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Artikel und Hintergründe zum Thema

ESD-Werkstoffe

Damit uns nicht der Schlag trifft

ESD-Werkstoffe bieten mehr Sicherheit
Schützt sensible Bauelemente: Elektrisch leitfähige Kunststoffe können die Zerstörung durch elektrostatische Entladungen verhindern.
Sicheres Ableiten elektrostatischer Aufladungen dient nicht nur der Betriebssicherheit elektronischer Systeme. Häufig ist das aus Sicherheitsgründen zwingend. Dabei hilft der Einsatz speziell modifizierter Kunststoffe, sogenannten ESD-Werkstoffen (Electro Static Dissipation).

Im Physikunterricht ist es ein beliebtes Experiment, durch Reibung Kunststofffolien elektrostatisch aufzuladen. Auch in vielen industriellen Anwendungen können sich durch Reibung Anlagenteile elektrostatisch aufladen. Bei Entladung dieser Spannungen sind Menschen gefährdet, in brand- oder explosionsgefährdeten Bereichen können sich Stäube und Gase durch Überschläge entzünden. Für elektromagnetische Störungen an empfindlichen Geräten sind häufig statische Aufladungen die Ursache. Elektrisch leitfähige und antistatische Kunststoffe können hier Abhilfe schaffen.

Kunststoffe mit definierten elektrisch leitenden Eigenschaften können elektrostatische Ladungen kontrolliert und dauerhaft ableiten. Einsatz finden sie in vielen Industriebereichen: Beispiele sind die Elektronik- und Halbleiterindustrie, der Lüftungs-, Ventilatoren- und Pumpenbau, Medizintechnik, Chemie- und Pharmaindustrie, Getreidemühlen und weiteren Industrien, in denen Schüttgüter Staub erzeugen, beim Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten und Gasen, beispielsweise an Tankstellen, auf Flughäfen in Gasanlagen, Papierindustrie, Gewebe- oder Folienherstellung oder der Bergbau. Die Röchling Produkte bieten aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaftsprofile laut Hersteller ein hohes Maß an Sicherheit für diese Anwendungen.
Erreicht eine Entladung in explosionsgefährdeten Bereichen, sogenannten Ex-Zonen, die erforderliche Zündenergie, kann es zu einer Funkenentladung und somit zur Entzündung der explosiven Stoffe kommen. Abgeleitet aus dem französischen Atmosphère Expolsive bildet die europäische Atex-Richtlinie 94/9/EG das Regelwerk für den Einsatz von Komponenten und Systemen in explosionsgefährdeten Bereichen.

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Isolationsverhalten richtig beurteilen

Das Isolationsverhalten eines Werkstoffes wird definiert vom Widerstand, den er einem durch ihn fließenden elektrischen Strom entgegensetzt. Der Durchgangswiderstand berücksichtigt lediglich den Strom, der durch das Werkstoffinnere fließt und schließt den an der Oberfläche fließenden Anteil aus. Der Oberflächenwiderstand der zwischen zwei auf der Oberfläche des Werkstoffs aufgesetzten Elektroden gemessen wird, berücksichtigt auch einen Teil des im Inneren fließenden Stroms.

Für die Beurteilung der Eignung eines Werkstoffes für eine ESD-Anwendung ist der Oberflächenwiderstand die wichtigere der beiden Kenngrößen, da er die elektrostatische Auf- und Entladung maßgeblich beeinflusst. Bei der Auswahl ist sicher zu stellen, dass das verwendete Material nicht elektrostatisch aufladbar ist, also der Oberflächenwiderstand weniger als 109 Ohm beträgt.
Der Oberflächenwiderstand lässt sich grundsätzlich in drei Widerstandsbereiche unterteilen:

– elektrostatisch leitfähig

– elektrostatisch ableitend oder dissipativ

– isolierend

Werkstoffe mit Oberflächenwider- ständen kleiner 106 Ohm sind elektrostatisch leitfähig. Diese Materialien sind in der Lage, aufgebrachte Ladungsträger in kürzester Zeit abzuleiten. Aufgrund der kurzen Entladungszeit sind leitfähige Materialien nicht für alle ESD-Anwendungen geeignet, da die hier auftretenden Spannungsspitzen besonders zu einer Schädigung elektrostatisch sensibler Elektronikbauteile führen können.

Als elektrostatisch ableitend oder dissipativ werden Werkstoffe bezeichnet, deren spezifischer Oberflächen- widerstand 106 und 1012 Ohm beträgt. Diese Werkstoffe können aufgebrachte Ladungsträger in einer definierten Zeit ableiten. Eine Aufladung dieser Werkstoffe ist nur begrenzt möglich. Werkstoffe mit einem Oberflächenwiderstand kleiner 109 Ohm sind nicht aufladbar.

Materialien mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand größer als 1012 Ohm sind isolierend. Isolatoren bieten eine sehr geringe Leitfähigkeit. Aus diesem Grund verweilen aufgebrachte Ladungsträger lange auf der Oberfläche dieser Materialien und fließen nur langsam ab. Aufladungen von vielen tausend Volt sind so problemlos möglich. Isolierende Werkstoffe sind für ESD-Anwendungen ungeeignet.
Eine weitere elektrostatische Materialkenngröße ist der Durchgangswiderstand. Einhergehend mit einer Reduzierung des Oberflächenwider- standes wird im Rahmen der Modifizierung eines Werkstoffs oft auch der Durchgangswiderstand gesenkt. Für eine Vielzahl von Anwendungen ist der Durchgangswiderstand ohne Bedeutung.

Den richtigen Werkstoff wählen

Der Mensch nimmt elektrostatische Entladungen erst oberhalb von 3000 Volt als kurzen elektrischen Schlag wahr. Bauteile die in der Elektronik- und Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen, sind weit empfindlicher. Schon Entladungen von deutlich kleiner als 100 Volt können sensible Bauelemente (ESDS = Electrostatic Discharge Sensitive Devices) beeinflussen oder sogar zerstören. Die Folge ist eine nachhaltige Schädigung oder der sofortige Ausfall des Bauteils. Materialien, die mit derart empfindlichen elektronischen Bauteilen in Berührung kommen, müssen daher über elektrisch ableitende Eigenschaften verfügen.

Bei solchen Anforderungen kommen elektrische leitende Kunststoffe zum Einsatz, auch und besonders Hochleistungskunststoffe. Neben ihren klassischen Eigenschaften wie chemische Beständigkeit, gute Gleitfähigkeit oder hoher Abriebbeständigkeit, schwerentflammbarer oder selbstverlöschender Einstellung oder Eignung für den Einsatz bei höheren Temperaturen verfügen sie auch über eine definierte elektrische Eigenschaft – von antistatisch bis leitfähig. Verfügbar ist ein vielfältiges Werkstoffspektrum, von Polypropylen über Polyethylen, auch als gepresste Platten, PVDF, PEI, PEEK und Polyamid bis zu POM. Und das jeweils in sehr unterschiedlichen Einstellungen und mit einem breiten Eigenschaftsspektrum. Damit sollte sich der weitaus größte Teil der Anwendungen abdecken lassen.

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