Kunststofffolien für die elektrische Isolation: eine Übersicht
Elektrische Isolationsfolien sind in der modernen Elektrotechnik unverzichtbar. Sie dienen als dielektrische Barrieren, die spannungsführende Leiter zuverlässig voneinander trennen, Kurzschlüsse verhindern und die Miniaturisierung elektronischer Bauteile ermöglichen. Die Auswahl des richtigen Kunststoffs ist dabei von zentraler Bedeutung, da die Folie nicht nur ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften besitzen, sondern auch mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen standhalten muss. Die folgende Übersicht gliedert die wichtigsten Kunststoffarten nach ihrer Leistungsklasse und beleuchtet ihre spezifischen Anwendungen als Folien.
Standardkunststoffe: Die Allrounder für die Basis-Isolation
Diese Kunststoffe zeichnen sich durch ihre Kosteneffizienz und vielseitige Einsetzbarkeit aus, was sie zu den am häufigsten verwendeten Materialien für grundlegende Isolationsaufgaben macht. In dieser Gruppe finden sich viele Thermoplaste.
Polyvinylchlorid (PVC) ist einer der ältesten und kostengünstigsten Kunststoffe für Isolationszwecke. Es bietet eine gute dielektrische Festigkeit und ist widerstandsfähig gegen Feuchtigkeit, Öle und die meisten verdünnten Säuren und Laugen. Als Folie oder als extrudierter Mantel wird PVC häufig zur Isolierung von Kabeln und Drähten im Niederspannungsbereich verwendet, beispielsweise in der Haus- und Kfz-Elektrik. Seine hohe Beständigkeit gegenüber Wasser, Ölen und vielen Chemikalien macht es zu einem robusten Schutzmantel. PVC-Folien können auch als elektrische Isolierbänder eingesetzt werden und sind auf einfache Weise flammhemmend auszurüsten. PVC-Folien sind auch für den Ausseneinsatz (UV) geeignet. Allerdings sind PVC-Isolationsfolien nicht besonders druckstabil.
Polyethylen (PE)-Folien haben einen sehr geringen dielektrischen Verlustfaktor und eine niedrige Dielektrizitätskonstante, was sie ideal für Anwendungen im Hochfrequenzbereich macht. Sie finden sich als verlustarmes Dielektrikum in Koaxialkabeln, wo sie den Innenleiter vom Schirm trennen und so eine störungsfreie Signalübertragung gewährleisten. Insbesondere in Hochfrequenzanwendungen und Radartechnik sind die Folien aus PE unverzichtbar, da sie kaum Dämpfung verursachen. Auch als Umhüllung für Hochspannungskabel werden sie wegen ihrer exzellenten Feuchtigkeitsbeständigkeit und elektrischen Durchschlagsfestigkeit eingesetzt. In besonders günstigen Kondensatoren für den Niederspannungsbereich können PE-Folien als Dielektrikum bis maximal +85C eingesetzt werden.
Polypropylen (PP) hat die dielektrischen Eigenschaften von PE und ist zusätzlich beständig gegen höhere Temperaturen. Auch die chemische Beständigkeit gegenüber anorganischen Säuren und Laugen, Öle und organische Lösungsmittel. PP-Folien sind das Standardmaterial für die Herstellung von Filmkondensatoren (bis +105°C). In diesen Bauteilen werden dünnste PP-Folien (von weniger als 1 µm bis zu 12 µm oder mehr) zwischen metallisierten Schichten gewickelt. Der extrem niedrige dielektrische Verlust dieser Folie ermöglicht die Fertigung von Kondensatoren, die auch bei hohen Frequenzen und großen Strömen nur minimale Energie in Wärme umwandeln. Sie finden breite Anwendung in der Leistungselektronik, Frequenzweichen von Lautsprechern und in der Filtertechnik.
