Wärmeleitfähige Kunststoffe (auch thermisch leitfähige Polymere und thermisch leitfähige Polymerverbunde genannt) sind Kunststoffe, deren Wärmeleitfähigkeit (λ) gezielt über dem Niveau konventioneller Polymere (typ. 0,2–0,4 W·m⁻¹·K⁻¹) liegt.Liu, Y. et al.: Enhancing Thermal Conductivity in Polymer Composites through Molding-Assisted Orientation of Boron Nitride. Polymers 16(8), 1169 (2024). doi:. Höhere Werte werden erreicht durch (i) intrinsisches Polymerdesign und KettenorientierungWang, Z. et al.: A Roadmap Review of Thermally Conductive Polymer Composites: Critical Factors, Progress and Prospects. Adv. Funct. Mater. 33(36), 2301549 (2023). doi:. oder (ii) durch Komposite mit leitfähigen Füllstoffen wie Bornitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Graphit oder Graphen.Tan, J.; Zhang, Y.: Thermal Conductive Polymer Composites: Recent Progress and Applications. Molecules 29(15), 3572 (2024). doi:. Anwendungen finden sich u. a. in der Elektronikkühlung, LED-Baugruppen, Batteriemodulen, Umrichtern und als Gehäusewerkstoffe.Li, Z. et al.: An overview of polymer-based thermally conductive functional materials. J. Mater. Sci. Technol. 218, 191–210 (2025). doi:.

Grundlagen Konventionelle Thermoplaste und Duroplaste sind schlechte Wärmeleiter; typische λ-Werte liegen bei etwa 0,2–0,4 W·m⁻¹·K⁻¹ (z. B. Polypropylen, Polyamid etc.). Die Wärmeleitung in Polymeren erfolgt überwiegend phononisch und ist stark beeinflusst von Faktoren wie Kristallinität, Polymerkettenorientierung, Verzweigungen und Grenzflächenwiderständen; dies gilt auch für Compounds mit elektrisch isolierenden Füllstoffen, da auch dort phononische Mechanismen dominieren.Bagatella, S. et al.: Thermally Conductive and Electrically Insulating Polymer-Based Composites Heat Sinks Fabricated by Fusion Deposition Modeling. Polymers 16(3), 432 (2024). doi:.

Klassen Intrinsisch wärmeleitfähige Polymere Durch extrem orientierte Polymere (z. B. gestreckte Polyethylenfilme) sind λ-Werte deutlich über 10 W·m⁻¹·K⁻¹ möglich. In bestimmten Studien wurden λ-Werte bis z. B. ~60 W·m⁻¹·K⁻¹ bei ultrahohen molekularen Gewichten und stark orientierter Struktur berichtet.

Kunststoffverbunde (Composites) Häufige Strategien sind der Einsatz von Füllstoffen (h-BN, Al₂O₃, AlN, Graphen etc.), Netzwerkbildung und Grenzflächenoptimierung.

Unterklassen Thermoplastische Compounds: hochgefüllte Compounds mit keramischen Füllstoffen, die zugleich eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung aufweisen und im Spritzguss verarbeitet werden können. Diese Klasse wird industriell in großem Maßstab eingesetzt, da sie eine Kombination von thermischer Leistungsfähigkeit, elektrischer Isolation und wirtschaftlicher Fertigung ermöglicht. Daneben existieren auch elektrisch leitfähige thermoplastische Compounds, die typischerweise mit Graphit oder Ruß gefüllt sind und dann zum Einsatz kommen, wenn elektrische Isolierung nicht erforderlich ist (z. B. für antistatische oder wärmeleitfähige Gehäuseteile). Weitere Composites: andere Verbundsysteme (z. B. Duroplast-Compounds, Hybrid-Materialien), die nicht zwingend den Compound-Charakter im engeren Sinne haben, jedoch ähnliche Mechanismen zur Wärmeleitsteigerung nutzen.

Messverfahren Messung nach Normen wie ISO 22007-2 (Transient-Plane-Source/TPS) und ASTM E1461 (Flash-Methode) zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitungsdiffusivität und Wärmekapazität.ISO 22007-2:2015, Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 2: Transient plane heat source (hot disc) method.ASTM E1461-22, Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method. Je nach Messmethode kann die ermittelte Wärmeleitfähigkeit deutlich variieren; insbesondere werden starke Steigerungen durch geeignete Verfahren (z. B. Transient-Plane-Source) sichtbar, während andere Verfahren weniger sensitiv auf anisotrope oder stark gefüllte Systeme reagieren.

Strategien zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit Grenzflächen-Engineering: z. B. funktionalisierte Füllstoffe, Kopplungs-Agents, Minimierung der Grenzflächenwiderstände. Netzwerkbildung und 3D-Netzwerke: Füllstoff-Topologien, Hybrid-Füller, Ausrichtung. Polymerstruktur: Orientierung, hohe Kristallinität, Kettensteifigkeit. Füllstoff-Isometrie, hoher Füllgrad, Packungsdichte, Isotropie der Wärmeleitfähigkeit.

Anwendungen Wichtige Anwendungen finden sich in LED-Gehäusen, Gehäusebauteilen der Leistungselektronik, Batteriepacks sowie im Wärmemanagement mobiler Geräte.

Ein zunehmendes Einsatzfeld ist der Ersatz von Metallbauteilen – insbesondere von Kühlkörpern aus Aluminium – durch wärmeleitfähige Kunststoffe. Diese ermöglichen Gewichtsreduktion, elektrische Isolation, Korrosionsbeständigkeit und vereinfachte Fertigungsschritte.

In der Elektronikfertigung gewinnen zudem Overmolding-Anwendungen an Bedeutung, bei denen Leiterplatten oder elektronische Bauteile direkt mit wärmeleitfähigen Kunststoffen umspritzt werden. Dadurch können Baugruppen vereinfacht werden, insbesondere wenn eine elektrische Isolation zwischen der Wärmequelle (Hotspot) und anderen Bauteilen erforderlich ist.

Praxisaspekte & Grenzen Höherer Füllgrad → höhere Viskosität, schlechtere Verarbeitbarkeit, verändertes mechanisches Verhalten. Grenzflächenwiderstände (z. B. Kontakt zwischen Füllstoff & Polymer) können die erwarteten Leistungsgewinne stark schmälern. Partikelkontaktfläche beeinflusst die Querschnittsfläche zur Übertragung von Wärme. Höhere Packungsdichte → verschiebt die Grenze der maximalen Compoundwärmeleitfähigkeit und beeinflusst die Viskosität bei hohen Füllgraden. In vielen Systemen (z. B. wenn Kühlkörper, Kontaktflächen, Luftführung etc. mitwirken) sind nicht allein der Materialwert λ, sondern die gesamte Wärmewiderstandskette entscheidend.

Beispiele für material- und verfahrensspezifische Ansätze & Patente

Weitere aus der Literatur: z. B. Komposite mit BN-Mikroplatten, PS/BN-Verbund bei moderaten Füllgraden, ultrastrukturierte Polyethylenfilme mit sehr hohen λ.

Normen ISO 22007-2 (TPS-Methode) – Bestimmung von Wärmeleitfähigkeit und Diffusivität. ASTM E1461 – Flash-Methode. Literatur Wang, Z. et al.: A Roadmap Review of Thermally Conductive Polymer Composites: Critical Factors, Progress and Prospects. Adv. Funct. Mater. 33(36), 2301549 (2023). doi:. Tan, J.; Zhang, Y.: Thermal Conductive Polymer Composites: Recent Progress and Applications. Molecules 29(15), 3572 (2024). doi:. Liu, Y. et al.: Enhancing Thermal Conductivity in Polymer Composites through Molding-Assisted Orientation of Boron Nitride. Polymers 16(8), 1169 (2024). doi:. Bagatella, S. et al.: Thermally Conductive and Electrically Insulating Polymer-Based Composites Heat Sinks Fabricated by Fusion Deposition Modeling. Polymers 16(3), 432 (2024). doi:. Li, Z. et al.: An overview of polymer-based thermally conductive functional materials. J. Mater. Sci. Technol. 218, 191–210 (2025). doi:.

Einzelnachweise

Kategorie:Kunststofftechnik Kategorie:Verbundwerkstoff Kategorie:Werkstoffkunde