Leggerezza, basso costo, elevata resistenza agli urti, modellabilità e personalizzazione stanno rapidamente guidando la domanda di materiali termoplastici, che aiutano a mantenere freddi i componenti elettronici, l'illuminazione e i motori delle automobili.#Poliolefine
I composti termicamente conduttivi di PolyOne sono utilizzati nelle applicazioni automobilistiche ed E/E, come illuminazione a LED, dissipatori di calore e involucri elettronici.
I prodotti PC termici Makrolon di Covestro includono qualità per lampade LED e dissipatori di calore.
I composti termicamente conduttivi di RTP possono essere utilizzati in alloggiamenti come scatole di batterie, nonché radiatori e componenti di dissipazione del calore più integrati.
Gli OEM dei settori elettrico/elettronico, automobilistico, dell'illuminazione, delle apparecchiature mediche e dei macchinari industriali sono appassionati da molti anni dei materiali termoplastici termicamente conduttivi perché sono alla ricerca di nuove soluzioni per applicazioni tra cui radiatori e altri dispositivi di dissipazione del calore, LED.Custodia e portabatteria.
La ricerca di settore mostra che questi materiali stanno crescendo a un ritmo a due cifre, spinti da nuove applicazioni come veicoli completamente elettrici, automobili complesse e componenti di illuminazione a LED commerciali di grandi dimensioni.Le plastiche termicamente conduttive rappresentano una sfida per i materiali più tradizionali, come i metalli (soprattutto l'alluminio) e la ceramica, perché presentano molti vantaggi: i composti plastici sono più leggeri, hanno un costo inferiore, sono facili da modellare, personalizzabili e possono fornire maggiori vantaggi in termini di stabilità termica. , Resistenza agli urti, resistenza ai graffi e resistenza all'abrasione.
Gli additivi che migliorano la conduttività termica includono grafite, grafene e riempitivi ceramici come nitruro di boro e allumina.Anche la tecnologia per utilizzarli sta avanzando e sta diventando sempre più conveniente.Un’altra tendenza è l’introduzione di resine tecniche a basso costo (come nylon 6 e 66 e PC) in composti termicamente conduttivi, che mette in concorrenza materiali costosi più comunemente usati come PPS, PSU e PEI.
Di cosa si tratta?Una fonte di RTP ha affermato: “La capacità di formare parti nette, ridurre il numero di parti e fasi di assemblaggio e ridurre peso e costi sono tutte forze trainanti per l’adozione di questi materiali”."Per alcune applicazioni, come quadri elettrici e sovrastampaggio di componenti, la capacità di trasferire calore quando diventa un isolatore elettrico è al centro dell'attenzione."
Dalia Naamani-Goldman, Responsabile del marketing per i trasporti elettronici ed elettrici della divisione Materiali funzionali di BASF, ha aggiunto: “La conduttività termica sta rapidamente diventando una questione di crescente preoccupazione per i produttori di componenti elettronici e gli OEM automobilistici.A causa dei progressi tecnologici e dei vincoli di spazio, le applicazioni sono miniaturizzate e quindi termiche. L'accumulo e la diffusione di energia sono diventati al centro dell'attenzione.Se l’ingombro del componente è limitato, è difficile aggiungere un dissipatore di calore in metallo o inserire un componente metallico”.
Naamani-Goldman ha spiegato che le applicazioni a voltaggio più elevato stanno penetrando nelle automobili e anche la domanda di potenza di elaborazione è in crescita.Nei pacchi batteria dei veicoli elettrici, l’uso del metallo per disperdere e dissipare il calore aumenta il peso, il che è una scelta impopolare.Inoltre, le parti metalliche che funzionano ad alta potenza possono causare pericolose scosse elettriche.La resina plastica termicamente conduttiva ma non conduttiva consente tensioni più elevate mantenendo la sicurezza elettrica.
L'ingegnere di sviluppo sul campo di Celanese James Miller (predecessore di Cool Polymers acquisita da Celanese nel 2014) ha affermato che i componenti elettrici ed elettronici, in particolare i componenti elettrici ed elettronici nei veicoli elettrici, sono cresciuti con lo spazio dei componenti che diventa sempre più affollato e continua a ridursi.“Un fattore che limita la riduzione delle dimensioni di questi componenti è la loro capacità di gestione termica.I miglioramenti nelle opzioni di imballaggio termicamente conduttivo rendono i dispositivi più piccoli e più efficienti”.
Miller ha sottolineato che nelle apparecchiature elettroniche di potenza, la plastica termicamente conduttiva può essere sovrastampata o confezionata, una scelta di design non disponibile nei metalli o nella ceramica.Per i dispositivi medici che generano calore (come dispositivi medici con telecamere o componenti di cauterizzazione), la flessibilità di progettazione della plastica termoconduttiva consente imballaggi funzionali più leggeri.
