Campo da invenção :

[1] A presente invenção se refere a uma composição de material compósito, especificamente de material nanocompósito à base de precursores carbônicos e matrizes poliméricas, mais especificamente a material nanocompósito na forma de apresentação de pasta fluida, pasta e filme.

[2] A área de aplicação da presente invenção é principalmente na obtenção de interfaces térmicas, especificamente para LEDs, dispositivos eletrônicos e dispositivos que requerem dissipadores eficientes de calor.

Fundamentos da invenção:

[3] O desenvolvimento de dispositivos eletrônicos na direção da miniaturização e integração levou à geração de uma grande quantidade de calor durante o uso de dispositivos eletrônicos, resultando em um rápido aumento na temperatura interna dos mesmos. A dissipação de calor desses elementos deve ser realizada de forma eficaz, eficiente e estável por um longo tempo, pois do contrário a vida útil destes equipamentos será reduzida.

[4] Dessa forma, a capacidade de dissipação de calor eficiente tornou-se um fator chave que limita a vida útil dos dispositivos eletrônicos, conforme exposto por Kahn e Alexander (2012) , "Thermal properties of graphene and multilayer graphene : Applications in thermal interface materials , Solid State Communications"

(https://doi.Org/10.1016/j .ssc.2012.04.034.) . [5] Atualmente os materiais utilizados como interface térmica são basicamente filmes rigidos de grafite ou de óxidos, que não permitem um acoplamento perfeito aos dispositivos, deixando lacunas de ar nas interfaces, o que prejudicam a condução térmica.

[6] Os materiais flexíveis disponíveis no mercado para este fim minimizam o efeito de lacunas de ar na interface, porém, apresentam fragilidade mecânica, sendo dificil o seu processamento e manuseio. Em muitos casos, essas películas flexíveis podem ser aplicadas apenas com equipamentos robóticos especializados. As pastas térmicas à base de silicone são também amplamente utilizadas, porém, com uma performance de eficiência térmica muito baixa (Zang et al . 2012, Preparation and characterization of graphite- dispersed styrene-acrylic emulsion composite coating on magnesium alloy, Applied Surface Science, https://doi.Org/10.1016/j .apsusc.2011.12.113.) .

[7] 0 material de interface térmico ideal é um material com bom desempenho na dissipação de calor, usado principalmente para se conformar a superficies irregulares, expelindo ar nas áreas de contato, a fim de melhorar a condutividade térmica da interface. As vantagens na produção de compósitos à base de carbono, usando matrizes poliméricas, em relação aos filmes grafiticos puros são a facilidade de manuseio e preparo do material, alta resistência mecânica, maior flexibilidade e durabilidade, com consequente redução do custo de produção. Porém, apresentam como desafio, a perda de desempenho em termos de condutividade elétrica/térmica, devido à alta resistência apresentada pelas matrizes poliméricas.

[8] Os polímeros são maus condutores de calor devido à dificuldade de condução de fônons, responsáveis pela dissipação de calor, devido ao pequeno número de elétrons livres, dificultando a dissipação desta energia, além de longas cadeias moleculares e de baixa cristalinidade, que dificultam a dissipação do calor por vibrações (Fuhua et al . (2021) , "Improved thermal conductivity of styrene acrylic resin with carbon nanotubes, graphene and boron nitride hybrid fillers" . Para compósitos poliméricos, o mecanismo de condução térmica mais amplamente aceito, baseia-se no principio de que caminhos são formados pelo contato da matriz polimérica com as cargas termicamente condutoras. O fluxo de calor é transferido ao longo destes caminhos. À medida que a quantidade de materiais termicamente condutores aumenta na matriz polimérica, as cargas termicamente condutoras começam a entrar em contato uns com os outros e formam caminhos ou redes de condução térmica. Dessa forma, uma construção nano arquitetônica do compósito polimérico baseada no controle da dispersão e distribuição das cargas na matriz polimérica, no tipo e tamanho das cargas termicamente condutores, na redução das resistências térmicas interfaciais entre polimero e carga, tem um impacto vital nos valores finais de condutividade térmica em compósitos.

[9] A alta condutividade térmica é uma das características mais importantes do material à base de carbono e vários tipos de cargas estão disponíveis para aplicações em interfaces térmicas . Estes incorporados em polimeros de última geração , apresentam excelente performance como materiais de interface térmica baseados em sua capacidade de preencher lacunas e ranhuras microscópicas nas superficies de acoplamento , reduzindo fortemente a resistência de contato térmico .

[ 10 ] Muitos materiais vêm sendo desenvolvidos atualmente para aplicação em interface térmica, utili zando grafeno e seus derivados com alta condutividade térmica . O grande problema destes materiais é o alto custo da matéria prima utili zada, e a baixa resistência mecânica ( alta fragilidade ) , além da necessidade de utili zação de equipamentos de última geração para sua produção , tornando o produto limitado a um pequeno nicho de aplicações devido às limitações e produção em larga escala .

[ 11 ] Desse modo , a di ficuldade de se associar bons niveis de resistência mecânica e de condutividade térmica a partir de materiais que utili zam materiais grafiticos se configura como um problema ainda não plenamente resolvido no estado da técnica .

Estado da técnica :

[ 12 ] Alguns documentos , na tentativa de resolver o problema supracitado , desenvolveram algumas tecnologias que , no entanto , ainda apresentam deficiência que impediram a resolução eficaz de tal problema técnico .

