本发明针对含有热源和将热传导远离该热源的散热器的制品。
背景技术：
已知的是，超高分子量聚乙烯(uhmwpe)当被超拉伸时在拉伸的方向上可具有高的热导率和相关的特性、热扩散率。chen等人，us9,109,846，披露了这种特性可被开发用于传导来自电加热的装置如电路的热量，以通过减少它们的运行温度改进它们的服务和可靠性。他们还披露了通过以下方式产生了它们的膜：将该聚合物溶解于溶剂中、产生凝胶、并且将该凝胶拉伸至高的拉伸比(在此被称为‘超拉伸’)、并且然后去除该溶剂。此类凝胶纺成的uhmwpe细丝具有高的热导率，并且yamanaka等人，j.appl.polymerscience[应用聚合物科学杂志]，第101卷，第2619-2626页(2006)把高热导率归因于长的延伸的聚合物链。相应地，含有长的延伸的链的uhmwpe的拉伸的膜或片材在拉伸的方向上具有高的传导性。
进一步已知的是，凝胶纺成的细丝具有高的结晶度以及典型地在聚乙烯的理论密度(1.00g/cm3)的95％内的密度。例如，此类纤维的制造商陈述了此类纤维的密度是0.97-0.98g/cm3。此密度总体上被认为是凝胶纺成的纤维固有的，并且反映了当分子延伸、对齐并且坍塌成凝聚结构(因为溶剂被去除)时发生的高结晶度。yamanaka等人教导了凝胶纺成的超拉伸的uhmwpe的此类细长体的热导率与它们的密度成比例，并且因此隐含地教导了高密度对于高热导率是所希望的。
chen等人还披露了作为热传导材料的定向uhmwpe的凝胶纺成的细长片材的值是在拉伸方向上的热导率与和拉伸方向垂直的(即，与该片材的平面垂直的)热导率的比率。对于商业凝胶纺成的uhmwpe，在拉伸方向上的热导率k||是20w/mk，并且横向于拉伸方向的(与该片材的平面垂直的)热导率k⊥是0.2w/mk并且比率k||/k⊥＝100。为了增加这个比率，应该更多拉伸凝胶状态的聚合物。然而，这是商业上禁止的。越来越多拉伸聚合物以增加热导率的比率增加了需要拉伸该聚合物的设备的费用和复杂性，增加显著成本。
因此，需要不同的途径来增加定向uhmwpe的热导率的比率。
技术实现要素：
本发明提供了一种制品，该制品包括：
a)热源；以及
b)直接与该热源接触的散热器，该散热器包括具有一个或多个在不存在溶剂下拉伸的uhmwpe片材的芯，每个uhmwpe片材具有小于0.90g/cm3的密度ρ、至少30w/mk的在拉伸方向上的热导率k||、小于0.20w/mk的与该片材的平面垂直的热导率k|、以及大于200的k||/k|的比率。
在一个实施例中，密度ρ小于0.85g/cm3。
在另一个实施例中，k⊥小于0.15w/mk。
在还另一个实施例中，k||是至少40w/mk。
在实施例中，k||/k⊥的比率大于250。
在一类实施例，该热源是电池并且该散热器将热量传导远离该电池以维持可操作的电池温度。
在另一类实施例中，该热源是聚合物电阻膜或电路并且该散热器将热量传导远离该热源至电池以将该电池加热至最佳电池操作温度。
发明的详细说明
本发明涉及含有热源和将热传导远离该热源的散热器的制品。在一个实施例中，该散热器传导来自该热源的热量以便冷却该热源，例如电池。在另一个实施例中，该散热器传导来自该热源的热量以便加热该制品的另一个部件，例如加热电池。在还另一个实施例中，该制品含有多个产热源以及在它们之间传导热量的散热器。