Jean-Paul Scheepens, direttore generale del business dei materiali tecnici speciali di PolyOne, ha sottolineato che i settori automobilistico ed E/E hanno la maggiore domanda di composti termicamente conduttivi.Ha affermato che questi prodotti possono soddisfare una varietà di esigenze dei clienti e dell'industria, inclusa una maggiore libertà di progettazione, consentendo la progettazione. L'aumento della superficie può migliorare la stabilità termica.I polimeri termicamente conduttivi forniscono anche opzioni più leggere e consolidamento delle parti, come l’integrazione di dissipatori di calore e alloggiamenti nello stesso componente, e la capacità di creare un sistema di gestione termica più unificato.Un altro fattore positivo è la buona efficienza economica del processo di stampaggio a iniezione."
Joel Matsco, senior marketing manager per il policarbonato presso Covestro, ritiene che le plastiche termicamente conduttive siano principalmente focalizzate sulle applicazioni automobilistiche.“Con un vantaggio in termini di densità di circa il 50%, possono ridurre significativamente il peso.Questo può essere esteso anche ai veicoli elettrici.Molti moduli batteria utilizzano ancora il metallo per la gestione termica e, poiché la maggior parte dei moduli utilizza molte strutture ripetitive all’interno, sfruttano la conduttività termica. Il peso risparmiato sostituendo i metalli con i polimeri è aumentato rapidamente”.
Covestro vede anche una tendenza verso l’alleggerimento dei grandi componenti di illuminazione commerciale.Matsco sottolinea: "Le luci a sospensione da 35 libbre invece che da 70 libbre richiedono meno struttura e per gli installatori sono più facili da trasportare sui ponteggi".Covestro dispone anche di progetti di contenitori elettronici come i router, in cui le parti in plastica fungono da contenitori e forniscono la gestione del calore.Matsco ha affermato: “In tutti i mercati, a seconda del design, possiamo anche ridurre i costi fino al 20%”.
Sheepens di PolyOne ha affermato che le applicazioni chiave della sua tecnologia di conducibilità termica nel settore automobilistico ed E/E includono illuminazione a LED, dissipatori di calore e chassis elettronici, come schede madri, box inverter e applicazioni di gestione/sicurezza dell'alimentazione.Allo stesso modo, le fonti RTP vedono i suoi composti termicamente conduttivi utilizzati in alloggiamenti e dissipatori di calore, nonché in componenti di dissipazione del calore più integrati in apparecchiature industriali, mediche o elettroniche.
Matsco di Covestro ha affermato che l'applicazione principale dell'illuminazione commerciale è la sostituzione dei radiatori metallici.Allo stesso modo, anche la gestione termica delle applicazioni di rete di fascia alta sta crescendo nei router e nelle stazioni base.Naamani-Goldman di BASF ha specificatamente sottolineato che i componenti elettronici includono sbarre collettrici, scatole di giunzione e connettori ad alta tensione, isolanti per motori e telecamere per la visione anteriore e posteriore.
Miller di Celanese ha affermato che le plastiche termicamente conduttive hanno fatto grandi passi avanti nel fornire flessibilità di progettazione 3D per soddisfare i requisiti di gestione termica più elevati per l'illuminazione a LED.Ha aggiunto: “Nell’illuminazione automobilistica, il nostro polimero termicamente conduttivo (TCP) CoolPoly consente l’uso di alloggiamenti per luci sospese a profilo sottile e radiatori sostitutivi in ​​alluminio per i fari esterni”.
Miller di Celanese ha affermato che CoolPoly TCP fornisce una soluzione per il crescente head-up display (HUD) automobilistico: a causa dello spazio limitato sul cruscotto, del flusso d'aria e del calore, questa applicazione richiede una maggiore dissipazione del calore rispetto all'illuminazione uniforme.La luce del sole splende su questa posizione dell'auto."Il peso della plastica termoconduttiva è più leggero dell'alluminio, il che può ridurre l'impatto di urti e vibrazioni su questa parte del veicolo, che potrebbero causare distorsioni dell'immagine."
Nel caso della batteria, Celanese ha trovato una soluzione innovativa attraverso la serie CoolPoly TCP D, che può fornire conduttività termica senza conduttività elettrica, soddisfacendo così requisiti di qualità dell'applicazione relativamente severi.A volte, il materiale di rinforzo nella plastica termicamente conduttiva ne limita l'allungamento, quindi gli esperti di materiali Celanese hanno sviluppato un CoolPoly TCP a base di nylon, che è più resistente del grado tipico (resistenza alla flessione di 100 MPa, modulo di flessione 14 GPa, 9 kJ / m2 impatto Charpy notch) senza sacrificare la conduttività termica o la densità.
