Wie elektrische amorphe Isolatoren, so sind auch Kunststoffe schlechte Wärmeleiter. Im ungefüllten Zustand liegt die Wärmeableitung im Bereich von 0,1 W/mK bis 0,5 W/mK. Im Vergleich zu den Metallen (10 bis 400 W/mK) somit um ein Vielfaches niedriger. Kunststoffe sind elektrische Isolatoren mit Leitfähigkeiten im Bereich von 10 bis 16 S. Elektrisch leitfähige Füllstoffe in einer Kunststoff-Matrix erhöhen die thermische und elektrische Leitfähigkeit gemeinsam. Viele technische Anwendungen erfordern jedoch eine hohe Wärmeableitung bei gleichzeitiger elektrischer Isolation.

Füllstoff-Gehalt entscheidet über Eigenschaften

Bei magnetischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der Kunststoffe unterscheiden sich die Abhängigkeiten vom Füllstoff-Gehalt grundlegend. Die thermischen und magnetischen Eigenschaften hängen überproportional vom Füllstoff-Volumengehalt ab. Auf der anderen Seite zeigt die elektrische Leitfähigkeit bezogen auf den Füllstoff-Volumengehalt eine ausgeprägte Schwelle (Perkolationsschwelle). Beim Füllen eines Kunststoffes, zum Beispiel mit Kupfer, ist der Einfluss auf die thermische Eigenschaft nahezu linear. Bei der elektrischen Leitfähigkeit hingegen stellt sich bei einer bestimmten Füllstoffmenge ein sprunghafter Anstieg ein. Die Ursache für diese Perkolationsschwelle liegt primär darin, dass sich ein durchgehendes Netzwerk des Additivs gebildet hat. Sogenannte Leitpfade, in denen sich die Füllstoff-Partikel berühren beziehungsweise sich bis auf zirka 10 nm annähern.

Ebenfalls Einfluss auf die Perkolationsschwelle und den Plateauwert haben neben den Füllstoffen und deren Abstand auch die Form der Füllstoff-Partikel und deren Neigung zur Agglomeration, die statistische Füllstoff-Verteilung sowie die Füllstoff-Ausrichtung. Weitere Einflüsse üben die Konstruktion des Angusses und des Bauteils sowie die Prozessführung bei der Verarbeitung aus. Der neue Werkstoff umgeht unter anderem die Problematik der Perkolationsschwelle indem die Randfaser des hochleitfähigen Füllstoffs mit einem patentierten Verfahrens behandelt wird.

Wärme ableitender und elektrisch isolierender Kunststoff
Somit entsteht ein Kunststoff mit neuen Eigenschaften: Ein spritzgiessbarer thermoplastischer Kunststoff, der einerseits Wärme leicht ableitet, andererseits aber, bei Bedarf, elektrisch isolierend wirkt. Eine Kombination für PCs und besonders Laptops, die sich heute noch zu sehr erwärmen und deswegen gekühlt werden müssen. Messungen am Lüfterausgang ergeben Messwerte über 70 °C. Generell kommen sämtliche bestehende Kunststoff-Anwendungen, die über eine verbesserte Wärmeabfuhr bei gleichzeitiger elektrischer Isolation verfügen müssen in Frage. In der Medizintechnik beispielsweise für Gehäuseverschalungen wie Pumpengehäuse für die Absaugung von Blut und Sekret, Kunststoff-Wannen für Lichttherapien, wärmeleitfähige Tubes für Laboranalysen. Die Situationsanalyse inklusive Marktanalyse mit integrierter Patentrecherche hinsichtlich bestehender Werkstoff-Systeme ist bereits abgeschlossen. Ergebnis dieser Analysen ist, dass keine Patentverletzungen zu erwarten sind, und keine der am Markt bestehenden Kunststoff-Matrix-Systeme (wie zum Beispiel mit Bornitrid) annähernd die Anforderungen erfüllen kann.

 

Hintergrundinformation

Thermisch hochleitfähige Polymere stellen Nischenprodukte dar. Der Werkstoff „Hot Polymer CF 273“ öffnet den Markt, da seine Leitfähigkeit mit der von Aluminium vergleichbar ist und er dabei aber gleichzeitig eine kostengünstigere Alternative darstellt. Die bestehenden Polymer-Systeme weisen im Vergleich entweder eine niedrigere Leitfähigkeit auf oder sind so teuer, dass selbst Aluminium kostengünstiger ist.

Der Sinterkunststoff kann aus POM, PE, PP oder anderen Kunststoffen mit unterschiedlichen Beimengungen an Kupfer und anderen Additiven realisiert werden. Durch zusätzliche Behandlung können den ursprünglich hydrophoben Kunststoffen auch hydrophile, selbstversiegelnde oder extra hydrophobe Eigenschaften verliehen werden. Für spezielle Anwendungen wäre auch die Beimengung von Aktivkohle möglich. Aufgrund der unterschiedlich gestaltbaren Porositäten, Eigenschaften und Formen der gesinterten Produkte ist selbst der Einsatz zum Filtern, Fluidisieren, Zerstäuben, Trennen, Belüften, Speichern und Dosieren sowie Saugen und Weiterleiten von Flüssigkeiten und Gasen möglich.

Die drei wichtigsten Merkmale:

  • Zeitersparnis (CNC-Fräsen versus vollautomatische Spritzgusstechnologie als Fertigungsverfahren)
  • Signifikante Kosteneinsparung/Gewinn da ein wesentlich günstigeres Herstellverfahren und ohne Rohmaterialverlust
  • Keine Oxidationsprobleme wie bei Aluminium.

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Lars Rominger