Теплопровідний пластик

Реферат: Винахід стосується композиції, що містить пластик та від 20 до 80 % мас. добавки, вибраної з числа незосилікатів, металічного кремнію та їх сумішей. UA 115158 C2 (12) UA 115158 C2 UA 115158 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Справжній винахід стосується матеріалу теплопровідного пластика. Матеріали пластиків є широкорозповсюдженими матеріалами для різних сфер застосування. Матеріали пластиків демонструють хорошу формованість, хороші ізоляційні експлуатаційні характеристики і прийнятні міцності. Матеріали пластиків зазвичай характеризуються низькою питомою теплопровідністю. Звичайні питомі теплопровідності матеріалів пластиків знаходяться в діапазоні від приблизно 0,2 до 0,3 Вт/м•К. В принципі відоме наповнення матеріалів пластиків іншими матеріалами для зміни їх властивостей. Відповідним для використання в даних цілях є множина матеріалів. Наприклад, для надання впливу на питому теплопровідність використовують нітрид бору, який при використанні для наповнення матеріалу пластика може збільшувати питому теплопровідність більш ніж удвічі. Наповнювачі, що використовуються для збільшення провідності, додають у відносно великих кількостях, так що на додаток до механічних властивостей, забарвлення, щільність і тому подібному важливу роль грає ціна. Мета справжнього винаходу полягає в пропозиції наповнювачів для досягнення бажаних властивостей у композиції пластика. Досягнення даної мети досягають при використанні теплопровідної композиції, що містить матеріал пластика та від 20 до 80 % (мас.) добавки, вибраної з незосилікатів, металічного кремнію та їх сумішей. Таким чином, відповідно до винаходу матеріал пластика перемішаний з добавкою, вибраною з незосилікатів або металічного кремнію або їх сумішей і міститься в кількості в діапазоні від 20 до 80 % (мас.) від композиції. Переважними є кількості в діапазоні від 30 до 80 % (мас.). На додаток до цього, композиція містить матеріал пластика, який відповідає за основну частину решти композиції. Кількість матеріалу пластика переважно знаходиться в діапазоні від 15 до 70 %. На додаток до матеріалу пластика також можуть бути присутніми й інші допоміжні речовини, зокрема фарбники, модифікатори удароміцності і тому подібне. У одному варіанті здійснення винаходу незосилікати є алюміносилікати, особливо алюмосилікати. Один особливо переважний незосилікат є дистен. Термін "незосилікати" (або "острівні" силікати) використовується для позначення силікатів, у яких силікатні аніони складаються з ізольованих тетраедрів SiO4, тобто, тетраедри SiO4 не з'єднуються один з одним через сполучні ланки Si-0-Si. Даний тип силікатів включає важливі породоутворюючі мінерали, що відносяться до груп граната і олівіна, циркон і економічно або петрологично важливі алюмосилікати андалузит, силіманіт, дистен, ставроліт і топаз. Проста структура багатоатомного аніона SiO4 в результаті призводить до відсутності явно вираженої анізотропії властивостей незосилікатів. Часто вони є кубічними, тетрагональними, тригональними, гексагональними або орторомбічними, і головним чином утворюють ізометричні кристали. Мінерали з даного типу головним чином є твердими, характеризуються високим показником заломлення і мають відносно високу щільність. Відповідні для використання матеріали пластиків включають