Die Rolle von Graphit in leitfähigen Compounds

Was sind leitfähige Compounds?

Unter leitfähigen Compounds versteht man Kunststoffe, deren Eigenschaften gezielt durch die Zugabe spezieller Füllstoffe verändert und verbessert werden. Im Ausgangs­zustand sind die meisten Kunststoffe wenig leitfähig, weder für elektrischen Strom noch für Wärme. Um sie dennoch für technische Anwendungen nutzbar zu machen, werden sie im sogenannten Compoundier­prozess mit funktionalen Zusatz­stoffen kombiniert. Je nach gewünschter Eigenschaft können dabei unterschiedliche Füllstoffe zum Einsatz kommen:

• Ruß für elektrische oder antistatische Kunststoffe
• Metallpulver für Anwendungen, bei denen hohe Leitfähigkeit wichtiger ist als geringes Gewicht
• Carbonfasern für elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit
• Aluminiumoxid für gute thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger elektrischer Isolation
• Bornitrid für Wärmemanagement-Anwendungen
• Graphit für sehr hohe, gleichzeitige thermische und elektrische Leitfähigkeit

Compounds sind dabei kein einzelnes Bauteil und auch kein fertiges Produkt, sondern ein homogenes Kunststoff­granulat, das später einfach und staubarm weiterverarbeitet werden kann. Optisch sieht es meist aus wie kleine zylindrische oder linsenförmige Kunststoff­pellets aus – ähnlich wie herkömmliches Granulat, nur mit gezielt eingestellten Material­eigenschaften.

So entsteht die Leitfähigkeit in den Compounds

Die Leitfähigkeit der Compounds entsteht durch die gezielte Beimischung leitfähiger Füllstoffen, die während des Compoundier­prozesses gleichmäßig im Kunststoff verteilt werden. Meist sind diese Füllstoffe mikroskopisch kleine Partikel, Fasern oder plättchenförmige Strukturen, die sich im Kunststoff zu einem zusammen­hängenden Netzwerk verbinden. Der ursprünglich isolierende Kunststoff dient dabei als Träger­material, während die Füllstoffe die leitfähigen Eigenschaften einbringen. Auf diese Weise lassen sich nicht leitfähige Kunststoffe funktional erweitern und für technische Anwendungen nutzbar machen.

Arten von leitfähigen Compounds

Leitfähige Compounds lassen sich grundsätzlich in drei Hauptarten einteilen, abhängig davon, welche funktionale Eigenschaft im jeweiligen Anwendungsfall benötigt wird.

• Elektrisch leitfähige Compounds: Leiten elektrische Ladungen kontrolliert ab, um statische Aufladungen zu vermeiden.
• Thermisch leitfähige Compounds: Leiten Wärme gezielt von einem Hotspot weg, um Bauteile vor Überhitzung zu schützen.
• EMV-Compounds: Bieten Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen. 

Graphit als leitfähiger Füllstoff

Graphit zählt zu den wichtigsten leitfähigen Füllstoffen in Compounds. Durch seine plättchen­artige Struktur kann Graphit besonders gut zusammen­hängende Netzwerke im Kunststoff ausbilden, über die Wärme effizient weiter­geleitet wird. Reiner Graphit besitzt eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit von etwa 140 W/(m·K). In Kunststoff-Compounds wird dieses Potenzial genutzt, wobei die erreichbare Wärme­leitfähigkeit naturgemäß unterhalb des Wertes von reinem Graphit liegt, da der Graphit in den nicht leitfähigen Kunststoff eingebettet ist. Gleichzeitig lässt sich die thermische Leit­fähigkeit von graphit­gefüllten Compounds aber gezielt und reproduzierbar einstellen, insbesondere über den Füllgrad sowie die Auswahl der eingesetzten Graphitsorte, sodass anwendungs­spezifische Wärmemanagement-Lösungen realisiert werden können.

Außerdem besitzt Graphit eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 10³ bis 10⁴ S/m. In elektrisch leitfähigen Compounds kann Graphit einen wichtigen Beitrag leisten, um elektrische Ladungen gezielt abzuleiten oder definierte elektrische Leit­fähigkeiten im Kunststoff einzustellen. Auch hier beeinflussen sowohl der Füllgrad als auch die verwendete Graphit­sorte maßgeblich die resultierenden elektrischen Leitfähigkeiten der Compounds.