[ 13 ] O documento patentário BR102019026731 estabelece um processo para a obtenção de material compósito condutor de temperatura e de eletricidade baseado em calandragem, que compreende 10 a 40% de grafite expandido ou grafeno , 30 a 50% de resina (Espessante , agente reológico ou polieletrólito e/ou hidrocoloide ) e um solvente adequado . Em relação à forma de apresentação , veri fica-se que o material da tecnologia do referido documento está inicialmente na forma de uma pasta condutora, que pode ser utili zada na preparação de filmes aquecedores flexíveis para aplicação em palmilhas .

[ 14 ] Apesar das similaridades de obj etivos , salienta- se que em BR102019026731 é necessário aplicar a pasta produzida em um substrato permanente para conferir resistência mecânica ao material , como , por exemplo , em um filme metálico ou filme polimérico . Em suma, o material de BR102019026731 não se sustenta mecanicamente por si só devido a uma alta resistência mecânica à tração e flexão . Em contrapartida, na presente invenção , não é necessário a utili zação deste substrato permanente para formação de filme . É utili zado apenas um suporte temporário que é posteriormente descolado , visto que o material se sustenta por si só e apresenta alta resistência mecânica a tração e flexão .

[ 15 ] O documento patentário US2015266739 revela um processo para a produção de um filme grafitico , compreendendo as etapas de : ( a ) misturar plaquetas de grafeno com um polímero precursor de carbono e um liquido para formar uma pasta e formar uma pasta em um filme úmido sob a influência de um campo de tensão indutor de orientação para alinhar as plaquetas de grafeno em um substrato sólido ; (b) remover o liquido para formar um filme compósito de polimero precursor, ( c ) carboni zar o filme compósito de polimero precursor para obter um filme compósito carbonizado; e (d) tratar termicamente o filme compósito carbonizado para obter o filme grafitico.

[16] Salienta-se que o referido documento utiliza um processo de alinhamento das plaquetas de grafite durante a secagem do material, utiliza um processo de carbonização a 2000°C, prensagem por rolo e grafitização a 2500°C, de modo que o polimero nesse caso é apenas o precursor para obtenção do filme, não fazendo parte da composição final. Além disso, o referido processo apresenta baixo rendimento de carbono no final, de aproximadamente 50%.

[17] Em contrapartida, na presente invenção desenvolveu-se um processo simplificado com produção de um compósito de grafite condutor elétrico e térmico para aplicação como interface térmica, sendo que, todas as características tipicas dos polímeros utilizados estão presentes no produto, influenciando suas propriedades mecânicas .

[18] O documento patentário CN109369873 descreve a preparação de uma pasta bicomponente precursora para preparação de poliuretano condutor, que compreende 0,1 a 80 % do componente A e 20 a 99,99 % do componente B, sendo que o componente A inclui um ou mais de grafeno, óxido de grafeno, grafite natural, grafite artificial, óxido de grafite, grafite expandida, nanotubo de carbono, óxido de alumínio, nitreto de alumínio, magnésia, nitreto de magnésio, silicio, silica, carboneto de silicio, boro, óxido de boro, nitreto de boro, carboneto de boro, carbonato de cálcio, pó de mica, volastonita, pó de talco; O componente B inclui um ou mais de poliéter poliol, poliéster poliol, hidroxil telecélico poliéster, hidroxi poliéter final, poliesteramida, policarbonato poliol, poliéster éter polilol, policaprolactona, silicio orgânico modificado por poliéter, os poliacetais de hidroxila, poliaminas, politetrahidrofurano éter glicol, o policarbonato alifático de hidroxila.

[19] O conceito do material do referido documento é totalmente diferente da presente invenção, descrevendo um processo para produção de poliuretano, que se configura como um produto de baixa condutividade, tanto térmica quanto elétrica, não sendo adequado para resolver o problema técnico em questão.

[20] O documento patentário US2016168037 descreve um método para fabricar um material de interface térmica que inclui um enchimento condutor térmico (partícula de carga) , uma matriz polimérica com uma força elástica e uma camada de revestimento isolante aplicada em uma das faces, sendo que a formação de um filme se dá por meio do processo de extrusão com a utilização de polimero fundido, a base de elastoméricos termoplásticos de poliamida, poliéster ou TPE .

[21] Este processo é totalmente diferente do proposto visto que o documento supracitado utiliza a aplicação de um material isolante na superfície do filme além da aplicação de um adesivo, para minimizar a influência das lacunas de ar na aplicação do produto. Enquanto, a presente invenção minimiza este efeito aplicando diretamente o material na forma de pasta ou pasta fluida, com uma maior eficiência na adesão da interface ao material a ser aplicado. No documento em questão a utilização da calandra é fundamental para a redução da espessura do filme já que trabalha com polímero fundido, diferente da presente invenção que utiliza metodologia a base de lâminas dosadoras de espalhadoras para regular a espessura dos filmes.

[22] Além disso, o processo de preparação do filme por extrusão a quente limita a sua aplicação por utilizar equipamentos específicos e de alto valor, além de uma metodologia que reduz a possibilidade de dispersão do enchimento na matriz polimérica, diferente do método solvente utilizado na presente invenção.

[23] O documento patentário US20200024496 revela um material de interface térmica para transferência de calor compreendendo um filme de grafite e uma substância fluida, em que o filme de grafite tem uma espessura de 100 nm a 15 pm e uma razão em peso da substância fluida para o filme de grafite é de 0,08 a 25. A substância fluida pode ser uma resina epóxi, um polímero de silicone ou polímero acrílico.

