DE3135430A1

DE3135430A1 - Elektroleitfaehiges harz-verbundmaterial

Info

Publication number: DE3135430A1
Application number: DE19813135430
Authority: DE
Inventors: Masaru Iwaki Fukushima Hiruta; Hiroaki Tokyo Satoh
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1980-05-23
Filing date: 1981-09-08
Publication date: 1983-03-24
Also published as: DE3135430C2; US4395362A; JPS6248982B2; GB2105358B; GB2105358A; JPS5716041A; CA1174393A

Description

\3

PATENTANWÄLTE

Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Dr. rer. nat. dieter loUis

Dlpl.-Phyi. CLAUS POHLAU

9—11 Horidome-cho, 1-chome oipi.-ing. franz lohrentz

„., , , . _, . Dlpl.-Phys.WOLFGANG SEGETH

Nihonbashi-Chuo-ku kesslerplatz ι

Tokio/Japan 8500 NÜRNBERG

Elektroleitfähiges Harz-Verbundmaterial

Die Erfindung betrifft ein elektroleitfähiges Harz-Verbundmaterial mit günstiger mechanischer Festigkeit, geeignet zur Formung oder Preßformung mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften. Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Harz-Verbundmaterials, das Polypropylen, ein modifiziertes Polypropylen, erhalten durch chemisches Modifizieren eines Teils von Polypropylen mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure oder durch Copolymerisieren von Propylen und der organischen ungesättigten Carbonsäure, kurze Kohlenstoffasern und elektroleitfähigen Ruß bzw. Kohlenstoffruß enthält.

Bisher war es bekannt, Kohlenstoffasern in Kunstostoffe zu compoundieren zur Erzielung von Verbundmaterialien, und es war auch bekannt, daß das so erhaltene Verbundmaterial verbesserte Eigenschaften bezüglich der mechanischen Festigkeit, wie der Zugfestigkeit, der Biegefestigkeit und der Wärmebeständigkeit aufweist, jedoch konnte keine Verbesserung seiner elektrischen Eigenschaften festgestellt werden.

Außerdem wurde die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften eines Verbundmaterials durchgeführt durch Compoundieren von elektroleitfähigem Ruß in ein Kunststoffmaterial. In diesen Fällen wurde gefunden, daß Polypropylen die besten

elektrischen Eigenschaften im Vergleich mit Polyvinylchlorid/ Polystyrol und Polyäthylen ergibt. Jedoch weist das Verbundmaterial, das Polypropylen und elektroleitfähigen Ruß enthält, keine ausreichende mechanische Festigkeit auf, und dementsprechend bestand ein Bedürfnis nach der Lösung des Problems der mechanischen Festigkeit. Es wurde daher versucht, die mechanische Festigkeit und die elektrischen Eigenschaften des Verbundmaterials durch Compoundieren von Kohlenstofffasern und Ruß in Kunststoffe zu verbessern. Zwar konnte eine derartige Verbesserung im experimentellen Maßstab erzielt werden, jedoch führte die Unverträglichkeit der Kunststoffe mit Kohlenstoffasern und Ruß bei dem Compoundieren zur Verringerung der Festigkeit des Verbundmaterials und zu einer unzureichenden Stabilität des geformten Verbundmaterials während längerer Zeit.

Im folgenden werden die beigefügten Figuren kurz erläutert. Die beigefügte Figur 1 zeigt eine Beziehung zwischen der Festigkeit des Verbundmaterials, das 50 Gew.-Teile Kohlenstof fasern, 10 Gew.-Teile elektroleitfähigen Ruß, 100 Gew.-Teile Polypropylen und eine dargestellte Menge an modifizierten Polypropylen enthält, wobei die Kurve 1 die Beziehung in dem Verbundmaterial darstellt, das das modifizierte Propylen enthält, das erhalten wurde durch chemisches Modifizieren eines Teils des Polypropylens mit Maleinsäure, und die Kurve 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Verbundmaterial, das modifiziertes Polypropylen enthält, erhalten durch Copolymerisation von Propylen und Acrylsäure. Figur 2 zeigt die Änderung der mechanischen Festigkeit des Verbundmaterials beim Zusatz der angegebenen Menge von entweder Kohlenstoffaser (CF) oder elektroleitfähigem Ruß (KCB) oder von beidem (CF + KCB), wobei der Gew.-Verhältnis der Kohlenstoffasern zu dem elektroleitfähigen Ruß bei der Zugabe von beiden 10:15 in A, 10:20 in B und 20:10 in C beträgt.

