Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Thermisch und elektrisch leitfähige Thermoplastcompounds für Faser- und Kunststoffanwendungen

Durch Füllstoffe funktionalisierte Thermoplastcompounds können Vorteile der Materialien „Konstruktions-Metalle“ und „Engineering-Kunststoffe“ vereinen. Diese Compounds erreichen thermische und/oder elektrische Leitfähigkeiten, die bei passender Konstruktion erhebliche Vorteile bieten und in Anwendungen bereits etabliert sind (Wärmetauscher, Seewasser oder Wärmerückgewinnung bei Galvanik-Bädern, Kühlkörper in Elektronikanwendungen oder stromführende Schichten in Batterien).

Die Einsatzgebiete sind umfangreicher als bisher prozessicher, dauerhaft und stabil erreichbar. Einer der Hauptgründe ist die thermoplastische Verarbeitung und die Fließfähigkeit von hochgefüllten Compounds. Je nach Art des Füllstoffs erreicht die Fließfähigkeit eine Grenze: entweder eingeschränkte Fließwege, keine robuste Verarbeitung oder zu große Hürden beim KMU-Anwender (technisch, wirtschaftlich oder knowhow). Diese Faktoren behindern oft die Umsetzung von innovativen Produkten, bei denen die Machbarkeit erreicht ist.

Im Projekt TECMAT sollen durch die gezielte Fokussierung auf das Fließverhalten von leitfähigen Thermoplastcompounds diejenigen Verarbeitungswege ermöglicht werden, die bisher nur praktisch nicht machbar sind: Schmelz-Faserspinnen, Thermoformen und Dünnwandspritzgießen. Ermöglicht wird dies durch den sog. „Koaleszenz-Ansatz“, bei dem ein hochgefülltes Polymer-Compound mit einem zweiten, ungefüllten und nicht „kompatiblen“ Polymer über die Schmelze angewendet wird. Während der Verarbeitung entsteht ein leitfähiges Compound-Netzwerk, das fließtechnisch „getragen“ wird von der ungefüllten Komponente.

Die Machbarkeit dieses Ansatzes wurde im Labormaßstab in den Projekten „Fibriltex“ und „Innoblends“ nachgewiesen. In TECMAT werden Polymere und Füllstoffe in ihrer Konstitution und Konfirmation betrachtet, wie auch die Prozesse der Compoundherstellung. Das Ziel ist eine möglichst schnelle und einfache Umsetzung der Ergebnisse an bestehenden Maschinen der KMU-Kunststoffindustrie.

Ergebniszusammenfassung:

Erarbeitet wurden:

- eine Marktübersicht verfügbarer Compounds, ihren Einsatzbereichen, den verwendeten Arten der funktionalen Kohlenstoffe sowie ihre mechanische Leistungsfähigkeit sowie bezüglich ihrer thermischen und elektrischen Leitfähigkeit. Hiermit können Produktionsunternehmen eine unabhängig erstellte Vorauswahl für die Entwicklung neuer Erzeugnisse treffen.

- Grundsätze der Wirkungsweise der funktionalen Kohlenstoffe wurden dargestellt und diese wurden in Zusammenhang gebracht mit den Charakteristika wie spezifischer Oberfläche und der Modifizierung des Rohstoffs. Hiermit kann in Aufbereitungsunternehmen Knowhow für die Erstellung eigener Rohstoffe abgeleitet werden und ggfs. können bestehende Produkte modifiziert werden.

- Im Labormaßstab wurden Screeningversuche zur Bestimmung der Verträglichkeit im Sinne hoher elektrischer Leitfähigkeiten durchgeführt. Es wurden Ergebnisse erarbeitet zur funktionalen Wirkungsweise der Rohstoffe und ihrer Kombinationen, wie die Rezeptierung einer Graphit-Rußmischung für die Erreichung hoher Leitfähigkeiten. Diese Informationen leisten einen Beitrag für Rohstoffhersteller und Verarbeiter bei der Erschließung neuer Geschäftsfelder.

- In Compoundierversuchen wurden auf industrienahen Maschinen Compounds hergestellt und auf ihre Leistungsfähigkeit sowie Morphologie geprüft.

- Die verwendeten Messverfahren wurden als spezifische Möglichkeit einer Charakterisierung vorgestellt und gegeneinander abgewogen.

- Die Wirkung einer spezifischen Abmischung zur Erreichung einer elektrisch funktionalen Koaleszenz bei der Flachfolienherstellung und anschließendem Thermoformen wurde erfolgreich demonstriert.

- Ein Thermoform-Werkzeug für die Herstellung von Demonstratorbauteilen aus hoch elektrisch leitfähigem Folienmaterial mit Verstreckungsgraden von < 3,9 wurde erstellt.

- Das Spritzgießen thermisch / elektrisch hoch funktionaler, dünnwandig ausgeführter Bauteile wurde anhand einer Fließspirale sowie einer Platte bewertet.