Eine wesentliche Eigenschaft polymerer Werkstoffe ist die strukturbedingte, geringe Wärmeleitfähigkeit, die in vielen Anwendungen, beispielsweise zur Dämmung von Kühlschränken, gezielt eingesetzt wird. Bei anderen Anwendungen, bei denen eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, um zum Beispiel Wärmeverluste abzuführen, stößt man mit Kunststoffen schnell an die Grenzen und muss auf höherwärmeleitfähige Werkstoffe wie Metalle mit all ihren Nachteilen (zum Beispiel Gewicht, Kosten oder Formgebung) zurückgreifen. Das Einsatzspektrum polymerer Werkstoffe lässt sich jedoch durch die Beimischung von Füllstoffen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit erweitern. Der vorliegende Beitrag zeigt den aktuellen Stand der Technik im Bereich wärmeleitfähiger Thermoplastcompounds auf, um Möglichkeiten und Grenzen dieser Technologie zu verdeutlichen.

Die Wärme ist als eine Energieform definiert, die aufgrund einer Temperaturdifferenz zur geringeren Temperatur hin bewegt wird. Innerhalb von Festkörpern erfolgt der Wärmetransport durch Wärmeleitung. Außerhalb von Festkörpern tritt überwiegend Konvektion und Wärmestrahlung auf. An Grenzschichten erfolgt ein Wärmeübertrag, der signifikant von der Anbindung bzw. den Strömungsverhältnissen bei fluiden Medien-/Feststoff-Grenzen abhängt.
Die Wärmeleitung kann zum einen durch Ladungsbewegungen (Elektronen und Löcher in Halbleitern) und zum anderen durch Gitterschwingungen oder Schwingungen einzelner Gitteratome (Phononen als elastische Wellen) erfolgen. Die Transportgeschwindigkeit von Elektronen ist in der Regel viel größer als die von Gitterschwingungen, was die hohe Wärmeleitfähigkeit verschiedener Metalle (Kupfer, Silber, Aluminium) erklärt. Bei Keramiken ist die Wärmeleitfähigkeit unterschiedlich und hängt stark von der Morphologie ab. Bei Kohlenstoffmodifikationen wie beispielsweise Graphit, Ruß und Kohlefasern weist die Gitterstruktur einen großen Einfluss auf. Meist resultiert daraus eine stark anisotrope Wärmeleitfähigkeit.
Thermoplaste haben in der Regel eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit etwa von 0,15W/mK bis 0,5W/mK. Wobei teilkristalline Thermoplaste durch den regel-mäßigeren Aufbau unterhalb der Schmelztemperatur eine höhere Wärmeleitfähigkeit als amorphe aufweisen. Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit werden in den Kunststoff gut wärmeleitende Füllstoffe wie Metalle und Keramiken über einen Compoundierprozess eingearbeitet. Insbesondere mit metallischen Füllstoffen aber auch mit Graphit können so relativ kostengünstig signifikante Steigerungen der Wärmeleitfähigkeit erzielt werden. Erfordert die Anwendung einen elektrisch isolierenden Füllstoff, so wird oftmals hexagonales Bornitrid (hBN) eingesetzt, das durch seinen graphitähnlichen, plättchenförmigen Aufbau über eine hohe Wärmeleitfähigkeit in Schichtebene verfügt.

Härte und Geometrie der Füllstoffe haben Einfluss auf Verschleiß

Da hexagonales Bornitrid über einen aufwändigen, energieintensiven Prozess gewonnen wird, weisen diese Compounds meist deutlich höhere Werkstoffkosten auf. Kostengünstigere elektrisch isolierende Füllstoffe, die in kommerziellen Compounds eingesetzt werden, sind beispielsweise Aluminiumoxid, Zinkoxid und Talkum. Bei der Auswahl des Füllstoffs ist neben der Wärmeleitfähigkeit und den Füllstoffkosten insbesondere auf die Härte und Geometrie des Füllstoffs zu achten, um einem vorzeitigen Verschleiß einzelner Maschinenelemente bei der Verarbeitung (wie Zylinder, Schneckenelemente oder Werkzeug) durch eine erhöhte Abrasivität des Compounds vorzubeugen.

Bei der zielgerichteten Werkstoffauswahl und Bauteilauslegung für eine effiziente Entwärmung sind die Einsatzbedingungen und thermischen Verhältnisse im/am Bauteil zu beachten. Eine Erhöhung des Wärmedurchgangs beispielsweise zur Senkung der Temperatur in einem Gehäuse kann folglich durch eine Erhöhung der Temperaturdifferenz, eine größere Oberfläche, eine geringere Wandstärke, eine Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizient und/oder durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs erreicht werden. Liegt zwischen einer Wärmequelle und einer Gehäusewand ruhende Luft mit einem geringen Wärmeübergangskoeffizienten vor, kann durch eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit der Gehäusewand keine signifikante Erhöhung des Wärmestroms erzielt werden. In solchen Fällen kann die hohe Wärmeleitfähigkeit metallischer Werkstoffe nicht genutzt werden, so dass der Einsatz wärmeleitfähig modifizierter Kunststoffe zielführend sein kann.
Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen kann mit stationären (zu Beispiel Plattengeräte) und instationären Verfahren (zu Beispiel Hot-Disk) ermittelt werden. Im industriellen Umfeld finden zunehmend instationäre Verfahren Anwendung, da diese eine Messung an praxisnahen Geometrien ermöglicht. Des Weiteren kommen vermehrt transiente Verfahren zum Einsatz, bei denen auf die Probe ein kurzer Energieimpuls aufgebracht und die Antwort auf der Gegenseite erfasst wird (zum Beispiel Nano-Flash). Diese Verfahren ermöglichen eine richtungsabhängige Messung der thermischen Eigenschaften.

