plastik-ambalaj.com

Polimer Malzemelerin Isıl İletkenlik Özelikleri

1.GiriÅŸ

Polimer kompozitler, hafiflik, kolay işlenebilirlik, dayanıklılık ve düşük maliyet gibi özelliklerinden dolayı birçok uygulama alanında kullanılmaktadırlar. Polimer kompozitlerin özellikleri farklı yöntemler kullanılarak daha çok geliştirilip yeni uygulama alanları kazandırılmaktadır [1,2,3]. Elektrik elektronik uygulamalarında kullanılan malzemelerde ısı birikmesi cihazın performansını olumsuz etkilemektedir [1,4,5]. Bu nedenle, malzemelerde biriken ısının hızlı bir şekilde dağıtılması gerekmektedir [2,3]. Bu problemin giderilmesi için yüksek ısıl iletkenlik özelliğine sahip polimer kompozitleri tercih edilmektedir [2,3]. Polimer malzemelerin ısıl iletkenliği genellikle 0,1–0,5 W/mK arasındadır [6,7]. Polimer malzemelerin, ısıl iletkenlik özellikleri karbon, seramik ve metalik dolgu malzemeleri kullanılarak geliştirilmektedir [1,6,7].  

Gelişen teknoloji ile birçok alanda ihtiyacımızı karşılayan elektronik malzemeler hayatımızın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Isı iletimi elektronik malzemelerin performansı, ömrü ve güvenilirliği için kritik bir öneme sahiptir [8,9]. Isıl iletken kompozit malzemeleri, hafif, iyi kimyasal direnç, mükemmel yalıtım performansı ve ekonomik üretim özellikleri sayesinde ısı dağılımı uygulamalarında daha önemli hale gelmektedir [10]. Bununla birlikte üç boyutlu çip bellekleri, esnek elektronikler ve ışık yayan diyotlar gibi yeni uygulamaların ortaya çıkmasıyla ısı yayılımı bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu problemin giderilmesi için yüksek ısıl iletkenliğe sahip kompozit malzemelere olan ihtiyaç giderek artmaktadır [8,9].

Polimer malzemeler düşük ısıl iletkenlik özelliğine sahip olmasının yanında iyi işlenebilirlik, yüksek elektriksel direnç, yüksek kopma mukavemeti, korozyon direnci ve en önemlisi de düşük maliyet sayesinde endüstride çok geniş uygulama alanlarına sahip malzemelerdir [2]. Polimerler sahip oldukları bu üstün özelliklerden ödün verilmeden ısıl iletkenlik gerektiren birçok uygulamada yaygın olarak tercih edilmektedir [11]. Bu nedenle, düşük ısıl iletkenliğe sahip polimerin yüksek ısıl iletkenlik performansı, yüksek oranda dolgu malzemesi eklenmesi ile oluşan ısıl iletken zincirler veya iletken ağlar sayesinde elde edilmektedir [10].

2.Polimerlerin Isıl İletkenlik Özelliği

Isı enerjisinin bir malzeme içerisinde hareket yeteneği ısıl iletkenlik olarak adlandırılmaktadır. Malzemedeki bu hareketlilik enerjinin bir yerden diğerine taşınmasını içermektedir. Maddenin hallerine göre ısı transferi farklı şekillerde gerçekleşmektedir. Bir gaz fazında, gaz molekülleri enerjiyi moleküler hareketin rastgele (difüzyon) gerçekleşmesi ile ya da moleküllerin belli bir yönde (sürüklenme) sürüklenmesi ile taşınmaktadır. Sıvılarda, enerjinin aktarılması difüzyon ve yatay iletim ile gerçekleşmektedir. Katılar da da enerji, fononlar, elektronlar veya fotonlarla taşınmaktadır [12].

Malzeme türü ısı iletkenliğinde oldukça önemlidir. Örneğin; sıcak su dolu bir bardakta ısı iletimi bardağın yapıldığı malzemeye göre değişmektedir. Burada ısı iletimi bardağın iç kısmında ki moleküllerden dışarı doğru gerçekleşmektedir. Malzemede ısı iletimi, enerjisi yüksek olan taneciklerden daha düşük enerjili komşu moleküllere titreşimlerle aktarılmaktadır. Bu tür enerji aktarımları malzemenin iç yüzeyinden dışına doğru ilerlemektedir [12].

