DE112017002227T5 - Verbundstoffe, Verfahren zu ihrer Herstellung und Gegenstände, die diese Verbundstoffe enthalten - Google Patents

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Abstract

Ein Verbundstoff umfasst ein Polymer; und eine Phasenänderungszusammensetzung, die ein ungekapseltes erstes Phasenänderungsmaterial und ein gekapseltes zweites Phasenänderungsmaterial umfasst.

Description

  • HINTERGRUND
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf Verbundstoffe, die Phasenänderungsmaterialien umfassen, und Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Die Schaltungsdesigns für elektronische Geräte wie Fernseher, Radios, Computer, medizinische Instrumente, Büromaschinen und Kommunikationsgeräte werden immer kleiner und dünner. Die zunehmende Leistung von solchen elektronischen Komponenten hat zu einer zunehmenden Wärmeentwicklung geführt. Darüber hinaus werden kleinere elektronische Komponenten dicht auf immer kleinerem Raum gepackt, was zu einer intensiveren Wärmeentwicklung führt. Gleichzeitig müssen temperaturempfindliche Elemente in einem elektronischen Gerät innerhalb einer vorgeschriebenen Betriebstemperatur gehalten werden, um eine signifikante Leistungseinbuße oder gar einen Systemausfall zu vermeiden. Die Hersteller stehen daher weiterhin vor der Herausforderung, die in elektronischen Geräten erzeugte Wärme abzuführen.
  • Dementsprechend besteht weiterhin Bedarf an Verbundstoffen, die ein Phasenänderungsmaterial für das Wärmemanagement von Schaltungen und elektronischen Vorrichtungen umfassen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein Verbundstoff umfasst ein Polymer; und eine Phasenänderungszusammensetzung, die ein ungekapseltes erstes Phasenänderungsmaterial und ein gekapseltes zweites Phasenänderungsmaterial umfasst.
  • Ein Gegenstand umfasst einen Verbundstoff, der ein Polymer umfasst; und eine Phasenänderungszusammensetzung, die ein ungekapseltes erstes Phasenänderungsmaterial und ein gekapseltes zweites Phasenänderungsmaterial umfasst.
  • Ein Verfahren zur Herstellung des Verbundstoffs oder des Gegenstandes umfasst das Kombinieren des Polymers oder einer Prepolymerzusammensetzung, die gegebenenfalls ein Lösungsmittel, das nicht gekapselte erste Phasenänderungsmaterial, das gekapselte zweite Phasenänderungsmaterial und gegebenenfalls einen Zusatzstoff zum Bilden einer Mischung, das Bilden eines Gegenstandes aus der Mischung und das optionale Entfernen des Lösungsmittels zum Herstellen des Verbundstoffs umfasst.
  • Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgende Figur und detaillierte Beschreibung veranschaulicht.
  • Figurenliste
  • Das Folgende ist eine Kurzbschreibung der Zeichnungen, die zur Veranschaulichung der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele und nicht zur Einschränkung derselben vorgelegt werden.
    • 1 ist ein Diagramm, das den Wärmefluss (J/g) als Funktion der Temperatur (°C) zeigt, der durch dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) an einem Ausführungsbeispiel eines Verbundstoffs aus einem Styrol-Butadien (Kraton D1118)/Eicosan/Eicosan/gekapseltem Phasenänderungsmaterial (MPCM 37D) erhalten wurde.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die Erfinder haben festgestellt, dass eine Phasenänderungszusammensetzung, die ein ungekapseltes Phasenänderungsmaterial (PCM) und ein eingekapseltes Phasenänderungsmaterial umfasst, vorteilhaft mit einer Polymermatrix kombiniert werden kann, um Verbundstoffe herzustellen, die eine gute Kombination aus mechanischen Eigenschaften und einer hohen Schmelzwärme bei der Phasenübergangstemperatur aufweisen. Diese Verbundstoffe eignen sich besonders gut für den hervorragenden Wärmeschutz von elektronischen Geräten.
  • Dementsprechend ist hierin ein Phasenänderungsmaterial-basierter Verbundstoff offenbart. Der Verbundstoff umfasst eine Phasenänderungszusammensetzung, die ein nicht gekapseltes erstes Phasenänderungsmaterial und ein gekapseltes zweites Phasenänderungsmaterial umfasst. Die Phasenänderungszusammensetzung ist in einer Polymermatrix, und zwar vorzugsweise gleichmäßig dispergiert, vorhanden.
  • Ein Phasenänderungsmaterial ist eine Substanz mit hoher Schmelzwärme, die in der Lage ist, beim Schmelzen bzw. Verfestigen hohe Mengen an latenter Wärme aufzunehmen und abzugeben. Während der Phasenänderung bleibt die Temperatur des Phasenänderungsmaterials nahezu konstant. Das Phasenänderungsmaterial hemmt oder stoppt den Fluss von Wärmeenergie durch das Material während der Zeit, in der das Phasenänderungsmaterial Wärme absorbiert oder freisetzt, typischerweise während der Phasenänderung des Materials. In einigen Fällen kann ein Phasenänderungsmaterial in der Lage sein, den Wärmeaustausch während einer Zeitspanne zu hemmen, in der das Phasenänderungsmaterial Wärme absorbiert oder abgibt, typischerweise da das Phasenänderungsmaterial einen Übergang zwischen zwei Zuständen durchläuft. Dieser Vorgang ist typischerweise vorübergehend und tritt ein, bis eine latente Wärme des Phasenänderungsmaterials während eines Heiz- oder Kühlvorgangs aufgenommen oder freigesetzt wird. Wärme kann gespeichert oder aus einem Phasenänderungsmaterial entzogen werden, und das Phasenänderungsmaterial kann typischerweise durch eine Wärme- oder Kältequelle effektiv wieder aufgeladen werden.
  • Phasenänderungsmaterialien weisen daher eine charakteristische Übergangstemperatur auf. Der Begriff „Übergangstemperatur“ oder „Phasenänderungstemperatur“ bezieht sich auf eine ungefähre Temperatur, bei der ein Material einen Übergang zwischen zwei Zuständen durchläuft. In einigen Ausführungsformen, z.B. für ein handelsübliches Paraffinwachs mit gemischter Zusammensetzung, kann die Übergangstemperatur ein Temperaturbereich sein, in dem der Phasenübergang stattfindet.
  • Grundsätzlich ist es möglich, in den Verbundstoffen Phasenänderungsmaterialien mit einer Phasenänderungstemperatur von -100 °C bis 150 °C einzusetzen. Für den Einsatz in elektrischen und elektronischen Komponenten können die in die Verbundstoffe eingearbeiteten Phasenänderungsmaterialien eine Phasenänderungstemperatur von 0 °C bis 115° C, 10 °C bis 105° C, 20 °C bis 100° C oder 30 °C bis 95° C aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Phasenänderungszusammensetzung eine Schmelztemperatur von 5 °C bis 70 °C, 25 °C bis 50 °C oder 30 °C bis 45 °C oder 35 °C bis 40 °C auf.
  • Die Auswahl eines Phasenänderungsmaterials hängt typischerweise von der Übergangstemperatur ab, die für eine bestimmte Anwendung gewünscht wird, die das Phasenänderungsmaterial einschließen soll. So kann beispielsweise ein Phasenänderungsmaterial mit einer Übergangstemperatur nahe der normalen Körpertemperatur oder um 37 °C für Elektronikanwendungen wünschenswert sein, um Verletzungen des Benutzers zu vermeiden und überhitzte Komponenten zu schützen. Ein Phasenänderungsmaterial kann nach einigen Ausführungsformen eine Übergangstemperatur im Bereich von -5 bis 150 °C aufweisen. In einer Ausführungsform beträgt die Übergangstemperatur 0 °C bis 90 °C. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Übergangstemperatur 30 bis 70 °C. In einer weiteren Ausführungsform weist das Phasenänderungsmaterial eine Übergangstemperatur von 35 bis 60 °C auf.
  • Die Übergangstemperatur kann durch Ändern der Reinheit des Phasenänderungsmaterials, der Molekularstruktur, der Mischung von Phasenänderungsmaterialien und deren Mischungen erweitert oder verengt werden.