Diese Vorteile bietet Graphit in Compounds

Insbesondere im Vergleich zu Metallen oder anderen klassischen Füllstoffen bietet Graphit eine Reihe überzeugender Vorteile. Diese machen ihn zu einem vielseitig einsetzbaren Füllstoff für Kunststoff-Compounds und prädestinieren ihn für vielseitige technische Anwendungen.

Geringeres Gewicht

Graphit ist im Vergleich zu anderen leitfähigen Materialien wie Metallen deutlich leichter. Wird Graphit als Füllstoff in Compounds eingesetzt, ermöglicht er die Herstellung von gewichts­effizienten Bauteilen, ohne auf funktionale Eigen­schaften wie die thermische oder elektrische Leitfähigkeit verzichten zu müssen.

Temperaturstabilität

Graphitgefüllte, leitfähige Compounds zeigen auch bei sehr hohen Temperaturen eine zuverlässige Leitfähigkeit. Natürlicher Graphit ist äußerst hitze­beständig und bleibt in sauerstoff­freier Atmosphäre bei Temperaturen bis zu 3000 °C stabil. In Kombination mit Kunst­stoffen kann diese Eigenschaft genutzt werden, um thermisch leitfähige Compounds zu entwickeln, die auch unter anspruchs­vollen Bedingungen ihre Funktion behalten. Während metallische Füllstoffe bei hohen Temperaturen zu Oxidation oder Eigenschafts­änderungen neigen und Ruß im Vergleich nur eine begrenzte Wärme­leitfähigkeit bietet, trägt Graphit dazu bei, die thermische Stabilität und Funktions­sicherheit der Compounds auch bei kontinuierlicher Wärme­belastung zu erhöhen.

Korrosionsbeständigkeit

Zusätzlich zu seiner thermischen Stabilität ist Graphit auch gegenüber zahlreichen chemischen und umweltbedingten Einflüssen äußerst beständig. In Compounds trägt diese Eigenschaft dazu bei, Bauteile zuverlässig vor aggressiven Medien und Umwelteinflüssen zu schützen. Dank der hohen Korrosionsbeständigkeit bleiben die elektrische und thermische Leitfähigkeit auch dann stabil, wenn Bauteile mit Säuren, Laugen oder Feuchtigkeit in Berührung kommen.

Flexibilität

Durch die gute Verarbeitbarkeit und einfache Formbarkeit bieten leitfähige Compounds auf Graphitbasis eine hohe Flexibilität und Designfreiheit. Im Vergleich zu klassischen leitfähigen Materialien lassen sich Kunststoffe mit graphithaltigen Füllstoffen in nahezu beliebige Formen bringen. Dadurch können selbst anspruchsvolle und komplexe Leitfähigkeitsanforderungen gezielt umgesetzt und an spezifische technische Vorgaben angepasst werden.

Verbesserte Akustik

Im Vergleich zu metallischen Werkstoffen weisen Graphit-Compounds deutlich bessere dämpfende Eigenschaften gegenüber Schwingungen und Geräuschen auf. Durch die Kombination aus Kunststoff und Graphit können Vibrationen und Körperschall meist effektiv reduziert werden. Diese Eigenschaft trägt insbesondere in technischen Anwendungen dazu bei, Geräuschentwicklungen zu minimieren und die Betriebsruhe von Bauteilen zu verbessern.

Nachhaltige Materiallösung

Wird natürlicher Graphit eingesetzt, können leitfähige Compounds auch aus nachhaltiger Perspektive überzeugen. Naturgraphit ist ein mineralischer Rohstoff, der ohne aufwendige chemische Synthese gewonnen wird und damit eine ressourcen­schonendere Alternative für viele Leitfähigkeits­anwendungen darstellt. Graphit ist ein umwelt­freundliches, mineral­basiertes Material, das frei von Halogenen ist. Die von uns in Compounds eingesetzten Graphite erfüllen zudem die Anforderungen der REACH-Verordnung.

Was sagt der Füllgrad der Compounds aus?

