Carbon Nanotubes verleihen Compounds ein einzigartiges Eigenschaftsprofil

Elektrisch leitfähige Compounds auf Basis von Polypropylen, Polyamid 6, Polyamid 6.6, Polycarbonat oder PC/ABS, die Carbon Nanotubes (CNT) als Füllstoff enthalten, sind eine ideale Alternative zu metallbeschichteten Kunststoffteilen, deren statische Entladungen abgeleitet werden müssen. Denn Bauteile aus diesen Verbundwerkstoffen haben ein vollkommen neues Eigenschaftsprofil: Sie leiten nicht nur den elektrischen Strom, sondern sind auch leicht, stabil und fest, außerdem dehnbar und schlagzäh.

Carbon Nanotubes – zu Deutsch: Kohlenstoffnanoröhrchen – sind zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Sie leiten elektrischen Strom und Wärme besser als Kupfer und sind zudem noch um den Faktor 20 reißfester als Stahl.

Zudosieren von Carbon Nanotubes mit Zweiwellenkneter

Die Herstellung der Verbundwerkstoffe erfolgt durch Zudosieren von Carbon Nanotubes in die Kunststoffschmelze in einem sogenannten Zweiwellenkneter. Dieser Prozess erweist sich als anspruchsvoll, weil die extrem große spezifische Oberfläche der Carbon Nanotubes mit der hochviskosen Kunststoffschmelze benetzt werden muss. Dies gelingt durch Zugabe von Benetzungsstoffen.

Diese Verbundwerkstoffe lassen sich im Spritzgießverfahren zu Bauteilen weiterverarbeiten. Allerdings nehmen die Prozessbedingungen beim Spritzgießen Einfluss auf die Ausbildung von leitfähigen CNT-Netzwerken. So können sich durchgehende Strukturen nicht über Bindenähte hinweg ausbilden. Die elektrische Leitfähigkeit von Bauteilen mit Bindenaht hängt somit von der Position der Leitfähigkeitsmessung am Bauteil ab.

Weil über die Wahl der Angussposition beziehungsweise über die Anzahl der Angüsse entschieden werden kann, wo sich am Bauteil Bindenähte zeigen, lässt sich die Ausbildung von leitfähigen Netzwerken durch die Konstruktion der Spritzgussform beeinflussen.

Ausrichtung der Nanotubes kann gesteuert werden

Auch bei Bauteilen ohne Bindenähte ist die Ausbildung von CNT-Netzwerken abhängig von Verarbeitungsparametern. Aufgrund der hochmolekularen Struktur der Kunststoffe werden die Kunststoffmoleküle während der Verarbeitung deformiert und den Fließbedingungen entsprechend ausgerichtet.

Die zwischen diesen Molekülen liegenden Carbon Nanotubes haben deshalb auch eine Orientierung in Fließrichtung. Die Ausrichtung der Carbon Nanotubes kann folglich durch Steuerung der Fließbedingungen beeinflusst werden. Als wichtige Parameter haben sich beispielsweise der Umschaltpunkt zwischen Einspritz- und Nachdruck sowie das Verhältnis zwischen Nachdruck und Einspritzdruck erwiesen.

Außerdem hängen die Formfüllung und die daraus resultierende Ausrichtung der Carbon Nanotubes von der Einspritzgeschwindigkeit und der sich daraus ergebenden Deformation der Kunststoffmoleküle ab. Darüber hinaus beeinflusst die Viskosität der Kunststoffschmelze die Formfüllung sowie die Deformation der Kunststoffmoleküle, wodurch sich eine Abhängigkeit von der Massetemperatur beim Spritzgießprozess ergibt.

CNT-Netzstrukturen im Werkstoff senken elektrischen Widerstand

Carbon Nanotubes haben ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von über 1000. Dadurch entstehen schon bei geringen Konzentrationen die bereits beschriebenen CNT-Netzstrukturen im Werkstoff, die zum Absenken des elektrischen Widerstandes führen. Im Gegensatz dazu muss bei Verwendung von Ruß, der ebenfalls eine nanoskalige Korngrößenverteilung aufweist, trotz gleicher elektrischer Leitfähigkeit eine deutlich höhere Konzentration gewählt werden. Ursache dafür ist ein niedrigeres Längen-Durchmesser-Verhältnis.

Die zur Leitfähigkeit notwendige hohe Rußkonzentration führt zu erkennbaren Einbruch der Kerbschlagzähigkeit. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, können Schlagzähmodifikatoren zugesetzt werden, die jedoch die Festigkeit des Werkstoffs reduzieren. CNT-haltige Compounds bieten dagegen eine einzigartige Kombination von Kerbschlagzähigkeit, Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit.

Elektrische Leitfähigkeit verlangt keine Zugeständnisse

Aufgrund dieser Eigenschaften verlangt die elektrisch leitfähige Ausführung eines Bauteils keine aufwändigere Konstruktion, zum Beispiel zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen. Auch sind keine größeren Wanddicken notwendig, um den Rückgang zum Beispiel der Festigkeit auszugleichen. Mehrkosten durch ein höheres Bauteilgewicht oder durch längere Kühlzeiten beim Spritzgießen können daher durch den Einsatz von CNT-verstärkten Kunststoffen vermieden werden.

Die beschriebenen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe sind seit langem bekannt. Allerdings war bisher aufgrund des hohen Preises von Carbon Nanotubes oder der geringen Verfügbarkeit keine kommerzielle Anwendung möglich. Nun entwachsen diese Verbundwerkstoffe ihrer Kinderstube, der Preis für kommerziell verfügbare Carbon Nanotubes ist rapide gesunken. Zudem ist prognostiziert, dass die mittlerweile günstigen Herstellungsprozesse zu weiter fallenden Preisen führen werden.

Daher etablieren sich erste Anwendungen. So sorgen Carbon Nanotubes zum Beispiel in Sportgeräten für eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Bei technischen Anwendungen steht die elektrische Leitfähigkeit im Vordergrund, beispielsweise bei der elektrostatischen Lackierung. Im Vergleich zu metallbeschichteten Kunststoffteilen sind solche aus CNT-haltigen Compounds leichter her-zustellen und einfacher zu bearbeiten.

Alex Preiß ist Niederlassungsleiter der Macomass Verkaufs AG in Aschaffenburg.