Polymer-PTC-Heizungen für Behälter und Leitungen in Autos
Projektleiter: Dr. Mario Schrödner
Projektnummer: BMWi / INNO-KOM - 49MF180144
Laufzeit: 01.02.2019 bis 31.07.2021
Aufgabenstellung
Ziel des Projekts war die Entwicklung von maßgeschneiderten Polymerwerkstoffen für verschiedene Heizanwendungen im Automobil. Hierfür sollten leitfähige Polymerkomposite aus einem Matrixpolymer und einem Leitfähigkeitsadditiv durch Extrusion in einem Doppelschneckenextruder hergestellt und charakterisiert werden. Neben einer hohen Leitfähigkeit wurde ein möglichst großer PTC-Effekt (positive temperature coefficient) angestrebt, der eine signifikante Widerstandszunahme bei Erwärmung und damit eine selbsttätige Abregelung von Heizstrom und Heizleistung bewirkt. Zusätzlich soll ein ausgewogenes Verhältnis von mechanischen, thermischen, Verarbeitungs- und Beständigkeitseigenschaften erreicht werden.
Ergebnisse
Im Ergebnis der Projektforschung konnten mehrere hochleitfähige Polymerkomposite mit Ruß als Leitfähigkeitsadditiv und Polyethylen (HDPE), Polypropylen (PP) und Polyamid (PA) als Matrixpolymere realisiert werden, mit denen ein Bereich des spezifischen Widerstands von 4 Ω cm bis 1000 Ω cm abgedeckt werden kann. Die Zunahme des Widerstands mit Temperaturerhöhung von 20°C auf 80°C beträgt bis zum Fünffachen des Ausgangswiderstands (PTC-Effekt). Thermoplastisch verarbeitet zu Rohren oder Spritzgusskörpern, werden Heizanwendungen ermöglicht, bei denen mit kleinen Spannungen Flüssigkeiten aufgeheizt, aufgetaut oder vor dem Einfrieren bewahrt werden können, wie z.B. Harnstofflösung für die Abgasnachbehandlung (AdBlue) oder Scheibenwaschwasser. Darüber hinaus können die Kunststoffheizungen im Elektromobil auch für Batterieheizungen oder Flächenheizungen in der Fahrgastzelle verwendet werden.
Die wesentlichen Vorteile der polymeren PTC-Materialien für Heizanwendungen im Vergleich zu konventionellen elektrischen Heizungen resultieren aus der Möglichkeit der thermoplastischen Verarbeitung und damit der freien Formgebung, der Selbstregulierung der Temperatur aufgrund des PTC-Effekts einschließlich des Schutzes vor Überhitzung, dem geringen Gewicht und der potenziell kostengünstigen Herstellung.
Anwendung
Bevorzugtes Anwendungsgebiet der PTC-Materialien ist der Automobilzulieferbereich mit Komponenten für das thermische Management im Fahrzeug. Insbesondere im Winter müssen Fluidsysteme, die Betriebsstoffe in flüssiger Form bereitstellen, aufgetaut bzw. vor dem Einfrieren bewahrt werden. Das betrifft z.B. Scheibenwaschwasser, AdBlue (Harnstofflösung) und Kühlwasser. Beim SCR-System (selective catalytic reduction) zum katalytischen Abbau der Stickoxide im Zuge der Abgasnachbehandlung müssen z.B. neben dem Flüssigkeitsbehälter mehrere Meter Leitung beheizt werden, da die Harnstofflösung bei - 11°C einfriert. Darüber hinaus können leitfähige Kunststoffteile z.B. für beheizbare Außenspiegel oder beheizbares Interieur, wie Lenkrad oder Mittelkonsole Verwendung finden. Effizient elektrisch beheizbare Innenräume sind insbesondere bei Automobilen mit Elektroantrieb eine zunehmende Herausforderung um die Batterie zu schonen.
