DE112018004799T5

DE112018004799T5 - Schmelzbare Phasenwechsel-Pulver für die thermische Behandlung, Verfahren zu ihrer Herstellung und Gegenstände, die diese Pulver enthalten

Info

Publication number: DE112018004799T5
Application number: DE112018004799.7T
Authority: DE
Inventors: Ming Wei; Sharon Soong; Ian Smith
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2020-06-18
Also published as: JP7337776B2; JP2020532609A; TWI835743B; GB202001265D0; GB2578987B; KR20200044814A; US11535783B2; WO2019046154A1; US20200172783A1; TW201912759A; GB2578987A; CN111051464A

Abstract

Eine schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung, umfassend eine Vielzahl von Pulverteilchen, die eine Polymerzusammensetzung, ein nicht eingekapseltes phasenveränderndes Material und gegebenenfalls eine Additivzusammensetzung umfassen; wobei die Pulverzusammensetzung bei einer Temperatur von 25 bis 105°C oder 28 bis 60°C oder 45 bis 85°C oder 60 bis 80°C oder 80 bis 100°C schmelzbar ist.

Description

HINTERGRUND
Diese Offenlegung bezieht sich auf schmelzbare Phasenwechselmaterialien (PCMs) und deren Herstellungsverfahren sowie auf Artikel, die diese PCMs enthalten.
Das Wärmemanagement ist in einer Vielzahl von Geräten wünschenswert, einschließlich Batterien, Geräten mit Leuchtdioden (LEDs) und Geräten mit Schaltkreisen. Beispielsweise sind die Schaltungsentwürfe für elektronische Geräte wie Fernseher, Radios, Computer, medizinische Instrumente, Büromaschinen und Kommunikationsgeräte immer kleiner und dünner geworden. Die zunehmende Leistung solcher elektronischer Komponenten hat zu einer zunehmenden Wärmeentwicklung geführt. Außerdem werden kleinere elektronische Komponenten auf immer kleinerem Raum dicht gepackt, was zu einer intensiveren Wärmeentwicklung führt. Darüber hinaus ist das Schnellladen ein neuer Trend in der Industrie für tragbare elektronische Geräte. Das Schnellladen neigt zur Überhitzung, entweder im Netzteil oder im Gerät selbst.
Gleichzeitig können elektronische Geräte sehr empfindlich auf Überhitzung reagieren, was sowohl die Lebensdauer als auch die Zuverlässigkeit der Teile negativ beeinflusst. Temperaturempfindliche Elemente in elektronischen Geräten müssen möglicherweise innerhalb einer vorgeschriebenen Betriebstemperatur gehalten werden, um eine erhebliche Leistungsverschlechterung oder sogar einen Systemausfall zu vermeiden. Folglich stehen die Hersteller weiterhin vor der Herausforderung, die in elektronischen Geräten erzeugte Wärme abzuleiten, d.h. das Wärmemanagement. Darüber hinaus kann das interne Design von elektronischen Geräten unregelmäßig geformte Hohlräume enthalten, die eine erhebliche Herausforderung für bekannte Wärmemanagement-Ansätze darstellen.
Dementsprechend besteht weiterhin Bedarf an neuen Ansätzen für das Wärmemanagement in verschiedenen Geräten, insbesondere in elektronischen Geräten. Es wäre ein zusätzlicher Vorteil, wenn die Lösungen für kleine oder dünne Geräte oder Geräte mit unregelmäßig geformten Hohlräumen wirksam wären.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Eine schmelzbare, phasenveränderliche Pulverzusammensetzung umfasst eine Vielzahl von Pulverteilchen, die eine Polymerzusammensetzung, ein nicht eingekapseltes Phasenwechsel- bzw. änderungsmaterial und gegebenenfalls eine Additivzusammensetzung umfassen; wobei die Pulverzusammensetzung bei einer Temperatur von 25 bis 105°C oder 28 bis 60°C oder 45 bis 85°C oder 60 bis 80°C oder 80 bis 100°C schmelzbar ist, wobei die Pulverzusammensetzung vorzugsweise schmelzbar, aber bei der Temperatur nicht fließfähig ist.
Ein Verfahren zur Herstellung der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung umfasst das Kombinieren einer Zusammensetzung, die das Polymer und gegebenenfalls ein Lösungsmittel, geschmolzenes, nicht eingekapseltes Phasenwechselmaterial und gegebenenfalls eine Additivzusammensetzung umfaßt, um eine Mischung zu bilden; gegebenenfalls das Entfernen des Lösungsmittels aus der Mischung; das Abkühlen der Mischung, um ein festes Phasenwechselmaterial bereitzustellen; und das Reduzieren des festen Phasenwechselmaterials zu einem Pulver, um eine schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung bereitzustellen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der eine Phasenwechselzusammensetzung umfaßt, umfasst das Einspritzen der schmelzbaren, phasenänderungsfähigen Pulverzusammensetzung in einen Hohlraum eines Gegenstandes bei einer ersten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials in der schmelzbaren, phasenänderungsfähigen Pulverzusammensetzung und das Erhitzen der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung bei einer zweiten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials in der schmelzbaren, phasenänderungsfähigen Pulverzusammensetzung und unterhalb der Glasübergangstemperatur der Zusammensetzung, um eine geschmolzene, feste Phasenwechselzusammensetzung zu bilden, wobei die zweite Temperatur vorzugsweise 25 bis 105°C oder 28 bis 60°C oder 45 bis 85°C oder 60 bis 80°C oder 80 bis 100°C beträgt.
Eine feste Phasenwechsel-Zusammensetzung, die aus dem schmelzbaren Phasenwechselpulver hergestellt ist, und ein Gegenstand, der die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung oder die feste Phasenwechsel-Zusammensetzung enthält, sind ebenfalls offengelegt.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgende Abbildung und die detaillierte Beschreibung veranschaulicht.
Figurenliste
Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnung, die zur Veranschaulichung der beispielhaften Ausführungsformen, die hier offenbart werden, und nicht zur Einschränkung derselben dargestellt wird.

Die FIGUR ist eine Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC)-Kurve, die den normalisierten Wärmefluss (W/g) gegen die Temperatur (°C) des schmelzbaren PCM-Pulvers des Beispiels zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfinder haben schmelzbare Phasenwechsel-Zusammensetzungen mit hoher Schmelzwärme bei der Phasenübergangstemperatur entwickelt, die bei niedrigen Temperaturen in Pulverform vorliegen und vorteilhaft an eine gewünschte Stelle in beliebiger Form injiziert werden können. Die Pulverpartikel bestehen aus einer Polymerzusammensetzung und einem Phasenwechselmaterial. Das Erhitzen des Pulvers auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials, aber unterhalb der Glasübergangstemperatur der Polymerzusammensetzung für eine kurze Zeitspanne führt zum Schmelzen der Pulverpartikel, so dass die Phasenwechselzusammensetzung nicht aus ihrer/seinen Position(en) in der Vorrichtung austreten kann. Diese Zusammensetzungen sind besonders geeignet, um einen ausgezeichneten Wärmeschutz für Geräte, z.B. elektronische Geräte, zu bieten, und haben den Vorteil, dass das Pulver leicht in unregelmäßig geformte Hohlräume in solchen Geräten eingepasst werden kann, um die Wärmeaufnahmekapazität zu maximieren, während die Zusammensetzung nach dem Schmelzen des Pulvers nicht bei der Betriebstemperatur aus dem Gerät austreten kann (≥ 100 C).
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung umfasst eine Vielzahl von Pulverteilchen, einschließlich einer Polymerzusammensetzung und eines ungekapselten Phasenwechselmaterials. Optional umfasst die Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung auch eine Additivzusammensetzung. Das nicht eingekapselte Phasenwechselmaterial und die Polymerzusammensetzung sind so ausgewählt, dass sie eine gute Kompatibilität aufweisen, so dass eine große Menge an Phasenwechselmaterial in einer mischbaren Mischung mit der Polymerzusammensetzung absorbiert werden kann.
Ein Phasenwechselmaterial (PCM) ist eine Substanz mit einer hohen Schmelzwärme, die in der Lage ist, während eines Phasenübergangs, wie z.B. dem Schmelzen bzw. der Erstarrung, große Mengen an latenter Wärme aufzunehmen und abzugeben. Während des Phasenwechsels bleibt die Temperatur des Phasenwechselmaterials nahezu konstant. Das Phasenwechselmaterial hemmt oder stoppt den Fluss der Wärmeenergie durch das Material während der Zeit, in der das Phasenwechselmaterial Wärme absorbiert oder abgibt, typischerweise während des Phasenwechsels des Materials. In einigen Fällen kann ein Phasenwechselmaterial die Wärmeübertragung während einer Zeitspanne, in der das Phasenwechselmaterial Wärme absorbiert oder abgibt, verhindern, typischerweise, wenn das Phasenwechselmaterial einen Übergang zwischen zwei Zuständen durchläuft. Diese Aktion ist typischerweise vorübergehend und tritt auf, bis eine latente Wärme des Phasenwechselmaterials während eines Heiz- oder Kühlprozesses absorbiert oder freigesetzt wird. Wärme kann gespeichert oder aus einem Phasenwechselmaterial entfernt werden, und das Phasenwechselmaterial kann in der Regel durch eine Wärme- oder Kältequelle effektiv wieder aufgeladen werden.
Phasenwechselmaterialen haben also eine charakteristische Übergangstemperatur. Der Begriff „Übergangstemperatur“ oder „Phasenwechseltemperatur“ bezieht sich auf eine ungefähre Temperatur, bei der ein Material einen Übergang zwischen zwei Zuständen erfährt. In einigen Ausführungsformen, z.B. für ein kommerzielles Paraffin mit gemischter Zusammensetzung, kann die Übergangs-„Temperatur“ ein Temperaturbereich sein, in dem der Phasenübergang stattfindet.