CoolPoly TCP offre flessibilità nella progettazione della convezione e può soddisfare i requisiti di trasferimento del calore di molte applicazioni che storicamente utilizzavano l'alluminio.Il vantaggio dello stampaggio a iniezione è che le pressofusioni di alluminio consumano un terzo dell'energia dell'alluminio e la durata viene prolungata di sei volte.
Secondo Matsco di Covestro, nel settore automobilistico, l'applicazione principale è la sostituzione dei radiatori nei moduli dei fari, nei moduli dei fendinebbia e nei moduli delle luci posteriori.Dissipatori di calore per funzioni di abbaglianti e anabbaglianti a LED, tubi luminosi e guide luminose a LED, luci di marcia diurna (DRL) e indicatori di direzione sono tutte potenziali applicazioni.
Matsco ha sottolineato: “Una delle principali forze trainanti del PC termico Makrolon è la capacità di integrare direttamente la funzione di dissipatore di calore nei componenti di illuminazione (come riflettori, cornici e alloggiamenti), che si ottiene mediante stampaggio a iniezione multipla o due metodi dei componenti.“Attraverso il riflettore e il telaio solitamente realizzati in PC, è possibile notare una migliore adesione quando il PC termicamente conduttivo viene rimodellato su di esso per controllare il calore, riducendo così la necessità di fissare viti o adesivi.Richiesta.Ciò riduce il numero di parti, le operazioni ausiliarie e i costi complessivi a livello di sistema.Inoltre, nel campo dei veicoli elettrici, vediamo opportunità nella gestione termica e nella struttura di supporto dei moduli batteria”.
Anche Naamani-Goldman (Naamani-Goldman) di BASF ha affermato che i componenti del pacco batteria, come i separatori di batterie, sono molto promettenti nei veicoli elettrici."Le batterie agli ioni di litio generano molto calore, ma devono trovarsi in un ambiente costante a una temperatura di circa 65°C, altrimenti si degraderanno o si guastano."
Inizialmente, i composti plastici termicamente conduttivi erano basati su resine tecniche di fascia alta.Ma negli ultimi anni, le resine tecniche batch come nylon 6 e 66, PC e PBT hanno svolto un ruolo importante.Matsco di Covestro ha detto: “Tutto questo è stato trovato in natura.Tuttavia, per ragioni di costo, il mercato sembra concentrarsi principalmente su nylon e policarbonato”.
Scheepens ha affermato che, sebbene il PPS sia ancora utilizzato molto spesso, il nylon 6 e 66 e il PBT di PolyOne sono aumentati.
RTP ha affermato che nylon, PPS, PBT, PC e PP sono le resine più popolari, ma a seconda della sfida applicativa, è possibile utilizzare molti materiali termoplastici con prestazioni più elevate come PEI, PEEK e PPSU.Una fonte di RTP ha dichiarato: “Ad esempio, il dissipatore di calore di una lampada a LED può essere realizzato in materiale composito di nylon 66 per fornire una conduttività termica fino a 35 W/mK.Per le batterie chirurgiche che devono resistere a frequenti sterilizzazioni, è richiesto il PPSU.Proprietà di isolamento elettrico e riduzione dell'accumulo di umidità.
Naamani-Goldman ha affermato che BASF offre diversi composti termicamente conduttivi commerciali, compresi i gradi di nylon 6 e 66.“L’uso dei nostri materiali è stato messo in produzione in una varietà di applicazioni come alloggiamenti di motori e infrastrutture elettriche.Mentre continuiamo a determinare le esigenze dei clienti in termini di conducibilità termica, questa è un'area attiva di sviluppo.Molti clienti non sanno quale livello di conduttività necessitano, quindi i materiali devono essere personalizzati per applicazioni specifiche per essere efficaci”.
DSM Engineering Plastics ha recentemente lanciato Xytron G4080HR, un PPS rinforzato con fibra di vetro al 40% che ottimizza le prestazioni dei sistemi di gestione termica dei veicoli elettrici.È progettato con proprietà di invecchiamento termico, resistenza all'idrolisi, stabilità dimensionale, resistenza chimica alle alte temperature e ritardante di fiamma intrinseco.
Secondo i rapporti, questo materiale può mantenere una resistenza da 6.000 a 10.000 ore a una temperatura di esercizio continuo superiore a 130°C.Nel più recente test con acqua/glicole liquido di 3.000 ore a 135°C, la resistenza alla trazione di Xytron G4080HR è aumentata del 114% e l'allungamento a rottura è aumentato del 63% rispetto al prodotto equivalente.
