Телефон: +7 (812) 670 52 36
E-Mail: info@tkfm.org

Разработка теплопроводящих полимерных композиций

Разработка теплопроводящих полимерных композиций

В.Д. Мушенко , кхн

            При разработке герметиков и компаундов на полимерной основе, представляющих собой изотропные системы: низковязкий полимер —  наполнитель, необходимо учитывать, что мелкодисперсные наполнители, входящие в их состав, образуют межфазные слои на границе раздела с полимерными связующими. От правильного количественного и качественного сочетания полимерного связующего и наполнителя, их взаимной совместимости и от их основных исходных свойств определяющим образом зависят эксплуатационные свойства материалов герметизации. К эксплуатационным свойствам теплопроводящих полимерных композиций (ТПК) следует отнести как исходную рабочую вязкость гетерогенных систем, а так и вероятную динамику изменения вязкости этих систем при соединении с жидкофазной системой отверждения (отвердитель, «катализатор», ускорители отверждения). При этом исходный качественный и количественный состав герметиков и компаундов определяет интенсивность процесса отверждения и время его завершения с образованием конечных твердых или эластичных сложносоставных полимерных продуктов. К важнейшим  экономическим факторам разработок следует отнести наряду с требованиями к невысокой стоимости и доступности компонентов минимальную токсичность самого наполнителя и минимальную токсичность продуктов его горения. Существенным является отечественное происхождение применяемых наполнителей, а также химических компонентов для их технологической подготовки. При этом важнейшими факторами подбора наполнителей являются их хорошая смачиваемость жидкими или вязкотекучими компонентами полимерной основы, физическая и химическая совместимость с полимерами, необходимая для полного диспергирования наполнителей с образованием изотропных композиций.

Значительный теоретический и практический объем исследовательских работ сформирован на сегодняшний день предприятием ООО  «Функциональные материалы» в ходе разработок теплопроводящих полимерных композиций с применением силиконовых, полиуретановых и эпоксидных связующих. Основной решаемой задачей было обеспечение высоковольтной изоляции путем герметизации, а также отвод избыточного тепла от работающих приборов, изделий и систем. Перегрев наиболее уязвимых локальных участков изделий может стать причиной выхода из строя при эксплуатации в различных условиях применения: как в условиях, предусмотренных техническими и конструкционными требованиями, так и во внештатных экстремальных условиях. Недостаточно эффективный отвод тепла может быть причиной не только технических неполадок в работе, но и существенных отклонений рабочих параметров от заданных. Результатом становятся выход из строя и разрушение всей работающей системы с аварийными и катастрофическими последствиями. В течение ряда лет мы проводим систематические исследования, связанные с поиском и реализацией возможностей создания гетерогенных композиций с мелко-структурными теплопроводящими наполнителями. Результаты позволят обеспечить решение единой задачи высоковольтной герметизации объектов применения в сочетании со стабильным и безотказным отводом избыточного тепла при длительной работе в различных режимах. Это касается, прежде всего, эксплуатации изделий и систем в условиях повышенной высотности, космического пространства, в условиях обширных водных акваторий и подводного погружения. Особые условия эксплуатации вызывают появление дополнительных, более жестких, требований к стабильности основных свойств герметиков и компаундов. Композиционные материалы должны составлять единую изотропную, механически прочную, химически стойкую, а также стойкую к атмосферным воздействиям монолитную среду. При эксплуатации герметиков и компаундов в составе объектов применения требуется обеспечить их длительную, стабильную и значительную по своим параметрам теплопроводность в сочетании со способностью сопротивляться разрушительным воздействиям внешних сред. Основным практическим результатом при этом должно стать применение теплопроводящих наполняющих дисперсий с оптимальными микроструктурой и формой частиц теплопроводящих наполнителей со свойствами гидрофобности, избирательной лиофобности или лиофильности, а также с учетом склонности наполнителей к образованию агломератов и конгломератов. Практической целью является обеспечение полноценного смачивания теплопроводящих наполнителей жидкой или вязкотекучей основой полимерных связующих. Производственные мощности ООО «Функциональные материалы», накопленный здесь практический опыт работ и системное обобщение полученных экспериментальных результатов дают возможность обеспечить вновь разрабатываемые теплопроводящие герметики и компаунды необходимыми мелкодисперсными наполнителями различной химической природы, состава, структуры, строения частиц. При этом требуется реальное технологическое применение всей совокупности освоенных вариантов механической и механохимической обработки на различных этапах формирования и корректировки состава композиционных материалов герметизации. Благодаря этому реализуется возможность проведения направленного модифицирования свойств серийно освоенных материалов с целью изменения тех или иных технологических и эксплуатационных характеристик  в широких количественных пределах. На производственной базе ООО «Функциональные материалы» проходит освоение современных и перспективных методик предварительной подготовки наполнителей, механохимической активации, гидрофобизации, совместного размола и температурной обработки различных по качественному и количественному составу твердых смесевых композиций наполнителей. Дополнительные перспективы открываются в связи с применением таких традиционных наполнителей как оксиды кремния, титана, цинка, железа в сочетании с разработанными и производимыми ООО «Функциональные материалы» оксидами, гидроксидами, оксидами-гидроксидами алюминия различной степени дисперсности, прошедшими различные виды механической, термической и механохимической обработки. К указанным классам ингредиентов следует добавить ряд наполнителей, привносящих такие специфические свойства композиционных материалов, как селективное радио-поглощение, высокую и низкую теплопроводность, свойства антистатиков, теплопроводящие свойства, ряд других свойств. При разработке ТПК необходимо проведение планомерного комплексного подбора полимерных связующих в сочетании с пластификаторами, системами отверждения, растворителями, растворителями-разбавителями, модификаторами и поверхностно активными веществами. В этой связи начаты работы, направленные на создание нескольких «линеек» функциональных материалов герметизации с направленным комплексом свойств, например, сочетающих свойства теплопроводности и негорючести, свойства сниженной радио-заметности покрытий в сочетании с негорючестью, свойства повышенной теплопроводности в сочетании с антистатическими свойствами.

