Hochleistungsverbundwerkstoffe

Können glasfaserverstärkte Kunststoffe elektrisch leitfähig sein?

Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) sind aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig günstigem Preis aus vielen Bereichen der Technik nicht mehr wegzudenken.

GFK kann, wie alle Hochleistungsverbundwerkstoffe, sowohl über die Werkstoffkombination (Faser und Matrix) als auch über den Laminataufbau (Faserorientierung in Belastungsrichtung) für die jeweils geforderten mechanischen Eigenschaften eines Bauteils maßgeschneidert werden. Diese Möglichkeiten werden insbesondere im europäischen Flugzeugbau intensiv genutzt. Dort sind sowohl die verwendeten Werkstoffkombinationen als auch die Laminataufbauten bezüglich der mechanischen Eigenschaften weitgehend für die jeweiligen Anwendungen optimiert. Anfang der neunziger Jahre stellte sich jedoch für die deutschen Flugzeugbauer des Airbus-Konsortiums, die jetzige Daimler-Benz Aerospace Airbus (DASA), die Frage nach weiteren Möglichkeiten der Optimierung von GFK-Bauteilen.

Ruß macht leitfähige Lackierung überflüssig
Glasfasern und das Matrixpolymer sind beide elektrische Isolatoren. Für die meisten Anwendungen ist diese Eigenschaft unerheblich oder zumindest nicht nachteilig. Um elektrostatische Aufladungen zu verhindern, die den Funkverkehr oder gar elektronische Geräte stören können, ist jedoch ein spezifischer elektrischer Widerstand r < 108 W cm erforderlich. Durch die elektrisch isolierende Wirkung von GFK war für die betroffenen Bauteile eine spezielle und aufwendige Lackierung mit einem elektrisch leitfähigen Speziallack notwendig (Abbildung 1a). Über diesen „Umweg”konnte die geforderte elektrische Leitfähigkeit realisiert werden. Die Nachteile der Lackierung liegen auf der Hand:
- Der Lackiervorgang verursacht durch die erforderlichen Fertigungsschritte (Abkleben, Lackieren, Trocknen, Überprüfen) erhebliche Fertigungs-, Wartungs-, und zusätzliche Reparaturkosten.
- Der durch die Verwendung des GFK erreichte Gewichtsvorteil gegenüber der Metallbauweise wird verringert,
- Der Speziallack muß gekauft, fachgerecht gelagert und entsorgt werden,
- Die Lackschicht ist einer Alterung unterworfen und muß in bestimmten Intervallen geprüft und gegebenenfalls erneuert werden.
--> Die aufgeführten Kosten müssen entweder direkt über Wartung und Reparatur oder indirekt über den Kaufpreis vom Kunden getragen werden.

Eine technisch weitaus elegantere Lösung, die Einsparungen sowohl auf der Materialseite als auch bei der Fertigung, Wartung und Reparatur von GFK-Bauteilen verspricht, wäre ein elektrisch leitfähiger, glasfaserverstärkter Kunststoff. Damit kann ein vereinfachtes Bauteildesign verwirklicht werden (Abbildung 1b).

Aber es bleiben folgende Fragen:
1. Können glasfaserverstärkte Kunststoffe elektrisch leitfähig sein?
und
2. Können sie dabei ihre mechanischen Eigenschaften in vollem Umfang behalten?

Zur Beantwortung beider Fragen, wurde eine Kooperation zwischen der DASA und dem Arbeitsbereich Kunststoffe und Verbundwerkstoffe der TUHH vereinbart, in der ein elektrisch leitfähiger GFK entwickelt werden sollte. Ziel des Projekts war es, von der Entwicklung bis zur industriellen Umsetzung, die gesamte Entwicklungskette zu durchlaufen. Da keine Möglichkeit gesehen wurde, die Glasfasern elektrisch leitend auszustatten, wurden die Anstrengungen auf die Kunststoffmatrix konzentriert und hier insbesondere auf die bereits in der Serienproduktion verwendeten Epoxidharze.

Die grundlegenden Untersuchungen beschäftigten sich zunächst mit den verschiedenen Möglichkeiten vorhandene Epoxidharze zu modifizieren, um eine elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Zuerst wurden intrinsisch leitfähige Polymere (ICP) wie Polyacethylen (PAc) und Polypyrrol (PPy) als möglicher Füllstoff untersucht. Es stellte sich jedoch relativ schnell heraus, daß diese Polymere für die geplante Anwendung eine ungenügende Stabilität aufwiesen. Dies liegt an den ungesättigten Bindungen der Kettenmoleküle, die für die intrinsische elektrische Leitfähigkeit benötigt werden. Eine andere Möglichkeit ist die Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit des jeweiligen Epoxidharzsystems. Um die geforderte elektrische Leitfähigkeit erreichen zu können, mußte jedoch die Glasübergangstemperatur stark herabgesetzt werden, was die mechanischen Eigenschaften unakzeptabel verschlechterte.

Die erfolgversprechendste Methode zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Epoxidharzmatrix war schließlich die Zugabe des elektrisch leitfähigen Füllstoffs Ruß. Die Rußkonzentration mußte dabei so gering wie möglich sein, um die mechanischen Eigenschaften der Matrix nicht negativ zu beeinflussen. Die geforderte elektrische Leitfähigkeit kann bei der Verwendung eines leitfähigen Füllstoffs nur über die Bildung eines dreidimensionalen Netzwerks (im allgemeinen als Perkolation bezeichnet) aus den Füllstoffteilchen erreicht werden. Ab einer bestimmten Füllstoffkonzentration, die als Perkolationsschwelle bezeichnet wird, führt die Bildung eines solchen Netzwerks unmittelbar zu einer Reduktion des elektrischen Widerstands (Abbildung 2). Bei einer rein statistischen Verteilung der Rußteilchen ergibt sich rechnerisch eine Perkolationsschwelle von etwa 16 vol%. Bei Verwendung möglichst kleiner Rußteilchen (im Nanobereich) und geeigneter Vorbehandlung der Matrix, konnte die Perkolationsschwelle jedoch auf Werte unter 0,3 vol% gedrückt werden. Die Untersuchungen zum Perkolationsverhalten von Ruß wurden zum größten Teil an dem für experimentelle Arbeiten geeigneten Epoxidharzsystem Aradit LY556/HY932 durchgeführt. Als Ruß wurde das Hochleitfähigkeitsruß Printex XE2 der Degussa AG ausgewählt. Im Rahmen einer Promotion wurde diese Werkstoffkombination unter Berücksichtigung der neu gewonnenen Erkenntnissebezüglich der geforderten Eigenschaften optimiert. Durch die Zugabe von Kupferchlorid (Konzentration: 3.10-6 mol/g) konnte die Perkolationsneigung der Rußteilchen im Harzsystem erhöht werden, so daß bereits mit 0,06 vol% Ruß(!) ein spezifischer elektrischer Widerstand von
108 W cm deutlich unterschritten wurde. Die mechanischen Eigenschaften wurden von dieser äußerst geringen Rußkonzentration nicht beeinflußt.

Nach dem erfolgreichen Nachweis, daß die geforderte elektrische Leitfähigkeit ohne Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden kann, mußte eine Übertragung auf einen glasfaserverstärkten Kunststoff vom Labormaßstab zur industriellen Anwedung erfolgen. Dazu mußten die erworbenen Fähigkeiten auf ein anderes Harzsystem und andere Fertigungsparameter übertragen werden. Die Auswahl des Epoxidharzsystems und der Armierung (Glasfasergewebe US-Style 7781) erfolgte gemeinsam mit dem späteren Anwender DASA. In enger Zusammenarbeit mit potentiellen Herstellern von GFK-Rohstoffen und -Halbzeugen wurden die notwendigen neuen Fertigungsrichtlinien ausgearbeitet. Für eine erfolgreiche Produktion von elektrisch leitfähigem GFK mußten viele Fertigungsparameter sowohl bei der Herstellung der Harz-Ruß-Dispersion als auch bei der Halbzeugherstellung optimiert werden.

Als Ergebnis des Projekts „Elektrisch leitfähige polymere Matrixsysteme” steht nunmehr, neben vielen grundlegend neuen Erkenntnissen und Forschungsansätzen zur Theorie der Perkolation, ein zur Anwendungsreife entwickelter, einsatzbereiter glasfaserverstärkter Kunststoff mit elektrischer Leitfähigkeit zur Verfügung. Durch die konsequente Anwendung der innerhalb des Projekts erarbeiteten Erkenntnisse ist es gelungen, einen spezifischen elektrischen Widerstand r < 108 W cm zu realisieren, ohne die hervorragenden mechanischen Eigenschaften des herkömmlichen GFK zu vermindern.

Der entwickelte elektrisch leitfähige GFK ist nicht nur für die Luftfahrtindustrie interessant, sondern kann überall dort, wo die elektrisch isolierende Wirkung des herkömmlichen GFK dessen Einsatz begrenzt, eingesetzt werden. Denkbar ist die Verwendung in Eisenbahnen oder Pkw. Aber auch in der Computerindustrie sind viele Anwendungen (z.B. Gehäuse) denkbar. Künftige Forschungen werden sich auf einen Transfer des Wissens auf andere Harzsysteme, wie Phenolharze und Polyurethanharze konzentrieren. Diese Harzsysteme werden aufgrund ihrer selbstverlöschenden Eigenschaften für Passagierräume eingesetzt, in denen die isolierende Wirkung herkömmlicher Matrixsysteme ebenfalls unerwünscht ist.

Neben der erfolgreichen Entwicklung und industriellen Umsetzung, führte die Forschungstätigkeit zu zahlreichen nationalen und internationalen Kontakten, in deren Zusammenhang die erworbenen Kenntnisse zum Verständnis der Perkolation von Nanoteilchen (carbon nanotubes, natural polymer whisker) weiter genutzt werden. Dies wird im wesentlichen mit den Universitäten in Dortmund (Prof. Petermann), Lyon, F, (Prof. Cavaille) und Cambridge, UK, (Prof. Windle) erfolgen.

Dipl.-Ing.M. Kupke, Prof.Dr.-Ing. K. Schulte
Kunststoffe und Verbundwerkstoffe