  • Das erste Phasenänderungsmaterial und das zweite Phasenänderungsmaterial können identisch oder unterschiedlich sein. Ebenso kann das erste Phasenänderungsmaterial oder das zweite Phasenänderungsmaterial individuell als ein einzelnes Material oder eine Mischung von Materialien gewählt werden. Für bestimmte Ausführungsformen sind das erste Phasenänderungsmaterial und das zweite Phasenänderungsmaterial unterschiedliche Materialien. Durch die Auswahl von zwei oder mehr verschiedenen Materialien und die Bildung einer Mischung kann der Temperaturstabilisierungsbereich des Phasenänderungsmaterials für jede gewünschte Anwendung eingestellt werden. Ein Temperaturstabilisierungsbereich kann eine bestimmte Übergangstemperatur oder einen Bereich von Übergangstemperaturen einschließen. Das resultierende Gemisch kann zwei oder mehr unterschiedliche Übergangstemperaturen oder eine einzige modifizierte Übergangstemperatur aufweisen, wenn es in die hierin beschriebenen Verbundstoffe eingearbeitet wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, mehrere oder breite Übergangstemperaturen zu haben. Wenn eine einzige schmale Übergangstemperatur verwendet wird, kann dies zu einem Wärme-/Energieaufbau vor Erreichen der Übergangstemperatur führen. Sobald die Übergangstemperatur erreicht ist, wird Energie absorbiert, bis die latente Energie verbraucht ist, und die Temperatur steigt dann weiter an. Breite oder mehrfache Übergangstemperaturen ermöglichen eine Temperaturregelung und Wärmeabsorption, sobald die Temperatur ansteigt, was den Aufbau von Wärme/Energie mindert. Mehrere oder breite Übergangstemperaturen können auch effizienter helfen, Wärme von einem Bauteil wegzuleiten, indem sie Wärmeabsorptionen überlagern oder staffeln. Zum Beispiel für einen Verbundstoff, der ein erstes Phasenänderungsmaterial (PCM1), das bei 35-40 °C absorbiert, und ein zweites Phasenänderungsmaterial (PCM2), das bei 38-45 °C absorbiert, enthält, beginnt PCM1 mit der Absorption und Steuerung der Temperatur, bis ein Großteil der latenten Wärme genutzt wird, wobei PCM2 dann beginnt, Energie aus PCM1 zu absorbieren und zu leiten, wodurch PCM1 aufgefrischt wird und sich seine Funktion aufrechterhalten lässt.
  • Die Auswahl des Phasenänderungsmaterials kann von der latenten Wärme des Phasenänderungsmaterials abhängig sein. Eine latente Wärme des Phasenänderungsmaterials korreliert typischerweise mit seiner Fähigkeit, Energie/Wärme aufzunehmen und abzugeben oder die Wärmeübertragungseigenschaften des Artikels zu modifizieren. In einigen Fällen kann das Phasenänderungsmaterial eine latente Schmelzwärme von mindestens 20 J/g aufweisen, wie beispielsweise mindestens 40 J/g, mindestens 50 J/g, mindestens 70 J/g, mindestens 80 J/g, mindestens 90 J/g oder mindestens 100 J/g. So kann das Phasenänderungsmaterial beispielsweise eine latente Wärme von 20 J/g bis 400 J/g aufweisen, wie beispielsweise 60 J/g bis 400 J/g, 80 J/g bis 400 J/g oder 100 J/g bis 400 J/g.
  • Als Phasenänderungsmaterialien können verschiedene organische und anorganische Substanzen verwendet werden. Beispiele für Phasenänderungsmaterialien sind Kohlenwasserstoffe (z.B. geradkettige Alkane oder paraffinische Kohlenwasserstoffe, verzweigtkettige Alkane, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe und alicyclische Kohlenwasserstoffe), Silikonwachs, Alkane, Alkane, Alkene, Alkine, Arenen, hydratisierte Salze (z.B.., Calciumchlorid-Hexahydrat, Calciumbromid-Hexahydrat, Magnesiumnitrat-Hexahydrat, Lithiumnitrat-Trihydrat, Kaliumfluorid-Tetrahydrat, Ammoniumaluminium, Magnesiumchlorid-Hexahydrat, Natriumcarbonat-Decahydrat, Dinatriumphosphat-Dodecahydrat, Natriumsulfat-Decahydrat und Natriumacetat-Trihydrat), Wachse, Öle, Wasser, Fettsäuren (Kapronsäure, Caprylsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Arachinsäure, Behensäure, Lignocerinsäure und Cerotinsäure, etc.), Fettsäureester (Methylcaprylat, Methylcaprat, Methyllaurat, Methylmyristat, Methylpalmitat, Methylstearat, Methylarachidat, Methylbehenat, Methyllignocerat und dergleichen), Fettalkohole (Caprylalkohol, Laurylalkohol, Myristylalkohol, Cetylalkohol, Stearylalkohol, Arachidylalkohol, Behenylalkohol, Lignocerylalkohol, Cerylalkohol, Montanylalkohol, Myricylalkohol und Gelddylalkohol und dergleichen), zweibasige Säuren, zweibasige Ester, 1-Halogenide, primäre Alkohole, sekundäre Alkohole, tertiäre Alkohole, aromatische Verbindungen, Clathrate, Semiclathrate, Gasclathrate, Anhydride (e.g., Stearinsäureanhydrid), Ethylencarbonat, Methylester, mehrwertige Alkohole (z.B, 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol, 2-Hydroxymethyl-2-methyl-1,3-propandiol, Ethylenglykol, Polyethylenglykol, Pentaerythrit, Dipentaerythrit, Pentaglycerin, Tetramethylolethan, Neopentylglykol, Tetramethylolpropan, 2-Amino-2-methyl-1,3-propandiol, Monoaminopentaerythritol, Diaminopentaerythritol und Tris(hydroxymethyl)essigsäure), Zuckeralkohole (Erythritol, D-Mannitol, Galactitol, Xylitol, D-Sorbitol), Polymere (z. B.g., Polyethylen, Polyethylenglykol, Polyethylenoxid, Polypropylen, Polypropylenglykol, Polytetramethylenglykol, Polypropylenmalonat, Polyneopentylglykolsebacat, Polypentanglutarat, Polyvinylmyristat, Polyvinylstearat, Polyvinyllaurat, Polyhexadecylmethacrylat, Polyoctadecylmethacrylat, Polyester, hergestellt durch Polykondensation von Glykolen (oder deren Derivate) mit Disäuren (oder deren Derivate), und Copolymere, wie Polyacrylat oder Poly(meth)acrylat mit Alkylkohlenwasserstoff-Seitenkette oder mit Polyethylenglykol-Seitenkette und Copolymere einschließlich Polyethylen, Polyethylenglykol, Polyethylenoxid, Polypropylen, Polypropylenglykol oder Polytetramethylenglykol), Metalle und Mischungen davon. In einer Ausführungsform ist ein im Verbundstoff verwendetes Phasenänderungsmaterial eine organische Substanz.
  • Paraffinische Phasenänderungsmaterialien können ein paraffinischer Kohlenwasserstoff sein, d.h. ein Kohlenwasserstoff der Formel CnHn+2, wobei n zwischen 10 und 44 Kohlenstoffatome betragen kann. Der Schmelzpunkt und die Schmelzwärme einer homologen Reihe von Paraffinkohlenwasserstoffen stehen in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der Kohlenstoffatome, wie in der folgenden Tabelle dargestellt. Tabelle 1. Schmelzpunkte von paraffinischen Kohlenwasserstoffen
    Paraffinischer Kohlenwasserstoff Anz. von Kohlenstoffatomen Schmelzpunkt (°C)
    n-Octacosan 28 61,4
    n-Heptacosan 27 59,0
    n-Hexacosan 26 56,4
    n-Pentacosan 25 53,7
    n-Tetracosan 24 50,9
    n-Tricosan 23 47,6
    n-Docosan 22 44,4
    n-Heneicosan 21 40,5
    n-Eicosan 20 36,8
    n-Nonadecan 19 32,1
    n-Octadecan 18 28,2
    n-Heptadecan 17 22,0
    n-Hexadecan 16 18,2
    n-Pentadecan 15 10,0
    n-Tetradecan 14 5,9
    n-Tridecan 13 -5,5
    In einer Ausführungsform kann das Phasenänderungsmaterial einen paraffinischen Kohlenwasserstoff mit 15 bis 40 Kohlenstoffatomen, 18 bis 35 Kohlenstoffatomen oder 18 bis 28 Kohlenstoffatomen umfassen. Der paraffinische Kohlenwasserstoff kann ein einzelner Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen sein.
