Standardmethoden für die elektrische Prüfung von Kunststoffen und Polymeren

Kunststoffmaterialien werden aufgrund ihrer geringen Masse und ihrer isolierenden Eigenschaften häufig in elektrischen Anwendungen eingesetzt. Bei der Entwicklung von Materialien für solche Umgebungen ist die Einhaltung strenger Qualitätskriterien von großer Bedeutung, da der Verlust der Isoliereigenschaften zu Geräteausfällen führen und ernsthafte Sicherheitsrisiken mit sich bringen kann, darunter die Gefahr von Stromschlägen, Verbrennungen und Bränden.¹

Um sicherzustellen, dass Kunststoffe für elektrische Anwendungen geeignet sind, sollten sie gemäß international anerkannten Normen geprüft werden. Am häufigsten werden ASTM- und IEC-Normen herangezogen, obwohl in der europäischen Produktsicherheitsgesetzgebung in der Regel gleichwertige EN-Methoden referenziert werden.² Diese etablierten und standardisierten Methoden bieten einen objektiven Rahmen für den Vergleich von Materialeigenschaften bei der Weiterentwicklung von F&E oder bei der Zertifizierung neuer Materialien.

Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschaften und deren Prüfmethoden

Einige der am häufigsten verwendeten elektrischen Prüfmethoden für Kunststoffe sind in Tabelle 1 aufgeführt. Weitere Informationen zu den praktischen Anwendungen dieser Prüfungen finden sich in den nachfolgenden Abschnitten.

Dielektrische Messungen

Die Durchschlagfestigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, hohen Spannungen standzuhalten. Der angegebene Wert gibt die Spannung an, bei der eine Platte des Materials von der angelegten Spannung durchbrochen wird, d. h. den Punkt, an dem sie ihre isolierenden Eigenschaften verliert. Das Ergebnis wird häufig in der Einheit kV/mm angegeben, was eine intrinsische Materialeigenschaft darstellt und auf dickere Geometrien skaliert werden kann.

Eine ausreichende Durchschlagfestigkeit ist für Materialien, die als Isolierung oder als Schutzgehäuse verwendet werden, unerlässlich, beispielsweise für Kunststoffe, die als Kabelummantelung oder als Isolierung in Schaltkreisen eingesetzt werden.

ASTM D149 und IEC 60243 legen Testverfahren fest, bei denen eine Probe einer steigenden Spannung ausgesetzt wird, bis ein Versagen eintritt. Die Spannung kann nach verschiedenen Protokollen angelegt werden, beispielsweise durch kontinuierliche Erhöhung oder schrittweise. Die Messungen können zudem in einem weiten Temperaturbereich von unter 0 °C bis 250 °C durchgeführt werden, da sich die dielektrischen Eigenschaften von Polymeren häufig mit der Temperatur verändern.

Neben der Durchschlagfestigkeit ist die Dielektrizitätskonstante oder relative Permittivität, κ, eine weitere intrinsische elektrische Eigenschaft. Die Dielektrizitätskonstante ist der Permittivitätswert des Materials, ausgedrückt relativ zur Permittivität des Vakuums. Sie gibt an, wie gut ein Material elektrische Energie speichern kann, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Eine hohe Dielektrizitätskonstante bedeutet, dass das Material mehr Energie speichern kann, was es für den Einsatz in Kondensatoren und anderen Energiespeicheranwendungen geeignet macht.

Volumen- und Oberflächenwiderstand

Der spezifische Widerstand ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, den Fluss eines elektrischen Stroms zu hemmen. Bei der Messung des Volumenwiderstands (IEC 62631-3-1) wird der durch das Schüttgut fließende Strom gemessen. Beim Oberflächenwiderstand (IEC 62631-3-2) wird der Strom gemessen, der entlang der zweidimensionalen Oberfläche einer Probe fließt. Die Widerstandswerte werden anschließend aus der angelegten Spannung und dem gemessenen Strom berechnet. Es ist üblich, beide Messungen an derselben Probe durchzuführen.

Ähnlich wie bei den dielektrischen Messungen können Widerstandsmessungen ebenfalls in einem Temperaturbereich von kryogenen Temperaturen bis 250 °C durchgeführt werden, um die Einsatzbedingungen des Materials zu replizieren. Volumenwiderstandsmessungen werden häufig für Materialien durchgeführt, die als elektrische Isolierung oder in der Energieübertragung eingesetzt werden, während der Oberflächenwiderstand insbesondere für Materialien von Bedeutung sein kann, die als dünne Beschichtungen oder isolierende Folien verwendet werden. Der Oberflächenwiderstand kann zudem eine geeignete Kenngröße sein, um die Fähigkeit eines Materials zur Ableitung statischer Ladung zu quantifizieren.

EMI-Abschirmung

Die elektromagnetische Abschirmung (EMI-Abschirmung) ist eine Materialeigenschaft, die beschreibt, inwieweit ein Material elektromagnetische Strahlung absorbieren, umleiten oder abschwächen kann. In den letzten Jahren hat sie sich zu einem entscheidenden Testparameter entwickelt, da Kunststoffe in Batteriesystemen und elektronischen Geräten zunehmend verbreitet sind. Materialien mit guten Abschirmeigenschaften schützen empfindliche Geräte vor Beschädigungen und Fehlfunktionen.

Während diese Tests typischerweise an vollständigen elektronischen Geräten durchgeführt werden, um die Konformität mit den Normen und Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu bewerten, ist es auch möglich, die EMI-Abschirmeigenschaften der Materialien selbst zu beurteilen. Normen wie ASTM D4935 und IEEE-299 werden häufig zur Bewertung dieser Eigenschaften herangezogen. ASTM D4935 eignet sich für die Prüfung planarer Materialien, wie z. B. Polymerfolien. IEEE-299 hingegen ist für die Prüfung vollständiger elektromagnetischer Abschirmgehäuse vorgesehen, beispielsweise Räume oder Schränke, die empfindliche Elektronik enthalten.

Kriechstromfestigkeit (CTI)

Der Kriechstromfestigkeitsindex (CTI) ist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegenüber elektrischem Durchschlag an seiner Oberfläche. Bei Anlegen einer hohen Spannungsdifferenz kommt es zu periodischen Durchschlägen an der Oberfläche, wobei durch Karbonisierung des Polymers leitfähige Pfade entstehen. Dieses Phänomen wird leitfähige Kriechstrombildung oder „Tracking“ genannt.

Die Testmethode IEC 60112 wird durch tropfenweise Aufbringung einer leitfähigen Lösung auf die Oberfläche der Probe bei schrittweise steigender Spannung durchgeführt. Dies simuliert eine Umgebung, in der typischerweise leitfähige Leckströme oder Kriechströme auftreten würden. Werkstoffe werden anhand der maximalen Spannung bewertet, bei der sie Kriechstrombildung widerstehen. Die höchste in IEC 60112 beschriebene Bewertung, Isolierstoffgruppe I, widersteht der Kriechstrombildung bei mehr als 600 V, wenn 50 Tropfen der leitfähigen Lösung aufgebracht werden.

Der CTI ist eine wichtige Materialeigenschaft bei der Auswahl des geeigneten isolierenden Polymers für eine bestimmte Anwendung. Ein für die Umgebungsbedingungen ungeeignetes Material kann zum Ausfall und zur Beschädigung elektrischer Geräte oder – in extremen Fällen – zur Entzündung des Materials oder Geräts führen.

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