m

LORD Corporation

With more than 3,000 employees in 26 countries and 16 manufacturing facilities and eight R&D centers worldwide, we're there for our customers ... Ask Us How.

Nossa Empressa

Como escolher e usar Gap Fillers

( 03/20/2020 ) Written by: Jonathan_wolff

O design da bateria não é padrão, então por que os gap fillers deveriam ser?

Com o rápido crescimento das plataformas de veículos elétricos (EV), existem muitas variações no design da bateria. Dissipadores de calor com refrigeração líquida são comuns, mas a configuração pode variar de placas de resfriamento únicas a várias placas de resfriamento, dependendo do fabricante e do estilo do veículo na qual as baterias serão instaladas. Dentro das baterias, as próprias células podem ser do tipo cilíndrico, prismático ou de bolsa. Independentemente do design, o resfriamento eficiente é vital para todas as baterias, a fim de prolongar a vida útil da bateria e o alcance do veículo, além de permitir o carregamento rápido das baterias. Assim, os fabricantes precisam de uma solução de gerenciamento térmico que seja adaptável aos seus requisitos em constante mudança.

Um componente comum a todas as baterias é o material de interface térmica (MIT), usado para fazer uma conexão térmica das células e/ou módulos ao dissipador de calor. Cada vez mais os fabricantes estão escolhendo gap fillers em vez das almofadas térmicas mais tradicionais. Publicamos vários estudos discutindo as vantagens técnicas e de fabricação dos gap fillers, resinas líquidas bi-componentes que, após a mistura, curam com o tempo e se transformam em um material sólido. As vantagens incluem transferência térmica superior devido à sua menor impedância térmica interfacial e sua capacidade de preencher as irregularidades micro e macroscópicas da superfície, maior flexibilidade e velocidade de fabricação devido à aplicação robotizada com equipamentos MMD e menor custo geral de forma geral.

Como o design e a construção da bateria não são padronizados, os requisitos dos gap fillers também podem ser exclusivos. A escolha ou o desenvolvimento do melhor gap filler para atender a todas as suas necessidades requer a consideração de vários aspectos, conforme mostrado na figura abaixo.

Atuação

O desempenho do produto acabado é geralmente a consideração inicial. O nível de condutividade térmica necessário para a aplicação, se o material será exposto a produtos químicos e/ou umidade, necessidade de suplementar o isolamento elétrico, mitigar os efeitos de vibração e/ou fornece integridade estrutural. Todos esses parâmetros influenciam as propriedades exigidas pelo gap filler curado. Essas propriedades após a cura, especialmente a dureza do material e a resistência do adesivo, também afetam a capacidade de reparar, retrabalhar e reciclar os módulos da bateria durante a fabricação ou no final de sua vida útil.

Montagem

A montagem das baterias impõe requisitos adicionais ao gap filler não curado, dependendo do equipamento para aplicação utilizado no processo, da produtividade e do takt time da linha de produção. A mesma formulação gap filler deve fornecer as propriedades não curada e curada, de modo que a escolha das matérias-primas e processos é essencial para atender a esses requisitos. O fornecimento de matérias-primas e a fabricação local são essenciais para termos uma cadeia de suprimentos confiável e um preço competitivo para o material acabado.

A escolha de um gap filler ideal pode ser uma tarefa desafiadora, portanto, consultar um especialista em materiais é uma abordagem recomendada nesses casos. Nossos engenheiros de aplicação são treinados tanto na química quanto na aplicação de nossos produtos, incluindo nossos gap fillers CoolTherm®, e seu trabalho é entender os requisitos e as aplicações dos clientes em detalhes suficientes para permitir a escolha adequada do material. Abaixo, descrevemos algumas das principais propriedades dos materiais curados e não curados que um engenheiro de aplicação considera ao escolher um material que melhor atenda às necessidades de desempenho e fabricação do cliente.

 

Opções da química do gap filler

Somos especializados em vários tipos de química de polímeros para atender melhor às necessidades de nossos clientes. Os dois tipos mais relevantes para preenchimento de lacunas são polímeros de silicone e uretano.