К настоящему времени известно значительное количество различных зарубежных герметиков, обладающих свойствами теплопроводности. Например,  Dow Corning 9184 со значением теплопроводности 0,84 Вт/(м*К), Sylgard 160 со значением теплопроводности 0,62 Вт/(м*К), компаунд Q 3-3600 со значением теплопроводности 0,77 Вт/(м*К) и ряд других. Известны зарубежные теплопроводящие клеи – герметики SE4451 и 3-6752 и ряд других. Их распространенным недостатком является необходимость в высоких температурах при отверждении, что зачастую несовместимо с теплостойкостью самих конструкционных деталей и контактов между ними. Известны теплопроводящие пасты, например, Dow Corning 340 со значением теплопроводности 0,68 Вт/(м*К), Dow Corning SC 102 со значением теплопроводности 0,85 Вт/(м*К) Их недостатками являются не всегда высокий уровень теплопроводности и, что особенно существенно, зарубежное происхождение и высокая стоимость. В таблице 1 приводятся некоторые характеристики отечественных и зарубежных материалов.

Существенным отличием разрабатываемых у нас материалов от вышеперечисленных является то, что материалы будут изготавливаться с применением тщательно подготовленных наполнителей, а не с применением наполнителей выпускаемых на рынок на общей коммерческой основе.

В ходе работ исследованы факторы агломерации частиц наполнителей, которые могут вызывать уменьшение значений теплофизических свойств. Именно поэтому на основании результатов исследований предлагается подход, заключающийся в предварительной подготовке наполнителя для приготовления материала, что повысит значения его характеристик. Существуют все основания считать, что в результате предварительной подготовки наполнителей путем селективного измельчения, гидрофобизации, поэтапной термообработки существенно повышаются теплофизические и физико-механические характеристики ТПК. Для окончательного подтверждения выдвинутых положений необходимо продолжить проведение технологической подготовки наполнителей с варьированием качественных и количественных составов различной сложности и дисперсности. На включающих их композиционных материалах необходимо проведение системных измерений теплопроводных и физико-механических характеристик.

При теоретической интерпретации получаемых на практике данных применимы представления об  «обобщенной проводимости» в гетерогенных системах. Под этим подразумевается объединение ряда структурно чувствительных физико-механических смесей, когда величина параметров определяется не только структурой компонентов, но и ориентацией границ их раздела внутри структуры. Для проведения расчетов теплопроводности в гетерогенных материалах должны быть учтены шероховатость поверхностей частиц, площадь их контактов, тепловое сопротивление в контактах, температура влажность, ряд других факторов. Во многих случаях для практического применения достаточен подход, основанный на информации об эффективной теплопроводности двухкомпонентных композиций с различными наполнителями при одном и том же полимерном связующем. Более сложной задачей является моделирование трех и более компонентных композиций , когда без значительной потери  точности может быть допущено приятие некоторых упрочняющих моментов. Установлено, что уровень значений теплопроводности в смесях, для которых характерна непрерывность среды (связующего) в любом направлении  и прерывность твердой фазы наполнителя в значительной степени определяется теплопроводностью среды. Существенно, что на коэффициент теплопроводности двухкомпонентной смеси влияют характеристики структуры, такие как форма и размер частиц объемная доля частиц, пористость и плотность структуры, а также размер частиц, прерывистость или непрерывность каждой фазы. При этом существенное усиление влияния теплопроводности частиц на теплопроводность всей смеси оказывает наличие контактов между твердыми включениями или непрерывность твердой фазы. С учетом этих, представленных в упрощенном виде,  принципов проводится работа по совершенствованию герметиков и компаундов на силиконовой основе с целью усиления требуемых функциональных свойств, а именно, устойчивой и значительной теплопроводности при гарантированном уровне физико-механических и диэлектрических характеристик.

0 Комментариев

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*