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| Los compuestos termoconductores de PolyOne se utilizan en aplicaciones automotrices y electricidad / electrónica, como iluminación LED, disipadores de calor y cajas electrónicas. |
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| El compuesto de nylon 6 termoconductor CoolPoly TCP de Celanese se utiliza en los disipadores de calor de los faros delanteros Ford |
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| Entre las ofertas de PC Makrolon termoconductores de Covestro se encuentran los grados para lámparas LED y disipadores de calor |
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| Los compuestos termoconductores de RTP se utilizan en carcasas como esta caja de batería, así como disipadores de calor y componentes de difusión de calor más integrados. |
Los estudios de la industria han indicado que estos materiales están creciendo a doble dígito, impulsados por nuevas aplicaciones como vehículos totalmente eléctricos y automóviles complejos, grandes conjuntos de iluminación LED comerciales Los plásticos termoconductores son un desafío para los materiales más tradicionales, como los metales (especialmente el aluminio) y la cerámica, ya que ellos frecen una gama de ventajas: los compuestos plásticos pesan menos, cuestan menos, son fáciles de moldear, pueden personalizarse y también ofrecen más estabilidad térmica, resistencia al impacto y resistencia al rayado y a la abrasión.
Los aditivos que aumentan la conductividad térmica incluyen grafito, grafeno y cargas cerámicas como nitruro de boro y óxido de aluminio. Las tecnologías para su uso también están avanzando y se han vuelto más rentables. Otra tendencia es la entrada de resinas de ingeniería de menor costo, como los nylons 6 y 66 y PC en compuestos conductores térmicos, haciendo avances contra materiales de mayor precio que son seleccionados más típicamente, como PPS, PSU y PEI.
Porque la demanda esta creciendo
Por qué tanto alboroto? "La capacidad de moldear piezas con forma de red, reducir el recuento de componentes y los pasos de ensamblaje, y reducir el peso y costo son factores que impulsan la adopción de estos materiales", dice una fuente de RTP. "Para algunas aplicaciones, como las carcasas eléctricas y sobremoldeo de componentes, la capacidad de transferir calor mientras eres un aislante eléctrico es un gran punto de interés".
Agrega Dalia Naamani-Goldman, gerente de segmento de mercado para el transporte de E&E en el negocio de materiales de rendimiento de BASF, “La conductividad térmica se está convirtiendo rápidamente en una preocupación creciente para los fabricantes de componentes electrónicos y equipos originales automotrices. A medida que las aplicaciones se miniaturizan debido a las mejoras tecnológicas y las limitaciones de espacio, la acumulación de calor y la disipación se vuelven más importantes. Agregar aletas metálicas o insertar componentes metálicos es difícil si las huellas de los componentes son limitadas ”.
Naamani-Goldman explica que las aplicaciones de mayor voltaje están penetrando en los vehículos motorizados y las demandas de potencia de procesamiento están creciendo. En los paquetes de baterías de vehículos eléctricos, el uso de metal para dispersar y disipar el calor agrega peso, lo que lo convierte en una opción indeseable. Además, los componentes metálicos que ejecutan altos niveles de potencia pueden crear descargas eléctricas peligrosas. Una resina plástica que es térmicamente conductora y no eléctricamente conductora puede permitir voltajes más altos sin dejar de ser eléctricamente segura.
James Miller, ingeniero de desarrollo de campo de Celanese (anteriormente con Cool Polymers, que fue adquirido por Celanese en 2014), dice que los componentes eléctricos y electrónicos, particularmente aquellos en vehículos electrificados, continúan reduciéndose a medida que los espacios de componentes están físicamente mas copados. “Un factor que limita la reducción de tamaño de estos componentes es su capacidad para controlar el calor. Las mejoras en las opciones de embalaje térmicamente conductivo permiten dispositivos más pequeños y más eficientes ".
En electrónica de potencia, Miller señala que los plásticos térmicamente conductores permiten el sobremoldeo o la encapsulación, una opción de diseño que no está disponible con metales o cerámicas. En el caso de los dispositivos médicos que generan calor, como los que tienen cámaras o componentes de cauterización, la flexibilidad de diseño de los plásticos térmicamente conductores permite un embalaje funcional más liviano.
