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

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Polybutylenterephthalat

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Polyamide

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Radarsensoren mit integriertem Wärmemanagement

Die Verbindung von Kunststoff und Metall bietet wirtschaftlichen Leichtbau bei gleichzeitig hoher Funktionsintegration. Hierbei ist auch die Dichtheit gegenüber Medien ein notwendiges Kriterium für die Qualität der Verbindung. Durch eine Plasmaschicht in Kombination mit gezielter Modifikation von Kunststoffen entstehen äußerst feste Hybridbauteile. 

Plasma-SealTight-Prozess und Materialien für stoffschlüssige Kunststoff-Metall-Verbunde weiterentwickelt 

Dichtungen

Aluminium

Hybridtechnik

Verbindungstechnik

Verbindungstechnik, hybride

Da wird selbst Aluminium schwach 

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

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Kunststoff-Recycling

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

Technische Kunststoffe

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

Elektronik

Polyethylen

Streifinger, Florian

Recycling

Umweltmanagement

Polyvinylchlorid

Standardkunststoffe

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststoff-Rezyklat

„Wir teilen den Optimismus von  Wirtschaftsminister Altmaier nicht“

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

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?

Elektromobilität

Mobilität

Leistungselektronik

Gegen den Strom

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

Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Motorradtank aus Durethan BC550Z 900116 DUSXBL: Das unverstärkte und schlagzäh modifizierte PA 6 wird zu zwei Halbschalen spritzgegossen, die durch Heizelementschweißen zum Tank gefügt werden

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Compound

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Laserschweißen

Laserauftragsschweißen

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Kunststofffasern

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Im Gegensatz zu konventionellen Metalleinlegern verfügen offenporige Aluminium-Inserts über bisher unbekannte multistrukturelle Eigenschaften. Die sogenannten Fillserts werden mit Kunststoffen nicht umspritzt, sondern infiltriert. Dadurch lassen sich leichte, leistungsstarke, multifunktionale und mediendichte Hybridteile für mechanische, elektrische, mechatronische, thermische, optische und chemische Anwendungen herstellen und bisher nicht praktikable Konstruktionen umsetzen

Die geometrisch präzisen und makroskopisch isotropen Fillserts aus offenporigem Aluminium lassen sich hervorragend in die Kunststoff-Matrix integrieren

Offenporige Aluminiumgussteile als Basis für neuartige Kunststoff-Metall-Hybridbauteile

Inserttechnik

Resin Transfer Molding

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Warmformen / Thermoformen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Gusswerkstoffe

Metall Werkstoffe

Stähle

NE-Metalle

Outserttechnik

Blasformen

Infiltrieren statt Umspritzen

Die Optik spielt bei Kunststoffbauteilen eine immer größere Rolle. Entscheidend für ein ansprechendes Aussehen sind glänzende und gleichmäßige Oberflächen. Diese Anforderungen lassen sich bei glasfaserverstärkten Polyamiden bisher meist nur mit einer zusätzlichen Lackierung erreichen. Eine Alternative bietet ein speziell für die Gestaltung von Oberflächen entwickeltes Polyamid.

Bei Sichtbauteilen ist häufig eine gleichmäßige, glänzende Oberfläche gewünscht, die sich mit glasfaserverstärktem Polyamid oft nur schwer erreichen lässt. Grivory G7V von EMS löst dieses Problem

Aliphatisches Hochleistungspolyamid für Oberflächen

Glänzende Bauteile ohne Lackierung

Die Oberfläche bestimmt wichtige Eigenschaften von Bauteilen wie das Aussehen und das Reibungsverhalten. Forscher der ETH Zürich haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Oberfläche gezielt gestalten lässt.

Polyacrylate

Naturwissenschaften

Ingenieurwissenschaften

Selbstorganisierende Polymere

Thermoplastischen Tapes wird Großes zugetraut. Sie sollen die nächste Generation der thermoplastischen Composites prägen. Dazu muss das Legen der Tapes hochgenau erfolgen. Allerdings darf die Tapeverarbeitung nicht zu aufwendig werden, damit die Wirtschaftlichkeitsrechnung aufgeht. Durch Kombination hochpräziser Steuerungssoftware mit Kameratechnik beim Tapelegen leistet Engel einen wichtigen Beitrag für den Durchbruch dieser Technologie.

