Carbon Black, Graphit, Kohlefaser oder CNT: Welche leitfähige Route passt zu Ihrem Kunststoffteil?
Praxisleitfaden zur Materialauswahl mit Vergleich von vier kohlenstoffbasierten leitfähigen Füllstoffrouten für Kunststoffteile: Carbon Black, Graphit, Kohlefaser und CNT. Entscheidend ist nicht der universell beste Füllstoff, sondern die passende Route für Widerstand, Harz, Geometrie, Oberfläche, Mechanik, Verarbeitung und Kosten.
FAQ zur Auswahl leitfähiger Füllstoffe
Carbon Black, Graphit, Kohlefaser oder CNT: Auswahl leitfähiger Füllstoffe
Ist Carbon Black immer die beste Route, weil es günstiger ist?
Nein. Carbon Black ist oft am günstigsten, doch hohe Füllgrade können Schlagzähigkeit, Dehnung, Fließfähigkeit und Oberfläche verschlechtern. Es passt für kostensensitive statisch dissipative Teile, wenn diese Kompromisse akzeptiert sind.
Wann sollte Kohlefaser gewählt werden?
Wenn das Teil gleichzeitig Leitfähigkeit und strukturelle Verstärkung benötigt und Faserstreifen, rauere Oberfläche sowie richtungsabhängiger Widerstand über Teil- und Anspritzdesign beherrscht werden können.
Warum kann CNT trotz hohem kg-Preis wirtschaftlich sein?
CNT benötigt geringe Dosierung, kann Fließfähigkeit, Glanz und Zähigkeit erhalten und Ausschuss bei Präzisionsteilen senken. Entscheidend ist der Preis pro akzeptiertem Teil, nicht nur pro kg.
Welche Daten braucht DEYU?
Widerstandsziel und Prüfmethode, Harz, Zeichnung, Wanddicke, Anspritzplan, mechanische Ziele, Oberfläche, Prozess, aktuelle Fehler, Volumen und Kostenziel.
Warum die Füllstoffauswahl zählt
Bei der Entwicklung leitfähiger Kunststoffe ist der leitfähige Füllstoff oft die eigentliche Entscheidung. Das Basisharz bestimmt Wärmebeständigkeit, Zähigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Formverhalten, doch die Füllstoffroute entscheidet, ob das fertige Teil den geforderten Oberflächen- oder Volumenwiderstand erreicht, ohne zu viel Schlagzähigkeit, Fließfähigkeit, Oberfläche oder Kostenkontrolle zu verlieren.
Carbon Black, Graphit, Kohlefaser und Kohlenstoffnanoröhren sind alle kohlenstoffbasierte leitfähige Füllstoffe, unterscheiden sich aber stark in Partikelform und Netzwerkverhalten. Eine günstige Schale, ein glänzendes Elektronikgehäuse, ein gleitendes Zahnrad und eine strukturelle EMI-Abschirmung folgen nicht derselben Logik.
| Filler type | Particle geometry | Aspect ratio | Typical percolation threshold (wt%) |
|---|---|---|---|
| Carbon black | 0D spherical / aggregate | Around 1 | 10-20% |
| Graphite | 2D platelet | 10-100 | 15-25% |
| Carbon fiber | 1D cylindrical fiber | 50-500 | 8-15% |
| CNT | 1D tubular network | 100-1,000+ | 1-5% |
Perkolationsschwelle und Partikelgeometrie
Leitfähiger Kunststoff wird nicht linear leitfähig. Wenn genug Füllstoffpartikel sich berühren, überlappen oder für Tunneling nahe genug sind, entsteht ein durchgehender Pfad. Dieser Punkt ist die Perkolationsschwelle. Eine niedrigere Schwelle erhält meist Zähigkeit, glatte Oberfläche und einfachere Verarbeitung besser, weil weniger Füllstoff nötig ist.
Die Geometrie erklärt den Großteil der Unterschiede. Carbon Black arbeitet über Aggregatketten und Elektronensprünge. Graphit über Plättchenkontakt. Kohlefaser bildet lange Faser-zu-Faser-Brücken, aber Flussausrichtung macht Leitfähigkeit richtungsabhängig. CNT kann bei niedriger Dosierung ein dreidimensionales Netzwerk bilden, verlangt aber gute Dispersion.