[24] A interface térmica proposta no referido documento é composta por duas camadas. Uma delas é um filme muito fino de grafite (baixa resistência mecânica por suas próprias características) produzido a partir de um filme de polímero aromático, preferencialmente poliimidas, carbonizado e grafitizado a altas temperaturas, produzindo um filme de carbono praticamente puro. A segunda camada é composta de uma substância fluida (baixa condução térmica) que pode ser um gel, uma graxa, uma cera, ou um polímero (acrílico, epóxi e silicone) , sólido a temperatura 20°C e fluido sobre pequena pressão . A interface térmica é aplicada colocando-se o filme de grafite entre duas camadas da substância fluida para reduzir a formação de lacunas de ar entre a interface e o material de aplicação .

[ 25 ] O processo de produção da interface térmica é completamente di ferente da presente invenção . Na presente invenção o papel de preenchimento de lacunas de ar melhorando a interação interface substrato , é reali zada pelo próprio material condutor de calor ( interface pasta, pasta fluida ) . O material proposto é composto de uma única fase facilitando sua aplicação ao substrato , proporcionando melhor redução das lacunas de ar na aplicação devido à possibilidade de aplicação na forma de pasta ou pasta fluida diretamente no substrato , sem necessidade da aplicação de uma fase adicional .

[ 26 ] Em suma, um técnico no assunto , visando aumentar a condutividade térmica de um material a ser aplicado na formação de camadas/ filmes condutores , muito provavelmente pensaria em adicionar partículas de cargas condutoras , por exemplo , no material de BR102019026731 , mas , ao adicionar as referidas cargas não teria subsídios sem reali zar experimentação indevida para definir uma faixa de valores especí ficos que permitissem obter o material em di ferentes formas de apresentação mantendo bons niveis de propriedades mecânicas . Em US2015266739 , por exemplo , sugeriria aplicar um processamento de carboni zação oneroso em que o material polimérico é perdido ao longo do processo , modi ficando tal composição .

Breve descrição da invenção : [27] A presente invenção se refere a uma composição de material compósito, especificamente de material nanocompósito à base de precursores carbônicos e matrizes poliméricas, mais especificamente a material nanocompósito na forma de apresentação de pasta fluida, pasta e filme. Para resolver o problema de convergência entre condutividade térmica e resistência mecânica de interfaces térmicas aplicadas em dispositivos eletrônicos, a referida composição foi desenvolvida compreendendo um precursor carbônico, partículas de carga, uma base polimérica, e opcionalmente aditivos. O processo de obtenção do material compreende etapas especificas que se diferenciam visando obter as diferentes formas de apresentação do material, justificando seu uso na preparação de interfaces térmicas em LEDs, dispositivos eletrônicos, dissipadores de calor e tubos de calor.

Breve descrição das figuras:

[28] Na Figura 1 apresenta-se o fluxograma geral do processo da presente invenção.

[29] Na Figura 2 apresenta-se um diagrama das formulações preferenciais testadas tendo em vista aplicações especificas, onde Resinas Acrílicas refere-se a Resina Acrílica Tipo A que corresponde a uma Resina Acrílica estirenada, copolimero acrílico em emulsão aquosa, 52% teor de sólidos, acabamento elástico e flexível indicada para uso geral e a Resina Acrílica Tipo B corresponde a uma Resina Acrílica estirenada, copolimero acrílico aniônico em emulsão aquosa, 44% teor de sólidos, uso indicado para estamparia; Resina Silicone Alta temperatura refere-se às Resina Silicone Tipo C que corresponde a resina de silicone resistente a alta temperatura até 250°C, com 60% de sólidos e baixo peso molecular, com acabamento de média dureza e Resina Silicone Tipo D que corresponde a resina de silicone resistente a alta temperatura até 650°C, com acabamento macio e flexível, com 50% de sólidos; Borracha de Silicones que refere-se às Borracha de Silicone Tipo E corresponde a borracha de silicone bicomponente (1RS) e Borracha de

Silicone Tipo F corresponde a borracha de silicone monocomponente (1GS) .

[30] Na Figura 3 apresentam-se as formulações preferenciais obtidas a partir de Resina Acrilica Tipo A com base água: a) 3A - 65 % de grafite e 35 % de resina acrilica; 3B - 35 % de grafite e 65 % de resina acrilica; 3C - 65 % de grafite e 35 % de resina acrilica + aditivo ( coalescente ) .

[31] Na Figura 4 apresentam-se as formulações preferenciais obtidas a partir de Resina Acrilica, com inclusão de aditivos para melhoria das propriedades térmicas, para aplicação em média temperatura: a) 4A - 65% grafite e 35% Resina Acrilica Tipo B; b) 4B - 65% grafite e 35% Resina Acrilica Tipo A com inclusão de 1% de aditivo (coalescente) .

[32] Na Figura 5 apresentam-se as formulações preferenciais obtidas a partir da Resina Silicone Tipo C adequada para alta temperatura, e com base solvente: a) 5A - 28 % de grafite e 73 % de resina; 5B - 24 % de grafite e 76 % de resina; 5C - 21 % de grafite e 79 % de resina. [33] Na Figura 6 apresentam-se as formulações preferenciais obtidas a partir da Resina Silicone Tipo D adequada para alta temperatura, e com base solvente: a) 6A - 18 % de grafite e 82 % de resina; 6B - 27 % de grafite e 73 % de resina) .

[34] Na Figura 7 apresentam-se as melhores formulações da composição com base em Borracha de Silicone Tipo E para com base solvente: a) 7A - 10 % de grafite e 90 % de resina; 7B - 15 % de grafite e 85 % de resina; 7C - 20 % de grafite e 80 % de resina.

