Ein Forscherteam der University of Michigan (UM) hat entwickelt Eine Technik, um die molekularen Strukturen von Kunststoffen oder Polymeren zu verändern, um sie wärmeempfindlicher zu machen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden ist diese neue Technik, mit der Kunststoff Wärme abwirft, kostengünstig und skalierbar.

Diese Innovation ist vielversprechend für technische Bereiche, in denen sowohl ein leichtgewichtiger als auch wärmeleitfähiger Werkstoff erforderlich ist, z. B. bei der Herstellung von Fahrzeugen, Computern und LEDs.

Das UM-Forschungsteam umfasst Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Jinsang Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau Kevin PipeChen Li, Diplom-Ingenieur für Maschinenbau, und Apoorv Shanker, Diplom-Ingenieur für Materialwissenschaften.

Das vollständige Papier wird in veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte.

"Kunststoffe ersetzen an vielen Stellen Metalle und Keramiken, aber sie sind so schlecht wärmeleitend, dass niemand sie für Anwendungen in Betracht zieht, bei denen eine effiziente Wärmeableitung erforderlich ist", sagte Kim in einer Erklärung. "Wir arbeiten daran, dies zu ändern, indem wir Kunststoffe in bisher nicht gekannter Weise thermisch bearbeiten."

Die von Natur aus geringe Leitfähigkeit von Polymeren ist auf die Struktur ihrer Molekülkomponenten zurückzuführen. Polymere bestehen aus Molekülketten, die eng zusammengewickelt und miteinander verwirrt sind. Der Grund, warum Polymere für die Wärmeleitung notorisch schlecht sind, ist, dass Wärmeenergie dieses komplexe molekulare Gerüst durchqueren muss, um durch das Material zu wandern.

"Die traditionelle Methode zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Polymeren war das Einmischen eines Füllmaterials wie Silber oder Aluminiumoxid", sagte Pipe gegenüber The University Network. "Der Nachteil dieser Methode ist, dass sie das Polymer schwerer und teurer macht."

Im Gegensatz dazu erfordert die vom Forscherteam entwickelte Methode keinen Füllstoff und verändert das Gewicht des Polymers nicht. Zunächst wird das Polymer in Wasser gelöst. Dann werden dem Wasser / Polymer-Gemisch Elektrolyte zugesetzt. Die Zugabe von Elektrolyten erhöht den pH-Wert der Lösung und bewirkt, dass sich die einzelnen Verbindungen, die die Molekülstruktur des Polymers ausmachen, abstoßen. Diese Abstoßungskraft bewirkt, dass sich die gewickelten Molekülketten auflösen und begradigen.  

Shanker benutzte die Analogie einer Gitarrensaite, um die Veränderung zu beschreiben. "Denken Sie an eine straff gespannte Gitarrensaite im Vergleich zu einem locker gewickelten Stück Schnur", sagte er in einer Erklärung. „Die Gitarrensaite vibriert beim Zupfen, die Schnur nicht. Polymermolekülketten verhalten sich ähnlich. “

Wärme ist schließlich nichts anderes als die Schwingung von Molekülen.

Das neue Verfahren erhöht die Leitfähigkeit von Polymeren auf etwa die von Glas. Dies entspricht nicht den Leitfähigkeitswerten von Keramik oder Metallen, stellt jedoch einen erheblichen Anstieg dar und könnte in vielen Branchen erhebliche Auswirkungen haben.

"Forscher haben lange nach Wegen gesucht, die Molekülstruktur von Polymeren zu modifizieren, um ihre mechanischen, optischen oder elektronischen Eigenschaften zu verbessern, aber nur wenige Studien haben molekulare Konstruktionsansätze untersucht, um ihre thermischen Eigenschaften zu verbessern", sagte Pipe in einer Stellungnahme.

Während der Wärmefluss in Materialien oft ein komplexer Prozess ist, können selbst kleine Verbesserungen der Wärmeleitfähigkeiten von Polymeren große technologische Auswirkungen haben.

Das Forschungsteam ist derzeit bemüht, die Verwendung dieser Technik auf andere Polymertypen auszudehnen, und plant, in einigen Jahren ein kommerzielles Produkt herzustellen.