Im Rahmen eines Forschungsvorhabens hat das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen elektrisch leitfähige Kunststoffcompounds entwickelt, die eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig reduziertem Füllstoffanteil ermöglichen. Der Grund ist die synergetische Wirkung unterschiedlich großer Füllstoffe in einer polymeren Matrix.

Elektrische und elektronische Produkte (E/E-Produkte) werden immer kleiner und leistungsfähiger. Gleichzeitig wird eine hohe Modularität gefordert, um diese in hoch integrierten Baugruppen flexibel einsetzen zu können [1]. Dies setzt eine Weiterentwicklung voraus, wozu auch neue werkstoffseitige Lösungskonzepte gehören [2]. Elektrisch leitfähige Kunststoffbauteile weisen dafür ein großes Potenzial auf, die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen erfüllen zu können. Durch den Einsatz lassen sich geometrisch komplexe Strukturen im konventionellen Spritzgießprozess mit geringem Fertigungsaufwand und zu niedrigen Produktionskosten herstellen. Das Einarbeiten leitfähiger, fester Füllstoffe in eine ansonsten isolierend wirkende Kunststoffmatrix stellt den klassischen Weg dar, Polymere elektrisch leitfähig auszurüsten [3].

Durch den Einsatz eines einzelnen Füllstoffs ist die erzielbare elektrische Leitfähigkeit jedoch nach oben begrenzt (elektrische Leitfähigkeiten < 104 S/m) [4]. Der gemeinsame Einsatz verschieden großer Füllstoffe ist dagegen vielversprechend. Das Potenzial von Füllstoffkombinationen konnte durch ein entwickeltes ternäres Hybridsystem auf Basis von Polyamid 6, kurzen Kupferfasern und einer niedrig schmelzenden Metalllegierung aufgezeigt werden, welches elektrische Leitfähigkeiten von 105 bis 106 S/m erzielt. Die Kombination von Carbonfasern (CF) mit geringen Füllstoffanteilen an Carbon-Nanotubes (CNT), einem Leitfähigkeitsruß (Ruß) und der angesprochenen niedrig schmelzenden Metalllegierung (MCP) verbessert die elektrische Leitfähigkeit von CF-Compounds ebenfalls um einen Faktor zwischen 5 bis 10 (0,5 bis 1 Größenordnungen) [4]. Die maximale elektrische Leitfähigkeit ist jedoch bei ausschließlich kohlenstoffhaltigen Füllstoffen auf maximal 1x103 S/m begrenzt.

Elektrisch leitfähige ternäre Compounds

Aufgrund der guten intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit bieten sich insbesondere Kupferfasern als Füllstoffe an. In einem abgeschlossenen Forschungsvorhaben sind daher auch binäre (Matrix + Füllstoff) und ternäre (Matrix + zwei Füllstoffe) Compounds auf Basis von Polyamid und Kupferfasern in Kombination mit Nanofüllstoffen (Kohlenstoffnanoröhrchen und Leitfähigkeitsruß) sowie mit der schon erwähnten niedrig schmelzenden Metalllegierung untersucht worden.

Die Compounds wurden in einem modular aufgebauten Doppelschneckenextruder aufbereitet und anschließend auf einer Spritzgießmaschine zu einfachen Probekörpern, wie Probeplatten und Fließspiralen, weiterverarbeitet. In Bild 1 ist die elektrische Durchgangs-Leitfähigkeit der binären und ternären Compounds auf Basis von 25 Vol.-% CuF gegenübergestellt. An stabförmigen, aus Probeplatten entnommenen Proben wurde die elektrische Durchgangs-Leitfähigkeit bestimmt, welche ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit des Bauteilinneren ist. Bei einem Füllstoffanteil von 25 Vol.-% CuF ist die elektrische Perkolationsschwelle bei binären CuF-Compounds erreicht und eine weitere Zugabe an CuF führt zu einem signifikanten Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit von mehreren Größenordnungen.

