Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплопроводность утеплителей таблица Сравнение теплоизоляционных материалов

Для большинства людей холодные зимы давно уже стали привычным явлением. В связи с этим, материалы для теплоизоляции были и остаются очень востребованными. Для того, чтобы не ошибиться с выбором и приобрести подходящий для конкретных условий материал высокого качества, нужно будет учесть особенности таблицы теплопроводности материалов и утеплителей.

  1. Потребность в теплоизоляции стен
  2. Сравнение показателей теплопроводности материалов
  3. Сравнение основных характеристик утеплителей
  4. Коэффициент сопротивления
  5. Плотность и теплоемкость
  6. Преимущества и недостатки теплоизоляторов
  7. Пенополиуретан
  8. Пенополистирол (или пенопласт)
  9. Экструдированный пенополистирол
  10. Базальтовая (или каменная) вата
  11. Эковата
  12. Изолон
  13. Пенофол
  14. Заключение
  15. Видео про таблицу теплопроводности

Потребность в теплоизоляции стен

Обоснованность применения теплоизоляции состоит в следующем:

  1. Сбережение тепла в помещениях в холодный период и прохлады в жару. В многоэтажном жилом доме теплопотери через стены могут достигать до 30 % или 40 %. Чтобы снизить потери тепла понадобятся особые теплоизолирующие материалы. В зимний период использование электрических обогревателей воздуха может способствовать увеличению расходов на оплату электроэнергии. Этот убыток гораздо более выгодно компенсировать за счет применения теплоизоляционного материала высокого качества, который поможет обеспечить комфортный микроклимат в помещении в любой сезон. Стоит заметить, что грамотное утепление сведет к минимуму и затраты на использование кондиционеров.
  2. Продление срока эксплуатации несущих конструкций здания. В случае с промышленными строениями, которые возводятся с использованием металлического каркаса, теплоизолятор выступает надежной защитой поверхности металла от процессов коррозии, которая может очень пагубно отразиться на конструкциях данного типа. Что касается срока службы кирпичных зданий, он определяется числом циклов заморозки-разморозки материала. Влияние этих циклов тоже нивелирует утеплитель, поскольку в теплоизолированном здании точка росы сдвигается в сторону утеплителя, оберегая стены от разрушения.
  3. Изоляция от шума. Защитой от все увеличивающегося шумового загрязнения служат материалы со свойствами шумопоглощения. Это могут быть толстые маты или стеновые панели, способные отражать звук.
  4. Сохранение полезной площади помещений. Применение теплоизолирующих систем позволит снизить уровень толщины наружных стен, а внутренняя площадь зданий при этом увеличится.

Сравнение показателей теплопроводности материалов

На сегодняшний день большинство производителей материалов для теплоизоляции готовы предложить застройщикам широкий ассортимент продукции. И каждый из них будет заверять, что именно выпускаемый им утеплитель станет идеальным выбором. Подобное разнообразие материалов для строительства затрудняет процесс принятия решения в пользу того или иного теплоизолятора. Поэтому цель этой статьи – помочь вам сделать самостоятельный выбор, сравнив показатели теплопроводности различных утеплителей и другие ключевые характеристики.

Сравнение основных характеристик утеплителей

  • Теплопроводность. Чем более низким окажется данная характеристика материала, тем меньший слой утеплителя вам понадобится уложить. А это означает, что удастся сократить расходы на приобретение материалов. Но это утверждение будет справедливо только тогда, когда материалы будут находиться в одном ценовом диапазоне. Помимо этого, меньший слой утеплителя заберет меньше свободного пространства.
  • Влагопроницаемость. Сниженная проницаемость для пара и влаги способствует увеличению эксплуатационного срока теплоизоляции, а также позволяет снизить негативное влияние влаги на теплопроводность материала при его использовании. Но это может увеличить вероятность выпадения конденсата на конструктивных элементах, если не будет должной вентиляции.
  • Пожаробезопасность. При использовании утепляющих материалов в котельной или бане важно, чтобы они были негорючими и могли выдерживать высокотемпературное воздействие. Если же идет теплоизоляция ленточного фундамента или отмостки здания, более важными параметрами окажутся стойкость к влаге и уровень прочности.
  • Доступность и легкость монтажа. Теплоизолятор должен быть экономичен по стоимости, в противном случае утепление строения окажется нецелесообразным. Не менее важно, чтобы вы могли провести работы по утеплению кирпичного фасада самостоятельно, без наемных работников и аренды дорогостоящего монтажного оборудования.
  • Экологичность. Все используемые в строительстве материалы не должны представлять опасности для окружающей среды и здоровья человека. Особо стоит отметить звукоизолирующий эффект, который наиболее востребован в городской среде и позволяет защитить жилище от проникновения уличного шума.