Tras señalar que los sectores automotriz y E / E tienen la mayor demanda de compuestos térmicamente conductores, Jean-Paul Scheepens, gerente general del negocio de materiales de ingeniería especializados de PolyOne, dice que estos productos satisfacen múltiples necesidades de clientes y de la industria, incluida una mayor libertad de diseño, permitiendo diseños con mayores áreas superficiales para una mayor variabilidad térmica. “Los polímeros termoconductores también ofrecen mayores opciones de aligeramiento y consolidación de partes, como la incorporación de un disipador de calor en el mismo componente como la carcasa, y la capacidad de crear sistemas de gestión térmica más uniformes. La economía favorable del proceso de moldeo por inyección es otro factor positivo ".
Joel Matsco, gerente senior de marketing de policarbonatos en Covestro, ve que los plásticos termoconductores encuentran tracción principalmente en aplicaciones automotrices. “Con aproximadamente una ventaja de densidad del 50%, pueden contribuir significativamente al aligeramiento. Esto también puede extenderse a vehículos eléctricos con batería. Muchos módulos de batería todavía usan metal para la gestión térmica, y dado que la mayoría de los módulos usan muchas estructuras repetitivas internamente, el ahorro de peso al reemplazar el metal con un polímero termoconductor aumenta rápidamente ”.
Covestro también está viendo una tendencia hacia la reducción de peso en grandes conjuntos de iluminación comercial. "Una luz de gran altura con un peso de 16 kg (35 lb) en lugar de 32 kg (70 lb) requiere menos estructura y es más fácil de manejar para los equipos de instalación en un andamio", señala Matsco. Covestro también tiene proyectos para carcasas electrónicas tales como enrutadores, donde el componente de plástico sirve como contenedor y proporciona gestión térmica. "En todos los mercados, también encontramos una reducción de costos de hasta un 20% dependiendo del diseño", dice Matsco.
Ganándole al Metal
Sheepens's de PolyOne dice que las aplicaciones clave de automoción y E / E para sus tecnologías térmicamente conductoras incluyen iluminación LED, disipadores de calor y cajas electrónicas, como placas base, cajas de inversor y aplicaciones de seguridad / administración de energía. En un vano similar, las fuentes de RTP ven que sus compuestos conductores térmicos se usan en carcasas y disipadores de calor, así como en componentes de difusión de calor más integrados en dispositivos industriales, médicos o electrónicos.
Matsco de Covestro dice que la aplicación principal en la iluminación comercial ha sido el reemplazo de disipadores de calor metálicos. Del mismo modo, la gestión térmica de las aplicaciones de red de gama alta está creciendo en enrutadores y estaciones base. Los componentes electrónicos específicamente señalados por Naamani-Goldman de BASF incluyen barras colectoras, cajas de conexiones de alto voltaje y conectores, aisladores de motor y cámaras de visión delantera y trasera.
Los plásticos térmicamente conductores prosperan al ofrecer flexibilidad de diseño en 3D para los requerimientos de gestión térmica más altos de la iluminación LED, dice Miller de Celanese. "En la iluminación de automóviles, nuestros polímeros térmicamente conductores (TCP) CoolPoly han habilitado recintos para iluminación de techo de bajo perfil y reemplazo de aluminio en disipadores de calor para faros externos", agrega.
Miller de Celanese dice que CoolPoly TCP proporciona una solución para el creciente segmento de pantallas de visualización (heads-up displays, HUD) de automóviles - una aplicación que requiere una mayor disipación de calor que incluso la iluminación, debido al espacio confinado del tablero, que tiene un flujo de aire limitado, así como el calor de la luz solar que baña esta ubicación del automóvil. "La ventaja de la ligereza de un plástico térmicamente conductor sobre el aluminio reduce los efectos de los golpes y vibraciones que se sienten en esta parte del vehículo, lo que puede causar distorsión de la imagen".
En carcasas de baterías, Celanese ha encontrado soluciones creativas con CoolPoly TCP Serie-D, que proporciona conductividad térmica sin conductividad eléctrica, para abordar los requisitos relativamente estrictos de calidad crítica de la aplicación. En algún momento, los refuerzos en plásticos térmicamente conductores limitan su alargamiento, por lo que los expertos en materiales de Celanese han desarrollado un grado de CoolPoly TCP a base de nylon que mejora la tenacidad 50-100% más que los grados típicos (resistencia a la flexión de 100 MPa, módulo de flexión de 14 GPa, 9 kJ / m2 Impacto con muesca Charpy) sin sacrificar la conductividad térmica o la densidad.