Prinzipiell ist es möglich, in den Phasenwechselzusammensetzungen Phasenwechselmaterialien mit einer Phasenwechseltemperatur von -100 bis 150°C zu verwenden. Insbesondere für die Verwendung in LED und elektronischen Komponenten kann das in die Phasenwechselzusammensetzung eingebaute Phasenwechselmaterial eine Phasenwechseltemperatur von 0 bis 115°C, 10 bis 105°C, 20 bis 100°C oder 30 bis 95°C haben. In einer Ausführungsform hat das Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur von 25 bis 105°C, oder 28 bis 60°C, oder 45 bis 85°C, oder 60 bis 80°C, oder 80 bis 100°C.
Die Auswahl eines Phasenwechselmaterials hängt typischerweise von der Übergangstemperatur ab, die für eine bestimmte Anwendung, die das Phasenwechselmaterial einschließen soll, gewünscht wird. Zum Beispiel kann ein Phasenwechselmaterial mit einer Übergangstemperatur nahe der normalen Körpertemperatur oder etwa 37°C für Elektronikanwendungen wünschenswert sein, um Verletzungen des Benutzers zu vermeiden und Komponenten vor Überhitzung zu schützen. Das Phasenwechselmaterial kann eine Übergangstemperatur im Bereich von -5 bis 150°C, oder 0 bis 90°C, oder 30 bis 70°C, oder 35 bis 50°C haben.
Bei anderen Anwendungen, z.B. einer Batterie für ein Elektrofahrzeug, kann eine Phasenwechseltemperatur von 65°C oder höher wünschenswert sein. Ein Phasenwechselmaterial für solche Anwendungen kann eine Übergangstemperatur im Bereich von 45 bis 85°C, oder 60 bis 80°C, oder 80 bis 100°C haben.
Die Übergangstemperatur kann durch Modifizierung der Reinheit des Phasenwechselmaterials, der Molekularstruktur, der Mischung von Phasenwechselmaterialien oder einer beliebigen Kombination davon erweitert oder verringert werden.
Durch die Auswahl von zwei oder mehr verschiedenen Phasenwechselmaterialien und die Bildung einer Mischung kann der Temperaturstabilisierungsbereich des Phasenwechselmaterials für jede gewünschte Anwendung eingestellt werden. Ein Temperaturstabilisierungsbereich kann eine bestimmte Übergangstemperatur oder einen Bereich von Übergangstemperaturen umfassen. Die resultierende Mischung kann zwei oder mehr verschiedene Übergangstemperaturen oder eine einzige modifizierte Übergangstemperatur aufweisen, wenn sie in die hier beschriebenen Phasenwechsel-Pulverzusammensetzungen 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 führen, bevor die Übergangstemperatur erreicht ist. Wenn die Übergangstemperatur erreicht ist, wird Energie absorbiert, bis die latente Energie verbraucht ist, und die Temperatur wird dann weiter ansteigen. Breite oder mehrfache Übergangstemperaturen ermöglichen eine Temperaturregulierung und Wärmeaufnahme, sobald die Temperatur zu steigen beginnt, wodurch ein eventueller Wärme-/Energieaufbau gemildert wird. Mehrere oder breite Übergangstemperaturen können auch effizienter helfen, Wärme von einem Bauteil wegzuleiten, indem sie die Wärmeabsorption überlappen oder staffeln. Zum Beispiel für eine Zusammensetzung, die ein erstes Phasenwechselmaterial (PCM1) enthält, das bei 35 bis 40°C absorbiert, und ein zweites Phasenwechselmaterial (PCM2), das bei 38 bis 45°C absorbiert, wird PCM1 anfangen, die Temperatur zu absorbieren und zu kontrollieren, bis ein Großteil der latenten Wärme verbraucht ist, woraufhin PCM2 beginnt, Energie von PCM1 zu absorbieren und zu leiten, wodurch PCM1 verjüngt wird und seine Funktionsfähigkeit erhalten bleibt.
Die Auswahl des Phasenwechselmaterials kann von der latenten Wärme des Phasenwechselmaterials abhängen. Eine latente Wärme des Phasenwechselmaterials korreliert typischerweise mit seiner Fähigkeit, Energie/Wärme zu absorbieren und abzugeben oder die Wärmeübertragungseigenschaften des Artikels zu modifizieren. In einigen Fällen kann das Phasenwechselmaterial eine latente Schmelzwärme von mindestens 80 Joule/Gramm (J/g), oder mindestens 100 J/g, oder mindestens 120 J/g, oder mindestens 140 J/g, oder mindestens 150 J/g, oder mindestens 170 J/g, oder mindestens 180 J/g, oder mindestens 185 J/g, oder mindestens 190 J/g, oder mindestens 200 J/g, oder mindestens 220 J/g aufweisen. So kann das Phasenwechselmaterial beispielsweise eine latente Schmelzwärme von 20 J/g bis 400 J/g aufweisen, wie z.B. 80 J/g bis 400 J/g oder 100 J/g bis 400 J/g oder 150 J/g bis 400 J/g oder 170 J/g bis 400 J/g oder 190 J/g bis 400 J/g.
Zu den verwendbaren Phasenwechselmaterialien gehören verschiedene organische und anorganische Substanzen. Beispiele für Phasenwechselmaterialien sind Kohlenwasserstoffe (z.B. geradkettige Alkane oder paraffinische Kohlenwasserstoffe, verzweigtkettige Alkane, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe und alizyklische Kohlenwasserstoffe), Silikonwachs, Alkane, Alkene, Alkine, Arene, hydratisierte Salze (z.B, Kalziumchlorid-Hexahydrat, Kalziumbromid-Hexahydrat, Magnesiumnitrat-Hexahydrat, Lithiumnitrat-Trihydrat, Kaliumfluorid-Tetrahydrat, Ammoniumalaun, Magnesiumchlorid-Hexahydrat, Natriumkarbonat-Dekahydrat, Dinatriumphosphat-Dodecahydrat, Natriumsulfat-Dekahydrat und Natriumacetat-Trihydrat), Wachse, Öle, Wasser, gesättigte und ungesättigte Fettsäuren, z.B. Capronsäure, Caprylsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Arachinsäure, Behensäure, Lignocerinsäure, Cerotinsäure u.ä.), Fettsäureester (z.B. Fettsäure-C1-C4-Alkylester, wie z.B. Methylcaprylat, Methylcaprat, Methyllaurat, Methylmyristat, Methylpalmitat, Metallstearat, Methylarachidat, Methylbehenat, Methyllignocerat und dergleichen), Fettalkohole (z.B. Caprylalkohol, Laurylalkohol, Myristylalkohol, Cetylalkohol, Stearylalkohol, Arachidylalkohol, behenylalkohol, Lignocerylalkohol, Cerylalkohol, Montanylalkohol, Myricylalkohol und Geodylalkohol u.a.), dibasische Säuren, dibasische Ester, 1-Halogenide, primäre Alkohole, sekundäre Alkohole, tertiäre Alkohole, aromatische Verbindungen, Clathrate, Halb-Clathrate, Gas-Clathrate, 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, Tetramethylol-Ethan, Neopentylglykol, Tetramethylolpropan, 2-Amino-2-methyl-1,3-propandiol, Monoaminopentaerythrit, Diaminopentaerythrit und Tris(hydroxymethyl)essigsäure), Zuckeralkohole (Erythrit, D-Mannit, Galactit, Xylit, D-Sorbit), Polymere (e.g., Polyethylen, Polyethylenglykol, Polyethylenoxid, Polypropylen, Polypropylenglykol, Polytetramethylenglykol, Polypropylenmalonat, Polyneopentylglykolsebacat, Polypentanglutarat, Polyvinylmyristat, Polyvinylstearat, Polyvinyllaurat, Polyhexadecylmethacrylat, Polyoctadecylmethacrylat, Polyester, hergestellt durch Polykondensation von Glykolen (oder deren Derivaten) mit Disäuren (oder deren Derivaten) und Copolymeren, wie Polyacrylat oder Poly(meth)acrylat mit Alkylkohlenwasserstoff-Seitenkette oder mit Polyethylenglykol-Seitenkette und Copolymeren einschließlich Polyethylen, Polyethylenglykol, Polyethylenoxid, Polypropylen, Polypropylenglykol oder Polytetramethylenglykol), Metallen und Mischungen davon. Es können verschiedene pflanzliche Öle verwendet werden, z.B. Sojaöl, Palmöl oder ähnliches. Solche Öle können gereinigt oder anderweitig behandelt werden, um sie für die Verwendung als Phasenwechselmaterial geeignet zu machen. In einer Ausführungsform ist ein Phasenwechselmaterial, das in der Zusammensetzung des Phasenwechselpulvers verwendet wird, eine organische Substanz.

Paraffinische Phasenwechselmaterialien können ein paraffinischer Kohlenwasserstoff sein, d.h. ein Kohlenwasserstoff, der durch die Formel C_nH_n+2 dargestellt wird, wobei n im Bereich von 10 bis 44 Kohlenstoffatomen liegen kann. Der Schmelzpunkt und die Schmelzwärme einer homologen Reihe von Paraffinkohlenwasserstoffen steht in direkter Beziehung zur Anzahl der Kohlenstoffatome, wie in der folgenden Tabelle dargestellt. Tabelle 1. Schmelzpunkte von paraffinischen Kohlenwasserstoffen

Paraffinischer Kohlenwasserstoff	Anzahl der Kohlenstoff-Atome	Schmelzpunkt (°C)
n-Octacosan	28	61.4
n-Heptacosan	27	59.0
n-Hexacosan	26	56.4
n-Pentacosan	25	53.7
n- T etracosan	24	50.9
n-Tricosan	23	47.6
n-Dokosan	22	44.4
n-Heneicosan	21	40.5
n-Eicosan	20	36.8
n-Nonadecan	19	32.1
n-Oktadecan	18	28.2
n-Heptadecan	17	22.0
n-Hexadecan	16	18.2
n-Pentadecan	15	10.0
n- T etradecan	14	5.9
n-Tridecane	13	-5.5

Ebenso hängt der Schmelzpunkt einer Fettsäure von der Kettenlänge ab.
