Новый метод, который может изменить молекулярную структуру пластика, чтобы помочь ему отводить тепло, является многообещающим шагом в этом направлении.Этот процесс, разработанный группой исследователей в области материаловедения и машиностроения из Мичиганского университета и подробно описанный в новом исследовании, опубликованном в Science Advances, является недорогим и масштабируемым.Эта концепция, вероятно, может быть адаптирована к множеству других пластиков. В предварительных испытаниях он сделал полимер примерно таким же теплопроводным, как стекло — все еще намного хуже, чем у металлов или керамики, но в шесть раз лучше по рассеиванию тепла, чем тот же полимер без обработки.
«Пластмассы заменяют металлы и керамику во многих местах, но они настолько плохие проводники тепла, что никто даже не рассматривает их для приложений, в которых требуется эффективное рассеивание тепла», — сказал Джинсанг Ким, профессор материаловедения и инженерии Университета Мичиган. «Мы работаем над тем, чтобы изменить это, применяя термическую инженерию к пластмассам, чего раньше не делали».Этот процесс является серьезным отходом от предыдущих подходов, которые были сосредоточены на добавлении металлических или керамических наполнителей к пластмассам.
Это имело ограниченный успех; необходимо добавлять большое количество наполнителей, что является дорогостоящим и может нежелательным образом изменить свойства пластика. Вместо этого в новой технике используется процесс, который конструирует структуру самого материала.Пластик состоит из длинных цепочек молекул, которые плотно скручены и спутаны, как миска со спагетти. По мере того, как тепло распространяется через материал, оно должно перемещаться по этим цепям и между ними — трудный круговой путь, который препятствует его продвижению.
Команда, в которую также входят доцент кафедры машиностроения Университета штата Мэриленд Кевин Пайп, аспирант по машиностроению Чен Ли и аспирант по материаловедению и инженерии Апурв Шанкер, использовали химический процесс для расширения и выпрямления молекулярных цепочек. Это дало тепловой энергии более прямой путь через материал. Для этого они начали с обычного полимера или пластика.
Сначала они растворили полимер в воде, а затем добавили в раствор электролиты, чтобы повысить его pH, сделав его щелочным.Отдельные звенья полимерной цепи, называемые мономерами, приобретают отрицательный заряд, что заставляет их отталкиваться друг от друга.
По мере того, как они расходятся, они разворачивают тугие витки цепи. Наконец, вода и раствор полимера распыляются на пластины с помощью обычного промышленного процесса, называемого центробежным литьем, при котором он преобразуется в твердую пластиковую пленку.Развернутые цепочки молекул внутри пластика облегчают прохождение тепла через него.
Команда также обнаружила, что этот процесс имеет второстепенное преимущество — он делает полимерные цепи более жесткими и помогает им более плотно упаковываться, делая их еще более теплопроводными.«Молекулы полимера проводят тепло путем вибрации, и более жесткая цепочка молекул может вибрировать легче», — сказал Шанкер. «Подумайте о туго натянутой гитарной струне по сравнению с неплотно свернутым куском шпагата.
Гитарная струна будет вибрировать при нащипывании, а шпагат — нет. Цепочки полимерных молекул ведут себя аналогичным образом».
Пайп говорит, что работа может иметь важные последствия из-за большого количества применений полимеров, в которых важна температура.«Исследователи долгое время изучали способы изменения молекулярной структуры полимеров для изменения их механических, оптических или электронных свойств, но очень немногие исследования изучали подходы к молекулярному дизайну для определения их тепловых свойств», — сказал Пайп. «Хотя тепловой поток в материалах часто является сложным процессом, даже небольшое улучшение теплопроводности полимеров может иметь большое технологическое влияние».
В настоящее время команда изучает возможность создания композитов, сочетающих новую технику с несколькими другими стратегиями рассеивания тепла для дальнейшего увеличения теплопроводности. Они также работают над применением этой концепции к другим типам полимеров, помимо тех, которые используются в этом исследовании. Коммерческий продукт, скорее всего, появится через несколько лет.
«Мы планируем использовать органические растворители, чтобы применить эту технику к нерастворимым в воде полимерам», — сказал Ли. «Но мы считаем, что концепция использования электролитов для термической инженерии полимеров — это универсальная идея, которая будет применяться ко многим другим материалам».