Een onderzoeksteam van de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft onlangs een nieuw plastic materiaal ontwikkeld dat de thermische geleidbaarheid aanzienlijk vermindert en vlamvertragende eigenschappen vertoont zonder het gewicht te vergroten, kracht op te offeren of het gietproces te veranderen. De onderzoeksresultaten openen nieuwe ideeën voor het beheersen van het thermische geleidbaarheidsgedrag van vaste materialen door atomaire trillingspaden in polymeren te 'engineeren', en zullen naar verwachting de komst bevorderen van een nieuw type plastic dat lichtgewicht, flexibel, thermisch isolerend en vlamvertragend is.

Bij traditionele isolatiematerialen is de meest gebruikelijke strategie om te profiteren van de lage thermische geleidbaarheid van lucht om een ​​grote hoeveelheid lucht in het materiaal te "vangen" via schuimende of poreuze structuren, waardoor de warmteoverdracht wordt belemmerd. Deze oplossing is geschikt voor producten zoals schuimisolatieplaten, maar als er kunstmatige poriën in het plastic ontstaan, zal dit vaak de mechanische sterkte van het materiaal verzwakken, de duurzaamheid ervan verminderen en de productiecomplexiteit vergroten. Daarom heeft het duidelijke beperkingen wat betreft structurele componenten en zeer betrouwbare toepassingsscenario's.

Het team van de Universiteit van Massachusetts koos ervoor om de ‘schuimende’ route te omzeilen en in plaats daarvan rechtstreeks in te grijpen in de microscopische mechanismen van warmteoverdracht in vaste stoffen. In vaste materialen wordt warmte voornamelijk overgedragen tussen kristalroosters of moleculaire ketens door de trilling van atomen of moleculen. Hoe ordentelijker de trillingen en hoe vloeiender het pad, hoe gemakkelijker de warmtestroom zich kan voortplanten. Onderzoeksleider Yanfei Xu en zijn team hopen deze gecoördineerde overdracht te verstoren door middel van ‘vibration engineering’, zodat warmte gedwongen wordt een ‘omweg’ in het materiaal te maken.

Xu Yanfei vergelijkt de warmteoverdracht in traditionele materialen met een hoge thermische geleidbaarheid met brandweerlieden die in een nette rij staan ​​om efficiënt emmers door te geven: atomen zijn netjes gerangschikt en energie kan soepel van het ene uiteinde naar het andere worden overgedragen. Hun nieuwe materiaal lijkt meer op een groep kinderen die rondrennen, met slechts kleine kopjes in hun handen, en die allemaal willekeurig in verschillende richtingen lopen, en de transmissie-efficiëntie is aanzienlijk verminderd. In deze toestand, die het team 'langzame chaos' noemt, is het aantal trillingskanalen dat beschikbaar is voor warmtegeleiding aanzienlijk verminderd en wordt de warmtestroom in het materiaal effectief 'vertraagd'.

In de eerste experimenten combineerden de onderzoekers polyurethaan met een vulstof genaamd THDBT (tetrahydroxydeoxybenzoïnetriazool) om een ​​dicht polymeercomposiet te creëren. Testresultaten toonden aan dat de thermische geleidbaarheid van dit polymeermengsel met ongeveer 17% was verminderd in vergelijking met het ongemodificeerde materiaal, terwijl het ook vlamvertragende eigenschappen vertoonde. Hoewel de daling nog steeds bescheiden is, is het team van mening dat dit resultaat een nieuwe strategie valideert voor het reguleren van warmtegeleiding door de "dichtheid van thermisch toegankelijke trillingsmodi" te beperken.

Xu Yanfei legde uit dat zonder het introduceren van poriën, als de trillingskanalen in het materiaal die kunnen worden gebruikt voor warmtegebruik kunnen worden verminderd, dit naar verwachting de thermische geleidbaarheid zal onderdrukken terwijl de dichtheid, mechanische flexibiliteit en vlamvertraging van het materiaal behouden blijven. Dit betekent dat sommige kunststof onderdelen in de toekomst mogelijk betere thermische isolatieprestaties kunnen bereiken zonder hun oorspronkelijke grootte en structuur te veranderen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer ruimtepakken en structurele componenten van ruimtevaartuigen, energiezuinige bouwmaterialen en verpakkingen van elektronische apparaten die een geavanceerd thermisch beheer vereisen.

De meeste huidige oplossingen om de thermische isolatie-eigenschappen van kunststoffen te verbeteren, offeren materiaalsterkte op of vergroten de complexiteit van het productieproces. Daarom zijn bij technische toepassingen vaak moeilijke afwegingen nodig tussen thermische isolatie, mechanische eigenschappen en haalbaarheid van de verwerking. Deze studie toont een derde mogelijk pad: in plaats van de macroscopische structuur van het plastic te veranderen, "programmeert" het het vanaf het atomaire trillingsniveau en gebruikt het moleculair ontwerp om het warmtestroomkanaal te reconstrueren. Een gerelateerd artikel werd gepubliceerd in "Materials Horizons" met de titel "Onderdrukking van thermisch transport in niet-poreuze polymeerhybriden door thermisch toegankelijke trillingsmodi te beperken".

Dit werk werd voltooid door Henry Worden, Mihir Chandra en andere onderzoekers samen met Xu Yanfei, en werd gefinancierd door de National Science Foundation (NSF), de Federal Aviation Administration (FAA) en de Universiteit van Massachusetts Amherst. De wetenschappelijke gemeenschap is over het algemeen van mening dat als dit concept van ‘langzame chaos’ wordt geverifieerd en versterkt in meer materiële systemen, dit de opkomst kan bevorderen van een nieuwe klasse van hoogwaardige thermische isolatiekunststoffen, die een diepgaande impact zullen hebben op de lucht- en ruimtevaart, de energiebesparing van gebouwen en het thermisch beheer van elektronische apparaten.