In einer Ausführungsform kann das Phasenwechselmaterial einen paraffinischen Kohlenwasserstoff, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester mit 15 bis 40 Kohlenstoffatomen, 18 bis 35 Kohlenstoffatomen oder 18 bis 28 Kohlenstoffatomen umfassen. Das Phasenwechselmaterial kann ein einzelner paraffinischer Kohlenwasserstoff, eine Fettsäure oder ein Fettsäureester oder eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen, Fettsäuren und/oder Fettsäureestern sein. In einer bevorzugten Ausführung hat das Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur von 5 bis 70 °C, 25 bis 65 °C, 35 bis 60 °C oder 30 bis 50 °C.
Die Schmelzwärme des Phasenwechselmaterials, bestimmt durch Differential-Scanning-Kalorimetrie nach ASTM D4118, kann größer als 150 Joule/Gramm, vorzugsweise größer als 180 Joule/Gramm, bevorzugterweise größer als 210 Joule/Gramm sein.
Die Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung enthält ein Phasenwechselmaterial in unverkapselter („roher“) Form, obwohl die Zusammensetzung weiterhin ein Phasenwechselmaterial in verkapselter Form als Additiv enthalten kann, wie unten näher beschrieben. Die Menge des nicht eingekapselten Phasenwechselmaterials hängt von der Art des verwendeten Materials, der gewünschten Phasenwechseltemperatur, der Art des verwendeten Polymers und ähnlichen Überlegungen ab, wird aber so gewählt, dass nach dem Mischen eine mischbare Mischung aus dem Phasenwechselmaterial und der Polymerzusammensetzung entsteht. Die Menge des nicht eingekapselten Phasenwechselmaterials kann 20 bis 97 Gewichtsprozent oder 40 bis 90 Gewichtsprozent oder 70 bis 97 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung, betragen, vorausgesetzt, dass nach dem Mischen eine mischbare Mischung aus dem Phasenwechselmaterial und der Polymerzusammensetzung gebildet wird. In einer bevorzugten Ausführung ist eine große Menge an ungekapseltem Phasenwechselmaterial vorhanden, insbesondere 70 bis 97 Gewichtsprozent oder 85 bis 97 Gewichtsprozent oder 80 bis 97 Gewichtsprozent oder sogar 90 bis 97 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung umfasst ferner eine Polymerzusammensetzung, die ein Polymer enthält, das duroplastisch oder thermoplastisch sein kann. Wie hier verwendet, schließt „Polymer“ Oligomere, Ionomere, Dendrimere, Homopolymere und Copolymere (wie Pfropfcopolymere, statistische Copolymere, Blockcopolymere (z.B. Sternblockcopolymere, statistische Copolymere und dergleichen) ein. Die Polymerzusammensetzung kann ein einzelnes Polymer oder eine Kombination von Polymeren sein. Die Kombination von Polymeren kann z.B. eine Mischung aus zwei oder mehr Polymeren mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, unterschiedlichen gewichtsmittleren Molekulargewichten oder eine Kombination der vorgenannten sein. Die sorgfältige Auswahl des Polymers oder der Kombination von Polymeren ermöglicht die Abstimmung der Eigenschaften der schmelzbaren, phasenwechselnden Pulverzusammensetzungen.
Das Polymer kann in der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung in einer Menge von 3 bis 80 Gewichtsprozent oder 10 bis 60 Gewichtsprozent oder 15 bis 50 Gewichtsprozent oder 5 bis 20 Gewichtsprozent vorhanden sein, wobei die Gewichtsprozente auf das Gesamtgewicht der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung bezogen sind.
Die Art und Menge der Polymerzusammensetzung wird so gewählt, dass sie eine gute Verträglichkeit mit dem Phasenwechselmaterial aufweist, um eine mischbare Mischung aus der Polymerzusammensetzung und einer großen Menge des Phasenwechselmaterials zu bilden, z.B. mindestens 50 Gew.-% der gesamten schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung oder mindestens 75 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung oder mindestens 80 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung oder sogar 90 bis 97 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung. Als unerwartetes Merkmal hat sich herausgestellt, dass eine sorgfältige Auswahl der Polymerzusammensetzung zur Aufnahme großer Mengen des Phasenwechselmaterials als mischbare Mischung ein Produkt liefert, das wie hier beschrieben schmelzbar, aber bei höheren Temperaturen, z.B. über 50°C, wie 50 bis 200°C, oder 85°C bis 200°C, oder 100 bis 200°C, nicht fließfähig ist. Die Phasenwechsel-Zusammensetzungen können dementsprechend als Pulver eingearbeitet, geschmolzen und dann bei den Betriebstemperaturen der Artikel nicht wesentlich fließen.
In einer Ausführungsform hat die Polymerzusammensetzung eine niedrige Polarität. Die geringe Polarität der Polymerzusammensetzung ermöglicht die Kompatibilität mit einem Phasenwechselmaterial unpolarer Natur.
Ein Parameter, der zur Beurteilung der Kompatibilität der Polymerzusammensetzung mit dem Phasenwechselmaterial verwendet werden kann, ist der „Löslichkeitsparameter“ (δ) der Polymerzusammensetzung und des Phasenwechselmaterials. Löslichkeitsparameter können mit jeder bekannten Methode aus dem Stand der Technik bestimmt werden oder für viele Polymere und Phasenwechselmaterialien aus veröffentlichten Tabellen gewonnen werden. Die Polymerzusammensetzung und das Phasenwechselmaterial sollten ähnliche Löslichkeitsparameter haben, um eine mischbare Mischung zu bilden. Der Löslichkeitsparameter (δ) der Polymerzusammensetzung liegt innerhalb von ±1, oder ±0,9, oder ±0,8, oder ±0,7, oder ±0,6, oder ±0,5, oder ±0,4, oder ±0,3 des Löslichkeitsparameters des Phasenwechselmaterials.
Je nach dem Phasenwechselmaterial und anderen gewünschten Eigenschaften der Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung kann eine Vielzahl von Polymeren verwendet werden. Zu den beispielhaften Polymeren, die allgemein als duroplastisch angesehen werden, gehören Alkyde, Bismaleimid-Polymere, Bismaleimid-Triazin-Polymere, Cyanatester-Polymere, Benzocyclobuten-Polymere, Benzoxazin-Polymere, Diallylphthalat-Polymere, Epoxide, Hydroxymethylfuran-Polymere, Melamin-Formaldehyd-Polymere, Phenole (einschließlich Phenol-Formaldehyd-Polymere wie Novolake und Resole), Polydiene wie Polybutadiene (einschließlich Homopolymere und deren Copolymere), e.g. Poly(butadien-isopren)), Polyisocyanate, Polyharnstoffe, Polyurethane, Triallylcyanurat-Polymere, Triallylisocyanurat-Polymere, bestimmte Silikone und polymerisierbare Präpolymere (z.B, Präpolymere mit ethylenischer Ungesättigtheit, wie z.B. ungesättigte Polyester, Polyimide), oder ähnliches. Die Präpolymere können polymerisiert, copolymerisiert oder vernetzt werden, z.B. mit einem reaktiven Monomer wie Styrol, alpha-Methylstyrol, Vinyltoluol, Chlorstyrol, Acrylsäure, (Meth)acrylsäure, einem (C1-6-Alkyl)acrylat, einem (C1-6-Alkyl)methacrylat, Acrylnitril, Vinylacetat, Allylacetat, Triallylcyanurat, Triallylisocyanurat oder Acrylamid. Das Molekulargewicht der Präpolymere kann im Durchschnitt 400 bis 10.000 Dalton betragen.
Zu den beispielhaften Polymeren, die im Allgemeinen als thermoplastisch angesehen werden, gehören z.B. zyklische Olefinpolymere (einschließlich Polynorbornene und Copolymere mit Norbornenyl-Einheiten, z.B. Copolymere aus einem zyklischen Polymer wie Norbornen und einem azyklischen Olefin wie Ethylen oder Propylen), Fluorpolymere (z.B, Polyvinylfluorid (PVF), Polyvinylidenfluorid (PVDF), fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly(ethylen-tetrafluorethylen (PETFE), Perfluoralkoxy (PFA)), Polyacetale (z.B, Polyoxyethylen und Polyoxymethylen), Poly(C_1-6-Alkyl)acrylate, Polyacrylamide (einschließlich unsubstituierter und Mono-N- und Di-N-(C_1-8-Alkyl)acrylamide), Polyacrylnitrile, Polyamide (z.B, aliphatische Polyamide, Polyphthalamide und Polyaramide), Polyamidimide, Polyanhydride, Polyarylenether (z.B. Polyphenylenether), Polyarylenetherketone (z.B. Polyetheretherketone (PEEK) und Polyetherketonketone (PEKK)), Polyarylenketone, Polyarylensulfide (z.B. Polyphenylensulfide (PPS)), Polyarylensulfone (z.B, Polyethersulfonen (PES), Polyphenylensulfonen (PPS) und dergleichen), Polybenzothiazolen, Polybenzoxazolen, Polybenzimidazolen, Polycarbonaten (einschließlich Homopolycarbonaten und Polycarbonat-Copolymeren wie Polycarbonat-Siloxanen, Polycarbonat-Estern und Polycarbonat-Ester-Siloxanen), Polyestern (z.B, Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalate, Polyarylate und Polyester-Copolymere wie Polyester-Ether), Polyetherimide (einschließlich Copolymere wie Polyetherimid-Siloxan-Copolymere), Polyimide (einschließlich Copolymere wie Polyimid-Siloxan-Copolymere), Poly(C₁-₆-Alkyl)methacrylate, Polymethacrylamide (einschließlich nicht substituierte und Mono-N- und Di-N-(C_1-8-Alkyl)acrylamide), Polyolefine (z.B, Polyethylenen, Polypropylenen und ihren halogenierten Derivaten (wie Polytetrafluorethylenen) und ihren Copolymeren, z.B. Ethylen-alpha-Olefin-Copolymere), Polyoxadiazolen, Polyoxymethylenen, Polyphthaliden, Polysilazanen, Polysiloxanen (Silikonen), Polystyrole (einschließlich Copolymere wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Methylmethacrylat-Butadien-Styrol (MBS)), Polysulfide, Polysulfonamide, Polysulfonate, Polysulfone, Polythioester, Polytriazine, Polyharnstoffe, Polyurethane, Vinylpolymere (einschließlich Polyvinylalkoholen, Polyvinylestern, Polyvinylethern, Polyvinylhalogeniden (e.g, Polyvinylfluorid), Polyvinylketone, Polyvinylnitrile, Polyvinylthioether und Polyvinylidenfluoride) oder ähnliches. Es kann eine Kombination aus mindestens einem der vorgenannten Polymere verwendet werden.
