Geleidende polymeren

Additieven voor elektrische geleidende kunststoffen
Elektrisch geleidende thermoplastische kunststoffen zijn beschikbaar sinds de jaren zeventig. Dankzij aangescherpte regelgeving rond straling en veiligheid en het sterk toegenomen gebruik van elektronica in de jaren tachtig hebben dergelijke kunststoffen een zeer sterke groei doorgemaakt.

Drie categorieën

Elektrisch geleidende polymeren zijn onder te verdelen in grofweg drie categorieën:

• Antistatisch – het voorkomen van statische oplading;
• ESD (Electro Static Discharge) – het voorkomen van vonkoverslag door statische elektriciteit snel en gecontroleerd af te laten vloeien;
• EMI (Electro Magnetic Interference) – het voorkomen van verstoring van de omgeving door elektromagnetische straling van elektronica of andersom.Typische toepassingen van elektrisch geleidende kunststoffen zijn onderdelen van computers, telecom- en netwerksystemen, inkjet/ laserprinters, geldautomaten, brandstofsystemen en -filters, interne transportsystemen, luchtfilter/clean roomsystemen en medische apparatuur.

Methoden om kunststoffen geleidend te maken

Onderstaand volgt een opsomming van de meest gebruikte additievensystemen om thermoplastische kunststoffen elektrisch geleidend te maken voor ESD-bescherming en EMI-afscherming.

Migrerende antistatica (kationisch, anionisch en non-ionisch)

Geleidbaarheidsgebied: Antistatica 1014 – 1010 ohm/sq
Toevoegpercentage (gew %): 0,1 – 3

Voordelen:

• Goedkoop product
• Makkelijk te doseren en verwerken met vrijwel alle kunststoffen
• Werkt ook bij verwerkingshulpstof (lossingsmiddel)
• Veel verschillende mogelijkheden qua geleidbaarheid en duurzaamheid
• Vrijwel alle kleuren mogelijk

Beperkingen in de verwerking:

• Stabiliteit bij hogere temperaturen
• Compatibiliteit met basispolymeer

Beperkingen in het gebruik:

• Antistatische eigenschappen verdwijnen na verloop van tijd
• Benodigd is een zekere luchtvochtigheid om te functioneren
• Kan problemen geven bij nabewerkingen zoals bedrukken en verlijmen
• Werkt alleen bij RH% > 10-15

Er zijn veel verschillende migrerende antistatica leverbaar die onderling variëren in migratiesnelheid en migratieduur. Door snel en langzaam migrerende en verschillende typen antistatica afgewogen met elkaar te combineren, zijn deze ook voor technische toepassingen geschikt te maken. Hier geldt echter wel dat er goed gekeken moet worden naar het eisenpakket ten aanzien van de geleidbaarheid en de levensduur. Met andere woorden: overleg met de leverancier van de antistatica.

Polymere antistatica (bijvoorbeeld Pebax, polyaniline)

Geleidbaarheidsgebied: ESD 1012 – 109 ohm/sq
Toevoegpercentage (gew %): 5 – 15

Voordelen:

• Relatief prijzig ten opzichte van carbon black
• Gemakkelijke verwerking van de compound (niet zelf te doseren tijdens spuitgieten)
• Vrijwel alle kleuren mogelijk
• Werkt ook goed bij zeer lage RH %

Beperkingen in de verwerking:

• Stabiliteit bij hogere temperaturen (degradeert vanaf circa 220 ºC)
• Compatibiliteit met basispolymeer

Beperkingen in het gebruik:

• Niet geschikt voor alle polymeren
• Relatief kostbaar
• Beperkte geleidbaarheid in compounds

Carbon Black (roet)

Geleidbaarheidsgebied: ESD 109 – 106 ohm/sq
Toevoegpercentage (gew %): Max. 40

Voordelen:

• goedkoop additief, kostenefficiënte geleidende compound
• toepasbaar in veel kunststoffen M onafhankelijk van RH%

Beperkingen in de verwerking:

• Verminderde oppervlaktekwaliteit

Beperkingen in het gebruik:

• Geeft ‘koolstofstof af’ (carbon sloughing); niet geschikt voor clean room toepassingen
• Enige mogelijke kleur is zwart
• Vloei-eigenschappen en oppervlaktekwaliteit nemen af bij hoger % carbon black
• Vooral geschikt voor ESD-toepassingen
• Mechanische eigenschappen niet optimaal

