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Kunststoffe als Wärmemanager für Hightechprodukte

2.08.2017 | TU Graz research | FoE Advanced Materials Science | Planet research

Von Ulrike Keller

Von Laptops bis zu Generatoren: Kunststoffe sind integrale Bestandteile jeder Art von Elektronik und Elektrotechnik.

Ein durchsichtiger Fuß aus Flüssigkeit liegt auf einer orangen und grünen Oberfläche.

Im Forschungsprojekt „PolyTherm“ bündeln Expertinnen und Experten aus Chemie, Materialwissenschaften, Kunststoff- sowie Hochspannungstechnik ihr Fachwissen. Sie entwickeln und testen neuartige Polymere, die in Zukunft leistungsfähigere und kompaktere Hightechprodukte ermöglichen werden.

Immer effizienter, smarter und gleichzeitig kompakter soll nicht nur unsere Alltagselektronik, sondern sollen auch Hochspannungsgeneratoren und Transformatoren werden. Denn der weltweit steigende Bedarf an elektrischer Energie fordert eine Effizienzsteigerung, um höchstmögliche Wirkungsgrade erzielen zu können. Doch die immer leistungsfähigeren Geräte – von Smartphones über Laptops bis hin zu E-Autos und Generatoren – mit ihren hocheffizienten kompakten Bauteilen stellen die Entwicklerinnen und Entwickler vor eine große Herausforderung: Je kleiner die Oberfläche der Bauteile und der Geräte ist, desto herausfordernder gestaltet sich die Wärmeabgabe an die Umgebung. Die Wärmeentwicklung ist die häufigste Verursacherin von Systemausfällen bei elektrischen Geräten.

Bei der Entwicklung von neuen Werkstoffen für Elektronik und Elektrotechnik wird dementsprechend intensiv daran getüftelt, dass alle eingesetzten Materialien so zusammenspielen, dass sie die entstehenden Temperaturen im Rahmen halten können. Dabei spielen Polymere und polymerbasierende Komposite mittlerweile eine unverzichtbare Rolle. Hier handelt es sich um chemische Verbindungen aus langkettigen, mehr oder weniger regelmäßig aufgebauten organischen Molekülen, die im Fall von Kompositen mit anorganischen Materialien versetzt werden. Sie isolieren etwa Hochleistungskomponenten und bilden Schutzschichten auf Platinen. Und geht es nach Frank Wiesbrock, soll in Zukunft das Wärmemanagement mit Kunststoffen noch weiter ausgebaut werden. 

Aggregation von unfunktionalisierten Alumina-Nanopartikeln (links) bzw. statistische Verteilung von oberflächenfunktionalisierten Alumina-Nanopartikeln (rechts) in einem Epoxidharz.

Hochleistungskunststoffe im Wärmemanagement

Der Chemiker am Forschungsinstitut Polymer Competence Center Leoben (PCCL) und am Institut für Chemische Technologie von Materialien (ICTM) der TU Graz leitet das interdisziplinäre K-Projekt „PolyTherm – Polymer Composites for Thermally Demanding Applications“. Gemeinsam mit Forschenden aus Chemie, Materialwissenschaften, Kunststoff- und Hochspannungstechnik sowie Industriepartnern werden mit dem Projekt mehrere Ziele verfolgt: „Zum einen wollen wir die Temperaturentwicklungen und die damit verbundene Belastung der Materialien in Leistungselektroniksystemen im Simulationsverfahren analysieren. Mit diesen Erkenntnissen können wir die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von elektronischen Bauteilen genau abschätzen. Zum anderen werden wir auf Basis dieser Analysen geeignete Polymere und Polymerkomposite mit verbesserten thermomechanischen Eigenschaften entwickeln, die im Einsatz die beste Performance zeigen“, so Frank Wiesbrock.

Bau eines Großgenerators.

Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen

Bei den innovativen Materialkonzepten, die im Projekt „PolyTherm“ entwickelt werden, wird dem Thema Umweltverträglichkeit besonderes Augenmerk geschenkt: „Wir entwickeln und testen umweltfreundliche Polymere natürlichen Ursprungs als Alternative zu erdölbasierten Kunstharzen. Wir konnten etwa bereits zeigen, dass sich Rapsöl als gute Basis für die Herstellung von innovativen Isolationskunststoffen eignet“, so Frank Wiesbrock. Die Entwicklungen sind auch im Hinblick auf den Arbeitnehmer/-innenschutz wichtig. Denn einige der klassischen, erdölbasierten Epoxidharze enthalten Komponenten, die in hohen Konzentrationen als gesundheitsbedenklich diskutiert werden. Die Entwicklung von alternativen Materialien ist auch aus diesem Grund ein langfristiges Ziel.

Großindustrielle Fertigung von Transformatoren.

Interdisziplinärer Forschungsverbund

Für das vierjährige Projekt „PolyTherm“, das Anfang 2017 gestartet ist und im Rahmen des COMETProgramms der FFG mit Mitteln des Infrastruktur- und Wirtschaftsministeriums sowie des Landes Steiermark gefördert wird, steht ein Budget von insgesamt sechs Millionen Euro zur Verfügung. Mit an Bord sind Institute von fünf Universitäten – darunter das Institut für Chemische Technologie von Materialien, das Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement der TU Graz, das unter anderem Belastungsprüfungen und dielektrische Charakterisierungen durchführt, und das Institut für Anorganische Chemie der TU Graz. Sechs Partnerunternehmen aus den Branchen Mikroelektronik und Hochspannungstechnik komplementieren das Kompetenznetzwerk.

Härtung von epoxybasierenden Nanokompositen unter UV-Strahlung.

Polymere mit nanoskalierten Füllstoffen

Kunststoffe sind per se keine guten Wärmeleiter und sind im Allgemeinen nur mäßig temperaturstabil. Mit den Ergebnissen, die im Projekt „PolyTherm“ gewonnen werden, soll sich das ändern: Angestrebt wird bei den neuartigen Polymeren eine Temperaturstabilität bis 180 Grad Celsius (Isolierstoff-Klasse H). Im Vergleich: Die derzeitig eingesetzten Polymere sind im Allgemeinen bis 155 Grad Celsius stabil (Isolierstoff-Klasse F). Erreichen wollen das die Forschenden mit anorganischen, nanoskalierten Füllstoffen, die sie in die Polymere einbringen. „Indem wir die Nanopartikel mit den Polymeren kontrolliert kombinieren, können wir neue Kompositmaterialien mit bestimmten Eigenschaften schaffen, die wir ‚finetunen‘ können“, erklärt Frank Wiesbrock. 

Darstellung von epoxybasierenden Nanokompositen.

Durch die nanoskalierten Füllstoffe, mit denen die Polymere versetzt sind, verändern sich deren physikalische und chemische Eigenschaften deutlich. Je kleiner die Nanopartikel sind, desto größer ist ihre Oberfläche. Somit werden Interaktionen mit anderen Partikeln in der Polymerbasis verstärkt, was Festigkeit, Wärmebeständigkeit und die Wärmeleitfähigkeit erhöht.

Im derzeitigen Fokus des Forschungsprojekts steht die Untersuchung von oberflächenfunktionalisierten Nanofüllstoffen. „Metall- und Halbmetalloxide wie Silica oder Alumina kommen weltweit in großen Mengen natürlich vor und werden schon seit Längerem als Füllstoff für Isolatoren in der Kunststoffindustrie eingesetzt. In den vergangenen Jahrzehnten haben sich durch die Fortschritte im Bereich der Nanotechnologie neue Anwendungsmöglichkeiten für diese Füllstoffe, besonders im Hinblick auf ihre Wärmeleitfähigkeit, eröffnet“, erklärt Frank Wiesbrock.

Was den Einsatz von Nanofüllern wie beispielsweise Bornitrid so besonders für Materialwissenschaften und Chemie macht, ist der chemische Aufbau: Hexagonales Bornitrid zeigt eine dem Graphit vergleichbare Struktur. Die einzelnen Struktureinheiten des hochpolymeren Bornitrids sind nur sehr schwach gebunden. Diese sorgen dann für eine bessere Haftung zwischen der Matrix, also dem Polymer, und dem nanoskaligen Füllstoff.

Die Forschenden sind nun dabei, Wege zu finden, damit sich die nanoskaligen Füller gleichmäßig in der Kunststoffmatrix dispergieren lassen.

Aufbau eines Zugprüfversuchs von Nanokompositen.

Rissen bei der Ausdehnung und Aushärtung vorbeugen

Eine weitere Herausforderung für die Forschenden ist die thermische Ausdehnung bei der Wärmeentwicklung, die dann zum Problem werden kann, wenn Schichten verschiedener Materialien miteinander verbunden sind. „Einerseits wird die Haftung zwischen Metallen und Polymeren schlechter, wenn sie sich bei steigender Temperatur unterschiedlich ausdehnen. Andererseits kann es bei Polymeren zur Aushärtung und zu Rissen kommen, was sich negativ auf die Isolationseigenschaften auswirkt“, erklärt Frank Wiesbrock. Aus diesem Grund versuchen die Forschenden im Projekt „PolyTherm“, Polymere so zu designen, dass ein Teil der Molekülkette sein Volumen vergrößert, während der andere Teil der Kette schrumpft. So kann das Volumen des Kunststoffs auch bei der Härtung weitgehend konstant gehalten werden.

Maßgeschneiderte Kunststoff-Bausteine

Geplant ist im Projekt „PolyTherm“ zudem die Evaluierung alternativer Herstellungstechnologien. „Polymere und Polymerkomposite weisen für die Hochspannungstechnik ausgezeichnete Materialeigenschaften auf. Da jedoch jedes Bauteil an die vorhandene Umgebung angepasst werden muss, sind auch diese Kleinstbestandteile hochspezialisierte Maßanfertigungen. Derzeit werden die Polymerkomponenten noch nach konventionellen Verfahren hergestellt, die im Allgemeinen kostenintensiv sind“, so Frank Wiesbrock. Hier könnte man in Zukunft auf günstigere und schnellere Verfahren setzen, dafür ist aber derzeit nur eine kleine Anzahl von Polymeren geeignet. „Das möchten wir ändern, indem wir den Einsatz bestimmter Additive evaluieren“, erklärt Frank Wiesbrock.

In regionaler Hinsicht stärkt „PolyTherm“ die Sichtbarkeit des neu gegründeten Clusters Silicon Alps, der österreichische Akteurinnen und Akteure aus Wissenschaft, Wirtschaft und öffentlicher Hand bündeln und einmalige Potenziale in der Mikroelektronik und Elektrotechnik eröffnen soll.

Dieses Forschungsprojekt ist in den Fields of Expertise „Advanced Materials Science“ angesiedelt. 

Kontakt

Frank WIESBROCK
Priv.-Doz. Dipl.-Chem.Univ. Dr.rer.nat.
Institut für Chemische Technologie von Materialien
Stremayrgasse 9
8010 Graz
Tel.: +43 316 32283
f.wiesbrocknoSpam@tugraz.at
ictm.tugraz.at