CoolPoly TCP proporciona flexibilidad en el diseño convectivo para satisfacer las necesidades de transferencia de calor de numerosas aplicaciones que históricamente usaban aluminio, con los beneficios del moldeo por inyección que usa un tercio de la energía que el moldeo por colada de aluminio y ofrece una vida útil del molde seis veces más larga.
En automoción, las aplicaciones principales son el reemplazo de disipadores de calor en los módulos de faros, módulos de luces antiniebla y módulos de luces traseras, según Matsco de Covestro. Los disipadores de calor para funciones de luces LED altas y bajas, tubos de luz LED y guías de luz, luces de circulación diurna (DRL) y señales direccionales son aplicaciones potenciales.
"Uno de los impulsores clave para el PC Makrolon térmicamente conductor es la capacidad de integrar la funcionalidad del disipador de calor directamente en los componentes de iluminación, como reflectores, biseles y carcasas, utilizando un molde de disparo múltiple o un enfoque de dos componentes", afirma Matsco. “Con los reflectores y los biseles hechos a menudo hechos de PC, se observa una adhesión mejorada cuando se moldea un segundo disparo de PC térmicamente conductor sobre ellos para controlar el calor, reduciendo así la necesidad de tornillos de fijación o adhesivos. Esto reduce el recuento de piezas, las operaciones secundarias y los costos generales a nivel del sistema. Además, en el ámbito de los vehículos eléctricos, vemos oportunidades en la gestión térmica y las estructuras de soporte en los módulos de batería ”.
También en vehículos eléctricos, Naamani-Goldman de BASF dice que los componentes de la batería como los separadores de celdas son muy prometedores. "Las baterías de iones de litio generan mucho calor, pero deben estar en un ambiente constante a unos 65 C o se degradan o fallan".
Cuales resinas están ganando tracción?
Inicialmente, los compuestos plásticos térmicamente conductores se basaban en resinas de ingeniería de alta gama; pero en los últimos años, las resinas de ingeniería de volumen como el nylon 6 y 66, PC y PBT han tenido mucha aplicación. Dice Matsco de Covestro: "Todo esto se ha visto en la naturaleza. Sin embargo, el mercado parece estar decidiéndose principalmente por el nylon y el policarbonato debido al costo ”.
Si bien PPS todavía se usa con bastante frecuencia, PolyOne ha experimentado un crecimiento tanto en nylon 6 como en 66, así como en PBT, dice Scheepens.
RTP dice que los nylons, PPS, PBT, PC y PP son las resinas más populares, pero se pueden usar muchos termoplásticos de mejor desempeño como PEI, PEEK y PPSU, dependiendo de los desafíos de la aplicación. Una fuente de RTP dice: “Por ejemplo, un disipador de calor para una luz LED puede estar hecho de un compuesto de nylon 66 para proporcionar conductividades térmicas de hasta 35 W / mK, mientras que el caso de una batería quirúrgica que debe resistir la esterilización frecuente requiere un compuesto de PPSU para mantener las propiedades de aislamiento eléctrico y reducir la acumulación de humedad ".
BASF tiene varios compuestos comerciales térmicamente conductores, incluidos los grados de nylon 6 y 66, dice Naamani-Goldman. “Varias aplicaciones como carcasas de motores e infraestructura eléctrica están en producción utilizando nuestros materiales. Esta es un área de desarrollo activa a medida que continuamos identificando las necesidades de los clientes para la conductividad térmica. Muchos clientes no saben qué nivel de conductividad necesitan, y los materiales deben adaptarse a aplicaciones específicas para que sean efectivos ”.
DSM Engineering Plastics lanzó recientemente Xytron G4080HR, un PPS reforzado con vidrio al 40%, para optimizar el desempeño de los sistemas de gestión térmica de vehículos eléctricos. Está diseñado para un desempeño de envejecimiento térmico, resistencia a la hidrólisis, estabilidad dimensional, resistencia química a temperaturas elevadas y retardo de llama intrínseco.
Según los informes, este material mantiene su resistencia a temperaturas de funcionamiento continuo superiores a 130 ° C durante 6000 a 10,000 h. En una prueba reciente de 3000 horas de 135 ° C de agua / líquido de glicol versus un grado comparable de la competencia, Xytron G4080HR supuestamente entregó 114% más de resistencia a la tracción y 63% más de alargamiento en la rotura.
