Vor allem die Elektromobilität, aber auch viele andere Elektroanwendungen, stellen verschärfte Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften von Thermoplasten. Das wirft die Frage auf, ob die in diesem Bereich üblicherweise eingesetzten Polymere diese noch erfüllen können.

Wie gut eignen sich Polyamid und Polybutylenterephthalat für Hochvoltanwendungen?

Polybutylenterephthalat

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Elektronik

Elektromobilität

Mobilität

Polyamide

Leistungselektronik

Technische Kunststoffe

Gegen den Strom

Ein Schwerpunkt des K-Messeauftritts von Lanxess sind in diesem Jahr Materialien für die Elektromobilität. Darunter ist etwa ein halogenfrei flammgeschütztes, hydrolysestabilisiertes PBT-Compound mit sehr guten elektrischen Eigenschaften.

Der Demonstrator eines seriennahen Gehäuses für die Batterien von Elektrofahrzeugen ist eines der Highlights am Stand von Lanxess. 

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Demonstrator für Batteriegehäuse von E-Autos

Für die zunehmend verbreiteten 800-V-Antriebe von E-Autos sind spezielle Kunststoffe notwendig. Eine nachhaltige Möglichkeit stellt etwa biobasierte PPA dar.

Biobasiertes PPA für Wechselrichter von Elektrofahrzeugen

Elektromotoren

Antriebe

Schneller und nachhaltiger laden

Mit der Akquisition des Polyamid-Geschäfts von Solvay hat BASF die Wertschöpfungskette für technische Thermoplaste gestärkt. Neue Impulse kommen vor allem aus der Kreislaufwirtschaft.

Chemisches Recycling: Pyrolyseöl aus Kunststoffabfällen, neu synthetisiertes Polymer und eine mehrschichtige Lebensmittelverpackung (v.l.n.r.). Mit mechanisch aufbereiteten Abfallstoffen wären solche Anwendungen nicht möglich

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Die BASF engagiert sich gemeinsam mit ihren Kunden für chemisches Recycling

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Vorwärts im Verbund

Das Automobil der Zukunft soll möglichst wenig CO2 freisetzen, effizient und automatisiert fahren und von möglichst vielen Menschen genutzt werden können. Das stellt an Kunststoffe und deren Verarbeitungsverfahren unterschiedliche Anforderungen. Sie reichen vom Leichtbau für Karosserie und Antriebsstrang über einen angenehmen Innenraum bis hin zu Beleuchtung oder Sensorik.

Der neue vollelektrische Audi e-tron besitzt einen fast komplett verschlossenen Unterboden aus leichtem LWRT-Werkstoff (Low Weight Reinforced Thermoplastics), der dadurch den elektrischen Verbrauch reduziert

E-Mobilität, autonomes Fahren, Carsharing und die Folgen für die Kunststoffbranche

Glasfasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Leichtbau

Polyethylenterephthalat

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Hochleistungskunststoffe

Alles auf Elektro?

Die Covid-19-Pandemie hat auch die Kunststofferzeuger hart getroffen. Doch nicht alle Kunststoffe sind gleichermaßen betroffen. Während die häufig in der Automobilindustrie verwendeten technischen Kunststoffe unter dem Einbruch des Fahrzeugabsatzes leiden, profitieren etwa Polyolefine teilweise von der Krise. Und auch wenn die Pandemie gerade alle anderen Themen in den Hintergrund rückt, schreitet dennoch die Entwicklung etwa bei der Kreislaufwirtschaft, Elektromobilität und Digitalisierung weiterhin voran. Über die gegenwärtige Situation und die zukünftige Entwicklung sprach Kunststoffe mit Vertretern der Kunststofferzeuger.

Ein Austausch in Pandemiezeiten: Coronabedingt fand das Kunststoffe-Expertengespräch rein digital statt. Dr. Matthias Scheibitz (oben links), Jürgen Luderer (oben rechts), Dr. Ingo Sartorius (unten links), und Dr. Karlheinz Hausmann (unten rechts) diskutierten dabei über die aktuelle Situation und die zukünftigen Trends bei Kunststoffen

Expertengespräch zu Trends und Herausforderungen bei Werkstoffen

Verpackungsmaterial

Logistik

Automotive

Polyethylen

Streifinger, Florian

Recycling

Umweltmanagement

Polyvinylchlorid

Standardkunststoffe

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststoff-Rezyklat

„Wir teilen den Optimismus von  Wirtschaftsminister Altmaier nicht“

Der Spezialchemie-Konzern Lanxess hat ein neues Konzept für Radarsensoren mit integriertem Wärmemanagement entwickelt. Zum Einsatz kommt eine Kombination von thermisch leitfähigem Kunststoff mit metallischem Kühlelement in Hybridtechnik.

