DE2543455B2

DE2543455B2 - Verfahren zum Herstellen eines elastisch verformbaren Materials mit druckabhangigem elektrischen Widerstand

Info

Publication number: DE2543455B2
Application number: DE2543455A
Authority: DE
Inventors: Manford Leslie Paris Eaton
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1975-09-29
Publication date: 1978-09-07
Also published as: DE2543455A1; FR2286160B1; GB1529953A; DE2559958B1; FR2286160A1; DE2559958C2; US4093563A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines elastisch verformbaren Materials mit druckabhängigem elektrischen Widerstand, bei dem Metallteilchen von einer Korngröße von 5 bis 700 μπι und einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 850 cm²/g mit einem Silikon-Kautschuk vermischt werden und die 30 bis 80 Vol% Metallteilchen enthaltende Mischung anschließend vulkanisiert wird.

Bei einem bekannten gattungsgemäßen Verfahren (DE-OS 21 16 935) werden beispielsweise ein Silikon-Kautschuk, ein Vulkanisator bzw. Katalysator und Metallteilchen, beispielsweise Kupfer, Eisen oder ähnliche Teilchen, ggf. mit Silber beschichtet, vermischt und die dreikomponentige, relativ dünnflüssige Mischung wird in eine Preßform gegossen und dort in der für den jeweiligen Kautschuk vorgeschriebenen Weise behandelt. Die Zusammensetzung der Mischung und die Größe der Metallteilchen können je nach Dicke des herzustellenden Materials, der Größe der Kraft, die für eine Widerstandsänderung des Materials, das in einer Stromsteuereinrichtung verwendet wird, ausgeübt werden soll und der vom Material aufzunehmenden Stromstärke verändert werden. Insbesondere bei Verwendung von nicht aus Edelmetall bestehenden Metallteilchen kann das hergestellte Material im drucklosen Zustand nicht leitend sein wegen der stark korrosiven Wirkung des Vulkanisators bzw. Katalysators, die auf den Metallteilchen Oxidschichten bilden, die eine elektrisch leitende Berührung zwischen den Metallteilchen im drucklosen Zustand verhindern. Wegen dieser Oxidschichten ist die Druckabhängigkeit des Widerstandes des Materials nicht völlig reversibel und entsprechend nicht genau vorhersehbar.

In der US-PS 36 29 774 ist ein zusammendrückbares Bauteil mit druckabhängigem Widerstand beschrieben, welches einen elastomeren Schaumkörper aufweist, der mit leitfähigem Material beschichtet ist. Bei der Herstellung des leitfähigen Materials wird auch dort von einem dünnflüssigen elastomeren Material, beispielsweise RTV-Silikon-Kautschuk, einem Katalysator und Metallteilchen ausgegangen.

Aus dem DE-GM 19 22 092 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Materials mit druckalbhängigem elektrischem Widerstand bekannt, bei dem von einem dünnflüssigen Elastomer, einem Katalysator zur Vernetzung des Elastomers und Metallteilchen ausgegangen wird.

Allen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß &ie von einer dünnflüssigen Mischung aus Elastomer, Katalysator bzw. Vulkanisator und Metallteilchen ausgehen. Die elektrischen Eigenschaften, die das Material nach dem Vulkanisieren hat, sind nur relativ wenig genau vorhersehbar und ändern sich, insbesondere bei Verwendung von nicht edlen Metallen als Metallteilchen, im Laufe der Zeit, was wohl auf das Freiwerden von Salpetersäure während des Vernetzens und die korrodierenden Eigenschaften der Salpetersäure auf die Metallteilchen zurückzuführen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein apparativ besonders einfach durchführbares Verfahren der eingangs genannten Gattung zum Herstellen elastisch verformbarer Materialien mit druckabhängigem elektrischen Widerstand anzugeben, nach dem sich Materialien mit genau vorherbestimmbarem und in ω weiten Grenzen veränderbarem dmckabhängigen Widerstandsverhalten herstellen lassen, ohne daß Edelmetalle verwendet werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Metallteilchen mit einem nicht ätzenden, ■is thixotropen Silikon-Kautschuk vermischt werden.

Die Verwendung eines thixotropen Silikon-Kautschuks führt zunächst dazu, daß die Metallteilchen bei ihrem Vermischen mit dem Polymer homogen dispergiert werden und sich nicht absetzen. Entsprechend sind ■><> die Metallteilchen auch nach dem Vulkanisieren im fertigen Material homogen verteilt, so daß alle Teilbereiche des Materials weitgehend gleiches druckabhängiges Widerstandsverhalten zeigen. Die Zubereitung des Materials in Formen, die dem späteren Verwendungszweck entsprechend gewählt sind, ist somit nicht erforderlich. Die Mischung kann bereits vor dem Vulkanisieren so zähflüssig sein, daß sie sich walzen oder sonstwie bearbeiten läßt. Nach dem Vulkanisieren kann das Material entsprechend der später gewünsch- »en Form zerschnitten werden.

Wegen der nicht ätzenden bzw. korrodierenden Eigenschaften des Silikon-Kautschuks wird die Oberfläche der Metallteilchen nicht oxidiert, wodurch sofort bei einer gegenseitigen Berührung der Metallteilchen eine starke Erniedrigung des elektrischen Widerstandes des Materials herbeigeführt wird. Je nach der Menge der dem Silikon-Kautschuk zugemischten Metallteilchen, deren Form, den mechanischen Eigenschaften des vulkanisierten Polymers usw. läßt sich ein elastisch w» verformbares Material herstellen, dessen elektrischer Widerstand in reversibler und definierter Weise vom Druck abhängt. Nicht ätzende Silikon-Kautschuke sind insbesondere solche Polymere, denen beim 2'.ubereiten der Mischung nicht ein zusätzlicher Katalysator ·>> beigemischt wird. Mit solchen Polymeren bildet die Mischung, die beim Herstellen des Materials zunächst angesetzt wird, somit ein Zwei-Phasen- bzw. Zwei-Komponentensystem, das nur den Silikon-Kautschuk

und die Metallteilchen enthält.

Die Merkmale des Anspruchs 2 kennzeichnen einen Viskositätsbereich, den der Silikon-Kautschuk vorteilhafterweise hat.

Bei einer Verwendung von Metallteilchen gemäß dem ■; Anspruch 3 hat das hergestellte Material bereits bei geringeren Teilchenkonzentrationen im drucklosen Zustand eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit, verglichen mit der Verwendung von kugelförmigen Teilchen. ι ο

Der Anspruch 4 kennzeichnet ein Verfahren, welches druckabhängiges Material ergibt, das unmittelbar nach dem Vulkanisieren auch bei Fehlen eines auf seiner Oberfläche ausgeübten Druckes gut elektrisch leitend

ist. Ii

Zusammengefaßt ermöglicht die Erfindung die besonders wirtschaftliche Herstellung von Materialien mit druckabhängigem elektrischen Widerstand, wobei die Druckabhängigkeit des Widerstandes wohl definiert und über lange Betriebsdauer konstant ist.

Die erhaltenen Materialien können im allgemeinen in ihrem isolierenden Zustand hohe Spannungen und in ihrem leitenden Zustand hohe Stromstärken aushalten. Bei allen Materialien, welche bei Fehlen eines auf ihre Oberfläche ausgeübten Druckes isolierend sind, ist der :>■; elektrische Widerstand sehr hoch und fällt unter Druck auf einen kleinen Wert ab (beispielsweise mehrere zehn Megohm im isolierenden Zustand und einige Zehntel Ohm im leitenden Zustand). Der Druckbereich, innerhalb dessen das Material vom isolierenden in den m leitenden Zustand übergeht, kann je nach Zusammensetzung des Materials und seiner Vorbehandlung breit oder schmal sein.

Wegen der thixotropen Konsistenz des Silikon-Kautschuks kann sehr langsam polymerisierendes Material i^r> verwendet werden, so daß die Mischung vor der Polymerisation beispielsweise als Paste stranggepreßt werden kann.

Bezüglich der für die Metallteilchen verwendbaren Metalle besteht weitgehende Freiheit. w

Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben:

Beispiel 1

Es werden etwa 30 Volumenprozente sehr reinen 4^Γ> Aluminiumpulvers mit 70 Volumenprozenten einer Silikon-Kautschuk-Zubereitung in Form eines nicht ätzenden, thixotropen Polymers RTV gemischt. Das Polymer hat eine Dichte von etwa 1,12 g/cm³, eine Shore-Härte A von 33 und einen Schwundfaktor von etwa 0,2%. Das Metallpulver hat eine Schüttdichte von 1,2 g/cm³. Der mittlere Durchmesser der Teilchen beträgt 500 μιτι, und die Korngrößenverteilung reicht von 45 bis 700 μιτι, wobei etwa 30% der Teilchen zwischen 120 und 200 μιη liegen. Die Teilchen sind Bruchstücke unregelmäßiger Form. Durch Walzen stellt man Tafeln mit einer Dicke von 1,2 mm her. Diese Tafel wird ohne Zusammendrückung während 48 Stunden bei Raumtemperatur vulkanisiert.

