Mit einer neuen Materialklasse will Freudenberg Sealing Technologies erheblich dazu beitragen, den Brandschutz in elektrischen Fahrzeugantrieben zu verbessern. Sie heißt „Quantix Ultra“ und schmilzt laut Herstellerangaben auch bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 1.200 °C nicht. Im Spritzguss ist das Material vielseitig und wirtschaftlich zu verarbeiten. Angesichts der Leichtbauprämisse für heutige Fahrzeuge soll die geringere Dichte im Vergleich zu metallischen Werkstoffen ein zusätzlicher Pluspunkt sein. Nun erfolgt der erste Serieneinsatz als Flammschutzbarriere für Teile des Kühlsystems in der Lithium-Ionen-Batterie eines Elektroautos.
Neue Materialklasse entflammt nicht
Elektroautos mit Lithium-Ionen-Akkus bieten alltagstaugliche Reichweiten und benötigen ein hohes Maß an Sicherheit. Um dies zu gewährleisten werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um das thermische Durchgehen der Batterie zu verhindern oder zu verzögern. Kunststoffbauteile in dieser Anwendung haben bislang die strengen Testnormen der Automobilindustrie für elektrische Antriebe laut Hersteller in der Regel nicht erfüllt. Das soll Quantix Ultra von Freudenberg Sealing Technologies ändern: Die neue Materialklasse kann sehr hohen Temperaturen widerstehen. Sie schmilzt und entflammt nicht. In Labortests übersteht eine 2 mm dicke Materialprobe sogar über 25 min lang eine aufgebrachte Flamme mit einer Temperatur von 1.200 °C.
Weitere Tests simulieren den Ausstoß heißer Partikel unter hohem Druck, wie er auftreten kann, wenn sich die Gase in Batteriezellen schlagartig entladen. Quantix Ultra widersteht dem Stresstest laut Herstellerangaben 20 Sekunden. Eine 2 mm dicke Aluminiumprobe ist bereits nach zwei bis drei Sekunden zerstört.
Keine Beschränkung auf bestimmte Formen
Aus dem innovativen Material fertigt Freudenberg Sealing Technologies beispielsweise Flammschutzbarrieren für den Einsatz im Kühlsystem von Lithium-Ionen-Batterien. Ein erster Autohersteller will diese ab Februar 2024 in Serienfahrzeugen einsetzen.
Quantix Ultra eignet sich für sämtliche Anwendungen mit hohen Anforderungen an Brandschutz und Leichtbau. Auch sei die Anwendung nicht auf bestimmte geometrische Formen beschränkt. Für batterieelektrische Antriebe lässt sich das Material beispielsweise zu Folien verarbeiten. Weitere Anwendungen sind Einhausungen für Stromverteiler, medienführende Leitungen, Kabelisolation, Batterie-Gehäusedeckel oder Bauteile für Elektromotoren.
Flammschutz bei höchsten Temperaturen
Temperaturbeständigkeit ist für technische Kunststoffe ein herausragendes Differenzierungsmerkmal. Dies gilt sowohl für amorphe wie für teilkristalline Werkstoffe. Allen derzeit eingesetzten Polymeren ist jedoch eins gemeinsam: Die Steifigkeit lässt nach Erreichen des sogenannten Glasübergangspunkts spürbar nach und bricht mit dem Überschreiten des Schmelzpunkts schlagartig ein. Ein Flammschutz sei dann nicht mehr gegeben.
Anders Quantix Ultra: „Das neue Material schmilzt nicht bei hohen Temperaturen und weist stattdessen ein elastisches Verhalten auf, das mit Elastomeren vergleichbar ist“, erläutert Kira Truxius, Material Expert Thermoplastics bei Freudenberg Sealing Technologies. „Zudem hat es eine um 53 Kelvin höhere Glasübergangstemperatur und erhält somit seine Steifigkeit und den Flammschutz über einen erheblich längeren Zeitraum. Summiert man die Eigenschaften, so setzt sich Quantix Ultra an die Spitze aller derzeit bekannten Kunststoffe.“
Gezielte Zugabe von Füllstoffen
Das Grundmaterial von Quantix Ultra ist ein bereits temperaturfester Thermoplast. Die gezielte Zugabe von Füllstoffen wie Glas- oder Kohlenstofffasern soll die mechanische Stabilität selbst unter enormer Hitze verstärken. Eine zusätzliche Vernetzung der Kunststoff-Molekülketten sorgt dafür, dass das Bauteil auch unter Extrembedingungen in Form bleibt. Materialeigenschaften lassen sich fokussiert auf den jeweiligen Anwendungsfall einstellen. „Unser patentiertes Know-how besteht in der gezielten Zugabe geeigneter Materialien, die Brücken zwischen den Molekülketten erzeugen. Die Patente sind ein Ergebnis gelungener Teamarbeit“, erläutert Dr. Björn Hellbach, Material Expert Thermoplastics bei Freudenberg Sealing Technologies.
Verarbeitung per Spritzguss
Quantix Ultra lässt sich einfach per Spritzguss verarbeiten. Die damit verbundenen Vorteile wie etwa das Fertigen komplexer Geometrien bei kurzen Zykluszeiten und damit in großen Stückzahlen teilt es mit anderen Thermoplasten. Zur wirtschaftlichen Fertigung trägt auch das patentierte Vernetzungsverfahren bei. Es basiert allein auf dem Einbringen eines speziellen Vernetzers ins Material unter Beibehaltung des Standard-Spritzgussprozesses. Andere bekannte Verfahren seien deutlich aufwendiger. Sie arbeiten mit Gammastrahlung oder in Lösungen.
