Effect of exfoliated graphite nanoplatelets on thermal and heat deflection properties of kenaf polypropylene hybrid nanocomposites

2016 ◽  
Vol 36 (9) ◽  
pp. 877-889 ◽  
Author(s):  
Christopher Igwe Idumah ◽  
Azman Hassan

Abstract Exfoliated graphite nanoplatelet (GNP) polypropylene (PP)/kenaf fiber (KF) hybrid nanocomposites (PP/KF/MAPP/GNP collectively presented as PKMG) were developed through melt extrusion using a co-rotating screw speed extruder. The loadings of GNPs in nanocomposites were varied from 1–5 phr and characterized for thermal conductivity, stability and behavior, morphology, and heat deflection temperature (HDT). Results revealed increasing effective thermal conductivity with increasing inclusion of GNP. This behavior was attributed to the formation of thermally conductive, interconnected, sheets of GNP which enhanced heat dissipation. Thermal stability analysis revealed high thermal residue content at 3 phr loading attributed to uniform dispersion of GNP sheets in polymer matrix and the formation of enhanced oxygen-barrier due to effective char formation. Results also revealed enhanced HDT (0.46 MPa/1.8 MPa) with increasing incorporation of GNP ascribed to high modulus and thermal stability of GNP sheets. This implies capability of material to sustain loading at high temperatures without losing its rigidity. Thermal behavior revealed increased crystallization temperature and reduced degree of crystallization with slight increase in melting temperature in the range of 2–5°C. Morphological analysis using transmission electron microscopy (TEM) and field emission scanning electron microscopy (FESEM) revealed exfoliated and uniform dispersion of graphene in matrix polymer at 3 phr loading.

2019 ◽  
Vol 9 (1) ◽  
Author(s):  
Kai-Han Su ◽  
Cherng-Yuh Su ◽  
Cheng-Ta Cho ◽  
Chung-Hsuan Lin ◽  
Guan-Fu Jhou ◽  
...  

Abstract The issue of electronic heat dissipation has received much attention in recent times and has become one of the key factors in electronic components such as circuit boards. Therefore, designing of materials with good thermal conductivity is vital. In this work, a thermally conductive SBP/PU composite was prepared wherein the spherical h-BN@PMMA (SBP) composite powders were dispersed in the polyurethane (PU) matrix. The thermal conductivity of SBP was found to be significantly higher than that of the pure h-BN/PU composite at the same h-BN filler loading. The SBP/PU composite can reach a high thermal conductivity of 7.3 Wm−1 K−1 which is twice as high as that of pure h-BN/PU composite without surface treatment in the same condition. This enhancement in the property can be attributed to the uniform dispersion of SBP in the PU polymer matrix that leads to a three-dimensional continuous heat conduction thereby improving the heat diffusion of the entire composite. Hence, we provide a valuable method for preparing a 3-dimensional heat flow path in polyurethane composite, leading to a high thermal conductivity with a small amount of filler.


2012 ◽  
Vol 2012 ◽  
pp. 1-8 ◽  
Author(s):  
Myungsoo Kim ◽  
Gu-Hyeok Kang ◽  
Hyung Wook Park ◽  
Young-Bin Park ◽  
Yeon Ho Park ◽  
...  

We report a study on manufacturing and characterization of a platform material for high-performance lightweight bipolar plates for fuel cells based on nanocomposites consisting of carbon nanotubes (CNTs) and exfoliated graphite nanoplatelets (xGnPs). The experiments were designed and performed in three steps. In the preexperimental stage, xGnP-epoxy composite samples were prepared at various xGnP weight percentages to determine the maximum processable nanofiller concentration. The main part of the experiment employed the statistics-based design of experiments (DOE) methodology to identify improved processing conditions and CNT : xGnP ratio for minimized electrical resistivity. In the postexperimental stage, optimized combinations of material and processing parameters were investigated. With the aid of a reactive diluent, 20 wt.% was determined to the be maximum processable carbon nanomaterial content in the epoxy. The DOE analyses revealed that the CNT : xGnP ratio is the most dominant factor that governs the electrical properties, and its implications in relation to CNT-xGnP interactions and microstructure are elucidated. In addition, samples fabricated near the optimized condition revealed that there exists an optimal CNT : xGnP ratio at which the electrical performance can be maximized. The electrical and mechanical properties of optimal samples suggest that CNT-xGnP hybrid nanocomposites can serve as an alternative material platform for affordable, lightweight bipolar plates.


