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22/01/2015

5 Caratteristiche della migliore pasta termica

pastatermica2

Come ottimizzare lo scambio di calore tra sorgente e dissipatore con una pasta conduttiva ad elevato coefficiente di scambio termico.

Lo sapevi che l’aria è un cattivo conduttore di calore? Sicuramente si. La sua conducibilità termica è insufficiente per dissipare l’energia che si accumula nei dispositivi elettromeccanici. Ecco perché tra il dissipatore di calore e il dispositivo sorgente è necessario interporre un film plastico in grado di rimuovere l’aria presente tra le rugosità delle superfici e veicolare l’energia termica accumulata verso l’esterno. Una pasta termoconduttiva è spesso una soluzione pratica ed efficace. E fin quì niente di nuovo. Ma quali caratteristiche deve possedere una buona pasta termica? Quale composizione chimica? Come si deve comportare durante l’esercizio prolungato? 

In questo articolo tracceremo l’identikit della migliore pasta termica, analizzando 5 punti essenziali dai quali non è possibile prescindere se si desidera ottenere uno scambio termico ottimale e senza perdite di efficienza nel tempo.

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Una pasta termoconduttiva deve assolvere due funzioni basilari:

  • Ottimizzare il transito di calore ---> alto coefficiente di scambio termico
  • Favorire il contatto e l'adesione delle superfici sorgente-dissipatore

Il conseguimento di questi due fondamentali requisiti richiede accorgimenti formulativi tra di loro in contrasto. Vediamo perché. Un pasta termoconduttiva è costituita da:

  • Un olio base, la cui funzione è quella di rendere plastico ed unito il composto
  • Un’addensante conduttivo, per estrarre e veicolare rapidamente il calore dalla sorgente al dissipatore
  • Additivi, miglioratori della stabilità termo-ossidativa e delle proprietà plastiche

pasta_termica_composizione

Olio base e additivi sono isolanti termici. Sono però fondamentali nel conferire plasticità, stabilità e adesione della pasta conduttiva ai substrati. Si perché insieme all’efficienza termica il composto non deve subire modifiche strutturali durante i cicli termici, deve cioè mantenere inalterate le sue proprietà per tutta la durata della vita del dispositivo che lo equipaggia. Nel grafico di seguito vengono messe a confronto le conducibilità termiche di vari materiali, osserviamo come l'olio base ha una capacità dissipativa molto bassa e di un solo ordine di grandezza superiore a quella dell'aria ! E' fondamentale quindi che le polveri conduttive utilizzate nel composto siano veramente efficienti.

conducibilità_termiche_a_confronto

Analizziamo ora i 5 requisiti fondamentali della migliore pasta termica:

1) E' tixotropica: non cola

Le temperature di lavoro dei dispositivi sorgente di calore possono raggiungere a seconda dell’impiego anche i 200-250°C continuativi. In queste condizioni è importante che il film conduttivo non perda la parte oleosa responsabile della continuità su tutta la superficie del trasferimento termico. Le polveri conduttive presenti nel formulato non avrebbero in realtà nessun effetto sullo scambio termico se non fossero perfettamente disperse nell’olio. Per contenere l'effetto separazione olio è necessario adottare i seguenti accorgimenti:

  • Controllo accurato del processo produttivo: rimozione dell'aria attraverso un degasaggio durante le fasi di lavorazione
  • Additivi specifici: che consentono di limitare i fenomeni di rilascio dell’olio della pasta dal punto di applicazione durante l’esercizio.

2) La sua viscosità non cambia (o cambia poco) al variare della temperatura

Lo spessore del film conduttivo della pasta tende a ridursi con l’incremento della temperatura. Questo è inevitabile. Un scelta accurata dell’olio base che costituisce la formulazione può però mitigare il fenomeno, ed impedire l’ingresso di bolle d’aria che ridurrebbero il coefficiente di scambio termico. Di seguito si riporta un grafico nel quale si mettono a confronto i decorsi della viscosità cinematica dei vari oli base disponibili nel mercato delle materie prime, con la temperatura. E’ evidente che gli oli sintetici come ad esempio i siliconi, sarebbero da preferire agli oli minerali.

curve_viscosità_temperatura_oli_base_a_confronto

 

3) Non evapora e non carbonizza

L’olio base presente nella pasta durante l’esercizio prolungato ad elevate temperature, se non opportunamente addittivato va incontro a

  • evaporazione
  • ossidazione primaria
  • ossidazione secondaria

L’innesco del 2° fase di ossidazione rappresenta anche l’inizio del processo di carbonizzazione, ovvero di distruzione dei legami chimici elementari con perdita della plasticità del composto conduttivo.

La minimizzazione dei tre fenomeni può essere favorita attraverso opportuni accorgimenti. In questo articolo vengono affrontati nel dettaglio

Di seguito riportiamo gli effetti evidenti di evaporazione e perdita del film conduttivo, dopo prolungato esercizio a 130°C di due formulazioni differenti

  • Soluzione (A) - olio base minerale
  • Soluzione (B) - olio base sintetico

pasta_termica_soluzioni_a_confronto

4) Ha un alto coefficiente di conducibilità termica

La conducibilità termica K è definita come il rapporto tra il flusso di calore (Q) trasferito nell'unità di tempo attraverso una superficie, e il gradiente di temperatura (T1-T2). Come visto l’olio presente nella pasta ha una funzione fondamentale nel mantenere la matrice plastica, unita e senza soluzione di continuità, ma il suo potere termoconduttivo risulta molto basso. Il contributo più importante al trasferimento termico è fornito dalle polveri conduttive solide disciolte nella formulazione. Le paste termoconduttive possono essere realizzate con varie tipologie di materiali conduttivi, le cui composizioni e granulometrie influiscono molto sull'efficienza di dissipazione. A seconda delle necessità e soprattutto del rapporto qualità prezzo che si vuole ottenere si possono impiegare i seguenti elementi:

  • Diamante
  • Argento
  • Oro
  • Rame
  • Ossidi di zinco

5) E’ inerte con plastiche e gomme

La presenza di particolari in plastica o gomma nelle vicinanze dei dispositivi sorgente-dissipazione termica, pone l'attenzione sui potenziali fenomeni di non compatibilità che un eventuale contatto con la pasta termoconduttiva potrebbe causare, compromettendo le funzionalità stesse dei particolari nel tempo: anelli di tenuta, guarnizioni in gomma, particolari in plastica. I principali effetti di questi fenomeni sono affrontati in questo articolo.

  • Rigonfiamenti
  • Strizioni
  • Rotture
  • Infragilimenti
  • Variazioni delle proprietà meccaniche: durezza

Se vuoi approfondire ulteriormente le proprietà di una pasta siliconica termoconduttiva, ti invitiamo a scaricare la scheda tecnica di seguito e a richiedere una campionatura gratuita.

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Marco Gandelli

Scritto da Marco Gandelli

Imprenditore. Co-fondatore di Macon Research. Esperto e appassionato di meccanica e chimica della lubrificazione. Da 15 anni dopo migliaia di analisi condotte su dispositivi elettro-meccanici, formulo per i progettisti soluzioni lubrificanti su misura per l'incremento dell'efficienza, della durata e il controllo dell'attrito. Amante dell'efficienza dei processi aziendali e del digital marketing.

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