Eine bevorzugte Art der Polymerklasse sind Elastomere, die optional vernetzt werden können. In einigen Ausführungsformen sorgt die Verwendung eines vernetzten (d.h. gehärteten) Elastomers für ein geringeres Fließverhalten der Zusammensetzungen bei höheren Temperaturen. Geeignete Elastomere können elastomere statistische, gepfropfte oder Blockcopolymere sein. Beispiele hierfür sind Naturkautschuk, Butylkautschuk, Polydicyclopentadienkautschuk, Fluorelastomere, Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR), Ethylen-Buten-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM oder Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer), 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), High Rubber Graft (HRG) und ähnliches.
Elastomere Blockcopolymere umfassen einen Block (A), der von einer alkenylaromatischen Verbindung abgeleitet ist, und einen Block (B), der von einem konjugierten Dien abgeleitet ist. Die Anordnung der Blöcke (A) und (B) umfasst lineare und Pfropfstrukturen, einschließlich radialer Teleblockstrukturen mit verzweigten Ketten. Beispiele für lineare Strukturen sind Diblock- (A-B), Triblock-(A-B-A oder B-A-B), Tetrablock- (A-B-A-B) und Pentablock- (A-B-A-B-A oder B-AB-A-B) Strukturen sowie lineare Strukturen, die insgesamt 6 oder mehr Blöcke aus A und B enthalten. Zu den spezifischen Blockcopolymeren gehören 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 Kautschukblöcke können aus Polybutadien, Polyisopren, ihren hydrierten Äquivalenten oder einer Kombination aus mindestens einem der vorgenannten Stoffe bestehen. Beispiele für Styrol-Butadien-Blockcopolymere sind Styrol-Butadien-Blockcopolymere, z.B. Kraton D SBS-Polymere (Kraton Performance Polymers, Inc.); Styrol-Ethylen/Propylen-Blockcopolymere, z.B, Kraton G SEPS (Kraton Performance Polymers, Inc.) oder 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-Ethylen/Propylen-Blockcopolymer, z.B. Kraton G 1642. In anderen Ausführungsformen ist das Polymer ein Styrol-Butadien-Blockcopolymer, z.B. Kraton D1118.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Polymer Kraton G SEBS oder SEPS, ein Styrol-Butadien-Blockcopolymer, Polybutadien, EPDM, Naturkautschuk, Butylkautschuk, cyclisches Olefin-Copolymer, Polydicyclopentadien-Kautschuk oder eine Kombination aus einem oder mehreren der vorgenannten.
Die Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung kann durch eine Schmelzwärme, bestimmt durch Differential-Scanning-Kalorimetrie nach ASTM D4118, von mehr als 150 Joule/Gramm, vorzugsweise mehr als 180 Joule pro Gramm, noch bevorzugter mehr als 200 Joule/Gramm, charakterisiert werden.
Die Phasenwechsel-Pulverzusammensetzungen können aus der Kombination des ungekapselten Phasenwechselmaterials und der Polymerzusammensetzung allein in den oben beschriebenen Mengen bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Alternativ können die Phasenwechsel-Zusammensetzungen auch andere Komponenten als Additive enthalten, z.B. ein verkapseltes Phasenwechselmaterial, einen Füllstoff oder andere in der Technik bekannte Additive. Solche zusätzlichen Komponenten werden so ausgewählt, dass die gewünschten Eigenschaften der Phasenwechsel-Zusammensetzungen, insbesondere die Temperatur, bei der die Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung schmelzbar ist, nicht wesentlich nachteilig beeinflusst werden.
Obwohl die Phasenwechselzusammensetzung beispielsweise ein nicht eingekapseltes Phasenwechselmaterial enthält, kann die Phasenwechselzusammensetzung darüber hinaus ein Phasenwechselmaterial in eingekapselter Form als Additiv enthalten. Die Verkapselung eines Phasenwechselmaterials schafft im Wesentlichen einen Behälter für das Phasenwechselmaterial, so dass unabhängig davon, ob das Phasenwechselmaterial im festen oder flüssigen Zustand vorliegt, das Phasenwechselmaterial enthalten ist. Methoden zur Verkapselung von Materialien, wie z.B. Phasenwechselmaterialien, sind im Stand der Technik bekannt (siehe z.B. U.S. Patent Nr. 5,911,923 und 6,703,127 ). Mikroverkapselte und makroverkapselte Phasenwechselmaterialien sind ebenfalls kommerziell erhältlich (z.B. von Microtek Laboratories, Inc.). Makrokapseln haben eine durchschnittliche Partikelgröße von 1.000 bis 10.000 Mikrometern, während Mikrokapseln eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 1.000 Mikrometern haben. Das eingekapselte Phasenwechselmaterial kann in einer Mikrokapsel eingekapselt werden und die mittlere Partikelgröße der Mikrokapseln kann 1 bis 100 Mikrometer oder 2 bis 50 Mikrometer oder 5 bis 40 Mikrometer betragen. Dabei ist die mittlere Partikelgröße eines eingekapselten PCM eine volumengewichtete mittlere Partikelgröße, die z.B. mit einem Malvern Mastersizer 2000 Particle Analyzer oder einem gleichwertigen Gerät bestimmt wird. Das eingekapselte Phasenwechselmaterial kann in einer Menge von 1 bis 50 Gewichtsprozent (Gew.-%) enthalten sein, konkret 1 bis 40 Gew.-% oder 5 bis 30 Gew.-% oder 10 bis 30 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenwechselzusammensetzung.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung kann ferner einen Füllstoff enthalten, z.B. einen Füllstoff zur Einstellung der dielektrischen, wärmeleitenden oder magnetischen Eigenschaften der Phasenwechsel-Zusammensetzung. Es kann ein Füllstoff mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, wie Glasperlen, Kieselerde oder gemahlene Mikroglasfasern, verwendet werden. Es kann eine thermisch stabile Faser, wie z.B. ein aromatisches Polyamid oder ein Polyacrylnitril verwendet werden. Zu den repräsentativen dielektrischen Füllstoffen gehören Titandioxid (Rutil und Anatas), Bariumtitanat, Strontiumtitanat, amorphes Quarzglas, Korund, Wollastonit, Aramidfasern (z.B, KEVLAR™ von DuPont), Glasfaser, Ba₂Ti₉O₂₀, Quarz, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Magnesia, Glimmer, Talkum, Nanoton, Aluminosilikate (natürlich und synthetisch), Eisenoxid, CoFe₂O₄ (nanostrukturiertes Pulver, erhältlich bei Nanostructured & Amorphous Materials, Inc.), einwandige oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren und pyrogenes Siliziumdioxid (z.B. Cab-O-Sil, erhältlich bei der Cabot Corporation), die jeweils einzeln oder in Kombination verwendet werden können.
Andere Arten von Füllstoffen, die verwendet werden können, umfassen einen wärmeleitenden Füllstoff, einen wärmeisolierenden Füllstoff, einen magnetischen Füllstoff oder eine Kombination aus mindestens einem der vorgenannten. Zu den wärmeleitenden Füllstoffen gehören z.B. Bornitrid, Kieselerde, Aluminiumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumnitrid. Beispiele für wärmeisolierende Füllstoffe sind z.B. organische Polymere in Partikelform. Die magnetischen Füllstoffe können in Nanogröße hergestellt werden.
Die Füllstoffe können in Form von festen, porösen oder hohlen Partikeln vorliegen. Die Partikelgröße des Füllstoffs beeinflusst eine Reihe wichtiger Eigenschaften, einschließlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten, des Moduls, der Dehnung und der Flammbeständigkeit. In einer Ausführungsform hat der Füllstoff eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,1 bis 15 Mikrometer, konkret 0,2 bis 10 Mikrometer. Der Füllstoff kann ein Nanopartikel, d.h. ein Nanofüllstoff, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 bis 100 Nanometer (nm), oder 5 bis 90 nm, oder 10 bis 80 nm, oder 20 bis 60 nm sein. Es kann eine Kombination von Füllstoffen mit einer bimodalen, trimodalen oder höheren durchschnittlichen Partikelgrößenverteilung verwendet werden. Der Füllstoff kann in einer Menge von 0,1 bis 80 Gew.-%, konkret 1 bis 65 Gew.-%, oder 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung, enthalten sein.
Darüber hinaus kann die Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung optional Additive wie Flammschutzmittel, Härtungsinitiatoren, Vernetzungsmittel, Viskositätsmodifikatoren, Netzmittel, Antioxidantien, Wärmestabilisatoren, Farbstoffe oder eine Kombination aus mindestens einem der vorgenannten Stoffe enthalten. Die besondere Wahl der Additive hängt von der verwendeten Polymerzusammensetzung, der besonderen Anwendung der Phasenwechselzusammensetzung und den gewünschten Eigenschaften für diese Anwendung ab und wird so ausgewählt, dass die elektrischen Eigenschaften der Schaltungsunterbaugruppen, wie z.B. Wärmeleitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Verlustfaktor, dielektrischer Verlust oder andere gewünschte Eigenschaften, verbessert oder nicht wesentlich nachteilig beeinflusst werden.
Das Flammschutzmittel kann ein Metallcarbonat, ein Metallhydrat, ein Metalloxid, eine halogenierte organische Verbindung, eine organische phosphorhaltige Verbindung, eine stickstoffhaltige Verbindung oder ein Phosphinatsalz sein. Zu den repräsentativen Flammschutzadditiven gehören brom-, phosphor- und metalloxidhaltige Flammschutzmittel. Geeignete bromhaltige Flammschutzmittel sind im Allgemeinen aromatisch und enthalten mindestens zwei Brom pro Verbindung. Einige, die im Handel erhältlich sind, sind z.B. von der Albemarle Corporation unter den Handelsnamen Saytex BT-93W (Ethylenbistetrabromphthalimid), Saytex 120 (Tetradecaboromodiphenoxybenzol) und Great Lake unter dem Handelsnamen BC-52, BC-58, Esschem Inc unter dem Handelsnamen FR1025.
