Wewnętrzna struktura większości tworzyw sztucznych jest bardzo podobna do spaghetti. Sprawia to, że w tych materiałach utrudnione jest przewodzenie ciepła. Badacze z Uniwersytetu w Michigan stworzyli mieszankę plastyczną, która przewodzi ciepło 10 razy lepiej niż jej tradycyjne odpowiedniki.
Rys.1 Wzór strukturalny PAA
Nowy materiał może zainicjować stworzenie lekkich, wszechstronnych materiałów zamiennych, które znajdą szereg zastosowań. Jest to jedna z pierwszych prób wykorzystania inżynierii przepływu ciepła do uzyskania amorficznego polimeru.
Polimer to duża cząsteczka, zbudowana z powtarzających się małych fragmentów tzw. monomerów. Tworzywa sztuczne są powszechnymi syntetycznymi polimerami. Dotychczasowe działania na rzecz pobudzenia wymiany ciepła w polimerach polegały na rozciąganiu łańcuchów cząsteczek w prostą linię. Takie podejścia jest trudne do przełożenia na produkcję o dużej skali i zwiększa jej koszt. Ponadto czyni to polimer bardziej nieprzezroczystym. Nowo otrzymany materiał nie ma żadnej z powyższych wad i jest prosty w produkcji metodami konwencjonalnymi, twierdzą badacze.
„Naukowcy poświęcili wiele pracy, aby zaprojektować polimery przewodzące prąd elektryczny. Znajdą one zastosowanie w ekranach LED i ogniwach słonecznych. Cały czas jednak temat właściwości cieplnych był zaniedbywany. Istnieje jednak wiele zastosowań polimerów, dla których wymiana ciepła jest istotna,” komentuje Kevin Pipe (University of Michigan, USA).
Pipe, który kierował projektem z Jinsang Kim, wyjaśnia, że energia cieplna „podróżuje” przez substancje w postaci wibracji. Aby ciepło mogło przejść przez materiał, potrzebuje ciągłych ścieżek silnie związanych atomów i cząsteczek. W przeciwnym razie zostaje uwięzione wewnątrz łańcucha. Wiąże się to z tym, że materiał pozostaje gorący, lecz nie przekazuje ciepła dalej.
„Łańcuchy polimerowe w większości tworzyw sztucznych są jak spaghetti. Są długie i nie są ze sobą ściśle powiązane. Gdy doprowadzimy ciepło do jednego z końców materiału powoduje to, że cząsteczki w tym miejscu wibrują. Niestety drgania przenoszące ciepło nie mogą przemieszczać się pomiędzy łańcuchami, ponieważ są one ze sobą zbyt luźno związane” opisuje Pipe.
Grupa badawcza opracowała sposób na trwałe połączenie długich łańcuchów polimerowych w tworzywie sztucznym zwanym kwasem poliakrylowym (PAA) z krótkimi łańcuchami innego tworzywa zwanego poliakryloilem piperydyny (PAP). Połączenia powstają dzięki wiązaniom wodorowym. Są 10 do 100 razy silniejsze od sił, które luźno wiążą ze sobą długie nici w większości innych tworzyw sztucznych.
„Zmodyfikowaliśmy te połączenia dzięki czemu energia cieplna może przemieszczać się przez materiał. Jest jeszcze wiele do zrobienia, ale jest to bardzo ważny krok, aby zrozumieć transport ciepła w tworzywach sztucznych.”
Aby dojść do tych wyników, naukowcy mieszali nici PAP oddzielnie z trzema różnymi polimerami wiedząc, że wiązania wodorowe tworzą się w różny sposób. Następnie testowano jak każda mieszanina odprowadza ciepło[1].
„Okazało się, że niektóre próbki przewodzą ciepło wyjątkowo dobrze,” powiedział Gun-Ho Kim. „Wykonując liczne pomiary struktur mieszanin polimerów i ich właściwości fizycznych dowiedzieliśmy się
o wielu ważnych aspektach, które regulują przepływ ciepła w polimerach amorficznych.”
- Gun-Ho Kim, Dongwook Lee, Apoorv Shanker, Lei Shao, Min Sang Kwon, David Gidley, Jinsang Kim, Kevin P. Pipe.High thermal conductivity in amorphous polymer blends by engineered interchain interactions. Nature Materials, 2014; DOI: 1038/nmat4141
- http://www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141126171620.htm
- http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4141.html
Opracował: Łukasz Kurach
Korekta: Karol Madejczyk
