Coole Entwicklung: Neuer Kunststoff macht Aluminium Konkurrenz Hochleitfähiger Faserverbund zum Spritzgiessen

Redakteur: Luca Meister

Lars Rominger hat nicht-ausleiernde BH's oder Weinveredlungsstäbe entworfen. Jetzt hat seine Rominger Kunststofftechnik GmbH einen neuen Kunststoff entwickelt: Der «Hot Polymer CF 273» stellt ein kostengünstiges Substitut zu Metall-Applikationen dar. Das Marktpotenzial wird u.a. in der Herstellung von Laptop-Gehäusen gesehen.

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Abb. 2: Schematische Darstellung der magnetischen Eigenschaften, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der mechanischen Eigenschaften vom Füllstoffgehalt. Der neu entwickelte Kunststoff umgeht mit der patentierten Randfaserbehandlung die Perkolationsschwelle.
Abb. 2: Schematische Darstellung der magnetischen Eigenschaften, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der mechanischen Eigenschaften vom Füllstoffgehalt. Der neu entwickelte Kunststoff umgeht mit der patentierten Randfaserbehandlung die Perkolationsschwelle.
(Bild: Rominger)

mei. Thermisch hochleitfähige Polymere sind immer noch Nischenprodukte. Der neue Werkstoff «Hot Polymer CF 273» belebt den Markt, da seine Leitfähigkeit sich (gemäss Praxistests) auf dem Niveau von Aluminium bewegt und gleichzeitig dazu eine kostengünstigere Option darstellt. Bestehende Kunststoff-Systeme weisen entweder eine tiefere Leitfähigkeit auf oder liegen preislich so hoch, dass sie sich im Markt gegen Aluminium nicht durchsetzen können.

Höhere elektrische Leitfähigkeit

Wie elektrische amorphe Isolatoren sind auch Kunststoffe schlechte Wärmeleiter. Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen in «ungefülltem Zustand» (ohne Beimischung von Zuschlagstoffen) liegt im Bereich von 0,1 bis 0,5 Watt pro Meter und Kelvin. Im Vergleich zu Metallen somit um ein Vielfaches niedriger (Metalle: 10 bis 400 W/mK). Kunststoffe sind elektrische Isolatoren mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die im Bereich von zehn bis 16 Siemens pro Meter liegt. Das Zugeben von elektrisch leitfähigen Füllstoffen zu einer Kunststoffmatrix erhöht die elektrische Leitfähigkeit.

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Kunststoffe sind ohne Additive also schlechte Wärmeleiter und elektrische Isolatoren. Durch die Zugabe von leitfähigen Füllstoffen nehmen die thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten gemeinsam zu. Viele technische Anwendungen erfordern jedoch eine hohe Wärmeableitung bei gleichzeitiger elektrischer Isolation.

Füllstoffeigenschaften und Mischungsverhältnis massgebend

Bei den magnetischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der Kunststoffe unterscheiden sich die Abhängigkeiten vom Füllstoffgehalt grundlegend und entscheidend. Die thermischen und magnetischen Eigenschaften hängen überproportional vom Füllstoffvolumen ab. Auf der anderen Seite zeigt die elektrische Leitfähigkeit bezüglich Füllstoffvolumen eine ausgeprägte Schwelle («Perkolationsschwelle»).

Beim Füllen eines Kunststoffes, z.B. mit Kupfer, ist der Einfluss auf die thermische Eigenschaft nahezu linear (Abb.2). Bei der elektrischen Leitfähigkeit ist hingegen bei einer bestimmten Füllstoffmenge ein sprunghafter Anstieg bemerkbar. Die Ursache für diese Perkolationsschwelle wird primär durch die Bildung eines durchgehenden Netzwerkes begründet. Es entstehen sogenannte Leitpfade, in denen sich die Füllstoffpartikel berühren bzw. sich bis auf ca. zehn Nanometer oder weniger annähern, wodurch Elektronen transportiert werden.

Ebenfalls Einfluss auf die Perkolationsschwelle und den Plateauwert haben neben den Additiven und deren Abstand auch die Form der Füllstoffpartikel sowie deren Neigung zur Agglomeration von Netzwerken, die statistische Füllstoffverteilung und die Füllstoffausrichtung. Weitere Einflüsse üben die Konstruktion von Anguss und Bauteil sowie die Prozessführung der Verarbeitung aus. Der neu entwickelte Polymer umgeht u.a. die Problematik der Perkolationsschwelle, indem die Randfaser des hochleitfähigen Füllstoffs mittels eines patentierten Verfahrens behandelt wird.

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