Efeito de reticulação do aditivo de bórax nas propriedades térmicas do polímero

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16029 (2022) Citar este artigo

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Recentemente, materiais à base de polímeros têm sido utilizados em vários campos de aplicações, mas sua baixa condutividade térmica restringe seus usos devido à alta resistência térmica interfacial. Portanto, neste estudo, nanotubos de carbono de paredes finas unidimensionais (1D-TWCNT) e nanofolhas bidimensionais de nitreto de boro (2D-BNNS) foram usados ​​para melhorar as propriedades térmicas do álcool polivinílico (PVA). Um fator importante a ser considerado no aprimoramento das propriedades térmicas do PVA é a estratégia de configuração interfacial, que fornece vias suficientes para o transporte de fônons e a perda controlada das propriedades térmicas intrínsecas do nanomaterial de carga. Neste estudo, explorou-se o efeito do aditivo tetraborato de sódio (bórax) nas propriedades térmicas dos nanocompósitos 1D-TWCNT/PVA e 2D-BNNS/PVA. O bórax é um aditivo de reticulação bem conhecido que pode ser usado com PVA. A densidade de reticulação do nanocompósito de PVA-bórax foi controlada alterando sua concentração de íons borato. A adição de bórax em nanocompósitos melhora a condutividade de nanocompósitos 1D-TWCNT/PVA até 14,5% (4% em peso de bórax) e de nanocompósito 2D-BNNS/PVA em até 30,6% para BNNS (2% em peso de bórax). Assim, quando adicionado bórax, o nanocompósito 2D-BNNS/PVA apresentou melhores resultados do que o nanocompósito 1D-TWCNT/PVA.

O gerenciamento térmico tornou-se cada vez mais importante devido à dissipação excessiva de calor resultante dos requisitos de desempenho aprimorados e integração de alta densidade de dispositivos elétricos/eletrônicos1. As lacunas ou vazios estão presentes entre o componente eletrônico e o dissipador de calor devido à superfície não uniforme, o que resulta na alta resistência da interface térmica (Kapitza)2. Portanto, o material de interface térmica (TIM) usado entre a fonte de calor e o dissipador de calor desempenha um papel importante na dissipação efetiva do calor3,4. Materiais à base de polímeros são comumente usados ​​em TIM, especialmente por causa de sua facilidade de processamento, flexibilidade e baixo custo. No entanto, a condutividade térmica de materiais à base de polímero é baixa (por exemplo, 0,19 W/m∙K). Portanto, a incorporação de nanomateriais de enchimento altamente termicamente condutivos, como grafeno, nanotubos de carbono (CNTs), nitreto de boro, etc. no polímero (matriz) para usar como TIM é uma das tendências atuais de pesquisa para melhorar a área de contato entre o eletrônico componente e dissipador de calor1. Neste estudo, CNT unidimensional de paredes finas (1D-TWCNT) e nitreto de boro (BN) foram usados ​​como materiais de enchimento.

Os CNTs unidimensionais apresentam excelentes características para melhorar a condutividade térmica devido à sua condutividade térmica superior de 1000–3000 W/m∙K5,6 na natureza. A condutividade térmica é fortemente dependente da formação de uma rede condutora contínua dentro do material. No entanto, um aumento no conteúdo de CNTs causa espalhamento fônon interfacial resultante de junções de CNTs e materiais de base (por exemplo, polímeros), o que pode limitar o aumento da condutividade térmica. Portanto, é necessário controlar a fração da carga para manter suficientemente as propriedades mecânicas e outras do compósito enquanto mantém uma alta condutividade térmica. Em várias literaturas, nanocompósitos à base de CNT com várias matrizes poliméricas, como álcool polivinílico (PVA), polidimetilsiloxano (PDMS), poliimida (PI), poliestireno (PS), policarbonato (PC) e epóxi, foram propostos como materiais TIM7,8, 9,10,11,12. Além disso, embora os CNTs apresentem muitas vantagens para a condução de calor, seu uso em aplicações industriais que requerem isolamento elétrico de materiais termicamente condutores é limitado, especialmente por causa de sua natureza metálica ou semicondutora.

Os BN bidimensionais são considerados candidatos promissores como carga por serem excelentes isolantes elétricos com alta inércia química e interações intercamadas, juntamente com excelentes propriedades térmicas e mecânicas semelhantes às dos NTCs13,14. Assim, pode ser usado como carga para aumentar a baixa condutividade térmica dos polímeros em TIM15,16,17,18,19. h-BN (BN hexagonal) tem uma condutividade térmica tão alta quanto 400 W/m∙K à temperatura ambiente20, que é maior do que a maioria dos materiais metálicos e cerâmicos. h-BN tem características típicas de anisotropia em propriedades termofísicas (ou seja, condutividade térmica): uma alta condutividade térmica no plano de 300–600 W/m∙K na direção paralela ao plano cristalino e um plano direto relativamente baixo condutividade térmica de 20–30 W/m∙K na direção perpendicular ao plano cristalino. Uma nanofolha de BN (BNNS) possui uma estrutura bidimensional (2D), semelhante à estrutura geométrica do grafeno21. Essas estruturas 2D podem ser empilhadas e mantidas juntas por forças de van der Waals, resultando em várias camadas de nanofolhas de nitreto de boro. Portanto, é importante organizar cada camada para formar efetivamente uma rede de transporte térmico entre as fontes de calor e os sumidouros no uso de nanofolhas de BN para aplicações de TIM. O aprimoramento das propriedades térmicas do PVA usando BNNS alinhados verticalmente/horizontalmente com características anisotrópicas foi investigado em estudos anteriores15,16. Neste estudo, um 2D-BNNS foi usado como carga para obter um nanocompósito à base de polímero. A reticulação de PVA usando um reticulador, como o bórax, também pode ser usada para melhorar as propriedades térmicas do PVA. A reticulação de PVA com bórax é mencionada na literatura22,23.