Das Konzept für Radarsensoren sieht eine Wärmeabfuhr aus heißen Bereichen (hot spots) mit Hilfe von thermisch leitfähigen Kunststoffen in Kombination mit metallischen Kühlelementen vor

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Spritzgießen

Radarsensoren mit integriertem Wärmemanagement

Bei elektrischen Bauteilen können schnell hohe Temperaturen entstehen. Für diese sind übliche selbstverlöschende Compounds oft nicht die beste Lösung. Stattdessen sollten speziell für diesen Anwendungsfall entwickelte Materialtypen verwendet werden.

Das PPA Laramid eignet sich für die Herstellung von Komponenten für elektrische Bauteile wie Kontakthalter, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind

PPA-Compounds für elektrische Bauteile

Einsatzbereit trotz hoher Temperaturen

Die Umsetzung von Serienanwendungen im Lasersintern wird gegenwärtig noch durch eine unzureichende Materialvielfalt gehemmt. Viele wichtige Konstruktionswerkstoffe aus der traditionellen Kunststoffverarbeitung waren für das Verfahren bisher nur eingeschränkt verfügbar. PA 66 und PBT erweitern das Einsatzgebiet des Lasersinterns erheblich und zeigen in vielen Fällen bessere Eigenschaften als klassische PA-11- und PA-12-Materialien.

Als temperaturbeständiger und flammwidriger Werkstoff mit hohen mechanischen Kennwerten eröffnet PA 66 neue Applikationsmöglichkeiten für das Lasersintern, wie beispielsweise die Anwendung als Sensorhalterung 

Lasersintern mit PA 66 und PBT

Selektives Lasersintern von Kunststoff, Metall, Keramik

Verfahren für die additive Fertigung

Pulverbettverfahren

Additive Fertigung

Vom Spritzgießen in den 3D-Druck

Lanxess überführt seinen Geschäftsbereich High Performance Materials in eine eigenständige rechtliche Gesellschaftsstruktur.

Die Kunststoffe des Geschäftsbereichs High Performance Materials kommen vor allem in der Automobil- sowie der Elektro- und Elektronikindustrie zum Einsatz

Kunststoff-Erzeugung

Herstellung von Gummi und Kunststoffwaren

Kunststoffverarbeitung

Lanxess-Geschäftsbereich wird rechtlich eigenständig

DSM verkauft seinen Engineering-Polymers-Bereich an Lanxess und den Finanzinvestor Advent. Lanxess bringt außerdem sein PA- und PBT-Geschäft in das Joint Venture ein.

Lanxess lagert seine technische Kunststoffsparte in das Joint Venture aus.

Wirtschaft

Lanxess und Advent kaufen technische Kunststoffsparte von DSM

Bislang sind die für eine Haftung zwischen thermoplastischen Kunststoffen und Metalloberflächen relevanten Wechselwirkungen in der Grenzfläche nicht vollständig erforscht. Dieser Beitrag beschreibt mögliche intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Thermoplasten und Metalloberflächen, die für eine Haftung zwischen den Materialien wichtig sind. Die erreichbare Haftung zwischen Kunststoff und Metalloberfläche wird experimentell an spritzgegossenen Verbunden aus Polyamid 6 bzw. Polybutylenterephthalat und Aluminium untersucht und durch Ausreißversuche quantifiziert.

Intermolekulare Wechselwirkungen durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einer Carbonylgruppe in Polyamid und einer Metallhydroxidoberfläche

Hybridwerkstoffe

Aluminium

Metall Werkstoffe

NE-Metalle

Kupfer

Oberflächentechnik

Optische Mess- und Prüfverfahren

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Intermolekulare Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Haftung zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen

Auf den ersten Blick stand die K in diesem Jahr ganz klar im Zeichen von Recycling und Kreislaufwirtschaft. Abseits dieser Themen waren aber auch in klassischen Kunststoffbereichen wie Automotive viele Neuerungen zu besichtigen.

