Material & Materialeigenschaften

Welche Anforderungen stellt das Material an die Technik?

Die Anzahl der dosierbaren Klebstoffe, Dicht- und Vergussmassen wächst ständig. Ob Epoxid, Polyurethan, Silikon oder andere Materialklassen bei einem Prozess zum Einsatz kommen, ist dabei abhängig von den Anforderungen an das jeweilige Endprodukt. Faktoren wie Viskosität und Füllstoffgehalt, aber auch die Aushärtung sowie eine eventuell notwendige Vorbehandlung sind hierbei bei der Prozessentwicklung zu berücksichtigen und definieren bereits verschiedene Verfahren vor, die system- und prozesstechnisch in ein ganzheitliches verfahrenstechnisches Konzept eingebunden werden müssen.

Polyurethane

Polyurethane weisen eine große Vielseitigkeit auf und können in vielen Anwendungen Silikone oder Epoxidharze ersetzen. Mittels geeigneter Komponenten und Additive können die Eigenschaften von Polyurethanen je nach Anforderung und Anwendung so stark variiert werden, wie bei keiner anderen Stoffklasse. Aufgrund des geringeren Preises sind sie das am häufigsten verwendete 2-Komponenten-Material. Polyurethane werden bevorzugt für Isolation und Korrosionsschutz elektrischer Bauteile verwendet. Positiv ist ihr ausgewogenes Eigenschaftsspektrum und ein geringer Schrumpf. Da sie nur bis zu einer Temperatur von rund 130°C wärmebeständig sind, eignen sich PU-Gießharze allerdings weniger für Anwendungen mit hohen Temperaturanforderungen.

Acrylate

Acrylate bezeichnen Vergussmaterialien, welche sich durch reaktive Acrylgruppen auszeichnen. Sie werden häufig als 1K Materialien genutzt und zeichnen sich oftmals durch eine lichtinduzierte Polymerisationsreaktion aus. Aufgrund ihrer amorphen Struktur sind manche Polyacrylate transparent und finden in dieser Form beispielsweise als Plexiglas (PMMA) oder im Bereich des optical bondings Anwendung. Die Nutzung von Acrylaten ist in der Klebstoffindustrie die letzten Jahre jedoch deutlich zurückgegangen und wird mehr und mehr von Silikonen abgelöst.

Silikone

Gießharze auf Silikonbasis spielen aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften eine wichtige Rolle. Ihre sehr guten hydrophoben Eigenschaften sowie ihre hohe Elastizität machen diese Materialien interessant für anspruchsvolle Dichtungsanwendungen in der Automobilindustrie oder Lichttechnik. Kennzeichnend für ausgehärtete Silikon-Gießharze ist die hohe Wärmebeständigkeit in einem Temperaturbereich zwischen ca. -40 bis >250°C. Aus diesem Grund werden sie häufig dann eingesetzt, wenn die Temperaturanforderungen mit PU nicht mehr erfüllt werden können. Im Vergleich zu Epoxidharzen und Polyurethanen ist der Einsatz von Silikonen aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften jedoch mit einem Kostenmehraufwand verbunden.

MS Polymere

Basierend auf einem Kohlenstoffgrundgerüst zeichnen sich silanmodifizierte Polymere durch endständige Silangruppen aus, welche durch Kopplung mit organofunktionellen Startgruppen eine Verklebung von Kunststoffen mit Metallen ermöglicht. Das Kohlenstoffgerüst ist hierbei zumeist auf einer Basis von Epoxiden oder Polyethern/Polyurethanen aufgebaut. Je nach organofunktioneller Gruppe initiiert ein Ende der Molekülkette die Verklebung mit einem Kunststoff, wobei das Andere mittels Silikon Gruppe mit der Oberfläche eines Metalls reagiert. Letzteres geschieht bei Raumtemperatur unter Zuhilfenahme eines Katalysators und Luftfeuchtigkeit und basiert auf dem Umstand, dass Metalle an ihrer Oberfläche mit reaktiven Hydroxyd Gruppen bedeckt sind. Nachteilig zeichnet sich die Sensibilität von MS Polymeren gegenüber Luftfeuchtigkeit aus. Weiterhin muss die Wahl des richtigen Dichtungsmaterials aufgrund der chemischen Reaktivität korrekt abgestimmt werden.