| Property | Carbon black | Graphite | Carbon fiber | CNT |
|---|---|---|---|---|
| Dimensionality | 0D | 2D | 1D | 1D |
| Aspect ratio | Around 1 | 10-100 | 50-500 | 100-1,000+ |
| Typical loading | 15-30% | 20-40% | 10-20% | 2-5% |
| Percolation threshold | 10-20% | 15-25% | 8-15% | 1-5% |
| Surface resistivity | 10^6-10^9 ohm/sq | 10^6-10^9 ohm/sq | 10^2-10^6 ohm/sq | 10^3-10^7 ohm/sq |
| Conductivity mechanism | Electron hopping / tunneling | Platelet face-to-face contact | Fiber-to-fiber contact | Three-dimensional nano-network |
| Anisotropy | Low | Moderate | High | Low to moderate |
| Tensile effect | Down 10-30% | Down 10-20% | Up 10-30% | Preserved or slight increase |
| Flexural effect | Up 30-50% | Slight increase | Up 200-300% | Moderate increase |
| Impact effect | Down 40-60% | Down 30-50% | Down 50-70% | Down 20-30% |
| Elongation effect | Down 70-90% | Down 50-70% | Down 90-95% | Down 40-60% |
| Color | Uniform black | Dark gray / black | Dark gray / black | Deep black |
| Surface gloss | 40-55 | 20-35 | 15-25 | 50-70 |
| Surface roughness | Moderate | Moderate | High | Low |
| Filler visibility | Low on textured parts | Moderate flakes | High fiber bundles | Very low nanoscale visibility |
| Flow reduction | Significant | Moderate | Most significant | Least significant |
| Drying requirement | Usually no | Usually no | Often 2-4 h depending on resin | Usually no; resin rules apply |
| Typical mold temperature | 40-60 C | 40-60 C | 60-80 C | 40-60 C |
| Relative cost | $ | $$ | $$$ | $$$$ |
| Cost per finished part | Low | Low to moderate | Moderate to high | Moderate when low loading reduces scrap |
Carbon Black: wirtschaftliche Standardroute
Carbon Black ist meist die erste Route für statisch dissipative und moderat leitfähige Kunststoffe. Es ist verfügbar, stabil, leicht zu beschaffen und wirtschaftlich für Trays, ESD-Verpackung, leitfähige Profile, Arbeitsflächen, Förderteile und viele schwarze Industriekomponenten.
Die Grenze ist die Dosierung. Für ein stabiles Netzwerk werden häufig 15-30% benötigt, abhängig von Struktur und Harz. Das kann Schlagzähigkeit, Dehnung und Schmelzfluss reduzieren. Bei Hochglanzgehäusen oder Dünnwandteilen kann Carbon Black den Widerstand erfüllen, aber Oberfläche oder Verarbeitung verfehlen.
Graphit: leitfähig und gleitfähig
Graphit ist nützlich, wenn Leitfähigkeit nur ein Teil der Aufgabe ist. Plättchengraphit kann Schmierwirkung, Verschleißverhalten und Wärmeleitfähigkeit beitragen und erscheint deshalb in Zahnrädern, Lagern, Gleitkontakten und mechanischen Komponenten.
Verglichen mit Kohlefaser und CNT liefert Graphit meist moderate elektrische Leistung. Es kann auch eine dunkelgraue oder metallische Oberfläche erzeugen. Für eine vorhandene Produktreferenz in einer graphit-leitfähigen ABS-Route siehe DGK-ABS DD3C graphite conductive ABS.
Kohlefaser: strukturelle leitfähige Verstärkung
Kohlefaser wird gewählt, wenn Leitfähigkeit und Verstärkung gleichzeitig gelöst werden müssen. Sie kann den Biegemodul stark erhöhen und Zugfestigkeit verbessern, was für EMI-Gehäuse, automotive strukturelle ESD-Teile, Luftfahrtvorrichtungen und tragende leitfähige Komponenten wertvoll ist.
Die Kompromisse sind Anisotropie, Oberfläche und Schlagzähigkeit. Fasern orientieren sich im Fluss, daher kann der Widerstand längs und quer unterschiedlich sein. Faserstreifen können auf glänzenden Oberflächen sichtbar sein und die Kerbschlagzähigkeit fällt oft deutlich. Eine Widerstandskarte am Realteil ist nötig.
CNT: Hochleistungsroute mit niedriger Dosierung
CNT ist die Premiumroute, wenn niedrige Dosierung, glatte Oberfläche, bessere Erhaltung der Schlagzähigkeit und Maßstabilität wichtig sind. Durch das sehr hohe Aspektverhältnis kann sich in vielen Systemen bei 2-5% ein leitfähiges Netzwerk bilden.
Der Kilopreis ist hoch und die Dispersion anspruchsvoll. In Präzisionsgehäusen, Medizinteilen, Sensoren, Aktoren und hochwertigen ESD-Komponenten kann CNT jedoch Ausschuss senken, Oberfläche erhalten und Fließfähigkeit besser bewahren als hochgefüllte Routen. Entscheidend ist oft der Preis pro Fertigteil.