Die Richtungsabhängigkeit ist insbesondere bei der Verwendung von Thermoplastcompounds mit Füllstoffen, die eine hohe anisometrische Geometrie und/oder anisotrope Wärmeleitfähigkeit wie etwa Graphit aufweisen, zu beachten. Durch die Füllstofforientierung beim Spritzgießprozess kommt es zur Ausbildung einer anisotropen Wärmeleitfähigkeit, die sich je nach Richtung um ein mehrfaches unterscheiden kann, was wiederum bei der Bauteilauslegung berücksichtigt werden muss. In der Tabelle sind ausgewählte Werkstoffeigenschaften wärmeleitfähig modifizierter Thermoplastcompounds verschiedener Anbieter gegenübergestellt.

Hoher Füllgrad für hohe Leitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit wurde an spritzgegossenen Platten (80x80x2 mm³) mittels Nano-Flash-Gerät von Netzsch richtungsabhängig bestimmt. Hierbei entspricht x der Fließrichtung, y der Richtung quer dazu in Plattenebene und z der Dickenrichtung. Wie die Ergebnisse zeigen, liegen die Wärmeleitfähigkeiten in x- und y-Richtung um ein mehrfaches über dem Wert der z-Richtung, was zu einer Wärmespreitung in der Platte beiträgt, jedoch den direkten Wärmedurchgang vermindert. Insbesondere die Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit weisen geringe mechanische Kennwerte, wie beispielsweise Bruchdehnung oder Schlagzähigkeit, auf. Ein hoher Füllgrad des Polymers mit wärmeleitfähigem Füllstoff ist notwendig, um hohe Wärmeleitfähigkeitskennwerte zu erzielen, da es sich bei dem vorliegenden Mechanismus um einen Volumeneffekt handelt.

Im Allgemeinen führt ein hoher Füllgrad zu einer Versprödung des Kunststoffs, die sich in einer Abnahme von Schlagzähigkeit und Bruchdehnung widerspiegelt, da die Feststoffpartikel in der Grenzfläche eine Spannungskonzentration bewirken. Liegt eine schlechte Anbindung der Polymermatrix an die Füllstoffe vor, kann ein Kapillareffekt auftreten, der zu einer signifikanten Verminderung der Barriereeigenschaften des Werkstoffs führt. Des Weiteren führt ein hoher Füllgrad meist zu einer Abnahme der Fließfähigkeit des Thermoplastcompounds. Der Druckbedarf beim Spritzgießvorgang wird darüber hinaus durch eine beschleunigte Fließwegverengung erhöht, die aus der erhöhten Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs und einem raschen Erstarren bei Kontakt mit der Werkzeugwand resultiert. Ebenfalls zu beachten sind die Werkstoffkosten, die je nach Füllstoffsystem um ein mehrfaches (10 – 80 €/kg) über den Kosten nicht wärmeleitfähig modifizierter Thermoplaste liegen.

Erhöhte Marktchancen
Neue Anwendungen durch neue Füllstoffsysteme

Die wärmeleitfähigen Thermoplastcompounds weisen im Hinblick auf das Anforderungsprofil vieler Anwendungen mehrere Zielkonflikte auf, die zurzeit mit den kommerziell erhältlichen Materialien nur unzureichend gelöst sind und bisher ein Hindernis für eine breite Verwendung darstellen. Die Entwicklung neuer wärmeleitfähiger Thermoplaste, die auf neuartigen Füllstoffsystemen basieren und ein Gesamtoptimum aus Wärmeleitfähigkeit, mechanischen Eigenschaften, Verarbeitbarkeit und Werkstoffkosten aufweisen, könnte somit einen wesentlichen Beitrag zur Erschließung neuer Anwendungsfelder leisten.

Literaturtipp
Kunststoffe in der Elektronik

Ein Handbuch für die Praxis, Leuze Verlag 2005 von Dr. Carsten Weiß. Die Hauptkapitel des Buches:

  • Einsatzgebiete von Kunststoffen in der Elektronik und Elektrotechnik
  • Aufbau und Eigenschaften von Kunststoffen
  • Eingesetzte Kunststoffe im Elektroniksektor
  • Kennwerte von Kunststoffen und deren Bestimmungsmöglichkeiten
  • Kunststoffe in der 3-D MID-Technologie
  • Kurzzeichen für Kunststoffe
  • Handelsnamen

 

Bestellnummer: ISBN 3–87480–204–3

 

Autor

Über den Autor

Dr. Dirk Schmiederer, Dr. Carsten Tüchert und Dr. Carsten Weiß, Robert Bosch, Corporate Sector Research and Advance Engineering, Waiblingen, carsten.weiss@de.bosch.com