Effet réticulant de l'additif borax sur les propriétés thermiques du polymère

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16029 (2022) Citer cet article

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Récemment, des matériaux à base de polymères ont été utilisés dans divers domaines d'application, mais leur faible conductivité thermique restreint leurs utilisations en raison de la haute résistance thermique interfaciale. Par conséquent, dans cette étude, des charges unidimensionnelles de nanotubes de carbone à paroi mince (1D-TWCNT) et de nanofeuilles de nitrure de bore bidimensionnelles (2D-BNNS) ont été utilisées pour améliorer les propriétés thermiques de l'alcool polyvinylique (PVA). Un facteur important à prendre en compte pour améliorer les propriétés thermiques du PVA est la stratégie de configuration interfaciale, qui fournit des voies suffisantes pour le transport des phonons et la perte contrôlée des propriétés thermiques intrinsèques du nanomatériau de charge. Dans cette étude, l’effet de l’additif tétraborate de sodium (borax) sur les propriétés thermiques des nanocomposites 1D-TWCNT/PVA et 2D-BNNS/PVA a été exploré. Le Borax est un additif de réticulation bien connu qui peut être utilisé avec le PVA. La densité de réticulation du nanocomposite PVA-borax a été contrôlée en modifiant sa concentration en ions borate. L'ajout de borax dans les nanocomposites améliore la conductivité des nanocomposites 1D-TWCNT/PVA jusqu'à 14,5 % (4 % en poids de borax) et du nanocomposite 2D-BNNS/PVA jusqu'à 30,6 % pour le BNNS (2 % en poids de borax). Ainsi, lorsque du borax a été ajouté, le nanocomposite 2D-BNNS/PVA a montré de meilleurs résultats que le nanocomposite 1D-TWCNT/PVA.

La gestion thermique est devenue de plus en plus importante en raison de la dissipation thermique excessive résultant des exigences de performances accrues et de l'intégration haute densité des dispositifs électriques/électroniques1. Des espaces ou des vides sont présents entre le composant électronique et le dissipateur thermique en raison de la surface non uniforme, ce qui entraîne une résistance élevée de l'interface thermique (Kapitza)2. Par conséquent, le matériau d’interface thermique (TIM) utilisé entre la source de chaleur et le dissipateur thermique joue un rôle important dans la dissipation efficace de la chaleur3,4. Les matériaux à base de polymères sont couramment utilisés dans les TIM, notamment en raison de leur facilité de traitement, de leur flexibilité et de leur faible coût. Cependant, la conductivité thermique des matériaux à base de polymères est faible (par exemple 0,19 W/m∙K). Par conséquent, l'incorporation de nanomatériaux de charge hautement conducteurs thermiquement tels que le graphène, les nanotubes de carbone (CNT), le nitrure de bore, etc. dans le polymère (matrice) à utiliser comme TIM est l'une des tendances de recherche actuelles pour améliorer la zone de contact entre l'électronique. Composant et dissipateur thermique1. Dans cette étude, des CNT unidimensionnels à paroi mince (1D-TWCNT) et du nitrure de bore (BN) ont été utilisés comme matériaux de remplissage.

Les NTC unidimensionnels présentent d'excellentes caractéristiques pour améliorer la conductivité thermique en raison de leur conductivité thermique supérieure de 1 000 à 3 000 W/m∙K5,6 dans la nature. La conductivité thermique dépend fortement de la formation d'un réseau conducteur continu à l'intérieur du matériau. Cependant, une augmentation de la teneur en NTC provoque une diffusion de phonons interfaciale résultant des jonctions des NTC et des matériaux de base (par exemple des polymères), ce qui peut limiter l'augmentation de la conductivité thermique. Par conséquent, il est nécessaire de contrôler la fraction de charge pour maintenir suffisamment les propriétés mécaniques et autres du composite tout en maintenant une conductivité thermique élevée. Dans diverses publications, des nanocomposites à base de NTC avec diverses matrices polymères telles que l'alcool polyvinylique (PVA), le polydiméthylsiloxane (PDMS), le polyimide (PI), le polystyrène (PS), le polycarbonate (PC) et l'époxy ont été proposés comme matériaux TIM7,8, 9,10,11,12. De plus, bien que les NTC présentent de nombreux avantages pour la conduction thermique, leur utilisation dans des applications industrielles nécessitant une isolation électrique de matériaux thermiquement conducteurs est limitée, notamment en raison de leur nature métallique ou semi-conductrice.

Le BN bidimensionnel est considéré comme un candidat prometteur en tant que charge car ce sont d’excellents isolants électriques avec une inertie chimique et des interactions intercouches élevées, ainsi que d’excellentes propriétés thermiques et mécaniques similaires à celles des NTC13,14. Ainsi, il peut être utilisé comme charge pour améliorer la faible conductivité thermique des polymères dans TIM15,16,17,18,19. Le h-BN (BN hexagonal) a une conductivité thermique pouvant atteindre 400 W/m∙K à température ambiante20, ce qui est supérieur à celui de la plupart des matériaux métalliques et céramiques. Le h-BN présente des caractéristiques d'anisotropie typiques dans les propriétés thermophysiques (c'est-à-dire la conductivité thermique) : une conductivité thermique dans le plan élevée de 300 à 600 W/m∙K dans la direction parallèle au plan cristallin et un plan traversant relativement faible. conductivité thermique de 20 à 30 W/m∙K dans la direction perpendiculaire au plan cristallin. Un nanofeuillet de BN (BNNS) a une structure bidimensionnelle (2D), similaire à la structure géométrique du graphène21. Ces structures 2D peuvent être empilées et maintenues ensemble grâce aux forces de Van der Waals, ce qui donne lieu à plusieurs couches de nanofeuilles de nitrure de bore. Par conséquent, il est important de disposer chaque couche pour former efficacement un réseau de transport thermique entre les sources de chaleur et les puits lors de l'utilisation de nanofeuilles de BN pour les applications TIM. L'amélioration des propriétés thermiques du PVA en utilisant des BNNS alignés verticalement/horizontalement avec des caractéristiques anisotropes a été étudiée dans des études précédentes15,16. Dans cette étude, un 2D-BNNS a été utilisé comme charge pour obtenir un nanocomposite à base de polymère. La réticulation du PVA à l'aide d'un agent de réticulation, tel que le borax, peut également être utilisée pour améliorer les propriétés thermiques du PVA. La réticulation du PVA à l’aide du borax est mentionnée dans la littérature22,23.