Neben der Verwendung der Thermoplaste als Konstruktionswerkstoff für Bauteile verschiedenster Art gibt es zwischenzeitlich eine ganze Reihe von Merkmalen, die Thermoplasten durch funktionale Füllstoffe mitgegeben werden können. Die elektrische Leitfähigkeit ist insbesondere vor dem Hintergrund der zunehmenden Verknappung der Ressourcen an Metallen und Energie und dem daraus erwachsenden Zwang zum Leichtbau von Bedeutung. Das Anwendungsgebiet solcher Thermoplaste ist momentan hauptsächlich im Bereich der Abschirmung von Gehäusen gegen Störstrahlung oder antistatischer Verpackungen angesiedelt. Komposite für diese Anwendungen haben einen möglichst geringen Anteil an (hochpreisigen) Füllstoffen.

Netzwerke im Kunststoff

Das verfügbare Angebot an intrinsisch stromführenden Kunststoffen ist relativ klein. Obwohl ihre Leitfähigkeiten in einem für viele Anwendungen interessanten Bereich liegen (bis zu 107 S/m), sind sie aufgrund ihrer chemischen Struktur recht schwer zu verarbeiten, da sie zum Teil vernetzt und daher kaum aufzuschmelzen und auch schlecht löslich sind. Sie werden für spezielle Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel elektrochrome Folien. Für Massenanwendungen werden sie in absehbarer Zukunft eine untergeordnete Rolle spielen.

Interessant sind Komposite basierend auf einer Matrix von Standardkunststoffen und darin eingebetteten leitfähigen Füllstoffen. Von diesen muss ein ausreichender Anteil zugegeben werden, damit sich ein Netzwerk aus sich untereinander berührenden Partikeln bilden kann (Perkolation). Mit der Ausbildung des Netzwerkes erfolgt ein Sprung der Leitfähigkeit über mehrere Größenordnungen. Als Füllstoffe werden vornehmlich Metalle (Partikel und Fasern) und kohlenstoffbasierte Komponenten (Carbon Black, Leitruß, Grafit, Kohlenstoff-Fasern, Carbon Nanotubes) verwendet. Die Eigenschaften der Komposite und der daraus hergestellten Bauteile ergeben sich aus der Füllstoffkonzentration, ihrer Form sowie der Mikro- und Nanomorphologie des Werkstoffs. Fasern mit einem hohen Länge/Durchmesser-Verhältnis sind im Hinblick auf die Ausbildung eines Netzwerkes besonders vorteilhaft. Aufgrund des einzigartigen Eigenschaftsprofils der Multi-Walled Carbon Nanotubes (Durchmesserbereich 1 bis 100 nm, Länge mehrere µm, Dichte 20 Prozent von Kupfer, 1.000-fache Strombelastbarkeit von Kupfer) waren deren duroplastische und thermoplastische Komposite in den letzten Jahren Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten. Die Herstellung von MWCNT-Kompositen stellt hinsichtlich der Verfahrensführung sowie der Staubvermeidung während der Dosierung der MWCNTs hohe Ansprüche.

Optimales Compoundieren

Das Ausbilden eines Netzwerks ist in komplexer Weise durch die Eigenschaften des Matrixkunststoffs (Schmelzeviskosität, chemische Beschaffenheit, Polarität), des Füllstoffs (Größe, Form, chemische Beschaffenheit der Oberfläche) sowie der gewählten Verfahrensparameter (Schneckendesign, Temperatur, Durchsatz, Schneckendrehzahl) bestimmt. Die Erfahrung zeigt, dass sich die optimalen Compoundier-Ergebnisse nicht von einem Materialsystem auf ein anderes übertragen lassen. Um die für ein neues Materialsystem jeweils notwendige Parameterstudie so effektiv wie möglich zu gestalten, wurde eine softwaregestützte Versuchsplanung mithilfe des DoE (Design of Experiments) Programmes Modde 8.0 durchgeführt.