DEYU Auswahlrahmen
DEYU trennt vor der Füllstoffwahl sechs Fragen: Widerstandsziel, mechanische Anforderung, Prozessgrenze, Oberflächenbild, Kostenmodell und Produktionsvalidierung. So wird vermieden, einen Füllstoff nur wegen Bekanntheit oder niedrigem Preis zu wählen.
| Decision step | Engineering question | Typical output |
|---|---|---|
| 1. Conductivity target | Surface resistance, volume resistivity, static dissipative or conductive? | Target range and test method |
| 2. Mechanical requirement | Impact, tensile, flexural modulus, elongation or wear? | Route that does not over-sacrifice key property |
| 3. Processing constraint | Injection, extrusion, wall thickness, flow length and gate plan? | Flow and anisotropy risk level |
| 4. Surface appearance | Textured black, high gloss, visible part or hidden part? | Acceptable filler visibility and roughness |
| 5. Cost model | Cost per kg or cost per accepted part? | Commercially realistic route |
| 6. Production validation | Can molded parts confirm resistance and defects? | Final material approval evidence |
| Trial parameter | Target / condition |
|---|---|
| Trial quantity | 300 housings across 5 molding cycles |
| Monthly production | 50,000 housings |
| Target surface resistivity | 10^6-10^8 ohm/sq |
| Target notched Izod impact | >6 kJ/m2 |
| Target surface gloss | >60 |
| Compound cost target | <8.00 USD/kg |
| Trial route | Surface resistivity | Impact (kJ/m2) | Gloss | Fiber streaks | Scrap rate | Cost (USD/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Existing 12% carbon fiber ABS | 3 x 10^6 ohm/sq | 4.8 | 22 | Yes | 6.5% | 7.80 |
| DEYU A: 18% carbon black ABS | 4 x 10^7 ohm/sq | 5.2 | 48 | No | 5.0% | 5.20 |
| DEYU B: 3% CNT ABS | 2 x 10^6 ohm/sq | 7.2 | 68 | No | 3.2% | 12.50 |
| DEYU C: carbon black 12% + carbon fiber 3% | 3 x 10^7 ohm/sq | 6.5 | 52 | No | 4.0% | 8.20 |
| Target | 10^6-10^8 ohm/sq | >6 | >60 | No | Lower is better | <8.00 |
Kundenszenario: Handgehäuse für elektronischen Tester
Ein Hersteller elektronischer Prüfgeräte entwickelte ein Handgehäuse. Benötigt wurden 10^6-10^8 ohm/sq Oberflächenwiderstand, mehr als 6 kJ/m2 Kerbschlagzähigkeit, eine glatte hochglänzende Displayzone und Compoundkosten unter etwa 8 USD/kg.
Der erste Versuch mit 12% Kohlefaser-ABS erreichte das Leitfähigkeitsziel, zeigte aber sichtbare Faserstreifen und nur 4.8 kJ/m2 Schlagzähigkeit. DEYU verglich Carbon-Black-ABS, CNT-ABS und eine Hybridroute aus Carbon Black plus Kohlefaser an gespritzten Gehäusen, nicht nur an Platten.
Wie DEYU das Ergebnis bewertete
Die CNT-Route lieferte die besten Oberflächen- und Schlagdaten, lag aber über dem Kostenziel. Carbon Black senkte die Kosten, verfehlte aber noch Schlagzähigkeit und Glanz. Die Hybridroute war der beste Ausgleich: Widerstand erreicht, Schlagzähigkeit über Schwelle, Faserstreifen entfernt und Kosten nahe genug für Produktionsverhandlung.
DEYU empfahl eine Produktionsvalidierung mit angepasster Anspritzposition und größerer Charge, weil auch ein ausgewogenes System bei anderer Fließlänge, Bindenähten und Nachdruck reagieren kann.
| Application | Recommended starting route | Reason |
|---|---|---|
| IC handling trays and packaging | Carbon black | Cost-effective and uniform black appearance |
| EMI shielding housings | Carbon fiber | Reinforcement plus high conductivity |
| Gears, bearings and sliding parts | Graphite | Lubricity, wear support and moderate conductivity |
| Medical device housings | CNT or hybrid | Surface finish, impact retention and low loading |
| Automotive under-hood parts | Carbon fiber in PA66 | Heat resistance plus mechanical strength |
| Conductive tubing and profiles | Carbon black | Good extrusion practicality and uniform output |
| Precision mechanical components | CNT or hybrid | Dimensional stability and low shrinkage |
| Consumer electronics housings | Hybrid or CNT | Surface appearance plus conductivity |
| ESD flooring and work surfaces | Carbon black | Large-area cost control |
Anwendungsfit nach Füllstoffroute
Gleiches Thema bedeutet nicht gleiche Antwort. Die Tabelle zeigt typische Startrouten; die finale Auswahl hängt weiter von Harz, Formverfahren und Prüfnorm ab.
Fazit
Carbon Black, Graphit, Kohlefaser und CNT sind keine austauschbaren Begriffe. Es sind unterschiedliche leitfähige Routen mit verschiedenen Perkolationsschwellen, Partikelgeometrien, Oberflächenverhalten, mechanischen Kompromissen, Prozessfenstern und Kostenlogiken.
Für kostensensitive dissipative Teile ist Carbon Black oft der Startpunkt. Für Gleit- oder Wärmefunktionen verdient Graphit Beachtung. Für strukturell leitfähige Teile ist Kohlefaser praktisch. Für glänzende oder präzise Komponenten kann CNT oder Hybrid richtig sein. DEYU kann diese Routen mit Harz, Zeichnung, Widerstandsziel, Mechanik und Validierungsplan des Kunden vergleichen.