軽量、低コスト、高い衝撃強度、成形性、カスタマイズ性により、電子機器、照明、自動車エンジンの冷却に役立つ熱可塑性プラスチックの需要が急速に高まっています。#ポリオレフィン
PolyOne の熱伝導性コンパウンドは、LED 照明、ヒートシンク、電子エンクロージャなどの自動車および E/E アプリケーションで使用されます。
コベストロの Makrolon サーマル PC 製品には、LED ランプおよびヒートシンク用のグレードが含まれています。
RTP の熱伝導性コンパウンドは、ラジエーターやより統合された熱放散コンポーネントだけでなく、バ​​ッテリー ボックスなどのハウジングにも使用できます。
電気/電子、自動車、照明、医療機器、産業機械業界の OEM は、ラジエーターやその他の放熱デバイス、LED などの用途向けの新しいソリューションを求めているため、長年にわたって熱伝導性熱可塑性プラスチックに注目してきました。ケースと電池ケースです。
業界調査によると、完全電気自動車、複雑な自動車、大型商用 LED 照明コンポーネントなどの新しい用途によって、これらの材料が 2 桁の速度で成長しています。熱伝導性プラスチックは、金属 (特にアルミニウム) やセラミックなどの従来の材料に対抗するものです。なぜなら、それらには多くの利点があるためです。プラスチックコンパウンドは、軽量で、低コストで、成形が容易で、カスタマイズ可能であり、熱安定性においてより多くの利点を提供できます。 、衝撃強度と耐傷性、耐摩耗性。
熱伝導率を向上させる添加剤には、グラファイト、グラフェン、窒化ホウ素やアルミナなどのセラミックフィラーなどがあります。それらを使用する技術も進歩しており、コスト効率も向上しています。もう 1 つの傾向は、熱伝導性コンパウンドへの低コストのエンジニアリング樹脂 (ナイロン 6 や 66、PC など) の導入であり、これにより、PPS、PSU、PEI などのより一般的に使用される高価な材料が競争にさらされます。
一体何が大騒ぎになっているのでしょうか？RTP の関係者は、「ネット部品を形成する能力、部品数と組み立て工程の削減、重量とコストの削減はすべて、これらの材料の採用の原動力となっています。」と述べています。「電気エンクロージャやコンポーネントのオーバーモールディングなどの特定の用途では、電気絶縁体となる際の熱伝達能力が注目されています。」
BASF 機能性材料事業の電子・電気輸送マーケティング担当マネージャー、ダリア・ナーマニ・ゴールドマン氏は次のように付け加えました。技術の進歩とスペースの制約により、アプリケーションは小型化されており、そのため熱電力の蓄積と普及が注目を集めています。コンポーネントの設置面積が限られている場合、金属製ヒートシンクを追加したり、金属製コンポーネントを挿入したりすることは困難です。」
Naamani-Goldman 氏は、自動車には高電圧アプリケーションが浸透しており、処理能力の需要も高まっていると説明しました。電気自動車のバッテリー パックでは、熱を分散および放散するために金属を使用すると重量が増加するため、これは不人気な選択です。さらに、高電力で動作する金属部品は危険な感電を引き起こす可能性があります。熱伝導性ではあるが非伝導性のプラスチック樹脂により、電気的安全性を維持しながら高電圧が可能になります。
Celaneseのフィールド開発エンジニアのJames Miller氏（2014年にCelaneseが買収したCool Polymersの前身）は、電気・電子部品、特に電気自動車の電気・電子部品は成長とともに部品スペースがますます密集し、縮小し続けていると述べた。「これらのコンポーネントのサイズ縮小を制限する要因の 1 つは、その熱管理機能です。熱伝導性パッケージングのオプションの改善により、デバイスがより小型化され、より効率的になります。」
Miller 氏は、パワー エレクトロニクス機器では、熱伝導性プラスチックをオーバーモールドまたはパッケージングできるが、これは金属やセラミックでは利用できない設計上の選択であると指摘しました。熱を発生する医療機器 (カメラや焼灼コンポーネントを備えた医療機器など) の場合、熱伝導性プラスチックの設計の柔軟性により、機能的なパッケージの軽量化が可能になります。
PolyOne の特殊エンジニアリング材料事業のゼネラルマネージャーである Jean-Paul Scheepens 氏は、自動車および E/E 産業が熱伝導性化合物に対する最大の需要があると指摘しました。同氏は、これらの製品は、設計の自由度が拡大し、表面積の増加により熱安定性が向上するなど、さまざまな顧客や業界のニーズを満たすことができると述べた。熱伝導性ポリマーは、ヒートシンクとハウジングを同じコンポーネントに統合するなど、より軽量なオプションや部品の統合も提供し、より統合された熱管理システムを作成する機能も提供します。射出成形プロセスの経済効率の良さもプラスの要因です。」
コベストロのポリカーボネート担当シニアマーケティングマネージャーであるジョエル・マツコ氏は、熱伝導性プラスチックは主に自動車用途に焦点を当てていると考えています。「密度が約 50% 向上するため、重量を大幅に削減できます。これは電気自動車にも拡張できます。多くのバッテリーモジュールは依然として熱管理に金属を使用しており、ほとんどのモジュールは内部に多くの繰り返し構造を使用しているため、熱伝導率を利用しています。金属をポリマーに置き換えることで節約された重量は急速に増加しました。」
コベストロ氏はまた、大型の商用照明コンポーネントの軽量化の傾向も見ています。Matsco 氏は次のように指摘しています。「高さ 70 ポンドのベイライトではなく 35 ポンドのベイライトは、必要な構造が少なく、設置者が足場を運ぶのが簡単です。」コベストロは、プラスチック部品がコンテナとして機能し、熱管理を提供するルーターなどの電子エンクロージャ プロジェクトも行っています。Matsco 氏は、「すべての市場において、設計によってはコストを最大 20% 削減することも可能です。」と述べています。
PolyOne の Sheepens 社は、自動車および E/E における熱伝導技術の主な用途には、LED 照明、ヒートシンク、電子シャーシ (マザーボード、インバーター ボックス、電源管理/セキュリティ アプリケーションなど) が含まれると述べています。同様に、RTP 情報源は、その熱伝導性化合物がハウジングやヒートシンクに使用されているだけでなく、産業、医療、電子機器のより統合された熱放散コンポーネントにも使用されていると見ています。
コベストロのマツコ氏は、商業用照明の主な用途は金属製ラジエーターの置き換えであると述べた。同様に、ルーターや基地局でも、ハイエンド ネットワーク アプリケーションの熱管理が増加しています。BASFのナーマニ・ゴールドマン氏は、電子部品にはバスバー、高電圧ジャンクションボックスとコネクタ、モーター絶縁体、フロントビューカメラとリアビューカメラが含まれると具体的に指摘した。
Celanese の Miller 氏は、熱伝導性プラスチックは、LED 照明のより高度な熱管理要件を満たす 3D 設計の柔軟性を提供する上で大きな進歩を遂げたと述べました。同氏はさらに、「自動車照明では、当社の CoolPoly 熱伝導性ポリマー (TCP) により、薄型オーバーヘッド照明ハウジングや社外ヘッドライトのアルミニウム製交換用ラジエーターの使用が可能になります。」と付け加えました。
Celanese の Miller 氏は、CoolPoly TCP は、成長を続ける自動車用ヘッドアップ ディスプレイ (HUD) にソリューションを提供します。ダッシュボードのスペース、空気の流れ、熱が限られているため、このアプリケーションでは均一な照明よりも高い熱放散が必要であると述べました。車のこの位置に太陽光が当たります。「熱伝導性プラスチックの重量はアルミニウムよりも軽いため、画像の歪みを引き起こす可能性がある車両のこの部分への衝撃や振動の影響を軽減できます。」
バッテリーケースでは、Celanese は CoolPoly TCP D シリーズを通じて革新的なソリューションを発見しました。これは、電気伝導性を持たずに熱伝導性を提供できるため、比較的厳格なアプリケーションの品質要件を満たすことができます。熱伝導性プラスチックの強化材によって伸びが制限される場合があるため、Celanese の材料専門家は、一般的なグレード (曲げ強度 100 MPa、曲げ弾性率 14 GPa、曲げ弾性率 9 kJ / m2) よりも頑丈なナイロンベースのグレード CoolPoly TCP を開発しました。熱伝導率や密度を犠牲にすることなく、シャルピーノッチ衝撃）を実現します。
CoolPoly TCP は対流設計に柔軟性をもたらし、これまでアルミニウムを使用してきた多くのアプリケーションの熱伝達要件を満たすことができます。射出成形の利点は、アルミニウムダイカストの消費エネルギーがアルミニウムの 3 分の 1 であり、寿命が 6 倍に延びることです。
Covestro の Matsco 氏によると、自動車分野における主な用途は、ヘッドランプ モジュール、フォグ ランプ モジュール、テールライト モジュールのラジエーターの交換です。LED ハイビームおよびロービーム機能用のヒートシンク、LED ライトパイプおよびライトガイド、デイタイムランニングライト (DRL) および方向指示灯はすべて潜在的な用途です。
Matsco 氏は次のように指摘しました。「Makrolon サーマル PC の主な推進力の 1 つは、ヒートシンク機能を照明コンポーネント (反射板、ベゼル、ハウジングなど) に直接統合できることです。これは、複数の射出成形または 2 つの射出成形によって実現されます。コンポーネントメソッド。「通常PCで作られているリフレクターとフレームに、熱伝導性の高いPCを再成型して熱を制御すると密着性が向上し、固定ネジや接着剤の必要性が減ります。要求。これにより、部品数、補助操作、およびシステムレベル全体のコストが削減されます。さらに、電気自動車の分野では、バッテリーモジュールの熱管理とサポート構造にチャンスがあると考えています。」
BASFのナーマニ・ゴールドマン氏（以下、ナーマニ・ゴールドマン）も、電気自動車に関しては、バッテリーセパレーターなどのバッテリーパック部品が非常に有望であると述べた。「リチウムイオン電池は大量の熱を発生しますが、約65℃の一定の環境に置く必要があります。そうしないと、劣化したり故障したりしてしまいます。」
当初、熱伝導性プラスチックコンパウンドは高級エンジニアリング樹脂をベースにしていました。しかし、近年では、ナイロン 6 や 66、PC、PBT などのバッチエンジニアリング樹脂が大きな役割を果たしています。コベストロのマツコ氏は次のように述べた。「これらはすべて野生で発見されたものです。しかし、コスト上の理由により、市場は主にナイロンとポリカーボネートに集中しているようです。」
Scheepens 氏は、PPS は依然として頻繁に使用されているものの、PolyOne のナイロン 6 および 66、および PBT が増加していると述べました。
RTP は、ナイロン、PPS、PBT、PC、PP が最も一般的な樹脂であるが、用途の課題に応じて、PEI、PEEK、PPSU などの多くの高性能熱可塑性樹脂を使用できると述べています。RTP 関係者は次のように述べています。「たとえば、LED ランプのヒートシンクはナイロン 66 複合材料で作ることができ、最大 35 W/mK の熱伝導率を実現できます。頻繁な滅菌に耐える必要がある外科用バッテリーには、PPSU が必要です。電気絶縁特性があり、湿気の蓄積を軽減します。」
ナーマニ・ゴールドマン氏は、BASFにはナイロン6や66グレードを含むいくつかの商用熱伝導性化合物があると述べた。「当社の材料は、モーターハウジングや電気インフラなどのさまざまな用途で生産されています。当社は熱伝導率に対する顧客のニーズを見極め続けており、これは積極的な開発分野です。多くの顧客はどのレベルの導電性が必要なのかを知らないため、効果を発揮するには特定の用途に合わせて材料を調整する必要があります。」
DSM Engineering Plastics は最近、電気自動車の熱管理システムのパフォーマンスを最適化する 40% ガラス繊維強化 PPS である Xytron G4080HR を発売しました。熱老化特性、耐加水分解性、寸法安定性、高温での耐薬品性、および固有の難燃性を考慮して設計されています。
報告によると、この材料は130℃を超える連続使用温度で6000～10000時間の強度を維持できるという。最新の 3000 時間の 135°C 水/グリコール液体テストでは、ザイトロン G4080HR の引張強度は同等の製品と比較して 114% 増加し、破断点伸びは 63% 増加しました。
RTP は、用途の要件に応じて、熱伝導率を向上させるためにさまざまな添加剤を使用できると述べ、次のように指摘しました。「最も人気のある添加剤は引き続きグラファイトなどの添加剤ですが、私たちはグラフェンや新しいセラミック添加剤。。システム。"
後者の例は、Huber Engineered Polymers の Martinswerk Div によって昨年開始されました。レポートによると、アルミナをベースとし、新しいマイグレーション傾向 (帯電など) に対して、マルトキシド シリーズ添加剤の性能は他のアルミナや他の導電性フィラーよりも優れています。Martox は、粒度分布と形態を制御することで強化され、充填率と密度が向上し、独自の表面処理が施されます。報告によれば、機械的特性やレオロジー特性に影響を与えることなく、60% を超える充填量で使用できるとのことです。PP、TPO、ナイロン6および66、ABS、PC、LSRにおいて優れた能力を発揮します。
コベストロ社のマツコ氏は、グラファイトとグラフェンはどちらも広く使用されていると述べ、グラファイトは比較的低コストで適度な熱伝導率を持っているのに対し、グラフェンは通常より高価であるが、熱伝導率には明らかな利点があると指摘した。同氏は次のように付け加えた。「熱伝導性、電気絶縁性（TC/EI）材料が必要になることが多く、この場合には窒化ホウ素などの添加剤が一般的です。残念ながら、何も得られません。この場合、窒化ホウ素により電気絶縁性は向上しますが、熱伝導率は低下します。さらに、窒化ホウ素のコストは非常に高い可能性があるため、TC/EI はコスト増加を早急に証明する必要がある材料性能になる必要があります。
BASF の Naamani-Goldman 氏は次のように述べています。材料を効率的に大量に処理でき、機械的特性が過度に低下しないようにするためです。もう一つの課題は、広く採用できるシステムを構築することです。費用対効果の高いソリューション。」
PolyOne の Scheepens 氏は、炭素ベースのフィラー (グラファイト) とセラミックフィラーの両方が、必要な熱伝導率を達成し、他の電気的および機械的特性のバランスをとることが期待される有望な添加剤であると考えています。
Celaneseのミラー氏は、同社が垂直統合されたベース樹脂の業界で最も幅広い選択肢を組み合わせて、熱伝導率の範囲を0.4～40 W/mKにする独自の成分を提供するさまざまな添加剤を検討したと述べた。
熱伝導性や電気伝導性、熱や難燃性などの多機能性導電性化合物の需要も増加すると思われます。
コベストロの Matsco 氏は、同社が熱伝導性の Makrolon TC8030 および TC8060 PC を発売したとき、顧客はすぐに電気絶縁材料にできないかと尋ね始めたと指摘しました。「解決策はそれほど単純ではありません。EI を改善するために私たちが行うことはすべて、TC に悪影響を及ぼします。現在、当社は Makrolon TC110 ポリカーボネートを提供しており、これらの要件を満たす他のソリューションを開発中です。」
BASFのナーマニ・ゴールドマン氏は、バッテリーパックや高電圧コネクターなど、さまざまな用途には熱伝導率やその他の特性が必要だが、これらはすべて放熱が必要で、リチウムイオンバッテリーを使用する場合は厳しい難燃性基準を満たす必要があると述べた。
PolyOne、RTP、および Celanese はすべて、あらゆる市場セグメントから多機能コンパウンドに対する大きな需要を認識しており、熱伝導性と EMI シールド、高い耐衝撃性、難燃性、電気絶縁性、耐 UV 性や熱安定性などの機能を備えたコンパウンドを提供します。
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