Gerade die Elektroautos und Hybridfahrzeuge stellen besonders hohe Anforderungen an den Kabelsatz und die Leitungen, die mit den bisher üblichen Bordnetzen nur eingeschränkt vergleichbar sind. So müssen diese Kabel bedingt durch Hochspannungen bis zu 1000 Volt und entsprechend hohe Ströme deutlich stärkere Temperaturen aushalten als ihre Vorgänger. BASF Polyurethanes hat für eine robuste Kabelummantelung das Sortiment der thermoplastischen Polyurethane (TPU) um das Elastollan 785 A 10 HPM (high performance material) ergänzt. 

Inhalt des Fachartikels

• Kabelummantelung wächst mit den Anforderungen
• Automobilhersteller heben Messlatte an
  • Normvorgaben weit übertroffen
• TPU im Einsatz bei führenden Kabelherstellern
  • Die TPU-Kabel-Zukunft

Um den verschärften Anforderungen an Automobilkabel für Elektroautos und Hybridantriebe zu genügen, mussten die Forscher in Lemförde sowohl ein neues TPU-Herstellverfahren entwickeln als auch bei der Auswahl der Grundstoffe und Stabilisatoren auf bewährte Materialien höherer Qualität zurückgreifen. Auf diese Weise gelang es ihnen, einen guten Aufbau der Polymerstruktur in Kombination mit einer sehr wirksamen Beständigkeit gegen äußere Einflüsse zu erzielen.

Kabelummantelung wächst mit den Anforderungen

Seit vielen Jahren schon leisten Produkte der Elastollan 11er-Reihe als Kabelummantelung für Kabel und Steckverbindungen im Automobil gute Dienste, unter anderem bei Leitungen für das ABS- und das ESP-System. Im Markt bekannte Typen sind zum Beispiel 1185 A 10, 1185 A 10 M und 1195 A 10. Die flexiblen Werkstoffe sind mechanisch hoch belastbar, vibrationsfest, abriebfest sowie chemikalienbeständig und garantieren eine hohe Funktionssicherheit. Dank dieser Eigenschaften konnten sie sich insbesondere im achsnahen Bereich, in Radkästen sowie im Motorraum und in getriebenahen Bauräumen durchsetzen. Auch bei Batterieleitungen schätzen Konstrukteure das TPU, das bei Bedarf in halogenfrei flammwidriger Ausführung geliefert wird.

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Mit dem Elastollan 785 A 10 HPM steht dieses für die Ummantelung von Automobilkabeln optimierte Leistungsspektrum nun auch für die hohen Temperaturen im Elektro-/Hybridauto zur Verfügung. Neben der im Vergleich zu den Produkten der 11er-Reihe wesentlich besseren Temperaturbeständigkeit zeichnet sich das TPU durch einen deutlich niedrigeren Druckverformungsrest aus – bei ansonsten ähnlichen mechanischen Eigenschaften.

Automobilhersteller heben Messlatte an

Dem Trend zum Elektro- oder Hybridfahrzeug folgend, aber auch wegen der beim klassischen Fahrzeug mit Otto- oder Dieselmotor immer höheren Temperaturen haben sich die deutschen Automobilhersteller auf die Anwendung der Temperaturklasse D der deutschen Norm LV 112 geeinigt. Sie schreibt ein Bestehen des für Kabel üblichen Wickeltests noch nach 3000 h Heißluftalterung bei 150 °C vor. Nach der bisher geforderten Temperaturklasse C der ISO 6722 genügte es je nach Bauraum, wenn die Kabelummantelungen einer Heißluftalterung bei 125 °C über 3000 h hinweg standhielten.

Gegenüber der ISO 6722 bringt die mittlerweile überwiegend angewandte LV 112 darüber hinaus Verschärfungen bezüglich der Hydrolysebeständigkeit bei hohen Temperaturen. Begnügt sich die ISO 6722 mit 1000 Stunden bei 85 °C und 85 % relativer Feuchte, fordert die LV 112 auch hier eine Standzeit von 3000 h.

Polymerspezifische Lösungen für die E-Mobilität

Die übrigen Voraussetzungen für Kabelummantelungen sind in beiden Regelwerken weitgehend identisch geregelt und bei den hierfür angeboten Materialien heute Standard. Dazu gehören Unempfindlichkeit gegen Kälte, Medienbeständigkeit und Hemmung des Pilzwachstums sowie Kompatibilität mit weiteren im Kabelsatz befindlichen Materialien wie Klebebändern, Schrumpfschläuchen und Steckern.

Das Elastollan 785 A 10 HPM erfüllt die Anforderungen der Temperaturklasse D sowie die verschärften Vorschriften der LV 112 für die Hydrolysebeständigkeit. Alternative Kunststoffe, die in dieser Hinsicht eine vergleichbare Leistungsfähigkeit zeigen, sind entweder erheblich teurer, weil sie aus noch höheren Temperaturklassen kommen, oder aufwändiger und damit kostenintensiver in der Verarbeitung. Letzteres gilt insbesondere für vernetzte Werkstoffe, die außerdem die Nachteile haben, dass sie nicht recyclebar sind und beim Anspritzen von Steckern und Tüllen Probleme mit der Wasserdichtigkeit bereiten.

Normvorgaben weit übertroffen

In Langzeitversuchen in heißer Luft von 150 °C behält das Elastollan 785 A 10 HPM seine hohe Festigkeit auch nach 3000 h bei 150 °C noch weitgehend bei. Die Reißdehnung fällt nach dieser Zeit zwar auf 200 % ab, liegt aber noch weit über dem von der LV 112 geforderten Wert. Zum Bestehen des hier vorgeschriebenen Kabeltests genügt eine Reißdehnung von etwa 50 %.

Auch nach der ebenfalls von der LV 112 geforderten Alterung über 240 h bei 175 °C und selbst nach 6 h bei 200 °C liegt die Reißdehnung des Elastollan 785 A 10 HPM mit 610 bzw. 530 % noch weit auf der sicheren Seite. Die Zugfestigkeit fällt bei den höheren Temperaturen im Vergleich dazu viel stärker ab. Für Kabelanwendungen ist dies allerdings weniger relevant, da die Festigkeit des Kabels durch die Leitermaterialien und die Schirmung bestimmt wird.

Bei Lagerung in heißer Luft von 85 °C mit einer relativen Feuchte von 85 % steigt die Reißdehnung des Materials über den Zeitraum von 3000 h hinweg sogar von 690 auf 840 % an. Die Restfestigkeit beträgt nach dieser Langzeitbelastung immerhin noch 20 MP.

TPU im Einsatz bei führenden Kabelherstellern

Bei führenden Automobil Kabelherstellern laufen derzeit Kundenversuche mit der neuen Kabelummantelung und in vielen Fällen steht dessen Spezifizierung und Qualifizierung für Hochtemperatur-Kabelanwendungen kurz bevor. Für Kabelhersteller ist das Verhalten im Wickeltest ausschlaggebend. Dazu wickeln sie ein fertiges Kabel nach Heißluftalterung bzw. Lagerung in heißer, feuchter Luft um einen Dorn mit etwa dem Kabeldurchmesser. Der Test gilt als bestanden, wenn das Kabel keine Risse, keine Deformationen, keine Verklebungen und auch keine zu großen Farbveränderungen zeigt. Die im Labor der BASF Polyurethanes an S2-Normprüfstäben ermittelten Daten werden durch die Praxistests in ihren Aussagen vollständig bestätigt.

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Im Anschluss an den Wickeltest führen die Kabelhersteller zudem elektrische Tests durch. Dabei muss der spezifische Durchgangswiderstand der Isolation in ein prozentigem Salzwasser noch mindestens 10⁹ W·m betragen. Schließlich wird eine Minute lang eine Spannung von 1000 V (oder 5000 V bei größeren Querschnitten) angelegt, wobei kein Durchschlag auftreten darf. Auch diesen Tests hält das Elastollan 785 A 10 HPM selbst nach 3000 h Heißluftalterung bei 150 °C oder 3000 h bei 85 °C und 85 % relativer Feuchte stand.

Die TPU-Kabel-Zukunft

Neben dem „weichen“ Elastollan 785 A 10 HPM mit einer Shore A-Härte von 85 bietet BASF Polyurethanes auch das deutlich härtere Elastollan 754 D 15 HPM (Shore D-Härte 53) an. Im Unterschied zu dem weicheren Produkt, das für größere Wanddicken empfohlen wird, wie sie bei Mantel- oder Batterieleitungen auftreten, eignet sich das Elastollan 754 D 15 HPM für sehr dünne Aderisolationen. Derzeit erreicht dieses Produkt zwar die von der ISO 6722 geforderte Beständigkeit in feuchter Wärme über 1000 h, muss aber bei den 3000 h nach der strengeren LV 112 noch passen. Die Wissenschaftler im Labor arbeiten daran, das baldmöglichst zu beheben.

Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bilden bei Bedarf auch halogenfreie, flammwidrige Einstellungen der HPM-Familie. Bereits verfügbar sind Farbmasterbatche und Metalldesaktivator-Masterbatche, die eine anwendungsspezifische Einstellung der Materialien ermöglichen.

Elektroautos stellen übrigens nicht nur einen wichtigen Markt für die neue HPM-Familie dar, sondern eröffnen auch der bestehenden 11er-Reihe eine vielversprechende TPU-Kabel-Zukunft. Als Ummantelungen der Ladekabel werden die flammwidrigen Produkte dieser Reihe eine weitere wichtige Rolle bei der Sicherstellung der Elektromobilität spielen.