应对热管理挑战，塑料改性行业的机会在哪？

主图 随着“智能”技术进入越来越多的消费者和工业设备，市场对有助于控制热量的塑料的需求正在增长

在交通电气化、小型化、金属替代和轻量化等大趋势驱动的市场中，热管理越来越需要高性能解决方案。 一直以来，热塑性塑料的低导热性限制了它们在散热应用中的使用。然而，添加剂和改性塑料开发商正在迎接挑战，通过使用导热矿物填料来对塑料进行改性，以消除多余的热量并帮助将最终应用保持在理想的工作温度范围内。

例如，随着全球电动汽车 (EV) 销量的增长，对能够支持其运行的新技术的材料需求不断增加。如果电池组的温度保持在恒定和适中的水平，则可以延长电池组的使用寿命。充电放电循环中产生的热量可以使用导热电池部件（例如间隙填充物、衬垫和结构部件）有效地从系统中传输出去。这些部件材料通常含有大量矿物填料。

导热塑料尚未成为主流，但对于塑料改性公司来说仍存在机会。

 “导热塑料仍然是非常小众的产品，”Wittenburg 集团旗下Witcom Engineering Plastics的导电化合物业务开发经理 Christine Van Bellingen说。“当只需要对简单的塑料进行微小的改进时，阻碍其广泛使用的原因更多来自价格而非技术相关。明智地选择可提供最佳折衷方案的塑料和添加剂是改性厂商的职责。”

Van Bellingen说Witcom拥有满足许多新兴需求的产品和能力，但她也补充说，合作伙伴关系对于提供所需的创新是必要的。 “电动汽车的可用空间小且重量大，这将推动涉及导热或 EMI 屏蔽热塑性改性塑料的新材料开发，例如用于 ECU 外壳或电池冷却，”她说。

Nabaltec公司则表示，它正在用新产品来满足对导热和电绝缘材料不断增长的需求，这些新产品使非常高的填充量成为可能，同时仍能在最终材料中提供良好的加工性和机械性能。这些新产品包括 Apyral HC (ATH) 和 Nabalox HC (Al2O3) 系列。这两个系列的所有牌号都可从该公司的德国工厂获得，而 Apyral HC 系列产品也在 Nabaltec 位于美国田纳西州查塔努加的最新工厂生产，该工厂专门生产经过研磨和粘度优化以及表面处理的 ATH牌号。

来自 Nabaltec 的数据（图 1）显示了对精细沉淀 Apyral 40CD 和 Apyral HC 500 的不同表面处理如何影响填充 TPU 的热导率 (TC)。 为了达到大约 1 W/m·K 的 TC 要求，填料60%的重量添加比例被认为是足够的。在这种情况下，推荐选择带有涂层 B 的 Apyral 40CD，因为它具有最佳的机械性能。如果需要更高的 TC，则需要增加填充水平。例如，要达到 1.4 W/m·K，填料70 % 的重量添加比例是必要的，并且需要使用针对 TC 应用优化的产品。图 2 中的数据表明，带有涂层 A 的 Apyral HC 500 具有最佳综合结果：良好的 TC、可接受的机械性能和高阻燃性（UL94 V-0，1.6毫米）。

图 1 含60 %重量填充比和 70 %重量填充比的 Apyral 牌号且经过不同表面处理的 TPU 的热导率
来源：Nabaltec

表面效果

赢创特种添加剂美洲部门经理 Ido Offenbach 强调了表面处理在热塑性复合材料导热性中的重要作用。 “事实证明，赢创有机改性硅氧烷 (OMS) 表面处理化学品对于提高汽车、电子和电器等不同市场和应用的导热性至关重要，”他说。

Offenbach说，铝硅酸盐、氧化铝以及铝和其他金属的氢氧化物的生产商通常使用赢创 OMS 表面处理来增加热塑性改性塑料中的填料填充水平，而不会影响机械性能或在注射过程中对模具填充产生负面影响。Tegopren 6875 和 Tegopren 6879 是赢创 OMS 产品线的两个典型例子。

“我们观察到，添加到热塑性改性塑料中的填料的热导率值 （W/m·K） 不足以达到目标值。公司还必须考虑零件构造（几何形状）、零件厚度（特别是如果零件包含不同的厚度）和成型条件。因此，在赢创，我们正在使用快速筛选方法通过热板来评估热塑性改性塑料的导热性能，”Offenbach说。

“我们模制厚度为 2 毫米、4 毫米和 6 毫米的板，并将它们组装成 12 毫米厚的试样。通过这样做，我们可以消除影响热导率值的可变条件。例如，用含有导电黑色填料的 2 毫米 PA 板制成的试样通过热板可能显示出 1.46 （W/m·K）的热导率，而用 6 毫米板制成的试样的导热率为 2.34 （W/m·K）。尽管施加了高压将堆叠的样品组装在一起，但板之间的空气含量还是引起了差异，“他解释说。