еластомери, термопластичні або термотужавіючі полімери, зокрема матеріали пластиків, вибирані з поліаміду, поліетилену, поліпропілену, полістиролу, полікарбонату, складного поліефіра, поліуретану, епоксидних смол та їх сумішей і співполімерів. Співполімери включають варіанти, в яких форполімери або мономери, що володіють різними базовими хімічними структурами, полімеризуються один з одним. Вони також включають суміші з понад двох речовин, також звані терполімерами. У одному особливо переважному варіанті здійснення використовують комбінацію з добавок, наприклад, різні незосилікати або суміш з незосиліката і металічного кремнію, або ще, наприклад, можуть бути перемішані більш ніж два різних незосиліката, або декілька незосилікатів можуть бути перемішані з металічним кремнієм. Відповідні розміри зерен для добавок знаходяться в діапазоні від приблизно 1 до 50 мкм (d50). "d50" позначає наявність у 50 % (мас.) зерен розміру зерен, меншого, ніж дане значення, і у 50 % (мас.) - більшого, ніж дане значення. Такі характеристики розміру зерен можуть бути встановлені при використанні лазерної дифракції. Переважними є розміри зерен d50, що становлять принаймні 2 мкм або принаймні 5 мкм. Розмір зерен d50 переважно є меншим, ніж 40 або меншим, ніж 30 мкм. У деяких варіантах здійснення розмір зерен знаходиться в діапазоні від 2 до 20 мкм, в інших - від 10 до 30 мкм або від 10 до 50 мкм. У одному переважному варіанті здійснення зерна демонструють відносно вузький гранулометричний розподіл, таким чином, що d90/d50 ≤ 3 або ≤ 2. 1 UA 115158 C2 5 10 Винахід також стосується способу отримання теплопровідної композиції, відповідної винаходу, що включає стадію перемішування матеріалу пластика і від 20 до 80 % (мас.), переважно від 30 до 80 % (мас.) принаймні однієї добавки, вибраної з незосилікатів, металічного кремнію та їх сумішей. У деяких варіантах здійснення винаходу частка наповнювачів, що використовуються відповідно до винаходу, складає 40 % (мас.) і більше, 50 % (мас.) і більше або 60 % (мас.) і більше. Винахід, крім того, стосується застосування добавки, вибраної з незосилікатів, металічного кремнію та їх сумішей, для поліпшення питомої теплопровідності матеріалу пластика. Приклади 1. Наповнювачі, що використовуються Гранулометричні дані [мкм] d10 d50 d90 15 20 25 30 35 40 Зразок дистена 1 0,8 5 16 Зразок дистена Зразок дистена 2 3 1,5 3,5 10 23 20 50 Кремній (Si) 0,9 2,5 8 Нітрид бору (BN) 0,7 5 12 TREFIL 283-400 AST (Quarzwerke): волластоніт, d50 приблизно 5 мкм. SILBOND 4000 AST (Quarzwerke): кристобаліт, d50 приблизно 5 мкм. TREMICA 1155-010 AST (Quarzwerke): мусковіт, d50 приблизно 5 мкм. Нітрид бору, продукти TREFIL, SILBOND і TREMICA використовували як порівняльні матеріали. 2. Отримання наповнених матеріалів пластиків У разі термопластичних матеріалів композицію з наповнювача і полікапролактаму (РА6) складали при використанні екструдера (Leistritz, ZSE 27 МАХХ). З складених композицій отримували формовані деталі в результаті лиття під тиском (Demag, Ergotech 100/420-310): Багатоцільовий зразок для випробувань (ISO 3167 type A). Лист 8 0 мм * 8 0 мм * 2 мм. З листів шляхом машинної обробки отримували зразки для випробувань, потрібні для вимірювання питомої теплопровідності. Для вимірювання поперечному напрямку екструдування (напрямок Z) отримували диски при d=12,7 