Leitfähigkeits-Additive im Vergleich: Ruß vs. Graphit

Leitfähigkeit in industriellen Anwendungen

In zahlreichen modernen Industrie­anwendungen spielt die gezielte Einstellung elektrischer Eigen­schaften eine wichtige Rolle. Ob zur Vermeidung elektro­statischer Aufladung, zum Schutz sensibler Elektronik oder zur Ableitung von Strömen – leitfähige Bauteile sind nicht mehr wegzudenken. Seit Jahr­zehnten gilt Ruß in diesem Bereich als das Standard-Additiv zur Verbesserung der elektrischen Leit­fähigkeit. Er ist etabliert, breit verfügbar und in vielen Rezepturen bewährt. Doch es gibt eine ebenso schwarze, technisch hoch­interessante und häufig unterschätzte Alternative: Natur­graphit. Dank seiner schicht­artigen Kristall­struktur bietet Graphit hervor­ragende intrinsische Leit­fähig­­keits­­eigen­schaften. Je nach Partikel­größe, Verarbeitung und Reinheits­grad eröffnet er neue Möglich­keiten für eine Vielzahl von Anwendungen. 

Ein Blick auf die Materialien

Auf den ersten Blick wirken beide Materialien nahezu identisch. Ruß und auch Graphit sind allotrope Modifikationen des Kohlenstoffs. Beide erscheinen schwarz, werden in der Kunststoffverarbeitung fein in das Material eingearbeitet und sind in fertigen Compounds optisch kaum voneinander zu unterscheiden. Doch trotz dieser äußeren Gemeinsamkeiten weisen Ruß und Naturgraphit grundlegende Unterschiede in ihrer Herkunft, ihrer Struktur und ihrem technischen Verhalten auf. Ein genauer Blick auf die Materialien hilft dabei, die jeweiligen Stärken besser einzuordnen und die passende Lösung für spezifische Anforderungen zu finden.

Was ist Ruß?

Industrieruß, häufig als Carbon Black bezeichnet, ist ein technisch hergestelltes Kohlenstoffprodukt. Er entsteht durch die unvollständige Verbrennung oder thermische Zersetzung von kohlenwasserstoffhaltigen Rohstoffen wie Erdöl oder Erdgas. Ruß ist seit Jahrzehnten etabliert und wird breit in verschiedenen Stoffen wie Kunststoff, Gummi oder auch als Schwarzpigment in Farben eingesetzt. 

• Wird industriell hergesetellt
• Intensive Schwarzfärbung
• Feinstaubige Partikel
• Meist ca. 95 – 99 % Kohlenstoff
• Primär elektrisch leitfähig

Was ist Graphit?

Grundsätzlich wird bei Graphit zwischen synthetischem und natürlichem Graphit unterschieden. Während synthetischer Graphit industriell hergestellt wird, ist Naturgraphit ein mineralischer Rohstoff, der durch geologische Prozesse entstanden ist und abgebaut wird. Er besteht aus kristallinem Kohlenstoff mit einer charakteristischen Schichtstruktur, die dem Material seine typischen Eigenschaften verleiht. Nach dem Abbau wird Naturgraphit durch gezielte Prozesse aufbereitet und für technische Anwendungen nutzbar gemacht.

• Natürlich vorkommender Rohstoff
• Schwarz mit metallischem Schimmer
• Kristalline Schichtstruktur
• Reinheitsgrade bis zu 99,9 %
• Elektrisch und thermisch leitfähig

Die Eigenschaften von Ruß und Graphit im technischen Vergleich

Ruß und Graphit werden in zahlreichen Leitfähigkeits­anwendungen eingesetzt. Von der Kunststoff­industrie, beispiels­weise in anti­statischen Gehäusen oder ESD-Verpackungen, über die Automobi­lindustrie, etwa in Tank- und Batterie­systemen, bis hin zum Einsatz in korrosiv belasteten Systemen wie Pumpen­gehäusen, Rohrleitungs­bauteilen oder Komponenten in chemischen Anlagen. Um das passende Leitfähigkeits-Additiv für die jeweilige Anwendung auszuwählen, lohnt sich ein genauer Blick auf die technischen Eigenschaften beider Materialien im direkten Vergleich.