Isıl iletkenliğin hesaplanması için gerekli olan ısı akış hızı, ısıtıcıya verilen elektiriksel gücün izlenmesiyle ölçülebilmektedir. Malzemelerin ısıl iletkenlik değeri ısıyı absorplamasıyla da ilgilidir. Polimerler fazla miktarda ısıyı absorpladıkları için ısı iletkenlik değerleri düşüktür [12]. Polimerlerin termal iletkenliği, Debye denkleminden elde edilmektedir (Denk 1) 

Cp birim hacim başına spesifik ısı kapasitesini, vfononun hızını, l ise fonon ortalama serbest yolu ifade etmektedir. Çoğu polimerler için l (ortalama serbest yol) oldukça küçüktür [2]. Bu nedenle, çoğu polimer yüksek ısı iletimi gereken birçok uygulama için yeterli olmayan düşük ısıl iletkenliğe sahiptir [13]. Polimerlerde ısı iletimi, kristallik, sıcaklık, makro moleküllerin oryantasyonu gibi birçok parametreden etkilenmektedir. Polimerlerde genellikle fononlartermal taşıyıcı olarak bilinmektedir [14].

Polimerlerin molekül yapıları çok düzenli kristal yapılardan ve rastgele amorf yapılardan oluşmaktadır [15]. Amorf yapılar baskın olduğunda, polimerdeki titreşim modları lokalize olma eğilimindedir, bu da düşük ısı iletkenliğine neden olmaktadır [13]. Şekil 1’de polimerlerin amorf ve kristal bölgeleri gösterilmektedir. 

Bazı polimerlerin ısıl iletkenlik özellikleri Tablo 1’de gösterilmektedir. Polimerin kristalitesi ısıl iletkenliğini güçlü bir şekilde etkilemektedir [16]. Örneğin; polimetilmetakrilat (PMMA) veya polistiren gibi amorf polimerler için ısıl iletkenlik yaklaşık 0.2 W / mK ve HDPE gibi yüksek kristalli polimerler için 0.5W / mK arasında değişmektedir. [17,18].  

3.Polimerlerde Isıl İletkenliği Artırıcı Katkı ve Dolgular

Isıl iletken kompozit malzemeler, hafif, iyi kimyasal direnç, mükemmel yalıtım performansı ve ekonomik üretim özellikleri nedeniyle ısı dağılımı uygulamalarında kullanımı giderek daha önemli hale gelmektedir. Polimer kompozitlerinde yüksek ısıl iletkenlik performansı, yüksek oranda dolgu malzemesi eklenmesi ile oluşan ısıl ileken zincirler veya iletken ağlar sayesinde elde edilmektedir [22]. 

Literatür çalışmalarında polimerin ısıl iletkenliğini artırmak için ısıl iletken dolgu malzemelerinin kullanımına odaklanılmıştır [23]. Bu dolgu malzemeleri metal, seramik, karbon bazlı olarak sınıflandırılmaktadır [24]. Alüminyum nitrür, bor nitrür ve silisyum karbür (SC) gibi seramik dolgu malzemeleri elektriksel yalıtkanlık özelliğine sahiptirler. Bu dolgu malzemeleri sahip oldukları özellikler sayesinde hem yüksek ısıl iletkenlik hem de yüksek elektrik direnci gerektiren uygulamalarda tercih edilmektedirler. Metalik ve karbon bazlı dolgu malzemeleri ise yüksek elektriksel iletkenliğe sahip malzemelerdir. Altın (Au) ve bakır (Cu) gibi metal dolgular ve karbon nanotüp, grafen ve grafit gibi karbon bazlı dolgular da genellikle yüksek ısıl iletkenliğe ve yüksek elektriksel iletkenliğe ihtiyaç duyulan uygulamalarda kullanılmaktadırlar [23,24].

Metalik ve karbon bazlı dolgu malzemeleri ise yüksek elektriksel iletkenliğe sahip malzemelerdir. Altın (Au) ve bakır (Cu) gibi metal dolgular ve karbon nanotüp, grafen ve grafit gibi karbon bazlı dolgular da genellikle yüksek ısıl iletkenliğe ve yüksek elektiriksel iletkenliğe ihtiyaç duyulan uygulamalarda kullanılmaktadırlar [15,17]. Tablo 2’de de bazı dolgu malzemelerin ısıl iletkenlik değerleri verilmektedir.

