Kunststoffe unter Strom

Kunststoffe sind aus der Elektrotechnik und Elektronik nicht mehr wegzudenken. Mit ihrer leichten Formbarkeit und ihren herausragenden Isolationseigenschaften haben sie diese Bereiche geradezu revolutioniert. Hierbei kommen sowohl Elastomere (Kabelisolierungen), Thermoplaste (Gehäuse, Schaltschränke etc.) als auch Duromere (Leiterplattenmaterialien, Hochspannungsisolatoren) zum Einsatz. Gerade z. B. als Rückseitenmaterial für Solarzellen ist eine extrem geringe elektrische Leitfähigkeit sehr wichtig, um Kriechströme und Langzeitkorrosion zu vermeiden. In anderen Bereichen kann diese geringe Leitfähigkeit allerdings auch zum Problem werden, da sie elektrostatische Aufladung ermöglicht, und somit zu Problemen durch elektrische Entladung (ESD, Funkenbildung) sowie Staubanziehung, Zusammenhaften oder Wegspringen von Teilen etc. führt. In diesem Fall ist eine geringe, aber merkliche elektrische Leitfähigkeit erwünscht. In anderen Fällen ist sogar eine gute elektrische Leitfähigkeit erforderlich, z. B. für Bipolarplatten von Brennstoffzellen oder leitfähige Textilfasern. Obwohl es einige intrinsisch leitfähige Polymere gibt, wird in den meisten Fällen ein kohlenstoffbasierter Füllstoff (Ruß, Carbon Nanotubes, Graphit) eingesetzt. In allen Fällen ist es erforderlich, den Kunststoff bzw. das Compound hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften zu charakterisieren. Die Experten im Fraunhofer LBF nutzen dazu individuell ausgewählte Messmethoden.

Variabel Messmethoden

Die Durchschlagspannung bzw. -feldstärke wird mit einem Hochspannungstestgerät gemessen. Die Probe wird dafür zwischen zwei Elektrode gebracht. Diese werden mit einer linear ansteigenden Spannung beaufschlagt. Je nach Anwendungsbereich kommt hierfür Gleichspannung DC (z.B. Automotiv, Solar) oder Wechselspannung AC (Haushalt, Industrie) zur Anwendung. Der schlagartige Stromanstieg bei einem Durchschlag wird registriert; die zu diesem Zeitpunkt angelegte Spannung wird als Durchschlagspannung bezeichnet. Aus ihr und der Probendicke wird die Durchschlagfeldstärke errechnet. Typische Werte sind eine Maximalspannung von 50 kV AC bzw. 70 kV DC, und Raten von 0,5 oder 1 kV/s.

Im Elektromobilitätsbereich ist es oft erforderlich, die Spannungsfestigkeit nachzuweisen. Das Bauteil wird hierfür zuerst einem Kondenswassertest bzw. Temperaturwechseltest ausgesetzt. Anschließend werden bestimmte Spannungsformen an das Bauteil angelegt, und der dabei fließende Strom wird mit hoher Zeitauflösung (kHz) gemessen. Der entsprechende Nachweis ist erbracht, sofern während der Messung ein bestimmter Schwellstrom nicht überschritten wird. Typische Eckpunkte dieses Testes sind ein trapezförmiger Spannungsverlauf mit einer Haltezeit von 30 s, 100 Wiederholungen, und einer maximalen Spannung von 2700 Volt.

Experten für elektrische Leitfähigkeiten

Der elektrische Leitfähigkeitsbereich von Polymeren inkl. Compounds kann um mehr als 16 Zehnerpotenzen variieren. Im Bereich sehr geringer bis mittleren Leitfähigkeiten wird zur Identifikation ein Elektrometer zusammen mit einer Elektrodenanordnung mit Schutzringelektrode eingesetzt (Abb. 1). Das Elektrometer stellt die Spannung (bis zu 1000 V) zur Verfügung und kann gleichzeitig den Strom bis hinunter zu wenigen 100 fA detektieren. Da neben dem ohmschen Widerstand auch noch Polarisation und das Einfangen von Ladungsträgern zum Stromfluss beitragen, wird dieser nach dem Anlegen der Spannung zeitabhängig gemessen. Üblicherweise wird dann der nach 60 s abgelesene Strom zur Berechnung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit verwendet. Je nach Anordnung der Elektroden kann entweder die spez. elektr. Volumenleitfähigkeit oder die Oberflächenleitfähigkeit gemessen werden.

Im Bereich höherer Leitfähigkeiten, wie sie z. B. bei mit Leitruß oder Graphit gefüllten Kunststoffen auftreten, wird eine lineare Anordnung von vier Elektroden verwendet, wobei über die zwei äußeren Elektroden der Strom eingespeist wird, und über die zwei inneren Elektroden die Potenzialdifferenz hochohmig gemessen wird. Auf diese Weise kann eine durch Kontaktwiderstände auftretende Verfälschung der Messwerte weitgehend vermieden werden. Solche Messungen führen die Forschenden auch temperaturabhängig durch, um den Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit über der Temperatur zu ermitteln.

Elektrostatische Aufladung im Blick

In vielen Teilen der Industrie ist die elektrostatische Aufladung durch Reibung ein Problem, z. B. an Förderbändern, beim Auf- oder Abwickeln von Rollen oder beim Bewegen von Flüssigkeiten und Schüttgütern. Um diesen Effekt zu charakterisieren, führen die Fraunhofer-Experten einen Reibarm periodisch über die zu charakterisierende Probe. Der Reibarm ist dabei mit einem Kunststofffließ bespannt. Mit einer Feldsonde wird berührungslos das elektrische Potenzial auf der Probe gemessen. Nach einigen Reibzyklen steigt das Potenzial nicht mehr weiter an (die sogenannte Grenzaufladung). Nach Einstellen der Reibbewegung kann der anschließende Potenzialabfall ebenfalls zeitabhängig charakterisiert werden.

Bei anderen Untersuchungen wird die Ladung nicht per Reibung aufgebracht, sondern mit einer Ladungskanone. Hierfür wird ein stabförmiger Hochspannungsgenerator in Verbindung mit einer Nadelelektrode oder einer Fakirelektrode (mehrere Nadeln) über die zu untersuchende Probe geschwenkt. Der Hochspannungsgenerator erzeugt Spannungen zwischen -30 kV und -70 kV. Es werden Ladungen erzeugt, die auf die Probe wandern und diese elektrisch aufladen. Nach dem Aufladen wird eine Feldsonde über die Probe geschwenkt, die den Abfall des Potenzials zeitabhängig aufnehmen kann. Da bei sehr guten Polymeren der Ladungsabfall Wochen und Monate dauern kann, werden die Proben zwischenzeitlich ausgelagert und nur von Zeit zu Zeit gemessen. Auf diese Weise können mehrere Proben parallel über längere Zeiträume beobachtet werden (Abb. 2). Die Messung dielektrischer Eigenschaften (Permittivität) oder der piezoelektrischen Eigenschaften wird im Rahmen von Entwicklungsleistungen ebenso angeboten.

Spezifisch angepasste Messmethoden zur umfassenden Charakterisierung von Elastomeren, Thermoplasten und Duromeren

Kunststoffe müssen häufig hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften charakterisiert werden, sei es, um eine hohe Durchschlagfestigkeit und eine gute Isolationsfestigkeit nachzuweisen, oder sicherzustellen, dass ein Schutz vor elektrischer Aufladung durch eine gewisse Ableitfähigkeit vorhanden ist, bis hin zu Anwendungen, in denen eine gute bis sehr gute elektrische Leitfähigkeit vorhanden sein muss. Die hier vorgestellten Methoden erlauben eine umfassende Charakterisierung von Elastomeren, Thermoplasten und Duromeren. Auf Grund der breiten Spanne an Materialien und Formen der Bauteile (Platten, Rohre, Beschichtungen usw.) sind häufig spezifische Anpassungen der Messmethoden an die Bedürfnisse der Kunden erforderlich, die wir gerne ausarbeiten und realisieren.