Genom att blanda polymerpulver i lösning för att skapa en film som de sedan sträckte, förändrade MIT-forskare polyetenens mikrostruktur, från spagetti-liknande klumpar av molekylära kedjor (vänster), till starkare strängar (höger), vilka tillåter värme att leda genom polymeren, bättre än de flesta metaller. Foto: Gang Chen, MIT.

Av Malin Folkesson den 2 maj 2019 14:49

Polymerer används inte sällan som material för värmeisolering. Men forskare vid MIT har vänt ut och in på bilden och låtit tillverka tunna polymerfilmer som istället leder värme, vilket annars är en egenskap som normalt är förknippad med metaller. 

Genom en rad experiment har de upptäckt att vissa filmer, som är tunnare än en plastfolie, kan leda värme bättre än många metaller, inklusive stål och keramik. 

Teamet hoppas nu på att deras resultat ska kunna stimulera utvecklingen av polymerisolatorer som lätta, flexibla och korrosionsbeständiga alternativ till traditionella metallvärmegivare, för applikationer som sträcker sig från värmeavledande material i bärbara datorer och mobiltelefoner till kylelement i bilar och kylskåp. 

-Vår vision är att dessa egenskaper hos polymerer kan skapa nya applikationer och kanske nya industrier, och kan ersätta metaller i värmeväxlare, säger Carl Richard Soderberg, professor i energiteknik vid MIT. 

Redan 2010 rapporterade teamet om sin framgång gällande tillverkning av tunna fibrer av polyeten som var 300 gånger mer värmeledande än vanlig polyeten, och ungefär lika ledande som de flesta metaller. Men redan då stod det klart för forskarna att om dessa fibrer skulle kunna användas som polymerledare så var det nödvändigt att skala upp de ultratunna fibrerna (en enda fiber är hundra gånger mindre i diametern än ett humant hårstrå) till mer hanterbara filmer. 

Till slut så lyckades teamet att göra tunna filmer av ledande polymer, där de inledningsvis använde sig av ett kommersiellt polyetenpulver. För att eliminera polyetenets molekylära knutar la de polyetenpulver i en lösning som ledde till att de spiralformade kedjorna utvidgades och avlägsnades. Ett specialbyggt flödessystem bröt vidare upp molekylkedjorna.

Lösningen spreds sedan ut på en flytande kvävekyld plåt för att bilda en film vilken sedan placerades på en rullförsedd ritmaskin vilken värmde upp och sträckte filmen tills den var tunnare än plastfolie. 

En apparat för att testa filmens värmeledning byggdes. Medan de flesta polymerer leder värme med ungefär 0,1 till 0,5 watt per kelvinmeter, fann teamet att den nya polyetenfilmen uppmätte ca 60 watt per kelvinmeter. (Diamant, det bästa värmeledande materialet, ligger på omkring 2000 watt per kelvinmeter, medan keramiska material är ca 30 och stål runt 15).

Som det ser ut så är teamets film mer termiskt ledande än de flesta polymerer, och även mer ledande än stål och keramer. 

Forskarna kommer nu att arbeta vidare med att finns sätt att göra polymererna än mer värmeledare, genom att både justera tillverkningsprocessen och experimentera med olika typer av polymerer. 

-Om vi har en isotrop polymer med god värmeledningsförmåga så skulle vi enkelt kunna blanda det här materialet till en komposit, och potentiellt ersätta många ledande material, säger Gang Chen som även han ingår i forskarteamet

Källa: www.eurekalert.org