Definition
Die Wärmeleitfähigkeit (englisch: Thermal Conductivity, Symbol: λ oder k) ist eine Materialkennzahl, die angibt, wie gut ein Werkstoff Wärme durch Wärmeleitung transportiert. Sie beschreibt den Wärmestrom, der pro Zeiteinheit durch eine Fläche bei einem Temperaturgradienten fließt.
Kernaussage: Kunststoffe sind grundsätzlich schlechte Wärmeleiter (λ = 0,1-0,5 W/mK) im Vergleich zu Metallen (λ = 15-400 W/mK). Diese Eigenschaft macht sie ideal für Isolationsanwendungen, kann aber bei wärmeabführenden Bauteilen problematisch sein.
Normen und Standards
| Norm | Anwendungsbereich |
|---|---|
| DIN EN ISO 22007-2 | Kunststoffe - Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit (Hot Disk) |
| DIN EN ISO 22007-4 | Kunststoffe - Laserflash-Methode |
| DIN EN 12667 | Wärmetechnisches Verhalten von Baustoffen - Plattengerät |
| ASTM E1530 | Wärmeleitfähigkeit mittels Guarded Heat Flow Meter |
Physikalische Grundlagen
Fouriersches Wärmeleitungsgesetz:
Q = -λ × A × (dT/dx)
Einheit: λ [W/(m·K)] oder [W/(m·°C)]
Q = -λ × A × (dT/dx)
Einheit: λ [W/(m·K)] oder [W/(m·°C)]
Wärmetransportmechanismen in Polymeren
- Gitterschwingungen (Phononen): Hauptmechanismus in amorphen Polymeren
- Kettenschwingungen: Entlang der Polymerketten höhere Leitfähigkeit
- Füllstoffnetzwerk: Bei gefüllten Compounds zusätzlicher Transportweg
Typische Werte für Kunststoffe
| Werkstoff | λ [W/(m·K)] | Bemerkung |
|---|---|---|
| PE | 0,32-0,45 | Teilkristallin |
| PP | 0,17-0,22 | Teilkristallin |
| PS | 0,13-0,17 | Amorph |
| PVC | 0,14-0,17 | Amorph |
| PMMA | 0,18-0,19 | Amorph |
| PA 6 | 0,23-0,29 | Teilkristallin |
| POM | 0,25-0,31 | Hochkristallin |
| PTFE | 0,23-0,25 | Teilkristallin |
| PU-Schaum | 0,02-0,04 | Geschäumt |
Prüfverfahren
Hot-Disk-Methode (TPS)
- Prinzip: Transiente Planare Wärmequelle zwischen zwei Proben
- Vorteile: Schnell, keine aufwendige Probenpräparation
- Messbereich: 0,01 - 500 W/(m·K)
Laserflash-Methode (LFA)
- Prinzip: Laserimpuls erwärmt Probenoberfläche, IR-Detektor misst Rückseite
- Messgröße: Temperaturleitfähigkeit α, Umrechnung in λ
- Anwendung: Dünne Proben, hohe Temperaturen
Einflussfaktoren
- Kristallinität: Höhere Kristallinität erhöht λ um 10-30%
- Temperatur: Schwache Temperaturabhängigkeit bei Polymeren
- Füllstoffe: Graphit, Aluminiumoxid, BN erhöhen λ deutlich
- Orientierung: Anisotropie bei orientierten Polymeren
- Porosität: Schäume haben sehr niedrige λ-Werte
Anwendungsbereiche
- Wärmedämmung: Gebäudeisolierung, Kühltechnik
- Wärmemanagement: LED-Kühlkörper, Elektronikgehäuse
- Thermisch leitfähige Compounds: Motorenteile, Batteriegehäuse
- Verarbeitungssimulation: Spritzgießsimulation