Für eine hohe Fertigungseffizienz wird eine Tapelegezelle vorzugsweise mit zwei Robotern und einer Kamerastation ausgerüstet

Softwarebasiertes Tapelegen mit Kamera bereitet thermoplastischen Composites den Weg

Anlagen zur Composite-Herstellung

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

UD-Tapes

Kameras

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Automatisierungstechnik

Optische Mess- und Prüfverfahren

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Blick fürs Essenzielle

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

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.

Die Verbundprobe besteht aus einer 1,2 mm dünnen Kunststoffscheibe mit 30 mm Durchmesser, die von einem 0,8 mm dicken und 8 mm breiten Metalleinleger mittig durchdrungen wird. Die Oberfläche des Einlegers wurde vor dem Umspritzen zum Erreichen einer definiert polaren bzw. unpolaren Oberfläche gezielt oberflächenchemisch vorbehandelt. Oberflächenrauheit und -polarität wurden mittels Kontaktwinkelmessung, Rasterelektronenmikroskop und Weißlichtinterferometer charakterisiert.

Durch Silanisierung lässt sich eine polare Oberfläche eines vorbehandelten Einlegers inaktivieren, ohne Veränderung seiner Oberflächentopographie. Das erlaubt, Verbunde mit „oberflächenaktiven“ und „oberflächeninaktiven“ Einlegern herzustellen und den Einfluss polarer Gruppen auf der Metalloberfläche auf die Haftung zwischen Kunststoff und Metall vergleichend zu untersuchen. Die Messergebnisse zeigen, dass die Haftung zwischen PA6 und Aluminium bei gegebener Oberflächentopografie maßgeblich durch die Polarität der Aluminiumoberfläche bestimmt wird.

Prof. Dr.-Ing. Achim Frick1; Dennis Jahn, B.Eng.1; Prof. Dr. Hans-Dieter Junker2;

1Institute of Polymer Science and Processing iPSP, Hochschule Aalen

Bislang sind die für eine Haftung zwischen thermoplastischen Kunststoffen und Metalloberflächen relevanten Wechselwirkungen in der Grenzfläche nicht vollständig erforscht. In diesem Beitrag werden mögliche, intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen beschrieben und an spritzgegossenen Verbundprobekörpern aus Polyamid 6 und Polybutylen-terephthalat mit Aluminium als Verbundpartner untersucht. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, die Verbundhaftung basiert maßgeblich auf intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Verbund-partnern und nicht auf mechanischem Formschluss. Wird die polare Oberfläche des Aluminiums chemisch inaktiviert, ohne Veränderung seiner Oberflächentopographie, dann entsteht keine Verbundhaftung.

Intermolecular interactions and their influence on the adhesion between plastics and metal surfaces

Up to now, the relevant interactions between thermoplastics and metal surfaces at the interface have not been fully investigated. In this article, possible intermolecular interactions between plastics and metal surfaces are described and investigated on injection-moulded composite specimens made of polyamide 6 and polybutylene terephthalate with aluminum as a composite partner. The results of the investigation show that the composite adhesion is mainly based on intermolecular interactions between the composite partners and not on mechanical form-fit. If the polar surface of the aluminum is chemically inactivated without changing its surface topography, then no composite adhesion occurs.

A. Frick, D. Jahn, H. D. Junker, M. Spadaro

Kunststoff-Metall-Verbunde, wie z.B. Steckverbinder, elektrische Gehäuse-durchführungen oder Elemente für die Energie- und/oder Datenübertragung werden in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen, beispielsweise in der Automobilindustrie, Elektrotechnik/Elektronik, Medizintechnik oder Kommunikations- und Energietechnik, eingesetzt [1, 2]. In diesen Anwen-dungen werden in hybriden Bauteilen die elektrische Leitfähigkeit von Metallen mit der elektrisch isolierenden Eigenschaft von Kunststoffen kombiniert [2]. Kunststoff-Metall-Verbunde werden bevorzugt durch Verbundspritzgießen hergestellt [1]. Hierbei wird in der Regel das Metall (Einleger) in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit aufgeschmolzenem Kunststoff umspritzt. Diese Fertigungstechnologie erlaubt die effiziente Herstellung komplexer Geometrien. Technisch und wirtschaftlich erlangen deshalb spritzgegossene Kunststoff-Metall-Verbunde eine immer größere Bedeutung [1, 2]. Eine wesentliche Anforderung an solche hybriden Bauteile ist eine haftfeste Grenzfläche zwischen Kunststoff und Metall, die für einen langlebigen und sicheren Einsatz in der Anwendung sorgt. Die Frage die sich folglich stellt ist, welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, dass eine Grenzfläche eines hybriden Bauteils haftfest hergestellt werden kann? Der vorliegende Beitrag befasst sich eingehend mit den möglichen Wechselwirkungen zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen im Hinblick auf eine Herstellung stoffschlüssiger und haftfester Kunststoff-Metall-Verbunde.

Das Fügen von Kunststoff und Metall im Spritzgießprozess kann auch als Schmelzkleben betrachtet werden. Der thermoplastische Kunststoff wird beim Verbundspritzgießen aufgeschmolzen, benetzt das Metall und fungiert dabei, im Falle einer haftfesten Grenzfläche als Schmelzklebstoff, der sich bei entsprechenden werkstofflichen und prozesstechnischen Voraussetzungen mit der Metalloberfläche des Einlegers stoffschlüssig verbindet. Der Kunststoff erfüllt dabei sowohl die Funktion der polymeren Strukturkomponente als auch eines Klebstoffes [2]. In der Klebetechnik werden chemische und physikalische Wechselwirkungen zwischen den Fügepartnern untersucht und angepasst, um eine optimale Verbindung von Materialien zu erzeugen [3]. Es ist bekannt, dass Klebstoffe mit polaren Gruppen besser auf polaren Festkörpern haften, als auf unpolaren [3]. Die Erkenntnisse aus der Klebetechnik sollen auch beim Umspritzen von Metallen mit Kunststoff beachtet werden. Ein Verständnis der Wechselwirkungen in der Grenzfläche zwischen Kunststoff und Metall bzw. den Metalloxiden der Oberfläche ist notwendig für die Interpretation einer möglichen Haftung bei Kunststoff-Metall-Verbunden und deren Langlebigkeit in einer Anwendung [4]. Chemische (kovalente) Bindungen zwischen Kunststoffen und Metallen sind schwierig zu erzeugen und oft nur mit Haftvermittler möglich [5]. Im Folgenden liegt der Fokus daher auf den möglichen, intermolekularen Wechselwirkungen in der Grenzfläche zwischen Kunststoffen und Metallober-flächen, worüber die Erkenntnisse noch immer begrenzt sind und es bislang keine umfassenden Darstellungen gibt [6]. Der recherchierte, derzeitige Stand des Wissens wird im Folgenden beschriebenen. Die Berücksichtigung von Grundlagen der Chemie, Polymerchemie und Oberflächenchemie der Metalle kann bei der Werkstoffauswahl für die Herstellung stoffschlüssiger, Kunststoff-Metall-Verbunde helfen und zur Weiterentwicklung langlebiger, gut haftender und damit mediendichter Grenzflächen solcher Verbunde beitragen.

1 WERKSTOFFLICHE GRUNDLAGEN – KUNSTSTOFF-METALL-VERBUNDE

Für eine elektrische Energie- oder Signalübertragung, ist ein elektrischer Leiter notwendig. Metalle haben aufgrund einer großen, zur Verfügung stehenden Elektronenkonzentration, im Vergleich zu anderen Materialien, eine gute elektrische Leitfähigkeit [7]. Bei Normaltemperatur liegt deren elektrische Leitfähigkeit zwischen 106 und 108 S?m-1 [8].

Zur elektrischen Isolierung von Leitern können Kunststoffe eingesetzt werden [2]. Sie zeichnen sich durch gute elektrische Isolationseigenschaften aus. Der spezifische Durchgangswiderstand von Kunststoffen, durch den das elektrische Isolationsverhalten charakterisiert wird, liegt zwischen 108 und 1018 ?·cm. In der Anwendung werden Kunststoffe ab einem Durchgangswiderstand von 106 ?·cm für elektrische Isolationen eingesetzt [9]. Kunststoffe sind deshalb als Isolationswerkstoffe prädestiniert und werden aus diesem Grund als isolierende und gleichzeitig strukturbildende Komponente in Kunststoff-Metall-Verbunden verwendet. Der Kunststoff soll den metallischen Leiter isolieren, zugleich vor äußeren Umwelteinflüssen wie Korrosion schützen und möglichst fest auf der Metalloberfläche haften [2].

Um mögliche intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen beschreiben zu können, ist die Kenntnis des chemischen Aufbaus der Kunststoffe und die chemische Zusammensetzung der Metalloberflächen notwendig.

