Conducibilità termica ed elettrica nei materiali non metallici

Conducibilità termica ed elettrica
nei 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.
Polimero termicamente conduttivo
© PST Galileo - Marzo 2014
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).
Fogli conduttivi
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Intonaco conduttivo e schermante
© PST Galileo - Marzo 2014
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.
Film conduttivo a base carbonio
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-nontessuti, 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).
Tessuto sintetico con rivestimento metallico
© PST Galileo - Marzo 2014
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.
Tessuto elastico conduttivo