Die Tafel wird auf eine starre Kupferunterlage aufgelegt. An der Unterlage wird eine Elektrode eines Widerstandsmeßgerätes befestigt, dessen andere Elektrode mit einem Durchmesser von 1 mm und einem abgerundeten Ende auf die Tafel gedruckt wird. Man stellt fest, daß das Material bei leichten Drücken isolierend ist. Nach Maßgabe der Zunahme des Drucks geht der Widerstand von einem sehr hohen Wert von einigen zehn Megohm unter Durchgang durch eine labile Zone auf einen Zustand niedrigen Widerstands von einigen Zehntel Ohm über.

Beispiel 2

Man stellt eine Tafel wie bei dem ersten Beispiel her. Nach Vulkanisieren wird die Tafel in einer Presse mehrere Male stark zusammengedrückt, worauf die beiden Oberflächen geglättet und mit einer Lösung von 4 Gewichtsprozenten Phosphorsäure gesäubert werden. Bei Wiederholung des Versuchs des ersten Beispiels stellt man fest, daß der Druck zur Überführung des Materials in seinen Zustand niedrigen Widerstands kleiner als bei dem ersten Beispiel ist und daß das Material erheblich biegsamer und elastischer ist.

Man schneidet aus der Tafel ein Stück aus und legt es auf eine gedruckte Schaltung mit 20 parallelen Bahnen je Zentimeter. Die Breiten der Bahnen und die Zwischenräume zwischen ihnen sind einander gleich. Die geradzahligen Bahnen sind an einem Ende miteinander und die ungeradzahligen Bahnen am anderen Ende miteinander verbunden. Die geradzahligen Bahnen sind elektrisch von den ungeradzahligen Bahnen isoliert. Die Tafel wird auf die gedruckte Schaltung aufgelegt. Man stellt fest, daß ohne Ausüben von Druck auf die Tafel die geradzahligen Bahnen von den ungeradzahligen Bahnen isoliert sind. Bei Ausübung einer geringen Kraft von einigen hundert mN mii dem Finger geht das Material plötzlich von einem hohen Widerstand unter Durchgang durch eine labile Zone, welche erheblich schmäler als bei dem ersten Beispiel ist, in einen Zustand sehr niedrigen Widerstands über, so daß die geradzahligen und die ungeradzahligen Bahnen elektrisch überbrückt sind.

Man schneidet ein Stück aus der Tafel aus und legt es auf eine gedruckte Schaltung mit parallelen Bahnen mit einer Breite von 1 mm und einem gegenseitigen Abstand von 1,7 mm. Die Bahnen sind voneinander isoliert. Auf zwei benachbarte Bahnen werden die beiden abgerundeten Elektroden eines Widerstandsmessers mit einem Durchmesser von 1 mm gedrückt. Man stellt fest, daß die beiden Bahnen bei einem beliebigen Druck nicht elektrisch miteinander verbunden werden.

Beispiel 3

20 Volumenprozente eines thixotropen Polymers wie in Beispiel 1 werden mit 80 Volumenprozenten eines Pulvers aus reinem Silber mit einer mittleren Korngröße von etwa 5 μηι und körniger Form gemischt. Durch Walzen wird ein Blatt mit einer Dicke von 1,2 mm hergestellt. Das Material wird ohne Zusammendrükkung vulkanisiert.

Man legt die Tafel auf eine Kupferunterlage. Die Elektrode eines Widerstandsmeßgerätes wird mit der Unterlage verbunden, während die andere Elektrode auf das Material gedruckt wird. Man stellt fest, daß die Ergebnisse die gleichen wie die mit dem Material des Beispiels 1 erhaltenen sind.

Man legt die Tafel auf eine gedruckte Schaltung mit Bahnen mit einer Breite von 1 mm und einem gegenseitigen Abstand von 1,7 mm, wie bei Beispiel 2. Man verbindet eine Elektrode eines Widerstandsmeßgerätes mit einer beliebigen Bahn und drückt mit der anderen Elektrode, welche einen Durchmesser von 1 mm und ein abgerundetes Ende hat, auf die Tafel unmittelbar über dieser Bahn. Man stellt fest, daß das Ergebnis das gleiche wie das mit dem Material des Beispiels 2 erhaltene ist.