PAN koolstofvezel

Geleidbaarheidsgebied: ESD-EMI 106 – 100 ohm/sq
Toevoegpercentage (gew %): 7 – 40

Voordelen:

• Geen carbon sloughing
• Goede mechanische eigenschappen (hoge stijfheid, en dergelijke) van de compound
• Laat zich goed combineren met andere vulstoffen
• Toepasbaar in alle polymeren
• Goede verwerkbaarheid
• Niet zo abrasief als glasvezel
• Onafhankelijk van RH%

Beperkingen in de verwerking:

• Voorzichtig verwerken in verband met gevoeligheid voor afschuiving; de vezellengte bepaalt namelijk de afschermende werking (‘shielding effectiveness’)
• Wanddikte heeft invloed op de afschermende werking
  Beperkingen in het gebruik:
• Alleen donkere kleuren zijn mogelijk
• Hoge modulus (zeer stijf)
• ‘Carbon sloughing’ kan problemen geven (afhankelijk van de kwaliteit van de koolstofvezel)
• Kostbaar

RVS vezels

Geleidbaarheidsgebied: ESD-EMI 106 – 100 ohm/sq
Toevoegpercentage (gew %): 5 – 15

Voordelen:

• Geen carbon sloughing
• Mechanische eigenschappen van basispolymeer blijven redelijk goed behouden in de compound
• Meeste kleuren zijn mogelijk
• Redelijke vrijheid van basispolymeer
• Onafhankelijk van RH%

Beperkingen in de verwerking:

• Voorzichtig verwerken in verband met de gevoeligheid voor afschuiving; de vezellengte bepaalt namelijk de afschermende werking
• Wanddikte heeft invloed op de afschermende werking
• Lastig te combineren met andere vulstoffen in verband met de zachtheid van de RVS vezel

Beperkingen in het gebruik:

• Lage modulus; combinaties met glasvezel beperken de afschermende werking
  Kostbaar

Aluminium vlokken, metaalpoeders, met metaal gecoate vezels en bolletjes (glas & koolstof)

Geleidbaarheidsgebied: ESD – EMI 1010 – 102 ohm/sq
Toevoegpercentage (gew %): 10 – 60

Voordelen:

• Meer vrijheid ten aanzien van compoundeigenschappen, vaak te combineren met andere vulstoffen
• Kleuren zijn mogelijk
• Redelijk goede verwerking
• Onafhankelijk van RH%

Beperkingen in de verwerking:

• Metaalpoeders zijn abrasief voor schroef en cilinder
• Vezels zijn zeer gevoelig voor afschuiving
• Beperkingen in het gebruik

Zeer kostbaar, dergelijke vulstoffen worden in specifieke gevallen toegepast

Miniaturisatie

Dankzij de voortschrijdende miniaturisatie van (elektronische) componenten wordt het gebruik van elektrisch geleidende kunststoffen steeds interessanter ten opzichte van conventionele materialen zoals metaal en standaard kunststoffen (al dan niet met elektrisch geleidende coatings).

Kosten

Bij het gebruik van elektrisch geleidende kunststoffen is het zeer belangrijk om inzicht te krijgen in de kosten van de diverse alternatieven, zoals gemetalliseerd/gelakt kunststof, metaal en dergelijke. In het kostenoverzicht dienen alle kosten op het gebied van productie, logistiek, nabewerking, milieu, afval en uitval in de productie en logistieke keten te worden opgenomen.

Succesvolste toepassingen

Tot nu toe zijn elektrisch geleidbare kunststoffen bij het vervangen van metaal en kunststof met een geleidende coating vooral succesvol gebleken bij producten met de volgende eigenschappen:

• Complexe vormen (3D gekromd, al dan niet met pilaren, ribben, uitsparingen, snapfits, en dergelijke);
• Relatief kleine producten; een vuistregel is dat elektrisch geleidende kunststoffen interessant zijn voor componenten tot maximaal 80-100 cm3;
• Als de geleidende coating niet door de kunststofverwerker wordt aangebracht. In dat geval gaan de logistieke kosten en de risico’s meespelen.