мм при повороті від центральної позиції листів. Для визначення питомої теплопровідності у напрямку лиття під тиском необхідно було вирізувати 6 стрижнів, кожен з яких має довжину 12,7 мм і ширину 2 мм, які після цього стискували, повертали на 90° в спеціальному тримачі зразка для вимірювання. Для термотужавіючих полімерів наповнювачі вводили в епоксидні смоли (Huntsman, Araldite CY 184, Aradur HY 1235, accelerator DY 062) при використанні вакуумного змішувача (РС-Laborsysteme, Labotop). Формувальні композиції формували у вигляді листів з розмірами 250мм250мм250мм і піддавали термічному затвердінню. З даних деталей випилювали зразки для випробувань з розмірами, що становлять приблизно 20мм20мм2мм. 3. Вимірювання У зразків для випробувань, отриманих таким чином, вимірювали механічні властивості і питому теплопровідність. Набували наступних далі значень для питомої теплопровідності полімеру РА6 (LFA 447 NanoFlash®, Netzsch): 2 UA 115158 C2 Рівень вмісту наповнювача Наповнювач Зразок дистена 1 Зразок дистена 2 Зразок дистена 3 TREFIL 283-400 AST SILBOND 4000 AST TREMICA 1155-010 AST РА6 Щільність [% (мас.)] 65 70 75 65 70 75 65 70 75 65 65 65 0 [г/см ] 1,997 2,092 2,263 1,994 2,086 2,234 2,004 2,139 2,525 1,837 1,676 1,800 1,140 3 Напрямок Ζ Напрямок X Питома Питома теплопровідність теплопровідність [Вт/м•К] [Вт/м•К] 1,2 1,3 0,9 1,6 1,3 2,0 1,0 1,3 1,1 1,5 1,3 1,8 0,9 1,5 1,3 1,8 1,3 2,3 0,6 1,0 1,1 1,1 0,4 1,2 0,3 0,3 У наступних сумішей питому теплопровідність вимірювали тільки для окремих рівнів вмісту наповнювача: 5 Рівень вмісту наповнювача 50 50 40 Суміші РА6 + дистен 1; 37 %/Si 9 %/BN 1 % РА6 + Si РА6 + BN 10 15 Питома теплопровідність λ, напрямок Ζ [Βτ/ м•Κ] 0,9 1,1 0,9 Як демонструють дані, високі рівні вмісту наповнювачів і крупніші наповнювачі (при вищих значеннях d50) дають кращі питомі теплопровідності, які є значно кращими в зіставленні з тим, що має місце для порівняльних матеріалів. У зіставленні з кристобалітом незосилікат, відповідний винаходу, є явно м'якшим (менша твердість за Моосом), що в результаті приводить до явно зменшеного зносу в устаткуванні, що використовується, наприклад, апаратах для інтенсивного перемішування. Нижченаведене є механічні дані для дистенвмісних зразків в полімері РА6 (універсальна машина для випробувань на розтягування Zwick/Roell Z 202; маятниковий копер для ударних випробувань Zwick/Roell HIT25P): Продукт Зразок дистена 1 Зразок дистена 2 Зразок дистена 3 РА6 Механічні властивості при розтягуванні Рівень вмісту Відносне наповнювача [%] Межа міцності при подовження при Модуль пружності розтягуванні [МПа] розриві [МПа] [%] 65 93,7 3,7 10000 70 94,2 3,3 11300 75 95,5 2,5 15500 65 96,7 3,8 11000 70 95,8 3,2 12700 75 95,8 2,5 15700 65 92,2 3,4 11100 70 93,7 3 13500 75 94,7 2,5 16300 0 85 8,4 3210 3 UA 115158 C2 Рівень вмісту наповнювача [%] продукт 65 70 75 65 70 75 65 70 75 0 Зразок дистена 1 Зразок дистена 2 Зразок дистена 3 РА6 Рівень вмісту наповнювача [%] Продукт Зразок дистена 1 Зразок дистена 2 Зразок дистена 3 РА6 5 Ударні випробування за Ізоду при використанні маятникового копра Ударна міцність з надрізом 2 Ударна міцність [кДж/м ] 2 [кДж/м ] 34,52 3,25 30,43 3,22 20 3,24 34,35 3,34 28,7 3,38 19,18 3,26 30,62 3,45 24,05 3,72 20,09 3,7 107 2,5 Не зважаючи на високі рівні вмісту наповнювачів матеріали, відповідні