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Wenn der Funke überspringt - elektrische Prüfungen im Akkreditierten Labor des KUZ

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Kunststoffe sind meist gute Isolatoren. Ihr hoher elektrischer Isolationswiderstand ist für viele Verwendungen von Vorteil, birgt aber auch die Gefahr der elektrostatischen Aufladung, die zu spontanen elektrischen Entladungen und gefährlicher Funkenbildung führen kann. Elektrostatisch aufgeladene Kunststoffe besitzen zudem die Eigenschaft Staub anzuziehen. Automobilinnenräume, die von Staub behaftet sind, widersprechen dem Qualitäts- und Wertigkeitsempfinden für hochwertige Fahrzeuge. Auch in der Kosmetikindustrie, der Medizintechnik oder im Bereich der Lebensmittelverpackungen werden hochwertige Kunststoffoberflächen gewünscht, die keinen Staub anziehen. Gesicherte Informationen zum elektrostatischen Verhalten der Kunststoffe sind deshalb sowohl aus sicherheitstechnischen wie auch aus ästhetischen Aspekten von großem Interesse.

Im nach DIN EN ISO 17025 Akkreditierten Prüflabor des KUZ besteht die Möglichkeit verschiedene elektrische Eigenschaften von Kunststoffen unter Normbedingungen zu bestimmen. Hierzu gehören die elektrische Durchschlagfestigkeit, die Kriechstromfestigkeit (CTI/PTI) sowie der elektrische Oberflächen- und Durchgangswiderstand.

Elektrische Durchschlagsfestigkeit

Die Isolatoreigenschaften eines Materials lassen sich mit der elektrischen Durchschlagsfestigkeit (meist angegeben in kV/mm) beschreiben. Sie gibt diejenige elektrische Feldstärke an, die maximal in einem Material anliegen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (Lichtbogen oder Funkenschlag) kommt. Die Prüfung ist in der DIN EN 60243 geregelt und wird im KUZ mit Wechselspannung bis 50 kV oder mit Gleichspannung bis 70 kV bestimmt. Geprüft wird üblicherweise eine Serie gleichartiger Probekörper mit Angabe des Medians der Einzelwerte. Interessanterweise ist die Durchschlagspannung bei vielen Stoffen nicht proportional zur Probendicke, da es insbesondere bei Prüfung unter Gleichspannung zu inhomogener elektrischer Feldverteilung kommen kann. Daher besitzen dünne Folien häufig höhere Durchschlagsfestigkeiten als große Materialdicken, eine Tatsache, die man bei Hochspannungs-Folienkondensatoren ausnutzt.

Kriechstromfestigkeit

Im Hinblick auf die Entwicklung kleinster Leiterplatten mit Kontakten in sehr geringem Abstand gewinnt auch die Überprüfung der Kriechstromfestigkeit eines Isolators zunehmend an Bedeutung. Die Kriechstromfestigkeit eines Kunststoffes hängt neben seiner chemischen und physikalischen Struktur von der Höhe der angelegten Spannung, der Art der Elektroden und der Verschmutzung der Oberfläche ab. Sie wird mit dem Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl (PTI, Proof Tracking Index) und Vergleichszahl (CTI, Comparative Tracking Index) zur Kriechwegbildung von festen, isolierenden Stoffen nach DIN EN 60112 bestimmt. Der CTI-Wert sagt aus, bis zu welcher Spannung sich im Basismaterial keine Kriechströme ausbilden, wenn 50 Tropfen genormter Elektrolytlösung aufgetropft werden, wobei alle 30 Sekunden ein Tropfen zwischen zwei Platin-Elektroden fällt. Ausfallkriterium ist ein Kriechstrom von > 0,5 A.

Elektrischer Oberflächen- und Durchgangswiderstand

Die Fähigkeit zur Ableitung elektrischer Ladungen kann durch den elektrischen Oberflächenwiderstand charakterisiert werden, denn mit sinkendem Oberflächenwiderstand nimmt die Neigung von Kunststoffen zur elektrostatischen Aufladung ab. Der elektrische Oberflächenwiderstand stellt damit ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung der Wirkung von migrierenden oder permanent wirksamen Antistatika dar. Die Antistatika sollen die eigentlich isolierend wirkenden Kunststoff-Oberflächen zur Ableitung elektrischer Ladungen befähigen. Der elektrische Oberflächenwiderstand wird nach DIN IEC 60093 u.a. mit der Ringelektrode bestimmt.

Für Polymere mit Volumenleitfähigkeit ist die ebenfalls in dieser Norm geregelte Bestimmung des elektrischen Durchgangswiderstands sinnvoll. Volumenleitfähigkeit wird durch die Ausbildung sogenannter Perkolationsnetzwerke mittels Zusatz von Ruß, Metallen oder intrinsisch leitenden Polymeren erreicht und besitzt große Bedeutung in explosionsgefährdeten Bereichen oder zum Schutz empfindlicher elektronischer Bauteile.

Übersicht elektrische Prüfungen im KUZ

Ansprechpartner

Dr. Peter Bloß
bloss@kuz-leipzig.de
+49 (0)341 4941 501