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10.12.2014

Höhere Wärmeleitfähigkeit durch Molekülkopplung

Vor allem in elektronischen Bauteilen spielt die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen eine entscheidende Rolle (Bild: University of Michigan)

Kunststoffe haben besonders im Vergleich zu metallischen Werkstoffen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Dies ist bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise bei Schaumstoffen zu Isolationszwecken, ein Vorteil. Vor allem in elektronischen Bauteilen kann die geringe Wärmeleitfähigkeit jedoch zu lokalen Überhitzungen führen.

Da Polymere in der Regel keine frei beweglichen Elektronen enthalten, wird die Wärmeenergie in Kunststoffen vor allem durch elastische Wellen im Festkörper (so genannte Phononen) übertragen. Damit die Wärme sich durch Phononen ausbreiten kann, sind starke Bindungen zwischen den einzelnen Molekülen erforderlich. Bei amorphen Thermoplasten sind die Polymermoleküle jedoch nur lose miteinander verbunden. Daher können sich die Vibrationen nicht von einem Molekül auf das nächste Molekül übertragen.

Forschern der University of Michigan ist es nun gelungen, Molekülstrukturen der Polyacrylsäure durch kurze Polymerketten miteinander zu koppeln. Die Kopplung beruht auf Wasserstoffbrückenbindungen – sie sind um ein Vielfaches stärker sind als die Kräfte, die normalerweise zwischen den Polymerketten wirken.

Im Rahmen der Untersuchungen stellte sich heraus, dass sich die Wärmeleitung besonders stark erhöht, wenn zur Polyacrylsäure polymerisiertes Acryloyl-Piperidin (PAP) zugegeben wird. Durch die Zumischung entstehen offensichtlich zahlreiche wärmeleitfähige Pfade im Material und der Wärmetransport erhöht sich auf das Zehnfache des Ausgangswerts. Aus den Ergebnissen der Messungen lassen sich auch weitere Prinzipien ableiten, wie die Wärmeleitfähigkeit in amorphen Polymeren beeinflusst werden kann.

Bisher wird unter anderem versucht, die Wärmeleitung von Polymeren durch leitfähige Füllstoffe zu verbessern. Dieser Ansatz hat allerdings auch Nachteile: Durch die Zusatzstoffe können sich die Materialeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit, die Lichtdurchlässigkeit oder die Reflektion an der Oberfläche verändern. Das nun entwickelte Material weist diese Nachteile nicht auf, teilen die Forscher mit.

Dr.-Ing. Harald Sambale
sambale <AT> hanser.de

zusätzliche Links

Heat-conducting plastic developed at U-Michigan , Pressemitteilung der University of Michigan, November 2014

University of Michigan
412 Maynard St.
USA Ann Arbor, MI 48109-1399


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