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        塑料擠出機-填料取向對塑料部件導熱系數的影響

        發布者:bjzedao 發布日期:2015-09-22

        填料取向對塑料部件導熱系數的影響

        來源:榮格

        發布時間:2015年9月6日下午 02:09:07

        由含有各向異性導熱填料的塑料化合物制成的部件表現出了取向性導熱系數以及各向異性的材料性能。通過改變填料的取向,一種創新的工藝有助于提升部件的導熱系數并優化部件的性能。 

        手機殼體等技術產品需要一個整體的熱量管理方案(圖片來源:IKT)

        手機殼體等技術產品需要一個整體的熱量管理方案(圖片來源:IKT)

        各個行業對電氣和機電系統不斷增長的需求——尤其是微型化的趨勢促使人們開始尋求新的熱管理概念。受到微型化的影響,可用空間以及模塊里的空氣都在相應減少,通風機等主動冷卻部件也被摒棄。有一種方法可以滿足這些新需求,那就是使用塑料部件殼體來消除熱量。

        賦予塑料導熱系數

        塑料本身具有低導熱系數,因此常需要使用導熱添加劑以制成導熱材料。除了功能集成,導熱塑料還具備一個金屬材料(盡管它們具有良好的導熱系數能)所不具備的特殊性能——電絕緣性能。這種優勢的組合和塑料部件的高設計自由度為技術部件的熱管理提供了新的方法。

        同時,導熱塑料可從市場上的多個供應商處獲得,其導熱系數大多位于1-20W/mK之間。調查表明,導熱塑料的導熱系數僅需達到3-5W/mK即可改善電子模塊的熱管理。眾所周知,導熱系數主要取決于:

        ■ 塑料的導熱系數

        ■ 填料類型

        ■ 填料形狀(球形、片狀或纖維狀)

        ■ 填料尺寸

        ■ 填料用量

        片狀或纖維狀填料等不等軸填料能夠提供更高的導熱系數,因為它們具有更強的交互接觸傾向,更有利于形成導熱網絡。

        但是,填料的用量不僅對導熱系數產生了影響,而且還對其他性能產生了重大影響(上圖1)。更高的填料含量并不能成比例的提高導熱系數,同時還伴隨著導熱塑料加工性能的顯著降低。此外,導熱填料通常比工程塑料更為昂貴,因此材料成本將隨著填料含量的增加而大幅上升。綜上所述,在選擇導熱塑料時應權衡導熱系數、加工性能和材料成本之間的關系。就導熱塑料而言,“越多越好”的原則并不適用。

        圖1:取決于填料含量的性能

        圖1:取決于填料含量的性能

        填料的導熱系數能各不相同

        不管是導熱塑料,還是從纖維增強塑料的研究結果來看,使用不等軸填料會使部件表現出各向異性的材料性能。因此,這種各向異性是一個依賴加工的值。在加工過程中,作用于填料的流動力對它們的取向產生了顯著的影響。因為不等軸填料的導熱系數主要體現在優選方向上(如:纖維長度方向),填料取向對成品部件各向異性的導熱系數能具有重大的影響。

        圖2所示為聚酰胺6的導熱系數變化,其中已按體積的30%(PA6-Cu30)和40%(PA6-Cu40)添加銅片作為導熱填料。我們可以清楚地看到,導熱系數——主要是薄壁部件在厚度方向上的導熱系數明顯比其他方向(流體方向和寬度方向)上要低。

        圖2:加工對導熱系數的影響

        圖2:加工對導熱系數的影響

        利用傳統加工方法扁平或框狀部件時,填料主要沿著流動方向和寬度方向(圖3)取向。尤其是在薄壁部件里,填料很少順著厚度方向對齊。因此,*優導熱系數主要出現在流動方向和寬度方向上。但是,這種填料取向并不適用于所有應用領域。以框狀部件為例,其內部熱損失主要通過殼壁來消除,即厚度方向。從這一點來看,厚度方向上的高導熱系數非常重要。遺憾的是,利用傳統加工方法實現的填料取向并非這一應用的理想選擇。圖2還表明,填料含量的增加僅略微提高了厚度方向上的導熱系數,而其代價卻是削弱了部件的其他性能(圖1)。