Als Matrix wurde ein PP R352-08R des Herstellers Dow verwendet, als Füllstoff dienten MWCNTs NC7000 des Unternehmens Nanocyl. Das Compoundieren erfolgte auf einem gleichläufigen Doppelschnecken-Extruder Leistritz ZSE 27HP-52D mit einem L/D Verhältnis von 52. Als Einflussfaktoren wurden die Verarbeitungstemperatur (T in °C), die Schneckendrehzahl (N in rpm), der Durchsatz (M in kg/h) sowie der Gehalt an MWCNTs (W in Gewichtsprozent wt.%) gewählt.

Bei den Proben mit 5 wt.% MWCNT zeigt sich als größter Einflussfaktor die Schneckendrehzahl: Der Volumenwiderstand fällt beim Übergang von 500 rpm auf 1.100 rpm bei den meisten Parameterkombinationen um etwa 12 Größenordnungen (S17-S18, S15-S16, S11-S12) (Grafik 1). Von besonderem Interesse sind die Proben S03 und S04.

Bei den Compoundier-Parametern 220°C und 7,5 kg/h gelingt das Ausbilden eines Netzwerkes bereits mit 2 Prozent MWCNT-Gehalt, wenn die Schneckendrehzahl von 500 auf 1.100 erhöht wird. Der Unterschied zur Probe mit 5 Prozent MWCNT-Gehalt bei gleichen Parametern beträgt lediglich eine Größenordnung, was ein Reduzieren des erforderlichen MWCNT-Gehaltes zum Erreichen eines vergleichbaren Volumenwiderstandes um etwa die Hälfte bedeutet. Dem Schneckendesign kommt beim Compoundieren eine zentrale Bedeutung zu. In der Parameterstudie wurden daher drei verschiedene Schneckenkonzepte untersucht, soft, normal und aggressiv, die sich in der Anzahl der verwendeten Knetelemente unterschieden, hinsichtlich ihrer Auswirkung auf den erzielbaren Volumenwiderstand der Komposite. Niedrige Durchsätze verringern den Volumenwiderstand bei gleichem Schneckendesign und bei hohen Durchsätzen ist eine aggressivere Schneckenauslegung vorteilhaft (Grafik 2).

Online-Qualitätskontrolle

Zur Qualitätskontrolle während des Compoundier-Vorgangs wurde der elektrische Widerstand der Schmelze direkt vor der Extruderdüse mithilfe von in die Schmelze ragenden Elektroden gemessen (Grafik 3). Hierbei handelt es sich nicht um eine Materialeigenschaft der Schmelze, da der Stromfluss durch diese undefiniert ist, doch stellen sich, abhängig von der Zusammensetzung des Komposits und der gewählten Verfahrensparameter, charakteristische Werte des gemessenen Widerstandes ein. Bei geringen Widerständen erkennt man einen konstanten Widerstandsverlauf über die Zeit. Je höher der Widerstand ist, desto ungleichmäßiger wird dessen zeitlicher Verlauf.

Aus den Schmelzen mit einem online gemessenen Widerstand von weniger als 106 Ohm konnten in allen Fällen leitfähige Stränge produziert werden. Lag der Widerstand oberhalb von 106 Ohm, waren die extrudierten Stränge in keinem Fall leitfähig. Darüber hinaus besteht eine direkte Korrelation des online gemessenen Widerstands der Schmelze mit dem offline gemessenen Volumenwiderstandes der extrudierten Stränge (Grafik 4). Diese Beobachtungen lassen sich direkt zur Kontrolle der Qualität des Komposits während seiner Herstellung nutzen. Durch die online Überwachung der Leitfähigkeit der Schmelze während des Compoundierens kann die gleichbleibende Qualität des hergestellten Komposits sichergestellt werden.

Die Parameterstudie zeigt, dass mit einer relativ einfach zu realisierende Messtechnik die im Komposit zu erwartende elektrische Leitfähigkeit bereits während des Compoundierens durch die Materialzusammensetzung und die Wahl der Verfahrensparameter einzustellen und zu überwachen ist.

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Dr. Christof Hübner