Thermisch leitfähiger, elektrisch isolierender Kunststoff

FORSCHUNG

KTI-Innovationsprojekt

Ein Kunststoff, der leitet und isoliert

Die Forderagentur fur Innovation KTI im Bundesamt fur Berufsbildung und Technologie BBT, Bern, hat der Rominger Kunststofftechnik GmbH griines Licht zur Durchfiihrung einer Machbarkeitsstudie ge-geben. Ziel ist es, einen thermisch hochleitfahigen, elektrisch jedoch isolierenden Kunststoff zu ent-wickeln, der mittels Sinterverfahren reproduzierbar hergestellt werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schematische Darstellung der Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der mechanischen Eigenschaften vom Füllstoffgehalt.

Wie elektrische amorphe Isolatoren, so sind auch Kunststoffe schlechte Warmeleiter. Die Warmeleitfahig-keit von Kunststoffen im ungefiillten Zustand liegt im Bereich von 0,1 W/mK bis 0,5 W/mK. Im Vergleich zu den Metallen (10-400 WimK) somit um ein Vielfaches niedriger.

Kunststoffe sind in ungefulltem Zustand schlechte *Mimeleiter und elektrische Isolatoren. Durch Zugabe von leitfahigen Fiillstoffen nimmt sowohl die thermische wie auch die elektrische Leitfahigkeit zu. Viele technische Anwendungen erfordern jedoch eine hohe Warmeableitung bei gleichzeitiger elektrischen Isolation.

Lars Rominger, Inhaber und Ge-schaftsfiihrer der Rominger Kunst-stofftechnik GmbH, ist daran, im Rahmen des KTI-Projektes, in Zu-sammenarbeit mit der Interstaat-lichen Hochschule fur Technik Buchs NTB, Buchs, einen Werkstoff zu entwickeln, der eine hohe War-meleitfahigkeit mit elektrischer Iso­lation kombiniert.

Das Mischungsverhaltnis

ist ausschlaggebend

Bei magnetischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der Kunststoffe unterscheiden sich die Abhangigkeiten vom Fiillstoffgehalt grundlegend. Die thermischen und magnetischen Eigenschaften han-gen uberproportional vom Fiillstoff-volumengehalt ab. Auf der anderen Seite zeigt die elektrische Leitfahig-keit beziiglich Fiillstoffvolumenge-halt eine ausgepragte Schwelle (Per-kolationsschwelle).

Beim Fiillen eines Kunststoffes, zum Beispiel mit Kupfer, ist der Ein-fluss auf die thermische Leitfahig- 16 swissPlastIcs 5/2009 keit nahezu linear (Abb. 1). Bei der elektrischen Leitfahigkeit hingegen, stellt sich bei einer bestimmten stoffmenge ein sprunghafter Anstieg (Perkolationsschwelle) ein. Die Ur-sache filir die Perkolationsschwelle liegt primar darin begriindet, dass sich ein durchgehendes Netzwerk ge-bildet hat. Sogenannte Leitpfade, in denen sich die Fiillstoffpartikel be-riihren bzw. sich bis auf zirka 10 nm

In Innovations-Check

Die Forderagentur fur Innovation KTI hat einen Innovations-Check in der Hohe von CHF 7500.- fur das Projekt (Thermisch leitfahiger, elektrisch isolierender KunststoffD an die Rominger Kunststofftech-nik GmbH, Edlibach, ausgestellt. Bedingungen sind, dass der Projektabschluss innerhalb von 12 Monaten erfolgt und der Check bei einer vom KTI aner-kannten beitragsberechtigten Forschungsinstitution eingelost wird.

annahern. Ebenfalls einen Einfluss auf die Perkolationsschwelle und den Plateauwert haben neben den Fiillstoffen und deren Abstand auch die Form der Fiillstoffpartikel und deren Neigung zur Agglomeration von Netzwerken, die statistische

Fiill-stoffverteilung und die Fiillstoffaus-richtung.

Weitere Einfliisse iiben die Kons-truktion des Angusses und des Bau-teils sowie die Prozessfiihrung der Verarbeitung aus.

Keine Leitpfade

und trotzdem thermische Leitfahigkeit

Die gewonnenen Erkenntnisse, bil-den die Grundlage fiir die Entwick-lung eines Werkstoffs, der tech-nisch umsetzbar und gewerblich nutzbar sein muss: Ein Sinterkunst-stoff aus Polyoxymethylen (POM), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder anderen Kunststoffen, die be-reits aufgrund ihrer Grundeigen-schaften uber eine erhohte Warme- leitfühigkeit bei hoher elektrischer

Häufig gestellte Fragen: Ein Kunststoff, der leitet und isoliert

Was ist das Ziel des KTI-Innovationsprojekts?

Das Ziel ist die Entwicklung eines thermisch hochleitfähigen, elektrisch jedoch isolierenden Kunststoffs, der mittels Sinterverfahren reproduzierbar hergestellt werden kann.

Warum sind Kunststoffe im ungefüllten Zustand schlechte Wärmeleiter?

Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen im ungefüllten Zustand liegt im Bereich von 0,1 W/mK bis 0,5 W/mK, was im Vergleich zu Metallen (10-400 W/mK) um ein Vielfaches niedriger ist.

Warum ist das Mischungsverhältnis der Füllstoffe ausschlaggebend?

Die thermischen und magnetischen Eigenschaften hängen überproportional vom Füllstoffvolumengehalt ab, während die elektrische Leitfähigkeit bezüglich Füllstoffvolumengehalt eine ausgeprägte Schwelle (Perkolationsschwelle) zeigt.

Was ist die Perkolationsschwelle?

Die Perkolationsschwelle ist ein sprunghafter Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit bei einer bestimmten Füllstoffmenge. Sie entsteht, wenn sich ein durchgehendes Netzwerk von Leitpfaden bildet, in denen sich die Füllstoffpartikel berühren oder sich bis auf zirka 10 nm annähern.

Was beeinflusst die Perkolationsschwelle und den Plateauwert?

Neben den Füllstoffen und deren Abstand beeinflussen auch die Form der Füllstoffpartikel, deren Neigung zur Agglomeration von Netzwerken, die statistische Füllstoffverteilung und die Füllstoffausrichtung die Perkolationsschwelle und den Plateauwert.

Was sind die Bedingungen für den Innovations-Check des KTI?

Der Projektabschluss muss innerhalb von 12 Monaten erfolgen und der Check muss bei einer vom KTI anerkannten beitragsberechtigten Forschungsinstitution eingelöst werden.

Was sind die Ziele der Materialentwicklung in Bezug auf die thermische Leitfähigkeit und elektrische Isolation?

Ziel ist die Entwicklung eines Werkstoffs, der technisch umsetzbar und gewerblich nutzbar sein muss: Ein Sinterkunststoff aus Polyoxymethylen (POM), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder anderen Kunststoffen, die bereits aufgrund ihrer Grundeigenschaften über eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit bei hoher elektrischer Isolation aufweisen.