1.1 Werkstoffe für die Übertragung elektrischer Energie

Kupfer und Aluminium haben nach Silber die höchste elektrische Leitfähigkeit aller technisch genutzten Metalle und werden daher abhängig von den elektrischen und mechanischen Anforderungen sowie den Umweltbedingungen für elektrisch leitende Komponenten eingesetzt [7].

Kupfer wird aufgrund seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeit zur Herstellung von elektrischen Leitern und Kontaktelementen verwendet [7, 10]. Bei Kontakt der metallischen Kupferoberfläche mit Sauerstoff bildet sich Kupfer (I)-Oxid (Cu2O), wodurch sich die Kupferoberfläche charakteristisch rot färbt [10, 11]. An trockener Luft erreicht diese Oxidschicht schon nach wenigen Stunden eine Dicke von 2 bis 4 µm [12]. Bei höheren Temperaturen bildet sich schwarzes Kupfer (II)-Oxid (CuO) auf der Kupferoberfläche. An feuchter Luft bildet sich langsam (je nach Umgebungsbedingungen) basisches Sulfat CuSO4?Cu(OH)2, basisches Chlorid CuCl2?Cu(OH)2 und basisches Carbonat CuCO3?Cu(OH)2 [10]. Dieser Überzug wird auch als Patina bezeichnet [11]. Durch eine thermische Behandlung von Kupferoberflächen können die Hafteigenschaften verbessert werden. So zeigen die Untersuchungen von Cho et al. [13] nach einer thermischen Behandlung einer Kupferoberfläche einen Anstieg von Kupfer (II)-Oxid (CuO), was zu einer besseren Benetzbarkeit der Oberfläche und Haftung zwischen Kupfer und Epoxidharz führt. Die Festigkeit der Verbunde steigt bereits nach wenigen Minuten Behandlungsdauer bei einer Temperatur von 175°C stark an, wobei das Maximum der Festigkeit nach einer Behandlungsdauer von 60 Minuten beobachtet wurde.

Unlegiertes Aluminium wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit häufig in der Elektrotechnik eingesetzt. Aluminium hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff. Bei Kontakt mit Sauerstoff bildet sich auf der Aluminiumoberfläche eine Schicht (Sperrschicht) aus Aluminiumoxid (Al2O3). Die Dicke der Sperrschicht erreicht an trockener Luft ihr Maximum bereits nach einer Stunde [14, 15].

Werden Aluminiumoberflächen für längere Zeit einer höheren Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, bilden sich eine Vielzahl von Oxidationsprodukten an der Aluminiumoberfläche (Deckschicht). Es bildet sich hauptsächlich Aluminiumoxid (Al2O3) und Aluminiumhydroxid bzw. Aluminiumtrihydroxid (Al(OH)3, Al(O)OH)) [16]. Die Aluminiumhydroxide werden auch als Bayerit (?-Al(OH)3), Gibbsit (?-Al(OH)3) und Böhmit (?-AlOOH) bezeichnet [17]. Diese Hydroxide unterscheiden sich z.B. in der Struktur und den chemischen Eigenschaften [17, 18]. Bei höheren Temperaturen wird Aluminiumhydroxid durch Dehydration zu Aluminiumoxid umgewandelt. Bei dieser Reaktion wird Wasser freigesetzt [19]. Die Temperatur, bei der sich das Aluminiumhydroxid zu Aluminiumoxid umwandelt, ist von der chemischen Struktur des Hydroxids abhängig. In der Arbeit von Digne et. al [17] beschreiben die Autoren die Umwandlung von Gibbsit (?-Al(OH)3) zu Aluminiumoxid (?-Al2O3) bei einer Temperatur von kleiner 300°C. Die Umwandlung von Böhmit (?-AlOOH) zu Aluminiumoxid (?-Al2O3) findet bei einer Temperatur von 450°C statt. Die Umwandlung von Bayerit (?-Al(OH)3) zu Aluminiumoxid (?-Al2O3) erfolgt bei einer Temperatur von 230°C [17].

Die Aluminiumoxidschicht, die sich unter atmosphärischen Bedingungen bildet, hat eine unregelmäßige Oberflächentopographie mit großer Oberflächenrauheit und Porosität. Die Ursache dafür ist eine stark variierende Dicke der Oxid-schicht und eine sehr unterschiedliche Oberflächenchemie. Bei Alterung wächst die Oxidschicht durch das Eindiffundieren von Sauerstoff langsam weiter. Die Oberflächeneigenschaften des Oxids sind daher kaum reproduzierbar [16].