Beispiel 4

Das thixotope Polymer des Beispiels 1 wird mit einem flächenhaften Pulver der Zusammensetzung Cu/Ag mit 10% Silber beladen. Die Korngröße des Pulvers beträgt im Mittel 71 und höchstens 180 μίτι, und seine scheinbare Dichte ist 0,9 g/cm³. Man mißt den Widerstand dieses Pulvers in freier Form. Er ist sehr hoch. Man vermischt das thixotrope Polymer mit 80 Volumprozenten des Pulvers. Nach Mischung der beiden Bestandteile ist die entstehende Paste salbenförmig und gut elektrisch leitend. Diese Paste wird in einer Dicke von etwa 1,0 mm auf eine starre isolierende Unterlage aufgebracht. Nach Vulkanisieren ist das Material gut elektrisch leitend, selbst bei Fehlen eines auf seine Oberfläche ausgeübten Drucks. Gleiche Ergebnisse können mit Cu/Sn erhalten werden. Wie man sieht, läßt der Widerstand eines Pulvers in freier Form keine endgültige Angabe über sein Verhalten in einem thixotropen Polymer zu.

Diese Paste wird benutzt, um sie mittels eines Spachtels in die metallisierten Löcher einer gedruckten Schaltung zu streichen. Hierauf werden die Oberflächen der gedruckten Schaltung mit einem Tuch abgerieben, damit keine Paste auf den Oberflächen der gedruckten Schaltung bleibt. Nach Vulkanisieren durchbohrt man die Materialscheiben in den Löchern mit den Steckern der elektronischen Bauteile. Man stellt fest, daß die Bauteile durch das Material in ihrer Lage gehalten werden, und daß der elektrische Widerstand zwischen jedem Stecker der Bauteile und dem jedes metallisierte Loch umgebenden Metall sehr niedrig ist, wobei die elektrische Verbindung durch das zusammengesetzte Material hergestellt wird.

Beispiel 5

Unter Benutzung des Pulvers des Beispiels 1 mißt man seinen elektrischen Widerstand in freiem, d. h. unvermischtem Zustand. Dieser Widerstand ist sehr hoch und beträgt mehrere Megohm je Zentimeter. Man reinigt das Pulver unter Benutzung einer Lösung mit 6 Gewichtsprozenten Phosphorsäure. Man bereitet einen Brei aus dem Pulver und der lxjsung. Die chemische Reaktion entwickelt Wasserstoffdämpfe. Man trocknet das Pulver mit Hilfe von Azeton. Man mißt wieder seinen elektrischen Widerstand in freier Form. Der Widerstand ist auf einen verhältnimäßig niedrigen Wert

ίο gefallen. Man wiederholt die Versuche der Beispiele 1 und 2 und stellt fest, daß das elektrische Verhalten des Materials unter Druck das gleiche ist. Dies zeigt, daß der elektrische Widerstand eines Pulvers in seinem freien unvermischten Zustand keine definitive Angabe seines elektrischen Verhaltens in einem thixotropen Polymer liefert. Man stellt ferner fest, daß dünne Oxidschichten, welche sich gegebenenfalls auf den Metallteilchen befinden, keine wesentliche Rolle bei dem Verhalten des zusammengesetzten Materials spielen.

Beispiel 6

Man mischt das Metallpulver des Beispiels 1 mit einem thixotropen Polymer mit einer Dichte von 1,05 g/cm³, einer Shore-Härte A von 25 und einem Schwundfaktor von etwa 0,3%. Man belädt das thixotrope Polymer mit etwa 70 Volumprozenten Pulver. Man wiederholt die Versuche der Beispiele 1 und 2. Man stellt fest, daß das erhaltene Material elastischer und nachgiebiger ist und daß es unter

3t) kleineren Drücken als das Material des Beispiels 1 leitend ist.

Beispiel 7

Unter Benutzung des Metallpulvers des Beipiels 3

J5 belädt man das Polymer des Beipiels 6 mit etwa 75 Volumprozenten Pulver. Man stellt fest, daß das Material stark elektrisch leitet, selbst bei geringen, auf seine Oberfläche ausgeübten Drücken.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines elastisch verformbaren Materials mit druckabhängigem elektrischen Widerstand, bei dem Metallteilchen von einer Korngröße von 5 bis 700 μπι und einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 850 cm²/g mit einem Silikon-Kautschuk vermischt werden und die 30 bis 80 Vol% Metallteilchen enthaltende Mischung anschließend vulkanisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen mit einem nicht ätzenden, thixotropen Silikon-Kautschuk vermischt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität des Silikon-Kautschuks etwa 2 χ 10³Pa S beträgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Metallteilchen plättchenförmiger Form eingemischt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Silikon-Kautschuk mit einer Dichte von etwa 1,12 g/cm³, einem Schwundfaktor von etwa 0,2% und einer Shore-A-Härte nach dem Vulkanisieren von etwa 33 mit 80 Vol% eines Pulvers der Zusammensetzung Cu/Ag mit 10% Silber vermischt wird, dessen mittlere Korngröße 71 μπι bei einer Schüttdichte von 0,9 g/cm³ beträgt und dessen Korngröße kleiner als 180 μπι ist.