  • Das erste und das zweite Phasenänderungsmaterial liegen in zwei Formen vor, einer gekapselten Form und in ungekapselter Form („Rohform“). Die Kapselung des Phasenänderungsmaterials schafft im Wesentlichen einen Behälter für das Phasenänderungsmaterial, so dass unabhängig davon, ob sich das Phasenänderungsmaterial im festen oder flüssigen Zustand befindet, das Phasenänderungsmaterial enthalten ist. Verfahren zum Kapseln von Materialien, wie zum Beispiel Phasenänderungsmaterialien, sind aus der Technik bekannt (siehe z.B. U.S. Patent Nr. 5,911,923 und 6,703,127 ). Mikro- und makrogekapselte Phasenänderungsmaterialien sind auch im Handel erhältlich (z.B. von Microtek Laboratories, Inc.). Makrokapseln haben eine durchschnittliche Teilchengröße von 1000 bis 10.000 Mikrometern, während Mikrokapseln eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 1000 Mikrometern aufweisen. In einer Ausführungsform ist das gekapselte Phasenänderungsmaterial in einer Mikrokapsel gekapselt und die mittlere Teilchengröße der Mikrokapseln beträgt 1 bis 100 Mikrometer oder 2 bis 50 Mikrometer oder 5 bis 40 Mikrometer. In einer Ausführungsform ist das gekapselte Phasenänderungsmaterial MPCM 37D (Microtek Laboratories, Inc., Ohio). Dabei ist die mittlere Teilchengröße eine volumengewichtete mittlere Teilchengröße, die beispielsweise mit einem Malvern Mastersizer 2000 Particle Analyzer oder einer gleichwertigen Instrumentierung bestimmt wird. Die Phasenänderungsmaterialbeladung von Mikrokapseln oder Makrokapseln beträgt mindestens 50 Gew.-% oder 75 bis 99 Gew.-%, insbesondere 80 bis 98 Gew.-%, und in einigen Ausführungsformen mindestens 85 bis 99 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Kapsel.
  • Die Phasenänderungszusammensetzung kann 1 Gew.-% bis 95 Gew.-% des ungekapselten ersten Phasenänderungsmaterials und 5 bis 95 Gew.-% des gekapselten zweiten Phasenänderungsmaterials, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenänderungszusammensetzung, oder 1 Gew.-% bis 40 Gew.-% des ungekapselten ersten Phasenänderungsmaterials und 60 Gew.-% bis 95 Gew.-% des eingekapselten zweiten Phasenänderungsmaterials umfassen.
  • Der Verbundstoff umfasst ferner eine Polymermatrix. Das Polymer kann im Verbundstoff in einer Menge von 5 Gew.-% (Gew.-%) bis 50 Gew.-%, oder 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, oder 8 Gew.-% bis 20 Gew.-% vorhanden sein, wobei die Gewichtsprozente auf das Gesamtgewicht des Verbundstoffs bezogen sind. Die Phasenänderungszusammensetzung kann in einer Menge von 50 Gew.-% bis 95 Gew.-% oder 80 Gew.-% bis 95 Gew.-% oder 80 bis 92 Gew.-% vorliegen, wobei die Gewichtsprozente auf das Gesamtgewicht des Verbundstoffs bezogen sind.
  • Es kann jedes Polymer verwendet werden, das für den vorgesehenen Endzweck geeignet ist. Beispiele für thermoplastische Polymere, die verwendet werden können, sind Polyacetale (z.B. Polyoxyethylen und Polyoxymethylen), Poly(C1-6-alkyl)acrylate, Polyacrylamide (einschließlich nicht stimulierter und Mono-N- und Di-N-(C1-8-alkyl)acrylamide), Polyacrylnitrile, Polyamide (z.B. aliphatische Polyamide, Polyphthalamide und Polyaramide), Polyamidimide, Polyanhydride, Polyarylenether (z.B. Polyphenylenether), Polyarylenetherketone (z.B, Polyetheretheretherketone (PEEK) und Polyetherketonketone (PEKK)), Polyarylenketone, Polyarylensulfide (z.B. Polyphenylensulfide (PPS)), Polyarylensulfone (z.B, Polyethersulfone (PES), Polyphenylensulfone (PPS) und dergleichen), Polybenzothiazole, Polybenzoxazole, Polybenzimidazole, Polycarbonate (einschließlich Homopolycarbonate und Polycarbonat-Copolymere wie Polycarbonatsiloxane, Polycarbonatester und Polycarbonatester-Siloxane), Polyester (z.B. Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalate, Polyarylate und Polyestercopolymere wie Polyesterether), Polyetherimide (einschließlich Copolymere wie Polyetherimid-Siloxan-Copolymere), Polyimide (einschließlich Copolymere wie Polyimid-Siloxan-Copolymere), Poly-(C1-6-alkyl)methacrylate, Polymethacrylamide (einschließlich unsubstimulierter und Mono-N- und Di-N-(C1-8-alkyl)acrylamide), cyclische Olefinpolymere (einschließlich Polynorbornene und Copolymere, die Norbornenyleinheiten enthalten, z.B. Copolymere aus einem zyklischen Polymer wie Norbornen und einem acyclischen Olefin wie Ethylen oder Propylen), Polyolefine (z.B.g., Polyethylene, Polypropylene und ihre halogenierten Derivate (wie Polytetrafluorethylene) und ihre Copolymere, wie beispielsweise Ethylen-Alpha-Olefin-Copolymere, Polyoxadiazole, Polyoxymethylene, Polyphthalide, Polysilazane, Polysiloxane (Silicone), Polystyrole (einschließlich Copolymere wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Methylmethacrylat-Butadien-Styrol (MBS)), Polysulfide, Polysulfonamide, Polysulfonate, Polysulfonate, Polysulfone, Polythioester, Polytriazin, Polyharnstoff, Polyurethane, Vinylpolymere (einschließlich Polyvinylalkohole, Polyvinylester, Polyvinylether, Polyvinylhalogenide (z.B. Polyvinylfluorid), Polyvinylketone, Polyvinylnitrile, Polyvinylthioether und Polyvinylidenfluoride) oder dergleichen. Eine Kombination, die mindestens eines der vorstehend genannten thermoplastischen Polymere umfasst, kann verwendet werden.
  • Duroplastische Polymere können verwendet werden. Duroplastische Polymere werden aus duroplastischen Prepolymeren (Harzen) abgeleitet, die irreversibel härten und durch Polymerisation oder Aushärtung unlöslich werden können, die durch Hitze oder Bestrahlung (z.B. ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, Infrarotlicht oder Elektronenstrahl (E-Strahl)) induziert werden können. Zu den duroplastischen Polymeren gehören Alkyde, Bismaleimidpolymere, Bismaleimidtriazinpolymere, Cyanatesterpolymere, Benzocyclobutenpolymere, Diallylphthalatpolymere, Epoxide, Hydroxymethylfuranpolymere, Melamin-Formaldehyd-Polymere, Phenole (einschließlich Phenol-Formaldehyd-Polymere wie Novolake und Resole), Benzoxazine, Polydiene wie Polybutadiene (einschließlich Homo- und Copolymere davon, e.z. B. Poly(butadien-isopren)), Polyisocyanate, Polyharnstoff, Polyurethane, Silikone, Triallylcyanuratpolymere, Triallylisocyanuratpolymere, Polyimide, bestimmte Silikone und copolymerisierbare Präpolymere (z. B. Prepolymere mit ethylenischer Ungesättigtheit, wie ungesättigte Polyesterpolyimide), oder dergleichen. Die Prepolymere können mit einem reaktiven Monomer wie Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluol, Chlorostyrol, Acrylsäure, (Meth)acrylsäure, einem (C1-6-Alkyl)acrylat, einem (C1-6-Alkyl)methacrylat, Acrylnitril, Vinylacetat, Allylacetat, Triallylcyanurat, Triallylisocyanurat oder Acrylamid copolymerisiert oder vernetzt werden. Das Molekulargewicht der Prepolymere kann im Durchschnitt 400 bis 10.000 Dalton betragen.
  • Geeignete Elastomere können elastomere statistische, gepfropfte oder Blockcopolymere sein. Beispiele sind Naturkautschuk, Fluorelastomere, Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR), Ethylen-Buten-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Monomerkautschuk (EPDM), Acrylatkautschuke, hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR), Silikonelastomere, Styrol-Butadien-Styrol (SBS), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol (Ethylen-Buten)-Styrol (SEBS), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Acrylnitril-Ethylen-Propylen-Dien-Styrol (AES), Styrol-Isopren-Styrol (SIS), Styrol (Ethylen-Propylen)-Styrol (SEPS), Methylmethacrylat-Butadien-Styrol (MBS), Hochgummi-Pfropf (HRG) und dergleichen.
  • Elastomere Blockcopolymere umfassen einen von einer alkenylaromatischen Verbindung abgeleiteten Block (A) und einen von einem konjugierten Dien abgeleiteten Block (B). Die Anordnung der Blöcke (A) und (B) schließt lineare und Pfropfstrukturen ein, darunter radiale Teleblockstrukturen mit verzweigten Ketten. Beispiele für lineare Strukturen sind Diblock- (AB), Triblock- (A-B-A oder B-A-B), Tetrablock- (A-B-A-B) und Pentablock-Strukturen (A-B-A-B-A oder B-A-B) sowie lineare Strukturen mit 6 oder mehr Blöcken A und B insgesamt. Spezifische Blockcopolymere beinhalten Diblock-, Triblock- und Tetrablockstrukturen, insbesondere die A-B-Diblock- und A-B-A-Triblockstrukturen. In einigen Ausführungsformen ist das Elastomer ein Styrol-Blockcopolymer (SBC), das aus Polystyrolblöcken und Gummiblöcken besteht. Die Gummiblöcke können Polybutadien, Polyisopren, deren hydrierte Äquivalente oder eine Kombination aus mindestens einem der vorgenannten Bestandteile sein. Beispiele für Styrolblockcopolymere sind Styrol-Butadien-Blockcopolymere, z.B. Kraton D SBS-Polymere (Kraton Performance Polymers, Inc.); Styrol-Ethylen-Butadien-Blockcopolymere, z.B. Kraton G SEBS (Kraton Performance Polymers, Inc.); und Styrol-Isopren-Blockcopolymere, z.B. Kraton D SIS-Polymere (Kraton Performance Polymers, Inc.). In bestimmten Ausführungsformen ist das Polymer ein Styrol-Butadien-Blockcopolymer, z.B. Kraton D1118.
  • In einer Ausführungsform weisen die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Polymere eine niedrige Polarität auf. Die niedrige Polarität des Polymers ermöglicht die Kompatibilität zwischen dem Polymer und einem Phasenänderungsmaterial unpolarer Natur. Die Fähigkeit der Polymere, das Phasenänderungsmaterial effizient in ihrer eigenen Matrix zu halten, verleiht den Verbundstoffen ein hervorragendes Wärmemanagement über lange Zeiträume.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist das Polymer der Matrix Kraton, Polybutadien, EPDM, Naturkautschuk, Polyethylenoxid oder Polyethylen.
  • Der Verbundstoff kann ferner einen zusätzlichen Füllstoff umfassen, beispielsweise einen Füllstoff zum Einstellen der dielektrischen Eigenschaften des Verbundstoffs. Ein Füllstoff mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, wie Glasperlen, Kieselsäure oder gemahlene Mikroglasfasern, kann verwendet werden. Es kann eine thermisch stabile Faser, wie beispielsweise ein aromatisches Polyamid oder ein Polyacrylnitril, verwendet werden. Zu den repräsentativen Füllstoffen gehören Titandioxid (Rutil und Anatas), Bariumtitanat, Strontiumtitanat, geschmolzenes amorphes Siliciumdioxid, Korund, Wollastonit, Aramidfasern (z.B, KEVLAR™ von DuPont), Fiberglas, Ba2Ti9O20, Quarz, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Beryllium, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Glimmer, Talk, Nanoton, Aluminosilikate (natürlich und synthetisch) und pyrogene Kieselsäure (z.B. Cab-O-Sil, erhältlich bei Cabot Corporation), die jeweils einzeln oder in Kombination verwendet werden können.
  • Die Füllstoffe können in Form von festen, porösen oder hohlen Teilchen vorliegen. Die Teilchengröße des Füllstoffs beeinflusst eine Reihe wichtiger Eigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Modul, Dehnung und Flammschutz. In einer Ausführungsform weist der Füllstoff eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 bis 15 Mikrometer auf, insbesondere 0,2 bis 10 Mikrometer. Eine Kombination von Füllstoffen mit einer bimodalen, trimodalen oder höheren durchschnittlichen Teilchengrößenverteilung kann verwendet werden. Der Füllstoff kann in einer Menge von 0,1 bis 80 Gew.-%, insbesondere 1 bis 65 Gew.-%, oder 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf ein Gesamtgewicht des Verbundes, enthalten sein.
  • Die Zusammensetzung, die zur Bildung des Verbundstoffs oder des Verbundstoffs verwendet wird, kann ferner optional Additive wie Flammschutzmittel, Vernetzer, Vernetzungsmittel, Viskositätsmodifikatoren, Netzmittel und Antioxidantien umfassen. Die Wahl der Additive hängt vom verwendeten Polymer, der jeweiligen Anwendung des Verbundstoffs und den gewünschten Eigenschaften für diese Anwendung ab und wird so gewählt, dass die elektrischen Eigenschaften der Schaltungsbaugruppen, wie Wärmeleitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Verlustfaktor, dielektrischer Verlust oder andere gewünschte Eigenschaften, verbessert oder nicht wesentlich beeinträchtigt werden.
  • Zu den repräsentativen Flammschutzzusätzen gehören Brom-, Phosphor- und Metalloxid enthaltende Flammschutzmittel. Geeignete bromierte Flammschutzmittel sind im Allgemeinen aromatisch und enthalten mindestens zwei Brome pro Verbindung. Einige im Handel erhältliche Produkte sind z.B. von der Albemarle Corporation unter den Handelsnamen Saytex BT-93W (Ethylen-bistetrabromnaphthalamid), Saytex 120 (Tetradecaboromodiphenoxybenzol) und Great Lake unter den Handelsnamen BC-52, BC-58, Esschem Inc unter dem Handelsnamen FR1025.
  • Geeignete phosphorhaltige Flammschutzmittel umfassen verschiedene organische Phosphorverbindungen, zum Beispiel ein aromatisches Phosphat der Formel (GO)3P=O, wobei jedes G unabhängig eine C1-36-Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkylaryl- oder Arylalkylgruppe ist, mit der Maßgabe, dass mindestens ein G eine aromatische Gruppe ist. Zwei der G-Gruppen können miteinander verbunden sein, um eine zyklische Gruppe zu bilden, z.B. Diphenylpentaerythritdiphosphat. Weitere geeignete aromatische Phosphate können z.B. sein Phenylbis(dodecyl)phosphat, Phenylbis(neopentyl)phosphat, Phenyl-bis(3,5,5'-trimethylhexyl)phosphat, Ethyldiphenylphosphat, 2-Ethylhexyl-di(p-tolyl)phosphat, Bis(2-ethylhexyl)p-tolylphosphat, Tritolylphosphat, Bis(2-ethylhexyl)phenylphosphat, Tri(nonylphenyl)phosphat, Bis(dodecyl)p-tolylphosphat, Dibutylphenylphosphat, 2-Chlorethyldiphenylphosphat, p-Tolyl-bis(2,5,5'-trimethylhexyl)phosphat, 2-Ethylhexyldiphenylphosphat oder dergleichen. Ein spezifisches aromatisches Phosphat ist eines, bei dem jedes G aromatisch ist, zum Beispiel Triphenylphosphat, Tricresylphosphat, isopropyliertes Triphenylphosphat und dergleichen. Beispiele für geeignete di- oder polyfunktionelle aromatische phosphorhaltige Verbindungen sind Resorcintetraphenyldiphosphat (RDP), das Bis(diphenyl)phosphat von Hydrochinon und das Bis(diphenyl)phosphat von Bisphenol-A, deren oligomere und polymere Gegenstücke und dergleichen.
