Faserverbundstoff Gamechanger für EMV wirksame Kunststoffe

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Ruderer Klebetechnik GmbH

Leitfähige Kunststoffe vereinen die Vorteile von Polymeren und elektrischer Leitfähigkeit. Trotz guter Leitfähigkeit im Bauteilinneren stellt jedoch der hohe Oberflächenwiderstand eine zentrale Herausforderung dar. Forscher am Kunststoff Institut Lüdenscheid wollen diese Schwachstelle durch Materialkombinationen und Additive gezielt überwinden.

Kunststoffe bieten gegenüber rein metallischen Werkstoffen zahlreiche Vorteile, insbesondere hinsichtlich geringerer Fertigungskosten, Gewichtsreduktion sowie nachhaltiger Aspekte wie CO₂-Bilanz, Recyclingfähigkeit und niedrigere Verarbeitungstemperaturen. Vor diesem Hintergrund wird der Einsatz leitfähiger Kunststoffe für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bereits seit mehreren Jahren intensiv diskutiert.

Grundsätzlich lassen sich mit leitfähigen Kunststoffen optimale elektrische Eigenschaften erzielen. Dabei stellt jedoch der vergleichsweise hohe Oberflächenwiderstand eine zentrale Herausforderung dar. Insbesondere bei Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen, die im Spritzgießverfahren hergestellt werden, entsteht eine charakteristische Mehrschichtstruktur. Dabei ist die äußere Randschicht häufig von der polymeren Matrix dominiert, während sich leitfähige Fasern und Partikel überwiegend im Kernbereich zu einem leitfähigen Netzwerk anordnen.
Für viele EMV-Anwendungen stellt diese inhomogene Leitfähigkeitsverteilung eine kritische Barriere dar. Wird beispielsweise ein Gehäuse aus Deckel und Grundkörper gefügt, kann die reduzierte Leitfähigkeit der Oberflächen zu sogenannten EMV-Leckagen führen. Infolgedessen können elektromagnetische Wellen trotz guter Gesamtleitfähigkeit des Materials nahezu ungehindert in das Gehäuse eindringen.

Hohe Leitfähigkeit im Inneren der Bauteile

Im Rahmen von drei Verbundprojekten wurden daher unterschiedliche Materialsysteme untersucht. Hierbei kamen diverse Kunststoffe in Kombination mit leitfähigen Fasern wie Stahl, Carbon sowie vernickelten Carbonfasern zum Einsatz, ergänzt durch Additive wie Leitruß, Carbon-Nanostrukturen und Kupfer-Silber-Hybridpartikel. Die Ergebnisse belegen durchweg eine hohe Leitfähigkeit im Inneren der Bauteile. Der dominierende Einfluss der weniger leitfähigen Randschichten konnte jedoch in allen untersuchten Materialkombinationen nachgewiesen werden.
Im aktuellen Verbundprojekt „EMV 4“ verfolgt die Projektgruppe vom Kunststoff Institut Lüdenscheid daher einen innovativen Ansatz: den Einsatz niedrig schmelzender Metalllegierungen als Additive im Compoundierprozess. Diese Metalle schmelzen bereits bei Temperaturen um 190 °C  und nehmen ein nahezu newtonsches Fließverhalten an. Aufgrund ihrer hohen Fließfähigkeit können sie während des Spritzgießprozesses verstärkt auch die Randschicht erreichen und dort zur Ausbildung eines durchgängigen leitfähigen Netzwerks beitragen. Das Ergebnis ist ein homogen leitfähiger Hybridcompound.

EMV-Dichtungen durch Metalldirekteinspritzen integrieren

Erste Untersuchungen zeigen vielversprechende Ergebnisse. So konnte bei einem carbonfaserverstärkten Polyamid-Compound die Leitfähigkeit der Randschicht um den Faktor fünf gesteigert werden. Gleichzeitig blieb die Leitfähigkeit über den gesamten Querschnitt bis in den Kern nahezu konstant.Im weiteren Verlauf des Projekts werden zusätzliche Faserwerkstoffe und Kunststoffmaterialien hinsichtlich dieses Ansatzes untersucht. Darüber hinaus befasst sich die Projektgruppe mit konstruktiven Fragestellungen, beispielsweise wie EMV-Dichtungen durch Metalldirekteinspritzen integriert werden können.