винаходу, демонструють хороші механічні властивості. Чим дрібнішим буде наповнювач (при меншому значенні о!50), тим кращими будуть механічні властивості. Продукт Зразок дистена 1 Зразок дистена 2 Зразок дистена 3 РА6 10 65 70 75 65 70 75 65 70 75 0 Ударні випробування за Шарпі при використанні маятникового копра Ударна міцність з надрізом 2 Ударна міцність [кДж/м ] 2 [кДж/м ] 42,16 3,1 37,04 2,76 19,74 2,5 44,36 3,07 34,16 2,82 20,97 2,5 37,81 2,93 30,69 3,18 24,25 2,85 Відсутність руйнування 5,5 Рівень вмісту наповнювача [%] 65 70 75 65 70 75 65 70 75 0 Деформаційна теплостійкість (ISO 75 HDT/A (1,8 МПа))°С 142,45 143,73 164,38 151,25 157,25 166,86 150,49 165,0 172,7 75 Матеріали пластиків, наповнені відповідно до винаходу, демонструють чудові деформаційні теплостійкості. Термотужавіюча суміш з 63 % (мас.) дистена і 37 % (мас.) епоксидної смоли володіла наступними далі властивостями: 4 UA 115158 C2 Механічні властивості Модуль пружності [МПа] ISO 178 Руйнуюча напруга при розтягуванні [МПа] ISO 178 Відносне подовження при розриві [%] ISO 178 2 Ударна міцність [кДж/м ] (за Шарпі) ISO 179/1 eU Електричні властивості Питомий опір шаруючи [Ом на квадрат] DINIEC 167 Теплофізичні властивості Питома теплопровідність [Вт/м-К] )* 11500 108 1,06 7,10 13 >10 1,35 )* вимірювали при використанні NanoFlash. 5 В порядку зіставлення ненаповнений термотужавіючий матеріал (100 % епоксидної смоли) характеризувався питомою теплопровідністю, що складає тільки 0,2 Вт/м•К. Матеріали розглядали при використанні скануючої електронної мікроскопії (JoelJSM7600F). Фігури від 1 до 4 демонструють мікрофотографії для зразка полімеру РА6 і дистена 3 (60 % (мас.)) при різних збільшеннях. Як було встановлено, матеріали, не зважаючи на відсутність досягнення якого-небудь скріплення в матеріалі, тим не менш, демонструють хороші питомі теплопровідності. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 1. Композиція, що містить матеріал пластика і від 20 до 80 % мас. добавки, вибраної з незосилікатів, металічного кремнію та їх сумішей. 2. Композиція за п. 1, в якій вказані незосилікати є алюміносилікатами, зокрема алюмосилікатами. 3. Композиція за п. 1 або 2, в якій вказаний незосилікат є дистен. 4. Композиція за будь-яким з пп. 1-3, в якій вказаним матеріалом пластика є еластомер, термопластичний або термотужавіючий полімер. 5. Композиція за будь-яким з пп. 1-4, в якій вказаний матеріал пластика вибраний з поліаміду, поліетилену, поліпропілену, полістиролу, полікарбонату, складного поліефіру, поліуретану, епоксидних смол та їх сумішей і співполімерів. 6. Композиція за будь-яким з пп. 1-5, в якій декілька добавок використовують в комбінації. 7. Композиція за будь-яким з пп. 1-6, в якій розмір (d50) зерен добавки знаходиться в діапазоні від 1 до 50 мкм. 8. Композиція за будь-яким з пп. 1-7, в якій вказані добавки є силанізованими. 9. Спосіб одержання композиції за будь-яким з пп. 1-8, що включає стадію перемішування матеріалу пластика і від 20 до 80 % мас. принаймні однієї добавки, вибраної з незосилікатів, металічного кремнію та їх сумішей. 10. Застосування добавки, вибраної з незосилікатів, металічного кремнію та їх сумішей, для поліпшення питомої теплопровідності матеріалів пластиків. 5 UA 115158 C2 6 UA 115158 C2 7 UA 115158 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8