Elektrisch leitfähige Kunststoffcompounds auf Basis von Füllstoffkombinationen

Kunststoffe können durch die Einarbeitung elektrisch leitfähiger Füllstoffe in die Polymermatrix elektrisch leitfähig ausgerüstet werden. Sog. binäre Kunststoffcompounds, bei denen lediglich ein leitfähiger Füllstoff in die Kunststoffmatrix eingearbeitet wird, weisen eine in Höhe und Homogenität begrenzte elektrische Leitfähigkeit auf. Um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern, bietet sich der Einsatz sog. ternärer Kunststoffcompounds an, die neben einer Polymermatrix aus einer Füllstoffkombination aus elektrisch leitfähigen Fasern und fein zwischen den Fasern dispergiert vorliegenden Nanofüllstoffen bestehen. So ermöglicht eine bereits entwickelte Füllstoffkombination aus Kupferfasern und einer niedrig schmelzenden Metalllegierung eine elektrische Leitfähigkeit von 8,7•105 S/m, die im Vergleich zu binären Kupferfaser-Compounds um zwei Größenordnungen erhöht ist (max. 6•103 S/m). In dieser Arbeit wird die gesamte Prozesskette von ternären Compounds im Vergleich zu binären Compounds analysiert. Als leitfähige Fasern werden Carbon-, Stahl- und Kupferfasern in Kombination mit den Nanofüllstoffen Carbon-Nanotubes und Leitfähigkeitsrußen sowie einer niedrig schmelzenden Metalllegierung untersucht. Die Compounds werden im Doppelschneckenextruder aufbereitet und anschließend im Spritzgießprozess zu einfachen Probekörpern weiterverarbeitet. Abschließend werden die Formteileigenschaften, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, bestimmt und die erzielten Effekte der Füllstoffkombinationen anhand von Mikroskopiebildern verifiziert. Die Verbesserung der Formteileigenschaften ist entscheidend von dem verwendeten Fasermaterial bzw. der Form und der Verteilung der Fasern im Formteil abhängig. Langstahlfasern liegen regellos verteilt im Kunststoffformteil vor und bilden bei sehr geringen Füllstoffanteilen ein dichtes, elektrisch gut leitfähiges Fasernetzwerk aus, welches nicht durch die Kombination mit Nanofüllstoffen optimiert werden kann. Dagegen ermöglichen ternäre Kunststoffcompounds auf Basis von kurzen Carbon- oder Kupferfasern in Kombination mit Carbon-Nanotubes (CNT) oder Leitfähigkeitsrußen eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit. Wie groß der Effekt der Füllstoffkombinationen ist, hängt entscheidend von dem gewähltenFaserfüllstoffanteil ab. Carbonfaser-Compounds zeigen insbesondere bei einem geringenFaseranteil von 10 Vol.-% eine deutliche Leitfähigkeitsverbesserung durch die Zugabe vonCNT oder Ruß im Bereich einer Größenordnung. Dagegen ermöglichen ternäre Kupferfaser-Compounds bei einem hohen Faseranteil von 25 Vol.-% in Kombination mit CNT oder Ruß imVergleich zu binären Kupferfaser-Compounds teils wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeitenim Bereich von 104 – 105 S/m.Abschließend wird das Anwendungspotenzial der elektrisch sehr gut leitfähigen ternärenKupferfaser-Compounds anhand des Mehrkomponenten-Spritzgießens von Leiterbahnstrukturensowie der direkten elektrischen Kontaktierung von Metalldrähten im Spritzgießwerkzeugaufgezeigt.