[35] Na Figura 8 representam-se as melhores formulações da composição com base em Borracha de Silicone Tipo F, com base solvente: a) 8A - 10 % de grafite e 90 % de resina; 8B - 15 % de grafite e 85 % de resina; 8C - 20 % de grafite e 80 % de resina.

[36] Na Figura 9 apresenta-se a melhor formulação com base de resina acrílica (Thermo CCS1) , compreendendo 35% de grafite, 65 % de resina e 1 % de coalescente.

[37] Na Figura 10 apresentam-se imagens do teste de aplicação da amostra 9 (Thermo CCS1) , simulando sistema LED: material aplicado (a) , sistema fechado (b) e sistema após limpeza (c) .

[38] Na Figura 11 apresentam-se as formulações preferenciais obtidas por Resinas de Silicone Tipo D com base solvente: a) 12A - 27 % de grafite e 73 % de resina; b) 12B - 25 % de grafite e 75 % de resina; c) 12C - 21 % de grafite e 79 % de resina.

[39] Na Figura 12 apresentam-se as melhores formulações da composição com base Borracha de Silicone Tipo E: a) 13A - 10 % de grafite e 90 % de resina; b) 13B - 15 % de grafite e 85 % de resina; C) 13C - 20 % de grafite e 80 % de resina.

[40] Na Figura 13 comparam-se acrilicos com a mesma formulação de modo a verificar a influência de diferentes porcentagens de grafite na condutividade térmica do material .

[41] Na Figura 14 compara-se a condutividade térmica em relação ao tipo de formulação utilizada, porém com a mesma porcentagem de grafite: Resina Acrílica tipo A com aditivos (1 % de coalescente) x Resina Acrilica tipo A pura e Resina Acrilica tipo B.

[42] Na Figura 15 comparam-se os valores médios de condutividade térmica em relação à porcentagem de grafite, e a condutividade térmica em relação à resistividade, nas formulações obtidas com a Resina Acrilica tipo A.

[43] Na Figura 16 compara-se a resistividade em relação à porcentagem de grafite nas formulações obtidas com a Resina Acrilica tipo A.

[44] Na Figura 17 identifica-se uma possivel linha de tendência da resistividade em relação à porcentagem de grafite nas formulações obtidas com a Resina Acrilica tipo

A, com correlação R ² de 0,89.

[45] Na Figura 18 identifica-se um gráfico de resistividade versus teor de grafite, com destaque para a resistividade da Resina de Silicone Tipo C com 21,15% de grafite .

[46] Na Figura 19 verifica-se a variação de condutividade térmica em relação a razão grafite : polímero . [47] Na Figura 20 verifica-se a relação entre a condutividade térmica e a densidade, apresentando comportamento bastante similar a relação grafite : polímero, visto que essa relação influencia diretamente a densidade do material.

[48] Na Figura 21 representam-se os valores médios de condutividade térmica em relação à porcentagem de grafite, em relação à densidade, e em relação a razão grafite : polimero .

[49] Na Figura 22 representam-se os valores de resistividade do material acrílico em relação à porcentagem de grafite.

[50] Na Figura 23 representam-se os valores de resistividade do material acrílico em relação à densidade.

[51] Na Figura 24 representam-se os valores de resistividade do material pasta base em relação ao grafite (entre 2% e 25%) .

[52] Na Figura 25 representam-se os valores de condutividade térmica do material pasta base em relação à porcentagem de grafite (entre 2% e 25) .

[53] Na Figura 26 representa-se uma vista de cima da placa com os cabos de alimentação e os cabos dos sensores conectados .

[54] Na Figura 27 representam-se as curvas térmicas características (CTCs) obtidas no teste realizado sobre o módulo .

[55] Na Figura 28 representam-se as curvas térmicas características (CTCs) obtidas nos testes realizados sobre o spot. Descrição detalhada da invenção:

[56] A presente invenção se refere a uma composição de material compósito especificamente de material nanocompósito à base de precursores carbônicos e matrizes poliméricas, mais especificamente a material nanocompósito na forma de apresentação de pasta fluida, pasta e filme que compreende :

- 2,0% a 79,0%, preferencialmente 8,0%, de um precursor carbônico selecionado dentre grafite, grafite expandido, grafeno, grafeno de múltiplas camadas e nanofitas de carbono ;

- 0,1% a 35,0%, preferencialmente 3,2%, de partículas condutoras de carga selecionado dentre óxidos metálicos, cerâmicas microestruturadas , cerâmicas nanoestruturadas ;

- 10,0% a 90,0%, preferencialmente 13,0%, de uma base polimérica selecionada dentre resinas acrílicas termopolimerizáveis, resinas acrílicas autopolimerizáveis, resinas acrílicas termoativadas , resinas acrílicas f otoativadas , resinas acrílicas ativadas por energia de micro-ondas, resinas acrílicas estirenadas, resinas de silicones, borracha de silicone vulcanizada a quente, borracha de silicone vulcanizada a frio, borrachas liquidas, resinas de silicones resistentes à alta temperatura, resinas epóxi monocomponente, resinas epóxi bicomponente, resinas fluoradas, biopolimeros , polímeros solúveis em água, polímeros solúveis em solventes orgânicos ;

- opcionalmente um ou mais aditivos selecionados dentre modificadores reológicos, dispersantes , coalescente, antiespumantes , bactericida, catalisadores, inibidor de corrosão, solventes orgânicos e/ou aquosos.

