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El aparato para la producción de CNF térmicamente conductivo a partir de CNF no organizado, agua y ácido clorhídrico (izquierda). Un gráfico que muestra cómo cambia la conductividad térmica de la muestra con su diámetro. (A la derecha). CRÉDITO ©2022 Shiomi et al. |
Resumen:
Los materiales vegetales como la celulosa suelen tener propiedades de aislamiento térmico. Un nuevo material hecho de fibras de celulosa a nanoescala muestra la alta conductividad térmica inversa. Esto lo hace útil en áreas anteriormente dominadas por materiales poliméricos sintéticos. Los materiales celulósicos tienen ventajas ambientales sobre los polímeros, por lo que su investigación podría conducir a aplicaciones tecnológicas más respetuosas con el medio ambiente donde se requiere conductividad térmica.
Fibras vegetales para dispositivos sostenibles: la investigación sobre las propiedades térmicas de las nanofibras de celulosa arroja resultados sorprendentes
Tokio, Japón | Publicado el 04/11/2022
La celulosa es un componente estructural importante de las paredes celulares de las plantas y es la razón por la que los árboles pueden crecer tan altos. Pero el secreto de la fuerza de su material en realidad radica en sus fibras nanoscópicas superpuestas. En los últimos años, muchos productos comerciales han utilizado materiales de nanofibras de celulosa (CNF) porque su resistencia y durabilidad los convierten en buenos sustitutos de los materiales basados en polímeros, como los plásticos, que pueden ser dañinos para el medio ambiente. Pero ahora, y por primera vez, un equipo de investigación dirigido por el profesor Junichiro Shiomi de la Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de Tokio ha investigado propiedades térmicas previamente desconocidas de CNF, y sus resultados muestran que estos materiales podrían ser aún más útiles.
«Cuando se ven materiales derivados de plantas como la celulosa o la biomasa leñosa que se utilizan en aplicaciones, normalmente se explotan las propiedades mecánicas o de aislamiento térmico», dijo Shiomi. «Sin embargo, cuando investigamos las propiedades térmicas de un hilo hecho de CNF, encontramos que exhibía un comportamiento térmico diferente y una conducción de calor muy significativa, unas 100 veces mayor que la de la biomasa de madera típica o el papel de celulosa. ”
La razón por la cual el hilo CNF es tan bueno para conducir el calor es por la forma en que está hecho. Las fibras celulósicas son de naturaleza muy desorganizada, pero un proceso llamado método de enfoque de flujo combina fibras celulósicas y las orienta de la misma manera para crear CNF. Es este haz de fibras en forma de varilla estrechamente unido y alineado lo que permite la transferencia de calor a lo largo del haz, mientras que en una estructura más caótica disiparía el calor más fácilmente.
«Nuestro mayor desafío fue medir la conductividad térmica de muestras físicas tan pequeñas con gran precisión», dijo Shiomi. “Para hacer esto, recurrimos a una técnica llamada medición de conductividad térmica tipo T. Esto nos permitió medir la conductividad térmica de las muestras de hilo CNF en forma de varilla, que tienen solo micrómetros (un micrómetro es una milésima de milímetro) de diámetro. Pero el próximo paso para nosotros es realizar pruebas térmicas precisas en muestras bidimensionales similares a textiles”.
Shiomi y su equipo esperan que su investigación y la investigación futura sobre el uso de CNF como material térmicamente conductor puedan ofrecer a los ingenieros una alternativa a algunos polímeros nocivos para el medio ambiente. En aplicaciones donde la transferencia de calor es importante, como B. en ciertos componentes electrónicos o informáticos, las consecuencias de los dispositivos electrónicos desechados o los desechos electrónicos podrían reducirse significativamente gracias a la naturaleza biodegradable de CNF y otros materiales de origen vegetal.
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Artículos de revistas: Guantong Wang, Masaki Kudo, Kazuho Daicho, Sivasankaran Harish, Bin Xu, Cheng Shao, Yaerim Lee, Yuxuan Liao, Naoto Matsushima, Takashi Kodama, Fredrik Lundell, L. Daniel Söderberg, Tsuguyuki Saito, Junichiro Shiomi. «Filamentos de celulosa mejorados con alta conductividad térmica mediante enfoque hidrodinámico», Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c02057
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