Коэффициент сопротивления

Помимо прочего, выполняя расчеты важно учитывать коэффициент U, отвечающий за сопротивление конструктивных элементов теплопередаче. Он никак не относится к основным качествам утеплителей, но поможет вам не ошибиться при выборе среди большого количества разных утеплителей. Коэффициент U – это соотношение разности температур с обеих сторон изолятора к объему теплового потока, который проходит через него. Для верного расчета теплового сопротивления стен и перекрытий потребуется таблица, в которой приведены расчеты теплопроводности различных материалов для строительства.

Сделать все нужные вычисления можно и самому. Достаточно разделить толщину материала на его коэффициент теплопроводности. В случае с теплоизоляцией, информация о показателе теплопроводности обычно указывается на упаковке с утеплителем. Если речь идет о конструктивных элементах строения, процесс вычисления окажется более сложным. Если толщину получится измерить самому, то показатели теплопроводности таких материалов как кирпич, бетон или древесина потребуется найти в специальных пособиях.

Не редкость, когда для утепления пола, потолка и стен в одном здании применяются различные типы материалов, так как для каждой поверхности приходится отдельно рассчитывать коэффициент теплопроводности.

Плотность и теплоемкость

Пористость является отражением процентного соотношения числа воздушных пор к общему объему материала. Поры могут различаться по структуре – открытой или закрытой, а также по размеру – крупные и мелкие.

Крайне важно убедиться, что поры равномерно распределяются в структуре утеплителя, это будет лучшим показателем качества материала. В некоторых случаях уровень пористости может достигать 50 %, а в случае использования ячеистой пластмассы показатель составит от 90 % до 98 %.

Плотность – это важная характеристика, которая напрямую влияет на массу теплоизолятора. При помощи специальной таблицы возможно точно рассчитать эти два параметра. Если вам известна плотность, вы без труда определите увеличение уровня нагрузки на перекрытия или стены дома.

Теплоемкость является показателем, который наглядно демонстрирует количество тепла, аккумулируемого утеплителем.

Биологическая стойкость – это качество сопротивления материала действию факторов биологического происхождения, таких как патогенная микрофлора.

Читайте также:  Ваз 2107 цвета кузова с завода

Огнеупорность означает устойчивость теплоизоляции к воздействию огня. Она отличается от показателя пожаробезопасности и путать их не стоит.

Могут различаться и другие характеристики, такие как прочность к изгибам и механическим воздействиям, износу и влиянию отрицательных температур.

Преимущества и недостатки теплоизоляторов

Пенополиуретан

Считается одним из самых эффективных утеплителей современности.

Преимущества: монтаж однородного бесшовного покрытия, долгий срок службы, отличная изоляция от холода и влаги.

Недостатки: высокая стоимость материала, слабая устойчивость к УФ-излучению.

Пенополистирол (или пенопласт)

Является очень востребованным и применяется в качестве изоляции для разных типов помещений.

Преимущества: невысокая теплопроводность, доступная стоимость, простота монтажа, непроницаемость для влаги.

Недостатки: хрупкий, легко воспламеняется, способствует образованию конденсата.

Экструдированный пенополистирол

Прочный и простой в работе материал, его легко раскроить на фрагменты необходимого размера и формы обычным острым ножом.

Преимущества: очень низкий коэффициент теплопроводности, плохая водопроницаемость, высокая прочность на сжатие, легкий монтаж, не боится плесени и гниения, может эксплуатироваться при температурах от -50⸰С до +75⸰С.

Недостатки: значительно дороже, чем пенопласт, восприимчив к растворителям на органической основе, способствует возникновению конденсата.

Базальтовая (или каменная) вата

Разновидность минеральной ваты, которая изготавливается на основе природного базальта.

Преимущества: противостоит возникновению грибков, звукоизолирует, имеет высокую прочность к механическим повреждениям, огнеупорна, негорюча.

Недостатки: в сравнении с аналогами имеет повышенную стоимость.

