Aдитивні технології створення теплопровідних полімерних композитів
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-290-4-48-56Ключові слова:
полілактид, полімерні композитні матеріали, теплопровідні композити, адитивні технології, графіт, мідьАнотація
У роботі досліджено вплив складу полімерного композиту та параметрів його адитивного виробництва, на значення його теплопровідності. У якості полімерної матриці для досліджень було використано типовий для адитивного виробництва, екологічний та доступний полімерний матеріал - полілактид. До складу композиту вводили, різні за природою, теплопровідні наповнювачі — порошкоподібну мідь і графіт, у різних масових співвідношеннях, з метою підвищення теплопровідності та забезпечення можливості керування тепловими характеристиками матеріалу. Композитні матеріали було створені шляхом змішування складових у розплаві на двошнековому екструдері. Адитивне виробництво дослідних зразків здійснювалось за технологією виробництва наплавленням філаменту. Матеріал для адитивного виробництва у вигляді філаменту отримували з композитного матеріалу шляхом екструзії. Зразки друкували з орієнтацією шарів паралельно та перпендикулярно до напрямку теплового потоку, що дозволило оцінити вплив просторового розташування струменів матеріалу на анізотропію теплопровідності.
Композитні матеріали на основі полілактиду, отримані класичним методом лиття під тиском та методом адитивного виробництва, показали близькі значення теплопровідності. Використання мідних і графітових наповнювачів дозволило суттєво підвищити теплопровідність матеріалу—у понад два рази. Орієнтація шарів та розташування струменів матеріалу щодо напрямку теплового потоку має значний вплив на його теплопровідність. Встановлено, що графітовий наповнювач є більш ефективним у порівнянні з мідним, оскільки забезпечує більш значний приріст теплопровідності навіть за меншого масового вмісту. Крім того, вплив орієнтації шарів і наповнювача більш виражений для графітових наповнювачів. Такий підхід може дозволити розробляти легкі, ефективні з точки зору тепловідведення полімерні елементи корпусів для електроніки, які мають як функціональне, так і конструкційне значення. Анізотропія теплопровідності, контрольована за допомогою параметрів друку, відкриває нові можливості для інженерного проектування складних виробів з оптимізованими теплофізичними характеристиками.
Посилання
1. Yao, F., You, G., Zeng, S., Lu, D., & Ming, Y. Reaction-tunable diffusion bonding to multilayered Cu mesh/ZK61 Mg foil composites with thermal conductivity and lightweight synergy. Journal of Materials Science & Technology, 2023. 139, 10-22.
2. Zhao, H., Zhang, W., Yin, X., Wu, Y., Du, C., Zhao, W., ... & Liu, C. Conductive polyurethane elastomer electrolyte (PUEE) materials for anodic bonding. RSC advances, 2020. 10(22), 13267-13276.
3. Olivera, A. F., Chica, E., & Colorado, H. A. Design and manufacturing with 3D printing and life cycle analysis of a recyclable polymer-based H-Darrieus wind turbine. Engineered Science, 2024. 31, 1156.
4. Li, T., Wei, H., Zhang, Y., Wan, T., Cui, D., Zhao, S., ... & Cheng, B. Sodium alginate reinforced polyacrylamide/xanthan gum double network ionic hydrogels for stress sensing and self-powered wearable device applications. Carbohydrate Polymers, 2023. 309, 120678.
5. Liu, X., Zhang, J., Zheng, C., Xue, J., Huang, T., Yin, Y., ... &Guiver, M. D. Oriented proton-conductive nano-sponge-facilitated polymer electrolyte membranes. Energy & Environmental Science, 2020. 13(1), 297-309.
6. Ruan, K., Guo, Y., & Gu, J. Liquid crystalline polyimide films with high intrinsic thermal conductivities and robust toughness. Macromolecules, 2021. 54(10), 4934-4944.
7. Kwon, Y. J., Kim, Y., Jeon, Y. P., Hong, J. Y., Park, H. S., & Lee, J. U. Thermally conducting yet electrically insulating epoxy nanocomposites containing aluminum electrochemically exfoliated graphene hybrid. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2022. 152, 106675.
8. Ji, J., Chiang, S. W., Liu, M., Liang, X., Li, J., Gan, L., ... & Du, H. Enhanced thermal conductivity of alumina and carbon fibre filled composites by 3-D printing. Thermochimica acta, 2020. 690, 178649.
9. Doshi, M., Mahale, A., Singh, S. K., & Deshmukh, S. Printing parameters and materials affecting mechanical properties of FDM-3D printed Parts: Perspective and prospects. Materials Today: Proceedings, 2022. 50, 2269-2275.
10. Mamunya, Y. P., Davydenko, V. V., Pissis, P., & Lebedev, E. V. Electrical and thermal conductivity of polymers filled with metal powders. European polymer journal, 2002. 38(9), 1887-1897.
11. Zhong, C., Yang, Q., & Wang, W. Correlation and prediction of the thermal conductivity of amorphous polymers. Fluid Phase Equilibria, 2001. 181(1-2), 195-202.
12. Колупаєв, Б. Б. Математичне моделювання теплопровідності лінійних гнучколанцюгових полімерів. Наукові нотатки, 2019. (68), 50-54.
13. Дінжос, Р. В., Лисенков, Е. А., & Фіалко, Н. М. Особливості теплопровідності композитів на основі термопластичних полімерів та частинок алюмінію, 2015. 3(7), 03022-1-03022-5.
14. Burger, N., Laachachi, A., Ferriol, M., Lutz, M., Toniazzo, V., & Ruch, D. Review of thermal conductivity in composites: Mechanisms, parameters and theory. Progress in Polymer Science, 2016. 61, 1-28.
15. Huang, X., Lin, Y., & Fang, G. Thermal properties of polyvinyl butyral/graphene composites as encapsulation materials for solar cells. Solar Energy, 2018. 161, 187-193.
16. Wang, D., Ren, S., Chen, J., Li, Y., Wang, Z., Xu, J., ... & Fu, J. Healable, highly thermal conductive, flexible polymer composite with excellent mechanical properties and multiple functionalities. Chemical Engineering Journal, 2022. 430, 133163.
17. Jing, X., Li, Y., Zhu, J., Chang, L., Maganti, S., Naik, N., ... & Guo, Z. Improving thermal conductivity of polyethylene/polypropylene by styrene-ethylene-propylene-styrene wrapping hexagonal boron nitride at the phase interface. Advanced Composites and Hybrid Materials, 2022. 5(2), 1090-1099.
18. Behera, A., & Behera, A. Additive Manufacturing Materials. Advanced Materials: An Introduction to Modern Materials Science, 2022. 667-700.
19. Zhang, Z., Gkartzou, E., Jestin, S., Semitekolos, D., Pappas, P. N., Li, X., ... & Dong, H. 3D printing processability of a thermally conductive compound based on carbon nanofiller-modified thermoplastic polyamide 12. Polymers, 2022. 14(3), 470.
20. Тепломасообмін: навч. посіб. Ч. 1. / уклад.: Н. М. Гавалешко; Чернів. нац. ун-т ім. Ю. Федьковича. – Чернівці: Рута, 2015. –88 с.