Es gibt einfache Verfahren zur Modifizierung einer Aluminiumoberfläche [20, 21]. Beim sogenannten Hot-Water-Treatment (HWT) nach Zhao et al. [20] wird Aluminium zunächst mit einer Natriumhydroxidlösung (NaOH-Lösung) behandelt, um die bestehende Oxidschicht von der Aluminiumoberfläche zu entfernen. Anschließend wird das von der Oxidschicht befreite Aluminium in heißes Wasser getaucht. Das Aluminium reagiert mit dem Wasser und bildet Aluminiumhydroxide. Dieses Verfahren ist z.B. geeignet, die Haftung zwischen Aluminium und Polybutylenterephthalat (PBT) zu verbessern, wie die Autoren zeigen konnten [20].

1.2 Werkstoffe für die Isolation elektrischer Leiter

Für spritzgegossene Kunststoff-Metall-Verbunde und die elektrische Isolierung der metallischen Komponenten werden häufig thermoplastische Kunststoffe wie Polyamide (PA) oder Polybutylenterephthalat (PBT) eingesetzt.

Polyamide besitzen generell eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, einen hohen Verschleißwiderstand gegen Abrasion, eine hohe Beständigkeit gegen Kraftstoffe und Schmiermittel und ein sehr gutes elektrisches Isolations-vermögen im niederfrequenten Bereich [22]. Durch Zugabe von Glasfasern lassen sich die Steifigkeit und Festigkeit erhöhen und das Erstarrungsverhalten beschleunigen [23].

Die Amidgruppe, auch Carbonamidgruppe genannt, ist charakteristisch für alle Polyamide, Bild 1. Die Gebrauchseigenschaften der Polyamide werden stark durch die Amidgruppe CO–NH beeinflusst [9, 22, 23, 24].

Bild 1: Chemische Struktur einer Amidgruppe [24]

Durch den Abstand der Amidgruppen in der Molekülkette werden die intermolekularen Kräfte beeinflusst. Mit steigendem Abstand zwischen den Amidgruppen und der damit verbundenen Zunahme an CH2-Gruppen nehmen die intermolekularen Kräfte ab [9]. PA12 beispielsweise weist im Vergleich zu PA6 einen größeren Abstand zwischen den Amidgruppen auf, wodurch die intermolekularen Wechselwirkungen hier schwächer ausgeprägt sind, was sich dementsprechend auch auf die Wasseraufnahme auswirkt [22]. Daher werden, aufgrund ihrer hohen Polarität, für Kunststoff-Metall-Verbunde oft die teilkristallinen Polyamide PA66 oder PA6 verwendet [2, 25]. PA66 weist im Vergleich zu PA6 eine ca. 6-fach höhere Kristallisationsgeschwindigkeit auf [26]. Die deutlich geringere Kristallisationsgeschwindigkeit von PA6 kann sich bei der Fertigung von Kunststoff-Metall-Verbunden im Spritzgießprozess positiv auswirken, die Kunststoffschmelze bleibt vergleichsweise länger niederviskos und kann die Metalloberfläche umfließen, bevor die Kristallisation einsetzt und der Kunststoff erstarrt. Im Folgenden liegt der Fokus daher auf dem aliphatischen PA6, Bild 2.

PBT, Bild 3, ist ein aromatischer, teilkristalliner Thermoplast aus der Gruppe der Polyester. PBT hat aufgrund der guten Isoliereigenschaften (hoher Durchgangs- und Oberflächenwiderstand), der guten Kriechstromfestigkeit und einer hohen Durchschlagfestigkeit eine große Bedeutung in der Elektrotechnik und Elektronik. Der Werkstoff besitzt eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei günstiger Zähigkeit, sowie eine gute Wärmeformbeständigkeit bei gutem Gleit- und Verschleißverhalten. Durch die Zugabe von Glasfasern lassen sich die Steifigkeit und Festigkeit erhöhen [9, 22, 23, 24].

2 MÖGLICHE INTERMOLEKULARE WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN KUNSTSTOFFEN UND METALLOBERFLÄCHEN

Im folgenden Abschnitt werden theoretische Grundlagen zu intermolekularen Wechselwirkungen beschrieben und mögliche Wechselwirkungen zwischen ausgewählten Kunststoffen und Metalloberflächen dargestellt und erläutert. Eigene Untersuchungsergebnisse zu existierenden Wechselwirkungen und einer erreichbaren Haftung zwischen Kunststoffen und verschiedenen Oberflächen von Aluminium folgen und bestätigen die Theorie.

