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Wärmeleitfähige Kunststoffe: Verarbeitungsinduzierte Eigenschaftsbeeinflussung und deren numerische Vorhersage

Wärmeleitfähige Kunststoffe stellen eine Werkstoffgruppe dar, bei der ein Kunststoff mit leitfähigen Füllstoffen versetzt wird, um die Wärmeleitfähigkeit zu steigern. Sie werden in Form von gehäuseartigen, dünnwandigen Spritzgießbauteilen oder extrudierten Thermoformbauteilen vor allem im thermischen Management elektronischer Komponenten oder in Wärmetauschern eingesetzt. Meist muss die Wärme dabei in Dickenrichtung des Bauteils geleitet werden und das idealerweise bei möglichst dünnwandigen Strukturen. Leider zeigt die Literatur- und Patentrecherche bei dünnwandigen Kunststoffbauteilen nur eine eher geringe Dickenleitfähigkeit. Dies ist vor allem der Tatsache geschuldet, dass wärmeleitfähige Füllstoffe bei solchen dünnwandigen Bauteilen kaum in Dickenrichtung orientiert sind. In konventionellen Verarbeitungsverfahren, wie dem Spritzgießen oder der Extrusion, werden wärmeleitfähige Füllstoffe stattdessen strömungsbedingt eher in Fließrichtung ausgerichtet. Die geringe Dickenleitfähigkeit bei dünnwandigen Bauteilen stellt ein Problem dar, da ein recht hoher Füllgrad eingesetzt werden muss, um die Wärmeleitfähigkeit hinreichend zu erhöhen.

Ausgehend von diesem Problem wird in der vorliegenden Arbeit eine neue Verarbeitungsvariante vorgeschlagen, mit der die Dickenleitfähigkeit signifikant gesteigert werden kann. Dabei werden divergente Dehnströmungen genutzt, um die Füllstoffe während der Verarbeitung entsprechend neu zu orientieren. Durch den Einsatz der Dehnströmungen kann die Dickenleitfähigkeit bei gleichbleibenden Füllgrad um den Faktor 2–3 erhöht werden oder der Füllgrad um mehr als 40 % gesenkt werden, ohne die Dickenleitfähigkeit zu reduzieren. Die Reduktion des Füllgrads wirkt sich ferner positiv auf die Werkstoffkosten aus, da wärmeleitfähige Füllstoffe in der Regel deutlich teurer sind als technische Kunststoffe.

Der Schlüssel zur Optimierung wärmeleitfähiger Kunststoffe liegt somit in der Verbesserung der Verarbeitung, um so die Füllstoffe effizienter zu orientieren. Daher wird mit Hilfe der Prozesssimulation der Einfluss divergenter Dehnströmungen auf die Orientierung der Füllstoffe sowie die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Dickenleitfähigkeit berechnet. Um die Genauigkeit der Simulation zu erhöhen, wird zudem zuvor das verbreitete Folgar-Tucker-Modell auf dessen Anwendbarkeit auf plättchenförmige Füllstoffe überprüft sowie die notwendigen Modellparameter ermittelt. Die Validierung im Experiment zeigt eine gute Vorhersagegüte des Folgar-Tucker-Modells, wenn füllstoffspezifische Interaktionskoeffizienten verwendet werden.

Read this abstract in English at Kunststoffe-international.com
 Otto Skrabala

Otto Skrabala
Institut für Kunststofftechnik
Universität Stuttgart

Informationen

Freie Schlagwörter: wärmeleitfähige Kunststoffe, Wärmeleitfähigkeit, Simulation, Füllstofforientierung, Folgar-Tucker, plättchenförmige Füllstoffe, Extrusion, prozessabhängige Eigenschaften, Phan-Thien, Hatta-Taya
Institut / Lehrstuhl: Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität Stuttgart
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer
Erscheinungsjahr: 2016
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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