Os silicones geralmente são materiais macios mecanicamente quando curados, para que exerçam baixo estresse em componentes delicados. Eles têm baixa resistência adesiva, o que significa que será necessário algum tipo de fixação mecânica para manter os componentes no lugar; isso também significa que eles são muito fáceis de se retrabalhar, reparar e reciclar. Sua resistência à umidade é boa, mas sua resistência a produtos químicos é baixa. Vários gap fillers base silicone da Parker LORD possuem baixo teor de compostos voláteis, o que significa que podem ser usados sem se preocupar com outros processos de revestimento ou pintura.

Os gap fillers de poliuretano têm melhor aderência e resistência química do que os silicones. Eles também podem ser relativamente macios e retrabalháveis, embora sua melhor adesão possa criar desafios. Sua resistência à alta temperatura (cerca de 130 ° C) não é tão bom quanto a dos silicones (acima de 200 ° C), mas, como as células da bateria geralmente são limitadas a cerca de 60 ° C, a resistência à temperatura não é uma preocupação para nenhum dos dois materiais. Os principais critérios para a escolha entre os gap fillers de silicone e poliuretano serão, portanto, os requisitos do cliente para exposição a produtos químicos, adesão e retrabalho.

Propriedades do material não curado

Os gap fillers são geralmente materiais de duas partes (bi-componentes), chamados resina e endurecedor, que começam a curar (solidificar) após a mistura. Os materiais geralmente são aplicados usando equipamento automatizado que dosa, mistura e aplica, no qual a resina e o endurecedor são dispensados por pressão na proporção de volume correta e misturados através de um bico misturador estático. O material pode ser aplicado manualmente, usando cartuchos, ou com o auxílio de robôs, nos quais se utilizam baldes ou tambores. Uma ampla variedade de padrões de aplicação pode ser programada com base nas necessidades do cliente.

As propriedades de fluxo dos materiais dos gap fillers (resina, endurecedor e misturado) são críticas para se obter um bom desempenho na aplicação. Na maioria dos casos, os clientes desejam que o material flua facilmente durante a aplicação para maximizar a velocidade do processo, mas que o cordão resultante se mantenha na sua estável, sem escorrer, após a aplicação. A viscosidade do material é a principal propriedade que determina a velocidade de aplicação e a pressão necessária, bem como o tamanho do cordão que pode ser obtido. Para obter uma boa mistura da resina e do endurecedor no bico misturador estático, também é melhor ter uma viscosidade semelhante para os dois materiais (resina e endurecedor) antes da mistura.

As propriedades do fluxo do silicone não curado não são fortemente dependentes da temperatura; portanto, o controle depende totalmente dos parâmetros da formulação e do equipamento, como pressão, diâmetro e comprimento da mangueira de transferência e tamanho e configuração do bico misturador estático. Os poliuretanos não curados têm propriedades de fluxo dependentes da temperatura, tornando-se significativamente menos viscoso a temperaturas levemente elevadas, o que fornece uma medida adicional de controle de processo durante a aplicação. Como a qualidade da aplicação depende dos parâmetros do material e do equipamento, é altamente recomendável que o fornecedor do material e o fornecedor do equipamento MMD trabalhem juntos para otimizar o sistema de aplicação.

Depois que o cordão é aplicado, outras propriedades de fluxo controlam sua capacidade de não escorrer. Uma alta tensão de escoamento (tendência do material fluir sob a gravidade) pode minimizar o escorrimento da resina. Além disso, o tempo necessário para o material recuperar sua tensão de escoamento após a aplicação é medido por sua tixotropia. Um material que leva muito tempo para recuperar sua tensão de escoamento pode perder a forma do cordão, enquanto um material com tempo muito curto pode ser difícil de bombear e/ou aplicar. Finalmente, a elasticidade do material pode afetar a forma e a vazão do material na ponta do bico misturador estático. Um material altamente elástico será fibroso (como mel ou melaço) e pode levar a problemas na obtenção de um cordão perfeito, enquanto um material com baixa elasticidade será aplicado de maneira mais homogênea (como ketchup ou creme dental).

