© PST Galileo - Marzo 2014

Polimero termicamente conduttivo Fogli conduttivi

Conducibilità termica ed elettricanei materiali non metallici

Da alcuni anni progettisti, designer e responsabili d’azienda sono alla ricerca di valide soluzioni per la sostituzione dei metalli, usati tradizionalmente per tantissime tipologie di prodotti e componenti. L’esigenza di sostituire i metalli con materiali alternativi è dettata dal peso elevato dei metalli, dai processi produttivi, spesso costosi e limitanti nelle forme ottenibili, e talvolta anche da problemi di corrosione, che spesso costringono a ricorrere a rivestimenti superficiali protettivi che risultano costosi.

Il motivo per cui spesso si realizza un componente in metallo non è tanto legato alle sue caratteristiche meccaniche quanto alle sue elevate proprietà di conducibilità termica ed elettrica. In questi casi i polimeri, noti comunemente come materiali isolanti, fino a poco tempo fa erano sempre stati scartati.

Oggi però il mercato propone ottime soluzioni conduttive in materiale plastico, spesso disponibile in granulo e processabile per iniezione come tutti i polimeri termoplastici. Si tratta nello specifico di polimeri conduttori sia elettrici che termici oppure soltanto termici, che riducono i costi e permettono la realizzazione di nuove forme e l’adozione di nuove soluzioni estetiche.

Per quanto riguarda le plastiche elettricamente conduttive, si possono distinguere soluzioni con valori di conducibilità diversa; a partire da livelli di conduttività più bassi e quelli più alti, queste tipologie di polimeri si dividono in ‘antistatiche’, in grado cioè di dissipare le cariche elettrostatiche superficiali, ‘conduttive’ (con valori intermedi) e infine ‘schermanti’, che grazie alla loro conducibilità elettrica piuttosto elevata riescono a fungere da schermo alle radiazioni elettromagnetiche, che sono sempre più diffuse nell’ambiente che ci circonda.

Se si confrontano i dati numerici legati alla resistività di queste soluzioni, le proprietà elettriche di questi polimeri non sono comparabili con quelle dei metalli; l’applicazione di questi polimeri è però possibile e vantaggiosa in tutte le applicazioni in cui le prestazioni del metallo tradizionale sono sovradimensionate rispetto a quelle richieste o in cui una drastica riduzione dei pesi è prioritaria rispetto alle performance termo-elettriche. Questi polimeri possono essere definiti conduttivi grazie a cariche ‘speciali’ che possono essere di tipo diverso (fibre metalliche per lo più in acciaio o rame; cariche a base carbonio, sotto forma di polveri, fibre, e nanotubi, talvolta rivestite in metallo), che vengono incluse nella resina in percentuale diversa, a seconda della prestazione richiesta.

La combinazione di cariche e resine diverse permette la realizzazione di una gamma ampia di polimeri, in grado di soddisfare molteplici esigenze. La stessa ampiezza di prodotti si riscontra anche tra i polimeri termicamente conduttivi, che grazie all’utilizzo di cariche, per lo più di tipo ceramico, offrono valori di conducibilità termica compresi tra 1 e 40 W/mK.

I vantaggi dell’impiego di polimeri conduttivi, sia termici che elettrici, in sostituzione dei metalli tradizionali, sono così riassumibili:- riduzione dei pesi;- flessibilità nelle forme durante la progettazione, grazie alla versatilità del processo di iniezione e di sovrainiezione;- processo produttivo più economico, anche dal punto di vista energetico;- versatilità e adattabilità delle diverse soluzioni (variando tipo di resina e tipo e quantità di carica);- idoneità all’impiego su macchine da stampaggio plastico tradizionali;- assenza di fenomeni corrosivi;- possibilità di colorazione in massa (anche se limitata).

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Intonaco conduttivo e schermante Film conduttivo a base carbonio

Le resine impiegate sono il Polipropilene (PP), la Poliammide (PA6 – PA66 - PA12 – PA46), la Poliammide semiaromatica (PPA), il Polifenilsolfuro (PPS), il Policarbonato e suoi blend (PC e PC/ABS), la Polieterimmide (PEI), i Polimeri a cristalli liquidi (LCP), l’Acetalica (POM), i Poliesteri (come il PBT) e gli elastomeri termoplastici (TPE). Si passa quindi da polimeri tradizionali a plastiche molto tecniche e dalle proprietà intrinseche elevate, incrementabili con l’aggiunta di fibre di vetro.

