De verrassende thermische eigenschappen van cellulose-nanovezels

Een sterk uitvergrote weergave van een dwarsdoorsnede van een CNF. Credit: Nano-letters (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolet.2c02057

Plantaardige materialen zoals cellulose vertonen vaak thermisch isolerende eigenschappen. Een nieuw materiaal gemaakt van cellulosevezels op nanoschaal vertoont het omgekeerde, hoge thermische geleidbaarheid. Dit maakt het bruikbaar in gebieden die voorheen werden gedomineerd door synthetische polymeermaterialen. Materialen op basis van cellulose hebben milieuvoordelen ten opzichte van polymeren, dus onderzoek hiernaar zou kunnen leiden tot groenere technologische toepassingen waar thermische geleidbaarheid nodig is.

Cellulose is een belangrijk structureel onderdeel van de celwanden van planten en is de reden waarom bomen tot zulke hoogten kunnen groeien. Maar het geheim van zijn materiaalsterkte ligt eigenlijk in de overlappende nanoscopische vezels. In de afgelopen jaren zijn in veel commerciële producten cellulose-nanovezelmaterialen (CNF) gebruikt, omdat ze door hun sterkte en duurzaamheid een goede vervanging zijn voor op polymeren gebaseerde materialen zoals kunststoffen die schadelijk kunnen zijn voor het milieu.

Maar nu en voor het eerst heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Junichiro Shiomi van de Graduate School of Engineering van de Universiteit van Tokyo eerder onbekende thermische eigenschappen van CNF onderzocht, en hun bevindingen tonen aan dat deze materialen nog nuttiger kunnen zijn. Hun onderzoek verschijnt in Nano-letters.

“Als je plantaardige materialen zoals cellulose of houtachtige biomassa gebruikt in toepassingen ziet, zijn het meestal mechanische of thermisch isolerende eigenschappen die worden gebruikt”, zei Shiomi. “Toen we de thermische eigenschappen van een garen gemaakt van CNF onderzochten, ontdekten we echter dat ze een ander soort thermisch gedrag vertonen, thermische geleiding, en het is zeer significant, ongeveer 100 keer hoger dan dat van typische houtachtige biomassa of cellulosepapier. “

Stroomfocussering en CNF. Het apparaat om thermisch geleidende CNF te maken met behulp van ongeorganiseerde CNF, water en zoutzuur (links). Een grafiek die laat zien hoe de thermische geleidbaarheid van het monster verandert met zijn diameter. (Rechtsaf). Credit: Nano-letters (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolet.2c02057

De reden waarom garen gemaakt van CNF warmte zo goed kan geleiden, is te wijten aan de manier waarop het is gemaakt. Cellulosevezels zijn in de natuur erg ongeorganiseerd, maar een proces dat de flow-focusing-methode wordt genoemd, combineert cellulosevezels, waarbij ze op dezelfde manier worden georiënteerd, om CNF te creëren. Het is deze strak gebonden en uitgelijnde bundel van staafvormige vezels die ervoor zorgt dat warmte langs de bundel kan worden overgedragen, terwijl het in een meer chaotische structuur warmte gemakkelijker zou afvoeren.

“Onze grootste uitdaging was hoe we de thermische geleidbaarheid van zulke kleine fysieke monsters konden meten en met grote nauwkeurigheid,” zei Shiomi.

“Hiervoor hebben we gebruik gemaakt van een techniek die T-type thermische geleidbaarheidsmeting wordt genoemd. Hiermee konden we de thermische geleidbaarheid meten van de staafvormige CNF-garenmonsters die slechts micrometers (een micrometer gelijk aan een duizendste van een millimeter) in diameter zijn Maar de volgende stap voor ons is om nauwkeurige thermische tests uit te voeren op tweedimensionale textielachtige monsters.”

Shiomi en zijn team hopen dat hun onderzoek en toekomstige verkenningen naar het gebruik van CNF als thermisch geleidend materiaal ingenieurs een alternatief kunnen bieden voor sommige milieubelastende polymeren. In toepassingen waar warmteoverdracht belangrijk is, zoals bepaalde elektronische of computercomponenten, zou het de gevolgen van afgedankte elektronische apparatuur of e-waste aanzienlijk kunnen verminderen, dankzij de biologisch afbreekbare aard van CNF en andere plantaardige materialen.