Polimer kompozitlerin de ısıl iletkenlik özelliği, Şekil 3'te gösterildiği gibi, polimer ve dolgu maddelerinin yapısı ve özellikleri ile kompozitlerin morfolojisi, polimerlerin ve dolgu maddelerinin etkileşimi ile belirlenmektedir. Isıl olarak iletken polimer kompozitleri tasarlanırken, tüm uygulama gereksinimlerini karşılamak için bütünsel bir yaklaşıma ihtiyaç duyulmaktadır. Sadece uygun polimerlerin ve dolguların seçilmesi yeterli değildir [2].

 

Şekil 3. Kompozitlerin termal iletkenliği, yeni malzemeler tasarlanırken dikkate alınması gereken faktörler

Polimerlerin ve dolgu maddelerinin morfolojisi ve etkileşimi de dikkatlice anlaşılmalı ve kontrol edilmelidir. Ayrıca, sadece ısıl iletkenlik değil, aynı zamanda diğer özellikler ve işlenebilirlik de dikkate alınmalı ve dengelenmelidir [2]. 

4.Uyguluma Alanları

Polimer kompozitleri, metaller, seramikler, karbon malzemeler gibi diğer ısı iletken malzemelerle karşılaştırıldığında, kolay işleme, hafiflik, korozyona karşı dayanıklılık, esnekliğe bağlı titreşim sönümleme ve elektrik yalıtımı ve elektrik iletimine uygun dolgu maddeleri seçilerek kontrol edilebilirlik özelliklerinden dolayı sektörde çeşitli uygulama alanlarında tercih edilmektedir [2]. Bununla birlikte yüksek ısıl iletken dolgu malzemelerin ilavesi ile ısıl iletkenlik özelliği geliştirilen polimer kompozitleri için ısıl iletiminin önemli olduğu LED cihazlar [26], elektronik montaj ve paketleme [27], pil ve güneş enerjisi [28] gibi yeni uygulama alanları ortaya çıkmaktadır [27]. Isıl iletkenlik özelliği geliştirilmiş polimerler sahip olduğu avantajlardan dolayı yeni ürünlerin geliştirilmesinde gelecekteki uygulamalarda odak noktası olacaktır. 

5.Sonuç

Polimer kompozitler, korozyon direnci, düşük maliyet, yüksek ısıl iletkenlik, düşük ısıl genleşme katsayısı ve yüksek elektrik direnci gibi özellikleri ile ön plana çıkmaktadır [2,3]. Polimer kompozitleri sahip oldukları bu özellikler sayesinde,  otomotiv, ambalaj, elektrik elektronik,  tekstil gibi birçok alanda kullanılmaktadırlar. Düşük ısıl iletkenliğe sahip polimer malzemelerinin ısıl iletkenlik özellikleri geliştirilerek yeni uygulama alanları kazandırılabilir. 

KAYNAKLAR:

[1] Ha S.M, Kwon O.H, Oh Y.G, Kim Y.S., Lee S.G, Won J.C,  Cho K.S, Kim BB.G and Yoo Y, Thermally conductive polyamide 6/carbon filler composites based on a hybrid filler system, Science and Technology of Advanced Materials, 2015.

[2] Chen H., Ginzburgb V..V,Yang J., Yang Y., Liu W., Huang Y., Du L., Chen B., Thermal Conductivity of Polymer-based Composites:Fundamentals and Applications, Progress in Polymer Science, 2016, 59, 41–85.    

[3] Zhou W., Qi S., An S., Zhao H., Liu N., Thermal conductivity of boron nitride reinforce  polyethylene composites, Materials Research Bulletin, Department of Applied Chemistry, School of Science, Northwestern Polytechnical University, 2007.

[4] Morishita T, Matsushita M, Katagiri Y and Fukumori K, A novel morphological model for carbon nanotube/polymer composites having high thermal conductivity and electrical insulation, Journal of Material Chemistry, 2011, 2, 5610.

[5] Zhou W., Yu D., Min C., Fu Y. and Guo X., Thermal, Dielectric, and Mechanical Properties of SiC Particles Filled Linear Low-Density Polyethylene Composites, Journal of Applied Polymer Science, 2009, 112, 1695.

[6] Choi S. W., Yoon K. H. and Jeong S.S., Morphology and thermal conductivity of polyacrylate composites containing aluminum/multi-walled carbon nanotubes, Composites A, 2013, 45 .

[7] Yu A., Ramesh P., Sun X., Bekyarova E., Itkis M. E. and Haddon R. C., Enhanced Thermal Conductivity in a Hybrid Graphite Nanoplatelet – Carbon Nanotube Filler for Epoxy Composites, Advanced Material, 2008, 20, 4740.

[8] Moore AL, Shi L. Emerging challenges and materials for thermalmanagement of electronics. Mater Today 2014;17:163–74.

[9] Tong XC. Advanced materials for thermal management of electronicpackaging. New York: Springer; 2011, 616 pp.

[10] Li M., Wan Y., Gao Z., Xiong G., Wang X., Wan C.,Luo H.,  Preparation and properties of polyamide 6 thermal conductive composites reinforced with fibers, Materials and Design, 51 (2013) 257-261. 

 [11] Ngo I.L. & Byon C., Thermal conductivity of particle-filled  polymers// Polymer Science Book Series. No. 1: Research Advances,  Practical Applications and Educational Aspects. A. MéndezVilas, A.  Solano (Eds.). Badajoz, Spain: Formatex Research Center, 2016, pp. 554–565.

[12] Saçak, M., Polimer Teknolojisi, Gazi Kitap Evi, Ankara, Türkiye, 2005.

[13] Huang C., Qian X., Yang R., Thermal conductivity of polymers and polymer nanocomposites, Materials Science & Engineering R, 2018.

[14] Li A., Zhang C., Zhang Y.F., Thermal Conductivity of Graphene-  Polymer Composites: Mechanisms, Properties and Applications,  Polymers, 9.9 (2017) 437.

[15] Leung S. N., Thermally conductive polymer composites and  nanocomposites: Processingstructure- property relationships, Composites Part B, 2018.

[16] Price DM. & Jarratt M. Thermal conductivity of PTFE and PTFE  composites. Thermochim Acta 2002, 2001 392-393:231–6. 

[17] Han, Z. & Fina, A., Thermal conductivity of carbon nanotubes and  their polymer nanocomposites: A review, Progress in Polymer Science, 36.7 (2010) 914–944. 

[18] Burger N., Laachachi A., Ferriol M., Lutz M., Toniazzo, Ruch D.,  Review of thermal conductivity in composites:  Mechanisms, parameters and theory, Progress in Polymer Science, 61 (2016) 1- 28.

[19] https://www.victrex.com/en/blog/2017/polymer-crystallinity-hpp-explained-part-3

[20] Vadivelu M. A., Kumar R. C. and Joshi G. M., Polymer composites for thermal management: a review, Composite Interfaces, 23.9 (2016) 847-872. 

[21] Mark E. J., Polymer Data Handbook, University of Cincinnati, Oxford University press, 1998.

[22] Li M., Wan Y., Gao Z., Xiong G., Wang X., Wan C.,Luo H.,  Preparation and properties of polyamide 6 thermal conductive composites reinforced with fibers, Materials and Design, 51 (2013) 257-261. 

[23] Leung S. N., Thermally conductive polymer composites and  nanocomposites: Processingstructure- property relationships, Composites Part B, 2018.

[24] Han, Z. & Fina, A., Thermal conductivity of carbon nanotubes and  their polymer nanocomposites: A review, Progress in Polymer Science, 36.7 (2010) 914–944. 

[25] Dehaghani H.E & Nazempour M., Thermal Conductivity of  Nanoparticles Filled Polymers, Smart Nanoparticles Technology, Shahreza Branch, Islamic Azad University, Iran, 2012 . 

[26] Hu X, Jiang L, Goodson KE. Thermal conductance enhancement ofparticle-filled thermal interface materials using carbon nanotubeinclusions. In: ITHERM’04. The ninth intersociety conference onthermal and thermomechanical phenomena in electronic systems,June 1–4, 2004, IEEE; December 7–9, Singapore: IEEE. 2004. p. 63–9.

[27] Lin W, Wong CP. Vertically aligned carbon nanotubes for thermalinterface materials: quality control, alignment improvement andlaser flash measurement. In: Proc IEEE 60th Electr ComponentsTechnol Conf. 2010. p. 967–72.

[28] Lee B, Liu JZ, Sun B, Shen CY, Dai GC. Thermally conductive andelectrically insulating EVA composite encapsulants for solar pho-tovoltaic (PV) cell. Express Polym Lett 2008;2:357–63.

Rumeysa BEYAZ, Mustafa ÖKSÜZ 

Yalova  Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Polimer Mühendisliği Bölümü