Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Carbon Nanotube modifizierten Klebstoffen auf Polyurethan- und Silikon-Basis zum Kleben und Vergießen von ESD- und EMV-empfindlichen Bauteilen

Elektrostatische Entladungen (engl. Electro Static Discharge, kurz ESD) verursachen jährlich wirtschaftliche Schäden in Millionenhöhe. Die heutigen, oft auf Epoxid-Basis angebotenen Lösungen zur Vermeidung von Problemen mit ESD und EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) bieten für den Verguss bzw. klebtechnisches Fügen von relevanten polymeren und metallischen Bauteilen sehr wenig Flexibilität. Aufgrund der hohen Steifigkeit, geringen Elastizität, Temperaturbeständigkeit, Spaltfüllvermögen oder auch dynamischen Eigenschaften der Werkstoffgruppe „Epoxidharze“ stehen der Industrie wenige Auswahlmöglichkeiten zur Verfügung. Für zahlreiche Anwendungsfälle existieren derzeit gar keine Lösungen. Genau diesen Problematiken soll im Rahmen des Forschungsvorhabens begegnet werden. Das Gesamtziel des geplanten Vorhabens besteht daher darin, im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen eine Modifikation der 2K-PUR- und 2K-Silikon-Klebstoffe (bzw. Vergussmassen) mit CNTs an ausgewählten Klebstoffrezepturen zu demonstrieren sowie die relevanten Eigenschaften dieser innovativen ESD- und EMV-fähigen Klebstoffe bzw. Vergussmassen zu untersuchen. Diese beiden Werkstoffklassen bieten gegenüber den Epoxid-Werkstoffen eine deutlich breitere Eigenschaftspalette. Die elektrischen Eigenschaften der neu entwickelten Klebstoffe und Vergussmassen sollen dabei mindestens die Anforderungen an ESD-Schutz gemäß der DIN EN 61340-5-1 für den „Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene“ erfüllen sowie gleichzeitig deutlich verbesserte Eigenschaften zur Haftung, Elastizität oder Temperaturbeständigkeit aufweisen. Die deutlich günstigeren Preise der Ausgangsrohstoffe (z. B. Silikon, Alkoxy, Polyol und Isocyanat gegenüber Epoxid und mehrfachen Amine) machen diese Untersuchungen besonders für KMU interessant.

Ergebniszusammenfassung:

Nach einer Materialvorauswahl wurden Polymerkomposite auf Basis von drei kommerziellen Silikonen (Novasil

S44, Novasil S822, Sylgard 184) und zwei kommerziellen Polyurethanen (WEVOPUR PD52, WEVOPUR 895)

sowie drei nanokohlenstoffbasierten Füllstoffen (Carbon Black ENSACO 250 G, Single-Walled Carbon Nanotubes

Tuball, Multi-Walled Carbon Nanotubes NC7000) hergestellt und charakterisiert. Dabei wurden als

Dispergierverfahren die Dualasymmetrische Zentrifuge (DAZ) und das Dreiwalzwerk betrachtet.

Mit Füllgraden bis 0,5 Gew.% konnte der elektrische Durchgangswiderstand der Komposite um bis zu 16

Größenordnungen verringert werden, sodass die Komposite als elektrisch leitfähig klassifiziert werden konnten.

Dieser Zustand hat sich in Klimawechseltests über 1000 Stunden als stabil erwiesen.

Es können folglich für ESD-Anwendungen geeignete Komposite hergestellt werden. Darüber hinaus wurde in

einem Demonstrator die Anwendung für die Kontaktierung von Widerstandsheizelementen für PKW erprobt.

Die erreichbaren Eigenschaften hingen stark von der erzielten Dispergiergüte ab. Diese war mittels Dreiwalzwerk

höher als mittels DAZ, sodass hiermit eine höhere Sedimentationsstabilität erreicht wurde.

Die Viskosität wurde durch Zusatz der Nanotubes insbesondere für niederviskose Basissysteme stark erhöht,

kann durch Verarbeitungsadditve jedoch wahrscheinlich wieder gesenkt werden. Letzteres war jedoch nicht Inhalt

des Forschungsvorhabens.

Bruchspannung und -dehnung wurden je nach System nur geringfügig bis stark beeinflusst. Auf die Adhäsion

konnte im betrachteten Bereich kein systematischer Einfluss festgestellt werden. Die Oberflächenenergie wird

durch Nanotubes für Polyurethane tendenziell gesenkt und für Silikone erhöht.