Universität von Michigan »Gekämmte« Polymere leiten Wärme besser ab

Eine Probe des wärmeleitenden Polymer.
Eine Probe des wärmeleitenden Polymer.

Kunststoffe sind schlechte Wärmeleiter. Ansätze mit verschiedenen Füllstoffen haben das nicht wirklich geändert. Ein neues Verfahren von der Universität von Michigan, die die molekulare Struktur des Kunststoffs verändert, könnte das ändern. Es ähnelt dem Kämmen von Spaghetti.

Moderne Kunststoffe könnten zu leichteren, preiswerteren und energieeffizienteren Komponenten für Autos und elektronische Systeme führen – würden sie nur besser Wärme leiten. Ein Team um Jinsang Kim, Professor für Materialwissenschaften an der Universität von Michigan, ist es in Vorversuchen gelungen, ein Polymer thermisch so leitfähig zu machen wie Glas. Das ist zwar noch weit weniger als bei Metall oder Keramik, aber immerhin sechsmal besser als beim gleichen Polymer im unbehandelten Zustand. Das Verfahren ist nach Angaben der Forscher kostengünstig und skalierbar, auch lässt es sich wahrscheinlich auf eine Vielzahl anderer Kunststoffe anpassen.

Der neue Prozess stellt eine wesentliche Abkehr von früheren Ansätzen dar, die auf die Zugabe von metallischen oder keramischen Füllstoffen zu den Kunststoffen ausgerichtet waren. Der Erfolg hielt sich in Grenzen, denn man benötigte dafür große Menge von Füllstoffen. Das ist teuer und kann die Eigenschaften des Kunststoffs auf unerwünschte Weise verändern. Stattdessen verwendet die neue Technik einen Prozess, der die Struktur des Materials selbst verändert.

Wie »kämmt« man Polymere?

Kunststoffe bestehen aus langen Ketten von Molekülen, die eng gewickelt und ineinander verheddert sind wie eine Schüssel Spaghetti. Wenn Wärme durch das Material fließt, muss sie entlang und zwischen diesen Ketten fließen – eine mühsame Reise in einem Kreisverkehr, was die Wärme am Weiterkommen hindert.

Das Team verwendete einen chemischen Prozess, um die Molekülketten zu erweitern und zu begradigen, um der Wärmeenergie einen direkten Weg durch das Material zu geben. Dazu lösten sie das Polymer zuerst in Wasser auf, fügten dann der Lösung Elektrolyte hinzu, um den pH-Wert zu erhöhen, wodurch es alkalisch wurde.

Die einzelnen Verbindungen in der Polymerkette – die sogenannten Monomere – laden sich negativ auf, sodass sie sich gegenseitig abstoßen. Dadurch entwirren sie sich. Schließlich wird die wässrige Polymerlösung unter Verwendung eines üblichen industriellen Prozesses, den Schleuderguss (Spin Casting), auf Platten gesprüht, wo sie sich zu einer festen Kunststofffolie neu formieren. Das Team fand noch einen positiven Nebeneffekt dieses Prozesses: Er  versteift die Polymerketten, sodass sich enger gepackt und dadurch thermisch noch leitfähiger sind.

Das Team sucht nun nach Verbundwerkstoffen, um diese neue Technik mit mehreren anderen Wärmeableitungsstrategien zu kombinieren, um die Wärmeleitfähigkeit weiter zu erhöhen. Sie arbeiten auch daran, das Konzept auf andere Arten von Polymeren zu übertragen. Ein kommerzielles Produkt ist laut den Forschern wahrscheinlich noch mehrere Jahre weg.