[57] Os referidos aditivos estão preferencialmente na proporção de:

Modificadores reológicos na faixa de 0 a 2%, preferencialmente 0,5%.

- Antiespumante na faixa de 0 a 1%, preferencialmente 0, 05% .

- Solventes na faixa de 0 a 80%, preferencialmente 63%.

- Coalescente na faixa de 0 a 2%, preferencialmente 1%.

Bactericida na faixa de 0 a 1%, preferencialmente 0,3% .

Dispersante na faixa de 0 a 1%, preferencialmente

0,5% .

Surfactante na faixa de 0 a 1%, preferencialmente

0,2%.

- Catalisadores na faixa de 0 a 40%, preferencialmente 40% .

Inibidor de corrosão na faixa de 0 a 1%, preferencialmente 0,1%.

[58] O referido precursor carbônico preferencial é o grafite expandido. As referidas partículas condutoras de carga podem ser quartzo, barita, óxido de zinco e argila micronizada, mica, talco, mas são preferencialmente feitas de óxido de zinco. A referida base polimérica é preferencialmente selecionada dentre resina acrilica estirenada (correspondente ao Tipo A e B) , borracha de silicone (correspondente ao Tipo E e F) , gel de silicone, resinas de silicone resistentes à alta temperatura (correspondente ao Tipo C e D) , resina acrilica, resinas f luoradas .

[59] O processo para obtenção do referido material compreende essencialmente as etapas de: a) Preparação de uma primeira fase a partir da mistura de um agente reológico e um solvente; b) Preparação de uma segunda fase a partir da mistura de uma base polimérica, um solvente, partículas de carga e aditivos; c) Preparação de uma terceira fase pela dispersão do material carbônico em solvente ou resina por agitação mecânica e/ou sonicação por pelo menos 10 min, com rotação entre 70rpm e 300rpm; d) Adição da primeira fase na segunda fase com auxilio de agitação mecânica por pelo menos 10 min, com rotação entre 70rpm e 300 rpm; e) Adição da terceira fase na fase hibrida obtida pela adição da primeira fase na segunda fase, por agitação mecânica e/ou sonicação por pelo menos 10 min, com rotação entre 70rpm e 300rpm. f) Opcionalmente adição de partículas de carga sob agitação mecânica por pelo menos 10 min, com rotação entre 70 rpm e 300rpm.

[60] Para a preparação de filmes a partir do referido material, a mistura hibrida na forma de pasta fluida obtida na etapa (e) deve ser submetida às seguintes subetapas : e.l) Aplicação da pasta fluida em substrato antiaderente com controle de espessura na aplicação; e.2) Secagem e/ou cura; e.3) Separação mecânica do filme do substrato; e.4) Corte do material nas dimensões desejadas.

[61] Na etapa (a) o agente reológico é selecionado preferencialmente dentre hidroximetilcelulose (HEC) , carboximetilcelulose (CMC) , etilcelulose (EC) , derivado orgânico de argila hectorite, espessante acrílico associativo (HASE) , emulsão aquosa de copolimero acrílico. Cada agente reológico é adequado a um tipo de resina devido a questões químicas inerentes e conhecidas no estado da técnica .

[62] Na etapa (b) a base polimérica e as partículas de carga e os aditivos são selecionadas dentre as alternativas citadas no parágrafo [056] .

[63] Na etapa (c) o material precursor carbônico é escolhido dentre as alternativas citadas no parágrafo [056] .

[64] No que tange a formação de filmes após obtenção da mistura hibrida na forma de pasta fluida, na etapa e.l) a espessura controlada deve estar na faixa de 0,1 a 5,0 mm, sendo preferencialmente 0,5 mm.

[65] Na etapa e.2) a secagem e/ou cura pode ocorrer a temperatura ambiente, à 90°C, a temperatura ambiente seguida de secagem em estufa, a temperatura ambiente seguida de cura em mufla a 180°C e 200°C, em que os tempos de secagem podem variar de 30 min a 72horas, dependendo da resina utilizada.

[66] Na etapa e.3) a separação ocorre preferencialmente por descolamento (peel-off) a temperatura ambiente . [67] Após concebimento do processo, o referido material, quando na forma de pasta fluida, deve ser armazenado preferencialmente em bisnagas feitas de polipropileno (PP) . Quando na forma de pasta, o referido material pode ser armazenado em potes ou bisnagas também feitas de polipropileno (PP) . No caso dos filmes os mesmos devem ser embalados primeiramente em papel siliconado e posteriormente em sacos de polietileno (PE) . O armazenamento é realizado em temperatura ambiente nas referidas embalagens fechadas.

[68] Os solventes utilizados em todas as etapas são selecionados dentre água, xilol, álcool isopropilico, álcool benzilico, aguarrás, álcool etilico, ácido acético. Os referidos solventes são selecionados preferencialmente de acordo com a característica da interface térmica desejada e do grau de solubilidade do polimero para atender a aplicação desejada.

[69] A presente invenção compreende ainda o uso da referida composição na preparação de uma interface térmica a partir da aplicação de pasta fluida com viscosidade menor que 100000000 cP em uma superfície.

[70] A presente invenção compreende ainda o uso da referida composição na preparação de uma interface térmica a partir da aplicação de pasta com viscosidade média de 100000 cP em uma superfície.

[71] A presente invenção compreende ainda o uso da referida composição na preparação de uma interface térmica em uma superfície a partir da deposição e/ou colagem de um filme com espessura de 0,1 a 5,0 mm, preferencialmente 0,5 mm.