该散热器包括具有一个或多个拉伸的uhmwpe片材的芯。这些片材是平面的，即，在两个方向上具有尺寸，这些尺寸显著大于第三尺寸。遵循harding等人us7,858,004的传授内容制备这些片材。在拉伸工艺期间没有使用溶剂。拉伸比典型地是100至150。在该拉伸工艺期间，使片材内的聚合物的链在拉伸方向上定向，即，基本上对齐。在拉伸期间使该片材空穴化。片材的密度小于0.90g/cm3并且在一些实施例中小于0.85g/cm3。使用片材面密度和片材的厚度以及通过氦测比重法确定密度。
片材具有在该拉伸的方向上的良好的热导率k||。k||是至少30w/mk。在另一个实施例中，k||是至少35w/mk。在还另一个实施例中，k||是至少40w/mk。与该片材的平面垂直的热导率k⊥大大减少。k⊥是小于0.20w/mk。在另一个实施例中，k⊥小于0.18w/mk。在还另一个实施例中，k⊥小于0.15w/mk。与k|相比，在与拉伸方向垂直的片材的平面中的方向上的热导率也是相对低的。
k||/k⊥的比率大于200。在另一个实施例中，k||/k⊥的比率大于250。在还另一个实施例中，k||/k⊥的比率大于400。聚合物的链的对齐导致在拉伸的方向上的良好的热导率。据信，在该拉伸工艺的拉伸期间，将空隙引入到该片材内，这导致以上指出的密度减少并且还导致在两个与拉伸方向正交的方向上的低得多的热导率。
在一个实施例中，该散热器的芯由两个或更多个uhmwpe片材组成。这提供了增加的热消散以及增加的机械强度。这两个或更多个片材可以以层结构安排，其中每个片材的拉伸方向与在该芯中的每隔一个片材的拉伸方向对齐。可替代地，这些片材可以被分成两组，其中这些片材以层结构交替地安排，其中一个组的拉伸方向相对于第二组的拉伸方向成一个角度以提供在两个方向上的热传导。在一个实施例中，该角度是90度。在一个实施例中，这些以层结构的片材可以粘合在一起，例如通过使用粘合剂。
在实施例中，将具有至少0.2w/mk的热导率的粘合剂涂覆在该uhmwpe芯的一侧或两侧上。可以将该粘合剂粘附到该热源上以使对于该热源的热接触电阻最小化。在一个实施例中，该粘合剂是具有至少0.5w/mk的热导率的丙烯酸粘合剂。
在一个实施例中，该热源是电池。在一个这样的实施例中，该电池含有一系列电池单元并且该散热器与这些电池单元处于热接触。锂电池是此种电池的一个实施例。在锂离子电池组中的单独电池单元冷却对于安全和性能两者是重要的。随着电池单元温度增加，不可逆分解的可能性也增加，该可能性可导致“热失控”，该电池自加热并且最终灾难性地失效的状态。在这个灾难性失效的过程期间，可以存在电池单元容器的失效，并且等离子体和导电气体可能存在，在该组内产生短路条件，进一步恶化该组的迅速且有力的失效。附加地，高的电池单元温度通过由于副反应的活性锂损失或者阻抗增长典型地导致过早的电池单元失效。当经受热失控时，在该电池单元中的温度可以达到数百度。这些极端温度和所得压力导致电池单元破裂、点燃以及电池单元材料分解成潜在地有害的化合物如氢氟酸和有毒的磷酸盐衍生物。电池单元阻抗本身导致在该电池单元内更大的产热并且因此自增长。当电路中的单独电池单元不是阻抗匹配的，阻抗还产生问题。这导致横穿一个电池单元的电压比邻近电池单元在更大程度上被消散的情形，并且在充电或放电条件下，这些电池单元不再对称地递送或接受电荷。由于所有这些原因，呈组的锂离子电池单元被保持尽可能冷，同时平衡经济目标和性能目标。冷却系统可采取多种形式，包括被动型空气、主动型空气、制冷(直接膨胀)以及液体冷却。将电池单元放置为与均匀分布并且移动热量远离该电池单元的散热片、冷却板或散热器接触。使用这些冷却翅片或散热器的目前解决方案中的许多还是导电的。来自文献的特定实例包括cu、al或石墨。