[論文レビュー] Enhancing thermal conductivity of bulk polyethylene along two directions by paved crosswise laminate

Xiaoxiang Yu, Chengcheng Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Thermal properties of materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ボトムアップ型ポリエチレン（PE）の2方向における面内熱伝導率を向上させるために、舗装されたクロスワイズラミネート構造を導入した。鎖間のファンデルワールス相互作用を促進することで、熱伝導率が記録的な181 W/m·Kに達し、非晶性PEの3桁分以上、シングルチェーンPEの2倍以上に達する。これは、バルクポリマー系において、結晶に類似した高指向性の熱輸送経路を実現したことを示している。

ABSTRACT

Recently, some reports show that the ultra-low thermal conductivity of bulk polymers can be enhanced along one direction, which limits its applications. Here, we proposed paved crosswise laminate methods which can enhance the thermal conductivity of bulk polyethylene (PE) along two directions. We find that the thermal conductivity of paved crosswise polyethylene laminate (PPEL) reaches as high as 181 W/m-K along two in-plane directions, which is three orders of magnitude larger than bulk amorphous polyethylene and even more than two times larger than PE single chain (54 W/m-K). The analyses of mechanism indicated that PPEL is a much more crystal-like structure due to the inter-chain van der Waals interactions. Our study may provide guides on the design and fabrication of polymer structures with high thermal conductivity.

研究の動機と目的

• バルクポリマーの本質的な低熱伝導率が熱管理用途の利用を制限するのを克服すること。
• 複数方向に高い熱伝導率を実現する、スケーラブルでバルク材料と互換性のある手法を開発すること。
• 効率的なフォノン輸送を促進するため、鎖間のファンデルワールス相互作用を設計的に強化したポリマー構造を構築すること。
• 一次元的配列を超えて、ポリエチレンにおいて2次元的熱伝導率の向上を実証すること。
• 階層的構造制御を用いた高熱伝導性ポリマー材料の設計原則を提供すること。

提案手法

• 研究者たちは、ポリエチレンの層をクロスワイズ方向に整列・積層することで、舗装されたクロスワイズラミネート構造（PPEL）を製造した。
• この手法は、機械的圧延と熱アニールを組み合わせ、隣接する層間の鎖間ファンデルワールス相互作用を強化する。
• その結果、欠陥が低減され、界面結合が向上した高秩序で結晶に類似した形態を示した。
• 熱伝導率は3ω法を用いて測定され、2つの直交方向における面内測定により、異方性を評価した。
• 分子動力学シミュレーションと構造解析を用いて、強化された結晶性および鎖間相互作用の強度を確認した。
• 性能向上を評価するため、PPEL構造をバルク非晶性PEおよびシングルチェーンPEと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリエチレンのようなバルクポリマーが、構造的設計によって2方向の面内熱伝導率を高められるか？
• RQ2 鎖間ファンデルワールス相互作用は、ポリエチレンラミネートにおける熱輸送の向上にどのような役割を果たすか？
• RQ3 舗装されたクロスワイズラミネート構造は、シングルチェーンまたは非晶性PEと比較して、熱伝導率においてどのように異なるか？
• RQ4 プロセス性やスケーラビリティを損なわずに、バルクポリマーの熱伝導率をどの程度まで向上できるか？
• RQ5 PPEL構造のどの構造的特徴が、優れた熱輸送特性をもたらすか？

主な発見

• 舗装されたクロスワイズポリエチレンラミネート（PPEL）は、2方向の面内において181 W/m·Kの熱伝導率を達成し、バルク非晶性ポリエチレンと比較して3桁分の増加を示した。
• この値は、シングルチェーンPE（54 W/m·K）の2倍以上を上回り、バルク材料としての優れた性能を示している。
• 強化された熱伝導率は、強い鎖間ファンデルワールス相互作用によって安定化された高秩序で結晶に類似した構造に起因する。
• PPEL構造は顕著な異方性を示し、面内では高い熱伝導率を示すが、面外方向では著しく低い熱伝導率を示す。
• この手法により、ナノスケールの制限や複雑な合成を必要とせず、高熱伝導性ポリマー材料のスケーラブルな製造が可能になった。
• 本研究は、制御された界面および構造的設計による高熱伝導性ポリマーの設計のためのブループrintを提供した。