Geavanceerde kunststoffen kunnen lichtere, goedkoper, meer energie-efficiënte productcomponenten, inclusief die welke in voertuigen worden gebruikt, LED's en computers - waren ze maar beter in het afvoeren van warmte.

Een nieuwe techniek die de moleculaire structuur van plastic kan veranderen om het te helpen warmte af te geven, is een veelbelovende stap in die richting.

Ontwikkeld door een team van onderzoekers van de Universiteit van Michigan op het gebied van materiaalkunde en werktuigbouwkunde en gedetailleerd beschreven in een nieuwe studie gepubliceerd in: wetenschappelijke vooruitgang , het proces is goedkoop en schaalbaar.

Het concept kan waarschijnlijk worden aangepast aan een verscheidenheid aan andere kunststoffen. Bij voorproeven is het maakte een polymeer dat ongeveer even warmtegeleidend is als glas - nog steeds veel minder dan metalen of keramiek, maar zes keer beter in het afvoeren van warmte dan hetzelfde polymeer zonder de behandeling.

"Plastic vervangt op veel plaatsen metalen en keramiek, maar het zijn zulke slechte warmtegeleiders dat niemand ze zelfs maar beschouwt voor toepassingen waarbij warmte efficiënt moet worden afgevoerd, " zei Jinsang Kim, U-M materiaalwetenschap en techniek professor. "We werken eraan om dat te veranderen door thermische engineering op kunststoffen toe te passen op een manier die nog niet eerder is gedaan."

Het proces wijkt sterk af van eerdere benaderingen, die zich hebben gericht op het toevoegen van metalen of keramische vulstoffen aan kunststoffen. Dit heeft beperkt succes gehad; er moet een grote hoeveelheid vulstoffen worden toegevoegd, wat duur is en de eigenschappen van de kunststof op ongewenste manieren kan veranderen. In plaats daarvan, de nieuwe techniek maakt gebruik van een proces dat de structuur van het materiaal zelf ontwerpt.

Kunststoffen zijn gemaakt van lange ketens van moleculen die strak opgerold en verward zijn als een kom spaghetti. Als warmte door het materiaal gaat, het moet langs en tussen deze ketens reizen - een zware, rotonde die de voortgang ervan belemmert.

Het team, dat ook UM-universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Kevin Pipe omvat, afgestudeerd werktuigbouwkundig onderzoeker Chen Li en afgestudeerde materiaalwetenschap en techniekstudent Apoorv Shanker - gebruikten een chemisch proces om de molecuulketens uit te zetten en recht te trekken. Hierdoor kreeg warmte-energie een directere route door het materiaal. Om dit te bereiken, ze begonnen met een typisch polymeer, of kunststof. Ze losten het polymeer eerst op in water, vervolgens elektrolyten aan de oplossing toegevoegd om de pH te verhogen, waardoor het alkalisch wordt.

De afzonderlijke schakels in de polymeerketen, monomeren genaamd, krijgen een negatieve lading, waardoor ze elkaar afstoten. Terwijl ze uit elkaar gingen, ze ontvouwen de strakke spoelen van de ketting. Eindelijk, de water- en polymeeroplossing wordt op platen gespoten met behulp van een algemeen industrieel proces dat spingieten wordt genoemd, die het in een stevige plastic film reconstitueert.

De afgerolde molecuulketens in het plastic maken het gemakkelijker voor warmte om er doorheen te reizen. Het team ontdekte ook dat het proces een secundair voordeel heeft:het verstevigt de polymeerketens en helpt ze steviger samen te pakken, waardoor ze nog beter warmtegeleidend zijn.

"Polymeermoleculen geleiden warmte door te trillen, en een stijvere molecuulketen kan gemakkelijker trillen, "Zei Shanker. "Denk aan een strak gespannen gitaarsnaar in vergelijking met een losjes opgerold stuk touw. De gitaarsnaar trilt wanneer erop wordt getokkeld, het touw niet. Polymeermolecuulketens gedragen zich op een vergelijkbare manier."

Pipe zegt dat het werk belangrijke gevolgen kan hebben vanwege het grote aantal polymeertoepassingen waarbij temperatuur belangrijk is.

"Onderzoekers hebben lang manieren bestudeerd om de moleculaire structuur van polymeren te modificeren om hun mechanische, optische of elektronische eigenschappen, maar zeer weinig studies hebben moleculaire ontwerpbenaderingen onderzocht om hun thermische eigenschappen te ontwikkelen, Pipe zei. "Hoewel warmtestroom in materialen vaak een complex proces is, zelfs kleine verbeteringen in de thermische geleidbaarheid van polymeren kunnen een grote technologische impact hebben."

Het team kijkt nu naar het maken van composieten die de nieuwe techniek combineren met verschillende andere warmteafvoerstrategieën om de thermische geleidbaarheid verder te vergroten. Ze werken er ook aan om het concept toe te passen op andere soorten polymeren dan die welke in dit onderzoek zijn gebruikt. Een commercieel product is waarschijnlijk enkele jaren verwijderd.

"We kijken naar het gebruik van organische oplosmiddelen om deze techniek toe te passen op niet-wateroplosbare polymeren, " zei Li. "Maar we zijn van mening dat het concept van het gebruik van elektrolyten om polymeren thermisch te manipuleren een veelzijdig idee is dat op veel andere materialen van toepassing zal zijn."

De studie is getiteld "Hoge thermische geleidbaarheid in elektrostatisch gemanipuleerde amorfe polymeren."