“我们还发现在板之间涂抹导电膏不一定有帮助。因此，对于热盘测量，需要高厚度样品以避免读数错误。” 赢创使用激光闪光和热板法测量含有各向异性添加剂的改性塑料的热导率。

赢创还提供固体OMS 添加剂，可在改性过程中与填料原位应用。其中包括 Tegomer H-Si 6441 P、Tegomer P 121 和新开发的 Tegomer H-Si 6444 P。这些添加剂可以增加填料的填充量，而不会影响聚合物的机械性能，还可以改善表面质量和外观。OMS化学的另一个优点是提高改性材料的阻燃性。

基材内部

几年前，Huber Engineered Materials （邱博工程材料公司）商业化了其第一个用于导热塑料改性材的产品。该公司表示，虽然其产品目录中的产品，如氢氧化铝 (ATH)、氢氧化镁 (MDH) 和氧化铝，都具有良好的固有热导率，但其开发工作的重点是进一步改善矿物颗粒与聚合物基材之间的相互作用。颗粒形态和堆积优化，以及最先进的表面改性技术，促成了TM 名称下的热管理添加剂产品完整系列的开发。

该公司最近通过推出 Martinal TM 和 Magnifin TM 系列补充了其 Martoxid TM 系列。新产品缩小了性能和安全之间的差距，提出了一种能满足最苛刻的阻燃要求的导热塑料解决方案。

对于电动汽车，所有三个系列都为导热间隙填料和导热垫提供解决方案，尤其适用于有机硅、环氧树脂、PU 和丙烯酸酯，也适用于聚合物的应用。 “Martoxid TM 和 Magnifin TM 产品不仅提高了电池外壳中工程热塑性塑料（例如 PA6、PA6,6 和 PBT）的导热性（高达 3 W/m·K），而且还提供了最高等级的火焰测试（如 UL-94），即使是最小的壁厚，”该公司表示。

矽比科（Sibelco） 的 Boratherm SG (ATH) 和 Boratherm SA（球形氧化铝）专门用于改善塑料的散热性能。该材料具有导热性和电绝缘性，而且据说颗粒形态可确保良好的流动性。

据矽比科称，Boratherm SG专门设计用于提供超低表面积和大粒径，使其非常适合需要良好流动性的配方。Boratherm SG-E 是一种消磁 ATH 牌号，适用于对电气绝缘有更高要求的场合。

Boratherm SA是一种粒径分布窄的球形氧化铝。“几乎完美的球形颗粒能够实现最佳的填充、材料流动和热传递，”供应商说。很低比表面积，Boratherm SA 的颗粒球形度还使配方材料具有良好的流动性。

软性添加剂的方案

Venator Corporation 表示，人们对其基于聚合物的热管理解决方案的 Sachtolith HDS 的兴趣显著增长。 Sachtolith HDS 是一种柔软的白色硫化锌，可以在不增加导电性的情况下提高聚合物系统的热管理能力。“消费电子产品的增长、LED 照明系统的普及以及对具有更好充电能力的电池的需求导致对添加剂的需求稳步增加，这些添加剂可以在一段时间内提高聚合物的性能。在过去的 18 个月中，该领域的需求激增。 自2020年初以来，对其 Sachtolith HDS 添加剂的咨询量急剧增加，”Venator公司表示。

“加入具有导热性能的添加剂（例如 Sachtolith HDS）可以对聚酰胺、聚碳酸酯或聚酯改性的配方和热性能做出决定性的贡献。导热性不仅受填料本身化学性质的影响，还受其粒径和形状的影响。良好的导热性需要导热颗粒之间的接触。此外，所需的填充程度以及添加剂的相应机械稳定性也会对热性能产生影响。”

Venator 表示，Sachtolith HDS 具有细而窄的粒度分布，可以提高热导率并优化机械性能。单个颗粒的几乎球形的结构降低了热导率的各向异性效应，从而扩大了部件生产的工艺窗口。在聚合物改性中可以实现大约 1.2 W/m·K 的热导率，该值位于 LED 照明系统等应用的目标范围内。

“Sachtolith HDS 添加剂的使用使配方设计者能够保留玻璃纤维增强材料的所有良好制造和机械性能，并且不再需要单独添加白色颜料。” 该公司表示，“此外，颜料的硫化锌表面固定了任何迁移，例如铜离子，这意味着使用寿命和温度稳定性相应地提高了。”

Imerys Graphite & Carbon 表示，其Timrex 天然和合成石墨以及特殊的高纵横比Timrex C-Therm 牌号能够为聚合物提供高水平的导热性。该公司表示，使用这些添加剂可以实现层内 20 W/m·K 以上和层间 4 W/m·K 以上的目标，同时保持最终改性塑料的良好加工性。“在大多数树脂系统中，20% 的 C-Therm 添加量足以达到 1W/m·K 的平面热导率，”Imerys 石墨和碳领域聚合物应用工程师 Anna Ellett 说。


Imerys Graphite & Carbon 提供具有广泛形态和粒度分布的石墨解决方案，可微调改性塑料的特性。这不仅适用于导热性和导电性，还适用于润滑和耐磨性、气体和湿气阻隔性能。

散热

“高导热性添加剂在自润滑应用中特别受关注，它们有助于摩擦散热，”Ellett 说。“与标准石墨相比，高纵横比 Timrex C-Therm 可以较低的添加量提供卓越的导热性（通常只需要一半的添加量以达到相同的性能）、更低的摩擦系数和更低的磨损率。这使得 C-Therm 成为高端自润滑化合物的首选添加剂，其性能优于低纯度、低结晶度的二次石墨废料，甚至高纯度和高结晶度的天然和合成石墨。”

Avanzare Innovación Tecnologica 推出了三种新型 AvanThermal 母料，以在 PE、PA 或 EVA 载体树脂中使用石墨烯纳米片来增强塑料和弹性体的导热性。“这些母料将基础聚合物的热导率提高了三到四倍，同时对加工性的影响很小，”该公司表示。

由于极高的纵横比（大于 10000），石墨烯纳米片能够在聚合物基材中创建高效的导热网络。母粒产品的热导率范围从 13.5 W/m·K (AvanThermal 440 50PE MB) 到 15.2W/m·K (AvanThermal 440 50PA6 MB) 到 16.5W/m·K (AvanThermal 440 50EVA MB)。

“作为一个直观的例子，如果我们将两个预先加热到 70°C 的注塑试样（一个由纯聚合物制成，另一个包含 AvanThermal 440 50PE MB）放入相同数量、相同初始温度的水中，五分钟内就能测到有5°C的差别，”来自 Avanzare 研发部门的 Elvira Villaro Ábalos 说。“相比纯聚合物的试样只增加了 1°C，增强试样却增加了 7°C。”

建筑概念

导热材料不仅在电子领域受到关注。 西班牙研究机构 Aimplas 目前参与了两个涵盖建筑领域应用的项目。Habitatge 2020 项目涵盖可降低建筑物和城市中心温度的先进建筑材料，包括开发用于太阳能集热器的具有增强导热性的 PE 管道。

根据 Aimplas 的说法，聚合物原型的第一次验证测试表明实现了 50% 的产率。 “这是一个非常有趣的值，因为用铜管制造的太阳能集热器可以获得 50-60% 性能值，”Aimplas 的建筑和可再生能源研究人员 Arsenio Navarro 说。

“我们设计了一个小型太阳能集热器 (0.52 平方米)，我们在 6 月的部分时间对其进行了监测。我们已经证明完全由塑料材料制成的太阳能集热器是可行的，包括高导电聚合物 （聚酯树脂和 PE）。这为此类产品的新改进以及主动外墙、散热器、热回收系统等方面的新想法打开了大门，”他说。

图 这张红外相机图像显示了含有和不含 Avanzare 石墨烯纳米片添加剂的化合物的温度差异

图 由高填充石墨改性塑料制成的注塑双极板、热交换器环和电池外壳

第二个建筑行业项目 - EfficientHeating - 专注于制造用于地暖应用的导热PE 箔。“通过焦耳效应，我们开发了一种 100% 可回收的新型地板采暖系统，与当前的地板采暖系统相比，其能耗低于50kW/m2，碳足迹最低，”Navarro 说道。他说，与当前解决方案的典型值1500至 2500 kgCO2eq/m2 相比，新解决方案产生的排放量低于 300 kgCO2eq/m2。

瑞士密封解决方案供应商德特威勒（Datwyler）正在扩大其在导热和 EMI 屏蔽材料领域的内部能力。 它于 2020 年启动了 ETEMI 项目，为混合动力和纯电动汽车开发增强功能密封技术。

“随着电气化趋势的持续发展，导电和导热以及屏蔽某些组件免受电磁信号影响的能力变得越来越重要。ETEMI 项目是创造全新材料类别背后的驱动力，这些材料旨在满足密封技术方面的最高要求，此外还以安全有效的方式提供上述能力，”德特威勒的材料开发经理 Luana Lettieri 说。

该公司表示，ETEMI 将成为创建材料矩阵的催化剂，通过该材料矩阵，导电性和导热性以及 EMI 屏蔽可以耦合和分离，以适应各种应用。

远离化石燃料的努力重新引起了某些方面对氢燃料电池的兴趣。 许多人认为开发适用于批量生产关键燃料电池组件（如双极板）的高导电和导热塑料是氢利用的关键开发驱动力。

德国研究协会 IKV 正在启动一个跨行业网络，合作开发可靠、具有成本效益且持久耐用的氢应用组件，包括燃料电池。

IKV 负责人 Christian Hopmann 教授说：“为了最大可能地将塑料融入氢经济，我们将确定未来几年需要解决的与科学和发展相关的挑战。” 可以在此处找到有关该计划的更多信息。


本文翻译自AMI《配混世界》杂志

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