Zu den geeigneten phosphorhaltigen Flammschutzmitteln gehören verschiedene organische Phosphorverbindungen, zum Beispiel ein aromatisches Phosphat der Formel (GO)₃P=O, wobei jedes G unabhängig voneinander eine C₁-₃₆-Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkylaryl- oder Arylalkylgruppe ist, vorausgesetzt, dass mindestens ein G eine aromatische Gruppe ist. Zwei der G-Gruppen können zu einer zyklischen Gruppe zusammengefügt werden, z.B. Diphenylpentaerythritoldiphosphat. Andere geeignete aromatische Phosphate können z.B. Phenylbis(dodecyl)-Phosphat, Phenyl-bis(neopentyl)-Phosphat, Phenyl-bis(3,5,5'-trimethylhexyl)-Phosphat, Ethyldiphenylphosphat, 2-Ethylhexyl-di(p-tolyl)-Phosphat, Bis(2-ethylhexyl)-p-tolylphosphat sein, Tritolylphosphat, Bis(2-ethylhexyl)phenylphosphat, Tri(nonylphenyl)phosphat, Bis(dodecyl)p-tolylphosphat, Dibutylphenylphosphat, 2-Chlorethyl-diphenylphosphat, p-Tolyl-bis(2,5,5'-trimethylhexyl)phosphat, 2-Ethylhexyl-diphenylphosphat oder ähnliches. Ein spezifisches aromatisches Phosphat ist eines, bei dem jedes G aromatisch ist, z.B. Triphenylphosphat, Tricresylphosphat, isopropyliertes Triphenylphosphat und ähnliches. Beispiele für geeignete di- oder polyfunktionelle aromatische phosphorhaltige Verbindungen sind Resorcin-Tetraphenyldiphosphat (RDP), das Bis(diphenyl)phosphat von Hydrochinon und das Bis(diphenyl)phosphat von Bisphenol-A, ihre oligomeren und polymeren Gegenstücke und ähnliches.
Es können auch Metallphosphinatsalze verwendet werden. Beispiele für Phosphinate sind Phosphinat-Salze wie z.B. alizyklische Phosphinat-Salze und Phosphinat-Ester. Weitere Beispiele für Phosphinate sind Diphosphinsäuren, Dimethylphosphinsäure, Ethylmethylphosphinsäure, Diethylphosphinsäure und die Salze dieser Säuren, wie z.B. die Aluminium- und 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-tetrahydroxycyclohexan. 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 hat eine halogenfreie Zusammensetzung bei Verwendung mit EXOLIT 935 (einem Aluminiumphosphinat) eine ausgezeichnete Flammwidrigkeit. Zu den weiteren Flammschutzmitteln gehören Melaminpolyphosphat, Melamincyanurat, Melam, Melone, Melem, Guanidine, Phosphazane, Silazane, DOPO (9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid) und 10-(2,5-Dihydroxyphenyl)-10H-9-oxa-phosphaphenanthren-10-oxid.
Geeignete Metalloxid-Flammschutzmittel sind Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Zinkstannat und Boroxid. Vorzugsweise kann das Flammschutzmittel Aluminiumtrihydroxid, Magnesiumhydroxid, Antimonoxid, Decabromdiphenyloxid, Decabromdiphenylethan, Ethylen-bis (Tetrabromphthalimid), Melamin, Zinkstannat oder Boroxid sein.
Ein flammhemmendes Additiv kann in einer Menge vorhanden sein, die in der Technik für die jeweilige Art des verwendeten Additivs bekannt ist. In einer Ausführungsform wird die Art und Menge des Flammschutzmittels so gewählt, dass ein injizierbares PCM-Pulver entsteht, das bei Verfestigung auf eine Dicke von 0,3 Millimetern die Norm UL94 VTM-2 erfüllt.
Zu den beispielhaften Aushärtungsinitiatoren gehören diejenigen, die bei der Aushärtung (Vernetzung) der Polymere in der Zusammensetzung nützlich sind. Nicht einschränkende Beispiele hierfür sind unter anderem Azide, Peroxide, Schwefel und Schwefelderivate. Freie Radikalinitiatoren sind als Heilungsinitiatoren besonders wünschenswert. Beispiele für freie Radikalinitiatoren sind Peroxide, Hydroperoxide und Nichtperoxid-Initiatoren wie 2,3-Dimethyl-2, 3-Diphenylbutan. Beispiele für Peroxid-Härtemittel sind Dicumylperoxid, alpha, alpha-di(t-Butylper- oxy)-m,p-diisopropylbenzol, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-Butylperoxy)hexan-3 und 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-Butylperoxy)hexan-3 sowie Mischungen, die einen oder mehrere der vorgenannten Härtungsinitiatoren enthalten. Der Aushärtungsinitiator kann, wenn er verwendet wird, in einer Menge von 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenwechselzusammensetzung, vorhanden sein.
Vernetzungsmittel sind reaktive Monomere oder Polymere. In einer Ausführungsform sind solche reaktiven Monomere oder Polymere in der Lage, mit dem Polymer in der Phasenwechselzusammensetzung zu koreagieren. Beispiele für geeignete reaktive Monomere sind u.a. Styrol, Divinylbenzol, Vinyltoluol, Triallylcyanurat, Diallylphthalat und multifunktionelle Acrylat-Monomere (wie z.B. die bei Sartomer Co. erhältlichen Sartomer-Verbindungen), die alle kommerziell erhältlich sind. Nützliche Mengen an Vernetzungsmitteln sind 0,1 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenwechselzusammensetzung.
Zu den beispielhaften Antioxidantien gehören Radikalfänger und Metalldeaktivatoren. Ein nicht einschränkendes Beispiel für einen freien Radikalfänger ist Poly[[6-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino-s-triazin-2,4-diyl][(2,2,6,6,-tetramethyl-4-piperidyl)imino]hexamethylen[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)imino]], das von Ciba Chemicals unter dem Handelsnamen Chimassorb 944 im Handel erhältlich ist. Ein nicht einschränkendes Beispiel für einen Metalldeaktivator ist 2,2-Oxalyldiamidobis[ethyl-3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)propionat], das von der Chemtura Corporation unter dem Handelsnamen Naugard XL-1 im Handel erhältlich ist. Es kann ein einzelnes Antioxidans oder eine Mischung aus zwei oder mehreren Antioxidantien verwendet werden. Antioxidantien sind typischerweise in Mengen von bis zu 3 Gew.-% vorhanden, insbesondere 0,5 bis 2,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenwechselzusammensetzung.
Kopplungsmittel können vorhanden sein, um die Bildung von kovalenten Bindungen zu fördern oder an kovalenten Bindungen teilzunehmen, die eine Metalloberfläche oder eine Füllstoffoberfläche mit einem Polymer verbinden. Zu den beispielhaften Kopplungsmitteln gehören 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan und 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan sowie Hexamethylendisilazane.
In einigen Ausführungsformen kann die Phasenwechselzusammensetzung eine Schmelzwärme von mindestens 100 J/g, vorzugsweise mindestens 170 J/g, bevorzugter mindestens 220 J/g, noch bevorzugter mindestens 240 J/g aufweisen.
Die Phasenwechselzusammensetzung kann durch Kombination der Polymerzusammensetzung und gegebenenfalls eines Lösungsmittels, des nicht eingekapselten Phasenwechselmaterials und jeglicher Additive zur Herstellung der Phasenwechselzusammensetzung hergestellt werden. Die Kombination kann durch jede geeignete Methode erfolgen, wie z.B. Mischen, Mixen oder Rühren. In einer Ausführungsform wird das nicht eingekapselte Phasenwechselmaterial geschmolzen und die Polymerzusammensetzung im geschmolzenen Phasenwechselmaterial gelöst. In einer Ausführungsform können die Komponenten, die zur Bildung der Phasenwechselzusammensetzung verwendet werden, einschließlich der Polymerzusammensetzung und des nicht eingekapselten Phasenwechselmaterials und der optionalen Additive, durch Lösen oder Suspendieren in einem Lösungsmittel kombiniert werden, um eine Mischung oder Lösung zu erhalten.
Die Mischung kann gekühlt werden, um ein festes Phasenwechselmaterial zu erhalten. Das feste Phasenwechselmaterial kann dann zu einem Pulver mit der gewünschten Partikelgröße reduziert werden. Die Reduktion des festen Phasenwechselmaterials zu einem Pulver kann durch Mahlen oder Zerkleinern des Feststoffs auf die gewünschte Partikelgröße mit jeder geeigneten Art von Mahlwerk durchgeführt werden, z.B. mit einer Medienmühle, Kugelmühle, Zweiwalzenmühle, Dreiwalzenmühle, Perlmühle, Luftstrahlmühle oder einer Tieftemperaturmühle.
Die durchschnittliche Partikelgröße des schmelzbaren Pulvers kann 1 bis 500 Mikrometer oder 5 bis 300 Mikrometer oder 10 bis 200 Mikrometer betragen. Die durchschnittliche Partikelgröße des schmelzbaren Pulvers ist eine volumengewichtete mittlere Partikelgröße, die z.B. mit einem Malvern Mastersizer 2000 Particle Analyzer oder einem gleichwertigen Instrumentarium bestimmt wird.
Das Lösungsmittel wird, wenn es enthalten ist, so gewählt, dass es das Polymer auflöst, das nicht eingekapselte Phasenwechselmaterial und alle anderen optionalen Additive, die vorhanden sein können, dispergiert und eine bequeme Verdampfungsrate für die Formung und Trocknung hat. Eine nicht ausschließliche Liste möglicher Lösungsmittel ist Xylol, Toluol, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Hexan und höhere flüssige lineare Alkane, wie Heptan, Oktan, Nonan und ähnliche, Cyclohexan, Isophoron, verschiedene Lösungsmittel auf Terpenbasis und gemischte Lösungsmittel. Zu den spezifischen beispielhaften Lösungsmitteln gehören Xylol, Toluol, Methylethylketon, Methylisobutylketon und Hexan, und noch spezifischer 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, der Art der Anwendung und anderen Faktoren ab. Im Allgemeinen umfasst die Lösung 10 bis 80 Gew.-% Feststoffe (alle Komponenten außer dem Lösungsmittel), genauer gesagt 50 bis 75 Gew.-% Feststoffe, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung.