Cf _

«Γ

Die Figur 3 zeigt die Änderung des spezifischen Widerstands (spezifischen Volumenwiderstands) des Verbundmaterials, das 100 Gew.-Teile Polypropylen, 17 Gew.-Teile modifiziertes Polypropylen mit 2 Gew.-Teilen Maleinsäure pro 100 Gew.-Teile Polypropylen und entweder die angegebene Menge an Kohlenstoffasern oder die angegebene Menge an elektroleitfähigem Ruß, oder die angegebene Menge an Kohlenstoffasern und elektroleitfähigem Ruß enthält, wobei im letzteren Falle das Gew.-Verhältnis der Kohlenstoffasern zum elektroleitfähigen Ruß 10:10 in A, 10:15 in B, 20:10 in C, 10:20 in D und 30:10 in E beträgt. Die Figur 4 zeigt die Änderung des Oberflächenwiderstands des gleichen Verbundmaterials in Beziehung zu diesem, wie in der Figur 3.

Im folgenden wird die Erfindung genauer beschrieben. Die Erfindung betrifft ein elektroleitfähiges Harz-Verbundmaterial zur Formung oder Preßformung, das ausgezeichnete mechanische Festigkeit und elektrische Eigenschaften aufweist, erhalten durch Compoundieren bzw. Vermischen von 10 bis 50 Gew.-Teilen modifiziertem Polypropylen, das erhalten wurde durch Modifizieren eines Teils von Polypropylen mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen oder durch Copolymerisieren von Propylen und der organischen ungesättigten Carbonsäure, 5 bis 65 Gew.-Teilen Kohlenstoffaser mit 5 bis 20 um (Mikrometer) Durchmesser und einem Längen-zuDurchmesser-Verhältnis von nicht weniger als 10 und 5 bis 65 Gew.-Teilen von elektroleitfähigem Ruß (Kohlenstoffruß) von

2
mindestens 800 cm /g

Teilen Polypropylen.

2
mindestens 800 cm /g spezifischer Oberfläche, mit 100 Gew.-

Das modifizierte Polypropylen ist ein chemisch modifiziertes Polypropylen mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen oder ein Copolymeres von Propylen mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, wobei das modifizierte

Polypropylen 0,5 bis 8,0 Mol-% der organischen ungesättigten Carbonsäure als Carbonsäureeinheiten, vorzugsweise 1 bis Mol-% enthält. Die organische ungesättigte Carbonsäure zur Verwendung bei der Modifizierung umfaßt Maleinsäure, Acrylsäure , Methacrylsäure, Endobicyclo-/ 2.2.1_7-5-hepten-2,3-dicarbonsäure, Itaconsäure und dgl. und deren Anhydride, vorzugsweise Maleinsäureanhydrid.

Falls die Menge des modifizierten Polypropylens in dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial weniger als die im erfindungsgemäßen Bereich angegebene ist, werden die mechanischen Eigenschaften und die Verträglichkeit in dem Verbundmaterial verringert, und, falls die Menge mehr als die erfindungsgemäß angegebene ist, so besteht die Tendenz zur Verringerung der Wärmebeständigkeit des VerbundmaterLaIs.

Die Kohlenstoffasern zur Verwendung gemäß der Erfindung weisen einen Durchmesser von 5 bis 20 um (Mikrometer) und ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von nicht weniger als 10 auf, und die Menge beträgt 5 bis 65 Gew.-Teile, vorzugsweise 10 bis 40 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile Polypropylen.

Der elektroleitfähige Ruß zur Anwendung bei der Erfindung weist eine äußerst hohe Elektroleitfähigkeit im Vergleich mit üblichem Ruß für allgemeine Zwecke auf und ist gekennzeichnet durch eine spezifische Oberfläche von mindestens

2
800 m /g; Ketchenblack E.C. (Handelsbezeichnung für einen Ruß der Lion-Aczo Company) ist für die erfindungsgemäßen Zwecke beispielsweise verwendbar; die Menge beträgt im allgemeinen 5 bis 65 Gew.-Teile, vorzugsweise 10 bis 40 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile Polypropylen.

Die elektrischen Eigenschaften des Verbundmaterials, das erhalten wird durch Compoundieren bzw. Vermischen des modi-

fizierten Polypropylens, der Kohlenstoffasern und des elektroleitfähigen Rußes mit Polypropylen, sind fast die gleichen wie die des Verbundmaterials, erhalten durch Compoundieren bzw. Vermischen des Rußes mit dem Basismaterial, das Polypropylen und modifiziertes Polypropylen enthält, jedoch läßt sich keine Verringerung der mechanischen Festigkeit des erfindungsgemäßen Verbundmaterials feststellen, wie aus der Figur 2 ersichtlich.

Wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich, sind die elektrischen Eigenschaften (spezifischer Widerstand bzw. spezifischer Volumenwiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand) des Verbundmaterials aus der Compoundierung von sowohl der kurzen Kohlenstoffasern als auch des elektroleitfähigen Rußes mit dem Grundmaterial, da.s Polypropylen und modiziertes Polypropylen enthält, fast die gleichen wie die des Verbundmaterials, das man erhält durch Compoundieren des elektroleitfähigen Rußes mit dem Grundmaterial, das Polypropylen und modifiziertes Polypropylen enthält, und sie sind wesentlich verbessert im Vergleich mit denen, die man erhält, wenn man nur Kohlenstoffasern mit dem Grundmaterial compoundiert. Derartige verbesserte elektrische Eigenschaften wurden erstmalig erzielt durch Compoundieren des modifizierten Polypropylens, und ihr industrieller Wert ist von beträchtlichem Ausmaß.

Unter den vorstehend erwähnten Compoundierungsverhältnissen ist es besonders bevorzugt, wenn die Summe der Menge von Polypropylen und modifiziertem Polypropylen als Grundmaterial mindestens 60 Gew.-% des Verbundmaterials einnimmt.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial weist eine günstige Verarbeitbarkeit auf, und zur Formung des Materials kann beispielsweise ein üblicher Extruder bzw. eine übliche

Strangpreßvorrichtung vom Schneckentyp verwendet werden. In diesem Zusammenhang ergibt ein Verbundmaterial, das nur durch Compoundieren von elektroleitfähigem Ruß mit dem Grundmaterial, das Polypropylen und modifiziertes Polypropylen enthält, hergestellt wurde, ein Verstopfen üblicher Schneckenextruder, und es ist somit schwierig, kontinuierlich zu extrudieren.

Da, wie beschrieben, das erfindungsgemäße Verbundmaterial die gute mechanische Festigkeit beibehält und auch ausgezeichnete elektrische Eigenschaften zeigt, kann das erfindungsgemäße Verbundmaterial selbstverständlich zur Entfernung statischer Elektrizität verwendet werden und kann auch für allgemeine elektroleitfähige Zwecke, beispielsweise für das Elektroplattieren bzw. Galvanisieren, verwendet werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung, ohne sie zu beschränken:

Beispiel 1

In 100 Gew.-Teile Polypropylen mit einem Schmelzindex von 9,0 wurden 17 Gew.-Teile eines durch chemisches Modifizierendes Polypropylens mit 2 % Maleinsäure erhaltenen modifizierten Polypropylens vom Schmelzindex 20,0 und vom Schmelzpunkt (DSS-Methode) 158°C, 17 Gew.-Teile Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 15 um bzw. Mikrometer und einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 50 (Handelsprodukt der Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha, Sorte M 107)und 34 Gew.-Teile elektroleitfähiger Ruß (Handelsprodukt der Lion-Aczo Co., Ltd.mit der Handelsbezeichnung Ketchenblack E.C.) compoundiert zu einem Gemenge und das Gemenge wurde

in üblicher Weise spritz- bzw. spritzgußgeformt. Die elektrischen Eigenschaften und die mechanische Festigkeit von Proben des so hergestellten Verbundmaterials sind im folgenden aufgeführt:

2 spezifischer Widerstand: 1,Ox 10 Ohm.cm

spezifischer Oberflächenwiderstand: 2,5 Ohm und

2 Zugfestigkeit: 3,3 kg/mm

Beispiel 2

Unter Verwendung der gleichen Ausgangsmaterialien wie im Beispiel 1 wurde ein Gemisch mit einer Zusammensetzung von 100 Gew.-Teilen Polypropylen, 15 Gew.-Teilen modifiziertem Polypropylen, 15 Gew.-Teilen Kohlenstoffasern und 23 Gew,-Teilen elektroleitfähigem Ruß hergestellt und einer Spritzbzw. Spritzgußformung zu einem pelletisierten Verbundmaterial unterzogen. Die elektrischen Eigenschaften und die mechanische Festigkeit von Proben der Pellets sind im folgenden aufgeführt:

spezifischer Widerstand: 1,7 χ 10 0hm.cm

spezifischer Oberflächenwiderstand: 8,0 0hm und

Zugfestigkeit: 3,4 kg/mm

Beispiel 3

Unter Verwendung der gleichen Ausgangsmaterialien wie im Beispiel 1 wurde ein Gemisch hergestellt mit einer Zu-

sammenSetzung aus 100 Gew.-Teilen Polypropylen, 17 Gew.-Teilen modifizierten Polypropylen, 34 Gew.-Teilen Kohlenstoffasern und 17 Gew.-Teilen elektroleitfähigem Ruß, und es wurde einer Spritz- bzw. Spritzgußformung zur Herstellung eines pelletisieren Verbundmaterials unterzogen. Die elektrischen Eigenschaften und die mecahnische Festigkeit von Proben der Pellets sind im folgenden aufgeführt:

2 spezifischer Widerstand: 2,0 χ 10 Ohn.cm

spezifischer Oberflächenwiderstand: 1_r3 0hm und

2 Zugfestigkeit: 4,0 kg/mm .

Vergleichsversuche 1 bis 3

Unter Verwendung des gleichen Ausgangsmaterials wie im Beispiel 1 wurden drei Arten von Verbundmaterialien mit den folgenden Zusammensetzungen hergestellt durch Compoundieren und Spritz- bzw. Spritzgußformen; die Daten und Eigenschaften der jeweiligen Proben sind in der Tabelle I aufgeführt.

Tabelle I

Verbundmaterial

Zusammensetzung (Gew.-Teile)	loo	100	100
Polypropylen	17	17	0
modifiziertes Polypropylen	51	0	25
Kohlenstoffaser	O	51	25
Ruß (elektroleitfähig)	1,4 χ 1O⁷	1,O χ 1O²	1,7 χ 1O²
spezifische Leitfähigkeit (Ohm.cm)
spezifische Oberflächenleit	1,0 χ IO	1,5	1,6
fähigkeit (Ohm)	4,5	1,9	2,8
2 Zugfestigkeit (kg/mm )

Anmerkung :

(1) Da das Gemisch nicht durch Extrusion verarbeitet werden konnte, wurde es mit einer Presse geformt.

Aus den Ergebnissen der Beispiele 1 bis 3 der Tabelle I ist ersichtlich:

1. Das Verbundmaterial, das kein modifiziertes Polypropylen enthält (Verbundmaterial Nr. 3) zeigte eine geringere mechanische Festigkeit trotz seines hohen Gehalts an Kohlenstoffasern und elektroleitfahigem Ruß, als das erfindungsgemäße Material;

2. das Verbundmaterial, das eine größere Menge an elektroleitfahigem Ruß enthält, wies eine schlechtere Verarbeitbarkeit auf, konnte trotz seines Gehalts an modifiziertem

Polypropylen nicht extrudiert werden und zeigte eine schlechte mechanische Festigkeit, und

3. das Verbundmaterial ohne elektroleitfähigen Kohlenstoffruß (Verbundmaterial· Nr. 1) zeigte einen sehr hohen elektrischen Widerstand und war für die erfindungsgemäßen Zwecke nicht brauchbar.

-β-

Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE Dr. r«r. net. DIETER LOUIS Dlpl.-Phyi. CLAUS POHLAU Dlpl.-lng. FRANZ LOHRENTZ Dlpl.-Phyt.WOLFGANG SEGETH Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha kesslerplatz 1 9-11 Horidome-cho, 1-chome 8500 NÜRNBERG Nihonbashi-Chuo-ku Tokio/Japan 21 33° Elektroleitfähiges Harz-Verbundmaterial Patentansprüche

1. Harz-Verbundmaterial, enthaltend 10 bis 50 Gew.-Teile modifiziertes Polypropylen, 5 bis 65 Gew.-Teile Kohlenstoff aser und 5 bis 65 Gew.-Teile elektroleitfähigen Ruß und 100 Gew.-Teile Polypropylen.

2. Harz-Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem die Summe der Menge des Polypropylens und der Menge des modifizierten Polypropylens mehr als 60 Gew.-% der Gesamtmenge des Verbundmaterials beträgt.

3. Harz-Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem das modifizierte Polypropylen ein chemisch mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen modifiziertes Polypropylen oder ein Copolymeres von Propylen mit einer organischen ungesättigten Carbonsäure mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen ist, wobei das modifizierte Polypropylen 0,5 bis 8,0 Mol-% der organischen ungesättigten Carbonsäure als Carbonsäureeinheiten enthält.

4. Harz-Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem die Kohlenstoffaser einen Durchmesser von 5 bis 20 pm (Mikrometer) und ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von nicht
weniger als 10 aufweist.

5. Harz-Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem der elektro-

leitfähige Ruß eine spezifische Oberfläche von nicht we-

2
niger als 800 m /g aufweist.