Kriechstromfestes Polyamid für Steckverbinder

Jenseits des CTI-Index: Kuraray misst bei einem Polyamid eine Kriechstromfestigkeit bis 925 V. Damit sind kleinere Hochvolt-Steckverbinder möglich.

Für die Entwicklung von Hochvolt-Elektrofahrzeugen werden für Steckverbinder Isolationsmaterialien wie Polyamide mit immenser Kriechstromfestigkeit benötigt. Um die Isolationsfestigkeit der Oberfläche von Materialien zu bestimmen, hat sich in der Industrie der CTI-Index etabliert.

Ein Problem dabei: Mit dem standardisierten Messverfahren lässt sich bisher nur die Kriechstromfestigkeit von Isolationswerkstoffen bis zu einer Spannung von 600 V bestimmen. Für viele Anwendungen in der Elektromobilität reicht das heute nicht mehr aus.

Um die Isolationsfestigkeit der Oberfläche seines Hochleistungspolyamids Genestar PA9T zu messen, hat Kuraray, ein japanischer Spezialchemie-Hersteller mit Europasitz in Hattersheim, die Methodik angepasst. Damit lassen sich Materialien mit Spannungen bis zu 1.000 V testen. In den Messungen zeigte Genestar PA9T eine Kriechstromfestigkeit bei Spannungen bis zu 925 V. Das bedeutet: Mit diesem Material lassen sich kleinere und damit leichtere Steckverbinder für Anwendungen mit hoher Spannung herstellen.

„Genestar PA9T bietet sehr gute elektrische und mechanische Eigenschaften sowie  seine sehr hohe Hitzebeständigkeit und Dimensionsstabilität. Damit eignet sich dieses Polyamid für zahlreiche Anwendungen in der Elektronik- und Automobilindustrie – zum Beispiel für hochwertige SMT-Steckverbinder“, sagt Andreas Weinmann, Business Development Manager für Genestar bei Kuraray. „Unsere neuesten Messungen bestätigen jetzt, dass die Oberfläche des Materials eine weit höhere Isolationsfestigkeit bietet, als sich nach den Standards des CTI-Index derzeit messen lässt.“

Der CTI-Index sagt aus, bis zu welcher Spannung das zu testende Material auf der feuchten Oberfläche keinen Strom führt. Bisher ist die Methode auf Spannungen bis 600 Volt limitiert. Zum Vergleich: Motoren und Batterien moderner Elektrofahrzeuge arbeiten oft mit einer Spannung bis zu 800 V.

Andreas Weinmann: „Um die Grenzen von Genestar PA9T auszuloten, hat unser Forschungsteam nach einer Möglichkeit gesucht, die Kriechstromfestigkeit auch über das bisherige Limit hinaus zu bestimmen. Entscheidend dabei war der Versuchsaufbau.“

Für die Messung des CTI-Index werden auf dem geätzten Testmaterial zwei Platin-Elektroden mit 4 mm Abstand aufgesetzt – und anschließend mit einer zeitlichen Differenz von jeweils 30 Sekunden 50 Tropfen genormte Elektrolytlösung zwischen die unter Spannung stehenden Elektroden getropft. Übersteigt dabei der gemessene Kriechstrom einen Wert von 0,5 A, ist die Isolationsfestigkeit an der feuchten Oberfläche des Materials laut der in der IEC-Norm 60112 definierten Methodik nicht mehr gegeben.

Bei seinen Messreihen mit Genestar PA9T beobachtete das Forschungsteam von Kuraray, dass es aufgrund der geringen Entfernung der Elektroden bei höheren Spannungen frühzeitig zu Entladungen über die Luft kommt. Die Vermutung daher: Der gemessene Kriechstrom entsteht nicht aufgrund der Leitfähigkeit des Materials, sondern über Lichtbögen.

Um diese vorzeitige Entladung über die Luft zu vermeiden, drehen die Forscher die Platin-Elektroden um 180 °. „Mit dem angepassten Versuchsaufbau konnte unser Team Messungen bis zu 1.000 Volt realisieren“, erläutert Weinmann. „Es hat mit der Methode verschiedenen Typen unseres Polyamids getestet und die Versuche mehrfach wiederholt. Dabei zeigte insbesondere der halogenfreie Polymertyp GP2300S mit einem 30-prozentigen Glasfaseranteil eine ausgezeichnete Isolationsfestigkeit: Erst bei einer Spannung von 925 Volt überstieg der gemessene Kriechstrom eine Stärke von 0,5 Ampere.“

Mit dieser immensen Kriechstromfestigkeit ermöglicht das hitzebeständige und robuste Polyamid PAT9 von Kuraray, den Kriechweg zwischen elektrischen Leitern zu verkürzen – und damit wesentlich kleinere und leichtere Steckverbindungen für Anwendungen mit hohen Spannungen herzustellen, etwa für Batterie- und Antriebstechnologie von Elektrofahrzeugen.

Noch ein weiteres Ergebnis zeigten die Messversuche: Die Ausrichtung der Glasfasern im Prüfling hat einen wesentlichen Einfluss auf die Kriechstromfestigkeit – je gleichmäßiger die Glasfasern in eine Richtung ausgerichtet sind, desto niedriger ist die Isolationsfestigkeit.

„Viele Einflussfaktoren, die auf die Messergebnisse einwirken, sind noch nicht geklärt. Und der angepasste Versuchsaufbau entspricht aktuell nicht den Vorgaben des CTI-Index“, sagt Weinmann. „Mit unseren Versuchen wollen wir einen Impuls in der Industrie setzen. Der CTI-Index wird den Anforderungen, die beispielsweise die Automobilindustrie stellt, heute nicht mehr gerecht. Unsere Ergebnisse sind ein Schritt, um ein neues Verfahren für die Kriechstrommessung bei höheren Spannungen zu etablieren. Beim Austausch mit Vertretern aus der Industrie haben wir bereits viele konstruktive Rückmeldungen erhalten, die wir gerne für weitere Untersuchungen aufnehmen.“

mg