最新發現:奈米化植物纖維具有高導熱性

【2022年11月10日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)東京大學工程研究院潮見純一郎(Junichiro Shiomi)教授領導的研究小組發現,使用流動聚焦法做出的奈米化纖維素(CNF, Cellulose Nanofiber)材料具有高熱傳導性。這是人類首次發現這一特性。

該項報告在10月底被刊登在美國著名學術期刊《美國化學會志》上。報告中提到,CNF是一種可再生資源,因為纖維素可以從木材、海洋無脊椎動物等多種植物和微生物提煉獲得。

由於含有CNF的建築材料具有隔熱性好、柔韌性好、強度高和分量輕等特性,可被用作為牆壁和屋頂的隔熱、降噪和防風材料;又因為其強度高和耐用性強的特點,使其成為聚合物材料(塑料等)的良好替代品。

實驗中,科學家利用流動聚焦法將單個CNF細絲黏成紗線,並用相同的方式定向,將其量產出來,最後結合成為CNF長絲線。科學家測量單根CNF長細絲的熱導率時發現,它擁有14.5W/mK的熱導率,超過一般CNF薄膜(∼1.5W/mK)和其它純CNF材料。

科研人員用拉曼光譜研究CNF長細絲的結構,觀察到導致熱導率增強的原因在於細絲具有高結晶度,這是源自於流動聚焦過程中的CNF排列和離子凝膠化,讓熱量沿著棒狀的纖維束進行傳遞,從而獲得良好的導熱性。

另外,在製作CNF長細絲的過程中,科研人員使用6至20微米(μm)直徑的細絲,發現測量出的熱導率各不相同。直徑較小的樣品往往具有較高的熱導率,做出來的這些長絲的平均熱導係數為2W至14.5W/mK。

科研人員觀察到,CNF中碳氧碳(C-O-C)含量越高,越會降低導熱性;而碳氧碳含量越低,越會增加其導熱性,這是因為當中會含有較高且活躍的氯(Cl)元素,而較低的氯元素會降低導熱性。

為了提高對於CNF細絲熱傳導的理解,他們分別用氯含量高與低的CNF長細絲進行測試,將這些長細絲在-123℃到27℃(150K~300K)溫度範圍進行測量,觀察細絲的導熱性質是否與外在溫度有關聯。

結果顯示,儘管氯元素的含量多寡都有增加導熱性質,但溫度高也會增加其導熱性質。含氯較低者(33.3%)從160K加熱至240K時,導熱率從0.1W/mK提升至0.5W/mK後趨緩並停止。含氯較高者(70.6%)在溫度升至300K時,導熱率從原本的3W/mK增至12W/mK。

研究人員解釋說,該現象在氯含量較低的CNF長細絲中,會使纖維中的鍵與鍵之間吸引力降低,導致纖維密度變小,因此在阻止了溫度升高後,會增加CNF長細絲的熱傳導性質。

潮見純一郎教授對東京大學的新聞室表示,「一般市面上看到的植物衍生材料大多是隔熱和機械性的,但我們發現CNF製成紗線時具有非常顯著的熱傳導性能,比一般的木頭或纖維素紙(電工中所用的一種固體絕緣材料)高出100倍左右。」

他們團隊希望,對於CNF作為導熱材料的調查和探索,可以為工程師提供一些降低對環境有害的聚合物的替代品。讓一些電子零件,使用能被生物降解的CNF和其它植物基材料作為替代品,減少廢棄電子垃圾造成的污染。

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