Trong ngành công nghiệp nhựa, đặc biệt với polycarbonate (PC), tính dẫn nhiệt là một trong những chỉ số quan trọng nhất để đánh giá khả năng chịu lực của vật liệu. Đây là yếu tố quyết định giúp PC trở thành lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao, từ linh kiện điện tử đến các sản phẩm xây dựng. Vậy tính dẫn nhiệt của nhựa PC được hiểu như thế nào, nó khác biệt ra sao so với các loại nhựa khác, và cách đo lường chỉ số này như thế nào? Cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết sau.

Dẫn Nhiệt Là Gì?

Dẫn nhiệt là khả năng truyền nhiệt qua vật liệu từ vùng nóng sang vùng lạnh, trong khi vật liệu cản nhiệt được gọi là có điện trở nhiệt (thermal resistivity). Đặc tính này phân loại vật liệu thành nhóm dẫn nhiệt hoặc cách nhiệt. Ví dụ, đồng có tính dẫn nhiệt cao, thích hợp cho bộ tản nhiệt, còn gốm có tính dẫn nhiệt thấp, phù hợp làm lớp cách nhiệt. Polycarbonate (PC) là nhựa nhiệt dẻo có tính dẫn nhiệt thấp (0.19 – 0.22 W/m·K), giúp nó được ứng dụng trong kính chống va đập, vỏ thiết bị điện tử và tấm lợp cách nhiệt.

Tính dẫn nhiệt là gì?

Tính dẫn nhiệt là gì?

Trong in 3D, tính dẫn nhiệt ảnh hưởng đến quá trình nung chảy nhựa. Bàn in thường dùng nhôm để phân bổ nhiệt đều, giúp lớp nhựa bám chắc. Polycarbonate yêu cầu nhiệt độ đùn cao (~250-300°C) và giữ nhiệt lâu hơn, giúp hạn chế cong vênh nhưng làm quá trình làm mát chậm hơn PLA hoặc ABS. Nếu có sự dẫn nhiệt không mong muốn trong đầu đùn, hiện tượng heat creep có thể xảy ra, gây hỏng bản in.

Sự truyền nhiệt diễn ra khi nguyên tử hấp thụ năng lượng, dao động và va chạm với nhau. Vật liệu dẫn nhiệt cao giúp truyền nhiệt hiệu quả, duy trì nhiệt độ ổn định trong thiết bị và bộ trao đổi nhiệt. Ngược lại, vật liệu cách nhiệt ngăn nhiệt thất thoát, bảo vệ các khu vực nhạy cảm như tàu vũ trụ. Tính dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ và chỉ đề cập đến truyền nhiệt qua dẫn nhiệt, không tính đến đối lưu và bức xạ.

Công Thức Tính Dẫn Nhiệt

Trước khi đi vào công thức, cần hiểu rõ các ký hiệu trong tính toán:

  • k – Hệ số dẫn nhiệt (W/m·K)
  • Q – Nhiệt lượng truyền qua vật liệu (W)
  • A – Diện tích mặt cắt ngang của vật liệu (m²)
  • ΔT – Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt vật liệu (°C hoặc K)
  • T1 – Nhiệt độ mặt nóng (°C)
  • T2 – Nhiệt độ mặt lạnh (°C)
  • d – Độ dày của vật liệu (m)

Phương Trình Dẫn Nhiệt

Dựa trên định luật Fourier, công thức tính nhiệt lượng truyền qua vật liệu là:

Hoặc viết lại để tìm hệ số dẫn nhiệt:

Trong đó:

  • Nhiệt luôn truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh.
  • Công thức chỉ áp dụng cho trạng thái ổn định (steady-state) và truyền nhiệt theo một hướng.

Lưu Ý Khi Áp Dụng Công Thức

  • Hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ, thường tăng khi nhiệt độ tăng. Vì vậy, bảng dữ liệu vật liệu thường cung cấp giá trị k tại một nhiệt độ cụ thể hoặc trong một khoảng nhiệt độ.
  • Thực nghiệm là phương pháp chính xác nhất để xác định hệ số dẫn nhiệt, đặc biệt với vật liệu có cấu trúc phức tạp như nhựa nhiệt dẻo.

Ví Dụ Minh Họa

Xét ba vật liệu với hệ số k đã được xác định thực nghiệm. Giả sử:

  • Tấm vật liệu có kích thước 1m × 1m × 1m
  • T1 = 250°C, T2 = 25°C

Dựa vào công thức, ta có thể tính toán Q cho từng vật liệu, từ đó thấy được sự khác biệt về khả năng truyền nhiệt.

>> Xem thêm các sản phẩm Polycarbonate có hệ số dẫn nhiệt thấp

Ví Dụ Về Dẫn Nhiệt Trong Các Vật Liệu

Bảng dưới đây tổng hợp hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu phổ biến:

Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt (Cal/cm·s·°C) Hệ số dẫn nhiệt (W/m·K)
Thép nhẹ 0.102 43
Thép không gỉ 316 0.039 16.3
Đồng 0.958 401
Bạc 1.025 429
Sợi gốm 0.00008 0.035
PLA 0 0.13
nhựa ABS 0.00059 0.25
SS 316 0.0389 16.3
Nylon PA12 0.00072 0.3
Polycarbonate (PC) 0.0005 0.2

Hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra khi nào?

Hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng hoặc vật liệu. Cụ thể, nhiệt sẽ truyền từ vùng có nhiệt độ cao hơn sang vùng có nhiệt độ thấp hơn cho đến khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt. Quá trình này diễn ra ở mức độ phân tử, trong đó các phân tử có năng lượng nhiệt cao dao động mạnh và va chạm với các phân tử có năng lượng thấp hơn, làm cho nhiệt năng truyền qua.

Các trường hợp dẫn nhiệt phổ biến

  1. Trong chất rắn: Xảy ra rõ rệt nhất vì các phân tử trong chất rắn có liên kết chặt chẽ. Ví dụ: Một đầu thanh kim loại được đốt nóng, nhiệt sẽ truyền dọc theo thanh sang đầu còn lại.
  2. Trong chất lỏng và khí: Hiện tượng này diễn ra chậm hơn vì các phân tử di chuyển tự do hơn. Ví dụ: Khi đun nước, nhiệt truyền từ đáy nồi lên phía trên thông qua phân tử nước.
  3. Giữa các vật liệu tiếp xúc: Khi hai vật liệu có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc, nhiệt sẽ truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn. Ví dụ: Đặt cốc nước nóng lên mặt bàn, nhiệt từ cốc sẽ truyền sang mặt bàn.

Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Dẫn Nhiệt

Ngay cả khi sử dụng cùng một loại vật liệu, hệ số dẫn nhiệt có thể thay đổi do nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm:

  • Nhiệt độ: Ở kim loại, hệ số dẫn nhiệt có xu hướng giảm khi nhiệt độ tăng do sự tán xạ của phonon và electron. Đối với vật liệu phi kim loại như polymer hay gốm sứ, mối quan hệ này phức tạp hơn và có thể thay đổi tùy vào loại vật liệu.
  • Mật độ (Density): Vật liệu có mật độ cao thường có hệ số dẫn nhiệt cao hơn vì các nguyên tử được sắp xếp chặt chẽ hơn, giúp truyền nhiệt hiệu quả hơn.
  • Áp suất: Khi áp suất tăng, mật độ vật liệu cũng có thể tăng theo, từ đó làm tăng khả năng dẫn nhiệt. Tuy nhiên, áp suất cao cũng có thể làm thay đổi pha của vật liệu, ví dụ như từ rắn sang lỏng.
  • Thành phần hóa học: Kim loại thường có hệ số dẫn nhiệt cao hơn phi kim loại. Nhựa nhiệt dẻo và chất dẻo nhiệt rắn có xu hướng dẫn nhiệt kém hơn do cấu trúc phân tử cứng và ít linh hoạt.
  • Cấu trúc tinh thể: Các vật liệu có cấu trúc tinh thể lớn thường dẫn nhiệt tốt hơn do có ít ranh giới hạt cản trở sự truyền nhiệt. Ví dụ, kim loại có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) như đồng có tính dẫn nhiệt cao hơn so với các kim loại có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) như sắt.
  • Độ rỗng (Porosity): Các vật liệu có nhiều lỗ khí hoặc túi khí bên trong (do tự nhiên hoặc do quá trình sản xuất) có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn, vì không khí bên trong là chất cách nhiệt tốt.
  • Tạp chất (Impurities): Các tạp chất trong vật liệu có thể làm giảm hệ số dẫn nhiệt do hiện tượng tán xạ electron và làm thay đổi cấu trúc tinh thể của vật liệu.

Hiện tượng dẫn nhiệt ảnh hưởng gì đến Polycarbonate?

Polycarbonate có khả năng dẫn nhiệt kém, giúp cách nhiệt hiệu quả trong các ứng dụng như tấm lợp lấy sáng, mái che và vách ngăn cách nhiệt. Khả năng này giúp giữ nhiệt độ ổn định, giảm thất thoát nhiệt và đảm bảo an toàn khi chạm vào bề mặt dưới ánh nắng mạnh.

Tuy nhiên, dẫn nhiệt kém cũng giới hạn khả năng tản nhiệt của Polycarbonate, không phù hợp với môi trường nhiệt độ cao liên tục hoặc các thiết bị điện tử cần tản nhiệt hiệu quả. Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn, Polycarbonate có thể bị biến dạng hoặc mất tính ổn định cơ học.

Ứng Dụng Của Dẫn Nhiệt Trong Cắt Laser Và Ép Nhựa

Cắt Laser

Trong quá trình cắt laser, tính dẫn nhiệt của vật liệu có vai trò quan trọng. Những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao cần nhiều năng lượng hơn để cắt, trong khi những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp lại dễ tập trung nhiệt tại vùng cắt, có thể gây ra biến dạng nhiệt hoặc nứt vỡ.

Ép Nhựa

Dẫn nhiệt cũng là yếu tố quan trọng trong ép nhựa. Nếu khuôn không được duy trì ở nhiệt độ tối ưu và làm nguội nhanh chóng, thời gian chu kỳ sản xuất sẽ kéo dài, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Vì vậy, khuôn có hệ số dẫn nhiệt cao giúp gia nhiệt và làm nguội nhanh, đảm bảo quá trình sản xuất hiệu quả và sản phẩm đạt chất lượng tốt.

THÔNG TIN LIÊN HỆ
☏ Hotline: 0938018130
✉︎ Email: info@namvietplastic.com
▷ Website: www.namvietplastic.com

Phan Kiên - Trưởng phòng phát triển sản phẩm

Bài viết khác

LIÊN HỆ VỚI CHÚNG TÔI

Để được tư vấn và báo giá chi tiết.