Materiaalien sähköiset ominaisuudet - tutkimuksen ja kehityksen painopistealueita. Jani Pelto VTT

Transkriptio

1 Materiaalien sähköiset ominaisuudet - tutkimuksen ja kehityksen painopistealueita Jani Pelto VTT

2 Muovimateriaalit ESD hallintaan 2009 Kaupallisia materiaaleja löytyy kaikille pintajohtavuusalueille Tekniikoita muovimateriaalin sähkönjohtavuuden parantamiseksi alhaisessa ilmakosteudessa IDP ICP CB CF CNT MF MMO OM Inherently Dissipative Polymers Inherently Conductive Polymers Hiilimusta Hiilikuidut (ja grafiitti, exfolioitu grafiitti, grafiittioksidi) Hiilinanoputket ja kuidut (grafeeni) Metallisesti johtavat kuidut sekä pinnoitetut liuskeiset fillerit Puolijohtavat metallioksidit organometallic Zr, Ti 2

3 Materiaalitekniset haasteet Niukasti materiaaleja tälle alueelle Kuva: Plastics Additives & Compounding September/October

4 ESD muovimateriaalin toivottu ominaisuusprofiili 1. Sopiva hinta 2. Prosessoitavuus paineita pienentää materiaalipaksuuksia, kerrosrakenteet & pinnoitteet, skinning 3. Kontrolloitu ja stabiili f (t,t) pintajohtavuus ESD alueella static dissipative Ωcm conductive Ωcm 4. Puhtaus partikkeliepäpuhtaudet, ioniset epäpuhtaudet, migratoituvat matalan moolimassan orgaaniset yms. vaihtelevat vaatimustasot eri sovellusalueilla (Medical, ATEX, elektroniikan puhdastilat, mobiilit sähkölaitteet, kokoonpanoautomaatio tms.) 5. Mekaaniset ominaisuudet erityisesti iskunkestävyys termoplasteilla 6. Väri, värjättävyys, esteettiset ominaisuudet 4

5 Löytyykö teknisesti ja taloudellisesti tyydyttävä sähköä johtava lisäaine? Hiilimustaa lukuun ottamatta materiaalin hinta nousee nopeasti kynnyskysymykseksi loppukäyttäjän näkökulmasta Kalliit täyteaineet sopivat kaupallisessa mielessä hyvin kalliiseen matriisiin, mutta huonosti polyeteeniin Rauhallinen perkolaatiokynnys (ICP, IDP) Kuitenkin vaaditaan hyviä teknisiä ominaisuuksia: mm. sitkeyttä, dimensiostabiiliutta ja hyvää prosessoitavuutta pienennä pitoisuutta NANOT KUIDUT, synergistinen vaikutus NANOKUIDUT MONIFAASIRAKENTEET (e-johtavuus) 5

6 Perkolaation hallinta Pinta-energioiden hallintaa (korostuu kun faasien dimensiot pienenevät nano) Partikkelin-polymeeri vuorovaikutus vs. mekaaniset ominaisuudet Esimerkkinä paljon tutkitut hiilimustapolyolefiini-kompaundit Yoon et al. Carbon, Vol. 42, pp (2004) 6

7 Kehityskohteita tulevaisuudessa(kin) Uudentyyppiset ja/tai kustannustehokkaammat täyteaineet ja niille Valmistaja High aspect ratio (nanokuidut) ominaispinta-alaltaan suuremmat ja puolijohtavat, ei-mustat ja puhtaat partikkelitäyteaineet mm. puolijohtavat kuidut Täyteaine-matriisi vuorovaikutuksen hallinta Johtavien täyteainepartikkelien välisen kontaktiresistanssin pienentäminen Materiaaleilla on oltava kierrätettävyyttä Muottitekniikan kehittyminen ruiskuvalussa (?) 7

8 VTT:n fasiliteetit materiaalikehitykseen (1/2) Mini Spray Dryer Buchi B290 Nano- ja mikropartikkelien pintojen kemiallinen modifiointi, partikkelisynteesi, partikkelien käsittely (agglomerointi ja deagglomerointi) sekä sulaprosessointi Muovituotteeksi 8

9 VTT:n fasiliteetit (2/2) Kemian laboratorio ja polymeerimateriaalien analytiikkaa SEM, XRD, AFM, FTIR, UV-VIS, DSC, DEA, DMA Ultraääneen ja muun tyyppiseen korkeaenergiseen prosessointiin perustuvia laitteita Jauhemaisten aineiden luokitteluun ja prosessointiin liittyviä laitteita (jauhimia, myllyjä, kuivasekoituslaitteita) Sulasekoituslaitteistoja (mini 5 g semi-pilot 5 kg/h) Ektruusio-, monikerroskalvoektruusio, ruiskuvalu, tasokalvo (arkki)- ja puhalluskalvoprosessit Prosessointi puhdasilmamodulissa Ektruusio ja biaksiaalinen orientointi puhtaassa ilmassa Prosessien puhtaustaso soveltuu mm. korkeajänniteeristeiden tekemiseen (10 µm BOPP-kalvo) Silikaa polyolefiinimatriisissa HV sähköneriste VTT & JyU (TEM) 9

10 Nanomateriaalien ja muiden pölyävien materiaalien käsittely VTT:llä Esim. pölyävien materiaalien syöttäminen gravimetrisesti sulasekoituslaitteeseen (Berstorff ZE-25 43D) Työhygienisiä mittauksia on tehty semi-pilot koeajoissa (VTT Puhdasilmatekniikat ja tuotantoympäristö) Vakiintuneet työskentelytavat hankalille materiaaleille 10

11 Nanoparticle handling and safety Exposure to nanoparticles was measured with video exposure monitoring (VEM) technique. VEM equipment (in this case PIMEXPC 2006) combines video picture of the work and simultaneously measured data from the personal monitors (CPC and OPC) Mixing occurred in the fume cupboard and no increase in nanoparticles was observed (upper) During the installation of feeding funnel, slight increase in nanoparticle concentration was observed (lower). The increase was comparable to natural variation of nanoparticle background concentration 11

12 Yhteenveto Täysin tyydyttävää kaupallista ESD materiaalia ei liene vielä markkinoilla Materiaalikehitysketjun alkulähteiltä voi löytyä nykyistä parempia ratkaisuja ESD:een (uudet nanolisäaineet, kuidut) Suomen tutkimuslaitoksissa ja yrityskentässä on edelleen hyvät fasiliteetit tehdä laadukasta materiaalitutkimusta & -kehitystä 12

13 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa 13