Der Füllgrad beschreibt den Anteil der leitfähigen Füllstoffe im Kunststoff-Compound und ist ein entscheidender Parameter zur gezielten Einstellung der Material­eigenschaften. Je nach Füllgrad lassen sich unter anderem die thermische und elektrische Leitfähigkeit, aber auch die Verarbeit­­barkeit sowie die mechanischen Eigen­­schaften beeinflussen. Auf diese Weise können die leit­fähigen Compounds passgenau für die jeweilige Anwendung hergestellt werden.

So gibt es beispielsweise Graphit-Compounds mit sehr hohen Füll­graden von bis zu 90 Gew.-%, die Wärme­­leit­fähigkeiten von über 20 W/(m·K) erreichen. Trotz des hohen Anteils lassen sich diese Compounds weiterhin gut verarbeiten und zeigen nur eine geringe Beeinflussung der mechanischen Eigen­schaften. In anderen Anwendungen sind hingegen niedrigere Füllgrade erforderlich. Durch den Einsatz ultradünner Graphit­partikel können bereits bei Graphit­konzentrationen von etwa 10 bis 30 % thermische Leit­fähigkeiten von über 2 W/(m·K) erzielt werden. Gleichzeitig lässt sich über den Füllgrad auch die elektrische Leitfähigkeit beein­flussen, sodass diese gezielt von antistatisch bis elektrisch leitfähig eingestellt werden kann. Welcher Füllgrad erforderlich ist, richtet sich somit nach den gewünschten Eigenschaften sowie der jeweiligen Anwendung.

Dort können graphitgefüllte, leitfähige Compounds eingesetzt werden

Graphit-Compounds ermöglichen die Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil. Neben der Leitfähigkeit übernehmen sie gleichzeitig mechanische Aufgaben, wie die Formgebung, Stabilität und den Schutz des Bauteils. Dadurch lassen sich Bauteile realisieren, die sowohl funktional als auch konstruktiv vielseitig einsetzbar sind. Besonders vorteilhaft sind diese Compounds in Anwendungen, in denen thermische und elektrische Leitfähigkeit gleichzeitig gefordert sind und das Material zudem definierte mechanische, chemische oder thermische Anforderungen erfüllen muss. Der Einsatz erfolgt branchen­übergreifend, zum Beispiel in folgenden Anwendungen:

• Elektrofahrzeuge: Einsatz u. a. als antistatische Kunststoffkomponenten wie Tank­deckel, bei denen eine kontrollierte Ableitung elektrischer Ladungen erforderlich ist, sowie als Gehäuse- und Funktionsteile, die zur Gewichts­reduktion beitragen und damit die Energieeffizienz sowie die Reichweite verbessern.
• Brennstoffzellen: Als Bipolarplatten in Brennstoff­zellen, die beispielsweise in stationären Energie­anlagen oder Notstrom­systemen eingesetzt werden.
• Elektronikbauteile: Leitfähige Compounds können u. a. in Gehäusen von Netzteilen, Abdeckungen und Halterungen von Leiterplatten sowie in kühlungs­nahen Bauteilen in Computern, Servern oder Ladegeräten eingesetzt werden, um Wärme abzuführen, statische Aufladungen zu vermeiden und die zuverlässige Funktion der Elektronik sicherzustellen.
• Korrosiv belastete Bauteile: Pumpengehäuse, Rohrleitungs­bauteile, Behälter­abdeckungen oder Verteil­­systeme aus Kunststoff, die mit Säuren, Laugen, Lösungs­mitteln oder salzhaltigen Medien in Kontakt kommen und dabei leitfähig bleiben müssen. Beispielsweise in Meer­wasser­­entsalzungs­anlagen, Wasser­­aufbereitungs­­anlagen, chemischen Prozess­anlagen oder Wärmetauschern.

Ihr Partner für individuelle Graphitlösungen

Als Experte für Naturgraphit in industriellen Anwendungen unterstützen wir Sie dabei, den passenden Graphit für Ihre Anwendung zu finden. Über unsere Partner stehen unsere Graphite zudem als individuell entwickelte Kunststoff-Compounds zur Verfügung. So entstehen maß­ge­schneiderte Lösungen, die gezielt auf thermische und elektrische Leit­fähigkeit, Verarbeit­barkeit und die jeweiligen Einsatz­bedingungen abgestimmt sind. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, beraten wir Sie hierzu gerne in einem persönlichen Gespräch.