Keo silicon có dẫn nhiệt không? Cơ chế truyền nhiệt của vật liệu

Keo silicon thường được biết đến với khả năng chống thấm, bám dính và chịu nhiệt tốt trong nhiều ứng dụng xây dựng và công nghiệp. Tuy nhiên nhiều người vẫn thắc mắc liệu keo silicon có dẫn nhiệt và cơ chế truyền nhiệt của vật liệu này diễn ra như thế nào? Cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây!

1. Keo silicon có dẫn nhiệt không?

Xét về bản chất vật liệu, keo silicon vẫn có khả năng dẫn nhiệt. Tuy nhiên mức độ dẫn nhiệt của nó thấp hơn nhiều so với kim loại hoặc các vật liệu vô cơ như kính và bê tông.

Theo nghiên cứu(*), độ dẫn nhiệt của silicone được đo trong khoảng nhiệt độ từ 1.2 K đến 300 K. Nếu quy đổi sang thang đo quen thuộc hơn là độ C, dải nhiệt độ này tương đương khoảng −272°C đến 27°C, tức từ mức nhiệt cực thấp gần bằng không tuyệt đối cho đến nhiệt độ phòng thông thường.

Kết quả cho thấy hệ số dẫn nhiệt của keo tăng dần khi nhiệt độ tăng. Ở khoảng 300 K (khoảng 27°C), tức nhiệt độ môi trường thường gặp trong đời sống, độ dẫn nhiệt của nó đạt khoảng 0.27 W/mK. Giá trị cao nhất của vật liệu xuất hiện ở khoảng 220 K (khoảng −53°C) với mức khoảng 0.30 W/mK, sau đó giảm nhẹ và ổn định gần mức 0.27 W/mK khi nhiệt độ tiến về nhiệt độ phòng.

Điều này cho thấy ngay cả khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi rất rộng, từ môi trường cực lạnh đến điều kiện sinh hoạt bình thường, độ dẫn nhiệt của keo silicone vẫn khá thấp và ít biến động. Vì vậy trong các ứng dụng xây dựng như trám khe cửa kính, façade hoặc chống thấm, keo hầu như không trở thành vật liệu truyền nhiệt đáng kể trong kết cấu công trình.

Nếu so sánh với các vật liệu xây dựng hoặc vật liệu truyền nhiệt phổ biến, có thể thấy silicone thuộc nhóm dẫn nhiệt thấp.

Từ các số liệu trên có thể kết luận rằng keo silicon có dẫn nhiệt nhưng rất yếu, gần với các vật liệu polymer cách nhiệt hơn là vật liệu truyền nhiệt.

2. Vì sao keo silicone dẫn nhiệt thấp và cơ chế truyền nhiệt của vật liệu

Độ dẫn nhiệt thấp của keo silicone chủ yếu xuất phát từ cấu trúc polymer của vật liệu này. Thành phần chính của dòng keo này là polydimethylsiloxane (PDMS), một loại polymer có chuỗi liên kết Si–O–Si với các nhóm methyl gắn bên. Cấu trúc này tạo nên một mạng polymer mềm và linh hoạt, giúp silicone duy trì độ đàn hồi tốt ngay cả ở nhiệt độ thấp.

Trong trạng thái rắn, các chuỗi polymer PDMS thường không sắp xếp theo cấu trúc tinh thể đều đặn mà tồn tại chủ yếu ở dạng vô định hình. Các chuỗi polymer cuộn lại và phân bố ngẫu nhiên trong vật liệu, tạo nên nhiều điểm giao cắt và liên kết ngang. Sự sắp xếp không trật tự này khiến quá trình truyền năng lượng nhiệt gặp nhiều cản trở. Trong chuỗi polymer, nhiệt không truyền bằng electron như kim loại mà chủ yếu truyền qua dao động của mạng phân tử, hay còn gọi là phonon. Khi nhiệt độ tăng, các liên kết Si–O trong chuỗi PDMS dao động mạnh hơn và năng lượng nhiệt được truyền từ phân tử này sang phân tử khác. Tuy nhiên do cấu trúc polymer rối và không liên tục, các dao động này thường bị tán xạ tại các liên kết, ranh giới vật liệu và điểm liên kết ngang, khiến dòng nhiệt nhanh chóng suy giảm.

Ngoài ra, silicone elastomer còn tồn tại đồng thời các vùng polymer vô định hình và các vùng có xu hướng kết tinh nhỏ. Sự khác biệt cấu trúc giữa các vùng này tạo ra các ranh giới vật liệu, nơi phonon dễ bị tán xạ hơn nữa. Theo nghiên cứu của Baudot và cộng sự đăng trên tạp chí Cryogenics, chính sự tán xạ phonon mạnh trong mạng polymer PDMS là nguyên nhân khiến độ dẫn nhiệt của silicone chỉ khoảng 0.2–0.3 W/mK ở nhiệt độ phòng.

Nhìn chung, cơ chế truyền nhiệt của keo silicone mang đặc trưng của vật liệu polymer vô định hình, trong đó dao động phonon và sự tán xạ trong mạng polymer đóng vai trò quyết định đối với khả năng truyền nhiệt của vật liệu.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt của keo silicon

Mặc dù silicone có độ dẫn nhiệt thấp về bản chất, một số yếu tố vẫn có thể ảnh hưởng đến đặc tính này: 

• Thành phần filler: Trong nhiều công thức silicone, các chất độn như silica, quartz, silicate hoặc oxide kim loại được thêm vào để cải thiện cơ tính của vật liệu. Những filler này cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt của silicone, tùy thuộc vào kích thước và mức phân tán của chúng trong mạng polymer.
• Quá trình vulcanization hay liên kết ngang: Trong quá trình đóng rắn, các chuỗi polymer PDMS được liên kết với nhau tạo thành mạng elastomer. Mật độ liên kết ngang càng cao thì chuyển động của chuỗi polymer càng bị hạn chế, làm tăng sự tán xạ phonon và giảm khả năng truyền nhiệt.
• Nhiệt độ môi trường: Trong nghiên cứu Cryogenics, độ dẫn nhiệt của silicone tăng dần theo nhiệt độ cho đến khoảng 220 K, sau đó giảm nhẹ do sự thay đổi trạng thái cấu trúc của polymer PDMS.

4. Phân loại keo silicon theo khả năng dẫn nhiệt

Trong thực tế, silicone có thể được chia thành hai nhóm chính dựa trên đặc tính truyền nhiệt. Mỗi loại được thiết kế cho các mục đích sử dụng khác nhau.

Keo silicon dẫn nhiệt được phát triển bằng cách bổ sung các filler có độ dẫn nhiệt cao như aluminum oxide, aluminum nitride hoặc boron nitride. Các hạt filler này tạo thành mạng truyền nhiệt trong vật liệu, giúp tăng đáng kể hệ số dẫn nhiệt so với silicone thông thường.

5. Ứng dụng của keo silicone liên quan đến truyền nhiệt

Trong lĩnh vực xây dựng, silicone sealant chủ yếu được sử dụng để trám khe, chống thấm và liên kết vật liệu. Do hệ số dẫn nhiệt thấp, keo silicone không tạo ra cầu nhiệt đáng kể trong các hệ façade kính hoặc khe co giãn của công trình. Điều này giúp hệ bao che của công trình duy trì khả năng cách nhiệt và ổn định nhiệt độ bên trong tòa nhà.

Hiện nay, nhiều nhà sản xuất vật liệu xây dựng đã phát triển các dòng keo silicone chuyên dụng cho từng hạng mục thi công như trám kính, trám nhôm kính, chống thấm hoặc trám khe ngoài trời. Trong đó, các dòng keo silicone của Apollo được ứng dụng rộng rãi trong thi công nhôm kính và hoàn thiện công trình nhờ khả năng bám dính tốt, độ đàn hồi cao và khả năng chịu thời tiết ổn định. Một số dòng sản phẩm phổ biến có thể kể đến như Apollo Silicone Sealant Weatherseal - A68 và Apollo Silicone Sealant Weatherseal A79 của Apollo được sử dụng cho các ứng dụng trám khe kính, cửa sổ, mặt dựng hoặc các hạng mục hoàn thiện trong và ngoài công trình.

Trong ngành điện tử và thiết bị công nghiệp, silicone dẫn nhiệt lại được ứng dụng rộng rãi để truyền nhiệt giữa các linh kiện và bộ tản nhiệt. Các vật liệu silicone thermal interface thường được dùng trong module LED, bộ nguồn điện hoặc các hệ thống điện công suất nhằm giúp phân tán nhiệt hiệu quả.

>>> Xem review keo thời tiết Apollo Silicone Sealant Weatherseal - A68 chịu nhiệt cực tốt tại chuyên mục Tháo vát hơn mỗi ngày:

6. Kết luận

Keo silicon có khả năng dẫn nhiệt nhưng ở mức thấp, khoảng 0.2–0.3 W/mK, thấp hơn nhiều so với các vật liệu vô cơ hoặc kim loại. Đặc tính này bắt nguồn từ cấu trúc polymer PDMS vô định hình, trong đó năng lượng nhiệt được truyền thông qua dao động phonon và bị tán xạ mạnh trong mạng polymer. Nhờ độ dẫn nhiệt thấp cùng khả năng đàn hồi và chịu nhiệt tốt, keo silicone trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trám khe và chống thấm trong xây dựng, đồng thời cũng có thể được biến đổi thành vật liệu dẫn nhiệt trong các ứng dụng điện tử khi bổ sung filler phù hợp.

>>> Xem thêm: Những ứng dụng của silicon chịu nhiệt độ cao trong đời sống hằng ngày

FAQ: Câu hỏi thường gặp liên quan đến keo silicon có dẫn nhiệt và cơ chế truyền nhiệt của keo

1. Khả năng dẫn nhiệt của keo silicone như thế nào?

Keo silicon vẫn có khả năng dẫn nhiệt, tuy nhiên mức độ dẫn nhiệt khá thấp so với nhiều vật liệu khác. Hệ số dẫn nhiệt của silicone ở nhiệt độ phòng khoảng 0.2–0.3 W/mK, thấp hơn nhiều so với kim loại hoặc vật liệu vô cơ như kính và bê tông.

2. Keo silicon có ảnh hưởng đến khả năng cách nhiệt của tường hoặc kính không?

Trong các hệ façade kính hoặc cửa sổ, lớp silicone sealant thường chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong kết cấu. Do hệ số dẫn nhiệt thấp, lượng nhiệt truyền qua lớp keo này không đáng kể so với kính hoặc khung kim loại.

3. Nhiệt độ có ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt của silicone không?

Nhiệt độ có ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của silicone. Theo nghiên cứu Cryogenics, độ dẫn nhiệt của silicone tăng dần khi nhiệt độ tăng đến khoảng 220 K, sau đó giảm nhẹ và ổn định gần mức 0.27 W/mK ở nhiệt độ phòng.

4. Filler trong silicone có ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt không?

Filler là một trong những yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của silicone. Các chất độn như silica, quartz hoặc oxide kim loại được thêm vào để cải thiện cơ tính và có thể làm thay đổi khả năng truyền nhiệt tùy vào kích thước và sự phân tán của chúng trong mạng polymer.

5. Vì sao silicone vừa chịu nhiệt tốt nhưng vẫn dẫn nhiệt thấp?

Khả năng chịu nhiệt và khả năng dẫn nhiệt là hai đặc tính khác nhau. Silicone có thể chịu được nhiệt độ cao nhờ liên kết Si–O bền trong cấu trúc polymer PDMS, nhưng cấu trúc polymer vô định hình lại khiến dao động nhiệt bị tán xạ mạnh, làm giảm khả năng truyền nhiệt của vật liệu.

(*) Baudot, A., Mazuer, J., & Odin, J. (1998). Thermal conductivity of a RTV silicone elastomer between 1.2 and 300 K. Cryogenics, 38(2), 227–230

Lý do vì sao trong các bài viết của Apollo Silicone luôn sử dụng linh hoạt 2 thuật ngữ Silicone (có chữ e) và Silicon (không có chữ e):

Silicon (Si) “không có chữ e” đơn giản chỉ là một nguyên tố hóa học. Còn với Silicone “có chữ e” là một hợp chất cấu trúc bao gồm các nguyên tử Silicon và Oxygen kết hợp với nhau tạo thành chuỗi Polymer giống cao su có khả năng kháng lại sự thay đổi của nhiệt độ, co giãn và đàn hồi tốt, không dẫn điện dẫn nhiệt.

Sản phẩm từ Silicone có tên thương mại là Silicone Sealant chuyên dùng để gắn, trám trét, bịt kín các khe hở, mối nối nhôm kính và nhiều loại vật liệu xây dựng khác. Trong thực tế, chúng ta thường gọi các sản phẩm này là Keo Silicon (không dùng chữ e theo thói quen, viết và hành vi tìm kiếm trên mạng), nhưng về mặt kỹ thuật, chất trám Silicone mới là thuật ngữ để chỉ những sản phẩm này. Và khi nhắc đến các sản phẩm này, Silicone “có chữ e” là cách sử dụng chính xác nhất.