Elektrische Leitfähigkeit

Ruß besteht aus sehr feinen Partikeln, die sich zu einem leitfähigen Netzwerk verbinden können, sobald eine bestimmte Konzentration erreicht wird. Speziell für diesen Zweck eingesetzte Typen werden daher auch als Leitruß oder Leitfähigkeits­ruß bezeichnet. In polymeren Anwendungen lassen sich mit Leitruß, abhängig von Füllgrad und Verteilung, typischerweise elektrische Leitfähig­keiten im Bereich von etwa 10⁰ bis 10² S/m erzielen.

Auch Graphit ist elektrisch leitfähig, was auf seine kristalline Schicht­struktur zurück­zuführen ist. Diese Struktur ermöglicht eine besonders gute Leitf­ähigkeit innerhalb der Schichtebenen. Die intrinsische elektrische Leitfähigkeit von Graphit liegt typischerweise im Bereich von etwa 10³ bis 10⁴ S/m. Welche Leitfähigkeit im fertigen Bauteil erreicht wird, hängt jedoch, wie bei Ruß, maßgeblich vom Füllgrad und von der Verarbeitung ab.

Thermische Leitfähigkeit

Ruß und Graphit sind nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch leitfähig. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit von Ruß im Vergleich zu Graphit deutlich geringer. Bei Ruß liegt sie etwa im Bereich von 0,1 bis 1 W/mK. Reiner Graphit besitzt hingegen eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit von etwa 150 W/mK, wobei der Wert je nach Verarbeitung abweichen kann.

Somit kann Ruß die Wärme­leitfähigkeit eines Kunst­stoffs zwar geringfügig erhöhen, wird jedoch nicht gezielt als Wärmeleit­additiv eingesetzt. Graphit ermöglicht hingegen ein verbessertes Thermo­management und trägt zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung im Bauteil bei. Das macht Graphit besonders für Anwendungen interessant, in denen neben der elektrischen Leitfähigkeit auch eine erhöhte thermische Leitfähigkeit gefordert ist.

Verarbeitung & Dosierbarkeit

Rußpartikel verfügen über eine hohe spezifische Oberfläche, was in vielen Anwendungen erwünscht ist, aber auch die Verarbeitung erschweren kann. In Kunststoff­anwendungen wird durch die große Oberfläche viel Polymer an der Partikeloberfläche gebunden, wodurch die Schmelze zähflüssiger wird und mehr Mischenergie erforderlich ist. Zudem ist feiner Ruß sehr staubig und neigt zur Klumpenbildung, was die Dosierung zusätzlich anspruchs­voller machen kann. Aus diesem Grund wird er häufig in pelletierter Form oder als Masterbatch eingesetzt, um eine gleichmäßigere Verarbeitung zu gewährleisten.

Naturgraphit besitzt im Vergleich dazu eine kristalline, plättchenförmige Struktur mit geringerer spezifischer Oberfläche. Dadurch beeinflusst er die Viskosität in der Regel weniger stark und lässt sich häufig stabiler verarbeiten. Graphithaltige Kunststoff-Compounds bieten zudem eine hohe Flexibilität in der Auslegung. Sie lassen sich gut formen und ermöglichen auch bei komplexen Beuteilen eine gezielte Einstellung der Leitfähigkeit. Selbst anspruchsvolle Anwendungen können so an spezifische Anforderungen angepasst werden.

Benötigter Füllgrad

Der erforderliche Füllgrad hängt bei beiden Materialien stark von der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit ab. Ruß erreicht, je nach Struktur, häufig bereits bei vergleichs­weise niedrigen Dosierungen die enstprechenden Leitfähigkeits­werte. Das ist für viele Anwendungen vorteilhaft, da die mechanischen sowie verarbeitungs­technischen Eigenschaften des Polymers so weitgehend erhalten bleiben.

Aber auch mit Naturgraphit lässt sich die Leitfähigkeit gezielt einstellen. Neben dem Füllgrad spielt dabei die gewählte Graphitsorte eine wichtige Rolle, beispielsweise hinsichtlich Partikelgröße und Reinheit. Je nach Anforderung, von antistatisch bis hochleitfähig, kommen entsprechend angepasste, teilweise auch höhere Füllgrade zum Einsatz.

Auch die Materialdichte ist ein relevanter Faktor:

• Ruß: ca. 1,7–1,9 g/cm³
• Naturgraphit: ca. 2,1–2,3 g/cm³

Graphit ist damit dichter und schwerer als Ruß. Dennoch wird er häufig mit Gewichts­reduktion in Verbindung gebracht. Das liegt nicht an der Dichte selbst, sondern daran, dass durch die Kombination aus elektrischer und thermischer Leitfähigkeit beide Funktionen integriert und metallische Bauteile ersetzt werden können, was im Gesamten zu einer Gewichtsersparnis führen kann.

Beständigkeit

Da Ruß überwiegend aus Kohlenstoff besteht, ist er thermisch relativ stabil. In sauerstoff­freier Atmosphäre ist Ruß bis etwa 800 bis 1.000 °C temperatur­beständig. Graphit erreicht noch höhere thermische Stabilität bis über 3.000 °C. Beide Materialien verfügen zudem über eine gute chemische Beständigkeit. Ruß ist gegenüber vielen Säuren, Laugen und Lösungsmitteln sehr beständig. Naturgraphit gilt als chemisch inert und zeigt eine besonders hohe Beständigkeit gegenüber zahlreichen chemischen Medien, einschließlich vieler Säuren. Diese Eigenschaften machen sowohl Ruß als auch Graphit für anspruchsvolle Anwendungen interessant, insbesondere in chemisch belasteten oder thermisch anspruchsvollen Umgebungen.

Nachhaltigkeit

Auch unter Nachhaltigkeitsaspekten unterscheiden sich Ruß und Graphit. Ruß wird industriell aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl- oder Erdgasderivaten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist energieintensiv und mit entsprechenden CO₂-Emissionen verbunden. Naturgraphit hingegen ist ein mineralischer Rohstoff, der bergmännisch gewonnen wird. Zwar sind auch Abbau und Aufbereitung mit Energieaufwand und Emissionen verbunden, jedoch weist Naturgraphit in der Regel einen geringeren CO₂-Fußabdruck auf als industriell hergestellter Ruß. Naturgraphit ist dahingehend aber auch von synthetischem Graphit abzugrenzen. Dieser ist in der Herstellung deutlich energieintensiver und weist daher wiederum einen höheren CO₂-Fußabdruck auf als Naturgraphit.

Typische Anwendungsbereiche der Leitfähigkeits-Additive

Aufgrund ihrer doch stellenweise unterschiedlichen Eigenschaften ergeben sich bevorzugte Anwendungen für Ruß oder Graphit.

Ruß wird beispielsweise eingesetzt in:

• ESD-Verpackungen für elektronische Bauteile
• Transportbehältern für Elektronikkomponenten
• Antistatischen Gehäusen
• Kabelummantelungen
• Kraftstoffsystemen im Automobilbereich
• Standard-Leitfähigkeitscompounds

Typische Anwendungen für Naturgraphit sind:

• Batteriegehäuse und Komponenten für Elektrofahrzeuge
• Bipolarplatten in Brennstoffzellen z. B. in stationären Energie­anlagen oder Notstrom­systemen
• Wärmeleitfähigen Elektronikgehäuse z. B. in Netzteilen oder kühlungs­nahen Bauteilen in Computern
• Pumpen- und Rohrleitungsteile in chemischen Anlagen
• EMV-/EMI-Abschirmungen

Wann ist Graphit die bessere Wahl?

Ob Graphit oder Ruß als Additiv letztlich besser geeignet ist, hängt stark von der jeweiligen Leitfähigkeitsanwendung und den Anforderungen an das Bauteil ab. Naturgraphit spielt seine Stärken jedoch besonders dann aus, wenn …

• gleichzeitig elektrische und thermische Leitfähigkeit gefordert sind
• die elektrische Leitfähigkeit von Ruß alleine nicht ausreicht und eine synergistische Wirkung gewünscht ist
• die Verarbeitung mit Ruß an ihre Grenzen stößt, zum Beispiel durch bestimmte Bindemittelanforderungen
• wenn metallische Bauteile ersetzt und dadurch das Gesamtgewicht reduziert werden soll
• eine nachhaltigere Lösung gewünscht ist.

Zuverlässige Leitfähig­keit­san­wendungen mit LUH Naturgraphit

Wir von der LUH GmbH sind auf Leitfähigkeitsanwendungen mit Naturgraphit spezialisiert. Gerne unterstützen wir Sie dabei, das passende Additiv für Ihre spezifische Anwendung auszuwählen. Unser Naturgraphit ist in verschiedenen Formen erhältlich. Darüber hinaus bieten wir über unsere Partner individuell entwickelte Kunststoff-Compounds an. So erhalten Sie maßgeschneiderte Lösungen, die gezielt auf eine zuverlässige elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie auf die Anforderungen Ihrer Anwendung abgestimmt sind.