DE3323582A1 - Druckempfindlicher und leitfaehiger kautschuk - Google Patents

Druckempfindlicher und leitfaehiger kautschuk

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DE3323582A1 DE19833323582 DE3323582A DE3323582A1 DE 3323582 A1 DE3323582 A1 DE 3323582A1 DE 19833323582 DE19833323582 DE 19833323582 DE 3323582 A DE3323582 A DE 3323582A DE 3323582 A1 DE3323582 A1 DE 3323582A1
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Description

-4- M/NIW-19-DE
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuk, in dem eine verträgliche flüssige organische Substanz mit einem elektrisch leitfähigen Kautschuk imprägniert ist.
Gegenwärtig werden verschiedene Arten von druckempfindlichen und leitfähigen Materialien, durch Vermischen eines hochmolekularen elastischen Materials, wie Kautschuk, Kunststoff u.s.w. oder eines thermoplastischen synthetischen Harzes mit einem leitfähigen Füllstoff, wie Ruß, einem leitfähigen Metall oder dergleichen, gebildet.
Ein druckempfindliches Material ist auch als anisotroper Leiter bekannt. Es wird hergestellt durch Dispergieren von Teilchen oder Pulvern eines leitfähigen
ferromagnetischen Materials in und vermischen mit derartigem hochmolekularem elastischem Material oder thermoplastischem synthetischem Harz, worauf ein solches Gemisch in fließendem Zustand magnetisiert wird und die metallischen Teilchen längs einem Magnetfeld angeordnet werden. Auf diese Weise wird ein druckempfindliches und leitfähiges Material, ein sogenannter anisotroper Leiter, gebildet, in dem die elektrische Leitfähigkeit in einer bestimmten Richtung gegeben ist.
Werden jedoch die druck-elektrischen Widerstandseigenschaften des druckempfindlichen und leitfähigen Materials dieser Art auf einen bestimmten Bereich eingestellt, so ergibt sich der Nachteil, daß das Mischungsverhältnis der Metallteilchen oder Kohlenstoffteilchen, ihre Teilchengröße oder Anordnung geändert werden müssen. Darüber hinaus wird normalerweise ein flüs-
siger Silikon-Kautschuk verwendet, um gewünschte Eigenschaften und Qualitäten zu ergeben; da sich sein spezifisches Gewicht jedoch von dem der leitfähigen Mctallc teilchen oder Kohlenstoffteilchen, die mit dem vorstehenden flüssigen Silikon-Kautschuk vermischt werden sollen, unterscheidet, tritt ein Sedimentations-Phänomen der Teilchen beim Vernetzen des Kautschuks aufgrund eines Unterschieds des spezifischen Gewichts auf, wodurch .Q keine gleichmäßige Dispergierung der Teilchen erzielt wird.
Durch die Erfindung wird ein druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk bereitgestellt, dessen druck- _ elektrische Widerstandseigenschaften auf einen gewünschten Bereich eingestellt werden können und der gleichmäßige Eigenschaften aufweist.
Darüber hinaus wird durch die Erfindung ein druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk bereitgestellt, der einfach und mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann und für die Massenproduktion geeignet ist.
Spezieller wird der erfindungsgemäße leitfähige Kau- _ tschuk, der erhalten wird durch gleichmäßiges Disper-
gieren der leitfähigen feinen Teilchen von Ruß, Metall oder dergleichen, in eine verträgliche flüssige organische Substanz eingetaucht und darin gequollen, wodurch die flüssige organische Substanz in dem leitfähigen Kautschuk zwischen die Ruß- oder Metallteilchen eindringt und die jeweiligen Abstände zwischen benachbarten Teilchen aufgeweitet werden. Auf diese Weise werden Energiewege bzw. Stromwege in dem leitfähigen Kautschuk unterbrochen, wodurch der Leitfähigkeitswiderstand verstärkt wird.
