Kunststoff-Institut Lüdenscheid: Neue Materialansätze verbessern Oberflächenleitfähigkeit von EMV-Kunststoffen

Darstellung der Faserverteilung im Querschnitt einer Platte. - (alle Bilder: KIMW)

Leitfähige Kunststoffe gelten als vielversprechende Werkstoffe für Anwendungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), da sie die Vorteile von Polymeren mit elektrischer Leitfähigkeit verbinden. Eine wesentliche Herausforderung bleibt jedoch der hohe elektrische Widerstand der Bauteiloberflächen. Das Kunststoff-Institut Lüdenscheid (KIMW) untersucht daher im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte Materialkonzepte zur Verbesserung der Oberflächenleitfähigkeit.

Kunststoffe bieten gegenüber metallischen Werkstoffen Vorteile hinsichtlich Gewicht, Fertigungskosten, CO₂-Bilanz, Recyclingfähigkeit und Verarbeitungstemperaturen. Für EMV-Anwendungen können leitfähige Compounds grundsätzlich hohe elektrische Leitfähigkeiten erreichen. Bei spritzgegossenen, faserverstärkten Bauteilen entsteht jedoch eine mehrschichtige Struktur: Während sich leitfähige Fasern und Partikel überwiegend im Kernbereich zu einem leitfähigen Netzwerk verbinden, wird die Randschicht von der polymeren Matrix dominiert und weist eine deutlich geringere Leitfähigkeit auf.

Diese inhomogene Leitfähigkeitsverteilung kann insbesondere bei Gehäusen aus mehreren Bauteilen zu EMV-Leckagen führen. An den Kontaktflächen von Deckel und Grundkörper kann der erhöhte Oberflächenwiderstand das Eindringen elektromagnetischer Wellen begünstigen.

Unterschied der Leitfähigkeit durch Einsatz Metalllegierung in Rand und Mittelschicht.

In drei Verbundprojekten wurden deshalb verschiedene Materialsysteme untersucht. Zum Einsatz kamen unterschiedliche Kunststoffe in Kombination mit Stahlfasern, Carbonfasern und vernickelten Carbonfasern sowie Additive wie Leitruß, Carbon-Nanostrukturen und Kupfer-Silber-Hybridpartikel. Die Untersuchungen bestätigten eine hohe Leitfähigkeit im Inneren der Bauteile, zeigten jedoch zugleich den dominierenden Einfluss der weniger leitfähigen Randschichten.

Im aktuellen Verbundprojekt "EMV 4" verfolgt die Projektgruppe einen neuen Ansatz. Dabei werden niedrig schmelzende Metalllegierungen als Additive in den Compoundierprozess eingebracht. Die Legierungen schmelzen bereits bei Temperaturen um 190 °C und weisen im flüssigen Zustand ein nahezu newtonsches Fließverhalten auf. Dadurch können sie während des Spritzgießprozesses verstärkt bis in die Randschicht gelangen und dort ein durchgängiges leitfähiges Netzwerk ausbilden. Ziel ist die Herstellung eines Hybridcompounds mit möglichst homogener Leitfähigkeit über den gesamten Bauteilquerschnitt.

Erste Untersuchungen zeigen laut KIMW, dass sich bei einem carbonfaserverstärkten Polyamid-Compound die Leitfähigkeit der Randschicht gegenüber bisherigen Materialsystemen um den Faktor fünf erhöhen ließ. Gleichzeitig blieb die Leitfähigkeit über den gesamten Querschnitt bis in den Kernbereich weitgehend konstant.

Im weiteren Projektverlauf sollen zusätzliche Kunststoff- und Faserwerkstoffe untersucht werden. Darüber hinaus befasst sich die Projektgruppe mit konstruktiven Lösungen, unter anderem mit der Integration von EMV-Dichtungen durch Metalldirekteinspritzen.

Interessierte Unternehmen sind eingeladen, sich der Projektgruppe anzuschließen und an der Weiterentwicklung dieser Technologie mitzuwirken.

Weitere Informationen: kunststoff-institut.de/projekte/emv-abschirmung-durch-kunststoffe-4/

Kunststoff-Institut für die mittelständische Wirtschaft NRW GmbH, Lüdenscheid

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