Durch eine geringere volumetrische Zugabe an Nanofüllstoffen kann die elektrische Leitfähigkeit ebenfalls verbessert werden. Bei einem gleichen volumetrischen Gesamtfüllstoffanteil weisen ternäre Compounds grundsätzlich höhere elektrische Leitfähigkeiten auf. So werden mit 1 bis 2 Vol.-% CNT höhere elektrische Leitfähigkeiten als durch die Zugabe an 5 Vol.-% CuF erreicht (103 S/m). Mit einer Zugabe von 3 Vol.-% CNT werden die maximalen Durchgangs-Leitfähigkeiten der binären CuF-Compounds mit 40 Vol.-% CuF bereits übertroffen (9×103 S/m). Höhere elektrische Leitfähigkeiten werden durch die Zugabe von Ruß erzielt. Durch die Kombination von Kupferfasern mit Ruß kann eine maximale elektrische Leitfähigkeit von 3×104 S/m erzielt werden, die höher ist als die binärer CuF-Compounds.

Als wesentlicher Grund für den positiven Effekt ist die Form und Größe der Fasern anzuführen. Durch die unregelmäßige Gestalt der kurzen Kupferfasern entstehen größere Lücken zwischen den einzelnen Fasern. Die Zugabe von Ruß und CNT, die fein verteilt in der Matrix dispergiert vorliegen, erhöht die Anzahl an leitfähigen Kontaktstellen signifikant. Die Kombination von Kupferfasern mit MCP ist bereits in früheren Untersuchungen betrachtet worden [2]. Aus den Entwicklungen am IKV ist ein optimiertes Hybridmaterial mit der Zusammensetzung PA + 25 Vol.-% CuF+ 19 Vol.-% MCP entstanden. Mit diesem ternären Compound werden die höchsten Durchgangs-Leitfähigkeiten von fast 106 S/m erzielt. Sobald der Metalllegierungsanteil aber signifikant reduziert wird, liegt die elektrische Durchgangsleitfähigkeit jedoch nur noch auf dem Niveau von PA + CuF + Ruß. Für den Einsatz der neu entwickelten ternären Compounds auf Basis von CuF und CNT oder Ruß spricht die geringere Dichte von 3,1 bis 3,2 g/cm³ im Vergleich zu 4,2 g/cm³ für PA + 25 Vol.-% CuF + 19 Vol.-% MCP.

Materialeigenschaften der ternären PA-CuF-Compounds

Neben der elektrischen Leitfähigkeit sind auch die mechanischen Bauteileigenschaften sowie die Fließfähigkeit der Compounds von Interesse. Bild 2 zeigt die mechanische Zugfestigkeit der binären und ternären PA-CuF-Compounds. Ermittelt wurden diese Werte an entnommenen Schulterstäben aus den Probeplatten. Durch die Zugabe von CNT und Ruß können höhere Zugfestigkeiten erreicht werden, als dies mit den binären Compounds möglich ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die binären Compounds PA + CNT und PA + Ruß vergleichsweise gute Festigkeiten ermöglichen. MCP hat dagegen keine Festigkeitssteigerung zur Folge. Während durch die Zugabe von CNT und Ruß auch die Steifigkeit bei geringen Nanofüllstoffanteilen um mehr als 30 % über den reinen additiven Effekt beider Füllstoffe hinaus verbessert werden kann, ist die Bruchdehnung der ternären Compounds im Vergleich zu den binären Compounds geringer.

Insbesondere für das Herstellen von Leiterbahnstrukturen ist die Fließfähigkeit der Materialien entscheidend. Die Messung der maximalen Fließlänge von Fließspiralen bei einem konstanten Einspritzdruck (900 bar) ermöglicht eine einfache Bewertung des Fließ- und Erstarrungsverhaltens von Kunststoffen. Für die Untersuchungen ist eine Fließspirale mit einem Fließquerschnitt von 5 x 2 mm² und einer maximalen Fließweglänge von 550 mm verwendet worden. Die Fließfähigkeit der ternären PA-CuF-Compounds ist bei ähnlichen Füllstoffanteilen im Vergleich zu den binären Systemen leicht reduziert.

So erweist sich die Kombination aus CuF und CNT als guter Kompromiss zwischen erzielbarer elektrischer Leitfähigkeit und Fließfähigkeit.Neben der maximalen Leitfähigkeit und der Fließfähigkeit elektrisch leitfähiger Compounds ist der minimale Fließquerschnitt zur Ausbildung eines guten Leitfähigkeitsnetzwerks von großer Bedeutung. Als Bauteilgeometrie wurden anwendungsnahe 2-Komponenten-Leiterbahnstrukturen analysiert. Auf eine isolierend wirkendende Trägerplatte aus einem Hochtemperatur-Thermoplasten mit guter Wärmeformbeständigkeit (PESU-GF20 vom Typ Ultrason E 2010 G4 UN) wurden Leiterbahnen unterschiedlicher Fließquerschnitte aus den ternären PA-CuF-Compounds mit den jeweils höchsten Nanofüllstoffanteilen aufgespritzt. Die elektrische Leitfähigkeit wird dabei an entnommenen Probestreifen in Abhängigkeit des Fließweges bestimmt. Bis zu einem Fließquerschnitt von 2 x 2 mm² lassen sich für alle ternären Compounds elektrische Leitfähigkeiten > 104 S/m realisieren.

Bei kleineren Querschnitten ist die ermittelte elektrische Leifähigkeit abhängig vom Materialsystem geringer. Die Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Netzwerks kann zwar durch die vergleichsweise dicken Kupferfasern mit kleiner werdendem Fließquerschnitt beeinträchtigt werden, entscheidender ist jedoch die erschwerte elektrische Kontaktierung von kleinen Leiterbahnstrukturen, die in einer Trägerplatte integriert sind. Letzteres wird deutlich durch Messergebnisse von Proben aus PA-CuF-MCP, die im 1K-Prozess ohne Trägerplatte direkt als Fließspirale hergestellt worden sind. Diese 1K-Proben zeigen konstante, elektrische Leitfähigkeiten bis zu einem Fließquerschnitt von 1 x 1 mm² auf.

Der gleichzeitige Einsatz von elektrisch leitfähigen Kupferfasern im Mikrometerbereich und Füllstoffen, die fein dispergiert in den Zwischenräumen der Fasern vorliegen, verbessert das elektrisch leitfähige Netzwerk. So sind durch die Kombination von Kupferfasern mit Carbon-Nanotubes, einem Leitfähigkeitsruß oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung geringere Füllstoffanteile zur Erzielung vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeiten notwendig. Gleichzeitig kann durch den Einsatz eines Leitfähigkeitsrußes und der niedrig schmelzenden Metalllegierung, die maximale elektrische Leitfähigkeit von elektrisch leitfähigen binären Kunststoffcompounds signifikant erhöht werden. Diese hybriden Füllstoffsysteme stellen somit erfolgsversprechende Möglichkeiten dar, zukünftig in E/E-Bauteilen zur Strom- oder Signalübertragung eingesetzt zu werden.

Literatur
[1] Drummer, D.; Dörfler, R.: Leuchtendes Beispiel. Funktionsintegration. Kunststoffe 97 (2007) 11, S. 64-67
[2] Pfefferkorn, T. G.: Analyse der Verarbeitungs- und Materialeigenschaften elektrisch leitfähiger Kunststoffe auf Basis niedrig schmelzender Metalllegierungen. RWTH Aachen, Dissertation, 2009 – ISBN: 3-86130-864-9
[3] Mair, H. J.; Roth, S.: Elektrisch leitende Kunststoffe. 2. Aufl. Hanser, München 1989
[4] Hopmann, Ch.; Fragner, J.: Verbesserte Leitfähigkeiten von Kunststoffen. Kunststoffe 101 (2011) 12, S. 27-30
[5] Schulatec TinCo 50. Technische Information. Materialdatenblatt, A. Schulman GmbH, Kerpen, 2009

Das IGF-Forschungsvorhaben (16310 N) der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschafts-forschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

Darüber hinaus gilt unser Dank den Firmen Arburg GmbH + Co KG, Loßburg, A. Schulman GmbH, Kerpen, BASF SE, Ludwigshafen, Coperion GmbH, Stuttgart, Nanocyl SA, Sambreville, Belgien, Orion Engineered Carbons GmbH, Hanau-Wolfgang, die durch wertvolle Hinweise sowie Bereitstellung von Kunststoffen, Maschinen und sonstigen Sachmitteln die Arbeiten unterstützt haben.

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Über den Autor

Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann ist Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen und Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen Dipl.-Ing. Jan Fragner ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts