Когда ленте из ПТФЭ необходимо рассеивать тепло – например, при соединении силового компонента с радиатором – клейкий слой должен выполнять две задачи одновременно: передавать тепло и удерживать тепло. Добавление теплопроводящих наполнителей (оксида алюминия, нитрида бора и др.) улучшает теплопроводность, но почти всегда снижает адгезию.
Задача состоит в том, чтобы максимизировать теплопередачу, теряя при этом как можно меньше липкости . Ответ кроется в трех параметрах наполнителя: размере частиц, форме частиц и проценте загрузки.
Компания Aokai PTFE разработала теплопроводящий материал. Ленты из ПТФЭ для электроники и промышленного применения. В этой статье объясняется, как размер частиц, морфология и загрузка влияют на компромисс и как составить формулу для достижения наилучшего баланса.
Размер частиц – компромисс между мелким и грубым
Размер частиц определяет, насколько хорошо наполнители образуют теплопроводящую сеть и насколько хорошо клей смачивает склеиваемую поверхность.
1. Мелкие частицы (нано-субмикронные)
Тепловой эффект: большая площадь поверхности приводит к большему количеству точек контакта частиц, но также к большему межфазному термическому сопротивлению (рассеянию фононов). Сильная агломерация ограничивает улучшение проводимости.
Эффект адгезии: мелкие частицы поглощают большое количество смолы и веществ, повышающих клейкость, затвердевая клей. Начальная липкость резко падает. Снижается текучесть, что снижает смачивание подложек из ПТФЭ с низкой поверхностной энергией → низкая прочность на отслаивание.
Вердикт: Редко используется отдельно. Ультратонкие наполнители дают незначительный тепловой выигрыш, но разрушают адгезию.
2. Крупные частицы (от микрона до десятков микрон)
Тепловой эффект: меньше точек контакта, но более длинные отдельные пути теплопроводности. Когда они уложены плотно друг к другу по толщине клея, они обеспечивают хорошую проводимость в поперечном направлении.
Эффект адгезии: небольшая площадь поверхности адсорбирует меньше смолы, сохраняя мягкость клея. Однако если частицы имеют такую же толщину или толще клеевого слоя (обычно 25–100 мкм), они делают поверхность ленты шероховатой, уменьшают эффективную площадь склеивания и создают точки концентрации напряжений.
Вердикт: используется в качестве основного проводящего каркаса, но его размер должен быть меньше толщины клея.
3. Решение – бимодальное смешивание
Смешайте крупные и мелкие частицы в определенных соотношениях. Мелкие зерна заполняют пустоты между крупными частицами, обеспечивая плотную упаковку. При той же общей загрузке наполнителя бимодальная сортировка увеличивает точки контакта частиц (лучшая проводимость) или, альтернативно, достигает целевой проводимости с меньшим общим количеством наполнителя , оставляя больше непрерывной фазы смолы для сохранения адгезии.
Рекомендация Aokai PTFE : Для клеевого слоя толщиной 50 мкм используйте крупные частицы размером 20–30 мкм, смешанные с мелкими частицами размером 1–5 мкм. Этот бимодальный подход является ключом к балансировке свойств.
Морфология частиц – форма имеет большое значение
Несферические наполнители выравниваются во время нанесения покрытия и высыхания, влияя на теплопроводность и адгезию в поперечной плоскости (направление Z).
1. Сферические или квазисферические наполнители (например, сферический оксид алюминия).
Тепловой эффект: Изотропный. Частицы легко штабелируются по толщине, что способствует рассеиванию тепла через плоскость.
Эффект адгезии: гладкие поверхности не препятствуют течению смолы. Сохраняет хладотекучесть и смачивание поверхности. Среди всех форм при равной нагрузке сферы сохраняют лучшую адгезию, особенно начальную.
Преимущество баланса: лучшая общая совместимость. Максимизирует тепловыделение по оси Z с минимальными потерями адгезии.
2. Чешуйчатые наполнители (например, нитрид бора, графен)
Термический эффект: высокое соотношение сторон обеспечивает превосходную проводимость в плоскости, но чешуйки располагаются параллельно подложке, обеспечивая небольшое улучшение в плоскости, что плохо для лент из ПТФЭ, которым требуется вертикальная теплопередача.
Эффект адгезии: хлопья действуют как разделительная пленка, блокируя течение пластика и резко снижая начальную липкость. Острые края вызывают концентрацию напряжений, снижая прочность на отслаивание.
Недостаток баланса: Плохо подходит для тепловых нужд в направлении Z, серьезно ухудшает природную липкость. Не рекомендуется в качестве основного наполнителя.
3. Волокнистые или неравномерные наполнители.
Тепловой эффект: высокое соотношение сторон позволяет создавать проводящие сети при низкой нагрузке.
Эффект адгезии: резко увеличивает вязкость клея, повышает жесткость PSA за счет механического соединения и устраняет липкость. Острые края повреждают границу раздела клей-ПТФЭ.
Вердикт: Редко используется в качестве основного наполнителя; лишь незначительное добавление в качестве вспомогательного связующего материала.
Загрузка наполнителя – поиск оптимальной точки перколяции
По мере увеличения загрузки наполнителя теплопроводность сначала растет медленно, затем резко скачет на пороге перколяции , а затем выходит на плато. Однако адгезия постоянно снижается.
1. Низкая загрузка (<30 об.%)
Наполнители представляют собой изолированные островки в сплошной матрице смолы. Теплопроводность практически не улучшается. Адгезия остается близкой к чистому ПСА. Безопасная зона для сохранения липкости, но тепловая выгода незначительна.
2. Средняя и высокая загрузка (30–60 об. %) – критическое окно.
Частицы начинают соприкасаться и образовывать проводящие пути. Теплопроводность возрастает в геометрической прогрессии. При этом матрица непрерывной смолы фрагментируется. Клей становится хрупким; начальная липкость и прочность на отслаивание резко падают.
Это зона оптимизации. Цель состоит в том, чтобы работать на нижнем уровне порога перколяции – достаточно высоком, чтобы соответствовать температурным характеристикам, и достаточно низком, чтобы сохранять непрерывную фазу смолы для приемлемой адгезии.
3. Сверхвысокая загрузка (>60 об.%)
Плотная упаковка частиц замедляет дальнейшее тепловыделение (плато). Смола не может заполнить все пробелы; образуются пустоты. Клей становится сухим, ломким и практически нелипким. Лента превращается в хрупкую термопленку. Баланс имущества полностью утрачен.
Особое примечание для ленты из ПТФЭ (силикон PSA): силикон имеет меньшую энергию когезии и плохую совместимость с наполнителями, чем акрил. Он допускает более низкую максимальную загрузку наполнителя. Переполнение приводит к распылению клея.
Эмпирические данные Aokai PTFE : Для сферического оксида алюминия в силиконовом PSA порог перколяции составляет примерно 35-45 об.%. Оптимальный баланс достигается около 40-45 об.% при бимодальном распределении. При содержании выше 55 об.% адгезия становится неприемлемой для большинства применений.
Резюме: формула балансировки «три в одном»
Для достижения стабильного баланса теплопроводности и адгезии в высокотемпературных клейких лентах из ПТФЭ:
Используйте сферические крупные частицы (20-30 мкм) в качестве первичного проводящего каркаса – они обеспечивают сквозную проводимость с минимальными потерями адгезии.
Добавьте мелкие частицы (1-5 мкм) для создания бимодального распределения – заполняет пустоты, снижает общее количество необходимого наполнителя, сохраняет матрицу смолы.
Поддерживайте общую загрузку наполнителя в нижнем и среднем диапазоне порога перколяции (около 40-45 об.% для сферического оксида алюминия в силиконовом PSA).
ограничьте использование хлопьевидных или волокнистых наполнителей до уровня <5% по весу – они ухудшают липкость и приносят небольшую пользу при прохождении через плоскость. Если вообще необходимо,
Результат: теплопроводящая лента PSA, которая действительно прилипает и служит долго.
Aokai PTFE производит теплопроводящие ленты из PTFE, используя эту стратегию бимодального сферического наполнителя. Мы можем адаптировать уровни теплопроводности и адгезии к вашему применению.
Заключительный вывод
Улучшение теплопроводности клейких лент из ПТФЭ всегда борется с адгезией. Лучший компромисс – сферические частицы + бимодальное распределение по размерам + загрузка сразу после перколяции . Избегайте хлопьев и волокон, если для вашего применения специально не требуется проводимость в плоскости и не допускается низкая липкость.
Для высокоэффективного склеивания с отводом тепла теплопроводящая лента из ПТФЭ является проверенным решением. Свяжитесь с Aokai PTFE для получения рецептур, соответствующих вашим требованиям к термическим воздействиям и отслаиванию.