  • Metallphosphinatsalze können ebenfalls verwendet werden. Beispiele für Phosphinate sind Phosphinatsalze wie zum Beispiel alicyclische Phosphinatsalze und Phosphinatester. Weitere Beispiele für Phosphinate sind Diphosphinsäuren, Dimethylphosphinsäure, Ethylmethylphosphinsäure, Diethylphosphinsäure und die Salze dieser Säuren, wie zum Beispiel die Aluminiumsalze und die Zinksalze. Beispiele für Phosphinoxide sind Isobutylbis(hydroxyalkyl)phosphinoxid und 1,4-Diisobutylen-2,3,5,6-tetrahydroxy-1,4-diphosphinoxid oder 1,4-Diisobutylen-1,4-diphosphoryl-2,3,5,6-tetrahydro-xycyclohexan. Weitere Beispiele für phosphorhaltige Verbindungen sind NH1197® (Chemtura Corporation), NH1511® (Chemtura Corporation), NcendX P-30® (Albemarle), Hostaflam OP5500® (Clariant), Hostaflam OP910® (Clariant), EXOLIT 935 (Clariant) und Cyagard RF 1204®, Cyagard RF 1241® und Cyagard RF 1243R (Cyagard sind Produkte von Cytec Industries). In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist ein halogenfreier Verbundstoff bei Verwendung mit EXOLIT 935 (einem Aluminiumphosphinat) eine ausgezeichnete Flammhemmung auf. Weitere Flammhemmmittel sind Melaminpolyphosphat, Melamincyanurat, Melam, Melone, Melem, Guanidine, Phosphazane, Silazane, DOPO (9,10-Dihydro-9-oxa-10-oxa-10-phosphenathren-10-oxid) und DOPO (10-5-Dihydroxyphenyl, 10-H-9-o-xaphosphaphenanthrenelo-oxid).
  • Geeignete Metalloxid-Flammhemmmittel sind Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Zinkstannat und Boroxid. Ein flammhemmender Zusatz kann in einer Menge vorhanden sein, die auf dem Fachgebiet für die jeweilige Art des verwendeten Zusatzstoffes bekannt ist.
  • Beispielhafte Härtungsinitiatoren sind diejenigen, die bei der Einleitung der Härtung (Vernetzung) der Polymere in dem Verbundstoff geeignet sind. Beispiele sind unter anderem Azide, Peroxide, Schwefel und Schwefelderivate. Als Härtungsstarter sind insbesondere Radikalstarter erwünscht. Beispiele für Radikalstarter sind Peroxide, Hydroperoxide und Nichtperoxidstarter wie 2,3-Dimethyl-2, 3-diphenylbutan. Beispiele für Peroxidhärtungsmittel sind Dicumylperoxid, a,a-Di(t-butylperoxy)-m,p-diisopropylbenzol, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexan-3 und 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylper-oxy)hexin-3 sowie Mischungen, die einen oder mehrere der vorgenannten Härtungsstarter umfassen. Der Härtungsstarter kann bei Verwendung in einer Menge von 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundstoffs, vorhanden sein.
  • Vernetzungsmittel sind reaktive Monomere oder Polymere, die bei Härtung des dielektrischen Materials die Vernetzungsdichte erhöhen. In einer Ausführungsform sind solche reaktiven Monomere oder Polymere in der Lage, mit dem Polymer im Verbundstoff zusammen zu reagieren. Beispiele für geeignete reaktive Monomere sind unter anderem Styrol, Divinylbenzol, Vinyltoluol, Divinylbenzol, Triallylcyanurat, Diallylphthalat und multifunktionelle Acrylatmonomere (wie die von Sartomer Co. erhältlichen Sartomerverbindungen), die alle im Handel erhältlich sind. Die sinnvollen Mengen an Vernetzungsmitteln betragen 0,1 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundstoffs.
  • Beispielhafte Antioxidantien umfassen Radikalfänger und Metalldeaktivatoren. Ein nicht einschränkendes Beispiel für einen Radikalfänger ist Poly[[6-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino-s-triazin-2,4-dyil][(2,2,6,6,-tetramethyl-4-piperidyl)imino]hexamethylen[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)imino]]], das von Ciba Chemicals unter dem Markennamen Chimassorb 944 im Handel erhältlich ist. Ein nicht einschränkendes Beispiel für einen Metalldesaktivator ist 2,2-Oxalyldiamido-bis[ethyl 3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)propionat], das von der Chemtura Corporation unter dem Markennamen Naugard XL-1 im Handel erhältlich ist. Ein einzelnes Antioxidans oder eine Mischung aus zwei oder mehr Antioxidantien kann verwendet werden. Antioxidantien sind typischerweise in Mengen von bis zu 3 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 2,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundes, vorhanden.
  • Kopplungsmittel können vorhanden sein, um die Bildung von oder die Beteiligung an kovalenten Bindungen zu fördern, die eine Metalloberfläche oder Füllstoffoberfläche mit einem Polymer verbinden. Beispielhafte Kopplungsmittel sind 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan und 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan und Hexamethylendisilazane.
  • Zusätzlich kann der Verbundstoff ferner wahlweise eine Schicht umfassen, die eine Oberfläche des Verbundstoffs zumindest teilweise überzieht. In einigen Ausführungsformen überzieht die Schicht die Oberfläche des Verbundstoffs vollständig. In weiteren Ausführungsformen überzieht die Schicht vollständig alle Oberflächen des Verbundstoffs. Die Schicht kann wirksam sein, um die Migration eines Phasenänderungsmaterials im Verbundstoff durch die überzogene Oberfläche des Verbundstoffs zu reduzieren oder zu verhindern.
  • Die Schicht kann eine Polymerfolie sein, der mit einem Klebstoff auf die Oberfläche laminiert wird. Die Polymerfolie kann beispielsweise eine Folie aus einem kristallisierten Polymer umfassen. Beispiele für das Polymer sind Polyethylenterephthalat, Polyurethan, Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE), Polyethylen mit mittlerer Dichte (MDPE), Polypropylen (PP), Nylon und Kombinationen aus den Vorgenannten. Die Dicke der Polymerfolie kann 1 µm bis 500 µm, vorzugsweise 3 µm bis 200 µm, vorzugsweise 5 µm bis 50 µm betragen. Der Klebstoff kann ein drucksensitiver Haftklebstoff auf Kautschukbasis oder ein drucksensitiver Haftklebstoff auf Acrylbasis sein.
  • Alternativ kann die Schicht ein Beschichtungsmaterial sein, das aufgebracht wird, um eine Oberfläche des Verbundstoffs zumindest teilweise zu beschichten. Das Beschichtungsmaterial kann ein Polymer sein. Beispiele für geeignete Polymere sind ein ultraviolett (UV)-härtendes Polymer, Nitrilkautschuk (NBR) oder hydrierter Nitrilbutadienkautschuk (HNBR), Polyurethan, Ethylen-Propylen-Dien-Monomerkautschuk (EPDM), Polybutadien, Epoxid, Acryl, Nanoton in NBR-Kautschuk, pyrogene Kieselsäure in NBR-Kautschuk und eine Kombination aus den Vorgenannten. Das Beschichtungsmaterial kann auch ein Verbundstoff sein, der ein Phasenänderungsmaterial umfasst. Ein Beispiel für einen Beschichtungsverbund beinhaltet die Zusammensetzung C, das unten in Beispiel 2 offenbart ist. Die Schicht kann bis zu einer Dicke von 1 µm bis 500 µm, vorzugsweise 3 µm bis 200 µm, vorzugsweise 5 µm bis 50 µm, beschichtet werden.