Im Konzeptfahrzeug VisionVenture von Hymer wurden insgesamt 22 Materialien von BASF verwendet. Vor allem für die Lackierung und die scheinbar aus massivem Schiefer bestehende Wandverkleidung des Badezimmers im Camper kommen spannende Neuentwicklungen zum Einsatz 

Automobiltrends auf der K 2019

Verbände, Institutionen, Messen

Dienstleistungen

Polyurethan-Schaumstoffe (PUR)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Polyurethan

Elektromobilität und ein Konzeptfahrzeug

Der Wechsel vom Verbrennungs- zum Elektromotor bedeutet für die Kunststoffindustrie einige Unwägbarkeiten. Elektrische Antriebe stellen teilweise gänzlich andere Anforderungen an die Materialien. Welche das konkret sind, kristallisiert sich mit der zunehmenden Verbreitung entsprechender Fahrzeuge immer stärker heraus. Ein Überblick über die wichtigsten Änderungen.

Nicht nur der Motor und die Energiebereitstellung verändern sich beim Übergang von Verbrennungs- auf Elektrofahrzeuge. Auch bei Materialien gilt es, neue Wege zu gehen 

Flammschutz, Wärmebeständigkeit und Kriechstromfestigkeit in Elektrofahrzeugen

Kfz-Elektronik

Kunststoffe

Photonik

Optik

Elektronische Bauelemente

Antreiber der Elektromobilität

Der Werkstoffhersteller Solvay bietet ab sofort eine Serie teilweise biobasierter Polyphthalamid-Compounds (PPA) an. Sie firmieren unter dem Namen Amodel Bios und wurden speziell für Elektro- und Elektronikanwendungen in der Elektromobilität entwickelt. Dem Unternehmen zufolge stammt der erneuerbare Rohstoffanteil aus Quellen, die nicht in Konkurrenz zum Anbau von Lebensmitteln stehen. Das Polymer soll außerdem zu 100 % mit erneuerbarer Energie hergestellt werden.

Compound

Teilbiobasiertes PPA für Elektrofahrzeuge

Farbstabile Hochvoltkonnektoren für Elektrofahrzeuge

Der orange Farbton RAL 2003 hat sich als Signalfarbe für Hochvoltbauteile in der Elektromobilität etabliert. Besonders wichtig ist bei diesen die Langlebigkeit der Farbe bei gleichzeitigem Erhalt weiterer Eigenschaften wie Flammschutz und Hydrolysebeständigkeit. Für Hochvoltsteckverbinder sind mittlerweile orange Compounds auf PBT- und PA-Basis verfügbar. Eine interessante Weiterentwicklung sorgt für die Laserbeschriftbarkeit.

Orange hat sich als Signalfarbe in der Elektromobilität etabliert. Für Hochvoltsteckverbinder sind mittlerweile Compounds auf PBT- und PA-Basis vorhanden.

Die Automobilindustrie befindet sich zurzeit in einem ihrer größten Veränderungsprozesse. Der Ersatz des klassischen Verbrennungsmotors durch den elektrischen Antrieb stößt große Veränderungen an. Es wandelt sich die komplette Antriebsarchitektur. Neue Komponenten kommen hinzu, die den Hochvoltbereich absichern und die Verbindung zwischen Batterie und Elektromotor herstellen. Die verwendeten Steckerverbindungen haben dabei eine Vielzahl an Anforderungen zu erfüllen, wie Flammschutz, Farbstabilität und elektrische Eigenschaften.

Je kleiner der Steckverbinder, umso geringer werden die Abstände zwischen den elektrischen Kontakten. Als Richtlinie gilt hier die IEC 60664 -1, die Spannungen bis zu mehreren Kilovolt zulässt. Die geringsten Kontaktabstände können nur mit Werkstoffen realisiert werden, die die höchste Isolationsklasse 1 mit einem CTI 600 (Comparative Tracking Index) nach IEC 60112 erreichen.

BASF hat für Hochvoltsteckverbinder spezielle, orange eingefärbte Kunststofftypen (Durable Color) entwickelt (Bild 1). Neben den bereits etablierten orange eingefärbten Ultradur-Typen bietet das Unternehmen ein breites Produktangebot an orangefarbenen Ultramid-Typen. Sie decken sowohl den Bereich der aliphatischen Polyamide (PA66 und PA6) als auch der semiaromatischen PA (Ultramid Advanced) ab (Tabelle).

Flammgeschützt und beständig gegen Wärmealterung

Die Typen erfüllen die niedrigste Flammschutzklassifizierung UL 94 HB (Horizontal Burning). Auch Anwendungen, die nach Klassifizierung UL 94 V-0 eine gesteigerte Flammwidrigkeit und ein eigenständiges Erlöschen nach Entfernen der Zündquelle erfordern, werden durch das Portfolio abgedeckt. Bei den flammgeschützten Typen kommen nur nicht-halogenhaltige Flammschutzsysteme zum Einsatz.

