El compuesto covalente tiene una mala conductividad eléctrica y térmica
ResumenEl rápido desarrollo de las tecnologías energéticas, eléctricas y electrónicas ha planteado mayores exigencias a las conductividades térmicas de los polímeros y sus compuestos. Sin embargo, los valores del coeficiente de conductividad térmica (λ) de los compuestos poliméricos conductores térmicos preparados siguen siendo difíciles de alcanzar las expectativas, lo que se ha convertido en el cuello de botella en los campos de los compuestos poliméricos conductores térmicos. Para ello, basándose en la acumulación de trabajos de investigación anteriores de investigadores relacionados y de nuestro grupo de investigación, este artículo propone tres posibles direcciones para superar los cuellos de botella: (1) preparar y sintetizar polímeros intrínsecamente conductores térmicos, (2) reducir la resistencia térmica interfacial en los compuestos de polímeros conductores térmicos, y (3) establecer modelos de conducción térmica adecuados y estudiar el mecanismo de conducción térmica interna para guiar la optimización experimental. Asimismo, se prevén las futuras tendencias de desarrollo de las tres direcciones mencionadas, con la esperanza de proporcionar ciertas bases y orientaciones para la preparación, la investigación y el desarrollo de los polímeros conductores térmicos y sus compuestos.
Mal conductor del calor, metálico o no metálico
Conductividad térmicaLa conductividad térmica, frecuentemente representada por [math]\kappa[/math], es una propiedad que relaciona la tasa de pérdida de calor por unidad de superficie de un material con su tasa de cambio de temperatura[1] Esencialmente, es un valor que tiene en cuenta cualquier propiedad del material que pueda cambiar la forma en que conduce el calor. En unidades del SI, la conductividad térmica se expresa en vatios por metro kelvin [math]\left(\frac{W}{m K}\right)[/math][2] mientras que en unidades imperiales puede expresarse en BTU por hora por pie Fahrenheit [math]\left(\frac{BTU}{h ft ^{circ}F}right)[/math][3] Los materiales con una mayor conductividad térmica son buenos conductores de la energía térmica.
Dado que la transferencia de calor por conducción implica la transferencia de energía sin movimiento del material, es lógico que la tasa de transferencia de calor dependa únicamente de la diferencia de temperatura entre dos lugares y de la conductividad térmica del material.
En la tabla de la derecha se puede observar que la mayoría de los materiales generalmente asociados a ser buenos conductores tienen una alta conductividad térmica. Principalmente, los metales tienen una conductividad térmica muy alta, lo que se compara con lo que se conoce sobre los metales. Asimismo, los materiales aislantes como el aerogel y los aislantes utilizados en los hogares tienen una baja conductividad térmica, lo que indica que no dejan pasar el calor a través de ellos con facilidad. Por tanto, una baja conductividad térmica indica un buen material aislante.
Conductividad térmica de polímeros y nanocompuestos poliméricos
Los polímeros con alta conductividad térmica son de gran interés en los sistemas de gestión térmica. La disponibilidad de estos polímeros puede ampliar la industria de los plásticos al sustituir parcialmente a los metales y la cerámica en los dispositivos y sistemas de transferencia de calor, lo que supone un ahorro de energía y de costes. Sin embargo, los polímeros a granel suelen tener una baja conductividad térmica, de ~0,1 a 0,3 Wm-1K-1, debido a la presencia de defectos como los extremos de la cadena del polímero, el enredo, la orientación aleatoria, los huecos y las impurezas, etc. Estos defectos actúan como puntos de concentración de tensiones y lugares de dispersión de fonones para la transferencia de calor. Los métodos típicos, como la introducción de una fase secundaria de alta conductividad térmica en una matriz polimérica, mejoran la conductividad térmica pero sólo en un orden de magnitud, debido a la alta resistencia térmica entre la fase secundaria y la matriz polimérica. En contra de la sabiduría convencional, demostramos que una sola cadena de polímero puede tener una conductividad térmica muy alta cuando se comporta como un conductor unidimensional.
Fabricamos nanofibras de polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) con valores de conductividad térmica tan altos como ~ 104 Wm-1K-1, que es mayor que las conductividades de aproximadamente la mitad de los metales puros3. La elevada conductividad térmica se atribuye a la orientación molecular de las cadenas de polímero durante el ultra estiramiento, que mejora la calidad de la fibra hacia una fibra monocristalina ideal. Utilizamos un método de dos etapas: fabricamos una fibra a 120 ºC a partir de gel de UHMWPE y la estiramos a 90 ºC bajo tensión controlada. El patrón de difracción de rayos X de las fibras muestra la fuerte naturaleza monocristalina de las nanofibras de polietileno fabricadas. La conductividad térmica de estas fibras se mide mediante un montaje que utiliza un voladizo de AFM bimaterial sensible. Este equipo puede resolver mediciones de potencia de hasta 0,1 nW y de energía de hasta 0,15 nJ. Además, proporcionamos una estimación teórica de la conductividad térmica de un monocristal de polietileno basado en simulaciones de dinámica molecular utilizando el enfoque de Green-Kubo. Nuestro valor estimado de 180 ± 65 Wm-1K-1 indica que puede ser posible mejorar la conductividad térmica del polietileno hasta un rango en el que sea competitivo con el aluminio (235 Wm-1K-1). Ahora estamos desarrollando un enfoque para la fabricación de fibras y películas de polietileno con alta conductividad térmica.
Conductividad térmica de los polímeros
Idumah, Christopher Igwe y Hassan, Azman. “Recently emerging trends in thermal conductivity of polymer nanocomposites” Reviews in Chemical Engineering, vol. 32, no. 4, 2016, pp. 413-457. https://doi.org/10.1515/revce-2016-0004
Idumah, C. y Hassan, A. (2016) Tendencias recientemente emergentes en la conductividad térmica de los nanocompuestos poliméricos. Reviews in Chemical Engineering, Vol. 32 (Issue 4), pp. 413-457. https://doi.org/10.1515/revce-2016-0004
Idumah, Christopher Igwe y Hassan, Azman. “Tendencias recientemente emergentes en la conductividad térmica de los nanocompuestos poliméricos” Reviews in Chemical Engineering 32, no. 4 (2016): 413-457. https://doi.org/10.1515/revce-2016-0004