풀린 울트라의 높은 열전도율의 유래

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2452(2022) 이 기사 인용

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배향성 폴리머의 열 전달 특성은 근본적이고 실용적인 관심 대상입니다. 최근에 풀린 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 필름에서 높은 열전도율(≳ 50 Wm−1K−1)이 보고되었으며, 이는 연신된 필름에 대해 이전에 보고된 값을 상당히 초과합니다. 그러나 높은 열전도율의 미세한 기원에 대해서는 상충되는 설명이 제안되었습니다. 여기에서는 극저온 정상 상태 열전도도 측정 및 과도 격자 분광법을 사용하여 풀린 UHMWPE 필름(연신 비율 ~200)의 열전도도 및 평균 자유 경로 축적 함수의 특성을 보고합니다. 우리는 30-300K의 온도에 걸쳐 격자 기간에 대한 열전도도의 현저한 의존성을 관찰합니다. 이 관찰, 극저온 벌크 열전도도 측정 및 이방성 Debye 모델을 사용한 분석을 고려하여 약 400°C의 평균 자유 경로를 갖는 종방향 원자 진동이 있다고 결론을 내립니다. 나노미터는 주요 열 운반체이며 연신비 ≳ 150에 대한 높은 열전도율은 연신에 따른 확장된 결정의 확대로 인해 발생합니다. 평균 자유 경로는 확장된 결정 크기에 의해 제한되는 것으로 보이며, 이는 풀린 UHMWPE 필름의 열전도도 상한이 아직 실현되지 않았음을 시사합니다.

열 전도성 폴리머는 기초 재료 과학뿐만 아니라 열 관리와 같은 응용 분야에서도 중요합니다1,2,3,4,5,6. 배향되지 않은 폴리머의 열전도도는 일반적으로 <1 Wm−1K−1(참조 2)이지만 초기 연구에서는 폴리에틸렌(PE)7,8, 폴리아세틸렌9 및 폴리프로필렌10을 포함한 배향된 샘플의 단축 열전도도가 수십 배 증가한다고 보고했습니다. ,11. 특히, 배향성 폴리에틸렌의 보고된 열전도도 범위는 DR = 25인 경우 ~14 Wm-1 K-1(참조 12)부터 DR이 350인 용액 가공 PE의 경우 ~40 Wm-1 K-1까지였습니다. (참조 13). 이러한 향상은 연신 방향에 따른 사슬 정렬 증가, 탄성 이방성 결정상에서의 포논 포커싱, 결정화도 증가 등 다양한 메커니즘에 기인합니다. 최근 PE 마이크로섬유14,18 및 나노섬유19,20에서 각각 약 20-30 Wm-1K-1 및 ≳60 Wm-1K-1의 열전도도 값이 보고되었습니다. 거시적 샘플에서, 이전 샘플에 비해 더 높은 결정성과 덜 얽힌 비정질 영역을 가진 풀린 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 필름21,22을 도입하면 60Wm−1K−1을 초과하는 높은 열전도율이 보고되었습니다(참조 .23,24). 최근 몇몇 연구에서는 폴리벤조비스옥사졸18, 폴리에틸렌 옥사이드25, 무정형 폴리티오펜26을 포함하여 PE 외에 다양한 폴리머 세트에서 최대 20~30Wm−1K−1의 높은 열전도도를 보고했습니다.

초기 PE에서 인발할 때 발생하는 구조적 변화에 대한 지식은 높은 열전도도 값의 근원을 식별하는 데 도움이 되며 광범위한 연구에서는 다양한 DR에서 PE 필름의 원자 및 나노 규모 구조를 특성화했습니다. 초기 구조는 접힌 사슬이 라멜라 내부 및 라멜라 간 타이 분자에 의해 연결되는 방향이 지정되지 않은 적층 라멜라로 차례로 구성된 구형으로 구성됩니다. 핵자기공명(NMR)29 또는 열용량 측정30을 사용하여 측정했을 때 초기 결정질 분율은 ~60-70% 정도이며, SAXS로부터 결정질 영역은 ~10-30nm31,32,33의 긴 주기를 갖습니다. 단위 내부의 결정 도메인의 해당 크기는 장주기의 약 90%입니다. 도면에서 Peterlin은 적층된 라멜라가 미세 섬유로 전환되고 결국 사슬 확장된 결정으로 전환되는 일련의 과정을 제안했습니다. 보다 정확하게는 초기 드로잉에서 라멜라가 정렬되기 시작하고 라멜라가 단편화됨에 따라 무정형 도메인 또는 결합 분자에 의해 연결된 결정질 미세 섬유 구조가 나타납니다. 그 후, 10 ≲ DR ≲ 50의 경우 미세 원섬유는 결합 분자의 동시 긴장과 결정화도의 한계 변화와 함께 응집됩니다. 마지막으로, DR > 50인 경우 사슬 확장은 응집된 미세섬유와 결합 분자로부터 형성된 확장된 결정상으로 이어집니다. 결정상의 상태 밀도와 원자 진동의 분산은 다양한 비탄성 산란 기술로 특징 지어졌습니다.