Elektrische Eigenschaften von Kunststoffen.

Kunststoffe haben von Natur aus sehr gute elektrische Isolationseigenschaften, jedoch fordern gewisse Anwendungen genau das Gegenteil. Beispielsweise sollen Ladungsunterschiede abgebaut oder elektrische Signale / Ströme weitergeleitet werden.
In diesem Zusammenhang wird oftmals der Begriff «ESD» benutzt, welcher für «Electrostatic Sensitive Device (elektrostatisch empfindliches Gerät)» oder «Electrostatic Discharge» (elektrostatische Entladung) steht. In beiden Fällen betrifft es den Schutz von elektronischen Bauteilen; aber in der Praxis wird häufig die Vermeidung von Spannungsdurchschlägen in explosionsgefährlichen Umgebung (EX-Bereich) bzw. im Umgang mit entzündlichen Stoffen gemeint oder verstanden.

Die hohen Leitfähigkeiten von Metallen können mit Kunststoffen, abgesehen von intrinsisch leitfähigen Polymeren, nicht erzielt werden. Gewisse Compound-Systeme ermöglichen einen halbleitfähigen Bereich, bei dem ein Impuls kurze Strecken überwinden kann.

Einteilung der Widerstände in Bezug zur elektrischen Leitfähigkeit

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Im Antistatikbereich können permanente und nicht permanente Systeme eingesetzt werden. Die Wirkungsweise von nicht permanenten Systemen basiert auf der Bindung von Luftfeuchtigkeit. Gewisse Inhaltsstoffe migrieren und setzen die Oberflächenspannung herunter. Durch Abwischen oder bei aufgebrauchtem Depot verliert es die gewünschte Eigenschaft.

Um permanent leitfähige Eigenschaften zu erzielen, werden Kunststoffe durch geeignete Füllstoffe modifiziert. Üblicherweise kommen dabei Leitrusse und Graphite zum Einsatz, sowohl für ableitende wie auch halbleitende Systeme. Modifizierte Kunststoffe erhalten dadurch die typische schwarze Eigenfarbe. Aber Achtung, nicht jedes schwarz eingefärbte Material ist automatisch elektrisch ableitend!

Weitere Möglichkeiten sind Kohle- oder Metallfasern sowie elektrisch leitfähige Pigmente.

Die erreichbare Leitfähigkeit ist abhängig von der Ausbildung des Füllstoffnetzwerkes. Je nach Art, Form und Konzentration kommen die Füllstoffpartikel in Kontakt und leiten so den Strom weiter. Wird ein gewisser Schwellenwert erreicht, bringt eine Erhöhung des Füllstoffanteils keine weitere Verbesserung der Leitfähigkeit mit sich. Dieser Zusammenhang wird mit der sogenannten Perkolationskurve beschrieben.

Perkolationskurve

Quelle: Peter Elsner, Peter Eyerer und Thomas Hirth (2012): Kunststoff, Eigenschaften und Anwendungen; S.1337 Bild 4-34. Prinzipieller Verlauf der Leitfähigkeit eines gefüllten Kunststoffes; Dominghaus Verlag.

Die Verarbeitung des Materials spielt bei der Ausbildung des Netzwerkes ebenfalls eine entscheidende Rolle. Daher haben beispielsweise die Orientierung der Füllstoffe, die Temperaturführung sowie die Ausbildung der Spritzhaut (Spritzguss wie auch Extrusion) einen grossen Einfluss auf die Eigenschaft.

Oftmals wird die elektrische Leitfähigkeit bzw. der Widerstand vom Materialhersteller an einer dünnen Folie geprüft. Es ist dringend empfohlen, das Endbauteil gegenzuprüfen. Der elektrische Widerstand kann gut um eine Zehner-Potenz variieren.

Im Regelfall wird bei Kunstoffen immer der Widerstand R ermittelt. Der Kehrwert Siemens (spezifischer Leitfähigkeit, σ = S/m) kommt hauptsächlich bei Metallen und Flüssigkeiten zum Einsatz.

Als Kenngrössen werden der Oberflächenwiderstand RO und der Durchgangswiderstand RD (Volumen) unterschieden. Teilweise werden für einen besseren Vergleich der Materialien die spezifischen ρO oder ρR [Ω/m] ermittelt.

Beim Oberflächenwiderstand ist zu beachten, dass die Werte durch die Umgebung beeinflusst werden. Beispielsweise haben Feuchtigkeit, Schmutz oder Staubbildung einen Einfluss auf das Messergebnis.

 

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