کامپوزیت‌های رسانای گرمایی بر پایه پلی‌آمید6-پلی‌اولفین الاستومر دارای آلومینیم نیترید و آلومینیم اکسید

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، صندوق پستی 112-4975

چکیده

فرضیه: آمیزه‌های بر پایه پلی‌آمید مانند اکثر پلیمرها عایق گرمایی هستند که این ویژگی بسیاری از کاربردهای آن‌ها را محدود می‌کند. یک روش مؤثر برای بهبود رسانندگی گرمایی و خواص مکانیکی آمیزه‌های پلیمری، تغییر شکل‌شناسی و قراردادن گزینشی پرکننده‌های رسانای گرما در فصل مشترک فازها به‌منظور ایجاد مسیر رسانای گرماست. در این راستا، اختلاط پلی‌آمید6 با پلی‌اولفین الاستومر و پرکننده‌هایی مانند آلومینیم نیترید و آلومینیم اکسید راهکار مؤثری برای بهبود رسانندگی گرمایی و خواص مکانیکی آمیزه نام‌برده است.
 روش‌ها: اثر 10% وزنی از پرکننده‌های آلومینیم نیترید و آلومینیم اکسید و مخلوط آن‌ها (با نسبت 2 به1) و اندازه ذرات مختلف بر القای ساختار هر دو فاز پیوسته و رسانندگی گرمایی آمیزه پلی‌آمید6-پلی‌اولفین الاستومر (20/80) در حالت مذاب بررسی شد.
یافته‌ها: نتایج حاصل بیانگر تشکیل ساختار پیوسته پایدار با انتخاب گزینشی پرکننده‌ها بین دو فاز پلی‌آمید6-پلی‌اولفین الاستومر است. نتایج رسانش‌سنجی گرمایی نشان می‌دهد، رسانندگی گرمایی نمونه‌های دارای 10% وزنی پرکننده آلومینیم نیترید یا اکسید به‌ترتیب 2.22  و 1.29W/m.Kافزایش یافت که 4.8 و 3 برابر بیشتر از نمونه خالص است. در حالی که، رسانندگی گرمایی در نمونه دارای 10% وزنی از مخلوط پرکننده‌های آلومینیم نیترید و اکسید با نسبت وزنی به‌ترتیب 2 به 1، به
3.43W/m.K  رسید که 7.23 برابر بیشتر از نمونه خالص است. زیرا، در این حالت ذرات پرکننده ریز، حفره‌های میان ذرات بزرگ را پُر می‌کنند و موجب کاهش تخلخل بین پرکننده‌ها و افزایش سطح تماس ذرات بی‌شکل آلومینیم نیترید و ذرات کروی‌شکل آلومینیم اکسید می‌شوند. بنابراین رسانندگی گرمایی سامانه به‌صورت هم‌افزایی افزایش می‌یابد. امید است، پژوهش انجام‌شده چشم‌انداز مثبتی برای طراحی کامپوزیت‌های پلیمری رسانای گرمایی با خواص مطلوب، سبک و ارزان باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Thermal Conductive Polyamide-6/Polyolefin Elastomer/Aluminum Nitride/Aluminum Oxide Composites

نویسندگان [English]

  • Marjan Shahmir
  • Shervin Ahmadi
  • Hassan Arabi
Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical, P.O. Box: 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Polyamide-based blends, like most polymers, are thermally insulating materials, which restrict their application. An effective method to improve the thermal conductivity of polymers is manipulating the morphology and locating conductive fillers selectively at the polymer interfaces to induce heat conduction path way. In this regard, blending polyamide 6 with polyolefin elastomer and fillers such as aluminum nitride (AlN) and aluminum oxide (Al2O3) is an effective method to improve the thermal conductivity and mechanical properties
Methods: The effect of 10% (by wt) aluminum nitride and aluminum oxide fillers and their mixture (with a ratio of 2:1) and different particle sizes on the induction of the structure of both continuous phases and the thermal conductivity of the polyamide-6 polyolefin elastomer mixture (80/20) in the molten state was investigated
Findings: The results demonstrated that a stable co-continuous structure was formed by selective localization of fillers in the PA6/POE interphase. The xenon flash analysis results showed that the thermal conductivity of samples containing 10% (by wt) of AlN or Al2O3 reaches 2.22 and 1.29 W/m.K, respectively, which are 4.8 and 3 times higher than the thermal conductivity of pure sample. However, in the samples containing 10% (by wt) AlN/Al2O3 mixture with a mass ratio of 2:1, thermal conductivity reaches 3.34 W/m.K which is 7.23 times higher than that of pure sample It can also be pointed to the fact that the gap of large size particle (Al2O3) is filled by the small size filler (AlN), therefore, the contact surface area of irregular AlN particles and Al2O3 spherical particles increases, which in turn has a synergistic effect on improving the thermal conductivity of the composite. It can be confidently claimed that this is a promising approach for the design of thermally conductive composites with favorable properties, light weight, and low cost.

کلیدواژه‌ها [English]

  • thermal conductive composites
  • polyamid6/polyolefin elastomer
  • percolation threshold
  • Aluminum Nitride
  • Aluminum oxide

مراجع

  1. Mumtaz N., Li Y., Artiaga R., Farooq Z., Mumtaz A., Guo Q., and Un-Nisa F., Fillers and Methods to Improve the Effective (out-plane) Thermal Conductivity of Polymeric Thermal Interface Materials–A Review, Heliyon, 10, e25381, 2024.
  2. Baruch A.-E., Bielenki L., and Regev O., Thermal Conductivity
    Improvement of Electrically Nonconducting Composite
    Materials, Rev. Chem. Eng., 28, 61-71, 2012.
  3. Idumah C.I. and Hassan A., Recently Emerging Trends in
    Thermal Conductivity of Polymer Nanocomposites, Rev. Chem. Eng., 32, 413-457, 2016.
  4. Burger N., Laachachi A., Ferriol M., Lutz M., Toniazzo V., and Ruch D., Review of Thermal Conductivity in Composites: Mechanisms, Parameters and Theory, Prog. Polym. Sci., 61, 1-28, 2016.
  5. He L., Zhang W., Liu X., and Tong L., Substantial Improvement of Thermal Conductivity and Mechanical Properties of Polymer Composites by Incorporation of Boron Nitride Nanosheets and Modulation of Thermal Curing Reaction, Polym. Compos., 45, 2215-2231, 2024.
  6. Chen H., Ginzburg V.V., Yang J., Yang Y., Liu W., Huang Y., Du L., and Chen B., Thermal Conductivity of Polymer-Based Composites: Fundamentals and Applications, Prog. Polym. Sci., 59, 41-85, 2016.
  7. Sun Y., Zhou L., Han Y., and Cui L., Numerical Analysis on the Direction to Improve Thermal Conductivity of Polymer
    Composites Filled with Spherical Particles, Comput. Mater. Sci., 233, 112697, 2024.
  8. Šupová M., Martynková G.S., and Barabaszová K., Effect of Nanofillers Dispersion in Polymer Matrices: A Review, Sci. Adv. Mater., 3, 1-25, 2011.
  9. Gaxiola D.L., Keith J.M., King J.A., and Johnson B.A., Nielsen Thermal Conductivity Model for Single Filler Carbon/Poly-
    propylene Composites, J. Appl. Polym. Sci., 114, 3261-3267, 2009.
  10. Ma A., Chen W., Hou Y., and Zhang G., The Preparation and Cure Kinetics Researches of Thermal Conductivity Epoxy/AlN Composites, Poly.-Plast. Technol. Eng., 49, 354-358, 2010.
  11. Chen S., Xu N., Gorbatikh L., and Seveno D., Find the
    Maximum Thermal Conductivity of Graphene Reinforced Polymer Composite: A Molecular Dynamics Approach, Polym.
    Compos    ., 45, 302-314, 2024.
  12. Hadaeghnia M., Ahmadi S., Ghasemi I., and Wood-Adams P.M., Fractal Structures of PA6/POE Blend Nanocomposites and Their DynamicProperties, J. Rheol., 67, 183-196, 2023.
  13. Díez-Pascual A.M., Guan J., Simard B., and Gómez-Fatou M.A., Poly(phenylene sulphide) and Poly(ether ether ketone) Composites Reinforced with Single-Walled Carbon Nanotube Buckypaper: II–Mechanical Properties, Electrical and Thermal Conductivity, Composites Part A: Appl. Sci. Manufact., 43, 1007-1015, 2012.
  14. Aliev A.E., Lima M.H., Silverman E.M., and Baughman R.H., Thermal Conductivity of Multi-Walled Carbon Nanotube Sheets: Radiation Losses and Quenching of Phonon Modes, Nanotechnology, 21, 035709, 2009.
  15. Jia Y., He H., Yu P., Chen J., and Lai X., Synergistically
    Improved Thermal Conductivity of Polyamide-6 with Low Melting Temperature Metal and Graphite, Express Polym. Lett., 10, 679-692, 2016.
  16. Gaska K., Rybak A., Kapusta C., Sekula R., and Siwek A., Enhanced Thermal Conductivity of Epoxy–Matrix Composites with Hybrid Fillers, Polym. Adv. Technol., 26, 26-31, 2015.
  17. Choi S.W., Yoon K.H., and Jeong S.-S., Morphology and Thermal Conductivity of Polyacrylate Composites Containing Aluminum/Multi-Walled Carbon Nanotubes, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact., 45, 1-5, 2013.
  18. Lee E.S., Lee S.M., Shanefield D.J., and Cannon W.R., Enhanced Thermal Conductivity of Polymer Matrix Composite via High Solids Loading of Aluminum Nitride in Epoxy Resin, J. Am. Ceramic Soc., 91, 1169-1174, 2008.
  19. Altay L., Seki Y., Sever K., Sen I., Uysalman T., Atagur M., and Sarikanat M., Thermal, Electrical, and Mechanical
    Properties of Various Thermal Conductive Powder Filled Polyamide 6 Composite Materials for Thermal Management
    Applications, Acta Physica Polonica, A, 134, 2018.
  20. Yuan D., Gao Y.F., Guo Z.X., and Yu J., Improved Thermal Conductivity of Ceramic Filler-Filled Polyamide Composites by Using PA6/PA66 1:1 Blend as Matrix, J. Appl. Polym. Sci., 134, 45371, 2017.
  21. Xiao C., Leng X., Zhang X., Zheng K., and Tian X., Improved Thermal Properties by Controlling Selective Distribution of AlN and MWCNT in Immiscible Polycarbonate (PC)/Polyamide 66 (PA66) Composites, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufact.,
    110, 133-141, 2018.
  22. Li D., Zeng D., Chen Q., Wei M., Song L., Xiao C., and Pan D., Effect of Different Size Complex Fillers on Thermal
    Conductivity of PA6 Thermal Composites, Plast. Rubber
    Compos    ., 48, 347-355, 2019.
  23. Yenier Z., Seki Y., Aker S., Öner F., Altay L., and Sarikanat M., The Effect of Hybrid Thermal Fillers on Thermal
    Conductivity of Carbon Fiber Reinforced Polybutylene
    Terephthalate Composites, Polym. Int., 73, 484-493, 2024.
  24. Shahmir M., Ahmadi S., and Arabi H., Improved Thermal Conductivity of Immiscible Polyamide 6 (PA6)/Polyolefin
    Elastomer (POE) Blend by Controlling Selective Localization of Aluminum Nitride (AlN), Iran. Polym. J., 33, 1-10, 2024.
  25. DeRoussel P., Khakhar D., and Ottino J., Mixing of Viscous Immiscible Liquids. Part 1: Computational Models for Strong–Weak and Continuous Flow Systems, Chem. Eng. Sci., 56, 5511-5529, 2001
  26. Modarresi-Alam A.R., Soleimani M., Pakseresht M., Farzaneh-
    Jobaneh E., Zeraatkar V., Tabatabaei F.A., Shabzendedar S., and Movahedifar F., Preparation of New Conductive Nano-
    composites of Polyaniline and Silica under Solid-State Condition,
    Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian)    , 29, 387-398, 2016.
  27. Nesterov A. and Lipatov Y., Compatibilizing Effect of a Filler in Binary Polymer Mixtures, Polymer, 40, 1347-1349, 1999.
  28. Cassagnau P., Melt Rheology of Organoclay and Fumed Silica Nanocomposites, Polymer, 49, 2183-2196, 2008.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 37، شماره 1 - شماره پیاپی 189
فروردین و اردیبهشت 1403
صفحه 85-96

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار