ポリマーの熱特性に対するホウ砂添加剤の架橋効果

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16029 (2022) この記事を引用

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近年、高分子系材料が様々な分野で使用されていますが、熱伝導率が低く、界面熱抵抗が高いため用途が制限されています。 したがって、この研究では、一次元薄壁カーボン ナノチューブ (1D-TWCNT) および二次元窒化ホウ素ナノシート (2D-BNNS) フィラーを使用して、ポリビニル アルコール (PVA) の熱特性を向上させました。 PVA の熱特性を高める際に考慮すべき重要な要素は、フォノン輸送に十分な経路を提供し、フィラー ナノマテリアルの固有の熱特性の損失を制御する界面構成戦略です。 この研究では、1D-TWCNT/PVA および 2D-BNNS/PVA ナノ複合材料の熱特性に対する四ホウ酸ナトリウム (ホウ砂) 添加剤の影響を調査しました。 ホウ砂は、PVA と一緒に使用できるよく知られた架橋添加剤です。 PVA-ホウ砂ナノ複合材料の架橋密度は、ホウ酸イオン濃度を変化させることによって制御されました。 ナノ複合材料にホウ砂を添加すると、1D-TWCNT/PVA ナノ複合材料の導電率が最大 14.5% (ホウ砂 4 wt.%)、2D-BNNS/PVA ナノ複合材料の BNNS の導電率が最大 30.6% (2 wt.% ホウ砂) 向上します。 したがって、ホウ砂を添加すると、2D-BNNS/PVA ナノ複合材料は 1D-TWCNT/PVA ナノ複合材料よりも良好な結果を示しました。

電気/電子デバイスの性能要件の強化と高密度集積によって過剰な熱放散が発生するため、熱管理の重要性がますます高まっています1。 表面が不均一であるため、電子部品とヒートシンクの間にギャップまたは空隙が存在し、その結果、熱界面 (カピッツァ) 抵抗が高くなります2。 したがって、熱源とヒートシンクの間に使用されるサーマルインターフェイスマテリアル（TIM）は、熱を効果的に放散する上で重要な役割を果たします3、4。 ポリマーベースの材料は、特に加工の容易さ、柔軟性、低コストのため、TIM で一般的に使用されます。 ただし、ポリマーベースの材料の熱伝導率は低いです (例: 0.19 W/m・K)。 したがって、グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）、窒化ホウ素などの高熱伝導性フィラーナノ材料をポリマー（マトリックス）に組み込んでTIMとして使用することが、電子部品間の接触面積を改善するための現在の研究トレンドの1つです。コンポーネントとヒートシンク1. この研究では、一次元薄壁 CNT (1D-TWCNT) と窒化ホウ素 (BN) をフィラー材料として使用しました。

一次元 CNT は、その性質上 1000 ～ 3000 W/m・K5,6 の優れた熱伝導率を有するため、熱伝導率の向上に優れた特性を示します。 熱伝導率は、材料内部の連続的な伝導ネットワークの形成に大きく依存します。 しかし、CNT の含有量が増加すると、CNT と基材 (ポリマーなど) の接合に起因する界面フォノン散乱が発生し、熱伝導率の増加が制限される可能性があります。 したがって、高い熱伝導率を維持しながら複合材料の機械的特性やその他の特性を十分に維持するには、フィラーの割合を制御する必要があります。 さまざまな文献では、ポリビニル アルコール (PVA)、ポリジメチルシロキサン (PDMS)、ポリイミド (PI)、ポリスチレン (PS)、ポリカーボネート (PC)、エポキシなどのさまざまなポリマー マトリックスを含む CNT ベースのナノ複合材料が TIM 材料として提案されています 7,8。 9、10、11、12。 さらに、CNT は熱伝導に関して多くの利点を持っていますが、特にその金属または半導体の性質により、熱伝導性材料の電気絶縁を必要とする産業用途での使用は制限されています。

二次元 BN は、CNT と同様の優れた熱的および機械的特性に加え、高い化学的不活性性と層間相互作用を備えた優れた電気絶縁体であるため、フィラーとしての有望な候補と考えられています13、14。 したがって、TIM15、16、17、18、19 のポリマーの低い熱伝導率を高めるための充填剤として使用できます。 h-BN（六方晶系 BN）の熱伝導率は室温で 400 W/m・K と高く 20、ほとんどの金属やセラミック材料よりも高くなります。 h-BN は、熱物性 (熱伝導率) において典型的な異方性特性を持っています。結晶面に平行な方向で 300 ～ 600 W/m・K の高い面内熱伝導率と、比較的低い面内熱伝導率を示します。結晶面に垂直な方向の熱伝導率が20〜30 W/m・K。 BN ナノシート (BNNS) は、グラフェンの幾何学的構造に似た 2 次元 (2D) 構造を持っています21。 これらの 2D 構造は、ファンデルワールス力によって積み重ねて保持することができ、その結果、窒化ホウ素ナノシートの複数の層が形成されます。 したがって、BN ナノシートを TIM 用途に使用する場合は、熱源と熱シンクの間に熱輸送ネットワークを効果的に形成するように各層を配置することが重要です。 異方性特性を備えた垂直/水平配向 BNNS を使用することによる PVA の熱特性の強化は、以前の研究で調査されています 15、16。 この研究では、ポリマーベースのナノ複合材料を得るために、2D-BNNS を充填剤として使用しました。 ホウ砂などの架橋剤を使用した PVA の架橋も、PVA の熱特性を高めるために使用できます。 ホウ砂を使用した PVA の架橋は文献 22、23 に記載されています。