Эковата

Утепляющий материал, производимый из природных материалов , таких как древесные волокна и минералы.

Преимущества: изоляция посторонних звуков, экологическая чистота, стойкость к влаге, демократичная стоимость.

Недостатки: при эксплуатации возрастает ее теплопроводность, нужно использовать профессиональное оборудования для монтажа, может дать усадку.

Изолон

Один из высокотехнологичных утеплителей, который производят из пенополиэтилена. Очень востребован.

Преимущества: пониженная теплопроводность и паропроницаемость, высокие показатели шумоизоляции, удобно резать и мотнировать, экологичен, гибкий и маловесный.

Недостатки: невысокая прочность, нужно предусмотреть обязательный вентиляционный зазор.

Пенофол

Теплоизолятор, отвечающий всем основным требованиям, которые предъявляются к качеству материала при утеплении разнообразных помещений и конструкций.

Преимущества: экологическая чистота, хорошая способность отражать тепло, качественная шумоизоляция, непроницаемость для влаги, негорючесть, комфортность транспортировки и монтажа, может нейтрализовать негативное воздействие радиации.

Недостатки: пониженная жесткость, сложности с закреплением материала, при теплоизоляции только пенофола будет недостаточно.

Заключение

Все сильные и слабые стороны рассмотренных утеплителей, представленные в этом обзоре, облегчат муки выбора подходящего материала еще на стадии проекта здания. Но не забывайте, что основополагающей характеристикой материала для теплоизоляции все-таки является его теплопроводность.

Обзор строительных материалов с различной теплопроводностью

Теплоизоляция необходима в любом помещении, где температура в какое-либо время года не должна быть равной температуре окружающей среды.

Оптимальная температура в помещении достигается с помощью работы обогревательных или охлаждающих устройств.

Чтобы искусственно настроенная температура внутри здания не изменялась из-за диффузии неодинаково нагретых частей внутри и снаружи здания, используют строительные материалы с наименьшим коэффициентом теплопроводности.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность — физическое свойство тела (тел) обменивать внутреннюю энергию с помощью диффузии атомов и молекул, которые хаотически перемещаются от более нагретых частей к более холодным.

Атомы и молекулы двигаются в хаотичном порядке до тех пор, пока температура по всему занимаемому объёму не выровняется.

Чем больше теплопроводность вещества, тем быстрее сквозь него передаётся более высокая или более низкая температура.

Теплопроводность определяется количеством теплоты в Дж, которая, при разнице температур в противоположно расположенных параллельных плоскостях в 1 К, проходит через 1 м² за 1 ч.

Коэффициент теплопроводности выражают в Вт/м*К.

Роль коэффициента теплопроводности при принятии архитектурно-строительного решения

Теплопроводность твёрдых тел, каковыми являются все строительные материалы, проявляется за счёт переноса тепла, происходящего в результате колебаний кристаллической решётки.

Большая теплопроводность строительного материала недопустима для возведения архитектурных сооружений. Чем больше теплопроводность, тем меньше теплоизоляционные качества материала, необходимые для поддержания в помещении температуры, отличной от температуры окружающей среды.

Строительные материалы с низкой теплопроводностью помогают сохранить достигнутый градус в помещении вне зависимости от погодных условий, благодаря минимальному поддержанию диффузии между разными по температуре частицами.

Чем меньше коэффициент теплопроводности материала, тем лучше его теплоизоляционные качества.

Хорошая теплоизоляция избавит от сквозняков, холодных стен, быстрого остывания, промерзания или нагрева помещения, позволит существенно сэкономить на устройствах обогрева или охлаждения.

Или почитайте ЗДЕСЬ об установке пластиковых окон своими руками.

Конструкционные материалы и их теплопроводность

Теплопроводность вещества зависит от его плотности. Чем больше плотность вещества, тем выше теплопроводность. С увеличением пористости понижается ее коэффициент.

Низкий коэффициент теплопроводности материала определяет его хорошие теплоизоляционные качества.

Бетон

  • Плотность: 500 кг/м³–2 500 кг/м³. Показатель зависит от состава смеси.
  • Теплопроводность: 1,28–1,51 Вт/м*К. Показатель меняется в зависимости от консистенции бетона.

Бетонная смесь используется для заливки монолитного фундамента, а бетонные блоки – для закладки фундамента и возведения стен.