  • Der Verbundstoff kann durch Kombinieren der Polymer- oder Prepolymerzusammensetzung, der Phasenänderungszusammensetzung oder des ungekapselten ersten Phasenänderungsmaterials und des gekapselten zweiten Phasenänderungsmaterials sowie aller Zusatzstoffe zur Herstellung des Verbundstoffs hergestellt werden. Das Kombinieren kann durch jedes geeignete Verfahren erfolgen, wie z.B. Mischen, Mixen oder Rühren. In einer Ausführungsform können die zum Bilden des Verbundstoffs verwendeten Komponenten, einschließlich der Polymer- oder Prepolymerzusammensetzung und der Phasenänderungszusammensetzung oder des ungekapselten ersten Phasenänderungsmaterials und des gekapselten zweiten Phasenänderungsmaterials, kombiniert werden, indem sie in einem Lösungsmittel gelöst oder suspendiert werden, um eine Beschichtungsmischung oder -lösung bereitzustellen. Das Lösungsmittel wird so gewählt, dass es das Polymer oder die Prepolymere löst, die Phasenänderungszusammensetzung oder das ungekapselte erste Phasenänderungsmaterial und das eingekapselte zweite Phasenänderungsmaterial sowie alle anderen optionalen Zusatzstoffe, die vorhanden sein können, dispergiert und eine geeignete Verdunstungsgeschwindigkeit zum Formen und Trocknen aufweist. Eine nicht ausschließliche Liste möglicher Lösungsmittel ist Xylol, Toluol, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Hexan und höherwertige lineare Alkane, wie Heptan, Octan, Nonan und dergleichen, Cyclohexan, Isophoron, verschiedene Lösungsmittel auf Terpenbasis und Mischlösungsmittel. Zu den spezifischen beispielhaften Lösungsmitteln gehören Xylol, Toluol, Methylethylketon, Methylisobutylketon und Hexan, genauer gesagt Xylol und Toluol. Die Konzentration der Komponenten der Zusammensetzung in der Lösung oder Dispersion ist nicht kritisch und hängt von der Löslichkeit der Komponenten, dem verwendeten Füllstoffgehalt, dem Applikationsverfahren und anderen Faktoren ab. Im Allgemeinen umfasst die Lösung 10 bis 80 Gew.-% Feststoffe (alle Komponenten außer dem Lösungsmittel), insbesondere 50 bis 75 Gew.-% Feststoffe, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung.
  • So kann beispielsweise der Verbundstoff als Beschichtung, Laminat, Film oder Folie mit jeder geeigneten Beschichtung, Laminierung, Schichtung und anderen Techniken realisiert werden. Zu den Anwendungstechniken und -formen gehören Sprühbeschichtung, luftzerstäubtes Sprühen, luftlos zerstäubtes Sprühen, elektrostatisches Sprühen, Schlitzdüsenbeschichtung, Kontaktschlitzbeschichtung, Vorhangbeschichtung, Rakelbeschichtung, Walzenbeschichtung, Kiss Coating, Transferbeschichtung, Schaumbeschichtung, Bürsten, Siebdruck, Polstern, Tauchen oder Eintauchen, Sättigung, Drucken, Druck- oder Schwerkraftzuführdüsen/-pistolen, Hotmeltapplikatoren, Pumppistolen, handbetätigte Pistolen, Spritzen, Nadelpistolen, Düsen verschiedener Form und Größe, Formen, Umspritzen, Spritzgießen, RIM, Prepreg, Harzinfusionsverfahren wie Harztransferpressen (RTM), Vakuum infusionsverfahren (VIP) und vakuumunterstütztes RTM (VARTM), Pultrusion, Extrusion, Plasma und dergleichen.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird die Schmelzextrusionsbeschichtung zur Herstellung einer Folie aus dem Verbundstoff verwendet.
  • Der Verbundstoff kann nach bekannten Verfahren, wie z.B. Extrudieren, Formen oder Gießen, zu einem Gegenstand geformt werden. So kann beispielsweise der Verbundstoff durch Gießen auf einen Träger, von dem er später freigesetzt wird, oder alternativ auf ein Substrat, wie beispielsweise eine leitfähige Metallschicht, die später zu einer Schicht einer Schaltungsstruktur geformt wird, zu einer Schicht geformt werden.
  • Nach der Bildung des Gegenstands oder der Schicht kann jedes Lösungsmittel unter Umgebungsbedingungen oder durch forcierte oder erwärmte Luft verdunsten, um den Verbund zu bilden. Die Schicht kann im Trocknungsprozess ungehärtet sein oder teilweise ausgehärtet (B-stufig) werden, oder die Schicht kann nach dem Trocknen auf Wunsch teilweise oder vollständig gehärtet werden. Die Schicht kann erwärmt werden, z.B. auf 20 bis 200 °C, genauer 30 bis 150 °C, noch genauer 40 bis 100 °C. Der resultierende Verbundstoff kann vor Gebrauch gelagert werden, beispielsweise laminiert und gehärtet, teilweise gehärtet und dann gelagert werden, oder er kann laminiert und vollständig gehärtet gelagert werden.
  • Wahlweise kann eine Überzugsschicht auf mindestens einen Teil einer Oberfläche des Verbundes oder Gegenstands aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen überzieht die Schicht die Oberfläche des Verbundstoffs oder Gegenstands vollständig. In weiteren Ausführungsformen überzieht die Schicht vollständig alle Oberflächen des Verbundstoffs oder Gegenstands. Das Aufbringen der Überzugsschicht kann das Laminieren einer Polymerfolie auf die Oberfläche mit einem Klebstoff umfassen. Das Aufbringen der Überzugsschicht kann das Aufbringen eines Überzugsmaterials auf die Oberfläche umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Verbundstoff eine Schmelzwärme von mindestens 100 J/g, vorzugsweise mindestens 170 J/g, stärker bevorzugt mindestens 220 J/g, noch stärker bevorzugt mindestens 240 J/g aufweisen.
  • Der Verbundstoff kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Die Verbundstoffe können in einer Vielzahl von elektronischen Geräten und allen anderen Geräten verwendet werden, die Wärme zum Nachteil der Leistung der Prozessoren und anderer Betriebsschaltungen (Speicher, Videochips, Telekom-Chips und dergleichen) erzeugen. Beispiele für solche elektronischen Geräte sind Mobiltelefone, PDAs, Smartphones, Tablets, Laptops und andere allgemein tragbare Geräte. Die Verbundstoffe können jedoch in praktisch jede elektronische Vorrichtung integriert werden, die während des Betriebs gekühlt werden muss. So kann beispielsweise die Elektronik, die in Automobilkomponenten, Flugzeugkomponenten, Radarsystemen, Leitsystemen und GPS-Geräten in zivilen und militärischen Geräten und anderen Fahrzeugen zum Einsatz kommt, von Aspekten der vorliegenden Erfindung profitieren, wie Motorsteuergeräte (ECU), Airbagmodule, Karosseriesteuerungen, Türmodule, Tempomatmodule, Instrumententafeln, Klimamodule, Antiblockiermodule (ABS), Getriebesteuerungen und Stromverteilungsmodule. Die Verbundstoffe und Gegenstände daraus können auch in die Gehäuse von Elektronik oder anderen strukturellen Komponenten einarbeitet werden. Im Allgemeinen kann jede Vorrichtung, die auf die Leistungsmerkmale eines elektronischen Prozessors oder einer anderen elektronischen Schaltung angewiesen ist, von den erhöhten oder stabileren Leistungsmerkmalen profitieren, die sich aus der Verwendung von Aspekten der hierin offenbarten Verbundstoffe ergeben.
  • Die hierin beschriebenen Verbundstoffe können dem Gerät eine verbesserte thermische Stabilität verleihen, was dazu führt, dass die Leistung und Lebensdauer der elektronischen Geräte nicht beeinträchtigt werden. Die Kombination eines gekapselten und eines ungekapselten Phasenänderungsmaterials ist für den Einsatz als Wärmemanagementmaterial, insbesondere in der Elektronik, vorteilhaft, da die hohe Kristallinität des Phasenänderungsmaterials eine Kombination aus hoher latenter Wärmekapazität und Energieabsorption ermöglicht, was zu einem verbesserten Wärmemanagement, geringerem Wärmeaufbau, weniger Problemen und schnelleren Prozessorgeschwindigkeiten führt. Das Polymer bietet eine gute Handhabbarkeit und gute mechanische Eigenschaften.
  • Das folgende Beispiel veranschaulicht lediglich den hierin offenbarten Verbundstoff und das Herstellungsverfahren und soll den Anwendungsbereich nicht einschränken.
  • BEISPIELE
  • Die Schmelztemperatur und Enthalpie (ΔH) des Übergangs eines Materials kann durch dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) bestimmt werden, z.B. mit einem Perkin Elmer DSC 4000 oder gleichwertig nach ASTM D3418. Das DSC-Material kann ein Phasenänderungsmaterial, ein gekapseltes Phasenänderungsmaterial, die Phasenänderungszusammensetzung oder das Verbundmaterial sein.
