Effetto di reticolazione dell'additivo borace sulle proprietà termiche del polimero

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16029 (2022) Citare questo articolo

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Recentemente, i materiali a base polimerica sono stati utilizzati in vari campi di applicazione, ma la loro bassa conduttività termica ne limita gli usi a causa dell'elevata resistenza termica interfacciale. Pertanto, in questo studio, sono stati utilizzati riempitivi unidimensionali di nanotubi di carbonio a parete sottile (1D-TWCNT) e nanofogli di nitruro di boro bidimensionali (2D-BNNS) per migliorare le proprietà termiche dell'alcol polivinilico (PVA). Un fattore importante da considerare nel migliorare le proprietà termiche del PVA è la strategia di configurazione interfacciale, che fornisce percorsi sufficienti per il trasporto dei fononi e la perdita controllata delle proprietà termiche intrinseche del nanomateriale riempitivo. In questo studio è stato esplorato l'effetto dell'additivo tetraborato di sodio (borace) sulle proprietà termiche dei nanocompositi 1D-TWCNT/PVA e 2D-BNNS/PVA. Il borace è un noto additivo reticolante che può essere utilizzato con il PVA. La densità di reticolazione del nanocomposito PVA-borace è stata controllata modificando la concentrazione di ioni borato. L'aggiunta di borace nei nanocompositi migliora la conduttività dei nanocompositi 1D-TWCNT/PVA fino al 14,5% (4% in peso di borace) e del nanocomposito 2D-BNNS/PVA fino al 30,6% per BNNS (2% in peso di borace). Pertanto, quando è stato aggiunto il borace, il nanocomposito 2D-BNNS/PVA ha mostrato risultati migliori rispetto al nanocomposito 1D-TWCNT/PVA.

La gestione termica è diventata sempre più importante a causa dell'eccessiva dissipazione del calore derivante dai requisiti prestazionali migliorati e dall'integrazione ad alta densità di dispositivi elettrici/elettronici1. Gli spazi o i vuoti sono presenti tra il componente elettronico e il dissipatore di calore a causa della superficie non uniforme, che si traduce in un'elevata resistenza dell'interfaccia termica (Kapitza)2. Pertanto, il materiale di interfaccia termica (TIM) utilizzato tra la fonte di calore e il dissipatore di calore svolge un ruolo importante nella dissipazione efficace del calore3,4. I materiali a base polimerica sono comunemente utilizzati in TIM, soprattutto per la loro facilità di lavorazione, flessibilità e basso costo. Tuttavia, la conduttività termica dei materiali a base polimerica è bassa (ad esempio, 0,19 W/m∙K). Pertanto, l'incorporazione di nanomateriali riempitivi altamente termicamente conduttivi come grafene, nanotubi di carbonio (CNT), nitruro di boro, ecc. nel polimero (matrice) da utilizzare come TIM è una delle attuali tendenze di ricerca per migliorare l'area di contatto tra i componenti elettronici componente e dissipatore di calore1. In questo studio, come materiali di riempimento sono stati utilizzati CNT unidimensionali a pareti sottili (1D-TWCNT) e nitruro di boro (BN).

I CNT unidimensionali mostrano eccellenti caratteristiche nel migliorare la conduttività termica grazie alla loro conduttività termica superiore di 1000–3000 W/m∙K5,6 in natura. La conduttività termica dipende fortemente dalla formazione di una rete conduttiva continua all'interno del materiale. Tuttavia, un aumento del contenuto di CNT provoca una dispersione fononica interfacciale derivante da giunzioni di CNT e materiali di base (ad esempio, polimeri), che può limitare l'aumento della conduttività termica. Pertanto, è necessario controllare la frazione del riempitivo per mantenere sufficientemente le proprietà meccaniche e di altro tipo del composito pur mantenendo un'elevata conduttività termica. In varie letterature, nanocompositi basati su CNT con varie matrici polimeriche come alcol polivinilico (PVA), polidimetilsilossano (PDMS), poliimmide (PI), polistirene (PS), policarbonato (PC) ed epossidici sono stati proposti come materiali TIM7,8, 9,10,11,12. Inoltre, sebbene i CNT presentino molti vantaggi per quanto riguarda la conduzione del calore, il loro utilizzo in applicazioni industriali che richiedono l’isolamento elettrico di materiali termicamente conduttivi è limitato, soprattutto a causa della loro natura metallica o semiconduttrice.

I BN bidimensionali sono considerati un candidato promettente come riempitivo perché sono eccellenti isolanti elettrici con elevata inerzia chimica e interazioni interstrato, insieme ad eccellenti proprietà termiche e meccaniche simili a quelle dei CNT13,14. Pertanto, può essere utilizzato come riempitivo per migliorare la bassa conduttività termica dei polimeri in TIM15,16,17,18,19. h-BN (BN esagonale) ha una conduttività termica fino a 400 W/m∙K a temperatura ambiente20, che è superiore a quella della maggior parte dei materiali metallici e ceramici. h-BN ha tipiche caratteristiche di anisotropia nelle proprietà termo-fisiche (cioè conducibilità termica): un'elevata conduttività termica nel piano di 300–600 W/m∙K nella direzione parallela al piano cristallino e una conducibilità termica nel piano relativamente bassa conduttività termica di 20–30 W/m∙K nella direzione perpendicolare al piano del cristallo. Un nanofoglio BN (BNNS) ha una struttura bidimensionale (2D), simile alla struttura geometrica del grafene21. Queste strutture 2D possono essere impilate e tenute insieme attraverso le forze di van der Waals, risultando in diversi strati di nanofogli di nitruro di boro. Pertanto, è importante disporre ogni strato in modo da formare efficacemente una rete di trasporto termico tra le fonti di calore e i pozzi nell'uso di nanofogli BN per applicazioni TIM. Il miglioramento delle proprietà termiche del PVA utilizzando BNNS allineati verticalmente/orizzontalmente con caratteristiche anisotrope è stato studiato in studi precedenti15,16. In questo studio, un 2D-BNNS è stato utilizzato come riempitivo per ottenere un nanocomposito a base polimerica. La reticolazione del PVA utilizzando un reticolante, come il borace, può essere utilizzata anche per migliorare le proprietà termiche del PVA. La reticolazione del PVA utilizzando borace è menzionata in letteratura22,23.