Железобетон

  • Плотность: 2 500 кг/м3; бетонная смесь без вибрирования (применения глубинного вибратора) – 2 400 кг/м3.
  • Теплопроводность: 1,69 Вт/м*К.

Лёгкий бетон на пористых заполнителях называют ячеистым бетоном.

Используют в качестве конструкционного и теплоизоляционного материала. Самые распространённые строительные материалы из бетона на пористых заполнителях — газобетон, пенобетон, керамзитобетон.

Данные материалы применяются для возведения многоэтажных, частных домов и для дополнительных пристроек: бань, гаражей, сараев.

Керамзитобетон

Полнотелые керамзитобетонные блоки производятся с помощью вибропрессования. Не имеют пустот и отверстий. Часто используются для кладки несущих стен или закладки фундамента.

Пустотелые керамзитобетонные блоки делают с применением специальных форм, позволяющих при заливке смеси сформировать герметичные или сквозные пустоты.

Обладают меньшей прочностью по сравнению с полнотелыми керамзитобетонными блоками. Имеют меньшую теплопроводность, что делает их оптимальным материалом для возведения нетяжёлых конструкций с требуемой высокой теплоизоляцией.

  • Плотность: 500 кг/м³–1 800 кг/м³.
  • Теплопроводность: 0,14–0,66 Вт/м*К.

Газобетон

Изготавливается из газосиликата. С помощью специализированных газообразователей внутри блока формируют приблизительно сферические поры (пустоты), их диаметр 1–3 мм.

  • Плотность: 300–800 кг/м3. Зависит от количества и размера пустот.
  • Теплопроводность: 0,1–0,3 Вт/м*К.

Пенобетон

Изготавливается с применением пенообразующих добавок. Имеет пористую структуру.

  • Плотность: 600–1 000 кг/м3.
  • Теплопроводность: 0,1–0,38 Вт/м*К.

Саманный кирпич

Изготавливается из глины и наполнителя.

  • Плотность: 500 кг/м³–1 900 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,1–0,4 Вт/м*К.

Керамический кирпич

Изготавливается из обожжённой глины.

  • Плотность: полнотелый – 1 600 кг/м³–1 900 кг/м³; пустотелый – 1 100 кг/м³–1 400 кг/м³;
  • Теплопроводность: полнотелый – 0,56–0,86 Вт/м*К; пустотелый–0,35–0,41 Вт/м*К.

Силикатный кирпич

Изготавливается из песка и извести.

  • Плотность: 1 100 кг/м³–1 900 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,81–0,87 Вт/м*К.
Читайте также:  Ошибка P0420 Peugeot - эффективность катализатора ниже допустимого уровня

Дерево

  • Плотность: 150 кг/м³–2 100 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,2–0,23 Вт/м*К.

Строительные конструкционные материалы, даже с низкой теплопроводностью, нуждаются в дополнительном утеплении.

Или почитайте ЗДЕСЬ о несъемной опалубке из пенополистирола.

Утеплители и их теплопроводность

Используются для утепления фундамента, пола, стен здания внутри и снаружи, потолка и крыши.

Пенопласт

  • Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,31–0,33 Вт/м*К.

Пенополистирол

  • Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,028–0,035 Вт/м*К.

Минеральная вата

Минеральная вата имеет способность впитывать влагу. Вода легко накапливается, но очень долго испаряется из данного звуко- и теплоизоляционного материала.

Если минвата перенасытится влагой, то потеряет свои основные изоляционные свойства. Чтобы не допустить впитывание влаги, минвату с двух сторон герметично закупоривают слоем гидроизоляции.

Стекловата

  • Плотность: 15 кг/м³–45 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,038–0,046 Вт/м*К.

Базальтовая (каменная) вата

  • Плотность: 30 кг/м³–200 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,035–0,042 Вт/м*К.

Эковата

  • Плотность: 30 кг/м³–110 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,032–0,041 Вт/м*К.

Сравнительные характеристики теплопроводности конструкционных строительных материалов и утеплителей необходимо проанализировать, выбрав для постройки или дополнительной теплоизоляции самый подходящий материал.