Die sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme von Polybutylenterepthalat (PBT) führt zu einer hohen Maßhaltigkeit bei gleichzeitig stabilen mechanischen sowie elektrischen Eigenschaften. Der Kunststoff neigt im feuchtwarmen Klima allerdings zu hydrolytischem Abbau. Die Molekülketten verkürzen sich in dem Fall und das Produkt versprödet. Abhilfe schaffen hydrolysestabilisierte Typen mit der Kennung HR (Hydrolysis Resistance). Polyamid (PA) ist hingegen inhärent stabil bei feuchtwarmem Klima und zeichnet sich durch eine erhöhte Schlagzähigkeit aus.

Passender Stabilisator verhindert Kontaktkorrosion

Während sich PBT von sich aus sehr beständig gegen Wärmealterung erweist, benötigt PA immer einen Wärmestabilisator. Dieser ist erforderlich, da in Hochvoltkonnektoren Temperaturen bis zu 140 °C erreicht werden (Bild 2). Häufig kommen Stabilisatoren zum Einsatz, die einen erhöhten Halogenidgehalt aufweisen. Halogenide können jedoch gerade bei elektrischen Anwendungen über die Nutzungsdauer zu Problemen wie Kontaktkorrosion führen. Die Wahl des richtigen Wärmestabilisators ist deshalb entscheidend. Alle von BASF entwickelten Durable-Orange-Kunststoffe haben einen Gesamthalogengehalt von &lt; 100 ppm, auch die flammgeschützten Typen.

Die Farbe Orange dient als eindeutige Signalfarbe, um sofort erkennen zu können, welche Leitungen und Stecker Hochspannung führen. Auch nach Jahren im Einsatz und bei sehr hoher Temperaturbeanspruchung muss deshalb die orangene Farbe erhalten bleiben und weiter hervorstechen. Bauteile aus orangefarbenem PBT von BASF erfüllen die Marktanforderungen hinsichtlich der Farbstabilität umfänglich und sind bereits im Serieneinsatz.

PA ist hingegen ein schwieriger Fall. Es neigt zur Vergilbung und wird auch bei oranger Einfärbung mit der Zeit braun. Generell ist für den Einsatz von PA-Compounds bei erhöhten Temperaturen eine Stabilisierung unumgänglich. Luftsauerstoff und höhere Temperaturen initiieren ansonsten einen thermooxidativen Abbau des PA. Es kommt zur Oxidation der Polymerketten, die in weiteren Reaktionsschritten zur Kettenspaltung und somit zum Verlust der mechanischen Eigenschaften führt. Dieser Prozess lässt sich bei ungefärbten Compounds schon bei niedrigen Temperaturen optisch beobachten. Innerhalb kurzer Zeit kommt es zu einer rasch zunehmenden Vergilbung bzw. Braunfärbung.

Das ist zunächst eine reine Oberflächenerscheinung und betrifft aufgrund der niedrigen Permeabilität der Polymermatrix für Sauerstoff nur eine geringe Schichtdichte. Mithilfe von Pigmenten kann die Vergilbung bzw. Braunfärbung überdeckt werden. Das reicht jedoch nicht aus, um die Ausgangsfarbe zu erhalten. Zur Verbesserung der Farbbeständigkeit ist eine Stabilisierung des PA notwendig. Dadurch werden die Oxidationsprozesse unterdrückt bzw. hinausgezögert. Geeignete Stabilisatorsysteme sollten selbst eine gewisse Farbstabilität mitbringen und sich nicht unter Licht oder im Zusammenspiel mit Feuchte verfärben.

Glasfasern beeinflussen die Farbstabilität

Bei der Entwicklung der Durable-Orange-Produkte wurde nicht nur an der Stabilisierung des Basispolymers gearbeitet, sondern auch der Einfluss weiterer Zusatzstoffe wie Glasfasertypen, Schmiermittel und Pigmente untersucht. Die guten mechanischen Eigenschaften von glasfaserverstärkten Compounds werden durch die chemische Anbindung der Polymere an die Glasfasern erreicht. Sie erfolgt über die sogenannte Glasfaserschlichte. Die Glasfaserschlichte besteht aus verschiedenen organischen Komponenten wie Haftvermittler, Filmbildner sowie weiteren Hilfsstoffen. Sie können ebenfalls zur Vergilbung beitragen. Aufgrund der unterschiedlichen Schlichterezepturen ist die Farbstabilität abhängig vom verwendeten Glasfasertyp. Verschiedene Schmiermittel beeinflussen die Vergilbung ebenfalls stark. Farbpigmente und optische Aufheller helfen in der Regel, die Farbstabilität zu verbessern. Jedoch gibt es viele Pigmente, die selbst ihre Farbe bei Temperaturbelastung verändern.