Epoxid

Diese Harze werden als vielseitige Konstruktionsklebstoffe, aber auch für Verguss und Verklebung von Leiterplatten und speziell beim Verguss von Zündspulen verwendet. Sie bieten eine sehr hohe mechanische Festigkeit, hohe Härte und hohe Abriebfestigkeit. Auch haften sie sehr gut auf fast allen Oberflächen, haben gute elektrische Eigenschaften, eine gute chemische Beständigkeit, geringe Brennbarkeit, hohe Glutfestigkeit und eine gute Temperaturstandfestigkeit. Unter Verwendung geeigneter Füllstoffe kann auch der bei diesen Harzen übliche Schwund beim Härten minimiert werden. Epoxidharze sind teurer als z. B. Polyurethane. Bei ihrer Verarbeitung müssen zudem ihre i.d.R. hohe Viskosität und die große Wärmeentwicklung bei der Aushärtung berücksichtigt werden. Gerade Letzteres kann bei empfindlichen Baugruppen zu Fehlfunktionen führen.


Materialeigenschaften

Die Rheologie beschreibt das Fließverhalten eines Fluids bei definierten Schergeschwindigkeiten. Aufgrund der Verschiebung einzelner Molekülketten oder Partikel relativ zueinander, ergeben sich bei verschiedenen Stoffen unterschiedliche Fließeigenschaften. Mittels rheologischer Untersuchungen kann auf die Scherkraft und die Viskosität eines Fluids geschlossen werden. Aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften in der Fließfähigkeit von Stoffen, können diese in verschiedene Viskositätsklassen eingestuft werden. Jede dieser Viskositätsklassen weißt ein gewisses Fließverhalten auf, welches Einfluss auf die Applikation eines Vergussmaterials hat. Die Viskosität ist hierbei ein Maß für den Fließwiderstand, die Fließfähigkeit und die innere Reibung eines Fluids, welches dadurch von niedrigviskosen bis hin zu hochviskosen Bereichen kategorisiert werden kann. Weiterhin ist die Viskosität temperaturabhängig. Je wärmer eine Flüssigkeit ist, desto niedriger ist ihre Viskosität. (Faustregel: +10°C = ½ Viskosität). Bei gewissen temperaturhärtenden Materialien hat eine Temperierung jedoch genau den gegenteiligen Effekt. Im Dosierprozess ermöglicht eine geringere Viskosität des Vergussmaterials eine schnellere Verarbeitung. Des Weiteren steigen Luftblasen in flüssigen Medien schneller auf, wodurch die Evakuierung vereinfacht wird. Bei gefüllten, niedrigviskosen Medien beschleunigt sich jedoch hierbei ebenso das Sedimentationsverhalten. Für eine gleichmäßige Temperierung sollte der gesamte Prozess beheizt werden.

Einkomponentige Vergussmaterialien (1K)

Bei 1K-Vergussmaterialien wird das gebrauchsfertige Gießharz direkt verwendet. Es reagiert durch Veränderung der Umgebungsbedingungen aus. Dies kann beispielsweise durch Temperaturerhöhung, Zufuhr von Luftfeuchtigkeit, Ausschluss von Luftsauerstoff oder Kontakt mit der Substratoberfläche geschehen. Hierbei geschieht folglich eine Reaktion ohne konkreten Härter. In bestimmten Fällen befindet sich die Härterkomponente jedoch eingekapselt in der Harzkomponente wieder. Durch starke Scherbeanspruchung kann eine Entkapselung des Härters erfolgen und die chemische Reaktion beginnt abzulaufen. Durch 1K Materialien ist eine weniger komplexe Anlagenmaschinerie von Nöten.

Zweikomponentige Vergussmaterialien (2K)

Bei 2K Gießharzen reagieren zwei konkrete Edukte bestehend aus unterschiedlichen Monomeren zu einem polymeren Produkt. Durch optimale Mischung beider Komponenten wird die Reaktion initialisiert und kann im Folgenden über die vorgegebenen Spezifikationen ablaufen. 2K Vergussmaterialien ermöglichen eine bessere Einstellbarkeit der Eigenschaften des Endprodukts als dies bei 1K Materialien möglich wäre. Diese erfolgt durch Variation reaktiver Gruppen beider Komponenten und ermöglicht eine präzisere Anpassung des Endprodukts an dessen Endfunktion. Ein weiterer Vorteil sind kürzere Aushärtungszeiten sowie die Reduzierung von VOC-Emissionen und Umweltbelastungen. Viele gestiegene Anforderungen in der Elektronikindustrie lassen sich heute nur noch mit 2K-Materialien erfüllen. Außerdem erlauben sie teilweise ein einfacheres und preisgünstigeres Materialhandling.