Видео о характеристиках теплоизоляционных материалов

Получен изотропный теплопроводящий полимер

Рис. 1. Теплопроводящие пленки поли(3-гексилтиофена), легированные трихлоридом железа (P3HT/FeCl3) и выращенные при 45°C (C) и при 85°C (D). В обоих случаях время полимеризации составляло 40 минут. Светлые пятна — кристаллиты в структуре полимерной пленки. Можно заметить, что в полимере, полученном при 45°C, наблюдаются более четкие границы между упорядоченными и неупорядоченными структурными элементами пленки. Изображения получены атомно-силовым микроскопом. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Известные на сегодня полимеры обладают плохой теплопроводностью, что создает ряд проблем, например, при производстве массовой электроники. Ранее ученые смогли получить полимеры, которые могут хорошо проводить тепло только в одном направлении. Химики из Массачусетского технологического института впервые получили пластичный полимерный материал, который проводит тепло во всех направлениях. Полимер сохраняет обычную легкость и эластичность, а при комнатной температуре его коэффициент теплопроводности составляет 2,2 Вт/(К×м), что примерно соответствует теплопроводности гранита и в десять раз превышает теплопроводность обычных полимеров.

Сейчас трудно представить хоть одну современную технологию, которая обходится без применения полимеров — высокомолекулярных веществ, характеризующихся наличием повторяющихся структурных единиц (мономерных звеньев). Как правило, эти звенья собираются в длинные цепочки, которые связаны друг с другом при помощи межмолекулярных взаимодействий.

Массовое промышленное производство синтетических полимеров началось в 1950-е годы после разработки Карлом Циглером и Джулио Наттой катализаторов, позволяющих осуществлять объединение низкомолекулярных молекул в полимеры в относительно мягких условиях. Наиболее распространенные и производимые полимеры — полиэтилен, полипропилен, полистирол, полихлорвинил, синтетический каучук и полиэтилентерефталат — применяются как конструкционные материалы, из них изготавливают электроизоляцию, резинотехнические изделия, пищевые упаковки, тару для хранения пищевых и непищевых продуктов, легкие корпуса для электроники и много чего еще.

В конце ХХ — начале XXI века новые типы полимеров стали применяться и в более тонких областях. Они, например, позволяют создавать биосенсоры, не мешающие их носителю заниматься привычными делами, или робототехнику с гибкими и эластичными манипуляторами. Благодаря полимерам стала возможной трехмерная печать, причем не только из полимеров, но и из других материалов (см.: Разработан способ трехмерной печати металлами с рекордным разрешением, «Элементы», 29.03.2018; Немецкие химики создали полимер для 3D-печати стеклянных изделий, «Элементы», 24.04.2017).

Несмотря на повсеместное использование, у полимеров есть и недостатки с точки зрения практического применения. Так, у всех известных на настоящий момент полимеров низкая теплопроводность (A. Henry, 2014. Thermal transport in polymers). Значение коэффициента теплопроводности полимеров — около 0,2 Вт/(К×м) (примерно как у пенобетона и древесины) — позволяет рассматривать их скорее как теплоизоляционные, нежели теплопроводные материалы. Многие сталкивались с перегревом электрических приборов в полимерных корпусах: такой корпус удерживает тепло, выделяемое при работе прибора, а не рассеивает его.

Плохая теплопроводность полимеров и других аморфных материалов (например, стекла), как правило, объясняется сочетанием крайне низкой упорядоченности их молекулярной структуры и слабостью межмолекулярных взаимодействий между элементами этой структуры. В отличие от низкомолекулярных соединений, большинство из которых в твердом состоянии образуют кристаллические решетки, в полимерах упорядоченные элементы — кристаллиты — существуют одновременно с аморфными участками. Из-за этого средняя длина свободного пробега тепловых фононов (квазичастиц — переносчиков тепловой энергии, длина пробега которых зависит от степени упорядоченности материала) равна 3–5 Ǻ, что сравнимо с межатомными расстояниями. Это и приводит к малоэффективному переносу тепла в полимерах.

Доля упорядоченных участков в общей надмолекулярной структуре полимера называется степенью кристалличности (crystallinity, см. также разъяснение здесь). Для одного и того же полимера степень кристалличности может меняться как в зависимости от условий его получения (механизма полимеризации, температуры, давления, наличия и строения катализатора), так и в результате физических или химических воздействий, изменяющих структуру уже синтезированных полимеров, — так называемых постсинтетических модификаций. Увеличение степени кристалличности должно удлинять пробег тепловых фононов и тем самым повышать теплопроводность полимера.

