Hochleistungskunststoffe

Annina Schopen,

Alles fließt – auch der Strom

Einsatzfelder von Hochleistungskunststoffen lassen sich mit passenden Füllstoffen in der richtigen Konzentration erweitern. Durch spezielle Additive können zusätzliche Eigenschaften generiert werden, wie elektrische Leitfähigkeit oder eine ausgezeichnete Detektierbarkeit mittels Röntgeninspektion.

Bild 1: Betrieb einer LED durch ein stromführendes Testplättchen aus optimiertem Polyetheretherketon (PEEK) © Stasskol

Hochleistungskunststoffe erobern ein immer breiteres Anwendungsfeld in verschiedenen Industriezweigen, wie der chemischen Industrie, der Elektrotechnik oder der Lebensmittelindustrie. Immer, wenn es um hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit in Kombination mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften geht, kommen Materialien auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyimid (PI) zum Einsatz.

Damit die Hochleistungskunststoffe den Anforderungen einer speziellen Anwendung genügen, ist eine Anpassung der Materialeigenschaften durch Füll- und Verstärkungsstoffe sowie durch verschiedene funktionelle Additive notwendig. Durch eine gezielte Optimierung der Konzentration der Zuschlagstoffe kann eine Eigenschaftskombination erzielt werden, die konventionellen Materialien überlegen ist. Stasskol führt dazu gezielt Materialentwicklungen nach kunden- beziehungsweise anwendungsspezifischen Vorgaben durch.

Ungefüllte Kunststoffe sind aufgrund eines hohen Oberflächen- und Durchgangswiderstandes nahezu perfekte Isolatoren und werden daher häufig in der Elektronikbranche in Form von Platinen, Steckern, Halterungen et cetera eingesetzt. Hier gibt es Rezepturen mit anorganischen Füllstoffen, die die elektrischen Widerstände gegenüber den ungefüllten Materialien weiter erhöhen und nebenbei die Zerspanbarkeit verbessern.

Anzeige

Im Falle einer Kundenanfrage wurde exakt das Gegenteil gefordert. Für eine elektrische Anwendung in einer stark korrosiven Umgebung wurde ein Kunststoff mit hoher Chemikalienbeständigkeit, guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit benötigt. Als Matrixwerkstoff wurde schnell das Polyetheretherketon (PEEK) identifiziert. Allerdings liegt der spezifische Oberflächenwiderstand eines Standard-PEEK-Werkstoffes bei circa 1.016 Ohm. Es war also die Aufgabe, den Widerstand durch eine geeignete Füllstoffrezeptur signifikant zu senken. Dies geschieht normalerweise durch das Einarbeiten von Ruß und Kohlefasern, die bei hohem Füllgrad den spezifischen Oberflächenwiderstand auf einen Bereich von circa 104 Ohm reduzieren können. Compounds mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand in diesem Bereich bezeichnet man als „elektrisch ableitend“. Für eine zuverlässige stromführende Verbindung ist dies allerdings noch unzureichend.

Nach weiterer Optimierung und unter Einsatz eines Hochleitfähigkeitsrußes konnte der Widerstand gesenkt werden. Nach einigen Versuchen wurde ein spezifischer Oberflächenwiderstand von circa 20 Ohm und ein Durchgangswiderstand von 4 Ohm erreicht. Anhand dieser Werte konnte demonstriert werden, dass die isolierende Eigenschaft der Hochleistungskunststoffe durch einen geeigneten Füllstoffmix in eine ausgezeichnete Leitfähigkeit umgewandelt werden kann (siehe Bild 1).

Die Rezeptur lässt sich von PEEK auch auf andere Hochleistungskunststoffe wie PTFE oder Polyimid übertragen. So können die hervorragenden thermischen Eigenschaften und die hohe Chemikalienbeständigkeit ideal mit einer elektrischen Leitfähigkeit kombiniert werden. Dies bezieht sich nicht notwendigerweise auf die Leitung von Strom, sondern auch auf Gehäuseteile in Umgebungen mit explosiven Medien, die aufgrund von Richtlinien des Explosionsschutzes keine statischen Ladungen aufbauen dürfen. Es wird also noch viele Anwendungen geben, bei denen der geringe elektrische Widerstand von Kunststoffrezepturen den entscheidenden Vorteil ermöglicht.

Detektierbare Rezepturen im Lebensmittelbereich

Die chemisch inerten Hochleistungskunststoffe sind für den Einsatz im Lebensmittelsektor geradezu prädestiniert. Bei thermischer Beanspruchung wie beispielsweise Gar- oder Backprozessen sind sie formstabil und besonders das Polytetrafluorethylen (PTFE) steht hier aufgrund seiner geringen Anhaftung an die zu verarbeitenden Lebensmittel an erster Stelle. Der Einsatz von Kunststoffen in diesem Bereich stellt allerdings besondere Ansprüche an die Fremdkörperabwehr, da die Materialien nicht mittels Metalldetektoren und aufgrund ihrer geringen Dichte auch nicht durch Röntgeninspektionssysteme identifiziert werden können.

Prozesssicherheit im Lebensmittelbbereich ist oberstes Gebot, und so hat Stasskol zwei neue Materiallösungen auf der Basis von PTFE entwickelt: Eskaflon XD für die Röntgendetektion und Eskaflon DD für die duale Detektion mittels Metall- und Röntgendetektor. Spezielle Verarbeitungstechniken zur Herstellung der Compounds machen so auch kleine Fremdkörper detektierbar. Um die Detektierbarkeit der entwickelten Werkstoffe unter möglichst realistischen Bedingungen nachzuweisen, wurden Versuche innerhalb eines Lebensmittels durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde Schokolade ausgewählt, die mit einer Dichte von circa 1,2 g/cm³ repräsentativ für eine Vielzahl anderer Lebensmittel ist. Aus den Compounds gefertigte Probekörper definierter Größe (Partikel im Bereich von 1 bis 6 mm) ermöglichten in den durchgeführten Tests in Kooperation mit dem Gerätehersteller Mettler-Toledo die genaue Analyse der strahlenabsorbierenden und feldverändernden Effekte.

Detektion der Proben des Eskaflon mittels Röntgeninspektion; rechts: Größenvergleich der Proben. © Stasskol

Die Ergebnisse zeigten: Die Röntgen- und Metalldetektion der untersuchten Werkstoffe war erfolgreich. Auch der kleinste Probekörper mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Höhe von 1 mm ließ sich mit beiden Technologien sicher detektieren (siehe Bild 2). Aufgrund der hohen Signale ist auch die Detektion von noch kleineren Partikeln möglich. So können beim Einsatz der Compounds insbesondere solche Partikel sicher erkannt werden, die aufgrund ihrer undefinierbaren Form und Porosität ein erhöhtes Risiko bei der Fremdkörperabwehr darstellen.

Werkstoffe mit perfekten Eigenschaftsprofilen

Die angeführten Beispiele zeigen, dass sich die Einsatzfelder der Hochleistungskunststoffe bei der richtigen Auswahl und Konzentration an Füllstoffen sukzessive erweitern lassen. Hier stehen nicht nur die hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit und die sehr guten mechanischen Eigenschaften der Materialien im Vordergrund. Durch spezielle Additive können zusätzliche Eigenschaften generiert werden, wie in diesen Beispielen eine gute elektrische Leitfähigkeit oder eine ausgezeichnete Detektierbarkeit mittels Röntgeninspektion.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem Kunststoff Magazin Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite