Leitende Kunststoffe einfach erklärt
Posted on 27.03.2019
Elektrostatische Ladungen sind unsichtbar, können aber Technik beschädigen oder Funken verursachen. Erfahren Sie, wie leitende Kunststoffe funktionieren und warum die Erdung wichtig ist.
Warum sich Kunststoff auflädt – und wann leitende Kunststoffplatten helfen
Vielleicht kennen Sie diesen kleinen Schreckmoment: Sie laufen über einen Teppich, greifen anschließend an eine Türklinke und spüren einen kurzen elektrischen Schlag. Dabei hat sich Ihr Körper elektrostatisch aufgeladen und die gespeicherte Ladung beim Berühren des Metalls schlagartig abgegeben.
Im Alltag ist eine solche Entladung meist nur unangenehm jedoch in der Regel ungefährlich. In der Elektronikfertigung kann sie jedoch empfindliche Bauteile beschädigen. Treffen Funken auf brennbare Gase, Dämpfe oder Stäube, kann aus der statischen Aufladung sogar eine ernsthafte Gefahr werden.
Normale Kunststoffplatten helfen in solchen Situationen nicht. Kunststoffe leiten elektrische Ladungen üblicherweise nur sehr schlecht und können diese deshalb über längere Zeit auf ihrer Oberfläche halten. Für sensible Arbeitsbereiche gibt es jedoch besondere Kunststoffplatten, über die sich elektrostatische Ladungen kontrolliert ableiten lassen.
Wie das funktioniert, was der Begriff ESD bedeutet und warum eine ableitfähige Platte allein noch keine sichere Konstruktion ergibt, erklären wir Schritt für Schritt.
Was bedeutet ESD?
ESD ist die Abkürzung für Electrostatic Discharge, auf Deutsch elektrostatische Entladung. Gemeint ist der plötzliche Ausgleich einer elektrischen Ladung zwischen zwei unterschiedlich geladenen Körpern.
Der kleine Schlag an einer Türklinke ist ein gut spürbares Beispiel. Viele Entladungen sind allerdings so schwach, dass ein Mensch sie überhaupt nicht wahrnimmt. Für empfindliche elektronische Bauteile können selbst solche unbemerkten Entladungen bereits problematisch sein.
Im Alltag meist harmlos
Beim Gehen über einen Teppich, beim Ausziehen eines Pullovers oder beim Einsteigen in ein Auto können sich Körper und Kleidung elektrostatisch aufladen. Beim nächsten Kontakt mit Metall wird die Ladung häufig schlagartig abgegeben.
In der Technik ein echtes Risiko
Elektronische Bauteile können durch eine Entladung beschädigt werden, obwohl äußerlich zunächst kein Fehler erkennbar ist. In Bereichen mit entzündlichen Stoffen kann außerdem bereits ein kleiner Funke kritisch sein.
Der Begriff ESD beschreibt zunächst nur die Entladung selbst. Zum ESD-Schutz gehören deshalb alle Maßnahmen, die eine starke Aufladung verhindern oder vorhandene Ladungen kontrolliert abführen.
Wie entsteht elektrostatische Aufladung?
Elektrostatische Ladung entsteht besonders häufig, wenn sich zwei Materialien berühren und anschließend wieder voneinander trennen. Dabei können Elektronen von einer Oberfläche auf die andere übergehen. Ein Material erhält dadurch einen Elektronenüberschuss, während dem anderen Elektronen fehlen.
Dieser Vorgang wird durch Reibung verstärkt. Typische Beispiele sind Schuhe auf einem Bodenbelag, Kunststoffteile auf einem Förderband oder Granulate, die durch Rohre und Behälter bewegt werden. So ziemlich jeder hat mal einen Luftballon an einem Woll-Pullover gerieben und an die Haare eines anderen gehalten, die dann vom Ballon angezogen wurden.
- Zwei unterschiedliche Oberflächen kommen miteinander in Kontakt
- Beim Trennen oder Reiben werden elektrische Ladungen verschoben
- Auf einer Oberfläche sammelt sich ein Ladungsüberschuss
- Bei isolierenden Materialien kann die Ladung nicht einfach abfließen
- Beim späteren Kontakt kann sie sich schlagartig entladen
Wie stark sich ein Bauteil auflädt, hängt unter anderem von den beteiligten Materialien, der Bewegung, der Oberfläche und der Luftfeuchtigkeit ab. Trockene Luft begünstigt häufig eine stärkere Aufladung, weil Feuchtigkeit auf den Oberflächen den Ladungsabbau erleichtern kann.
Wie wird Kunststoff elektrisch ableitfähig?
Die meisten Kunststoffe wirken elektrisch isolierend. Das ist bei Kabelummantelungen und Gerätegehäusen erwünscht, kann bei Förderanlagen, Behältern oder Arbeitsflächen aber zum Problem werden: Eine entstandene Ladung findet keinen geeigneten Weg zur Erde und bleibt auf dem Bauteil bestehen.
Um das zu ändern, werden bestimmte Kunststoffe mit elektrisch leitfähigen Partikeln ausgerüstet. Häufig kommt dafür leitfähiger Ruß zum Einsatz. Die Partikel bilden innerhalb des Kunststoffs ein Netzwerk, über das elektrische Ladungen weitergeleitet werden können.
Der Rußanteil erklärt zugleich, warum solche Platten üblicherweise schwarz sind. Die schwarze Farbe ist hier nicht nur eine optische Entscheidung, sondern ergibt sich aus der leitfähigen Ausstattung des Werkstoffs.
Einfach erklärt: Die Kunststoffplatte wird nicht mit einem Metallblech vergleichbar. Sie erhält lediglich einen deutlich besseren Weg, über den sich elektrostatische Ladungen kontrolliert ableiten lassen.
Leitend, ableitfähig oder isolierend?
Im Alltag werden elektrisch leitfähige und elektrostatisch ableitfähige Kunststoffe häufig unter dem Oberbegriff „leitende Kunststoffplatten“ zusammengefasst. Für das Verständnis ist trotzdem wichtig, dass nicht jeder Werkstoff elektrische Ladung gleich schnell weitergibt.
| Isolierend | Elektrostatisch ableitfähig | Elektrisch leitfähig | ||
|---|---|---|---|---|
| Verhalten | Ladung kann lange auf der Oberfläche verbleiben | Ladung wird kontrolliert abgebaut | Ladung wird vergleichsweise schnell weitergeleitet | |
| Typischer Zweck | elektrische Isolation | Schutz vor elektrostatischer Aufladung | schnelle elektrische Ableitung | |
| Typisches Beispiel | Standardkunststoffplatte | ESD-Arbeitsfläche oder Verpackung | Kabel und Platinen |
Welche Einordnung für ein konkretes Produkt gilt, ergibt sich nicht allein aus der Bezeichnung oder der schwarzen Farbe. Entscheidend sind die im technischen Datenblatt angegebenen Widerstandswerte und die Anforderungen der gesamten Konstruktion.
Wo werden ableitfähige Kunststoffplatten eingesetzt?
Ableitfähige Kunststoffplatten kommen überall dort infrage, wo sich Kunststoff wegen seiner chemischen Beständigkeit, seines geringen Gewichts oder seiner guten Verarbeitbarkeit eignet, eine elektrostatische Aufladung aber vermieden werden muss.
Elektronik und ESD-Arbeitsplätze
Bei der Herstellung, Prüfung oder Reparatur empfindlicher Elektronik können ableitfähige Arbeitsflächen, Ablagen und Bauteilträger helfen, unkontrollierte Entladungen zu vermeiden.
Behälter und Anlagenbau
Beim Fördern, Umfüllen oder Verarbeiten von Pulvern, Granulaten und Flüssigkeiten kann durch Bewegung und Reibung elektrostatische Ladung entstehen. Ableitfähige Kunststoffe werden deshalb unter anderem für Behälter, Verkleidungen und technische Bauteile eingesetzt.
Medizintechnik
Auch in der Medizintechnik können elektrostatische Entladungen empfindliche Sensoren, Messgeräte und elektronische Baugruppen beeinträchtigen. Ableitfähige Kunststoffplatten kommen deshalb beispielsweise für Arbeitsflächen, Geräteverkleidungen, Träger und technische Einbauten infrage.
Bereiche mit brennbaren Stoffen
Wo brennbare Gase, Dämpfe oder Stäube auftreten können, muss eine mögliche Funkenbildung besonders sorgfältig berücksichtigt werden. Der eingesetzte Werkstoff ist dabei nur ein Bestandteil des notwendigen Schutzkonzepts.
Typische Anwendungen im Überblick
- Arbeitsflächen und Ablagen in ESD-geschützten Bereichen
- Behälter und Auskleidungen im Anlagenbau
- Bauteile in Förder- und Abfüllanlagen
- Verkleidungen und technische Einbauten
- Aufnahmen und Träger für empfindliche Elektronik
- nicht jede schwarze Kunststoffplatte ist automatisch ableitfähig
- der Werkstoff allein ersetzt kein vollständiges ESD- oder Explosionsschutzkonzept
Warum eine ableitfähige Platte ohne Erdung nicht genügt
Eine ableitfähige Kunststoffplatte kann Ladungen innerhalb des Materials weiterleiten. Damit die Ladung tatsächlich verschwindet, benötigt sie jedoch einen definierten Weg zu einem geeigneten Erdungspunkt.
Fehlt dieser Ableitweg, kann sich auch ein leitfähig ausgerüstetes Bauteil aufladen. Die Platte verteilt die Ladung dann möglicherweise über eine größere Fläche, führt sie aber nicht automatisch aus der Konstruktion heraus.
Die gesamte Konstruktion zählt
Platte, Schweißnähte, mechanische Verbindungen, Befestigungen und Erdung müssen gemeinsam betrachtet werden. Eine Unterbrechung im Ableitweg kann die vorgesehene Funktion beeinträchtigen.
Wie die Erdung ausgeführt und geprüft werden muss, hängt von der Anwendung ab. Bei ESD-Arbeitsplätzen, Industrieanlagen und insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen gehört die Planung deshalb in fachkundige Hände.
Wichtig: Der Einsatz einer leitfähigen Kunststoffplatte macht ein Bauteil nicht automatisch zu einer normgerechten ESD- oder Explosionsschutzlösung. Maßgeblich sind die Anforderungen der konkreten Anlage und der vollständig ausgeführten Konstruktion.
PE-EL oder PP-EL-S: Welche Platte kommt infrage?
Für elektrisch ableitfähige Bauteile werden häufig Varianten aus Polyethylen oder Polypropylen verwendet. Welcher Werkstoff besser passt, hängt nicht nur von der Ableitfähigkeit ab. Auch Temperatur, Witterung, Chemikalien, mechanische Belastung und mögliche Brandschutzanforderungen spielen eine Rolle.
| PE-EL | PP-EL-S | ||
|---|---|---|---|
| Werkstoffbasis | Polyethylen | Polypropylen-Copolymer | |
| Elektrische Ausstattung | leitfähig ausgerüstet | leitfähig ausgerüstet | |
| Außenbereich | bei geeigneter Ausführung möglich | in der Regel nicht die erste Wahl | |
| Niedrige Temperaturen | häufig besser geeignet | nur eingeschränkt geeignet | |
| Flammhemmende Ausführung | nicht der Schwerpunkt | zusätzliche flammhemmende Einstellung | |
| Typische Auswahlfrage | Witterung und Robustheit | Innenanwendung und Brandschutzanforderung |
Für Außenanwendungen oder Konstruktionen, die auch bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden, kommt häufig elektrisch leitfähiges PE-EL infrage.
Besteht im Innenbereich zusätzlich eine Anforderung an eine flammhemmende Werkstoffausführung, kann elektrisch leitfähiges PP-EL-S die passendere Grundlage sein.
Die endgültige Auswahl sollte anhand des technischen Datenblatts und der konkreten Einsatzbedingungen erfolgen. Die Tabelle ersetzt keine technische Auslegung.
Ableitfähige Kunststoffplatten bearbeiten und verbinden
Beim Sägen, Bohren oder Fräsen verhalten sich ableitfähige PE- und PP-Platten grundsätzlich ähnlich wie ihre jeweiligen Basiskunststoffe. Wichtig sind scharfe Werkzeuge, eine sichere Auflage und eine Bearbeitung ohne unnötige Wärmeentwicklung.
Das Verkleben ist bei Polyethylen und Polypropylen nur mit hohem Aufwand möglich. Im technischen Anlagenbau werden Bauteile deshalb häufig mechanisch verbunden oder durch Kunststoffschweißen gefügt.
- mit geeigneten Werkzeugen säg-, bohr- und fräsbar
- für viele technische Bauteile warm formbar
- durch Kunststoffschweißen dauerhaft verbindbar
- herkömmliche Klebstoffe haften auf PE und PP nicht zuverlässig
- eine Verbindung muss die geforderte elektrische Funktion ebenfalls erfüllen
Beim Schweißen sollte ein zum Plattenwerkstoff passender leitfähiger Schweißdraht verwendet werden. Ob die fertige Verbindung den erforderlichen Ableitwert erreicht, muss bei sicherheitsrelevanten Anwendungen an der ausgeführten Konstruktion durch Messungen überprüft werden.
Fazit: Leitfähiger Kunststoff ist nur ein Teil der Lösung
Elektrostatische Ladung entsteht häufig durch den Kontakt und die anschließende Trennung unterschiedlicher Materialien. Bei normalen Kunststoffplatten kann diese Ladung nicht kontrolliert abfließen und bleibt deshalb auf dem Bauteil bestehen.
Mit leitfähigen Partikeln ausgerüstete Kunststoffplatten schaffen einen Ableitweg. Dadurch eignen sie sich für Arbeitsflächen, Behälter, Verkleidungen und technische Bauteile, bei denen elektrostatische Aufladung vermieden werden soll.
Entscheidend ist jedoch nicht allein die Wahl der Platte. Auch Verbindungen, Befestigungen und Erdung müssen zusammenpassen. Erst wenn die gesamte Konstruktion fachgerecht geplant, ausgeführt und bei Bedarf geprüft wurde, kann die Ladung zuverlässig und kontrolliert abgeleitet werden.
Häufige Fragen zu leitenden Kunststoffplatten und ESD
Was bedeutet ESD?
ESD steht für Electrostatic Discharge und bedeutet elektrostatische Entladung. Dabei wird eine zuvor aufgebaute elektrische Ladung schlagartig zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichem elektrischem Potenzial ausgeglichen.
Warum lädt sich Kunststoff elektrostatisch auf?
Beim Berühren, Trennen oder Reiben unterschiedlicher Materialien können Elektronen zwischen den Oberflächen übertragen werden. Weil normale Kunststoffe elektrisch isolierend wirken, kann die entstandene Ladung nur schlecht abfließen und bleibt auf der Oberfläche bestehen.
Sind alle schwarzen Kunststoffplatten elektrisch leitfähig?
Nein. Eine schwarze Einfärbung allein sagt nichts über die elektrische Ableitfähigkeit aus. Gewöhnliche schwarze Kunststoffplatten können weiterhin isolierend wirken. Entscheidend sind die Werkstoffbezeichnung und die im technischen Datenblatt angegebenen Widerstandswerte.
Was ist der Unterschied zwischen leitfähig und ableitfähig?
Ein ableitfähiger Werkstoff baut elektrostatische Ladungen kontrolliert über einen geeigneten Ableitweg ab. Ein leitfähiger Werkstoff leitet elektrische Ladungen vergleichsweise schneller weiter. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden beide Varianten häufig als leitende Kunststoffplatten bezeichnet.
Müssen leitfähige Kunststoffplatten geerdet werden?
Ja, wenn die Ladung dauerhaft aus der Konstruktion abgeführt werden soll, wird ein geeigneter und durchgängiger Ableitweg zu einem definierten Erdungspunkt benötigt. Ohne Erdung kann sich auch ein leitfähig ausgerüstetes Bauteil elektrostatisch aufladen.
Kann man leitfähige PE- oder PP-Platten kleben?
Polyethylen und Polypropylen besitzen eine sehr niedrige Oberflächenenergie und lassen sich mit herkömmlichen Klebstoffen nicht zuverlässig verkleben. Im technischen Anlagenbau werden die Platten deshalb häufig mechanisch verbunden oder mit einem passenden Schweißdraht verschweißt.
Reicht eine leitfähige Kunststoffplatte für den Explosionsschutz aus?
Nein. Eine leitfähige Platte ist lediglich ein Bestandteil der Konstruktion. Werkstoff, Verbindungen, Erdung, mögliche Zündquellen und die gesamten Betriebsbedingungen müssen gemeinsam beurteilt werden. Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen müssen fachgerecht geplant und entsprechend den geltenden Anforderungen ausgeführt werden.
Wie wird geprüft, ob die Ableitung funktioniert?
Die elektrische Funktion wird mit geeigneten Messgeräten an der Platte beziehungsweise an der fertig ausgeführten Konstruktion geprüft. Welche Messmethode und welche Grenzwerte gelten, hängt vom Einsatzbereich und den anzuwendenden technischen Regeln ab.