Anmerkung: PTFE, unter anderem bekannt durch den Handelsnamen „Teflon®“ der Firma DuPont, ist ebenfalls ein sehr verlustarmer Isolationswerkstoff, der gerne in der Hochfrequenztechnik eingesetzt wird. Die Temperaturbeständigkeit ist signifikant höher als bei PE und PP. Allerdings gehört PTFE zu den Fluor-Polymeren und unterliegt derzeit einer Prüfung im Rahmen des PFAS-Verbots.
Technische Kunststoffe: Die Brücke zu höheren Ansprüchen
Diese Materialien übertreffen die Standardthermoplaste in puncto Temperaturbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und Dimensionsstabilität und sind für anspruchsvollere Anwendungen konzipiert.
Polyethylenterephthalat (PET), auch bekannt z.B. unter dem Markennamen Mylar®, ist der wohl bekannteste technische Kunststoff für die Folienherstellung. PET-Folien vereinen eine hohe mechanische Festigkeit mit guten dielektrischen Eigenschaften und – aufgrund der Massenfertigung – einem günstigen Preis. Ihre hohe Zugfestigkeit und Dimensionsstabilität machen sie zur idealen Phasen- und Slot-Isolation in Elektromotoren und Generatoren (häufig als Laminat mit z.B. Nomex®). Sie werden auch als Zwischenlagenisolierung in Transformatoren und für die Ummantelung von Spulen verwendet, wo sie zuverlässig Wicklungen voneinander trennen. PET-Folien werden üblicherweise bis Wärmeklasse B (130°C) eingesetzt.
Polycarbonat (PC)-Folien zeichnen sich durch ihre herausragende Schlagzähigkeit und Transparenz aus, was jedoch für die Isolation weniger relevant ist. Entscheidend sind hier die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und die Dimensionsstabilität bei erhöhten Temperaturen. PC-Folien werden aufgrund ihres relativ hohen Preises jedoch nur selten ausschließlich wegen ihrer elektrischen Eigenschaften eingesetzt.
Polyamide (PA)-Folien werden ebenfalls für elektrische Isolationen verwendet, die u.a. eine hohe Abriebfestigkeit und Beständigkeit gegenüber Ölen und Lösungsmitteln erfordern. PA-Folien können zur Isolierung von Spulen und Kabelbäumen verwendet werden, insbesondere in Anwendungen, in denen die Folie rauen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist und die kurzzeitige Temperaturreserve bis 180°C vorteilhaft ist. Ein wesentlicher Nachteil ist die Neigung, Wasser aus der Umgebung aufzunehmen. Auch deswegen werden Polyamid-Folien eher selten als elektrische Isolation eingesetzt
Polyethylennaphthalat (PEN)-Folien werden in der Elektrotechnik als Isolationsmaterial eingesetzt, das eine höhere thermische und mechanische Leistung als herkömmliche PET-Folien bietet. Die wesentlichen Vorteile von PEN-Folien sind ihre höhere Wärmebeständigkeit, die Betriebstemperaturen von bis zu 155 °C oder sogar 180 °C (Klasse F bzw. H) ermöglicht. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine verbesserte Hydrolysebeständigkeit und höhere Festigkeit bei erhöhten Temperaturen aus. Diese Eigenschaften machen PEN-Folien ideal für anspruchsvolle Anwendungen in der elektrischen Isolation, wie z.B. in Elektromotoren, Generatoren und Transformatoren, die unter höheren Temperaturen und mechanischer Belastung bzw. Feuchteeinfluß arbeiten.
Hochleistungskunststoffe: Für extreme Anforderungen
Diese Kunststoffe sind für ihre außergewöhnliche thermische Stabilität, chemische Inertheit und mechanische Widerstandsfähigkeit bekannt, die in herkömmlichen Materialien nicht zu finden sind.