Los aditivos sostiene su promesa
Dependiendo de los requerimientos de la aplicación, se puede usar cualquiera de una amplia gama de aditivos para la conductividad térmica, dice RTP, y señala que "los más populares siguen siendo los aditivos como el grafito, pero siempre estamos explorando nuevas opciones como el grafeno o los novedosos sistemas de aditivos cerámicos".
Un ejemplo de estos últimos fue lanzado el año pasado por Martinswerk Div de Huber Engineered Polymers. Basado en óxido de aluminio y dirigido hacia las nuevas tendencias de movilidad como la electrificación, la línea de aditivos Martoxid supera a otros óxidos de aluminio y otras cargas conductivas.
Martoxid se ha mejorado mediante el control de la distribución del tamaño de partícula y la morfología para ofrecer una mejor compactación y densidad, junto con un tratamiento superficial único. Según los informes, se puede utilizar cargas superiores al 60% sin comprometer las propiedades mecánicas o reológicas. Este ha mostrado un excelente potencial para su uso en PP, TPO, nylons 6 y 66, ABS, PC y LSR.
Matsco de Covestro dice que tanto el grafito como el grafeno se han utilizado comúnmente, señalando que el grafito tiene un costo relativamente bajo y una conductividad térmica moderada, mientras que el grafeno es generalmente un costo más alto pero con importantes ventajas de desempeño de conductividad térmica. Él agrega: “A menudo se solicitan materiales térmicamente conductores, eléctricamente aislantes (TC / EA), y aquí es donde los aditivos como el nitruro de boro son comunes. Desafortunadamente, no obtienes algo por nada, y en este caso el nitruro de boro proporciona aislamiento eléctrico pero reduce la conductividad térmica. Además, el costo del nitruro de boro puede ser alto, por lo que TC / EA debe ser una propiedad material muy necesaria para justificar el aumento del costo ".
Naamani-Goldman de BASF lo expresa de esta manera: "El desafío es equilibrar la conductividad térmica con otras necesidades; asegurando que los materiales puedan procesarse eficientemente en grandes volúmenes , y que las propiedades mecánicas no caigan demasiado. Otro desafío es crear una solución rentable que pueda ser ampliamente adoptada ”.
Scheepens de PolyOne considera que las cargas a base de carbono (grafito) y las cargas cerámicas son aditivos prometedores para lograr la conductividad térmica deseada y equilibrar otras propiedades eléctricas y mecánicas.
Miller, de Celanese, dice que la compañía ha explorado una amplia variedad de aditivos que combinan la selección más amplia de resinas base integradas verticalmente de la industria para ofrecer composiciones patentadas que permiten un rango de conductividad térmica de 0.4-40 W / mK.
Compuestos conductores multifuncionales
También parece haber una demanda creciente de compuestos conductores multifuncionales, tales como conductores térmicos y eléctricos o conductores térmicos y retardantes de llama.
Matsco de Covestro señala que tan pronto como esa empresa lanzó sus PC Makrolon TC8030 y TC8060 térmicamente conductoras, los clientes inmediatamente comenzaron a preguntar si ellos podían ser aislantes de la electricidad. “Las soluciones no son tan simples, y cualquier cosa que se haga para aumentar la EA impacta negativamente a la CT. Ahora ofrecemos el policarbonato TC110 de Makrolon y tenemos otros desarrollos en preparación para atender estas solicitudes ”.
Naamani-Goldman de BASF dice que las diferentes aplicaciones requieren conductividad térmica y propiedades adicionales, señalando como ejemplos paquetes de baterías y conectores de alto voltaje, los cuales deben disipar el calor así como cumplir con los rigurosos estándares ignífugos en caso de un incendio en un paquete de baterías de ion litio.
PolyOne, RTP y Celanese han visto una gran demanda de compuestos multifuncionales de todos los segmentos del mercado y están proporcionando compuestos que ofrecen conductividad térmica junto con funcionalidades como blindaje EMI, mayor impacto, retardo de llama, aislamiento eléctrico, resistencia a los rayos UV y estabilidad térmica.
Lilli Manolis Sherman, Editora Principal
Plastics Technology
01 Julio 2019
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