RTP ha affermato che, in base ai requisiti dell'applicazione, è possibile utilizzare qualsiasi tipo di additivo per migliorare la conduttività termica e ha sottolineato: "Gli additivi più popolari continuano ad essere additivi come la grafite, ma stiamo esplorando nuove opzioni come il grafene o nuovi additivi ceramici..sistema."
Un esempio di quest’ultimo è stato avviato lo scorso anno da Martinswerk Div ​​​​di Huber Engineered Polymers.Secondo i rapporti, basati sull'allumina e sulle nuove tendenze di migrazione (come l'elettrificazione), le prestazioni degli additivi della serie Martoxid sono migliori rispetto ad altra allumina e altri riempitivi conduttivi.Martoxid viene potenziato controllando la distribuzione delle dimensioni delle particelle e la morfologia per fornire impaccamento e densità migliorati e un trattamento superficiale unico.Secondo i rapporti, può essere utilizzato con una quantità di riempimento superiore al 60% senza alterare le proprietà meccaniche o reologiche.Mostra un eccellente potenziale in PP, TPO, nylon 6 e 66, ABS, PC e LSR.
Matsco di Covestro ha affermato che sia la grafite che il grafene sono stati ampiamente utilizzati e ha sottolineato che la grafite ha un costo relativamente basso e una conduttività termica moderata, mentre il grafene di solito costa di più, ma presenta evidenti vantaggi di conduttività termica.Ha aggiunto: “Spesso c’è bisogno di materiali termicamente conduttivi ed elettricamente isolanti (TC/EI), ed è qui che sono comuni gli additivi come il nitruro di boro.Sfortunatamente, non ottieni nulla.In questo caso, il nitruro di boro fornisce l'isolamento elettrico migliorato, ma la conduttività termica ridotta.Inoltre, il costo del nitruro di boro può essere molto elevato, quindi TC/EI deve diventare un materiale a prestazione che deve urgentemente dimostrare un aumento dei costi.
Naamani-Goldman di BASF si esprime così: “La sfida è trovare un equilibrio tra conduttività termica e altri requisiti;per garantire che i materiali possano essere lavorati in modo efficiente in grandi quantità e che le proprietà meccaniche non diminuiscano troppo.Un’altra sfida è creare un sistema che possa essere adottato su vasta scala.Soluzione economicamente vantaggiosa."
Scheepens di PolyOne ritiene che sia i riempitivi a base di carbonio (grafite) che i riempitivi ceramici siano additivi promettenti che dovrebbero raggiungere la conduttività termica richiesta e bilanciare altre proprietà elettriche e meccaniche.
Miller di Celanese ha affermato che l'azienda ha esplorato una varietà di additivi che combinano la più ampia selezione del settore di resine di base integrate verticalmente per fornire ingredienti brevettati che aumentano la conduttività termica. L'intervallo è 0,4-40 W/mK.
Sembra in aumento anche la richiesta di composti conduttivi multifunzionali come conduttività termica ed elettrica o ritardanti termici e di fiamma.
Matsco di Covestro ha sottolineato che quando l'azienda ha lanciato i suoi PC Makrolon TC8030 e TC8060 termicamente conduttivi, i clienti hanno immediatamente iniziato a chiedere se potevano essere trasformati in materiali isolanti elettrici.“La soluzione non è così semplice.Tutto ciò che facciamo per migliorare l'EI avrà un impatto negativo sul TC.Ora offriamo il policarbonato Makrolon TC110 e stiamo sviluppando altre soluzioni per soddisfare questi requisiti”.
Naamani-Goldman di BASF ha affermato che diverse applicazioni richiedono conduttività termica e altre caratteristiche, come pacchi batteria e connettori ad alta tensione, che necessitano tutti di dissipazione del calore e devono soddisfare rigorosi standard ignifughi quando si utilizzano batterie agli ioni di litio.
PolyOne, RTP e Celanese hanno riscontrato un'enorme domanda di composti multifunzionali da tutti i segmenti di mercato e forniscono conduttività termica e schermatura EMI, impatto più elevato, ritardo di fiamma, isolamento elettrico e composti con funzioni come resistenza ai raggi UV e stabilità termica.
Le tecniche di stampaggio tradizionali non sono efficaci per i materiali ad alta temperatura.Gli stampatori devono comprendere determinate condizioni e parametri per risolvere i problemi talvolta causati dallo stampaggio a iniezione ad alta temperatura.
Un nuovo studio mostra come il tipo e la quantità di LDPE miscelato con LLDPE influenzino la lavorabilità e la resistenza/tenacità del film soffiato.I dati sono mostrati per le miscele ricche di LDPE e ricche di LLDPE.