Polyimide (PI), wie Kapton®, sind die unangefochtenen Spitzenreiter in der Hochtemperaturisolation. PI-Folien halten Dauerbetriebstemperaturen von über 200 °C (kurzfristig bis 450°C) stand und sind beständig gegen Strahlung (allerdings nicht UV-beständig) und die meisten Chemikalien. Ihre Flexibilität und geringe Dicke machen sie zum unverzichtbaren Material für Flexible Printed Circuits (FPC), die in modernen Smartphones, Kameras und Flachbildschirmen für die Verbindung von Komponenten verwendet werden. In der Luft- und Raumfahrt werden sie zur Isolation von Satelliten und Raumfahrzeugen eingesetzt, wo sie extremen Temperaturschwankungen standhalten müssen. Auch in der Elektromobilität findet man häufig Polyimidfolien, zum Beispiel als Isolation von Busbars oder in Batterypacks. Als international genormtes Folienmaterial (IEC 60674) werden Polyimid-Folien und Polyimid-Klebebänder immer dann eingesetzt, wenn eine ausreichende Leistungsreserve selbst im Störfall erreicht werden soll oder eine besonders lange Lebensdauer auch bei Vollast-Betrieb benötigt wird. Eine weitere Anwendung ist der Einsatz als Isolation von Kabeln und Litzen bei gleichzeitig hohen Einsatztemperaturen oder chemisch aggressiven Umgebungen.
Polyphenylensulfid (PPS, PPSU) ist ein Hochleistungskunststoff mit ausgezeichneter chemischer und thermischer Beständigkeit, der auch in aggressiven Umgebungen zuverlässig funktioniert. PPS-Folien werden als Isolierung für Motoren und Sensoren in der Automobilindustrie und in der chemischen Industrie verwendet, wo sie Beständigkeit gegen Kraftstoffe und Lösungsmittel bieten müssen. Eine Hauptanwendung von PPS-Folien ist in Folienkondensatoren, da PPS sehr dünn hergestellt werden kann, eine gute Temperaturbeständigkeit und Spannungsfestigkeit aufweist. Weitere Anwendungen sind in Brennstoffzellen als elektrische Isolation und Medienbarriere, da PPS hochgradig hydrolysestabil ist.
Polyetheretherketon (PEEK) ist als thermoplastischer Kunststoff bekannt für seine hervorragend hohe mechanische Abriebfestigkeit und Kriechbeständigkeit selbst bei hohen Temperaturen. PEEK-Folien finden in der Luftfahrt, Medizintechnik und Kernenergie Anwendung. In medizinischen Geräten werden sie zur Isolierung verwendet, die Sterilisationsprozesse mit Dampf oder Heißwasser aushalten muss (Hydrolysebeständigkeit). Die Strahlungsbeständigkeit macht PEEK genauso wie PI ideal für die Isolation von Kabeln und Bauteilen in strahlungsintensiven Umgebungen (allerdings nicht UV-beständig).
Polyethersulfon (PES)- und Polyamidimid (PAI)-Folien sind weitere Vertreter der Hochleistungskunststoffe, die ebenfalls hohe Dauerbetriebstemperaturen und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. PAI-Folien werden oft für Anwendungen gewählt, die eine hohe Steifigkeit und Abriebfestigkeit bei erhöhten Temperaturen erfordern, wie zum Beispiel die Isolation in Motoren, die unter hoher Last laufen. Das Verwendungsspektrum dieser Folien ist aufgrund des Preises und der Verfügbarkeit eingeschränkt und auf Anwendungen beschränkt, in denen man spezifische Eigenschaften dieser Folien-Kunststoffe benötigt.
Die internationale Norm für Folien in der Elektrotechnik ist die IEC 60674 (Isolierfolien für elektrotechnische Zwecke). In Teil 1 werden die Begriffe und allgemeine Anforderungen an solche Folien behandelt, in Teil 2 die Prüfverfahren und in den einzelnen Blättern des Teil 3 die unterschiedlichen Materialien. (z.B. IEC 60674-3-4: Polyimid-Folien zur elektrischen Isolierung). Die Erfassung einer bestimmten Kunststoffklasse in einem Teil 3 der IEC 60674 hat den Vorteil, dass die Mindestanforderungen an eine solche Folie bereits festgelegt sind und als Grundlage für den Einkauf und die Konstruktion genutzt werden kann.