2.1 Grundlagen intermolekularer Wechselwirkungen

Intermolekulare Wechselwirkungen basieren auf elektrostatischen Wechsel-wirkungen zwischen Molekülen mit elektrisch unterschiedlich geladenen Atomen. Innerhalb einer chemischen, nämlich kovalenten Verbindung haben Atome die Eigenschaft Valenzelektronen anzuziehen. Diese Eigenschaft hängt hauptsächlich von der Kernladung und dem Atomradius ab und ist je nach Atom unterschiedlich stark. Durch die Elektronegativität (EN) kann diese Anziehungs-kraft der Elemente auf die Valenzelektronen quantitativ beschrieben werden. Die EN ist ein relativer Wert, welcher sich nicht experimentell bestimmen lässt. Der Wert kann über verschiedene Modelle berechnet werden [27]. In Tabelle 1 werden Elektronegativitätswerte nach Pauling [27] für verschiede Elemente aufgezeigt.

Tabelle 1: Elektronegativitätswerte nach Pauling [27]

Je größer die EN eines Elements in einer kovalenten Verbindung ist, desto stärker ist seine Anziehungskraft auf die beteiligten Bindungselektronen. Bei einer Differenz der Elektronegativität (Elektronegativitätsdifferenz ?EN) der Bindungspartner führt dies zu einer Verschiebung der Bindungselektronen in Richtung des elektronegativeren Elements. Dadurch entsteht eine negative Partialladung am elektronegativeren Element und eine positive Partialladung am Element mit der geringeren EN [27]. Die Partialladungen werden auch als Pole bezeichnet. Am Beispiel einer Carbonylgruppe, Bild 4, entsteht am elektronegativeren Sauerstoff eine negative Partialladung (negativer Pol) und am Kohlenstoff mit der geringeren EN eine positive Partialladung (positiver Pol). Die Ladungen werden üblicherweise mit ?- für eine negative Partialladung oder ?+ für eine positive Partialladung dargestellt. Eine kovalente Bindung mit einem positiven und einem negativen Pol wird als Dipol bezeichnet [27].

Bild 4: Ausbildung von Partialladungen am Beispiel einer Carbonylgruppe (>C=O) [28]

Mit der ?EN der Bindungspartner kann die Polarität einer kovalenten Bindung beschrieben werden. Bei gleicher EN oder geringer ?EN der Bindungspartner werden die Bindungselektronen gleich stark bzw. schwach vom elektro-negativeren Bindungspartner angezogen. Solche Bindungen sind unpolar bzw. schwach polar [27]. Eine Einteilung der Bindungen nach Polarität entsprechend dem vorhandenen ?EN-Wert zeigt Tabelle 2.

Tabelle 2: Richtwerte zur Einteilung der Polarität von Bindungen [29]

Polyethylen (PE) ist aufgrund eines geringen ?EN-Werts von 0,3 zwischen den Bindungselementen Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) in der Methylengruppe (CH2) schwach polar oder wird oft als unpolar beschrieben [24]. Durch die ?EN von 0,9 zwischen Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) ist eine Carbonylgruppe, Bild 4, hingegen stark polar. Neben der Carbonylgruppe sind Bindungen in Hydroxyl- (-OH), Nitril- (-CN) oder Aminogruppen (-NH2) Beispiele für polare Bindungen [28].

Dipole, die auf der Elektronegativitätsdifferenz der Bindungselemente basieren werden als permanente Dipole bezeichnet. Temporäre Dipole basieren auf der Beweglichkeit der Elektronen in ihren Aufenthaltsräumen (Orbitale), wodurch es zu kurzzeitigen Ladungsverschiebungen kommt, Bild 5 [27].

02032022_Kunststofftechnik.pdf

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

02032022_FIN 343 Frick

Autoren Prof. Dr.-Ing. Achim Frick, Dennis Jahn, B.Eng., Institute of Polymer Science and Processing IPSP, Hochschule Aalen;

Prof. Dr. Hans-Dieter Junker; Fakultät Chemie, Hochschule Aalen

Erschienen in Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 18 (2022) 3, Seite 146–172 © Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG ISSN 1864 – 2217