A tensão de escoamento e a tixotropia também afetam o comportamento de sedimentação do material, o que pode afetar a vida útil do armazenamento; os gap fillers são altamente preenchidos com partículas termicamente condutoras; portanto, uma maior tensão de escoamento e menor tempo para recuperar o estresse de escoamento minimizarão a sedimentação e ajudarão a prolongar a vida útil de armazenamento. Se as propriedades não forem ótimas, também pode ser necessário recircular o material através das linhas do equipamento MMD para impedir a compactação das partículas de carga.

Como a resina e o endurecedor começam a polimerizar imediatamente após a mistura, a taxa de polimerização também afetará o processo de montagem. Após a mistura, a viscosidade começará imediatamente a aumentar; o tempo de trabalho é o tempo necessário para o material dobrar a sua viscosidade e afetará a velocidade na qual o material deve ser aplicado e o tempo ocioso permitido para o equipamento entre as peças. Se o tempo ocioso for muito longo, será necessário alterar o bico misturador estático para permitir a continuação da aplicação. O tempo de gel é o tempo em que o material polimerizou a tal ponto que não flui mais, embora não tenha curado completamente e não tenha muita resistência mecânica. Uma regra geral é que a força de manuseio das peças é alcançada após aproximadamente o dobro do tempo de gel.

 

Propriedade reológica Efeito na Aplicação do Cliente
Viscosidade 
  • Velocidade de aplicação
  • Pressão do equipamento
  • Tamanho do cordão 
  • Adequar a mistura da resina e endurecedor
Tensão de escoamento
  • Forma de cordão
  • Escorrimento
  • Sedimentação
  • Vida útil do material
Tixotropia
  • Forma de cordão
  • Escorrimento
  • Vida útil do material 
  • Necessidade de homogeneização
  • Mistura adequada de resina e endurecedor
Elasticidade ("pegajosidade") 
  • Forma de cordão
Tempo de trabalho após a mistura
(2x viscosidade)
  • Tempo para a troca dos bicos misturadores estáticos
  • Velocidade de aplicação
  • Forma de cordão
Tempo de gel (tempo sem fluxo)
  • Tempo para a troca dos bicos misturadores estáticos
  • Tempo para manuseio de peças

 

Propriedades do material curado

As propriedades finais do material após a cura são responsáveis pelo desempenho do material em uso e incluem propriedades mecânicas, térmicas e elétricas. Propriedades mecânicas como dureza, resistência à tração, alongamento e adesão afetam a resistência do material e sua capacidade de suportar ou mitigar vibrações e ciclos térmicos. Materiais com alta dureza podem fornecer maior resistência mecânica geral, mas tendem a ser mais quebradiços e podem criar mais estresse mecânico durante ciclos térmicos ou choques em comparação a um material mais macio. Materiais mais macios tendem a ter menor resistência à tração, módulo e maior alongamento, de modo que exercem menor estresse mecânico nas peças durante o ciclo térmico, mas são menos eficazes como adesivos.

O módulo e a dureza de um material também são altamente dependentes da sua temperatura de transição vítrea, ou T g, que é a temperatura na qual um polímero sofre uma transição de um estado mais rígido e quebradiça (abaixo de T g) para um estado mais flexível e elástico (acima de T g). Os gap fillers mais flexíveis e macios são os mais preferidos para os projetos. Assim sendo, eles possuem geralmente T g próxima à temperatura de trabalho mais baixa esperada para a bateria, de modo que o material permanece sempre no seu estado mais macio e com baixo módulo.

A adesão é uma propriedade crítica para o gap filler, mesmo que não estejam sendo usados como adesivos estruturais, porque manter a adesão ao módulo da bateria e à placa de resfriamento é essencial para maximizar a transferência térmica. A adesão é altamente dependente dos substratos que estão sendo conectados, portanto, recomenda-se o teste de performance (cisalhamento, peel e outros) usando substratos fornecidos pelo cliente durante a avaliação e o desenvolvimento dos gaps fillers.

As propriedades mecânicas também afetam a capacidade de reparar e/ou reciclar componentes. Materiais mais duros, com maior adesão, podem dificultar a desmontagem das peças sem danificá-las ou a remoção de vestígios de material. Portanto, é necessário considerar possíveis preocupações de retrabalho ou reparo no início do projeto, para que a estrutura da bateria e as propriedades do gap filler possam ser otimizadas juntas.