Wird eine bestimmte äußere Belastung auf ein derartiges Kautschuk-Material ausgeübt, werden die jeweiligen Ab-
stände zwischen benachbarten Teilchen proportional zu
dem Belastungsgrad, nämlich aufgrund der Druckdeformation, verkürzt, wodurch die elektrische Leitfähigkeit c kontinuierlich wiedergewonnen werden kann.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es möglich das leitfähige Kautschuk-Material, das mit einer nicht-flüchtigen flüssigen organischen Substanz imprägniert ist, zu verwenden. Wird jedoch eine flüchtige flüssige organische Substanz in das leitfähige Kautschuk-Material imprägniert, so wird eine dünne Membran, die ein flexibles luftdichtes synthetisches Harz enthält, das mit der imprägnierten flüssigen orga-
._ nischen Substanz unverträglich ist, gebildet, um zu b
verhindern, daß die Druckempfindlichkeitseigenschaften und Leitfähigkeitseigenschaften des Kautschuks durch Verdampfen der imprägnierten flüssigen organischen Substanz verändert werden, wodurch ein druckempfindlicher
leitfähiger Kautschuk mit konstant stabilisierten 20
Eigenschaften erzielt wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird unter Ausnutzung des speziellen Charakteristikums, daß die jeweiligen Abstände zwischen den benachbarten leitfähigen 25
Teilchen des vorstehenden Kautschuk-Materials durch die verträgliche flüssige organische Substanz vergrößert werden, darauf abgezielt, die Druckempfindlichkeitsund Leitfähigkeitseigenschaften wahlfrei einzustellen, durch Steuerung des Imprägniergrads, basierend auf der Eintauchzeit unter Auswahl einer speziellen Art von flüssiger organischer Substanz.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen er-•35
läutert:
Figur 1 zeigt eine Belastungs-, Ausgangs- bzw. End-
spannungs-Kurve, bezogen auf einen Quellungsgrad im Beispiel 1 eines erfindungsgemäßen druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuks;
Figur 2 zeigt Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspannungs-Kurven, bezogen auf die Folien- bzw. Plattendicke des im Beispiel 1 erhaltenen druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuks;
Figur 3 zeigt Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspannungs-Kurven, basierend auf verschiedenen endgültigen Oberflächenprofilen einer Druckelektrode unter Anwendung der vorliegenden Erfindung;
■ * bzw. Anschluß-Oberflächenprofilen
Figur 4 zeigt Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspannungs-Kurven der erfindungsgemäßen Beispiele 1, 2, 3, 4 bzw. 5;
OA Figur 5 zeigt eine Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspannungs-Kurve einer dünnen metallischen Membran, die auf einer Oberfläche des erfindungsgemäßen druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuks abgelagert ist;
„_ Figur 6 zeigt eine Meßschaltung zur Messung der Be-Ziehung zwischen der Belastung und der Ausgangs- bzw. Endspannung des erfindungsgemäßen druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuks.
Im Folgenden werden bevorzugte Beispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
BEISPIEL 1
0,5 Gewichtsteile Stearinsäure, 7 Gewichtsteile Dicumyl peroxid (DCP - 40), 30 Gewichtsteile Acetylenruß und 15 Gewichtsteile Ketjenruß (Ketjen black) werden zu 100 Gewichtsteilen Butadien-Kautschuk gefügt und damit
-δι
vermischt. Das so gebildete Kautschuk-Material wurde 15 Minuten bei einer Temperatur von 1700C erwärmt und vernetzt, wodurch man eine leitfähige Kautschuk-Folie κ bzw. eine leitfähige Kautschuk-Platte von 0,65 mm,
0,95 mm, 1,45 mm bzw. 3 mm Dicke erhielt. Um die Änderung des Widerstandswerts der Kautschuk-Platte mit einer Dicke von 0,95 mm durch den Unterschied des Quellungsgrads zu messen, wurde ein Butadien-Kautschuk in 1n ein nicht-flüchtiges verträgliches Naphthenöl während 0 bis 48 Stunden bei Raumtemperatur in einen Butadien-Kautschuk getaucht, wodurch 5 Arten der druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuk-Platte mit einem Volumenänderungsverhältnis AV von 0%, 12%, 33%, 46%
, _. bzw. 68% erhalten wurden. Jede dieser Kautschuk-ο
Platten wurde auf eine Elektrode aufgesetzt und es wurde eine Spannung von 10 V durch Kontakt einer glatten Preßelektrode von 0,5 mm Durchmesser angelegt. Die Änderung der Ausgangs- bzw. Endspannung, bezogen auf die Belastung, ist in der Figur 1 dargestellt. War so das Volumenänderungsverhältnis der Kautschuk-Platte mehr als 33%, so wurde kein Strom durch Kontakt der Druckelektrode einfach an einer Oberfläche der Kautschuk-Platte geliefert und die Isolation blieb aufrecht erhalten.