Ein Gegenstand, der die Phasenwechselzusammensetzung umfasst, kann durch Einspritzen der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung in einen Hohlraum eines Gegenstandes bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials in der Zusammensetzung hergestellt werden. Die eingespritzte, schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung kann auf eine zweite Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials in der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung und unterhalb der Glasübergangstemperatur der Zusammensetzung erhitzt werden, um eine geschmolzene, feste Phasenwechselzusammensetzung zu bilden. Die zweite Temperatur kann 25 bis 105°C, oder 28 bis 60°C, oder 45 bis 85°C, oder 60 bis 80°C, oder 80 bis 100°C betragen. Der Hohlraum des Artikels hat eine kleinste Abmessung von mehr als der durchschnittlichen Partikelgröße des Pulvers und weniger als 2 Zentimeter, vorzugsweise weniger als 1 Zentimeter, noch bevorzugter weniger als 0,5 Zentimeter, aber noch bevorzugter weniger als 0,1 Zentimeter. Der Artikel kann ein elektronisches Gerät sein, vorzugsweise ein elektronisches Handgerät.
Die Phasenwechsel-Zusammensetzung kann auch durch bekannte Methoden, z.B. Extrudieren, Formen oder Gießen, zu einem Artikel geformt werden. Die Zusammensetzung kann beispielsweise durch Gießen auf einen Träger, von dem sie später freigesetzt wird, oder alternativ auf ein Substrat wie eine leitende Metallschicht, die später zu einer Schicht einer Schaltungsstruktur geformt wird, zu einer Schicht geformt werden.
Nachdem der Artikel oder die Schicht gebildet wurde, wird jegliches Lösungsmittel unter Umgebungsbedingungen oder durch erzwungene oder erhitzte Luft verdampft, um die Zusammensetzung zu bilden. Die Schicht kann im Trocknungsprozess unausgehärtet oder teilweise ausgehärtet (B-Stadium) sein, oder die Schicht kann, falls gewünscht, nach dem Trocknen teilweise oder vollständig ausgehärtet werden. Die Schicht kann z.B. auf 20 bis 200°C, konkret auf 30 bis 150°C, genauer gesagt auf 40 bis 100°C erhitzt werden. Die resultierende Zusammensetzung kann vor der Verwendung, z.B. Laminierung und Aushärtung, gelagert werden, teilweise ausgehärtet und dann gelagert werden oder laminiert und vollständig ausgehärtet werden.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, und zwar mit besonderem Vorteil bei Artikeln mit unregelmäßig geformten Hohlräumen, die mit PCMs fester Zusammensetzung nur schwer vollständig gefüllt werden können. Die Zusammensetzung kann in einer Vielzahl von elektronischen Geräten und allen anderen Vorrichtungen verwendet werden, die Wärme zum Nachteil der Leistung der Prozessoren und anderer Betriebsschaltungen (Speicher, Video-Chips, Telekommunikations-Chips und dergleichen) erzeugen. Beispiele für solche elektronischen Geräte sind Mobiltelefone, PDAs, Smartphones, Tablets, Laptops und andere allgemein tragbare Geräte. Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung kann jedoch in praktisch jedes elektronische Gerät eingebaut werden, das während des Betriebs gekühlt werden muss. Beispielsweise kann die Elektronik, die in Automobilkomponenten, Flugzeugkomponenten, Radarsystemen, Leitsystemen und GPS-Geräten, die in zivile und militärische Ausrüstung und andere Fahrzeuge eingebaut sind, von Aspekten der verschiedenen Ausführungsformen profitieren, wie Batterien, Motorsteuergeräte (ECU), Airbagmodule, Karosseriesteuergeräte, Türmodule, Tempomatmodule, Instrumententafeln, Klimaanlagenmodule, Antiblockiermodule (ABS), Getriebesteuergeräte und Stromverteilungsmodule. Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung und deren Artikel können auch in die Gehäuse von Elektronik- oder anderen Strukturkomponenten eingebaut werden. Im Allgemeinen kann jedes Gerät, das auf den Leistungsmerkmalen eines elektronischen Prozessors oder einer anderen elektronischen Schaltung beruht, von den erhöhten oder stabileren Leistungsmerkmalen profitieren, die sich aus der Nutzung von Aspekten der hier offengelegten Zusammensetzungen ergeben.
Die hier beschriebenen Zusammensetzungen können dem Gerät eine verbesserte thermische Stabilität verleihen, wodurch eine Beeinträchtigung der Leistung und Lebensdauer der elektronischen Geräte vermieden werden kann. Die schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzungen sind darüber hinaus vorteilhaft für die Verwendung als Wärmemanagementmaterial, insbesondere in der Elektronik, da sie leicht in Hohlräume mit unregelmäßigen Formen eingespritzt werden können, die mit PCMs fester Zusammensetzung nur schwer vollständig gefüllt werden können, wodurch eine maximale Wärmeaufnahmekapazität ermöglicht wird.
Das folgende Beispiel ist lediglich eine Illustration der hier offengelegten schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung und des Herstellungsverfahrens und soll den Umfang nicht einschränken.
BEISPIEL
Die Schmelztemperatur und die Enthalpie (ΔH) des Übergangs eines Materials können durch Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) bestimmt werden, z.B. mit einer Perkin Elmer DSC 4000 oder einem gleichwertigen Gerät nach ASTM D3418.
Eine schmelzbare Pulverzusammensetzung wurde durch allmähliches Auflösen von 7 Gramm KRATON D1118 (ein klares Diblock-Copolymer auf der Basis von Styrol und Butadien mit einem Polystyrolgehalt von 33%) in 78 Gramm geschmolzenem PCM43P (Microtek Laboratories, Inc.) (Paraffin Wachs mit Phasenwechseltemperatur bei 43°C) unter Verwendung eines Planeten-Ross-Mischers hergestellt. Die Einrichtungstemperatur für den Ross-Mixer betrug 90°C. Nachdem die Polymere vollständig in das geschmolzene Wachs gelöst wurden, wurden 15 Gramm ATH 432 SG von Huber Engineered Materials (Aluminiumhydroxid oder Aluminiumtrihydrat) nach und nach in das geschmolzene System gegeben, bis eine homogene Zusammensetzung entsteht. Die Mischung wurde bei fortgesetztem Mischen gekühlt. Die PCM-Mischung wurde aus dem Ross-Mischer entfernt und in einem Wiley-Mahlwerk, dessen Mahlkammer mit flüssigem Stickstoff gefüllt war, in ein Pulver mit kleinem Durchmesser zerkleinert. Die durchschnittliche Partikelgröße des resultierenden PCM-Pulvers wurde durch Laserlichtstreuung auf etwa 14 Mikrometer bestimmt.
Eine Probe des entstandenen PCM-Pulvers wurde in ein Glasfläschchen gegeben, das 10 Minuten lang in einen 65°C-Ofen gestellt wurde. Nachdem das Glasfläschchen aus dem Ofen genommen wurde, wurde beobachtet, dass das Pulver zusammengeschmolzen wurde und kein Pulver aus dem umgedrehten Glasfläschchen fiel.
Zur Bestimmung der Schmelzwärme wurde am PCM-Pulver eine Differential-Scanning-Kalorimetrie durchgeführt. Die Abbildung zeigt die DSC-Ergebnisse für das PCM-Pulver. Wie man sieht, hat das Pulver eine hohe Schmelzwärme, 204,8 J/g.
Die Ansprüche werden durch die folgenden nicht einschränkenden Aspekte weiter veranschaulicht.
Aspekt 1: Schmelzbare, phasenveränderliche Pulverzusammensetzung, umfassend eine Vielzahl von Pulverteilchen, die eine Polymerzusammensetzung, ein nicht eingekapseltes Phasenwechselmaterial und gegebenenfalls eine Additivzusammensetzung umfassen; wobei die Pulverzusammensetzung bei einer Temperatur von 25 bis 105°C oder 28 bis 60°C oder 45 bis 85°C oder 60 bis 80°C oder 80 bis 100°C schmelzbar ist, wobei die Pulverzusammensetzung vorzugsweise schmelzbar, aber bei der Temperatur nicht fließfähig ist.
Aspekt 2: Die schmelzbare, phasenveränderliche Pulverzusammensetzung von Aspekt 1, wobei ein Löslichkeitsparameter des Polymers innerhalb von ±1 oder ±0,9 oder ±0,8 oder ±0,7 oder ±0,6 oder ±0,5 oder ±0,4 oder ±0,3 des Löslichkeitsparameters des Phasenwechselmaterials liegt; oder wobei die Polymerzusammensetzung ein elastomeres Blockcopolymer, ein elastomeres Pfropfcopolymer, ein elastomeres statistisches Copolymer, ein Elastomer oder ein Polyolefin umfasst; wobei die Polymerzusammensetzung vorzugsweise ein Styrol-Ethylen/Propylen-Styrol-Blockcopolymer, ein Styrol-Butadien-Blockcopolymer, ein Styrol-Ethylen/Butylen-Styrol-Blockcopolymer, ein Polybutadien, ein Isopren, ein Polybutadien-Isopren-Copolymer, einen Ethylen-Propylen-Kautschuk, einen Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk, einen Naturkautschuk, Butylkautschuk, ein cyclisches Olefin-Copolymer, einen Polydicyclopentadien-Kautschuk oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst, umfasst; bevorzugter, wobei die Polymerzusammensetzung ein Styrol-Ethylen/Propylen-Styrol-Blockcopolymer, ein Styrol-Butadien-Blockcopolymer oder ein Styrol-Ethylen/Butylen-Styrol-Blockcopolymer umfasst.
