Zur Erzeugung elektrischer Widerstandsschichten geeignete Widerstandspaste und aus ihr hergestellte Widerstandsschicht

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine zur Erzeugung elektrischer Widerstands­schichten geeignete Widerstandspaste aus härtbarem, polymerem Binde­mittel mit darin eindispergiertem, elektrisch leitendem Pigment und mit Lösungsmitteln. Die Erfindung betrifft weiterhin eine aus Wider­standspaste angefertigte Widerstandsschicht.

[0002] Eine gattungsgemäße Widerstandspaste ist aus der DE-OS 31 48 680 bekannt. Auch die US-PS 3 686 139 beschreibt in mehreren Beispielen solche Widerstandspasten und jeweils daraus zu erzeugende Wider­standsschichten. Um die Abriebbeständigkeit einer Widerstandsschicht hinsichtlich eines kontaktierenden Schleifkontaktes zu verbessern, werden für diese Widerstandspasten ausgewählte härtbare Polymere als Bindemittel vorgeschlagen.

[0003] Einen anderen Weg zur Erhöhung der Abriebbeständigkeit bei Widerstands­schichten weist die DE-OS 36 38 130. Sie verbessert die Reibeigen­schaften durch Beimengung zusätzlicher Mittel in die Widerstandspaste.

[0004] Um den Abrieb von Widerstandsschichten zu verringern ist weiterhin die Verwendung von Pyropolymeren als elektrisch leitendes, in das polymere Bindemittel der Widerstandspaste einzudispergierendes Pigment bekannt (EP-OS 0 112 975). Dabei handelt es sich um harte, feuerfeste Träger­partikel, z.B. aus Aluminiumoxyd, die aus der Gasphase pyrolytisch bekohlt sind. Bei solchen Widerstandsschichten erhöht sich nach Abrieb der Bekohlung durch den Schleifkontakt infolge der dielektrischen Trägerpartikel der Kontaktwiderstand. Widerstandsschichten mit, mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichteten Teilchen als Leitpigment sind auch aus der DE-AS 28 12 497 bekannt, wobei dem polymeren Binde­mittel bedarfsweise weitere Leitpigmente, wie z.B. Ruß, Graphit, Nickel usw., zusätzlich beizumengen sind.

[0005] Nach der DD-PS 213 782 sind die Eigenschaften polymerer Widerstands­schichten allgemein zu verbessern, wenn als Leitpigment anstelle der gemeinhin verwendeten Kohlenstoffe, wie z.B. Ruß oder Graphit, ein Sondergraphit benutzt wird. Der vorgeschlagene Sondergraphit wird durch Chlorierung von Carbiden bei höheren Temperaturen erzeugt.

[0006] Nach dem Verfahren der DE-OS 27 18 308 erhält man glasartigen Kohlen­stoff als Pulver mit Korngrößen unter 50µm. Der pulverförmige, glas­artige Kohlenstoff ist gemäß den Hinweisen als Schleifmittel, als Füllstoff zur Erhöhung der Rutschfestigkeit von Reifen, oder zur Herstellung von keramischen Formkörpern verwendbar.

[0007] Für die Lebensdauer einer Anordnung, bestehend aus einer Widerstands­schicht und einem mit der Widerstandsschicht zusammenwirkenden Schleifkontakt, ist die Abriebbeständigkeit der Widerstandsschicht ein wesentliches Merkmal. Nicht abriebbeständige Widerstandsschichten verlieren an Substanz und verändern dadurch ihren elektrischen Wert. Abgeriebene Schicht beeinflußt die Kontaktfähigkeit des Schleifkon­taktes. Für einige Anwendungen, vor allem auf dem Gebiet der Sensorik, ist die im Stand der Technik erzielbare Abriebbeständigkeit von Wider­standsschichten noch nicht ausreichend.

[0008] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Widerstandspaste der eingangs be­schriebenen Art vorzuschlagen, mit der eine elektrische Widerstands­schicht mit verbesserter Abriebbeständigkeit und mit verbesserter Stabilität gegenüber Umgebungseinflüssen herstellbar ist. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als elektrisch leitendes Pigment ein glasartiger Kohlenstoff verwendet ist.

[0009] Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, eine Widerstandsschicht mit den genannten, verbesserten Eigenschaften vorzuschlagen. Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Widerstandsschicht aus einer der vorge­schlagenen Widerstandspasten erstellt ist.

