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Thermische Materialeigenschaften

Thermische Eigenschaften und Abkühlverhalten von Materialien am Beispiel von Polypropylen-Compositen mit unterschiedlichen Partikelfüllgehalten in einem Spritzgusswerkzeug

Verglichen mit Metallen sind Kunststoffe sehr schlechte Wärmeleiter. Die thermische Leitfähigkeit kann jedoch durch Hinzufügen von geeigneten Additiven, zumeist Metall- oder Metalloxidpartikel, deutlich erhöht werden. Diese Verbundwerkstoffe können weiterhin mit typischen Kunststoffmaschinen verarbeitet werden, was sie für viele Anwendungen interessant macht, in denen Wärme abgeleitet werden muss. Typische Anwendungsgebiete sind Kühlkörper für Leistungselektronik, Spulenummantelungen, Gleitlager, der Automobilbau (z.B. Wärmeableitung vom Armarturenbrett) und vieles mehr. Die Kenntnis der thermischen Leitfähigkeit eines Materials hilft aber auch, die minimale Abkühlzeit eines Materials im Spritzugusswerkzeug auszurechnen, nach der es entformt werden kann.

Soll die thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs isotrop sein, müssen die verwendeten Partikel ein geringes Aspektverhältnis haben; sie sind demnach sphärisch oder irregulär geformt. Je größer das Aspektverhältnis der Partikel ist, um so anisotroper wird die thermische Leitfähigkeit. Hohe Aspektverhältnisse liegen bei Fasern vor. Natürlich entsteht selbst bei sphärischen Partikeln oft durch den Herstellprozess noch eine gewisse Anisotropie in der Partikelverteilung, was zu einer anisotropen thermischen Leitfähigkeit führen kann. Dies tritt beispielsweise im Spritzgussprozess auf.

Trotzdem bietet die erhöhte thermische Leitfähigkeit der Kunststoffcompounds aus Polymer und Partikeln im Spritzgussprozess noch einen erheblichen Vorteil:
Je höher die thermische Leitfähigkeit des Polymers ist, umso schneller kühlt die Spritzgussmasse im Werkzeug aus und umso schneller ist der Spritzgusszyklus.

Abkühlverhalten von Polypropylen-Magnetit-Compositen mit unterschiedlichen Partikelfüllgehalten in einem Spritzgusswerkzeug

Im vorstehenden Bild sind die in einem Spritzgusswerkzeug gemessenen zeitlichen Temperaturverläufe beim Abkühlen von Polypropylen-Magnetit Composites zu sehen.

Je weniger Magnetit im Compound vorhanden ist, umso höher ist die Temperatur des Compounds nach einer gegebenen Abkühlzeit nach dem Einspritzzeitpunkt t=0. Es wird also deutlich, dass das Material im Werkzeug umso schneller abkühlt, je höher der Anteil an Magnetit im Compound ist. Das liegt daran, dass mit zunehmendem Magnetitgehalt die thermische Leitfähigkeit des Materials erhöht wird. Eine Möglichkeit, die thermische Leitfähigkeit von Materialien zu messen, bietet die Laserflash-Methode

Die thermische Leitfähigkeit kann nicht nur über die Menge des zugemischten Materials sondern auch über das Material selbst beeinflusst werden. In der nachstehenden Abbildung ist für ein Volumengehalt von jeweils 30% die Änderung des Abkühlverhaltens von Polypropylen im Spritzgusswerkzeug für die Materialienbeimischungen Magnetit, Bariumsulfat, Glasfaser, Talkum, Strontiumferrit und Kupfer gezeigt.

 

Abkühlverhalten von Polypropylen-Compositen mit unterschiedlichen Füllstoffen bei einem Füllgehalt von 30-vol% in einem Spritzgusswerkzeug

Besonders gut kann man in der Abbildung sehen, dass die Beimischung von Kupfer, das eine extrem hohe thermischen Leitfähigkeit besitzt, dazu führt, dass das Komposit im Werkzeug besonders schnell abkühlt. Scheinbar zeigen die anderen untersuchten Materialien keine besonders großen Unterschiede im Abkühlverhalten. Dies liegt jedoch an der Auftragung in einem logarithmischen Maßstab, der die Unterschiede nicht deutlich werden lässt.

Die Auftragung im logarithmischen Maßstab bietet sich an, weil die Steigung der Abkühlkurve theoretisch die thermische Leitfähigkeit des Werkstoffs ergeben sollte. Auf dieses Ergibnis kommt man, wenn man unter zu Hilfenahme von vielen Vereinfachungen die eindimensionale Wärmeleitungsgleichung löst (vgl. Publikationen). Trotz dieser Vereinfachungen kann man den gemessenen experimentellen Temperaturverlauf mit diesem einfachen Modell recht gut berechen, was in der nachfolgenden Abbildung zu sehen ist. 

 

Vergleich der gemessenen und der theoretisch berechneten Abkühlungskuve eines Komposites im Spritzgusswerkzeug

Hierbei wird allerdings auch die Vereinfachung gemacht, dass die thermische Leitfähigkeit unabhängig von der Temperatur ist und sich daher während des Abkühlvorgangs nicht ändert. Dies entspricht aber tatsächlich nicht den den physikalischen Gegebenheiten. Im nächsten Bild ist zu sehen, wie sich die thermische Leitfähigkeit von zwei ausgewählten Polypropylen-Kompositen mit der Termperatur verändert.

Temperaturabhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit von zwei Polypropylen-Kompositen
thermische Diffusivität

In der Abbildung ist zu sehen, dass die thermischen Leitfähigkeiten  (Diffusivitäten) von einem Polypropylen-Magnetit und einem Polypropylen-Bariumsulfat - Partikel-Verbundwerkstoff mit zunehmender Temperatur abnehmen. Derartige Messwerte können mit der Laserflash-Methode ermittelt werden.  Gleichfalls ist erkennbar, dass im gesamten untersuchten Temperaturintervall die thermische Leitfähigkeit vom magnetitgefüllten Polypropylen höher ist als diejenige des Polypropylens, das mit Bariumsulfat gefüllt ist.

Mit Hilfe der thermischen Leitfähigkeit α kann die Wärmeleitfähigkeit λ über die Formel λ = ρ * α * cp berechnet werden, wobei cp die spezifischen Wärmekapazität beschreibt. Im gleichen Temperaturintervall wie in der zuvorstehenden Abbildung wurde daher die spezifische Wärmekapazität mittels DSC-Messungen bestimmt. In der nachstehende Abbildung ist zu sehen, dass die spezifischen Wärmekapazitäten der beiden Polypropylen-Komposite im gemessenen Temperaturbereich ansteigen.

Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität von zwei Polypropylen-Kompositen
spezifische Wärmekapazität
 

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