在这些情况下，即使这些电池单元彼此电隔离，在该组内的短路的可能性增加。例如，在电池单元堆叠的压缩条件下，小金属刮削可以使袋式电池单元破裂。然后该电池单元对于该冷却系统变成短路的，导致任何数量的电问题。另一方面，电绝缘散热器如高热导率uhmwpe聚合物在这种系统中对于电隔离以及热扩散、冷却和整体热管理二者是有益的。在这种情况下，用冷却片或散热片可以施加加入的保护层，或者该冷却元件可以完全由聚合物材料组成。附加地，本发明的散热器的各向异性热导率允许相邻电池单元被热保护免受彼此的影响，使得已经经历较高阻抗并且示出较高的产热的电池单元将不太可能影响该电池组中的其他电池单元的温度。
在涉及电池组加热的另一类实施例中，该热源是聚合物电阻膜或电路，并且该散热器将热量从该热源传导至电池以将该电池加热至最佳电池温度。在冷气候下，电池组特别是li离子组可需要被加热以达到最佳操作温度。组加热的目前解决方案典型地涉及使加热的液体循环通过该电池组的冷却剂通道。然而，循环加热的液体是无效的，由于组合液体的高热质量和循环基础设施、以及通过移动该液体招致的泵送损失。更有效的途径涉及将加热元体与本发明的各向异性的热传导的散热器组合。该加热元件可以是电阻产热膜或电路。该电阻膜可以是聚合物电阻膜，例如，duponttm
在另一个实施例中，该热源是天线。实施例包括无线装置，例如，移动电话。
在还另一个实施例中，该制品是显示面板。
实例
实例1
用约130的总拉伸比遵循harding等人us7,858,004的传授内容制备超高分子量聚乙烯(uhmwpe)片材。所使用的uhmwpe粉末是ticonagurx168(塞拉尼斯公司(celanese)，佛罗伦萨，美国肯塔基州，美国)。所得的片材面密度是约48-g/m2。使用该片材面密度以及通过数字测微计的片材厚度的测量值，该片材的密度被计算为0.80±0.03g/cm3。用148℃的平均熔解热，以10℃/min的等温斜坡测量的按照示差扫描量热计的平均熔解热是229j/g。
实例2
用约130的总拉伸比遵循harding等人us7,858,004的传授内容制备超高分子量聚乙烯(uhmwpe)片材。所使用的uhmwpe粉末是540ru(美国三井化学品公司(mitsuichemicalsamerica)。所得的片材面密度是约49-g/m2。使用该片材面密度以及通过数字测微计的片材厚度的测量值，该片材的密度被计算为0.80±0.03g/cm3。使用氦测比重法，密度被测量为0.83g/cm3。用150℃的平均熔解热，以10℃/min的等温斜坡测量的按照示差扫描量热计的平均熔解热是255j/g。
实例3
对于实例1和2中制成的uhmepe片材，确定与该片材的平面垂直的热导率k⊥。将来自实例1和2的uhmepe片材切割成正方形并且铺设在彼此的顶上，边缘是对齐的并且定向方向相对于相邻层成直角旋转，所以堆叠体将随后能够经受压力，而没有与该定向方向平行的压裂。将线性低密度聚乙烯的薄(6-gsm标称基重)膜交错在每个层之间并且在这些表面上以减轻表面电阻的潜在影响。该交错的材料具有大约97.6℃的熔融温度，如使用10℃/min的斜坡速率通过示差扫描量热计测量的。在单独实验中使用来自实例1和2的uhmwhe片材的180个层的堆叠体。在实验室中在20℃标称温度下将该堆叠体调理至温度平衡。将热电偶放置在层之间的堆叠体的中平面中，距一个边缘的中点大约2-cm。然后将该堆叠体放置在大量基本上平行的钢压板之间，通过在真空室内部的电阻加热器预热至101℃。将该室抽空至98.1-kpa表压真空并且维持在这个减压下持续五分钟。此后，用13.6-巴的压力闭合这些压板。从热电偶每分钟测量该堆叠体的中平面中的温度持续18分钟，在此时在传感器的分辨率内该温度基本上已经达到平衡，等于的压板温度。
