Materialentwicklungen von elektrisch beheizbaren TPE-Produkten

Derzeit beobachtet man eine stürmische Entwicklung bei elektrisch leitfähigen Kunststoffen. Ziel war früher meist die Antistatik; zunehmend wichtig wird aber auch die Leitfähigkeit als aktive Funktionalisierung. Einsatzgebiete sind u.a. Maschinenteile für explosionsgeschützte Räume oder für den Transport von Plastik/Papier, elektro-nische Systeme sowie alle anderen Gebiete, in denen Auf-/Entladung sowie Signalgewinnung/-überragung eine Rolle spielen.

In den letzten Jahren gelang es, interessante Lösungen für derart funktionalisierte Gummiprodukte zu finden: Mittels leitfähiger Partikel, insbesondere leitfähiger Fasern, lässt sich der elektrische Widerstand in einem weiten Bereich einstellen. Ergebnis waren Gummiprodukte, deren Leitfähigkeit bei Anlegen von Niederspannung eine direkte Aufheizung gestattet.

Basierend auf den vorangegangenen Arbeiten wurden diese Ansätze nun für Innovationen auf dem großen Gebiet der Thermoplastischen Elastomere (TPE) genutzt. Es ging darum, Grundlagen für ein breites Sortiment an elektrisch heizbaren TPE-Produkten zu entwickeln und dabei die aus wirtschaftlicher Sicht und auch vom Nachhaltigkeitsgedanken her günstigen Kohlenstoff-Recyclingfasern (= CF-Recycling) zu verwenden.

Ergebnisse

Tatsächlich eignen sich auch CF-Recyclingfasern, die Leitfähigkeit von Elastomer-Werkstoffen signifikant anzuheben. Ihr Effekt hängt maßgeblich von der Faserlänge und der Vereinzelung ab. Geringfügige Zusätze an leitfähigem Ruß oder CNT bringen die  Leitfähigkeit auf ein noch höheres Niveau. Leitfähige Fasern/Partikel kann man im Falle der TPE-Polymerblends sowohl über die thermoplastische als auch über die elastische Komponente einführen; direktes Compoundieren bei den TPE-Blends und auch bei den Block-Copolymeren ist immer möglich.

Art, Menge, Länge und Orientierung der leitfähigen Zusätze bedingen den Widerstand und damit die erzielbare Heizleistung der TPE. Sinngemäß gilt dies auch für heizbare Gummiartikel mit CF-Recycling. Verwendet man ausschließlich Carbonfasern als Träger des Stromflusses, so sind Einflüsse durch mechanische Belastungen auf den elektrischen Widerstand zu bedenken. Geringe Zusätze an hochleitfähigen Partikeln (Spezialruß, CNT) dämpfen diese Effekte ab.

Damit wurden im Projekt Lösungen aufgezeigt, die außergewöhnlich vielfältige, innovative Werkstoffklasse der TPE um eine neue Funktionalität – die direkte elektrische Beheizbarkeit – zu bereichern, sowie die Herstellung von neuartigen, preisgünstigen, direkt heizbaren Gummierzeugnissen vorzubereiten.

Anwendung

Stand der Technik bei der Heizung von Elastomerprodukten sind integrierte Widerstandselemente. Sie erfordern zusätzliche Arbeitsgänge in der Fertigung, meist Spannungen von 220 V (selbst wenn nur eine geringe Temperaturerhöhung gewünscht ist) und sind sensibel gegen mechanische Belastungen wegen der Heizdrähte und der keramischen Verkleidung.

Im Mittelpunkt des Projekts standen TPE, deren Anteil im Markt rasch wächst. Leitfähiges TPE nimmt bisher nur eine Nische ein, weil eine derartige Modifizierung aus verschiedenen Gründen schwierig ist.

Über die im Projekt verfolgten Ansätze wurde die Leitfähigkeit geeigneter TPE soweit angehoben, dass Stromflüsse möglich sind, die eine unmittelbare Aufheizung gestatten. Der Einsatz von CF-Recycling führt zu preiswerten Erzeugnissen und erhöht gleichzeitig die Nachhaltigkeit der Produktion – entscheidende Punkte bei der Vermarktung.

Unmittelbare Anwendungen ergeben sich in den Bereichen direkt beheizbarer Matten oder Formartikel jeglicher Art sowie bei antistatischen Anforderungen.