Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein wärmeleitfähiger Kunststoff.

Kunststoffe sind weitverbreitete Materialien für vielfältige Anwendungen. Kunststoffe zeichnen sich durch gute Verformbarkeit, Isolationsverhalten und akzep- table Festigkeiten auf.

Kunststoffe zeigen typischerweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Typische Wärmeleitfähigkeiten von Kunststoffen liegen im Bereich von etwa 0,2 bis 0,3 W/mK.

Es ist grundsätzlich bekannt, Kunststoffe mit anderen Materialien zu füllen, um die Eigenschaften zu verändern. Die Materialien hierfür sind zahlreich . Zur Beeinflussung der Wärmeleitfähigkeit werden beispielsweise Bornitride eingesetzt, die bei einer Füllung des Kunststoffs die Wärmeleitfähigkeit mehr als verdoppeln können. Die zur Erhöhung der Leitfähigkeit verwendeten Füllstoffe werden in relativ großen Mengen beigefügt, so dass neben den Einflüssen auf die mechani- sehen Eigenschaften, die Farbe, die Dichte, etc. der Preis eine wichtige Rolle spielt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, Füllstoffe bereit zu stellen, um wünschenswerte Eigenschaften in der Kunststoffzusammensetzung zu erreichen.

Gelöst wird die Aufgabe durch wärmeleitfähige Zusammensetzung enthaltend einen Kunststoff sowie 20 bis 80 Gew.-% eines Additivs ausgewählt aus Inselsilikaten, metallischem Silizium und Mischungen hiervon.

Erfindungsgemäß wird also ein Kunststoff mit einem Additiv vermischt, das ausgewählt wird aus Inselsilikaten oder metallischem Silizium bzw. Mischungen davon und in einer Menge von 20 bis 80 Gew.-% der Zusammensetzung enthalten ist. Mengen von 30 bis 80 Gew.-% sind bevorzugt. Zusätzlich enthält die Zusammensetzung einen Kunststoff, der den Großteil der verbleibenden Zusammensetzung ausmacht. Die Menge an Kunststoff liegt bevorzugt im Bereich von 15 bis 70%. Zusätzlich zu dem Kunststoff können auch weitere Hilfsstoffe, insbesondere Farbstoffe, Schlagzähigkeitsmodifizierer, etc. vorhanden sein. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Inselsilikate Aluminosilikate, insbesondere Alumosilikate. Ein besonders bevorzugtes Inselsilikat ist das Dysthen.

Als Inselsilikate (Nesosilikate) bezeichnet man Silikate, deren Silikatanionen aus isolierten Si0 ₄ -Tetraedern bestehen, d.h. die Si0 ₄ -Tetraeder sind nicht über Si-O- Si-Bindungen miteinander verbunden.

Zu dieser Abteilung der Silikate zählen die bedeutenden gesteinsbildenden Minerale der Granat- und Olivingruppe, Zirkon sowie die wirtschaftlich oder petrologisch wichtigen Alumosilikate Andalusit, Sillimanit, Disthen sowie Stauro- lith und Topas.

Aus der einfachen Struktur des Si0 ₄ -Komplexanions ergibt sich keine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften der Inselsilikate. Sie sind oft kubisch, tetragonal, trigonal, hexagonal oder orthorhombisch und bilden meist isometrische Kristalle. Die Minerale dieser Abteilung sind meist hart und besitzen einen hohen Brechungsindex sowie eine relativ hohe Dichte.

Als Kunststoff eignen sich Elastomere, thermoplastische oder duroplastische Polymere, insbesondere Kunststoffe ausgewählt aus Polyamid, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polycarbonat, Polyester, Polyurethan, Epoxidharzen sowie Mischungen und Copolymerisate davon. Copolymere umfasst Varianten, in denen Prepolymere oder Monomere verschiedener chemischer Grundgerüste miteinander polymerisiert werden. Er umfasst auch Mischungen von mehr als zwei Substanzen, die auch als Terpolymere bezeichnet werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Additive kombiniert eingesetzt, beispielsweise verschiedene Inselsilikate oder eine Mischung von einem Inselsilikat und metallischem Silizium oder es können aber auch beispiels- weise mehrere verschiedene Inselsilikate miteinander vermischt werden oder mehrere Inselsilikate mit metallischem Silizium.

Geeignete Korngrößen der Additive liegen im Bereich von etwa 1 bis 50 μηι (d50) . d50 bedeutet, dass 50 Gew.-% eine kleinere und 50 Gew-% eine größere Korngröße aufweisen . Solche Korngrößen-Kennwerte können durch Laserbeugung ermittelt werden . d50 Korngrößen von mindestens 2 μηι oder mindestens 5 μηη sind bevorzugt. Die d50 Korngröße liegt bevorzugt unter 40 oder unter 30 μηη . In einigen Ausführungsformen liegt die Korngröße bei 2 bis 20 μηι, in anderen bei 10 bis 30 oder 10 bis 50 μηη. In einer bevorzugten Ausführungsform zeigen die Körner eine relativ enge Korngrößenverteilung, so dass d90/d50 < 3 oder < 2 ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen wärmeleitfähigen Zusammensetzung umfassend den Schritt des Vermischens eines Kunststoffs mit 20 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 80 Gew.- % mindestens eines Additivs ausgewählt aus Inselsilikaten, metallischem Silizium und Mischungen hiervon .

In einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt der Anteil der erfindungsgemäß eingesetzten Füllstoffe bei 40 Gew.-% oder mehr, bei 50 Gew.-% oder mehr oder 60 Gew-% oder mehr. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Additivs ausgewählt aus Inselsilikaten und metallischem Silizium und Mischungen davon zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff.

Beispiele

1. Eingesetzte Füllstoffe

Körnungsdaten Disthen Disthen Disthen Silizium Bornitrid

[Mm] Probe 1 Probe 2 Probe 3 (Si) (BN) d lO 0,8 1,5 3,5 0,9 0,7 d50 5 10 23 2,5 5 d90 16 20 50 8 12 TREFIL 283-400 AST (Fa. Quarzwerke) : Wollastonit, d50 ca. 5 pm

SILBOND 4000 AST (Fa. Quarzwerke) : Cristobalit, d50 ca. 5 pm

TREMICA 1155-010 AST(Fa. Quarzwerke) : Muskovit, d50 ca. 5 pm

Bornitrid, TREFIL, SILBOND und TREMICA wurden als Vergleichsmaterialien ein- gesetzt.

2. Herstellung der gefüllten Kunststoffe

Im Falle der Thermoplaste wurde der Füllstoff über einen Extruder (Fa. Leistritz, ZSE 27 MAXX) in Polycaprolactam (PA6) eincompoundiert. Aus den Compounds wurden mittels Spritzguss (Fa. Demag, Ergotech 100/420-310) Formteile herge- stellt:

Mehrzweckprüfstab (ISO 3167 Typ A)

Platte 80 mm * 80 mm * 2 mm

Die für die Messung der Wärmeleitfähigkeit benötigten Prüfkörper wurden aus den Platten mechanisch ausgearbeitet. Zur Messung quer zur Extrusionsrichtung (Z-Richtung) erfolgte ein Ausdrehen von Scheiben mit d = 12,7 mm in Zentralposition der Platten. Für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in Spritzrichtung (X-Richtung) mussten je 6 Stäbe mit 12,7 mm Länge und 2 mm Breite ausgefräst werden, die dann zur Messung in einem speziellen Probenhalter um 90° gedreht zusammengespannt wurden. Für Duroplaste wurden die Füllstoffe mittels eines Vakuummischers (Fa. PC- Laborsysteme, Labotop) in Epoxidharze (Fa. Huntsman, Araldite CY 184, Aradur HY 1235, Beschleuniger DY 062) eingearbeitet. Die Formmassen wurden zu Platten der Dimension 250mmx250mmx2mm gegossen und thermisch gehärtet. Aus diesen Teilen wurden ca. 20mmx20mmx2mm große Probekörper ausgesägt. 3. Messungen

An den so hergestellten Probekörpern wurden mechanische Eigenschaften sowie die Wärmeleitfähigkeit gemessen. Es ergaben sich folgende Werte für die Wärmeleitfähigkeit in PA 6 (LFA 447 Na- noFlash®, Fa . Netzsch) :

Von nachfolgenden Mischungen wurden nur einzelne Füllgrade bezüglich der

Wärmeleitfähigkeit gemessen :

Die Daten zeigen, dass hohe Füllgrade und gröbere Füllstoffe (höhere d50- Werte) bessere Wärmeleitfähigkeiten ergeben, deutlich besser als die Vergleichsmaterialien . Im Vergleich zu Cristobalit ist das erfindungsgemäße Inselsilikat deutlich weicher (geringere Mohshärte), was zu einem deutlich verringerten Verschleiß an den eingesetzten Geräten, z. B. Compoundern führt.

Nachfolgend die mechanischen Daten der disthenhaltigen Proben in PA6 (U salzugmaschine Zwick/Roell Z 202; Pendelschlagwerk Zwick/Roell HIT 25P) Produkt Füllgehalt Zugeigenschaften

Zugfestigkeit Bruchdehnung E-Modul

% MPa % MPa

65 93,7 3,7 10000

Disthen Probe

1 70 94,2 3,3 1 1300

75 95,5 2,5 15500

65 96,7 3,8 1 1000

Disthen Probe

2 70 95,8 3,2 12700

75 95,8 2,5 15700

65 92,2 3,4 1 1 100

Disthen Probe

3 70 93,7 3 13500

75 94,7 2,5 16300

PA6 0 85 8,4 3210

Produkt Füllgehalt Pendelschlagversuche Charpy

Kerbschlagzähigkeit

% Schlagzähigkeit kJ/m ²

kJ/m ²

65 42,16 3,1

Disthen Probe 1 70 37,04 2,76

75 19,74 2,5

65 44,36 3,07

Disthen Probe 2 70 34,16 2,82

75 20,97 2,5

65 37,81 2,93

Disthen Probe 3 70 30,69 3,18

75 24,25 2,85

PA6 0 No Break 5,5

Produkt Füllgehalt Pendelschlagversuche Izod

% Kerbschlagzähigkeit

Schlagzähigkeit kJ/m ²

kJ/m ²

65 34,52 3,25

Disthen Probe 1 70 30,43 3,22

75 20 3,24

65 34,35 3,34

Disthen Probe 2 70 28,7 3,38

75 19,18 3,26

65 30,62 3,45

Disthen Probe 3 70 24,05 3,72

75 20,09 3,7

PA6 0 107 2,5 Trotz der hohen Füllstoffgehalte zeigen die erfindungsgemäßen Materialien gute mechanische Eigenschaften . Je feiner Füllstoff (kleinerer d50), desto besser die mechanischen Eigenschaften .

Die erfindungsgemäß gefüllten Kunststoffe zeigen hervorragende Wärmeformbeständigkeit.

Eine duroplastische Mischung aus 63 Gew.-% Disthen und 37 Gew.-% Epoxidharz hatte folgende Eigenschaft:

)* gemessen mit NanoFlash

Im Vergleich dazu besitzt der ungefüllte Duroplast ( 100% des Epoxidharzes) eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,2 W/mK. REM Analyse

Die Materialien wurden mit Rasterelektronenmikroskopie (Joel JSM 7600F) untersucht. Die Figuren 1 bis 4 zeigen Aufnahmen von PA6 und Disthen Probe 3 (60 Gew.-%) in unterschiedlichen Vergrößerungsstufen. Es zeigt sich, dass die Materialien, obwohl sie keine Verbindungen innerhalb des Materials erzielen, trotzdem gute Wärmeleitfähigkeiten bewirken.