该实验的热传递通过在等温边界条件之间的连续统作为一维传导建模。将这些钢压板建模为等温的，考虑到它们大的热质量(与小的样品相比)以及它们是电加热的。将热流建模为一维传导，因为对流和边缘损失通过抽真空减轻并且辐射通过这些钢压板的抛光表面的预期的低透射率减轻。将该材料合理地建模为连续统，因为这些交错熔融并且使片材表面湿润并且在高压下压制一起以减轻表面接触电阻。遵循prifti等人,“hardenedtuned-wallplasticradomesformilitaryradars[用于军事雷达的硬化的调谐壁塑料天线罩]”,u.s.armymaterialsandmechanicsresearchcenter[美国陆军材料与机械研究中心],watertown[沃特敦],ma1976的传授内容，所使用的所得方程式是：
其中
t＝在时间t和位置x处的温度
t0＝压板温度(101℃)
t1＝初始温度(20℃)
α⊥＝穿过厚度的热扩散率
x＝样品厚度
使用正弦级数展开的第一n＝6项。在从压板闭合六分钟处开始的数据用于拟合方程式。对于α⊥通过迭代假设各种值，最佳拟合被确定是α⊥＝6×10-8m2/s。
通过以下方程式，穿过厚度的热导率k⊥已知与热扩散率α⊥相关：
k⊥＝α⊥ρcp
其中ρ是密度并且cp是比热容。uhmwpe粉末的供应商列出了uhmwpe的比热容，如最高达1840j/kg-°k。使用比热容的这个值以及对于这些片材确定的最高密度(经由氦测比重法)，实例1和2的片材的穿过厚度的热导率被确定是都是k⊥＝0.09w/(m-°k)。
实例4
在拉伸、定向方向上的实例1和2的片材的热导率k||是通过angstrom方法(conductionofheatinsolids[固体中的热传导],h.s.carslaw,j.c.jaeger,secondedition[第二版],clarendonpress[克拉伦敦出版社],oxford[牛津],1959,第136页)测量的。结果是k||＝45.4w/(mk)(对于实例1)和k||＝51.0w/(mk)(对于实例2)。
将实例3和4中获得的结果与商业凝胶纺成的uhmwpe纤维(
实例5
用约130的总拉伸比遵循harding等人us7,858,004的传授内容制备超高分子量聚乙烯(uhmwpe)片材。该uhmwpe是540ru粉末(来自美国三井化学品公司。所得的片材面密度是约49-g/m2。从该片材面密度以及通过数字测微计的片材厚度的测量值，该片材的密度是0.80±0.03g/cm3。从氦测比重法，密度是0.83g/cm3。标称带线密度是108,000旦尼尔。
由这种片材通过切割出大约1cm×3cm条制备样品。通过切割出具有直径＝33mm的圆盘制备附加的样品。
对于热导率使用angstrom方法测试1cm×3cm条样品以确定k||。发现该k|是49.16w/mk
遵循astmd5470-06规范(热传导电绝缘材料的传热特性的标准测试方法)，33mm圆盘被用于确定穿过平面的热导率。在700kpa的压力下在含有1、2和3个圆盘的圆盘堆叠体上进行该测试。应用最佳拟合回归以将界面效应与穿过平面的热导率k⊥分开。该k⊥是0.17w/mk。
以下总结了这些测试的结果：
热导率k||49.16w/mk
热导率k⊥0.17w/mk
各向异性比289