Testes de concretização

[72] Para concretização da referida tecnologia quatro vertentes principais foram primeiramente analisadas conforme Figura 2, sendo estas:

Base polimérica acrílica para aplicação em média temperatura (base água) ;

- Polímeros para aplicação em alta temperatura;

- Silicones flexíveis; e

- Pasta base.

[73] No caso das bases poliméricas acrílicas para aplicação em média temperatura foram testadas 11 formulações. Destas, três formulações com diferentes porcentagens de grafite (65, 35, 65%) apresentaram melhores resultados (Figura 3) quanto à resistividade elétrica e propriedades mecânicas do filme, conforme Tabela 1:

Tabela 1: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas do filme de base de resina acrílica.

[74] A partir da inclusão de aditivos, (1% de coalescente) nas formulações 3A e 3C foram preparados materiais com novas composições para melhoria da performance em média temperatura (Figura 4) . A tabela 2 apresenta os resultados obtidos de tais formulações: Tabela 2: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas do filme a base de resina acrílica com aditivos.

[75] No que tange aos materiais para aplicação em alta temperatura foram testadas três formulações com diferentes porcentagens de grafites (27, 24 e 21%) , aditivos (solvente xilol) e a Resina de Silicone Tipo C, com resultados satisfatórios (Figura 5) referentes à resistividade elétrica e propriedades mecânicas, conforme tabela 3: Tabela 3: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas do material a base de resina de silicone tipo C.

[76] Ainda referente aos materiais para aplicação em alta temperatura foram testadas duas formulações com diferentes porcentagens de grafites (18 e 27%) e aditivos (solvente xilol) , e Resina de Silicone Tipo D, sendo que somente a formulação 6A (Figura 6) apresentou propriedades adequada referente à resistividade elétrica e resistência mecânica, conforme Tabela 4:

Tabela 4: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas do material a base de resina de silicone tipo D com aditivos.

[77] No que tange a terceira vertente da presente invenção, foram testadas ainda três formulações com diferentes porcentagens de grafite (10, 15 e 20%) e aditivos (solvente xilol) com Borracha de Silicone Tipo E (1RS) , sendo que todas as formulações (Figura 7) apresentaram resultados adequados de resistividade elétrica e propriedades mecânicas, conforme tabela 5: Tabela 5: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas do material a base de borracha de silicone tipo E com aditivos

[78] Foram testadas ainda três formulações com diferentes porcentagens de grafite e aditivos com Borracha de Silicone Tipo F (1GS) , sendo que somente duas das formulações apresentaram resultados adequados (Figura 8) de resistividade elétrica e propriedades mecânicas, conforme tabela 6: Tabela 6: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas do material a base de borracha de silicone tipo F

[79] Posteriormente, vinte formulações foram testadas com a Resina Acrílica tipo A e três formulações foram testadas com Resina Acrilica tipo B, com diferentes porcentagens de grafite e aditivos. Destas amostras, após testes de condutividade térmica, resistividade, resistência à temperatura e perda de massa, e uma amostra (Figura 9) apresentou os melhores resultados conforme tabela 7. A referida amostra preferencial compreende pasta fluida com grafite expandido, resina acrílica estirenada, água e agente reológico (hidroxietil celulose) .

Tabela 7 : Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas da composição preferencial de resina acrilica

[80] A viscosidade da amostra foi ajustada para atender a aplicação desejada, com valor de 4589 cP. Caso seja necessário é possivel fazer ajuste nesta viscosidade tanto para valores maiores quanto menores.

[81] Foi realizado com a referida amostra 9 um teste de tempo de secagem do produto simulando um sistema de LED, conforme figura 10. A amostra foi aplicada e os parafusos ajustados para que se tenha aproximadamente um filme com espessura de 250 pm. Na Figura 10, pode-se verificar a simulação do teste. A cada 24 horas o sistema era aberto e verificado a secagem e adesão do material. Após 24 horas o material já apresentava uma boa adesão à placa metálica, porém no centro do dispositivo a amostra ainda se apresentava úmida. Com 48 horas pode-se verificar que o material estava completamente seco e aderido a placa metálica .

[82] Deve-se ressaltar que após a secagem do material, todo o solvente evapora e a resina escolhida apresenta propriedades, especialmente desenvolvida, para impermeabilização e promoção de resistência à água, além de fácil aplicação, ecologicamente correto e nenhuma toxicidade. O referido material é indicado para uso em adesivos flexíveis promovendo uma excelente impermeabilização. A escolha do solvente aquoso foi realizada devido ao fato que em componentes eletrônicos se utilizarmos polímeros à base de solventes orgânicos normalmente com alta volatilidade pequenas quantidades residuais podem causar explosões no material, além da alta toxicidade na preparação e manuseio dele.

[83] Foram testadas ainda três formulações (Figura 11) com diferentes porcentagens de grafite (27, 25, 21 %) e aditivos, utilizando a Resina de Silicone Tipo D com base solvente, mas somente uma formulação apresentou bons resultados quanto à resistividade elétrica e característica mecânica do filme, conforme Tabela 8:

Tabela 8: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas de composições a base de resina silicone tipo D com aditivos

[84] No que tange as formulações com silicones flexíveis, verifica-se que foram testadas três formulações com diferentes porcentagens de grafite (10, 15 e 20%) e aditivos (solvente xilol) com Borracha de Silicone Tipo E. Todas as formulações apresentaram bons resultados quanto à resistividade elétrica e característica mecânica do filme, conforme pode ser verificado na tabela 9:

Tabela 9: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas de composições a base de borracha de

[85] Foram testadas ainda três formulações com diferentes porcentagens de grafite (10, 15 e 20%) e aditivos (solvente xilol) com Borracha de Silicone Tipo F. Todas as formulações apresentaram bons resultados quanto à resistividade elétrica e característica mecânica do filme, conforme pode ser verificado na tabela 10: Tabela 10: Resultados em relação à resistividade elétrica e propriedades mecânicas de composições a base de resina de silicone tipo F com aditivos

[ 86 ] Ao se analisar as possíveis formulações para a base polimérica acrílica para aplicação em média temperatura foi possível otimi zar as formulações com base nas Resinas Acrílica tipo A e Resina Acrílica tipo A pura e Resina Acrílica tipo B, conforme Tabela 11 .

Tabela 11 : Formulações de base acrílica preferenciais e suas propriedades

[87] Na Figura 15 comparam-se acrílicos com a mesma formulação de modo a verificar a influência de diferentes porcentagens de grafite na condutividade térmica do material, e a condutividade térmica em relação à resistividade, ambos nas formulações obtidas com Resina Acrílica Tipo A.

[88] Na Figura 16 compara-se a resistividade em relação à porcentagem de grafite nas formulações obtidas com a Resina Acrílica Tipo A.

[89] Na Figura 17 identifica-se uma possível linha de tendência da resistividade em relação à porcentagem de grafite nas formulações obtidas com a Resina Acrílica Tipo o

A, com correlação R de 0,89.

[90] Desse modo, identificou-se que as melhores formulações foram às amostras 15 e 19, ambas compreendendo 64% de grafite, sendo que a amostra 15 possui aditivo ( coalescentes ) e a amostra 19 não.

[91] Além disso, a amostra 19 se apresentou como a melhor formulação em um teste rápido de resistência a temperatura, que basicamente consiste na aplicação da amostra a baixa temperatura por 7 dias consecutivos a 100 °C, mantendo sua condutividade térmica em torno de 11,94 W/mK, e com perda de massa de 1,36%.

[92] No caso dos polímeros para aplicação em alta temperatura testou-se a Resina de Silicone Tipo D e a

Resina de Silicone Tipo C, com três diferentes porcentagens de grafite, conforme Tabela 12.

Tabela 12: Formulações preferenciais a base de resina de silicone e suas propriedades

[93] Na Figura 18 identifica-se um gráfico de resistividade versus teor de grafite, com destaque para a resistividade da Resina de Silicone Tipo C com 21,2% de grafite. A Resina Silicone Tipo C foi feita a base de resina de silicone comercial e a resina de silicone Tipo D foi feita a base de resina de silicone comercial.

[94] Posteriormente, testou-se a razão grafite: polímero nos materiais de base acrilica, conforme tabela

13 .

Tabela 13: Influência da razão grafite: polimero nas propriedades dos materiais obtidos a partir de base acrilica

[95] Na Figura 19 verifica-se a variação de condutividade térmica em relação a razão grafite : polimero, de modo que as razões de 1:2,9 e 1:1,56 apresentaram os maiores valores de condutividade .

[96] Na Figura 20 verifica-se a relação entre a condutividade térmica e a densidade, apresentando comportamento bastante similar a relação grafite : polímero, visto que essa relação influencia diretamente a densidade do material.

[97] Na Figura 21 representam-se os valores médios de condutividade térmica em relação a porcentagem de grafite, em relação a densidade, e em relação a razão grafite : polimero .

[98] Na Figura 22 e na Figura 23 representam-se os valores de resistividade em relação à porcentagem de grafite e os valores de resistividade em relação à densidade, respectivamente, porém com comportamento não uniforme .

Testes de resistência mecânica

[99] Foram realizados testes mecânicos nas placas dos materiais tais como produzidos pela presente invenção em três tipos de concretização, e comparando-se com o material obtido em BR102019026731. Seguiu-se a norma ASTM D882-02 - Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting em uma Máquina Universal de Ensaios Mecânicos.

[100] 0 Modulo de Young ou Módulo de Tração (ET) neste caso, é a razão entre a tensão de tração nominal e a deformação correspondente, abaixo do limite de proporcionalidade do material.

[101] Pode-se relacionar o módulo de Young, também denominado módulo de elasticidade, com a fragilidade do material . Ele depende fundamentalmente das forças de liga ção interatômicas do material , ou sej a, representa uma medida das forças de ligação exi stentes entre os átomos , ions e moléculas no material . Quanto maior o módulo , menor a deformação elástica, ou sej a, menos flexível é o material quanto a tração mecânica, rompendo mais rápido quando fracionado .

[ 102 ] A tabela 14 reúne os resultados do teste de resistência mecânica .

Tabela 14 : Resultados comparativos dos testes de resistência mecânica

Ensaio de teste em luminárias

[ 103 ] Os testes foram reali zados em luminárias conforme características da tabela 15 .

(*) Substrato da placa: metal core de alumínio.

[104] Inicialmente, os cabos dos sensores são fixados diretamente nos terminais de alimentação da MCPCB. Na sequência, o conjunto é fixado sobre a Cold Plate com um torque padrão de INm e submetido à calibração termodinâmica, que consiste na extração de resposta dos transientes térmicos de cada camada de material que compõe o sistema (desde os componentes internos do LED, sua solda, aos trilhos de cobre da MCPCB, passando pela camada dielétrica do circuito impresso e pelo metal da MCPCB em si, depois através da interface térmica e chegando ao ambiente através do dissipador de calor) .

[105] A calibração é feita através do registro dos parâmetros térmicos do conjunto, medidos em intervalos de 10°C, em uma faixa de temperatura que vai de 15°C a 65°C, com o dissipador de calor parcialmente submerso em uma banheira de recirculação, para se obter a estabilização térmica mais rapidamente, as medições em cada intervalo de temperatura só são feitas quando o conjunto completo atinge a estabilidade térmica. Segundo a Norma JESD51-51 Implementation of the Electrical Test Method for the Measurement of Real Thermal Resistance of Light-Emitting Diodes .

[106] Após a calibração de cada luminária individualmente e adequada extração dos parâmetros característicos estas são submetidas aos testes transientes. Os testes de caracterização transientes são realizados utilizando os parâmetros de alimentação fornecidos pelo cliente e é durante estes testes que os dados da curva térmica característica e temperaturas de junção são captados e armazenados para posterior processamento .

[107] Para os testes transientes as luminárias foram posicionadas suspensas com as aletas do dissipador de calor voltadas para cima perpendicular à aceleração gravitacional (posição de operação) em um ambiente de temperatura controlada, com a temperatura do ar ambiente fixa em 25°C.

[108] A forma de dissipação do calor gerado pelos LEDs foi por convecção natural por dissipador em um ambiente de ar parado sem a utilização de ventiladores e ventoinhas. Todos os testes foram realizados apenas após a completa estabilização térmica das placas e todos os seus componentes para se ter menores desvios nos resultados. As luminárias foram submetidas a temperaturas de 5°C até 70°C durante os testes.

[109] A tabela 16 revela a temperatura medida na junção dos LEDs, em °C, após estabilização térmica do conjunto em condição de dissipação por convecção livre, sendo a temperatura ambiente controlada e fixa.

Tabela 16: Resultados das medições da temperatura na junção dos LEDs

[110] A pasta térmica CCS PTV1 corresponde à pasta com grafite expandido, agente reológico, água e biopolimero. A pasta Freestanding CCS apresenta filme com grafite expandido, agente reológico, água e biopolimero. A pasta moldável CCS corresponde à pasta com grafite expandido, parafina e partícula de carga barita. As pastas Thermo CCS1 PTV2 e Thermo CCS2 PTV3 correspondem a pastas fluidas com grafite expandido, resina acrilica estirenada, água e agente reológico. SV11 e SV12 representam um filme de borracha de silicone compreendendo grafite expandido e xilol .

[111] A "Luminária Publica LED" e o "Módulo LED" não foram testados com a interface autossustentada ( Freestanding) e com a interface moldável devido ao tamanho da placa e falta de amostra de interface para esse tamanho . Denominou-se PTV1 ( Pasta Térmica Versão 1 ) a primeira pasta térmica, PTV2 a segunda, baseada em água e PTV3 a terceira, baseada em óleo .

[ 112 ] No que tange as curvas térmicas características das luminárias , o eixo "X" Rth representa a resistência térmica e a capacitância térmica Cth é representada no eixo "Y" em função do tempo .

[ 113 ] No inicio da curva do gráfico, por exemplo , encontram-se o LED Chip (junção) que é onde os fótons estão sendo gerados e como subproduto o calor residual deve ser rapidamente extraido e levado para fora e para longe do LED, nessa camada podemos identi f icar que geralmente todos os materiais têm uma baixa resistência térmica, pois são materiais altamente condutivos e com espessuras de camada muito finas .

[ 114 ] O calor, após passar por todas as camadas internas do LED, passa pela solda deste através das trilhas elétricas pela camada dielétrica e do metal da PCB então pela interface térmica é conduzido para o dissipador de calor, este apresenta uma grande resistência térmica no mapa, pois mesmo sendo de metal e altamente condutivo para o calor possui a maior espessura de camada do sistema, então o calor é dissipado através da convecção pelas aletas do dissipador de calor ao ambiente que tem uma capacidade considerada infinita para absorver a energia térmica proveniente da luminária .

[ 115 ] A medição de aumento de resistência térmica é uma ótima forma de encontrar camadas onde o calor está encontrando dificuldade excessiva em atravessar, assim sendo facilmente identificável regiões para melhorias, por exemplo, substituição de LEDs com elevada resistência térmica entre junção e solda por LEDs com menor resistência ou mesmo comparativo de diferentes PCBs e Interfaces Térmicas .

[116] Nos testes realizados a variável foi as interfaces térmicas sempre mantendo a montagem das luminárias e módulos, para assim identificar a temperatura na junção dos LEDs considerando que este é o valor mais critico para garantir uma longa vida útil para estes semicondutores .

[117] As características desejáveis de uma interface térmica eficiente são: elevada condutividade térmica, baixa resistência térmica, fácil processamento e manipulação, integridade sob temperaturas elevadas, facilidade de aplicação. As características não desejáveis são baixa adesão, pois isso causa um ressecamento da interface e a parte fluida pode comprometer os componentes e afetar a ótica, o bleed-out ou pump-out, toxicidade.

[118] A tabela 17 representa a comparação das interfaces produzidas segundo algumas propriedades medidas pelo ensaio e segundo algumas notas atribuídas a alguns conceitos importantes para a aplicação de interfaces: 5- Excelente; 4-Bom; Regular-3; Ruim-2 e Pior-1.

Tabela 17: Comparação das interfaces térmicas produzidas a partir de diferentes métodos