Mit dem fortschreitenden Einsatz von Kunststoffen für Anwendungen in der Elektrotechnik und Elektronik (E+E) sind auch wachsende Anforderungen an die Eigenschaften der Werkstoffe und der entsprechenden Bauteile verbunden. Mit steigender Temperaturbelastung werden zunehmend Hochleistungskunststoffe eingesetzt, die eine hohe Wärmeformbeständigkeit, Dauergebrauchstemperaturen, Festigkeit und Zähigkeit haben. Doch neben den zum Teil sehr hohen Materialkosten ergeben sich für den Verarbeiter erhebliche Zusatzaufwendungen für Maschinenausrüstungen und Energie.

Eine Alternative bietet die Strahlenvernetzung von technischen Thermoplasten durch Elektronenstrahlen. Dabei werden technische Kunststoffe unter Standardbedingungen auf Standard-Spritzgießmaschinen verarbeitet und die erhaltenen Teile anschließend durch die Strahlenvernetzung in ihren Eigenschaften modifiziert. Das Verfahren der Strahlenvernetzung ist seit etlichen Jahren bekannt und hat mittlerweile eine ganze Reihe von Anwendungen gefunden. So werden seit langem Kabel und Rohre aus PE strahlenvernetzt. Für die Strahlenvernetzung von Polyamiden wurden bereits Lösungen erarbeitet. Auch PBT ist bei Anwesenheit eines Vernetzungshilfsmittels durch hochenergetische Strahlen vernetzbar.

Definition des Verfahrenswegs

Zielstellung eines durch das BMWI geförderten Projekts im Kunststoff-Zentrum in Leipzig war die Beantwortung der Frage, welches erweiterte Eigenschaftspotenzial sich durch die Elektronenstrahlvernetzung für PA 6 und PBT im Hinblick auf Anwendungen in der EE ergibt. Ein wichtiger Aspekt waren die Untersuchungen zum Einfluss der Strahlenvernetzung auf die elektrischen Eigenschaften. Dazu wurden die Ausgangspolymere entsprechend modifiziert, die notwendigen Probekörper spritzgegossen und nach der Elektronenbestrahlung umfassend untersucht.

Die Optimierung der Bestrahlungsbedingungen unter Verwendung von Elektronenstrahlen mit einer Energie von 10 MeV erfolgte in Zusammenarbeit mit der Synergy Health, Radeberg. Als Vernetzungshilfsmittel für beide Polymere wurde Triallylisocyanurat (TAIC) verwendet, das in einem Compoundierschritt schonend eingearbeitet wurde. Spritzgießverarbeiter können auch auf fertige Compounds zurückgreifen. Die Spritzgießparameter entsprachen denen der unmodifizierten PA 6- und PBT-Formmassen. Die Untersuchungen erfolgten an den PA 6-Typen Durethan B30S und BKV?30 sowie den PBT-Typen Pocan B 1505 und B?3235 von Lanxess.

Charakterisierung des Vernetzungszustandes

Für das Verständnis der Eigenschaftsveränderungen durch die Strahlenvernetzung ist die Charakterisierung des Vernetzungszustandes notwendig. Dazu erfolgte die übliche Bestimmung des chemischen Vernetzungsgrades mit der Sol-Gel-Analyse. Dieses Verfahren ist zeitaufwändig und liefert nur Angaben zum Verhältnis der löslichen und unlöslichen (vernetzten) Anteile. Strukturinformationen und Angaben zu Veränderungen des thermomechanischen Verhaltens wurden durch Messungen mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) erhalten. Parameter sind der mechanische Glasübergang sowie die Größe des Speichermoduls. Oberhalb der Kristallitschmelze beschreibt der sogenannte Plateau-Modul unmittelbar die Netzwerkeigenschaften, sodass daraus Netzwerkparameter wie Netzbogenlänge und Netzwerkdichte bestimmt werden konnten.

Das durch die Bestrahlung entstehende Netzwerk verhindert das Fließen des Kunststoffs oberhalb der Kristallitschmelztemperatur (PA 6: zirka 222°C, PBT: zirka 225°C) und die äußere Form auch bei längerer Wärmeeinwirkung bleibt erhalten, wie die DMA-Kurven für PBT zeigen. Oberhalb 220°C stürzen die Modulkurven für das unvernetzte PBT regelrecht ab, während die vernetzten Proben bis 260°C noch eine signifikante Steifigkeit aufweisen. Die Messung des linken unvernetzten Probekörpers wurde bei 230°C abgebrochen.

Ohne bleihaltiger Lote sind die Löttemperaturen beim Reflow-Löten auf 260°C angestiegen. Bei Dünnwand-Spritzgussteilen können selbst PA?66-Teile diese Bedingungen nicht mehr überstehen, ohne strahlenvernetzt zu sein. Als einfacher und schneller Test zur Prüfung der Vernetzungsergebnisse ist der Lötkolbentest bekannt und ist vom Prinzip her mit dem Vicat-Test vergleichbar. Es zeigt sich, dass schon geringe Vernetzungsgrade ausreichend sind, die Eindringtiefe erheblich zu reduzieren. Unverstärktes PBT mit 55 Prozent Vernetzungsgrad zeigt bis zu einer Temperatur von 400°C lediglich ein minimales Anschmelzen des Polymers. Für die unvernetzten Proben werden dagegen bereits bei 300°C Eindringtiefen von 0,9 mm gemessen.

Elektrische und mechanische Eigenschaften

Die Vernetzung hat keinen gravierenden Einfluss auf die bereits guten elektrischen Isolationseigenschaften der unvernetzten Polymere. Die Untersuchung des temperaturabhängigen Verhaltens von Oberflächen- und Durchgangswiderstand bis 180°C zeigte ein Sinken beider Kenngrößen mit steigender Temperatur sowohl für die unvernetzten als auch vernetzten Polymere. Oberflächen- und Durchgangswiderstand liegen aber bei 180°C immer noch im Bereich eines Isolators.

Die Strahlenvernetzung konnte die Beständigkeit der glasfaserverstärkten Materialien gegen die Entflammbarkeit mit dem Glühdraht (GWFI) um bis zu 200°C erhöhen. Beide Polymere bestehen diese Prüfung bei der höchsten nach Norm zu ermittelnden Temperatur von 960°C. Eine wichtige
Eigenschaft bei elektrischen Kontaktmöglichkeiten ist die Kriechstrom-festigkeit, die sich bei dem glasfaserverstärkten vernetzten PA?6 bei Verwendung der Prüflösung B von 425 V auf 600 V verbessert. Für viele technische Anwendungen ist die Langzeit-Wärmebeständigkeit außerordentlich wichtig. Eine Wärmelagerung bei 160°C über 1.000 h führte zu keiner signifikanten Veränderung der hier geprüften elektrischen Eigenschaften. Die Vernetzung hatte mit Ausnahme der Erhöhung der Zugfestigkeit und der Verringerung der Reißdehnung keinen maßgeblichen Einfluss auf die bereits guten mechanischen Eigenschaften des verwendeten PBT. Aus diversen Veröffentlichungen ist der positive Einfluss der Strahlenvernetzung auf die mechanischen Eigenschaften von PA?6 bereits hinreichend bekannt.

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Über den Autor

Carmen Schmidt, Wissenschaftliche Mitarbeiterin Prüftechnik, Kunststoff-Zentrum, Leipzig, schmidt@kuz-leipzig.de