最新發現：奈米化植物纖維具有高導熱性

Daphane

來源:大紀元


東京大學發現，使用流動聚焦法做出的奈米化纖維素材料具有高熱傳導性，這項特性是先前未發現的。圖中的透明晶體是奈米化纖維素。（公有領域）


【大紀元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。