Систематические исследования в этом направлении идут уже несколько лет. Макроцепи в полимерах пытались упорядочивать разными способами: например, вытягиванием (S. Shen et al., 2010. Polyethylene nanofibres with very high thermal conductivities) и ориентированием с помощью шаблонов (V. Singh et al., 2014. High thermal conductivity of chain-oriented amorphous polythiophene). Эти и другие работы показали, что многократное увеличение теплопроводности полимера возможно. Правда, во всех этих случаях передача тепла происходила только вдоль упорядоченных полимерных цепей. Так, удалось получить образец полиэтилена с теплопроводностью 100 Вт/(К×м) вдоль одной из осей (вдоль двух других осей теплопроводность этого образца составляла обычные для полиэтилена 0,2 Вт/(К×м)). Теплопроводность порядка 100 Вт/(К×м) характерна для железа и латуни, но они, как и другие металлы и сплавы, проводят тепло во всех направлениях, то есть изотропны в этом отношении.

Анизотропия теплопереноса в получавшихся при помощи постсинтетических методов полимерах связана с тем, что полимерные цепочки удавалось упорядочить только в одном направлении. Поэтому тепловой поток легко идет вдоль оси, ориентированной параллельно упорядоченным цепям, но из-за слабых межмолекулярных взаимодействий тепло плохо передается с одной цепи на другую. Такая анизотропия мешает практическому применению. Проблемы создает еще и то, что постсинтетические способы увеличения степени кристалличности полимеров невозможно масштабировать.

Ученые из MIT и Аргоннской национальной лаборатории предположили, что потенциальными кандидатами на роль теплопроводящих полимеров могут стать макромолекулы с сопряженными связями в главной цепи. Их статья вышла недавно в журнале Science Advances. Система сопряжения связей в полимерах возникает либо за счет чередования двойных и одинарных связей, либо за счет чередования соединенных одинарными связями ароматических фрагментов, либо за счет сочетания этих случаев. Полимеры с длинной системой сопряжения давно привлекают исследователей: еще в 1977 году Алан Хигер, Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава получили полиацетилен — электропроводный полимер с сопряженными кратными связями, за что в 2000 году они получили Нобелевскую премию по химии.

Читайте также:  5 Точек на руке татуировка значение

От полимеров с сопряженными связями высокую теплопроводность можно ожидать по двум причинам. Во-первых, эти полимеры отличаются жесткими по структуре молекулярными цепями, которые потенциально проще ориентировать в нужном направлении чем молекулярные нити полиэтилена и подобных ему полимеров. Во-вторых, между кратными связями или ароматическими фрагментами, расположенными на соседних полимерных цепях, могут возникать прочные межмолекулярные π-π стэкинг-взаимодействия, потенциально способствующие переходу тепловых фононов с одной цепи на другую.

Тем не менее, коэффициент теплопроводности обычных сопряженных полимеров, как и у полиэтилена и других полимеров без системы сопряжения в главной цепи, составляет небольшую величину — все те же 0,2 Вт/(К×м). Предполагается, что это связано со значительным рассеиванием тепловых фононов из-за низкой упорядоченности цепей в полимере, вызванной их неправильной формой, переплетением и другими дефектами (T. Zhang et al., 2014. Polymer Nanofibers with Outstanding Thermal Conductivity and Thermal Stability: Fundamental Linkage between Molecular Characteristics and Macroscopic Thermal Properties).

В обсуждаемой работе для создания теплопроводного полимера использовался способ, позволяющий одновременно сформировать и химические связи цепочек полимера, и нехимические межмолекулярные взаимодействия: связывание находящихся по соседству друг с другом полимерных цепей силами, прочность которых меньше прочности химических связей (силами Ван-дер-Ваальса, π-π стэкинг-взаимодействиями и другими). Ученые попробовали получить образец полимера с высокой степенью кристалличности непосредственно в ходе синтеза из мономеров (прежние исследования, напомним, пытались тем или иным способом внести порядок в уже готовый полимер).

Проверить, сможет ли синхронное формирование молекулярной и надмолекулярной структуры полимера увеличить его теплопроводность, было решено на политиофене (см. polythiophene) — электропроводящем полимере с системой сопряжения, который сам или в виде своих производных уже несколько лет применяется для изготовления органических солнечных батарей и транзисторов.