        圖3:受工藝影響的填料取向

        圖3:受工藝影響的填料取向

        利用新工藝改善性能

        如上所述,導熱塑料不占優勢的各向異性主要受到了加工過程中的流動行為的影響。因此,德國斯圖加特大學的Institut für Kunststofftechnik研究中心(IKT)對新的加工方法進行了研究以解除上述限制。例如,一種新型的擠出模具——膨脹模已成功開發,從而使扁平部件的填料在厚度方向上的取向更明顯。這種重新取向通過改善模內的熔體流動來實現,并同時造成了剪切流動和拉伸流動的變化。

        圖4表明,改變的填料取向對厚度方向上的導熱系數產生了非常積極的影響。作為導熱填料,銅片也在此處按30%、40%和50%的體積加入了聚酰胺6。研究表明,通過膨脹模內改良的工藝控制,無論填料含量多少,厚度方向上的導熱系數均比傳統加工方式獲得的導熱系數更高。此外,膨脹模的應用和30%體積含量的填料產生的導熱系數比傳統加工工藝按50%體積含量的填料產生的導熱系數高得多。如上所述,傳統加工條件下的填料僅在厚度方向上輕微取向(圖3)。因此,填料含量的增加僅略微提高了厚度方向上的導熱系數,但卻削弱了加工性能等其他性能,并且提高了材料價格。通過膨脹模內更智能的工藝控制,填料基本為垂直取向,從而在厚度方向上獲得更高導熱系數,即使填料含量較低。這種方式還有可能有助于提高部件性能、優化加工性能并降低材料成本。

        圖4:膨脹模內改進的工藝控制提高了導熱系數

        圖4:膨脹模內改進的工藝控制提高了導熱系數

        除了擠出產生的導熱系數變化,IKT同時還在研究注塑成型工藝。首批測試表明,在經過改性的智能工藝控制的輔助下,填料在注塑成型過程中也可在厚度方向上實現更明顯的取向。因此,IKT正在深入研究其交互作用以及提高導熱系數的可能性,巴登-符滕堡州基金會為其提供資金支持。

        利用模型進行預測

        智能加工方法開發過程中的一個重要步驟是通過建模和仿真對流程進行預測。只有**了解加工過程中產生的作用,才能對之后的性能下結論,如填料取向和成品部件導熱系數。因此,IKT創建了一個新模型用于對導熱塑料的性能做出更準確的預測。

        片狀填料常用于導熱塑料,因此研發人員針對廣泛使用的Folgar-Tucker模型是否適用于預測片狀填料的取向進行了檢查,因為Folgar-Tucker模型通常用于預測纖維取向,并且先前僅針對纖維進行了驗證。通過調查并對現有的Folgar-Tucker模型進行適配,對片狀填料的取向進行**預測已成為可能(圖5)。如果缺少模型適配,預測準確率則會低很多。

        圖5:用合適的模型適配**預測片狀填料取向

        圖5:用合適的模型適配**預測片狀填料取向

        此外,根據填料取向仿真,IKT還開發了一個模型用于**計算成品部件在所有方向上的導熱系數,從而在早期選擇加工方法時即可明確后期將獲得的性能。例如,有可能了解加工方式的變化對導熱系數的影響。因此,這一預測方式有助于針對性地快速開發新的加工方法,從而進一步提高導熱塑料的性能。

        結語

        只有適當的預測方法才能充分了解一個加工方法是否能夠使用智能工藝控制,從而充分利用導熱塑料的潛力。遺憾的是,“越多越好”的原則仍被普遍應用,盡管它基本無法顯著改善導熱性能,相反地,還會明顯地提高成本。

         

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