Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Neue Strategien zur Reduzierung des Füllstoffgehaltes wärmeleitender Kunststoffcompounds

Forschungsthema:

Neue Strategien zur Reduzierung des Füllstoffgehaltes wärmeleitender Kunststoffcompounds

Forschungsziel:

Durch den wachsenden Markt hochintegrierter Funktionsbauteile (z.B. Internet der Dinge, Industrie 4.0) steigt der Bedarf an funktionalisierten, spritzgießbaren Kunststoffen. Wärme-leitfähige und elektrisch isolierende Kunststoffe spielen dabei eine Schlüsselrolle. Zur Markt-durchdringung muss diese Materialklasse jedoch in Bezug auf Kosten und mechanische Ei-genschaften deutlich leistungsfähiger werden. Ziel ist es, diese Lücke durch neuartige Formulierungsansätze zu schließen, die bei gleichbleibender Wärmeleitfähigkeit mit signifikant reduziertem Füllstoffgehalt auskommen.

Lösungsweg:

Hierzu werden Blendsysteme entwickelt, die aus einer maximal gefüllten und füllstofffreien Polymerphase bestehen. Eine solche Morphologie macht die teilweise Entkopplung von Wärmeleitfähigkeit und den übrigen mechanischen Eigenschaften im Blend möglich. Dadurch kann der Füllstoffgehalt signifikant reduziert werden. Weiter wird der Übergang von Füllstoff und Polymerkette optimiert. Dies erfolgt durch Erhöhung der intrinsischen Wärmeleitfähigkeit der Matrix bzw. durch synergistisch wirkende Additive. Die Kombination dieser beiden Entwicklungen führt zu einem deutlichen Vorsprung im Vergleich mit den bis-lang verfügbaren Materialien.

Angestrebte Ergebnisse und Nutzen für kmU:

KmU werden mit den im Vorhaben erarbeiteten Erkenntnissen in die Lage versetzt, gezielt solche neuartigen Kunststoffcompounds maßzuschneidern und haben so die Möglichkeit, sich am schnell wachsenden Markt zu positionieren. Aus dieser neuen Materialklasse ergeben sich neue Ansätze im Bereich der Funktionsintegration, was zusätzlich zu einem be-schleunigten Marktwachstum beiträgt. Die kunststoffverarbeitende Industrie wird von der Compoundierung, über die Auslegung bis zur Bauteilherstellung von den Projektergebnissen profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

In HEATCOP wurden wärmeleitfähige Blends aus PA 6 und HPDE untersucht. Ursprüngliches Leitmotiv war es, eine selektive Lokalisation des Füllstoffes im Polyamid während der Verarbeitung zu erreichen. So wurde systematisch der Einfluss der Zusammensetzung (z.B. Phasenverhältnis, Viskosität, Füllstoffgehalt, Kompatibilisator, etc.) bzw. der Prozessführung (z.B. Masterbatch, Temperatur, etc.) auf Morphologie und Füllstoffverteilung sowie relevante Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Mechanik, Rheologie) untersucht; zusätzlich wurden neue Methoden entwickelt, um simultan Phasenmorphologie und Füllstoffverteilung mittels RAMAN-Mikroskopie zu ermitteln. Auch wenn in den Modellsystemen eine selektive Lokalisation unter den Prozessbedingungen nicht festgestellt wurde, wurde das zentrale Ziel erreicht: Durch den Blend-Ansatz konnten bei gleicher Wärmeleitfähigkeit die mechanischen (Schlagzähigkeit) und Verarbeitungseigenschaften (Fließfähigkeit) gegenüber vergleichbaren PA6-Compounds deutlich verbessert werden. Gerade die Fließfähigkeit ist in vielen Anwendungsfällen solcher Compounds eine zentrale Eigenschaft, um beispielsweise bestimmte Bauteile realisieren zu können. Es ist festzuhalten, dass die hier gefundenen Zusammenhänge gemäß den für die jeweilige Anwendung erforderlichen Größen (Wärmeformbeständigkeit HDT, Schlagzähigkeit, Fließfähigkeit) individuell angepasst werden können, beispielsweise durch das Verhältnis der beiden Polymerphasen, ihrer Viskosität und/oder über die Wahl der Füllstoffe und deren Gehalte. Durch Hybrid-Füllstoffe wie BN (nebst Alumosilikaten) lässt sich die Wärmeleitfähigkeit weiter erhöhen. Auch eine Übertragung auf weitere Blendsysteme (z.B. zur Erhöhung der HDT) erscheint als weitere Handlungsempfehlung schlüssig. Anwendungsfelder liegen vor allem im Bereich von Compounds und daraus hergestellter Bauteile in den Bereichen E&E, Lichttechnik, Sensorik sowie im Bereich des Thermomanagements (z.B. im Kontext von Brennstoffzellensystemen).