rule have an electrical conductivity that is too low and require a certain minimal water content, so they usually only work with a certain minimal moisture (water vapor pressure ) of their surroundings. Although plastics with good electrical conductivity have been developed, for example, on the basis of polyacetylene, these materials are not chemically stable, especially not against oxidation. Furthermore, plastics such as polyethylene are used for high-frequency shielding, which are filled with electrically highly conductive substances such as carbon black. However, it is very difficult to adjust the electrical conductivity of such materials in the desired range with sufficient accuracy and reproducibility.

Es besteht daher ein grosses Bedürfnis, nach anderen, von den herkömmlichen Methoden abweichenden Verfahren zur Erreichung der gewünschten Oberflächenleitfähigkeit derartiger Körper Ausschau zu halten. There is therefore a great need to look for other methods that deviate from the conventional methods to achieve the desired surface conductivity of such bodies.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit eines aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehenden Körpers anzugeben, welches einen für elektrotechnische Zwecke zu verwendenden Isolator mit gut definierter und bequem einstellbarer Oberflächenleitfähigkeit als ein chemisch und thermisch stabiles Erzeugnis zu liefern vermag. The invention is based on the object of specifying a method for increasing the electrical surface conductivity of a body consisting of an electrically insulating material, which is able to supply an insulator to be used for electrotechnical purposes with a well-defined and easily adjustable surface conductivity as a chemically and thermally stable product .

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Ionenleitende Kunststoffpolymere sind schon seit langem bekannt. Eine besondere Art stellen unter anderem perfluorierte Polymere mit Sulfosäuren dar, welche zum Beispiel unter dem Handelsnamen «Nafion» von der Fa. Du Pont hergestellt und als Feststoffelektrolyte verwendet werden. Da sie jedoch nur in gequollenem, wasserhaltigem Zustand elektrisch leiten, sind sie für die vorgenannten Zwecke der Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit eines Isolators ungeeignet. Ion-conducting plastic polymers have been known for a long time. Perfluorinated polymers with sulfonic acids, which are manufactured, for example, under the trade name “Nafion” by Du Pont and are used as solid electrolytes, represent a special type. However, since they only conduct electricity in a swollen, water-containing state, they are unsuitable for the aforementioned purposes of increasing the surface conductivity of an insulator.

Eine weitere Gruppe von Ionenleitern stellen die Polyäther/ Salz-Komplexe dar (Armand, M.B., Chabagno, J.M., and Du-clot, M.J.K., Polyethers as solid electrolytes, in «Fast Ion Transport in Solids», eds. Vashishta, P.M., Mundy, J.N., and Shenoy, G.K., North-Holland 1979, p. 131-136; US-PS 4 303 748). Derartige nominell wasserfreie Polyäther/Salz-Komplexe auf der Basis von Polyäthylenoxid und Polypropylenoxid sowie Alkali- oder Ammoniumsalzen haben elektrische Leitfähigkeiten von 10~9 bis 10~6 (ßcm)-1 bei 20°C. Sie können deshalb unter anderem als Feststoffelektrolyte in elektrochemischen Zellen verwendet werden. Another group of ion conductors are the polyether / salt complexes (Armand, MB, Chabagno, JM, and Du-clot, MJK, Polyethers as solid electrolytes, in “Fast Ion Transport in Solids”, eds. Vashishta, PM, Mundy , JN, and Shenoy, GK, North Holland 1979, p. 131-136; U.S. Patent 4,303,748). Such nominally anhydrous polyether / salt complexes based on polyethylene oxide and polypropylene oxide as well as alkali or ammonium salts have electrical conductivities from 10 ~ 9 to 10 ~ 6 (ßcm) -1 at 20 ° C. They can therefore be used, among other things, as solid electrolytes in electrochemical cells.

Diese Komplexe sind in zahlreichen verschiedenen Lösungsmitteln löslich wie Wasser, Methanol, Azetylazeton, Azetonitril usw. Sie können deshalb durch Giessen, Bestreichen, Bepinseln, Spritzen und Sprühen oder Eintauchen des Werkstücks auf den zu überziehenden Körper aufgebracht werden. Anschliessend kann das Lösungsmittel durch Verdampfen/Verdunsten ausgetrieben werden. Die auf diese Weise hergestellten leitenden Überzüge zeichnen sich durch gute Haftfähigkeit und chemische Stabilität aus. These complexes are soluble in numerous different solvents such as water, methanol, acetylacetone, acetonitrile etc. They can therefore be applied to the body to be coated by pouring, brushing, brushing, spraying and spraying or immersing the workpiece. The solvent can then be driven off by evaporation / evaporation. The conductive coatings produced in this way are characterized by good adhesion and chemical stability.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben. The invention is described in more detail using the following exemplary embodiments.

Ausführungsbeispiel I Embodiment I

Zunächst wurde eine Lösung von 10 g Polyäthylenoxyd mit einem Molekulargewicht von ca. 6 000 000 in 1 Liter Methanol hergestellt. In dieser Lösung wurden 4,6 g Natriumthiocyanat aufgelöst. Die auf diese Weise erhaltene Flüssigkeit wurde dann auf ebene Glasplatten aufgebracht. Es wurden gleichmässige Schichten von (C2H40)4NaSCN durch Giessen, Pinseln und Aufsprühen hergestellt. Die Schichten hafteten gut auf dem Substrat und waren glasklar-transparent. Sie hatten durch5 First, a solution of 10 g of polyethylene oxide with a molecular weight of approximately 6,000,000 in 1 liter of methanol was prepared. 4.6 g of sodium thiocyanate were dissolved in this solution. The liquid thus obtained was then applied to flat glass plates. Uniform layers of (C2H40) 4NaSCN were produced by pouring, brushing and spraying. The layers adhered well to the substrate and were crystal-clear transparent. They had through 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

659 908 659 908

schnittlich eine elektrische Leitfähigkeit von 10~7 bis 10~6 (Qcm)-1 bei einer Temperatur von 20°C. On average an electrical conductivity of 10 ~ 7 to 10 ~ 6 (Qcm) -1 at a temperature of 20 ° C.

Ausführungsbeispiel II Embodiment II

Ähnlich Beispiel I wurde zunächst eine erste Lösung von 10 g Polyäthylenoxyd in 500 ml Methanol hergestellt. Dann wurde eine weitere Lösung von 9,71 g Natrium-Tetraphenyl-borat zubereitet. Die erste Lösung wurde der zweiten Lösung unter ständigem Rühren langsam zugegeben. Dabei bildete sich ein Niederschlag, der von der Lösung durch Filtrieren getrennt, mit Methanol gewaschen und getrocknet wurde. Die Trockensubstanz wurde nun in Azetylazeton gelöst und wie unter Beispiel I beschrieben auf eine Glasplatte aufgebracht und anschliessend getrocknet. Die aus (C2H40)8NaB(C6Hj)4 bestehende Oberflächenschichten hatten eine durchschnittliche elektrische Leitfähigkeitvon 10~9 bis 10—8 (Qcm)-1 bei einer Temperatur von 20°C. Similar to Example I, a first solution of 10 g of polyethylene oxide in 500 ml of methanol was first prepared. Then another solution of 9.71 g sodium tetraphenyl borate was prepared. The first solution was slowly added to the second solution with constant stirring. A precipitate formed, which was separated from the solution by filtration, washed with methanol and dried. The dry substance was then dissolved in acetyl acetone and applied to a glass plate as described in Example I and then dried. The surface layers consisting of (C2H40) 8NaB (C6Hj) 4 had an average electrical conductivity of 10 ~ 9 to 10-8 (Qcm) -1 at a temperature of 20 ° C.

Statt Azetylazeton kann zum Auflösen der Trockensubstanz auch Azetonitril verwendet werden. Instead of acetylazetone, acetonitrile can also be used to dissolve the dry substance.

Ganz allgemein können zur Durchführung des Verfahrens ionenleitende Kunststoffpolymere verwendet werden, mit welchen sich Oberflächenschichten mit einer elektrischen Leitfähigkeit bei 20°C von mindestens 10—10 (£2cm)—I, bevorzugt mit einer solchen von mindestens 10 19 (ßcm)-1 erzeugen lassen. In general, ion-conducting plastic polymers can be used to carry out the process, with which surface layers with an electrical conductivity at 20 ° C. of at least 10-10 (£ 2cm) -1, preferably with one of at least 10 19 (βcm) -1, are produced to let.

Mit Vorteil kann das ionenleitende Kunststoffpolymer ein The ion-conducting plastic polymer can be advantageous

Polyätherkomplex mit einem Wassergehalt von höchstens 1% sein und insbesondere aus Polyäthylenoxyd und einer weiteren Komponente aufgebaut sein. Diese weitere Komponente wird vorzugsweise aus der Gruppe der Alkalisalze oder der Ammoni-5 umsalze ausgewählt. Polyether complex with a water content of at most 1% and in particular be made of polyethylene oxide and another component. This further component is preferably selected from the group of the alkali metal salts or the ammonium salts.

Bevorzugte Ausführungen dieser Art entsprechen zum Beispiel den nachstehenden chemischen Formeln: Preferred embodiments of this type correspond, for example, to the chemical formulas below:

io (C2H40)5LiCF3C00; io (C2H40) 5LiCF3C00;

(C2H40)4KSCN; (C2H40) 4KSCN;

(C2H40)4NaSCN. (C2H40) 4NaSCN.

15 Die oben erwähnte weitere Komponente kann auch im besonderen eine nicht wasserlösliche Komplexverbindung, zum Beispiel Natrium-Tetraphenylborat sein. 15 The additional component mentioned above can also be, in particular, a non-water-soluble complex compound, for example sodium tetraphenylborate.

Die nach dem Verfahren hergestellten Überzüge weisen bevorzugt eine Oberflächenleitfähigkeit von nicht mehr als 10~7 20 Q~1 bei 20°C auf. The coatings produced by the process preferably have a surface conductivity of not more than 10 ~ 7 20 Q ~ 1 at 20 ° C.

Die Anwendungsbereiche des Verfahrens bewegen sich von der Herstellung von Überzügen zur Ableitung elektrostatischer Ladungen über die Erzeugung von Oberflächenschichten zur Steuerung elektrischer Potentiale bis zur Beschichtung von Iso-25 lierkörpern zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen im Hochfrequenzbereich. The application areas of the process range from the production of coatings for the discharge of electrostatic charges to the generation of surface layers for the control of electrical potentials to the coating of insulating bodies for the shielding of electromagnetic waves in the high frequency range.

v v

Claims (10)

659 908659 908 1. Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit eines aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehenden Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit einem Überzug aus einem ionenleitenden Kunststoffpolymer mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 10~10 (£2cm)—1 bei 20°C versehen wird. 1. A method for increasing the surface electrical conductivity of a body made of an electrically insulating material, characterized in that the body is provided with a coating of an ion-conducting plastic polymer with an electrical conductivity of at least 10 ~ 10 (£ 2cm) -1 at 20 ° C becomes. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Kunststoffpolymer eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10~9 (Qcm)—1 bei 20°C aufweist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the ion-conducting plastic polymer has an electrical conductivity of at least 10 ~ 9 (Qcm) -1 at 20 ° C. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ionenleitendes Kunststoffpolymer ein Polyätherkom-plex mit einem Wassergehalt von höchstens 1% verwendet wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that a polyether complex with a water content of at most 1% is used as the ion-conducting plastic polymer. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyätherkomplex aus Polyäthylenoxyd (C2H40)n und einer weiteren Komponente aufgebaut ist. 4. The method according to claim 3, characterized in that the polyether complex is composed of polyethylene oxide (C2H40) n and a further component. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Komponente ein Alkalisalz oder ein Ammoniumsalz im Polyätherkomplex enthalten ist. 5. The method according to claim 4, characterized in that an alkali salt or an ammonium salt is contained in the polyether complex as a further component. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyätherkomplex nach einer der nachstehenden Formeln aufgebaut ist: 6. The method according to claim 5, characterized in that the polyether complex is constructed according to one of the following formulas: (C2H40)5LiCF3C00; (C2H40) 5LiCF3C00; (C2H40)4KSCN; (C2H40) 4KSCN; (C2H40)4NaSCN. (C2H40) 4NaSCN. 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Komponente eine schwer oder nicht wasserlösliche Komplexverbindung im Polyätherkomplex enthalten ist. 7. The method according to claim 4, characterized in that a poorly or not water-soluble complex compound is contained in the polyether complex as a further component. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyätherkomplex Natrium-Tetraphenylborat enthält und nach der Formel 8. The method according to claim 7, characterized in that the polyether complex contains sodium tetraphenylborate and according to the formula (C2H40)8NaB(C6H5)4 (C2H40) 8NaB (C6H5) 4 aufgebaut ist. is constructed. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ionenleitende Kunststoffpolymer in einem Lösungsmittel gelöst und der mit einem Überzug zu versehende Körper mit der auf diese Weise hergestellten Lösung durch Bepinseln, Bestreichen, Spritzen oder Eintauchen beschichtet und das Lösungsmittel durch Verdampfen oder Verdunsten ausgetrieben wird. 9. The method according to claim 1, characterized in that the ion-conducting plastic polymer is dissolved in a solvent and the body to be provided with a coating is coated with the solution prepared in this way by brushing, brushing, spraying or dipping and the solvent is expelled by evaporation or evaporation becomes. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überzug aus ionenleitendem Kunststoffpolymer mit einer Oberflächenleitfähigkeit von nicht mehr als 10~7 £2 —1 bei 20°C erzeugt wird. 10. The method according to claim 1, characterized in that a coating of ion-conducting plastic polymer with a surface conductivity of not more than 10 ~ 7 £ 2-1 at 20 ° C is produced.
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