Aspekt 3: Die schmelzbare, phasenveränderliche Pulverzusammensetzung von Aspekt 1 oder 2, wobei ein Löslichkeitsparameter des Polymers innerhalb von ±1 oder ±0,9 oder ±0,8 oder ±0,7 oder ±0,6 oder ±0,5 oder ±0,4 oder ±0,3 des Löslichkeitsparameters des Phasenwechselmaterials liegt; oder wobei die Polymerzusammensetzung ein cyclisches Olefinpolymer, Fluorpolymer, Polyacetal, Poly(C_1-6-Alkyl)acrylat, Polyacrylamid, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyamidimid, Polyanhydrid, Polyarylenether, Polyarylenetherketon, Polyarylen-Keton, Polyarylensulfid, Polyarylensulfon, Polycarbonat, Polyester, Polyetherimid, Polyimid, Poly(C_1-6-Alkyl)methacrylat, Polymethacrylamid, Polyolefin, Polyoxymethylen, Polysiloxan, Polystyrol, Polysulfid, Polysulfonamid, Polysulfonat, Polythioester, Polytriazin, Polyharnstoff, Polyurethan, Vinylpolymer, Alkyd, Bismaleinimid-Polymer, Bismaleinimid-Triazin-Polymer, Cyanatester-Polymer, Benzocyclobuten-Polymer, Diallylphthalat-Polymer, Epoxid, Hydroxymethylfuran-Polymer, Melamin-Formaldehyd-Polymer, Phenol-Polymer, Benzoxazin-Polymer, Polydien, Polyisocyanat, Polyharnstoff, Polyurethan, Silikon, Triallyl-Cyanurat-Polymer oder Triallyl-Isocyanurat-Polymer umfasst.
Aspekt 4: Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung eines oder mehrerer der Aspekte 1 bis 3, wobei das nicht eingekapselte Phasenwechselmaterial ein C_10-35-Alkan, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester; vorzugsweise ein C_18-28-Alkan, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester; bevorzugter ein Paraffin mit einer Schmelztemperatur von 25 bis 65°C oder 35 bis 60°C umfasst.
Aspekt 5: Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung eines oder mehrerer der Aspekte 1 bis 4, wobei das nicht eingekapselte Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur von 5 bis 70°C, vorzugsweise 25 bis 65°C, bevorzugter 35 bis 60°C, noch bevorzugter 30 bis 50°C; oder eine Schmelzwärme, bestimmt durch Differential-Scanning-Kalorimetrie gemäß ASTM D4118, von mehr als 150 Joule/Gramm, vorzugsweise mehr als 180 Joule pro Gramm, bevorzugter mehr als 210 Joule/Gramm, aufweist.
Aspekt 6: Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung mit einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 5, die ferner eine Additivzusammensetzung umfasst, wobei die Additivzusammensetzung ein eingekapseltes Phasenwechselmaterial, ein Flammenhemmungsmittel, einen Wärmestabilisator, ein Antioxidationsmittel, einen wärmeleitenden Füllstoff, einen wärmeisolierenden Füllstoff, einen magnetischen Füllstoff, ein Farbmittel oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst, umfasst; wobei das Flammschutzmittel vorzugsweise ein Metallcarbonat, ein Metallhydrat, ein Metalloxid, eine halogenierte organische Verbindung, eine organische phosphorhaltige Verbindung, eine stickstoffhaltige Verbindung, ein Phosphinatsalz oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst, ist; wobei das Flammschutzmittel vorzugsweise Aluminiumtrihydroxid, Magnesiumhydroxid, Antimonoxid, Decabromdiphenyloxid, Decabromdiphenylethan, Ethylen-bis (Tetrabromphthalimid), Melamin, Zinkstannat, Boroxid oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst, ist.
Aspekt 7: Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung eines oder mehrerer der Aspekte 1 bis 6, die 3 bis 80 Gewichtsprozent oder 10 bis 60 Gewichtsprozent oder 15 bis 50 Gewichtsprozent oder 5 bis 20 Gewichtsprozent einer Polymerzusammensetzung; 20 bis 97 Gewichtsprozent oder 40 bis 90 Gewichtsprozent oder 70 bis 97 Gewichtsprozent eines ungekapselten Phasenwechselmaterials umfasst; und 0 bis 60 Gewichtsprozent oder mehr als 0 bis 20 Gewichtsprozent oder 2 bis 25 Gewichtsprozent oder 5 bis 20 Gewichtsprozent der Additivzusammensetzung; wobei Gewichtsprozent auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung basiert und insgesamt 100 Gewichtsprozent beträgt.
Aspekt 8: Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung eines oder mehrerer der Aspekte 1 bis 7, mit einer Schmelzwärme, bestimmt durch Differential-Scanning-Kalorimetrie gemäß ASTM D4118, bei einer Schmelztemperatur von mindestens 150 Joule/ Gramm, vorzugsweise mindestens 200 Joule/ Gramm, noch bevorzugter mindestens 210 Joule/ Gramm.
Aspekt 9: Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung eines der Aspekte 1 bis 8, wobei die durchschnittliche Partikelgröße des Pulvers 1 bis 500 Mikrometer oder 5 bis 300 Mikrometer oder 10 bis 200 Mikrometer beträgt.
Aspekt 10: Eine feste Phasenwechselzusammensetzung, die aus dem schmelzbaren, phasenwechselnden Pulver eines oder mehrerer der Aspekte 1 bis 9 hergestellt wird.
Aspekt 11: Verfahren zur Herstellung der schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung eines oder mehrerer der Aspekte 1 bis 9, wobei das Verfahren umfaßt: Kombinieren einer Zusammensetzung, die die Polymerzusammensetzung und gegebenenfalls ein Lösungsmittel, geschmolzenes, nicht eingekapseltes Phasenwechselmaterial und gegebenenfalls eine Additivzusammensetzung umfasst, um eine Mischung zu bilden; gegebenenfalls Entfernen des Lösungsmittels aus der Mischung; Abkühlen der Mischung, um ein festes Phasenwechselmaterial bereitzustellen; und Reduzieren des festen Phasenwechselmaterials zu einem Pulver, um eine schmelzbare, phasenverändernde Pulverzusammensetzung bereitzustellen.
Aspekt 12: Das Verfahren von Aspekt 11, bei dem das Reduzieren des festen Phasenwechselmaterials zu einem Pulver das Kryo-Mahlen des festen Phasenwechselmaterials zu einem Pulver umfasst.
Aspekt 13: Das Verfahren von Aspekt 11 oder 12, bei der das Mahlen mit einer Planetenkugelmühle durchgeführt wird.
Aspekt 14: Das Verfahren eines der Aspekte 11 bis 13, wobei die Partikelgröße des Pulvers 1 bis 500 Mikrometer oder 5 bis 300 Mikrometer oder 10 bis 200 Mikrometer beträgt.
Aspekt 15: Ein Artikel, der die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung eines oder mehrerer der Aspekte 1 bis 9, die feste Phasenveränderungszusammensetzung des Aspekts 10 umfasst oder durch das Verfahren eines oder mehrerer der Aspekte 11 bis 14 hergestellt wird.
Aspekt 16: Der Artikel von Aspekt 15, wobei die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung in einem Hohlraum des Artikels angeordnet ist.
Aspekt 17: Der Artikel von Aspekt 15 oder 16, bei dem die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung bei erhöhter Temperatur geschmolzen wird, um einen Feststoff zu erhalten.
Aspekt 18: Ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der eine Phasenwechsel-Zusammensetzung umfaßt, wobei das Verfahren das Einspritzen der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung eines oder mehrerer der Aspekte 1 bis 17 in einen Hohlraum eines Gegenstandes bei einer ersten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials in der schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung und das Erhitzen der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung bei einer zweiten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials in der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung und unterhalb der Glasübergangstemperatur der Zusammensetzung, um eine geschmolzene, feste Phasenwechselzusammensetzung zu bilden, wobei die zweite Temperatur vorzugsweise 25 bis 105°C oder 28 bis 60°C oder 45 bis 85°C oder 60 bis 80°C oder 80 bis 100°C beträgt.
Aspekt 19: Das Verfahren von Aspekt 18 oder der Artikel von Aspekt 16 oder 17, wobei der Hohlraum eine kleinste Abmessung von mehr als der durchschnittlichen Partikelgröße des Pulvers und weniger als 2 Zentimeter, vorzugsweise weniger als 1 Zentimeter, noch bevorzugter weniger als 0,5 Zentimeter, aufweist.
Aspekt 20: Die Methode von Aspekt 18 oder 19 oder der Artikel einer der Ausführungsformen 15 bis 17, wobei der Artikel ein elektronisches Gerät, vorzugsweise ein tragbares elektronisches Gerät, ist.
Im Allgemeinen können die hier beschriebenen Artikel und Verfahren alternativ alle hier offengelegten Komponenten oder Schritte umfassen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen. Die Artikel und Verfahren können zusätzlich oder alternativ so hergestellt oder durchgeführt werden, dass sie frei oder im Wesentlichen frei von jeglichen Inhaltsstoffen, Schritten oder Komponenten sind, die nicht zur Erreichung der Funktion oder der Ziele der vorliegenden Ansprüche erforderlich sind.
Die Singularformen „ein“, „eines“ und „der/die/das“ umfassen auch Pluralreferenzen, es sei denn, der Kontext schreibt eindeutig etwas anderes vor. „Oder“ bedeutet „und/oder“. Sofern nicht anders definiert, haben die hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, die man gemeinhin unter dem Begriff im Stand der Technik versteht, zu der die Ansprüche gehören. Eine „Kombination“ umfasst Mischungen, Gemische, Legierungen, Reaktionsprodukte und Ähnliches. Die hier beschriebenen Werte beinhalten einen akzeptablen Fehlerbereich für den jeweiligen Wert, wie er durch eine gewöhnliche Fertigkeit im Stand der Technik bestimmt wird, die zum Teil davon abhängt, wie der Wert gemessen oder bestimmt wird, d.h. von den Grenzen des Messsystems. Die Endpunkte aller auf dieselbe Komponente oder Eigenschaft gerichteten Bereiche sind einschließlich der Endpunkte und Zwischenwerte und unabhängig voneinander kombinierbar.
Sofern hier nicht anders angegeben, sind alle Teststandards der neueste Standard, der am Anmeldedatum dieser Anmeldung in Kraft ist, oder, falls eine Priorität beansprucht wird, der Anmeldetag der frühesten Prioritätsanmeldung, in der der Teststandard erscheint. Sofern nicht anders definiert, haben die hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, die man gemeinhin unter dem Begriff im Stand der Technik versteht, zu der diese Offenlegung gehört.