[0010] Der erfindungsgemäß als elektrisch leitendes Pigment benutzte glas­artige Kohlenstoff ist seit langem bekannt (siehe "Zeitschrift für Werkstofftechnik", Jahrgang 15, S. 331-338). Glasartiger Kohlenstoff ist ein sehr spezieller Kohlenstoff mit einer stark unorientierten, einer polymeren Vernetzung ähnlichen Knäuelstruktur und mit den mechanischen Eigenschaften von Glas. Seine enorme, mit Diamant ver­gleichbare Härte, seine glatte und quasi porenfreie Oberfläche und seine Isotropie sind herausragende Eigenschaften, die den glasartigen Kohlenstoff beispielsweise von sonstigen amorphen oder kristallin strukturierten Kohlenstoffen unterscheiden. Aus glasartigem Kohlenstoff werden beispielsweise Laborgeräte, Rotoren für Turbolader in der Kraft­fahrzeugtechnik oder auch Werkzeuge zur Bearbeitung von Glas erzeugt.

[0011] Die Verwendung von glasartigem Kohlenstoff als elektrisch leitendes Pigment einer Widerstandspaste erscheint zunächst wegen der großen Härte, der Korngröße und wegen der sich im Versuch zeigenden mangel­haften Benetzbarkeit bzw. Dispergierfähigkeit wenig nützlich. Über­windet man diese Bedenken sowie die Widrigkeiten in der Aufbereitung und Verarbeitung, z.B. durch eine erhebliche Steigerung des herkömm­lichen Aufwandes, so erhält man aus einer solchermaßen pigmentierten Widerstandspaste eine abriebbeständige Widerstandsschicht. Nach einer 250 Stunden andauernden Beanspruchung der Widerstandsschicht durch einen mit 40 HZ frequentierenden Schleifkontakt war kein nachteiliger Abrieb zu erkennen. Das entspricht einer Verbesserung etwa um den Faktor 100. Es zeigte sich, daß übliche Bindemittel geeignet sind.

[0012] Gegenüber dem amorphen Kohlenstoff als übliches Leitpigment besitzt der glasartige Kohlenstoff eine glatte, porenfreie Oberfläche. Daraus mag sich die geringere Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Wider­standsschicht gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Feuchtigkeit, ab­leiten. Die Stabilität der elektrischen Werte der Widerstandsschicht unter dem Einfluß von Feuchtigkeit ist verbessert.

[0013] Um Widerstandsschichten mit unterschiedlichem Flächenwiderstand zu er­halten, verändert man den Kohlenstoffanteil der Widerstandspaste. Üb­licherweise variiert der Anteil an glasartigem Kohlenstoff zwischen 5 und 80 Gewichtsprozent, bezogen auf den Feststoffanteil des Bindemittels.

[0014] Zur Anhebung der Mikrolinearität der mit der Paste zu erzeugenden Widerstandsschicht sind diverse Möglichkeiten einzeln oder kombiniert nutzbar. So ist es beispielsweise von Vorteil, die Korngröße des glas­artigen Kohlenstoffes unter 50µm zu wählen. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung von gerundetem oder kugelförmigem glasartigem Kohlenstoff mit gemischter Korngröße, deren Durchschnittswert jedoch unter 30µm liegen sollte. Für Widerstandsflächen mit geringerer, spezifischer Leitfähigkeit bietet sich infolge der Pigmentverdünnung eine zusätzliche Pigmentierung der Widerstandspaste mit relativ hoch­ohmigen Leitpigmenten an.

[0015] Bei geringer spezifischer Leitfähigkeit der mit der Paste zu erzeugen­den Widerstandsschicht kann sich eine Füllpigmentierung mit abrieb­festem, isolierendem Material empfehlen. Dies insbesondere dann, wenn der Anteil des polymeren Bindemittels an der Oberfläche der erzeugten Widerstandsschicht gering sein soll. Als Füllpigment eignen sich Titandioxyd, Eisenoxyd, Aluminiumoxyd, Siliziumoxyd, Talkum, Kaolin, Bariumsulfat, Zinksulfid und weitere.

[0016] Wird der glasartige Kohlenstoff vor seiner Einarbeitung in das Binde­mittel pyrolytisch bekohlt, d.h. mit aus der Gasphase pyrolytisch ge­wonnenem Kohlenstoff beschichtet, verliert er seine abstoßende Eigen­schaft und läßt sich problemfrei benetzen und eindispergieren.

[0017] Die aus der Widerstandspaste erzeugte elektrische Widerstandsschicht ist abriebfest und erhöht resistent gegen Umgebungseinflüsse.

[0018] Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In diesem Beispiel setzt sich die fertige Widerstandspaste aus folgenden Stoffen zusammen:
20 Gewichtsanteile gelöstes, vollverethertes Melaminharz
9 Gewichtsanteile gelöstes, gesättigtes Polyesterharz
10 Gewichtsanteile gelöstes, modifiziertes Esterimidharz
61 Gewichtsanteile glasartiger Kohlenstoff
3 Gewichtsanteile eines saueren Katalysators.

[0019] Die grob vermischten Bestandteile der Rezeptur werden in einem Dreiwalzen-Walzenstuhl in drei Durchgängen dispergiert. Die Disper­sion wird nachfolgend auf Verarbeitungsviskosität eingestellt. Dies ist beispielsweise für die Siebdruckverarbeitung anhand von Butyl­carbitolacetat zu erreichen. Die fertige und für die Verarbeitung eingestellte Paste wird mittels einer Siebdruckeinrichtung auf ein elektrisch isolierendes und temperaturverträgliches Substrat als Film aufgebracht. Es erfolgt eine Aushärtung des Filmes über 1 Stunde bei 230°C. Danach ist die erfindungsgemäße Widerstandsschicht fertigge­stellt. Kommt eine andere Verarbeitungsweise der Widerstandspaste in Betracht, z.B. Gießen, Ziehen, Sprühen usw., dann ist die Verarbei­tungsviskosität der gewählten Verarbeitung anzugleichen.

[0020] Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt im Endergebnis Widerstandsschichten, die sich insbesondere eignen als langlebiger, potentiometrischer Sensor in der Kraftstoffzufuhr von dieselbetrie­benen Verbrennungsmotoren.
40 Gewichtsteile vollverethertes Melaminharz, 98%-ig
20 Gewichtsteile Polyesterharz, 50%-ig
20 Gewichtsteile gelöstes Polyamidimidharz, 44%-ig
20 Gewichtsteile Epoxyharz, 50%-ig
160 Gewichtsteile glasartiger Kohlenstoff
15 Gewichtsteile saurer Katalysator

[0021] Ein anderes Ausführungsbeispiel führt zu Widerstandsschichten, z.B. für elastische Substrate mit verbesserter elektrischer Homogenität.
8 Gewichtsteile Phenolharz
5 Gewichtsteile epoxymodifiziertes Phenolharz
5 Gewichtsteile Epoxyharz
8,5 Gewichtsteile Isophorone
34,5 Gewichtsteile glasartiger Kohlenstoff, splitterförmig, Korngröße < 30µm
34,5 Gewichtsteile glasartiger Kohlenstoff, kugelförmig, Korngröße < 20µm
2 Gewichtsteile Flamm-Ruß
10 Gewichtsteile Methyl-Aethyl-Keton

[0022] Es ist anzumerken, daß grundsätzlich alle Mitglieder aus der Familie der härtbaren Harze als Bindemittel für die erfindungsgemäße Wider­standspaste bzw. -schicht auch modifiziert bzw. kombiniert geeignet sind. Typische Harze aus dieser Familie sind beispielsweise Alkyde, Epoxyde, Melamine, Polyacrylate, Polyester, Polyimide, Polyphenole, Polyurethane und weitere.

Ansprüche

1. Zur Erzeugung elektrischer Widerstandsschichten geeignete Wider­standspaste aus härtbarem, polymerem Bindemittel mit darin ein­dispergiertem, elektrisch leitendem Pigment und mit Lösungsmitteln,
dadurch gekennzeichnet,
daß als elektrisch leitendes Pigment ein glasartiger Kohlenstoff verwendet ist.

2. Widerstandspaste nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anteil an glasartigem Kohlenstoff 5 bis 80 Prozent des Gewichtes des Feststoffanteiles des Bindemittels beträgt.

3. Widerstandspaste nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Korngröße des glasartigen Kohlenstoffes kleiner 50µm ist.

4. Widerstandspaste nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der glasartige Kohlenstoff rundförmig, z.B. kugelförmig ist.

5. Widerstandspaste nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß weitere elektrisch leitende Pigmente, insbesondere Ruß, Graphit, Silber, Nickel, einzeln oder kombiniert eindispergiert sind.

6. Widerstandspaste nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß abriebfeste, isolierende Füllpigmente eindispergiert sind.

7. Widerstandpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der glasartige Kohlenstoff mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet ist.

8. Widerstandsschicht, angefertigt aus einer Widerstandspaste gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7.