  • Beispiel 1
  • Ein Gewicht (30 Gramm) von Kraton D1118 (Kraton Performance Polymers, Inc.) wird in 100 Gramm Toluol gelöst. Eicosan (20 Gramm) wird der Lösung unter Rühren nach und nach bis zur Bildung einer homogenen Lösung zugesetzt. Dann werden 50 Gramm eines mikrogekapselten Phasenänderungsmaterials, MPCM 37D (Microtek Laboratories, Inc., Ohio), unter Rühren nach und nach zugegeben, bis eine homogene Lösung erhalten wird. Die Lösung wird auf eine Trennschicht aus Polyethylenterephthalat (PET) gegossen und zehn Minuten lang in einem 110 °C Ofen getrocknet.
  • Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) wird durchgeführt, um die Schmelzwärme der Mischung gemäß ASTM D3418 zu bestimmen. Die DSC-Ergebnisse für die Kraton D1118/Eicosan/MPCM 37D-Mischung sind in 1 dargestellt. Die Mischung aus Kraton D1118/Eicosan/MPCM 37D hat eine Schmelzwärme von 173,8 Joule/g.
  • Beispiel 2
  • Proben des Kraton D1118/Eicosan/MPCM 37D-Verbundstoffs aus Beispiel 1 werden teilweise auf eine Oberfläche aufgebracht, wobei eine Polymerfolie mit einem Klebstoff auf die Oberfläche laminiert wird. Die Polymerfolie umfasst Polyethylenterephthalat, Polyurethan, Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE), Polyethylen mit mittlerer Dichte (MDPE), Nylon oder Polypropylen (PP). Der Klebstoff ist ein Haftklebstoff auf Kautschukbasis oder ein Haftklebstoff auf Acrylbasis.
  • Die resultierenden Laminate sind wirksam, um die Migration des PCM durch die Oberfläche des Verbundstoffs zu reduzieren oder zu verhindern.
  • Zusätzliche Proben des Kraton D1118/Eicosan/MPCM 37D-Verbundstoffs von Beispiel 1 sind auf einer Oberfläche teilweise mit einer Schicht überzogen, die ein Polymer umfasst, das ein UV-härtendes Polymer, Nitrilkautschuk (Nitrilbutadienkautschuk (NBR) oder hydrierten Nitrilbutadienkautschuk (HNBR)), Polyurethan, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (M-Klasse), Gummi (EPDM), Polybutadien, Epoxy, Acryl, Nanoton in NIPOL-Kautschuk oder pyrogene Kieselsäure in NIPOL-Kautschuk umfasst. Die Schicht wird mit einer Dicke von 50 µm (oder 5 bis 200 µm, wenn sie für die verschiedenen Proben unterschiedlich ist) aufgetragen. Tabelle 2. Überzugsformulierung
    Komponente Menge
    Nitrilkautschuk 0,97-0,997
    Antioxidans 0,001-0,01
    Lichtstabilisator 0,001-0,01
    Schwarzpigment 0,001-0,01
  • Die resultierenden Schichten sind wirksam, um die Migration des PCM durch die Oberfläche des Composites zu reduzieren oder zu verhindern.
  • Die Ansprüche werden durch die folgenden Ausführungsformen weiter veranschaulicht, die nicht einschränkend sind.
  • Ausführungsform 1: Verbundstoff, umfassend: ein Polymer; und eine Phasenänderungszusammensetzung, umfassend ein ungekapseltes erstes Phasenänderungsmaterial und ein gekapseltes zweites Phasenänderungsmaterial.
  • Ausführungsform 2: Verbundstoff nach Ausführungsform 1, wobei das Polymer ein elastomeres Blockcopolymer, ein elastomeres Pfropfcopolymer oder ein elastomeres statistisches Copolymer ist, vorzugsweise ist das Polymer Styrol-Butadien-Blockcopolymer, Polybutadien, Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer, Naturkautschuk, Polyethylenoxid, Polyethylen oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst; besonders bevorzugt ist das Polymer ein Styrol-Butadien-Blockcopolymer oder Styrol-Ethylen/Butadien-Blockcopolymer.
  • Ausführungsform 3. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 2, wobei die Phasenänderungszusammensetzung eine Schmelztemperatur von 5 °C bis 70 °C, vorzugsweise 25 °C bis 50 °C, insbesondere 30 °C bis 45 °C aufweist.
  • Ausführungsform 4. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 3, wobei das erste Phasenänderungsmaterial und das zweite Phasenänderungsmaterial unterschiedlich sind.
  • Ausführungsform 5. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 4, wobei das erste Phasenänderungsmaterial eine erste Übergangstemperatur und das zweite Phasenänderungsmaterial eine zweite Übergangstemperatur aufweist, wobei die erste Übergangstemperatur und die zweite Übergangstemperatur identisch oder unterschiedlich sind.
  • Ausführungsform 6. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 5, wobei das erste Phasenänderungsmaterial ein C10-C35-Alkan umfasst; vorzugsweise das erste Phasenänderungsmaterial ein C18-C28-Alkan umfasst; besonders bevorzugt das erste Phasenänderungsmaterial n-Eicosan ist.
  • Ausführungsform 7. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 6, wobei das zweite Phasenänderungsmaterial ein C10-C35-Alkan umfasst; vorzugsweise das zweite Phasenänderungsmaterial ein C18-C28-Alkan umfasst; besonders bevorzugt das zweite Phasenänderungsmaterial ein Paraffin mit einer Schmelztemperatur von 35 °C bis 40 °C ist.
  • Ausführungsform 8. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 7, wobei das gekapselte zweite Phasenänderungsmaterial eine mittlere Teilchengröße von weniger als 50 Mikrometern, vorzugsweise 1 bis 30 Mikrometern, besonders bevorzugt 10 bis 25 Mikrometern aufweist.
  • Ausführungsform 9. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 8, umfassend, bezogen auf das Gesamtgewicht der Verbundstoffe, 5 Gew.-% bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, des Polymers; und 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 80 Gew.-% bis 95 Gew.-%, der Phasenänderungszusammensetzung.
  • Ausführungsform 10. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 9, umfassend, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenänderungszusammensetzung, 1 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% bis 40 Gew.-%, des nicht gekapselten ersten Phasenänderungsmaterials; und 5 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 40 Gew.-% bis 95 Gew.-%, stärker bevorzugt 60 Gew.-% bis 95 Gew.-%, des gekapselten zweiten Phasenänderungsmaterials.
  • Ausführungsform 11. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 10 mit einer Schmelzwärme bei der Schmelztemperatur von mindestens 100 J/g, vorzugsweise mindestens 220 J/g, besonders bevorzugt mindestens 240 J/g.
  • Ausführungsform 12. Gegenstand, umfassend den Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 11.
  • Ausführungsform 13. Verbundstoff nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 11 oder Gegenstand nach Ausführungsform 12, ferner umfassend eine Schicht, die eine Oberfläche des Verbundstoffs zumindest teilweise überzieht.
  • Ausführungsform 14. Verbundstoff oder Gegenstand nach Ausführungsform 13, wobei die Schicht eine Polymerfolie umfasst, die mit einem Klebstoff auf die Oberfläche laminiert ist, vorzugsweise das Polymer Polyethylenterephthalat, Polyurethan, Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE), Polyethylen mit mittlerer Dichte (MDPE), Polypropylen (PP), Nylon oder eine Kombination aus dem Vorstehenden ist.
  • Ausführungsform 15. Verbundstoff oder Gegenstand nach Ausführungsform 13, wobei die Schicht ein Überzugsmaterial umfasst, das ein Polymer umfasst.
  • Ausführungsform 16. Verbundstoff oder Gegenstand nach Ausführungsform 15, wobei das Polymer ein UV-härtendes Polymer, Nitrilkautschuk, Polyurethan, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (M-Klasse) Gummi (EPDM), Polybutadien, Epoxy, Acryl oder eine Kombination aus dem Vorstehenden umfasst.
  • Ausführungsform 17. Verfahren zur Herstellung des Verbundstoffs nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 1 bis 11 und 13 bis 16 oder des Gegenstand nach einer oder mehreren der Ausführungsformen 12 bis 16, wobei das Verfahren umfasst: Kombinieren des Polymers oder einer Prepolymerzusammensetzung, die gegebenenfalls ein Lösungsmittel, das nicht gekapselte erste Phasenänderungsmaterial, das gekapselte zweite Phasenänderungsmaterial und gegebenenfalls einen Zusatzstoff umfasst, um eine Mischung zu bilden; Formen eines Gegenstands aus der Mischung; und gegebenenfalls Entfernen des Lösungsmittels unter Herstellung des Verbundstoffs.
