Masterbatches worldwide.

Funktion und Farbe nach Maß

 

 

 

Antistatik-Kombibatches. Eingestaubte Kunststoffoberflächen, beispielsweise im Innenraum von Automobilen, stören den optischen Eindruck. Spezielle, auf den jeweiligen Kunststoff angepasste, neu entwickelte Antistatika verhindern ein schnelles Einstauben oder zögern es hinaus. Die Zugabe eines leitenden Additivs kann auch in einem Schritt in Kombination mit Farbstoffen erfolgen.

 

Jan Stadermann

 

Die meisten Kunststoffe weisen nur sehr geringe elektrische Leitfähigkeiten auf und zeigen daher generell eine starke Tendenz zur Akkumulation von Ladungen, die sich über den Kontakt mit anderen Materialien auf der Oberfläche ansammeln. Die Existenz von Oberflächenladungen verursacht in vielen Fällen problematische Effekte, z.B. das Aneinanderkleben von Kunststofffolien oder das Anhaften von Staub durch elektrostatische Anziehung. Des Weiteren stellen resultierende Entladungen eine nicht zu unterschätzende Gefahr dar, da sie die Funktionsweise von elektronischen Geräten stören können, wie sie z.B. in der Medizintechnik eingesetzt werden. Auch im Hinblick auf den Explosionsschutz sind elektrostatische Entladungen sehr problematisch. Die Einstaubung von Kunststoffen durch elektrostatische Aufladung stellt z.B. in der Verpackungsindustrie ein Problem dar, da die optische Beeinträchtigung des Artikels die Kaufentscheidung des Kunden negativ beeinflusst.

Auch die Automobilindustrie befasst sich intensiv mit dieser Problematik, da die Einstaubung von Kunststoffteilen im Automobilinnenraum in höchstem Maße unerwünscht ist. Aus den genannten Nachteilen elektrostatischer Aufladungen resultiert der Bedarf nach einer antistatischen Ausstattung der eingesetzten Kunststoffmaterialien.

 

Leitfähig nur bei Feuchte

 

Um diesem Anspruch Rechnung zu tragen, können unterschiedliche Stoffe zur Additivierung eingesetzt werden. Diese sogenannten inneren Antistatika lassen sich in oberflächenaktive und volumenaktive Substanzen einteilen. Oberflächenaktive Antistatika reichern sich durch Migration an der Oberfläche an, während volumenaktive Substanzen ein leitfähiges Netzwerk innerhalb der Kunststoffmatrix ausbilden.

In der Vergangenheit verwendete man hauptsächlich migrierende Antistatika, die oft schon bei geringer Dosierung den gewünschten Effekt erzielen. An diese oberflächenaktiven Substanzen lagern sich Wassermoleküle an, wodurch sich ein leitfähiger Oberflächenfilm bildet, über den Ladungen gleichmäßig verteilt und abgeleitet werden können. Allerdings bieten diese Systeme keinen dauerhaften Schutz vor elektrostatischer Aufladung. Die an der Oberfläche wirksamen Stoffe besitzen oft eine gewisse Flüchtigkeit oder sind empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, wodurch deren Wirkung nach und nach verloren geht. Darüber hinaus können sie durch mechanische Einwirkung von der Oberfläche abgewaschen werden. Ein Beispiel betrifft die Verwendung von Förderschläuchen in explosionsgefährdeten Bereichen, wobei durch die bundesweit gültige Norm für Explosionsschutzmaßnahmen TRBS 2153 die Verwendung von leitfähigen und ableitfähigen Wandungsmaterialien empfohlen wird.Hier sind migrierende Antistatika problematisch, da sie über den Förderprozess abtransportiert werden, wodurch die Schläuche ihre Ableitfähigkeit verlieren.

Aufgrund ihres Wirkprinzips benötigen migrierende Antistatika ein Mindestmaß an Luftfeuchte. Je feuchter die Umgebungsluft ist, um so besser ist auch die antistatische Wirkung. Mit geringerer Luftfeuchte geht die Wirksamkeit dieser Systeme dagegen deutlich zurück, was sie für den Einsatz in trockenen Regionen ungeeignet macht. Als Vorteile migrierender Antistatika sind eine geringere Dosierung und ein verhältnismäßig geringer Preis zu nennen.

 

Gegen Aufladung geschützt

 

Für Anwendungen, in denen die Nachteile migrierender Antistatika nicht in Kauf genommen werden können, kommen nicht migrierende Systeme zum Einsatz, die einen luftfeuchteunabhängigen und permanenten Schutz vor elektrostatischer Aufladung bieten. Zu den elektrisch leitenden, nicht migrierenden Materialien, die als volumenaktive Antistatika eingesetzt werden können, gehören z.B. Graphit, Leitruße oder Metalle. Auch die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Graphenen ist denkbar, wobei deren Einsatz momentan u.a. noch am Preis scheitert. Während Ruße oder Graphit nur für schwarze Kunststoffartikel in Frage kommen, ist der Einsatz von Metallpulvern aufgrund erhöhter Abrasivität und erschwerter Verarbeitungsbedingungen oft nicht zweckmäßig.

Eine weitere Klasse volumenaktiver, leitender Materialien bilden die ionenleitenden Polymere, die aufgrund geringer Eigenfarbe auch für den Einsatz in farbigen Kunststofferzeugnissen geeignet sind. Dazu gehören u.a. Polyetherpolymere, die in der Kunststoffmatrix ein ionenleitendes Netzwerk ausbilden, über das Ladungen effektiv abgeleitet werden können. Diese Materialien bilden die Basis für viele auf dem Markt befindliche permanente Antistatika, die dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen und in zahlreichen Anwendungen bereits erfolgreich eingesetzt werden.

Der im Vergleich zu den migrierenden Antistatika hohe Preis und die verhältnismäßig hohe Einsatzkonzentration stellen allerdings einen schwerwiegenden Nachteil dar, weshalb viele Anwender auf der Suche nach kostengünstigen Alternativen zu den etablierten permanenten Systemen sind. Dabei wird generell eine geringere Dosierung bei gleichbleibender Performance gefordert.

 

Entwicklungen für den Autoinnenraum

 

Abhängig vom Einsatzgebiet der antistatischen Materialien ergeben sich oft weitere Produktanforderungen, die im Rahmen neuer Entwicklungen berücksichtigt werden müssen. Kunststoffe, die im Automobilinnenraum eingesetzt werden, müssen entsprechenden Automobilnormen genügen, in denen z.B. die Anforderungen an Mechanik, Lichtechtheit oder Alterungsbeständigkeit definiert sind. Der Einfluss der antistatischen Additivierung auf die Grundeigenschaften des Polymers darf daher nicht zu groß sein. Unter Berücksichtigung dieser Kriterien ergibt sich insgesamt ein sehr umfangreiches Anforderungsprofil an Antistatika für Kunststoffe im Automobilinnenraum.

Zur Beurteilung der Antistatik eines Bauteils hat die Messung des Ladungsabbaus entsprechend der Automobil-Prüfvorschrift PV 3977 eine hohe Aussagekraft. Dazu wird das Bauteil aufgeladen und die resultierende Oberflächenspannung als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Je effektiver die antistatische Ausstattung des Bauteils ist, desto schneller wird die Ladung abgeleitet. Die Messung des Oberflächenwiderstands ist ebenfalls eine effektive und sehr einfache Methode zur Bewertung der Antistatik. Abhängig vom Einsatzgebiet ist ein bestimmter antistatischer Bereich erforderlich, der für jede Anwendung entsprechend ermittelt werden muss. Projekterfahrungen und Korrelationserfahrungen aus der PV 3977 zeigen, dass der Oberflächenwiderstand nicht mehr als ca. 1011 Ohm betragen sollte, um der Einstaubung durch elektrostatische Aufladung entgegenzuwirken.

Abhängig vom auszurüstenden Polymer kommen unterschiedliche Antistatiktypen in Betracht, wobei sowohl die physikalischen Eigenschaften, z.B. Schmelzpunkt und Schmelzviskosität, als auch die chemische Zusammensetzung des Produkts über dessen Einsetzbarkeit und Effizienz im betreffenden Kunststoff entscheiden. Im Automobilinnenraum wird vor allem Polypropylen (PP) eingesetzt, das sich durch ein sehr gutes Preis/Eigenschaftsprofil auszeichnet. Ein weiteres häufig eingesetztes Material ist (PC+ASA), ein Blend aus Polycarbonat und Acrylnitril-Styrol-Acrylat, das eine hohe Schlagzähigkeit aufweist und harte, kratzfeste Oberflächen bildet.

In Zusammenarbeit mit einem großen deutschen OEM entwickelt die Grafe-Gruppe, Blankenhain, gegenwärtig neue Lösungen zur antistatischen Ausstattung entsprechender Kunststoffe. Dabei stehen sowohl migrierende als auch nicht migrierende Systeme mit verbesserter Performance im Fokus der Entwicklung.

Bei der Entwicklung von migrierenden Antistatika wird nicht nur eine verbesserte Effizienz angestrebt, sondern auch eine Verlängerung der Wirkungsdauer. Die Wirkung migrierender Antistatika wird maßgeblich durch deren Migrationsgeschwindigkeit definiert, die wiederum durch vielfältige intermolekulare Wechselwirkungen mit dem Matrixpolymer und weiteren Zusatzstoffen bestimmt wird. Für unterschiedliche Zielkunststoffe wurden migrierende Systeme entwickelt, die ihre Wirkung über einen verlängerten Zeitbereich entfalten, wie das sogenannte High Performance Antistatikum (HPAS). Dieses System ist für den Einsatz in olefinischen Kunststoffen wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) geeignet. In Kooperation mit zwei großen deutschen OEM fanden Langzeittests an PP-Bauteilen statt, die belegen, dass die antistatische Wirkung auch nach 4 bis 5 Jahren nahezu unverändert vorliegt. Gegenwärtig laufen letzte Freigabeuntersuchungen, Prototypen- und Vorserienbauteilversuche zu diesem Produkt. Erste Ergebnisse werden mit Modellwechseln und Neumodellen bei dem jeweiligen OEM in den nächsten Jahren zu erwarten sein.

Auch im Bereich der permanenten Systeme wurden neue Produkte mit verbesserter Effizienz und geringerer Einsatzkonzentration entwickelt. Ein detailliertes Verständnis der Wirkungsweise dieser Systeme ermöglicht es, ausgewählte Basismaterialien im Hinblick auf den Einsatzbereich und das gewünschte Zielpolymer optimal anzupassen. Aktuell werden in Kooperation mit OEMs neu entwickelte permanente Antistatika für PP und (PC+ASA)-Blends eingeführt. Aus der Entwicklung permanent wirksamer Antistatika entsteht eine neue ASP-Produktreihe (ASP: Antistatikum Permanent). Für den Einsatz in PP befinden sich aktuell zwei neu entwickelte ASP-Typen in der Testphase. Aus ersten Untersuchungen geht hervor, dass man mit Dosierungen von ca. 6% den für die Antidust-Anwendung interessanten Widerstandsbereich erreicht. Für die permanent antistatische Ausstattung von (PC+ASA) durchlaufen ebenfalls zwei ASP-Neuentwicklungen die relevanten Testreihen. Diese Typen zeigen eine verbesserte Effizienz im Vergleich zu auf dem Markt befindlichen Produkten. Mit Dosierungen von ca. 7% in (PC+ASA) erreicht man den angestrebten Widerstandsbereich.

Im Hinblick auf eine sichere Prozessführung in der Bauteilherstellung werden immer öfter Lösungen gewünscht, die sowohl Farbgebung als auch funktionelle Ausstattung des Zielkunststoffs durch Zudosierung eines einzigen Produkts ermöglichen. Bei der Entwicklung dieser Kombinationsprodukte (Farbe und Funktion) fließen bei Grafe die jahrelangen Erfahrungen von Farbmasterbatch- und Kunststoffentwicklung mit Kenntnissen der Kunststoffadditivierung zusammen. Der Berücksichtigung intermolekularer Wechselwirkungen aller Produktbestandteile kommt bei der Kombibatchentwicklung eine essenzielle Bedeutung zu. Aufgrund physikalisch-chemischer Interaktionen zwischen Additiv- und Farbkomponenten ist besonderes Augenmerk bei deren Kombination gefordert. Für den Einsatz in PP werden derzeit zwei neu entwickelte Produkte getestet, die die gewünschte Einfärbung und gleichzeitige permanent antistatische Ausstattung der Bauteile ermöglichen. Die erforderlichen Dosierungen dieser Kombibatches liegen bei ca. 9%.

Weitere Kombinationsprodukte werden für den Einsatz in PC-Blends wie (PC+ABS) und (PC+ASA) entwickelt und getestet. Durch Zugabe von 10% eines neuen Kombibatches erreicht man die Materialeinfärbung, einen effektiven UV-Schutz und die permanente Antistatikausstattung von (PC+ASA)-Spritzgussteilen in einem Dosierschritt, wodurch die Verwendung weiterer Additivbatches entfällt.

 

Fazit

 

Um der Einstaubung von Kunststoffteilen im Automobilinnenraum durch elektrostatische Aufladung effektiv entgegenzuwirken, wurden neue Antistatika mit verbesserter Wirkung entwickelt. Neue Produkte auf Basis unterschiedlicher Wirksysteme wurden bereits getestet und bewertet. Die Weiterentwicklung migrierender Antistatika zielt hauptsächlich auf eine Verlängerung der Wirkdauer ab. Dafür stellt Grafe ein neues Produkt für Polyolefine vor, das High Performance Antistatikum (HPAS), das eine Wirkdauer von mehr als vier Jahren aufweist, wie aus Langzeittests an PP-Bauteilen hervorgeht.

Bei der Entwicklung permanent wirksamer nicht migrierender Systeme liegt der Fokus auf der Effizienzverbesserung. Für den Einsatz in PP und in (PC+ASA) wurden neue permanente Antistatika entwickelt und getestet. Diese Produkte zeichnen sich durch besonders geringe erforderliche Einsatzkonzentrationen aus.

Darüber hinaus wurden Kombinationsprodukte für den Einsatz in PP und in (PC+ASA) entwickelt, mit denen Materialeinfärbung und permanent antistatische Ausstattung in einem Dosierschritt erfolgt.

 

Der Autor

 

Dr. Jan Stadermann, geb. 1976, ist Leiter F&E-Projekte bei der Grafe-Gruppe, Blankenhain; Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! .

 

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