Neben der Auswahl geeigneter Glasfasern, Schmiermittel und temperaturstabiler Farbpigmente führt das von BASF entwickelte Stabilisierungspaket zu einer sehr guten Farbbeständigkeit von orange eingefärbten glasfaserverstärkten Compounds. Diese sind durch das Suffix DC (Durable Color) gekennzeichnet (beispielsweise Ultramid Exp. A3E3G6 DC OR; Bild 3).

Bei BASF arbeitet man gegenwärtig außerdem an einer Weiterentwicklung: der Laserbeschriftbarkeit. Die Rückverfolgung und Identifikation von Bauteilen ist mittlerweile essenziell und immer öfter werden auch relevante Daten über einen sogenannten DataMatrix-Code (DMC) hinterlegt. Eine nachhaltige, beständige und wirtschaftliche Methode dafür ist die Laserbeschriftung. Dabei gilt: je höher der Kontrast, desto besser die Lesbarkeit. Bei schwarzen Produkten wird deshalb in der Regel eine weiße Beschriftung verwendet, bei weißen Produkten hingegen eine dunkle. Bei orangefarbenen Produkten ist eine gute lesbare Beschriftung keine leichte Aufgabe, aber mit dem passenden Additiv und der richtigen Lasereinstellung durchaus machbar. Das Produkt behält dabei seine Farbstabilität, elektrischen Eigenschaften sowie das geforderte Brandverhalten. BASF bietet erstmals ein flammgeschütztes PA in Orange an, das mit einem Laser mit der Wellenlänge 1064 nm in dunkler Schrift gekennzeichnet werden kann (Bild 4). Auch nicht-flammgeschützte Varianten sowie entsprechende PBT-Typen befinden sich gegenwärtig in der Entwicklungsphase.

BASF SE  

https://www.basf.com

Ausgabenartikel KU08-23

In der Elektromobilität ist Orange vor allem bei hochvoltführenden Bauteilen die Farbe der Wahl.

Bild 1. Für Hochvoltsteckverbinder bietet BASF mittlerweile nicht mehr nur PBT-, sondern auch PA-Typen an.

Bild 2. Bruchspannung des PA66 Ultramid Exp. A3E3G6 DC OR nach Wärmealterung bei 120 und 140 °C sowie des PBT Ultradur B4331G6 HR OR bei 150 °C: Dem PA wurde ein Wärmestabilisator zugesetzt, um die entsprechenden Werte zu erreichen.

Bild 3. Musterplättchen aus dem PA66 Ultramid Exp. A3E3G6 DC OR unter Einfluss von Wärmealterung bei verschiedenen Temperaturen und Lagerungszeiten: Gut zu sehen ist der geringe Einfluss der Temperatur auf den Farbton.

Tabelle. BASF bietet diese und auf Anfrage noch weitere orange Materialien für Hochvoltkomponenten an. 

Bild 4. Durch entsprechende Additive lassen sich auch orange PA wie das PA66 Ultramid Exp. A3U44G6 DC LS OR laserbeschriften. Das gezeigte Beispiel wurde mit einem Laser mit 1064 nm erzeugt.

KU 8-23_BASF - Hauptartikel

Farbstabiles und laserbeschriftbares Orange für E-Autos

Patrick Frey arbeitet seit zehn Jahren für BASF und ist als Segment Manager für E&E im Unternehmensbereich Performance Materials tätig.

Andreas Nixdorf ist seit elf Jahren bei BASF. Gegenwärtig arbeitet er als Teamleiter in der Anwendungsentwicklung für technischen Kunststoffe.

Dr. Tina Kolb arbeitet seit fünf Jahren für BASF. Sie ist Produktentwicklerin im Bereich Forschung & Entwicklung für Ultramid.

Weitere Informationen unter <a href="http://www.ultramid.basf.com" target="_blank">www.ultramid.basf.com</a> und <a href="http://www.ultradur.basf.com" target="_blank">www.ultradur.basf.com</a>

<ul><li>Farbstabilität (RAL 2003)</li><li>Flammschutz bis UL 94 V-0</li><li>Laserbeschriftbarkeit mit der Wellenlänge 1064 nm in dunkler Schrift</li><li>CTI 600</li></ul>