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納米化纖維素(CNF,Cellulose Nanofiber)材料具有高熱傳導性。這是人類首次發現這一特性的。

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,因為纖維素可以從多種植物和微生物,如木材、海洋無脊椎動物和細菌等中提煉獲得。

由於該材料具有隔熱性好、柔韌性好、強度高和份量輕等特性,被用為牆壁和屋頂的隔熱、降噪和防風材料,因為其強度高和耐用性強的特點,使其成為聚合物材料(塑膠等)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,擁有14.5 W/mK的熱導率,超過一般CNF薄膜(~1.5 W/mK)和其他純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排列和離子凝膠化所形成,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14.5 W/mK。

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

為了提高對於CNF細絲熱傳導上的理解,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0.1 W/mK提升至0.5 W/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3 W/mK增至12 W/mK。

研究人員解釋說,該現象在於氯含量較低CNF長細絲,會使纖維中的鍵與鍵之間吸引力降低,導致纖維密度會變小,因此在降低了溫度後,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,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CNF和其他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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