Além das propriedades mecânicas, os gap fillers curados também devem atender aos requisitos de projeto para propriedades térmicas e elétricas. A condutividade térmica é uma preocupação primordial, pois afeta o tempo de carga (especialmente a capacidade de carga rápida), o tempo de descarga (para energia e aceleração) e a vida útil da bateria. A maioria dos clientes exige condutividade térmica de pelo menos 2 W /m ∙ K, com alguns clientes precisando de até 4 W/m∙K. Geralmente, espera-se que os materiais sejam eletricamente isolantes, com uma alta resistividade volumétrica e tenham uma alta tensão de ruptura para suportar tensões potencialmente altas. Também espera-se que os materiais sejam altamente resistentes a chamas, geralmente com uma classificação de resistência a chamas de acordo com UL-94 da V0.

 

Propriedade do material curado Efeito no produto do cliente
Dureza
  • Estresse nos componentes
  • Reciclagem e retrabalho
  • Resistência mecânica
  • Resistência ao choque e vibração
Resistência à Tração / Alongamento /
Módulo de Young
  • Resistência à ciclagem térmica
  • Resistência mecânica
  • Resistência ao choque e vibração
  • Adesão
Modulo de armazenamento
  • Transmissão de vibração ou amortecimento
  • Resistência mecânica
Temperatura de transição de vidro, Tg
  • Resistência à ciclagem térmica
Força de adesão
  • Transferência de calor
  • Resistência ao choque e vibração
  • Reciclagem e retrabalho
  • Necessidade de fixação mecânica

 

Propriedade do material curado Efeito no produto do cliente
Condutividade térmica
  • Tempo de carregamento (por exemplo, carregamento rápido)
  • Tempo de descarga (por exemplo, potência e aceleração)
  • Duração da bateria
  • Requisitos do sistema de refrigeração
Resistência elétrica (resistividade volumétrica, tensão de ruptura)
  • Separação entre placa de refrigeração e baterias
  • Necessidade de materiais de isolamento adicionais
Inflamabilidade
  • Segurança do veículo

Aplicação 

Depois de decidir o que você precisa ... então aplicamos. O material pode ser aplicado usando cartuchos (manualmente) ou equipamento (MMD), capaz de misturar, dosar e aplicar a resina. O equipamento MMD é usado para aplicar gap fillers e/ou adesivos de contêineres a granel. Devido às aplicações de alto volume/alta vazão que são comumente associadas aos materiais gap filler Parker LORD, muitos processos com MMD automatizado são usados para minimizar o desperdício de material e os tempos de ciclo, além de reduzir o custo geral.

Em conclusão…

Desenvolver e escolher o gap filler ideal para um projeto específico de bateria é complexo. O equilíbrio das propriedades mecânicas, térmicas e elétricas necessárias é essencial, e as escolhas de formulação feitas para atender a essas propriedades curadas também afetarão as propriedades não curadas e a capacidade de aplicar o material durante a montagem. Por exemplo, aumentar a carga de preenchimento para obter maior condutividade térmica afetará as propriedades de fluxo e as propriedades mecânicas e elétricas. Por esses motivos, é altamente recomendável que você se envolva desde cedo com nossos engenheiros de aplicação e especialistas em desenvolvimento de produtos, além de se envolver com fornecedores do equipamento MMD. Ao inovar juntos, uma solução ótima de gerenciamento térmico pode ser desenvolvida.

 

Sobre o Autor

Dan Barber
Dan Barber é bacharel em química pela Universidade Furman e Ph.D. formado em química inorgânica pela Universidade da Virgínia. Após o trabalho de pós-doutorado na Universidade de Yale, ensinou química no Oberlin College e no Lafayette College. Ele iniciou sua carreira industrial em 2000 na KEMET Electronics, trabalhando no desenvolvimento de tecnologia de capacitores de cerâmica. Ingressou na LORD Corporation em 2005 e atualmente é cientista da equipe de tecnologia de materiais eletrônicos. Dan lidera iniciativas de encapsulamento de motores na LORD há 5 anos e, mais recentemente, está trabalhando no desenvolvimento de novos encapsulantes e gap fillers para de motores e baterias de veículos elétricos.