Polymers ◽  
2018 ◽  
Vol 10 (7) ◽  
pp. 799 ◽  
Author(s):  
Chun-An Liao ◽  
Yee-Kwan Kwan ◽  
Tien-Chan Chang ◽  
Yiin-Kuen Fuh

A simple and sustainable production of nanoplatelet graphite at low cost is presented using carbon-based materials, including the recycled lead-graphite pencils. In this work, exfoliated graphite nanoplatelets (EGNs), ball-milled exfoliated graphite nanoplatelets (BMEGNs) and recycled lead-graphite pencils (recycled 2B), as well as thermally cured polydimethylsiloxane (PDMS), are used to fabricate highly stretchable thermal-interface materials (TIMs) with good thermally conductive and mechanically robust properties. Several characterization techniques including scanning electron microscopy (SEM) and thermogravimetric analysis (TGA) showed that recycled nanoplatelet graphite with lateral size of tens of micrometers can be reliably produced. Experimentally, the thermal conductivity was measured for EGNs, BMEGNs and recycled 2B fillers with/without the effect of ball milling. The in-plane thermal conductivities of 12.97 W/mK (EGN), 13.53 W/mK (recycled 2B) and 14.56 W/mK (BMEGN) and through-plane thermal conductivities of 0.76 W/mK (EGN), 0.84 W/mK (recycled 2B) and 0.95 W/mK (BMEGN) were experimentally measured. Anisotropies were calculated as 15.31, 15.98 and 16.95 for EGN, recycled 2B and BMEGN, respectively. In addition, the mechanical robustness of the developed TIMs is such that they are capable of repeatedly bending at 180 degrees with outstanding flexibility, including the low-cost renewable material of recycled lead-graphite pencils. For heat dissipating application in high-power electronics, the TIMs of recycled 2B are capable of effectively reducing temperatures to approximately 6.2 °C as favorably compared with thermal grease alone.


Author(s):  
Muhammad Omer Khan ◽  
Ellen Chan ◽  
Siu N. Leung ◽  
Hani Naguib ◽  
Francis Dawson ◽  
...  

This paper studies the development of new multifunctional liquid crystal polymeric composites filled with graphene nano platelets (GNPs) for electronic packaging applications. A series of parametric studies were conducted to study the effect of GNP content on the thermal conductivity of LCP-based nanocomposites. Graphene, ranging from 10 wt. % to 50 wt. %, were melt-compounded with LCP using a twin-screw compounder. The extrudates were ground and compression molded into small disc-shaped specimens. The thermal conductivity of LCP matrix was observed to have increased by more than 1000% where as the electrical conductivity increased by 13 orders of magnitude with the presence of 50 wt% GNP fillers. The morphology of the composites was analyzed using SEM micrographs to observe the dispersion of filler within the matrix. These thermally conductive composites represent potential cost-effective materials to injection mold three-dimensional, net-shape microelectronic enclosures with superior heat dissipation performance.


2017 ◽  
Vol 35 (2) ◽  
pp. 382-389 ◽  
Author(s):  
Lukasz Jarosinski ◽  
Andrzej Rybak ◽  
Karolina Gaska ◽  
Grzegorz Kmita ◽  
Renata Porebska ◽  
...  

