BGS: Elektronen-„Booster“ für Kunststoffe für Elektroautos

Zwischen 1970 und 2010 stieg der Kunststoffanteil am Gesamtgewicht von Fahrzeugen kontinuierlich an: von etwa 6 % im Jahr 1970 auf rund 16 % im Jahr 2010. Im selben Zeitraum erhöhte sich das durchschnittliche Leergewicht von Automobilen von 1100 auf 1400 kg. Beide Entwicklungen sind vor allem darauf zurückzuführen, dass Automobile sicherer und komfortabler geworden sind. So wurden beispielsweise Polymerschäume in großem Umfang zum Füllen von Hohlräumen in der Karosserie eingesetzt, um die Unfallfolgen bei Überschlägen oder Seitenaufprallen zu mindern. Die Einführung elektronischer Sicherheitssysteme, aber auch die zunehmende Beliebtheit von Klimaanlagen und Infotainmentsystemen führten zum verstärkten Einsatz von Leiterplatten mit hohem Kunststoffanteil. Darüber hinaus wurden Kunststoffe zunehmend als Kunstleder und Dekorfolien eingesetzt, die dem Fahrzeug eine hochwertige Optik verleihen.

Inzwischen befindet sich die Automobilindustrie im Wandel: Vor allem aufgrund strengerer Emissionsgrenzwerte sowie staatlicher Förderungen boomt der Absatz von Elektrofahrzeugen. Trotz Verbesserungen ist die begrenzte Reichweite batterieelektrischer Fahrzeuge ohne Nachladen nach wie vor der größte Nachteil. Einer der vorgeschlagenen Lösungsansätze besteht darin, Metalle in der Karosserie durch leichtere Kunststoffe zu ersetzen. Denn ein geringeres Gewicht hilft, Energie zu sparen und dadurch die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen.

Abb. 1. Vernetzte technische Kunststoffe können für viele unterschiedliche Anwendungen in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. © iStock; Phantom1311, Sven Loeffler, BanksPhotos, Zorazhuang, Songsak Paname, Supersmari

Analysten zufolge bietet der verstärkte Einsatz von Kunststoffen neben dem Leichtbau weitere Vorteile: Er ermöglicht es Automobilherstellern, die Produktionskosten zu senken, modulare Montageverfahren zu fördern und die aerodynamischen Eigenschaften der Karosserie zu verbessern.

Besondere Herausforderungen bei Elektrofahrzeugen

In der Vergangenheit war der Fahrzeuginnenraum das Haupteinsatzgebiet für Kunststoffe. Heute liegt der Fokus jedoch auf Anwendungen im Bereich des Antriebsstrangs, der Batterie und an der Karosserie (Abb. 1). An diesen Stellen sind die Temperaturen und mechanischen Belastungen allerdings oft deutlich höher. Daher müssen die Materialien neue Anforderungen erfüllen:

• In bestimmten Anwendungen müssen sie Temperaturen von mehr als 150 °C standhalten.
• Da elektrische Ströme in Elektrofahrzeugen eine besonders wichtige Rolle spielen, müssen die Materialien eine gute elektrische Isolierung bieten.
• Die eingesetzten Kunststoffe sollten die genannten Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs beibehalten, d. h., sie müssen langlebig und alterungsbeständig sein.
• Sie müssen eine hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Das bedeutet unter anderem auch, dass bei Faserverbundkunststoffen (FCP) die Haftung zwischen Polymermatrix und Fasern besonders gut sein muss.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, greifen Automobilhersteller und Komponentenlieferanten daher häufig auf Hochleistungskunststoffe wie Polysulfone (PSU, PES, PPSU), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetheretherketon (PEEK) zurück (Abb. 2). Diese Materialien haben jedoch einen gravierenden Nachteil: Sie sind teuer. Zudem ist ihre Verarbeitung mit höheren Kosten und einem höheren Energieverbrauch verbunden als die Verarbeitung technischer Kunststoffe. Der Grund dafür ist, dass die Verarbeitung in der Regel bei hohen Temperaturen erfolgt. Typisch sind Einspritztemperaturen von 300 bis 400 °C und Werkzeugtemperaturen von 125 bis 210 °C. Darüber hinaus sind spezielle Spritzgießmaschinen und Werkzeuge erforderlich.

Abb. 2. Sowohl Standardpolymere als auch technische Kunststoffe und Hochleistungspolymere können vernetzt werden. Das Verfahren ermöglicht die Behandlung der grün hervorgehobenen Polymere. Quelle: BGS; Grafik: © Hanser

Kostengünstige Alternativen durch Strahlenvernetzung

Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet die Bestrahlung technischer Kunststoffe wie Polyamide (PA) und Polybutylenterephthalat (PBT). Im Vergleich zu Hochleistungskunststoffen sind die Materialkosten um den Faktor 2 bis 10 niedriger. Die Verarbeitungstemperatur beim Spritzgießen beispielsweise von strahlenvernetzbarem PA liegt mindestens 100 °C unter der von Hochleistungskunststoffen. Die Werkzeugtemperatur liegt zwischen 60 und 100 °C.

Die Strahlenvernetzung erfolgt immer nach der Formgebung des Bauteils. Der Hersteller setzt wie bisher Spritzgießen, Extrusion oder Blasformen ein. Somit müssen keine neuen Maschinen oder Werkzeuge angeschafft werden. Das Kunststoffbauteil kann mit dem üblichen Fertigungsverfahren und mit optimaler Geschwindigkeit hergestellt werden. Zusammenfassend sind nicht nur die Materialkosten, sondern auch die Verarbeitungskosten für Bauteile aus bestrahlten technischen Kunststoffen niedriger als für Bauteile aus Hochleistungskunststoffen.

Das Prinzip hinter dem Verfahren

Die Strahlenvernetzung hebt die charakteristischen Eigenschaften geeigneter technischer Kunststoffe auf ein höheres Niveau und ermöglicht so ihren Einsatz unter Bedingungen, denen sie andernfalls nicht standhalten könnten (Abb. 3). Dieser Effekt wird durch energiereiche Bestrahlung, beispielsweise mit Gamma- oder Betastrahlen, erzielt, die zunächst eine homolytische Spaltung chemischer Bindungen in den Polymermolekülen bewirkt. Dabei entstehen instabile Fragmente mit einem ungepaarten Elektron, sogenannte freie Radikale. Wenn benachbarte freie Radikale miteinander reagieren, bilden sich kovalente Bindungen, wodurch ein dreidimensionales, hochstabiles Netzwerk entsteht.

Abb. 3. Tendenzen der Veränderung verschiedener Materialeigenschaften durch Strahlenvernetzung. Von besonderem Interesse für den Einsatz in Elektrofahrzeugen sind die daraus resultierende höhere Wärmeformbeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit. Quelle: BGS; Grafik: © Hanser

Allerdings sind nicht alle Kunststoffe für die Strahlenvernetzung geeignet, da eine entsprechende Reaktivität vorhanden sein muss. Nicht geeignet sind beispielsweise Polycarbonat (PC) und Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS). Viele der technischen Kunststoffe (Abb. 2), die für den Einsatz in Elektrofahrzeugen infrage kommen, benötigen Vernetzungshilfsmittel: Zu diesen Polymeren zählen PA6, PA11, PA12, PA66, PBT und thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis (TPE-U). In modifizierter Form sind diese Materialien bereits auf dem Markt erhältlich. Viele Polyolefine und ihre Copolymere, beispielsweise thermoplastische Copolyester-Elastomere (TPE-E), Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVAC), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke (EPDM) sowie der Standardkunststoff Polyethylen (PE), kommen ohne Vernetzungshilfsmittel aus. Die Strahlenvernetzung erfolgt immer bei Raumtemperatur. Die Ergebnisse der Bestrahlung sind gut reproduzierbar.

Der Mehrwert der Strahlenvernetzung

Die Wirkung der Strahlenvernetzung auf Polyamide wurde eingehend untersucht. Sie sind vielseitig einsetzbar und leicht zu verarbeiten. Im unbehandelten Zustand stoßen sie jedoch bei hohen Temperaturen und dann an ihre Grenzen, wenn Beständigkeit unter hoher mechanischer Belastung, beispielsweise durch Reibung, gefordert ist.

Die Bestrahlung mit Elektronen verändert das Verhalten von PA unter Wärmeeinfluss. Beispielsweise steigt die Glasübergangstemperatur von PA66 von 81 auf 97 °C. Entscheidend ist jedoch, dass der Speichermodul von unvernetztem PA66 bei etwa 240 °C stark abnimmt: Das Material beginnt zu schmelzen. Anders verhält es sich bei bestrahltem PA66. In den amorphen Bereichen des Kunststoffs halten die Vernetzungsstellen die Polymere zusammen, weshalb das Material bei dieser Temperatur einen 120-fach höheren Speichermodul aufweist als unvernetztes PA66. Bis zu einer Temperatur von 360 °C verändert sich die Reststeifigkeit kaum. Die Behandlung von PA66 mit Elektronenstrahlen führt folglich zu einer erhöhten Wärmeformbeständigkeit. Der gleiche Effekt ist auch bei anderen Materialien zu beobachten (Abb. 4).

Abb. 4. Die Behandlung erhöht die kurzzeitige Wärmeformbeständigkeit glasfaserverstärkter Kunststoffe deutlich – besonders groß ist die Steigerung bei PA6. Quelle: LKT Erlangen; Grafik: © Hanser

Auch die mechanischen Eigenschaften von PA werden durch Bestrahlung verbessert (Tabelle 1). Dies gilt ebenso für glasfaserverstärkte Typen. So steigt beispielsweise der Elastizitätsmodul von PA6-GF30 parallel zur Einspritzrichtung von 6220 auf 6780 N/mm2 und die Streckspannung von 108 auf 121 N/mm2. Gleichzeitig sinkt die Bruchdehnung von 2,8 auf 2,5 % (Tabelle 2). Die erhöhte Festigkeit bei Raumtemperatur ist auf die bessere Haftung zwischen Faser und Matrix zurückzuführen. Dies wird durch Untersuchungen an Bruchflächen bestrahlter und unbestrahlter faserverstärkter Kunststoffe untermauert. Die Bruchfläche einer unbestrahlten PA6-GF30-Probe zeigt glatte, nahezu freiliegende Glasfasern, während bei der bestrahlten Probe Matrixreste auf den Fasern sichtbar sind, die auf eine bessere Haftung zwischen den beiden Komponenten hindeuten (Abb. 5).

Abb. 5. Bruchflächen aus Zugversuchen mit unbestrahltem (links) und bestrahltem PA6-GF30 (rechts) unter dem Rasterelektronenmikroskop: Die Matrixreste auf den Glasfasern der bestrahlten Probe weisen auf die bessere Haftung zwischen Fasern und Matrixpolymer hin. © LKT Erlangen

Die Vernetzung mit Elektronenstrahlen bewirkt zusätzliche positive tribologische Effekte:

• Die Kriechneigung beispielsweise von PA6-GF30 wird um bis zu 70 % reduziert.
• Der Verschleißkoeffizient beispielsweise von PA66 wird um bis zu 60 bis 70 % reduziert.
• Die Dimensionsstabilität wird durch einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten verbessert.

Die Leistungssteigerung durch Bestrahlung beschränkt sich jedoch nicht auf PA. Auch bei PBT, PE, EVAC, TPE und anderen Thermoplasten ist die positive Wirkung der Strahlenvernetzung gut belegt.

Tabelle 1. Vergleich der mechanischen Eigenschaften von unbestrahltem und bestrahltem PA66 (bei Raumtemperatur / 120 °C). Quelle: LKT Erlangen

Tabelle 2. Vergleich der mechanischen Eigenschaften von unbestrahltem und bestrahltem PA6-GF30 (parallel / quer zur Einspritzrichtung). Quelle: LKT Erlangen

Anwendungen in Elektrofahrzeugen

Vernetzte technische Kunststoffe können in Elektrofahrzeugen für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden (Abb. 1). Einige dieser Komponenten, etwa Getriebeantriebe sowie Bauteile aus dem Befestigungs- und Verbindungsbereich (Clips), finden sich auch in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, wo sie bereits serienmäßig eingesetzt werden. Andere, speziell auf die Anforderungen von Elektrofahrzeugen ausgerichtete Komponenten befinden sich noch in der Entwicklung. Dies gilt insbesondere für Batteriegehäuse sowie Separatoren und Leistungskabel in Batterienähe. Das Unternehmen BGS Beta-Gamma-Service, einer der Pioniere bei der Behandlung mit Beta- und Gammastrahlen, führt derzeit entsprechende Forschungsprojekte mit Automobilherstellern und Zulieferern durch.

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