I polimeri schermanti vengono applicati ad esempio per la realizzazione di involucri per l’elettronica o di elementi di ascensori; quelli termicamente conduttivi sono spesso utilizzati per realizzare dissipatori di calore, come quelli abbinati alle nuove fonti luminose a LED.

Oltre a polimeri termoplastici da iniezione sono disponibili anche alcune tipologie di siliconi che offrono proprietà schermanti alle radiazioni elettromagnetiche, che garantiscono proprietà come la morbidezza, l’elasticità e caratteristiche sigillanti, che sono necessarie per la realizzazione di guarnizioni. Quando sono a contatto una sorgente di calore e un dissipatore, le cui superfici sono spesso caratterizzate da dimensioni e geometrie diverse, è necessario impiegare un’interfaccia che le colleghi ottimizzando il più possibile lo scambio termico.

Sono disponibili sul mercato degli adesivi (nastri con 50 ÷ 280 micron di spessore) e delle colle che, pur essendo a base polimerica (acrilica o epossidica), rappresentano delle ottime soluzioni in applicazioni di questo tipo. Inoltre si possono trovare anche fogli, più o meno spessi, morbidi ed elastici, che garantiscono conducibilità termiche comprese tra 2,5 e 10 W/mK e che, rispetto alle soluzioni tradizionali, non risultano fragili (come le ceramiche) e non degradano nel tempo (come i grassi). Entrambe le tipologie offrono conducibilità termica e isolamento elettrico.

Sono impiegate principalmente nell’elettronica, nella microelettronica, dove la miniaturizzazione delle geometrie richiede maggiori capacità di scambio termico, nel settore delle telecomunicazioni, degli elettrodomestici, dei componenti audio-video e dei convertitori elettrici.

La loro elasticità permette di ottimizzare lo scambio termico anche tra superfici irregolari e di resistere a sforzi meccanici durante l’assemblaggio o il servizio.

Oltre ai materiali conduttivi a base polimerica, sono disponibili oggi sul mercato anche degli intonaci con elevata conducibilità termica ed elettrica e che sono costituiti da argilla, sabbia naturale e grafite espansa. I substrati, che devono essere asciutti, assorbenti, al riparo dal gelo e privi di vecchi rivestimenti, possono essere in mattone, argilla, cemento cellulare, intonaco, cartongesso e legno. Le applicazioni principali riguardano il settore dell’edilizia e dell’arredo, dove sono usati per sistemi di riscaldamento a parete oppure come schermatura elettromagnetica.

Quando è richiesta sia una buona conducibilità che resistenza alle alte temperature, i materiali polimerici non possono rappresentare una buona soluzione. In questi casi si può ricorrere a materiali compositi molto performanti, in cui sia la fibra che la matrice sono a base carbonio. Rispetto ai metalli, questi materiali, oltre a resistere a temperature più elevate, sono più leggeri e offrono un basso coefficiente di espansione termica; sono sia conduttori elettrici che termici con valori che dipendono della direzione di misurazione rispetto al tessuto.

Questi particolari compositi sono forniti in forma di lastre, tubi o profili e poi eventualmente lavorati da pieno a seconda della geometria richiesta. Sono utilizzati in applicazioni di nicchia, come i supporti in colonne di separazione nell’industria chimica, nell’industria del vetro o in elementi di riscaldamento in altri ambiti industriali.

Sempre grazie all’utilizzo del carbonio, sono stati sviluppati alcune tipologie di rivestimenti che offrono buone proprietà di conducibilità elettrica in grado di sostituire le tradizionali resistenze elettriche. Rispetto infatti a queste ultime, che solitamente sono legate a geometrie a serpentina, questi rivestimenti, applicati come una vernice (manualmente o meccanicamente), possono coprire in modo uniforme e senza ‘hot-spot’ (zone calde concentrate) la superficie da rendere conduttiva.

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Tessuto sintetico con rivestimento metallico Tessuto elastico conduttivo

In questo modo (sfruttando il noto effetto Joule), tantissime tipologie di materiali diversi diventano superfici riscaldanti, uniformi, senza punti di accumulo e soprattutto funzionanti anche in caso di rottura in un punto.

Questi rivestimenti garantiscono facili connessioni elettriche, funzionamento anche a bassi voltaggi, alto potere riscaldante, caratteristiche superficiali di durezza o di elasticità a seconda della richiesta e un basso costo rispetto ai sistemi tradizionali. A seconda della composizione, vengono forniti rivestimenti che raggiungono temperature massime che variano dai 100 °C fino ai 500 °C. Vengono solitamente impiegati nell’arredo per realizzare pareti o pavimentazioni riscaldanti oppure in edilizia per il riscaldamento anti-gelo di rampe o coperture. Questi rivestimenti si utilizzano anche per la produzione di film sottili e flessibili dove l’elemento resistivo in carbonio è inserito tra due film trasparenti in poliestere. Sono impiegati anche nel settore automotive per realizzare parti riscaldanti di pannelli auto o volanti; nell’industria chimica come rivestimenti di condotte per carburanti/olii per evitare fenomeni di gelificazione; nell’industria eolica come rivestimenti anti-ghiaccio di pale.

Per supporti porosi, come tessuti, pelli o tessuti-non-tessuti, esistono alcune versioni che vengono impregnate e sono impiegate soprattutto per interni auto. Infine, altre tipologie di rivestimenti sono realizzate ricorrendo a cariche ‘nano’ (nanotubi), che garantiscono elevate proprietà elettricamente conduttive e schermanti: rispetto a sistemi tradizionali, la quantità di radiazioni assorbite è molto più elevata di quelle riflesse.

Oltre ai rivestimenti conduttivi a base carbonio, di colore nero, esistono anche depositi superficiali completamente trasparenti, che garantiscono elevati valori di conducibilità elettrica. Le prime soluzioni apparse sul mercato sono rivestimenti ITO e ATO, a base di ossidi di indio-stagno oppure di stagno-antimonio, che vengono depositati con processi sol-gel o sottovuoto via sputtering; in questo modo substrati trasparenti come vetri, policarbonati, acrilici e film poliesteri diventano prodotti conduttivi ma completamente incolori. Usufruiscono di queste tecnologie i display a cristalli liquidi (LCD), i display elettroluminescenti (ELD) e i moderni OLED (Organic Lighit Emitting Diode).

La nuova generazione di rivestimenti conduttivi e trasparenti impiega invece soluzioni polimeriche opportunamente ‘doppate’, che offrono consistenti vantaggi rispetto ai coating ITO o ATO. Infatti queste soluzioni liquide possono essere depositate con processi più semplici (spray, rullo, immersione o spin-coating e addirittura con tecniche di stampa come la flessografica e la serigrafica) e risultano più flessibili con minori rischi di formare cricche. Infine, non contengono metalli rari (come l’indio nell’ITO), che sono costosi e spesso difficili da reperire. Questi rivestimenti trovano applicazione nell’ambito dei film fotografici oppure nel packaging per elettronica o per camere bianche, dove si deve evitare il rischio di scariche elettrostatiche; recentemente vengono utilizzati anche in display, celle solari, transistori, LED e schermi TV miniaturizzati.

Un’altra famiglia di materiali che, grazie a particolari tecnologie, può offrire innovative caratteristiche di conducibilità è quella dei tessuti. Sono infatti disponibili diverse tipologie di tessuti o di tessuti-non-tessuti che, a base sintetica, presentano rivestimenti metallici sottilissimi, che mantengono la flessibilità del supporto tessile e garantiscono buona conducibilità. In altri casi dei filamenti metallici sono tessuti assieme alle fibre sintetiche oppure accoppiati per torcitura a fibre, naturali o sintetiche.

Alcune aziende propongono tessuti o termocoperte dove sono cucite in modo tradizionale dei cavi elettrici innovativi; al posto dei fili in rame, il cavetto racchiude fibre sottili in carbonio, che, rispetto al rame, non presenta inerzia termica e garantisce maggiore rapidità durante il riscaldamento (e raffreddamento), maggiore durata nel tempo, maggiore efficacia in un ampio intervallo termico, assenza di fenomeni ossidativi, flessibilità e minore formazione di campi elettromagnetici.

Infine per il riscaldamento di pavimenti e pareti si possono impiegare anche dei tessuti-non-tessuti, molto sottili e flessibili, sempre a base di fibre di carbonio; con pesi estremamente ridotti si ottengono effetti riscaldanti uniformi, adatti per voltaggi variabili tra 4 e 400 V e potenze fino a 0,8 W/cm2. Anche se forati, questi materiali non perdono di efficacia e, grazie alla loro insensibilità all’acqua, possono essere impiegati anche in luoghi umidi come bagni o saune.