2b
Eine Schaltung zur Messung der Beziehung zwischen der Belastung und der Ausgangs- bzw. Endspannung ist in der Figur 6 dargestellt, worin die Bezifferung 1 eine
Probe einer Kautschuk-Platte bzw. Kautschuk-Folie, die 30
Bezifferung 2 eine Elektrode, die Bezifferung 3 eine Druckelektrode und das Symbol V die Ausgangs- bzw. Endspannung darstellen.
In der Figur 2 werden Belastungs-, Ausgangs- bzw. End-35
spannungs-Kurven, bezogen auf die Folien-bzw. Plattendicke, dargestellt. Wie in der Figur 2 dargestellt,wird, wenn die Dicke der Kautschuk-Platte zunimmt, die ver-
t Λ IB » *
, tr. ti»
-9-
ringerte Neigung der Ausgangs- bzw. Endspannung gering.
In der Figur 3 werden Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endg spannungs-Kurven für verschiedene Oberflächenanschlußprofile einer erfindungsgemäß zu verwendenden Druckelektrode dargestellt, worin die druckempfindliche und leitfähige Kautschuk-Platte ein Volumenänderungsverhältnis von 33% und eine Dicke von 0,95 mm aufwies. in Wie in der Figur 3 gezeigt,wird, je größer der Durchmesser der Druckelektrode ist, die Neigung der Belastungs/Ausgangsspannungs-Kurve geringer. Wird darüber hinaus eine Druckelektrode verwendet, deren Anschlußoberfläche sphärisch ist, so wird die Neigung der p. Ausgangs- bzw. Endspannung glatt gewellt.
In der Figur 4 werden Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspannungs-Kurven der Beispiele 1, 2, 3, 4 und 5 gezeigt, wobei die Eintauchzeit einer Kautschuk-Probe- on platte mit einer Dicke von 3 mm 20 Stunden und ihr Volumenänderungsverhältnis 32% betrug. Diese Kautschuk-Probeplatte wurde mittels einer Druckelektrode, deren Anschlußoberfläche sphärisch war und einen Durchmesser von 4 mm aufwies, gepreßt.
BEISPIEL 2
0,5 Gewichtsteile Stearinsäure, 7 Gewichtsteile Dicumylperoxid (DCP - 40), 30 Gewichtsteile Acetylenruß, 10 Gewichtsteile Ketjenruß (Ketjen black) und 10 Gewichtsteile Nickelcarbonyl wurden zu 100 Gewichtsteilen Butadien-Kautschuk gefügt und damit vermischt. Das so gebildete Kautschuk-Material wurde 15 Minuten bei 1700C erwärmt und vernetzt, unter Bildung einer leitfähigen Kautschuk-Platte mit einer Dicke von 3 mm. Diese wurde dann in ein nicht-flüchtiges Naphthenöl während 20 Stunden bei Raumtemperatur eingetaucht, wodurch eine druckempfindliche und leitfähige Kautschuk-Platte mit einem Volumenänderungsverhältnis von 30% hergestellt
-ΙΟΙ
wurde. In gleicher Weise wie im Beispiel 1, wurde diese
Platte durch die gleiche Druckelektrode, deren Anschlußoberfläche sphärisch war und einen Durchmesser von 4 mm κ aufwies, gepreßt. In der Figur 4 ist die Belastungs-, Ausgangs- bzw. findspannungs-Kurve für das Beispiel 2 angegeben.
BEISPIEL 3
0,5 Gewichtsteile Stearinsäure, 7 Gewichtsteile Dicumylperoxid (DCP - 40), 30 Gewichtsteile Acetylenruß und 15 Gewichtsteile Ketjenruß (Ketjen black) wurden zu 100 Gewichtsteilen Nitril-Kautschuk gefügt und damit vermischt. Das so erhaltene Kautschuk-Material wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 2 erwärmt und vernetzt, wodurch man eine leitfähige Kautschuk-Platte mit einer Dicke von 3 mm erhielt. Diese wurde dann in einen Weichmacher, Diactylphthalat bzw. Diacetylphthalat während 20 Stunden bei Raumtemperatur getaucht, wodurch eine druckempfindliche und leitfähige Kautschuk-Platte mit einem Volumenänderungsverhältnis von 30% erzeugt wurde. In gleicher Weise wie in den Beispielen und 2, wurde diese Platte mittels der gleichen Druckelektrode mit spärischer Anschlußoberfläche von 4 mm Durchmesser gepreßt. In der Figur 4 ist die Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspannungs-Kurve für das Beispiel 3 angegeben.
BEISPIEL 4
0,5 Gewichtsteile Stearinsäure, 7 Gewichtsteile Dicumylperoxid (DCP - 40), 30 Gewichtsteile Acetylenruß und 15 Gewichtsteile Ketjenruß (Ketjen black) wurden zu 100 Gewichtsteilen Butadien-Kautschuk gefügt und damit gemischt. Das so erhaltene Kautschuk-Material wurde 15 Minuten bei 1700C erwärmt und vernetzt, wodurch man eine leitfähige Kautschuk-Platte mit einer Dicke von 3 mm erhielt. Sie wurde anschließend in einen nicht-
flüchtigen flüssigen Butadien-Kautschuk während 70
Stunden bei Raumtemperatur eingetaucht, wodurch eine druckempfindliche und leitfähige Kautschuk-Platte erg halten wurde. In gleicher Weise wie im Beispiel 1, wurde diese Platte mittels der gleichen Druckelektrode mit sphärischer Anschlußoberfläche von 4 mm Durchmesser gepreßt. In der Figur 4 ist die Belastungs-, Ausgangsbzw. Endspannungs-Kurve des Beispiels 4 dargestellt.
BEISPIEL 5
0,5 Gewichtsteile Stearinsäure, 7 Gewichtsteile Dicumylperoxid (DCP - 40), 30 Gewichtsteile Acetylenruß und 15 Gewichtsteile Ketjenruß (Ketjen black) wurden zu 100 Gewichtsteilen Butadien-Kautschuk gefügt und damit vermischt. Das so gebildete Kautschuk-Material wurde 15 Minuten bei 17O0C erwärmt und vernetzt, wodurch eine leitfähige Kautschuk-Platte erzielt wurde. Anschließend wurde sie in ein flüchtiges Öl, Toluol, während 10 Minuten bei Raumtemperatur getaucht, unter Bildung einer druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuk-Platten. Zwei Elektroden von 1 mm^ wurden an die obere bzw. untere Oberfläche der Kautschuk-Platte befestigt, und die Gesamtoberfläche davon wurde dünn mit einem Nylonharz von ΙΟμίη Dicke beschichtet. Man erhielt eine Kautschuk-Platte in der die Verflüchtigung des Toluols verhindert war. In gleicher Weise wie im Beispiel 1, wurde diese Platte durch Belasten der 2 an der oberen und unteren Oberfläche befestigten Elektroden gepreßt.
In der Figur 4 ist die Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspannungs-Kurve des Beispiels 5 dargestellt.
Die vorstehend beschriebene druckempfindliche und leitfähige mit Toluol imprägnierte Kautschuk-Platte, mit dem Volumenänderungsverhältnis von 35%, wurde mittels einer normalen chemischen Plattierungs- bzw. Überzugsbildungsmethode durch Änderung der Lage der Elektrode behandelt, wodurch metallisches Nickel an der oberen
und der unteren Oberfläche der Kautschuk-Platte abgeschieden wurde. Anschließend wurde sie in mehrere Stücke mit jeweils einem Durchmesser von 10 mm geschnitten, und die gesamte Oberfläche jedes Stücks
wurde mit einem Nylonharz in einer Dicke von ΙΟμίΐι überzogen. Dann wurde jedes Stück mittels einer geglätteten Druckelektrode von 10 mm Durchmesser gepreßt. Die Figur 5 zeigt die Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspan-,Q nungs-Kurve der so erhaltenen Kautschuk-Probeplatte.
Gemäß einem weiteren Beispiel wurde metallisches Nickel über den oberen und unteren Oberflächen der druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuk-Platte mit einer - Dicke von 3 mm und einem Volumenänderungsverhältnis von 33% abgeschieden, und die Platte wurde zu mehreren Stücken zerschnitten, die jeweils einen Durchmesser von 10 mm aufwiesen, und jedes Stück wurde mit der gleichen geglätteten Druckelektrode gepreßt. Die Belastungs-, Ausgangs- bzw. Endspannungs-Kurve die erhalten wurde, war nahezu identisch mit der der Figur 5.
Wird die Oberfläche der Kautschuk-Folie bzw. der Kautschuk-Platte mit dem metallischen Nickel überzogen, nc. so ist der Kontaktwiderstand zwischen deren Oberfläche und der Preßelektrode geringer und der Widerstand des druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuks selbst wird nicht beeinflußt.
