A whitepaper from the Compohex project (composites for heat exchangers)

1. This report may only be used wordily or entirely for publication purposes. Texts or publications where this report is issued
have to be approved by the authors before submission.
MATERIALEN VOOR
THERMISCH GELEIDENDE
COMPOSIETEN
SBO project no.150013 funded by

2. TITEL
Materialen voor thermisch geleidende composieten
DATUM
30/10/2018
PAGINA
2/4
1 KUNSTSTOF VS. METAAL
Polymeren of plastics hebben de inherente eigenschap om zowel elektrisch- als warmte-isolerend te
zijn, dit door het gebrek aan vrije elektronen (elektrisch en warmte) of lage orde in hun structuur
(warmte). Dit is in sterk contrast met de meeste metalen, die zowel een geordende, kristallijne
structuur als vrije elektronen bezitten. De warmtegeleiding of thermische conductiviteit (TC) van vaak
gebruikte metalen in warmtewisselaars en enkele plastics staan weergegeven in tabel 1.
Ook vertonen polymeren over het algemeen mindere mechanische eigenschappen vergeleken met
metalen, en zijn deze eigenschappen vaak sterk temperatuursafhankelijk. Aan de andere kant bieden
polymeren verschillende voordelen zoals vrijheid in ontwerp, laag gewicht, vaak lagere kostprijs en
corrosieresistentie. Het ruime assortiment aan polymeren staat bovendien toe om eigenschappen
zoals impactbestendigheid, chemische resistentie, kostprijs, en andere af te stemmen op de bedoelde
applicatie.
Tabel 1: Warmtegeleiding van verschillende metalen en plastics
Metaal TC (W m-1
K-1
) Plastic TC (W m-1
K-1
)
Aluminium 247 Hoge Densiteit polyetheen (HDPE) 0,45-0,52
Koper 483 Polypropyleen (PP) 0,14
Titanium 19 Polystyreen (PS) 0,14
Roestvrij staal 410 22 Polymethylmethacrylaat (PMMA) 0,25
Alloy 600 15 Nylon-6.6 (PA6,6) 0,25
Alloy 800 12 Polyetheretherketon (PEEK) 0,25
Hastelloy C 13 Polyvinyl chloride (PVC) 0.17
2 WARMTEGELEIDING VAN COMPOSIETMATERIALEN
De efficiëntie van een warmtewisselaar wordt weergegeven door de warmteoverdracht q. Er bestaan
verschillende manieren om deze warmteoverdracht te verbeteren. Het vergroten van het
warmtewisselende oppervlakte of het dunner maken van de scheidingswand tussen de vloeistoffen
zijn mogelijk, maar omwille van respectievelijk limitatie op grootte en beperkte sterkte van polymeren
zijn deze minder aangewezen. Door de lage warmtegeleiding van de polymeren op te drijven kan de
warmtewisselaar eveneens efficiënter werken.
Gezien polymeren niet over vrije elektronen beschikken en omdat de hoge graden van kristalliniteit
nodig voor hoge warmtegeleiding op industrieel niveau moeilijk haalbaar zijn, worden er
warmtegeleidende vulstoffen aan het polymeer toegevoegd. Deze kunnen onderverdeeld worden in 3
categorieën: metalen, metaaloxides en niet-metalen. Omwille van kostprijs en efficiëntie wordt grafiet
het vaakst als vulstof gebruikt. De thermische conductiviteit van composieten stijgt initieel zeer
langzaam bij toevoegen van vulstoffen. Pas op het moment dat de vulstoffen in voldoende mate
aanwezig zijn zodat er een netwerk kan gevormd worden tussen de verschillende vulstoffen, zal de
stijging in warmtegeleiding significant zijn. Bij dergelijke hoeveelheden vulstoffen kunnen
mechanische eigenschappen zoals treksterkte en breukrek (ductiliteit) aanzienlijk dalen. Om deze
reden gaat men vaak ook glas- of koolstofvezel toevoegen. Ook het vloeigedrag van de composieten
wordt verstoord door de aanwezigheid van de vulstoffen, omwille van een sterke toename van de
viscositeit.

3. TITEL
Materialen voor thermisch geleidende composieten
DATUM
30/10/2018
PAGINA
3/4
Omwille van de sterke toename in thermische conductiviteit bij netwerkvorming, wordt vaak gekozen
om vulstoffen met een hoge aspect-ratio toe te voegen, zoals ook het geval is bij grafiet. Ook de
dispersie van de vulstoffen kan een invloed hebben op de thermische conductiviteit van het geheel.
3 VERWERKING
De verwerkingsmethode van het verkregen composiet kan niet losgekoppeld worden van de
uiteindelijke thermische eigenschappen. Bij verwerking van thermoplasten zijn de 3 meest gebruikte
technieken: extrusie, injectie en compressie.
3.1 Compressie
Bij compressie vloeit het composiet weinig, wat wil zeggen dat het eindproduct isotroop zal zijn.
Compressie word echter minder gebruikt gezien trage cyclustijden, veel materiaalverlies en vaak
gebrek aan automatisatie.
3.2 Injectie en extrusie
Tijdens injectie en extrusie-processen ondervindt het polymeer veel vloei, waardoor de vulstoffen zich
zullen oriënteren en het uiteindelijke product anisotrope eigenschappen zal hebben. Dit resulteert
meestal in een hoge thermische conductiviteit in de vloeirichting (in-plane) en een lage thermische
conductiviteit loodrecht op de vloeirichting (through-plane). Voor efficiënte warmtewisseling is er
echter een hoge through-plane warmtegeleiding nodig. De slechte vloei door de hoge hoeveelheden
aan vulstoffen beperken ook de verwerkbaarheid via injectie en extrusie.
Vooral bij extrusie is het moeilijk om hoge percentages vulstoffen te verwerken, waardoor de stijging
in warmtegeleiding bij extrusie meestal gelimiteerd blijft tot een stijging in de in-plane richting. Bij
injectie zijn hogere matrijs- en smelttemperaturen en hogere injectiedrukken nodig om thermisch
geleidende composieten te verwerken.
Figuur 1: oriëntatie van vulstoffen bij (A) compression molding en (B) injection molding. Compression molding zal
resulteren in een min of meer isotroop materiaal, terwijl injection molded materialen sterk anisotroop gedrag
zullen vertonen

4. TITEL
Materialen voor thermisch geleidende composieten
DATUM
30/10/2018
PAGINA
4/4
4 COMMERCIELE VERKRIJGBAARHEID
Er zijn reeds heel wat thermisch conductieve composieten op de markt verkrijgbaar. Deze worden
aangeboden in een brede waaier van matrixmaterialen en zijn vaak gevuld met grafiet. Enkele
voorbeelden zijn terug te vinden in tabel 2. Ook opvallend is dat, zoals eerder vermeld, het aanbod
aan extrudeerbare composieten beperkt is. De thermische conductiviteit van deze blends is aan de
lage kant.
Tabel 2: enkele commercieel verkrijgbare warmtegeleidende polymeren
Ontwikkelaar Matrix Toepassing TC in-plane (W/mK) TC through-plane (W/mK)
Covestro polycarbonaat injectie 8,1 0,8
Covestro polycarbonaat extrusie 1,4 0,3
Polyone polyfenylsulfide extrusie-
injectie
0,8-1,2 0,7-1,1
Polyone Nylon 6,6 injectie 13-16 2-2,5
RTP HDPE injectie 5 1,2
RTP PPA injectie 6 1,2