Если бы пластмассы обладали более высокой теплопроводностью, то они могли бы использоваться для создания множества более легких, более дешевых, более энергоэффективных компонентов, используемые в транспортных средствах, светодиодах и компьютерах. Новая методика, которая может изменить молекулярную структуру пластика, чтобы сделать его более теплопроводящим, является многообещающим шагом в этом направлении.

Разработанный командой исследователей из Университета Мичигана метод подробно описан в статье, опубликованной в Science Advances. Этот процесс является недорогим и масштабируемым.

Концепция, вероятно, может быть адаптирована и к ряду других пластмасс. В предварительных испытаниях полимер превращали в теплопроводящий, как стекло (это  гораздо меньше, чем теплопроводность металла или керамики), но в шесть раз лучше, чем тот же полимер без обработки.

«Пластмассы во многих местах заменяют металлы и керамику, но они такие плохие теплопроводники, что никто даже не рассматривает их для приложений, требующих эффективного рассеивания тепла», – сказал Цзинанг Ким, профессор материаловедения и инженерных наук Университета Мичигана. – «Мы работаем над тем, чтобы изменить это, применяя теплотехнику к пластмассам таким образом, который никто раньше не применял».

Созданный полимер в исследовательском комплексе. Image credit: Joseph Xu, Michigan Engineering

Этот процесс является основным отличием от предыдущих методов повышения теплопроводности полимеров, которые были сосредоточены на добавлении металлических или керамических наполнителей к пластмассам. Это имело ограниченный успех, поскольку необходимо добавить большое количество наполнителей, а это является дорогостоящим и может нежелательным образом изменить свойства пластика. Вместо этого в новом методе используется процесс, который изменяет структуру самого материала.

Пластмассы изготовлены из длинных цепочек молекул, которые плотно свернуты и запутаны, как макароны. По мере того, как тепло проходит через материал, оно должно проходить вдоль и между этими цепями – трудный путь, который мешает его прохождению через такой материал.

Команда, которая также включает в себя адъюнкт-профессора машиностроения Кевина Пайпа, аспиранта по машиностроению Чэнь Ли и аспиранта по материалам и технике Апурва Шанкера, использовала химический процесс для расширения и выпрямления цепей молекул. Это создало более прямой путь через материал для тепловой энергии. Они начали с типичного полимера. Сначала они растворяли его в воде, затем добавляли электролиты в раствор для повышения его рН, делая его щелочным.

Отдельные звенья в полимерных цепях, называемые мономерами, берут отрицательный заряд, что заставляет их отталкивать друг друга. Когда они раздвигаются, они разворачивают тесные витки цепи. Наконец, раствор воды и полимера распыляют на пластинки с использованием общего промышленного процесса, называемого спин-литье, которое восстанавливает его в твердую пластиковую пленку.

Измерение толщины разработанного теплопроводящего полимера. Image credit: Joseph Xu, Michigan Engineering

Несвернутые цепи молекул внутри пластика облегчают прохождение через него тепла. Команда также обнаружила, что этот процесс имеет второстепенное преимущество – он укрепляет полимерные цепи и помогает им упаковываться вместе более плотно, делая их еще более теплопроводящими.

Исследователи считают, что их работа может иметь важные последствия из-за большого числа применений полимеров, для которых важна температура.

«Исследователи давно изучили способы изменения молекулярной структуры полимеров для разработки их механических, оптических или электронных свойств, но в немногих исследованиях были рассмотрены подходы к молекулярному дизайну для разработки их тепловых свойств», – сказал Пайп. – «Хотя тепловой поток в материалах часто является сложным процессом, даже небольшие улучшения в теплопроводности полимеров могут иметь большое технологическое значение».

Команда теперь рассматривает создание композитов, которые сочетают новый метод с несколькими другими стратегиями рассеивания тепла для дальнейшего увеличения теплопроводности. Они также работают над тем, чтобы применить концепцию к другим типам полимеров, помимо тех, которые используются в этом исследовании. Коммерциализация продукта, вероятно, произойдет через несколько лет.

Источник:

Apoorv Shanker, Chen Li, Gun-Ho Kim, David Gidley, Kevin P. Pipe, Jinsang Kim. High thermal conductivity in electrostatically engineered amorphous polymers. Science Advances, 2017; 3 (7): e1700342 DOI: 10.1126/sciadv.1700342