Bei der vorstehenden chemischen Plattierungsmethode
wird eine chemische Ätzung durch Schwefelsäure und Chromsäure durchgeführt. Anschließend werden ein Sensibilisierungsverfahren unter Verwendung von Zinn-II-chlorid und ein Aktivierungsverfahren unter Verwendung
o_ von Palladiumchlorid durchgeführt, wodurch metallisches
Nickel in einem chemischen Plattierungsbad abgeschieden wird. Als Überzugsmethode, bei der eine derartige Kautschuk-Platte oder -Folie mit einer metallischen
3323532
Membran überzogen wird, kann nicht nur die chemische Plattierungsverfahrensweise angewendet werden, sondern auch ein Metallisieren im Vakuum, Zerstäuben, ionisches Plattieren bzw. Galvanisieren und andere Metallisierungsmethoden.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die vorstehenden Beispiele beschränkt ist.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Erfindung dadurch charakterisiert, daß eine verträgliche flüssige organische Substanz in einen bzw. mit einem leitfähigen Kautschuk imprägniert wird, wodurch der elektrische
,_ Widerstand des Kautschuk-Materials verstärkt wird. Wird ein druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk zwischen zwei gegenüberliegende Elektroden eingebracht, so ist sein Widerstand gegen die Leitfähigkeit nicht hoch, wenn die Elektroden sich mit ihm in leichtem n Kontakt befinden, selbst wenn eine Spannung von einigen Volt an die Elektrode angelegt wird; wird jedoch ein gewisser Druck auf die Elektrode ausgeübt, so wird der Leitfähigkeitswiderstand proportional zum Druckausmaß verringert, wodurch seine Leitfähigkeit wiedergewonnen
O1_ werden kann.
Dementsprechend kann das erfindungsgemäße druckempfindliche und leitfähige Material für Druckfühler, Schallkontrollschalter bzw. Schallsteuerungsschalter und andere Schalter verwendet werden.
Darüber hinaus ist es, wenn eine Oberfläche des druckempfindlichen und leitfähigen Kautschuks mit einer dünnen Metallmembran überzogen wird, möglich, zwei __ gegenüberliegende Elektroden zu entfernen, zwischen denen der vorstehende Kautschuk liegt.

Claims (14)

M/NIW-19-DE Kokoku Rubber Industrial Company Limited Tokyo, Japan Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk PATENTANSPRÜCHE
1. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk, bei dem eine verträgliche flüssige organische Substanz in eine leitfähige Kautschuk-Zusammensetzung imprägniert ist, die erhalten wurde durch Zusatz eines leitfähigen Füllstoffs, wie Ruß, feines Metallpulver oder dergleichen.
2. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach Anspruch 1, in dem die flüssige organische Substanz eine nicht-flüchtige flüssige organische Substanz ist.
3g 3. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach Anspruch 2, in dem die nicht-flüchtige flüssige organische Substanz ein Polymeres mit hohem Molekulargewicht ist.
4. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach
Anspruch 3, in dem das Polymere mit hohem Molekulargewicht ein flüssiger Butadien-Kautschuk ist.
5. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach
Anspruch 2, in dem die nicht-flüchtige flüssige organische Substanz ein nicht-flüchtiges Öl ist.
.η
6. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach Anspruch 5, in dem das nicht-flüchtige Öl ein naphthenisches Öl bzw. Naphthenöl ist.
7. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach Anspruch. 5, in dem das nicht-flüchtige Öl ein Dioctylphthalat ist.
8. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach Anspruch 1, in dem beide Oberflächen des Kautschuks
mit einer dünnen Metallmembran überzogen sind.
9. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach Anspruch 8, in dem die dünne Metallmembran metallisches Nickel ist.
10. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach
Anspruch 1, 8 oder 9, in dem die flüssige organische
Substanz eine flüchtige flüssige organische Substanz
ist.
11. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach
Anspruch 10, in dem die flüchtige flüssige organische Substanz ein Polymeres mit niedrigem Molekulargewicht ist.
12. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach
Anspruch 10, in dem die flüchtige organische Substanz ein flüchtiges Öl ist.
-3-
13, Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach Anspruch 10, 11 oder 12, in dem die leitfähige Kautschuk-Zusammensetzung, die mit der flüchtigen flüssigen organischen Substanz imprägniert ist, an ihrer Oberfläche mittels einer flexiblen Harzmembran überzogen ist, die mit der imprägnierten flüchtigen flüssigen organischen Substanz unverträglich bzw. nicht-mischbar ist.
14. Druckempfindlicher und leitfähiger Kautschuk nach Anspruch 13, in dem die unverträgliche bzw. nichtmischbare und flexible Harzmembran ein Nylonharz bzw. ein Polyamidharz ist.
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