Abstract Efficient heat dissipation from modern electronic devices is a key issue for their proper performance. An important role in the assembly of electronic devices is played by polymers, due to their simple application and easiness of processing. The thermal conductivity of pure polymers is relatively low and addition of thermally conductive particles into polymer matrix is the method to enhance the overall thermal conductivity of the composite. The aim of the presented work is to examine a possibility of increasing the thermal conductivity of the filled epoxy resin systems, applicable for electrical insulation, by the use of composites filled with graphene nanoplatelets. It is remarkable that the addition of only 4 wt.% of graphene could lead to 132 % increase in thermal conductivity. In this study, several new aspects of graphene composites such as sedimentation effects or temperature dependence of thermal conductivity have been presented. The thermal conductivity results were also compared with the newest model. The obtained results show potential for application of the graphene nanocomposites for electrical insulation with enhanced thermal conductivity. This paper also presents and discusses the unique temperature dependencies of thermal conductivity in a wide temperature range, significant for full understanding thermal transport mechanisms.


2017 ◽  
Vol 114 (9) ◽  
pp. 2143-2148 ◽  
Author(s):  
Michael D. Bartlett ◽  
Navid Kazem ◽  
Matthew J. Powell-Palm ◽  
Xiaonan Huang ◽  
Wenhuan Sun ◽  
...  

Soft dielectric materials typically exhibit poor heat transfer properties due to the dynamics of phonon transport, which constrain thermal conductivity (k) to decrease monotonically with decreasing elastic modulus (E). This thermal−mechanical trade-off is limiting for wearable computing, soft robotics, and other emerging applications that require materials with both high thermal conductivity and low mechanical stiffness. Here, we overcome this constraint with an electrically insulating composite that exhibits an unprecedented combination of metal-like thermal conductivity, an elastic compliance similar to soft biological tissue (Young’s modulus < 100 kPa), and the capability to undergo extreme deformations (>600% strain). By incorporating liquid metal (LM) microdroplets into a soft elastomer, we achieve a ∼25× increase in thermal conductivity (4.7 ± 0.2 W⋅m−1⋅K−1) over the base polymer (0.20 ± 0.01 W⋅m−1·K−1) under stress-free conditions and a ∼50× increase (9.8 ± 0.8 W⋅m−1·K−1) when strained. This exceptional combination of thermal and mechanical properties is enabled by a unique thermal−mechanical coupling that exploits the deformability of the LM inclusions to create thermally conductive pathways in situ. Moreover, these materials offer possibilities for passive heat exchange in stretchable electronics and bioinspired robotics, which we demonstrate through the rapid heat dissipation of an elastomer-mounted extreme high-power LED lamp and a swimming soft robot.


2015 ◽  
Author(s):  
Αναστάσιος Πατσίδης

Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά σειρές σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας, με παράμετρο τον τύπο και την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση. Ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη υψηλών προδιαγραφών. Ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιηθήκαν μικροσωματίδια, νανοσωματίδια τιτανικού βαρίου και αποφλοιωμένα γραφιτικά νανοεπίπεδα (exfoliated graphite nanoplatelets). Η επιλογή των υλικών είχε ως στόχο να εκμεταλλευτούν σε κοινό σύνθετο σύστημα οι «θετικές» ιδιότητες των συστατικών του, όπως η θερμο-μηχανική σταθερότητα της μήτρας, η υψηλή διαπερατότητα και η σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά του τιτανικού βαρίου και οι καλές μηχανικές ιδιότητες μαζί με την υψηλή ειδική αγωγιμότητα των αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων.Παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν τα παρακάτω συστήματα σύνθετων υλικών, για διάφορες περιεκτικότητες σε ενισχυτική φάση: (α) σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης,(β) σύστημα νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης,(γ) σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/εποξειδικής ρητίνης, (δ) υβριδικό σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης,(ε) υβριδικό σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/ νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης. Την παρασκευή των δοκιμίων ακολούθησε πολύπλευρος χαρακτηρισμός τους. Για λόγους αναφοράς παρασκευάστηκε και μελετήθηκε και δοκίμιο μη ενισχυμένης ρητίνης. Η μορφολογία τους διερευνήθηκε με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (scanning electron microscopy) και την τεχνική σκέδασης ακτίνων-Χ (x-ray diffraction scattering). Διαπιστώθηκε η επιτυχής διασπορά των νανο-εγκλεισμάτων αλλά και η ύπαρξη μικρών συσσωματωμάτων. Τα φάσματα σκέδασης ακτίνων-Χ πιστοποίησαν την παρουσία των πληρωτικών μέσων που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε κατηγορία σύνθετου συστήματος. Ακολούθησε θερμικός χαρακτηρισμός των σύνθετων υλικών, με στόχο τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσής τους. Η μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των συνθέτων έγινε υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Η στατική συμπεριφορά εξετάστηκε με την τεχνική κάμψης τριών σημείων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Διαπιστώθηκε αύξηση του μέτρου ελαστικότητας με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων συστημάτων. Παράλληλα, διαπιστώθηκε μείωση της μηχανικής αντοχής με τη συγκέντρωση πληρωτικού μέσου σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων υλικών που μελετήθηκαν. Η δυναμική μηχανική απόκριση μελετήθηκε με την τεχνική της δυναμικής θερμικής ανάλυσης (dynamic mechanical thermal analysis) σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Τα ενισχυμένα συστήματα παρουσιάζουν αυξημένες τιμές του μέτρου αποθήκευσης, ενώ οι κορυφές της εφαπτομένης απωλειών επιτρέπουν τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Tg). Η Tg φαίνεται να διαφοροποιείται ελαφρά με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, άλλοτε προς μεγαλύτερες και άλλοτε προς μικρότερες τιμές. Οι διαφοροποιήσεις αυτές εκφράζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φάσεων και ίσως την πλήρη ή μη διαβροχή των εγκλεισμάτων από τη μήτρα. Η ηλεκτρική απόκριση των σύνθετων συστημάτων εξετάστηκε με τη μέθοδο της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος, σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έγινε μέσω των φορμαλισμών της ηλεκτρικής διαπερατότητας, του ηλεκτρικού μέτρου και της ειδικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου. Η χρήση και των τριών φορμαλισμών προσφέρει τη δυνατότητα εξαγωγής περισσότερων πληροφοριών για τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των συνθέτων. Διαπιστώθηκε η παρουσία δύο διηλεκτρικών χαλαρώσεων που σχετίζονται με την πολυμερική μήτρα. Αυτές αποδίδονται, στη μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της εποξειδικής ρητίνης (α-χαλάρωση) και στην επαναδιευθέτηση πλευρικών πολικών ομάδων (β-χαλάρωση). Η παρουσία των εγκλεισμάτων στο εσωτερικό της μήτρας εισάγει ηλεκτρική ετερογένεια με αποτέλεσμα την εμφάνιση του φαινομένου διεπιφανειακής πόλωσης (interfacial polarization). Μη δέσμια φορτία συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια των φάσεων, όπου σχηματίζουν μεγάλα δίπολα που παρουσιάζουν αδράνεια ως προς τον προσανατολισμό τους, παράλληλα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Η διεπιφανειακή πόλωση είναι η πλέον αργή διεργασία και παρατηρείται σε χαμηλές συχνότητες και υψηλές θερμοκρασίες. Το πραγματικό μέρος της ηλεκτρικής διαπερατότητας, όπως και η ειδική αγωγιμότητα παρουσίασαν αύξηση με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, ιδιαίτερα στην περίπτωση των συστημάτων με γραφιτικά νανοεπίπεδα. Η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας στα συστήματα διερευνήθηκε με χρήση της πυκνότητας ενέργειας υπό σταθερό ηλεκτρικό πεδίο. Διαπιστώθηκε αύξηση της αποθηκευόμενης ενέργειας με αύξηση της περιεκτικότητας σε ενισχυτική φάση. Τη βέλτιστη συμπεριφορά επέδειξε το σύστημα με τη μέγιστη περιεκτικότητα σε γραφιτικά νανοεπίπεδα.Η δυναμική των χαλαρώσεων μελετήθηκε μέσω διαγραμμάτων Arrhenius, από τα οποία προέκυψαν και οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης. Η θερμοκρασιακή γειτνίαση των διεργασιών της α-χαλάρωσης και της διεπιφανειακής πόλωσης οδήγησε σε αλληλοεπικάλυψη των διεργασιών. Από τις ενέργειες ενεργοποίησης που υπολογίστηκαν φαίνεται πως στο δοκίμια της μη ενισχυμένης ρητίνης επικρατεί η συνεισφορά της α-χαλάρωσης, ενώ στα σύνθετα συστήματα επικρατεί η συνεισφορά της διεπιφανειακής πόλωσης. Τα σωματίδια του τιτανικού βαρίου υφίστανται δομικό μετασχηματισμό από την πολική τετραγωνική δομή (σιδηροηλεκτρική φάση) στην μη-πολική κυβική δομή (παραηλεκτρική φάση) σε μία κρίσιμη θερμοκρασία, πλησίον των 130οC. Η μετάβαση αποδείχθηκε μέσω των φασμάτων ακτίνων-Χ και είναι περισσότερο έντονη στην περίπτωση των μικροσωματιδίων.Η λειτουργική συμπεριφορά των συστημάτων σχετίζεται με τη θερμικά διεγειρόμενη δομική μετάβαση από τη σιδηροηλεκτρική στην παραηλεκτρική φάση των εγκλεισμάτων τιτανικού βαρίου, τη μεταβολή του προσήμου του θερμοκρασιακού συντελεστή ειδικής αγωγιμότητας και τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας.Η συνύπαρξη σε κοντινές θερμοκρασίες των διεργασιών α-χαλάρωσης και διεπιφανειακής πόλωσης μαζί με την κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης των σιδηροηλεκτρικών εγκλεισμάτων, δυσχεραίνει πολύ την διάκρισή τους. Με την εισαγωγή της διηλεκτρικής συνάρτησης ενίσχυσης (dielectric reinforcing function) έγινε δυνατός ο διαχωρισμός των φαινομένων. Επιπλέον, η συνάρτηση διηλεκτρικής ενίσχυσης προσφέρει τη δυνατότητα εξέτασης της λειτουργικής συμπεριφοράς και της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας, ανεξάρτητα των γεωμετρικών διαστάσεων του υλικού. Τέλος, το σύνολο των αποτελεσμάτων έγινε αντικείμενο συγκρίσεων και συζήτησης.


Author(s):  
Phuong Thi Mai ◽  
Tuan Anh Bui ◽  
Hau Van Tran ◽  
Trinh Van Pham ◽  
Dinh Nang Nguyen ◽  
...  

Graphene was known as the material that owning many superiority properties and high thermal conductivity. Thermal conductivity of single-layer graphene was up to 5200 W/mK (compared to the thermal conductivity of Carbon nanotubes 2000 W/mK and Silver 410 W/mK). This had suggested that graphene is the most potential material for heat dissipation applications for electronic devices, such as a computer microprocessor, high power LED... To enhance the dispersion of the GNPs silicone matrix, we were functionalized graphene nanoplatelets (GNPs) with carboxyl (-COOH) groups. The silicone thermal greases containing GNPs were prepared by High- Energy Ball Milling method (8000D Mixer /Mill). The results of SEM, FTIR, Raman showed the presence of the carboxyl groups in GNPs and GNPs uniform dispersion dispersed in grease. The results of thermal conductivity from Transient Hot Bridge THB-100 showed that thermal conductivity enhancement was up to 234 % with Gr-COOH 1.0 vol.%. Thermal grease is used as a thermal interface material to coolants for Intel Core i5 processor. The results of thermal dissipation efficiency shown the saturation temperature of the processor using thermal grease containing 1.0 vol.% Gr-COOH decreased 4℃, compared to the silicone grease.


2019 ◽  
Vol 7 (14) ◽  
pp. 4038-4042 ◽  
Author(s):  
Lei Qiu ◽  
Jiarui Hao ◽  
Yuxin Feng ◽  
Xingyu Qu ◽  
Guogang Li ◽  
...  

Highly thermally and environmentally stable CsPbX3@h-BN composites are constructed via a simple one-pot in situ synthesis strategy, and the corresponding heat dissipation mechanism is proposed based on the enhanced thermal conductivity.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document