  • Ausführungsform 18. Verfahren nach Ausführungsform 17, ferner umfassend das Vernetzen der Prepolymerzusammensetzung.
  • Ausführungsform 19. Verfahren nach Ausführungsform 17 oder 18, ferner umfassend das Aufbringen einer Beschichtungsschicht auf mindestens einen Teil einer Oberfläche des Verbundstoffs.
  • Im Allgemeinen können die hierin beschriebenen Gegenstände und Verfahren alternativ alle hierin offenbarten Komponenten oder Schritte umfassen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen. Die Gegenstände und Verfahren können zusätzlich oder alternativ so hergestellt oder durchgeführt werden, dass sie frei oder im Wesentlichen frei von Inhaltsstoffen, Schritten oder Komponenten sind, die für das Erreichen der Funktion oder der Ziele der vorliegenden Ansprüche nicht erforderlich sind.
  • Die Singularformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ schließen Plural-Bezüge ein, sofern es der Kontext nichts anderes vorschreibt. „Oder“ bedeutet „und/oder“. Sofern nicht anders definiert, haben die hierin verwendeten Fachbegriffe die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einem Fachmann der Technik, zu der die Ansprüche gehören, verstanden werden. Eine „Kombination“ beinhaltet Mischungen, Gemische, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen. Die hierin beschriebenen Werte umfassen einen vertretbaren Fehlerbereich für den jeweiligen Wert, der durch eine der üblichen Fertigkeiten aus der Technik bestimmt wird, der zum Teil davon abhängt, wie der Wert gemessen oder bestimmt wird, d.h. von den Einschränkungen des Messsystems. Die Endpunkte aller Bereiche, die auf dieselbe Komponente oder Eigenschaft gerichtet sind, sind einschließlich der Endpunkte und Zwischenwerte und unabhängig kombinierbar.
  • Alle zitierten Patente, Patentanmeldungen und andere Verweise sind hierin durch Bezugnahme vollumfänglich mitumfasst. Wenn jedoch ein Begriff in der vorliegenden Anmeldung einem Begriff in dem aufgenommenen Verweis widerspricht oder ihm entgegensteht, hat der Begriff aus der vorliegenden Anmeldung Vorrang vor dem widersprüchlichen Begriff aus dem aufgenommenen Verweis.
  • Während der offenbarte Gegenstand hierin in Form einiger Ausführungsformen und repräsentativer Beispiele beschrieben wird, erkennt die Fachwelt, dass verschiedene Änderungen und Verbesserungen am offenbarten Gegenstand vorgenommen werden können, ohne vom Umfang des Gegenstands abzuweichen. Zusätzliche, in der Technik bekannte Merkmale können ebenfalls integriert werden. Obwohl es sein kann, dass einzelne Merkmale einiger Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands hierin und nicht in anderen Ausführungsformen diskutiert werden, sollte außerdem klar sein, dass einzelne Merkmale einiger Ausführungsformen mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausführungsform oder Merkmalen aus einer Vielzahl von Ausführungsformen kombiniert werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5911923 [0021]
    • US 6703127 [0021]

Claims (19)

  1. Verbundstoff, umfassend: ein Polymer; und eine Phasenänderungszusammensetzung, umfassend ein nicht gekapseltes erstes Phasenänderungsmaterial und ein gekapseltes zweites Phasenänderungsmaterial.
  2. Verbundstoff nach Anspruch 1, wobei das Polymer ein elastomeres Blockcopolymer, ein elastomeres gepfropftes Copolymer oder ein elastomeres statistisches Copolymer ist, vorzugsweise das Polymer Styrol-Butadien-Blockcopolymer, Polybutadien, Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer, Naturkautschuk, Polyethylenoxid, Polyethylen oder eine Kombination ist, die mindestens eines der vorgenannten umfasst; besonders bevorzugt das Polymer ein Styrol-Butadien-Diblock- oder Triblockcopolymer oder ein Styrol-Ethylen-Butadien-Blockcopolymer ist.
  3. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Phasenänderungszusammensetzung eine Schmelztemperatur von 5 °C bis 70 °C, vorzugsweise 25 °C bis 50 °C, insbesondere 30 °C bis 45 °C aufweist.
  4. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Phasenänderungsmaterial und das zweite Phasenänderungsmaterial unterschiedlich sind.
  5. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Phasenänderungsmaterial eine erste Übergangstemperatur und das zweite Phasenänderungsmaterial eine zweite Übergangstemperatur aufweist, wobei die erste Übergangstemperatur und die zweite Übergangstemperatur identisch oder unterschiedlich sind.
  6. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Phasenänderungsmaterial ein C10-C35-Alkan umfasst; vorzugsweise das erste Phasenänderungsmaterial ein C18-C28-Alkan umfasst; besonders bevorzugt das erste Phasenänderungsmaterial n-Eicosan ist.
  7. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Phasenänderungsmaterial ein C10-C35-Alkan umfasst; vorzugsweise das zweite Phasenänderungsmaterial ein C18-C28-Alkan umfasst; besonders bevorzugt das zweite Phasenänderungsmaterial ein Paraffin mit einer Schmelztemperatur von 35 °C bis 40 °C ist.
  8. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei das gekapselte zweite Phasenänderungsmaterial eine mittlere Teilchengröße von weniger als 50 Mikrometern, vorzugsweise 1 bis 30 Mikrometern, besonders bevorzugt 10 bis 25 Mikrometern aufweist.
  9. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, umfassend, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundstoffs, 5 Gew.-% bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, des Polymers; und 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 80 Gew.-% bis 95 Gew.-%, der Phasenänderungszusammensetzung.
  10. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, umfassend, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenänderungszusammensetzung, 1 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% bis 40 Gew.-%, des ungekapselten ersten Phasenänderungsmaterials; und 5 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 60 Gew.-% bis 95 Gew.-% des gekapselten zweiten Phasenänderungsmaterials.
  11. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Schmelzwärme bei der Schmelztemperatur von mindestens 100 J/g, vorzugsweise mindestens 220 J/g, besonders bevorzugt mindestens 240 J/g.
  12. Gegenstand, umfassend den Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.
  13. Verbundstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 oder Gegenstand nach Anspruch 12, ferner umfassend eine Schicht, die eine Oberfläche des Verbundstoffs zumindest teilweise überzieht.
  14. Verbundstoff oder Gegenstand nach Anspruch 13, wobei die Schicht eine Polymerfolie umfasst, die mit einem Klebstoff auf die Oberfläche laminiert ist, wobei vorzugsweise das Polymer Polyethylenterephthalat, Polyurethan, Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE), Polyethylen mit mittlerer Dichte (MDPE), Polypropylen (PP), Nylon oder eine Kombination aus dem Vorstehenden ist.
  15. Verbundstoff oder Gegenstand nach Anspruch 13, wobei die Schicht ein Überzugsmaterial umfasst, das ein Polymer oder einen Überzugsverbundstoff umfasst, der ein Phasenänderungsmaterial umfasst.
  16. Verbundstoff oder Gegenstand nach Anspruch 15, wobei das Polymer ein UV-härtendes Polymer, Nitrilkautschuk, Polyurethan, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (M-Klasse) Gummi (EPDM), Polybutadien, Epoxy, Acryl oder eine Kombination der vorstehenden umfasst.
  17. Verfahren zur Herstellung des Verbundstoffs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 und 13 bis 16 oder des Gegenstands nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Verfahren umfasst: Kombinieren des Polymers oder einer Prepolymerzusammensetzung, gegebenenfalls ein Lösungsmittel umfassend, des ungekapselten ersten Phasenänderungsmaterials, des gekapselten zweiten Phasenänderungsmaterials und gegebenenfalls eines Hilfsstoffs, um eine Mischung zu bilden; Formen eines Gegenstands aus der Mischung; und gegebenenfalls Entfernen des Lösungsmittels zur Herstellung des Verbundstoffs.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend das Vernetzen der Prepolymerzusammensetzung.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend das Aufbringen einer Beschichtungsschicht auf mindestens einen Teil einer Oberfläche des Verbundstoffs.
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