Alle zitierten Patente, Patentanmeldungen und andere Referenzen werden hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen. Wenn jedoch ein Begriff in der vorliegenden Anmeldung einem Begriff im aufgenommenen Verweis widerspricht oder mit diesem in Konflikt steht, hat der Begriff aus der vorliegenden Anmeldung Vorrang vor dem widersprüchlichen Begriff aus dem aufgenommenen Verweis.
Während der offengelegte Gegenstand hier in Form einiger Ausführungsformen und repräsentativer Beispiele beschrieben wird, werden diejenigen, die sich im Stand der Technik auskennen, erkennen, dass an dem offengelegten Gegenstand verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von dessen Umfang abzuweichen. Weitere im Stand der Technik bekannten Merkmale können ebenfalls eingearbeitet werden. Obwohl einzelne Merkmale einiger Ausführungsformen des offengelegten Gegenstandes hier und nicht in anderen Ausführungsformen diskutiert werden können, sollte es außerdem offensichtlich 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 [0040]
US 6703127 [0040]

Claims

Eine schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung, umfassend: eine Vielzahl von Pulverpartikeln, umfassend eine Polymerzusammensetzung, ein nicht eingekapseltes Phasenwechselmaterial, und optional eine additive Zusammensetzung; wobei die Pulverzusammensetzung bei einer Temperatur von 25 bis 105°C, oder 28 bis 60°C, oder 45 bis 85°C, oder 60 bis 80°C, oder 80 bis 100°C schmelzbar ist, insbesondere wobei die Pulverzusammensetzung bei der Temperatur schmelzbar, aber nicht fließfähig ist.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Polymerzusammensetzung ein zyklisches Olefinpolymer, Fluorpolymer, Polyacetal, Poly(C_1-6-alkyl)acrylat, Polyacrylamid, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyamidimid, Polyanhydrid, Polyarylenether, Polyarylenetherketon, Polyarylenketon, Polyarylensulfid, Polyarylensulfon, Polycarbonat, Polyester, Polyetherimid, Polyimid, Poly(C_1-6-Alkyl)methacrylat, Polymethacrylamid, Polyolefin, Polyoxymethylen, Polysiloxan, Polystyrol, Polysulfid, Polysulfonamid, Polysulfonat, Polythioester, Polytriazin, Polyharnstoff, Polyurethan, Vinylpolymer, Alkyd, Bismaleimidpolymer, Bismaleimidtriazinpolymer, Cyanatesterpolymer, Benzocyclobuten-polymer, Diallylphthalat-Polymer, Epoxid, Hydroxymethylfuran-Polymer, Melamin-Formaldehyd-Polymer, Phenol-Polymer, Benzoxazin-Polymer, Polydien, Polyisocyanat, Polyharnstoff, Polyurethan, Silikon, Triallyl-Cyanurat-Polymer oder TriallylIsocyanurat-Polymer umfasst.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei ein Löslichkeitsparameter des Polymers innerhalb von ±1, oder ±0,9, oder ±0,8, oder ±0,7, oder ±0,6, oder ±0,5, oder ±0,4, oder ±0,3 des Löslichkeitsparameters des Phasenwechselmaterials liegt; oder die Polymerzusammensetzung ein elastomeres Blockcopolymer, ein elastomeres Pfropfcopolymer, ein elastomeres statistisches Copolymer, ein Elastomer oder ein Polyolefin umfasst; insbesondere wobei die Polymerzusammensetzung ein Styrol-Ethylen/Propylen-Styrol-Blockcopolymer, ein Styrol-Butadien-Blockcopolymer, ein Styrol-Ethylen/Butylen-Styrol-Blockcopolymer, ein Polybutadien, ein Isopren, ein Polybutadien-Isopren-Copolymer, einen Ethylen-Propylen-Kautschuk, einen Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk, einen Naturkautschuk, Butylkautschuk, ein cyclisches Olefin-Copolymer, einen Polydicyclopentadien-Kautschuk oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst, umfasst; noch bevorzugter, wobei die Polymerzusammensetzung ein Styrol-Ethylen/Propylen-Styrol-Blockcopolymer, ein Styrol-Butadien-Blockcopolymer oder ein Styrol-Ethylen/Butylen-Styrol-Blockcopolymer umfasst.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei das nicht eingekapselte Phasenwechselmaterial ein C_10-35-Alkan, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester; vorzugsweise ein C_18-28-Alkan, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester; noch bevorzugter ein Paraffin mit einer Schmelztemperatur von 25 bis 65°C oder 35 bis 60°C umfasst.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei das nicht eingekapselte Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur von 5 bis 70°C, vorzugsweise 25 bis 65°C, noch bevorzugter 35 bis 60°C, noch bevorzugter 30 bis 50°C; oder eine Schmelzwärme, bestimmt durch Differential-Scanning-Kalorimetrie gemäß ASTM D4118, von mehr als 150 Joule/Gramm, vorzugsweise mehr als 180 Joule pro Gramm, noch bevorzugter mehr als 210 Joule/Gramm, aufweist.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, die ferner eine Additivzusammensetzung enthält, wobei die Additivzusammensetzung ein eingekapseltes Phasenwechselmaterial, ein Flammschutzmittel, einen Wärmestabilisator, ein Antioxidationsmittel, einen wärmeleitenden Füllstoff, einen wärmeisolierenden Füllstoff, einen magnetischen Füllstoff, ein Farbmittel oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst, umfasst; wobei das Flammschutzmittel vorzugsweise ein Metallcarbonat, ein Metallhydrat, ein Metalloxid, eine halogenierte organische Verbindung, eine organische phosphorhaltige Verbindung, eine stickstoffhaltige Verbindung, ein Phosphinatsalz oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst, ist; wobei das Flammschutzmittel vorzugsweise Aluminiumtrihydroxid, Magnesiumhydroxid, Antimonoxid, Decabromdiphenyloxid, Decabromdiphenylethan, Ethylen-bis (Tetrabromphthalimid), Melamin, Zinkstannat, Boroxid oder eine Kombination, die mindestens eines der vorgenannten umfasst, ist.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, umfassend 3 bis 80 Gewichtsprozent, oder 10 bis 60 Gewichtsprozent, oder 15 bis 50 Gewichtsprozent, oder 5 bis 20 Gewichtsprozent der Polymerzusammensetzung; 20 bis 97 Gewichtsprozent oder 40 bis 90 Gewichtsprozent oder 70 bis 97 Gewichtsprozent eines nicht eingekapselten Phasenwechselmaterials; und 0 bis 60 Gewichtsprozent, oder mehr als 0 bis 20 Gewichtsprozent, oder 2 bis 25 Gewichtsprozent, oder 5 bis 20 Gewichtsprozent der Additivzusammensetzung; wobei Gewichtsprozent auf dem Gesamtgewicht der Phasenwechselzusammensetzung basiert und insgesamt 100 Gewichtsprozent beträgt.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Schmelzwärme, bestimmt durch Differential-Scanning-Kalorimetrie nach ASTM D4118, bei einer Schmelztemperatur von mindestens 150 Joule/Gramm, vorzugsweise mindestens 200 Joule/ Gramm, besonders bevorzugt mindestens 210 Joule/Gramm.
Die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die durchschnittliche Teilchengröße des Pulvers 1 bis 500 Mikrometer oder 5 bis 300 Mikrometer oder 10 bis 200 Mikrometer beträgt.
Eine feste Phasenwechsel-Zusammensetzung, die aus dem schmelzbare Phasenwechsel-Pulver eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren umfasst: die Kombination von einer Zusammensetzung, die die Polymerzusammensetzung und gegebenenfalls ein Lösungsmittel umfasst, geschmolzenes, nicht eingekapseltes Phasenwechselmaterial, und optional eine additive Zusammensetzung zur Bildung einer Mischung; optional das Lösungsmittel aus der Mischung zu entfernen; Kühlung der Mischung, um ein festes Phasenwechselmaterial zu erhalten; und Reduzierung des festen Phasenwechselmaterials zu einem Pulver, um eine schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Reduktion des festen Phasenwechselmaterials zu einem Pulver das Mahlen, vorzugsweise das Kryomahlen des festen Phasenwechselmaterials zu einem Pulver, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Mahlen mit einer Planetenkugelmühle durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Teilchengröße des Pulvers 1 bis 500 Mikrometer oder 5 bis 300 Mikrometer oder 10 bis 200 Mikrometer beträgt.
Ein Gegenstand, der die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, die feste Phasenwechsel-Zusammensetzung nach Anspruch 10 umfasst oder nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14 hergestellt ist.
Der Gegenstand nach Anspruch 15, wobei die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung in einem Hohlraum des Gegenstandes angeordnet ist.
Der Gegenstand nach Anspruch 15 oder 16, wobei die schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung bei erhöhter Temperatur geschmolzen wird, um einen Feststoff zu erhalten.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der eine Phasenwechsel-Zusammensetzung umfasst, wobei das Verfahren umfasst Einspritzen der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 in einen Hohlraum eines Gegenstandes bei einer ersten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials in der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung und Erhitzen der schmelzbare Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung auf eine zweite Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Phasenwechselmaterials in der schmelzbaren Phasenwechsel-Pulverzusammensetzung und unterhalb der Glasübergangstemperatur der Zusammensetzung, um eine geschmolzene, feste Phasenwechselzusammensetzung zu bilden, wobei die zweite Temperatur vorzugsweise 25 bis 105°C oder 28 bis 60°C oder 45 bis 85°C oder 60 bis 80°C oder 80 bis 100°C beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 18 oder der Artikel nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Hohlraum eine kleinste Abmessung von mehr als der durchschnittlichen Partikelgröße des Pulvers und weniger als 2 Zentimeter, vorzugsweise weniger als 1 Zentimeter, noch bevorzugter weniger als 0,5 Zentimeter, hat.
Das Verfahren nach den Ansprüchen 18 oder 19 oder der Artikel nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Artikel ein elektronisches Gerät, vorzugsweise ein tragbares elektronisches Gerät, ist.