Рис. 2. Структура политиофена. Рисунок с сайта wikimedia.org

Идея оправдала себя: теплопроводность поли(3-гексилтиофена) (производного политиофена) с высокой степенью кристалличности оказалась в десять раз лучше, чем у коммерчески доступных образцов политиофена, характеризующихся скромным внутримолекулярным порядком.

Ученые применили методику, основанную на химическом осаждении из паров. Этот метод идеально подходит для получения высокоупорядоченных полимерных цепей. В нем в качестве исходных веществ фигурируют только мономер и его окислитель, и, как результат, образец полимера отличается высокой степенью чистоты. Если полимер получать «мокрым способом» — из раствора, — молекулы растворителя могут связаться с цепью образующегося полимера, повлияв в дальнейшем на формирование его надмолекулярной структуры. (A. Asatekin et al., 2010. Designing polymer surfaces via vapor deposition)

Рис. 3. Схема получения тонкой пленки поли(3-гексилтиофена), легированной трихлоридом железа (P3HT/FeCl3). А: слева — пленку выращивают из адсорбированного из паров мономера (3-гексилтиофена) в присутствии окислителя (FeCl3), при этом растут наностержневые структуры; в середине — схема микроструктуры пленки, в которой за счет π-π стэкинг-взаимодействия образуются домены с упорядоченными цепями (затенение синим и красным, в этих доменах цепи полимеров не могут искажаться); справа — при полимеризации мономера в присутствии FeCl3 образуются способные к теплопередаче фрагменты с хиноидной структурой. B: слева — промывка метанолом удаляет избыток окислителя (FeCl3), удаляя из структуры полимера часть легирующих добавок, в результате получается тонкая пленка P3HT; в середине: схема микроструктуры пленки после частичного удаления FeCl3, домены с упорядоченными цепями (затенение красным) также образуются за счет π-π стэкинг-взаимодействия; справа — после удаления трихлорида железа хиноидные структуры полимера превращаются в более упорядоченные ароматические. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

В вакуумную камеру вводили пары мономера (3-гексилтиофена) и окислителя (FeCl3), происходила физическая адсорбция мономеров и окислителей на охлажденной подложке, после чего начиналась полимеризация адсорбированных мономеров и рост цепей политиофена за счет окислительного сочетания мономеров в макромолекулярные ассоциаты. Используя такой подход, исследователям удалось вырастить тонкие пленки поли(3-гексилтиофена) (P3HT) при 45° и 85°C. Необычно, что скорость образования полимера оказалась выше при более низкой температуре, но это объяснимо: определяющим фактором для образования полимера является скорость адсорбции мономеров и окислителя, которая выше при более низкой температуре подложки. Важно и то, что окислители, адсорбированные на подложке, способствовали образованию не только молекулярной структуры полимера, но и надмолекулярной: легирование политиофена трихлоридом железа приводило к стабилизации хиноидных структур, в которых двойная связь углерод-углерод связывает два тиофеновых фрагмента, «фиксируя» параллельную ориентацию этих колец. Наличие в полимере хиноидных структур, подтвержденное с помощью спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой области спектра, является важным фактором, способствующим увеличению теплопроводности материала. Хиноидные структуры удлиняют систему сопряжения в полимере, а также обеспечивают параллельную ориентацию полимерных нитей, необходимую для формирования π-π стэкинг-взаимодействий между различными нитями полимера. Метод, предложенный исследователями, позволил получить пленки политиофена с высокой степенью упорядоченности как на молекулярном, так и на надмолекулярном уровне. Поэтому теплоперенос в них изотропен.

Теплопроводность полученного политиофена исследовали следующим образом. Полимерную пленку наносили на алюминиевую фольгу, которую потом нагревали и измеряли скорость изменения температуры поверхности полимера. У пленки, выращенной при 45°C, максимальный коэффициент теплопроводности равен 2,2 В/(К×м). У пленки, выращенной при 85°C, максимальная теплопроводность, тем не менее, остается на уровне обычных полимеров (около 0,25 В/(К×м)). Исследователи предполагают, что это связано с тем, что при более высокой температуре тепловое движение сегментов полимера затрудняет формирование упорядоченной молекулярной структуры.

Рис. 4. Зависимость теплопроводности пленок политиофена от температуры подложки (алюминиевой фольги). Зеленые точки соответствуют пленке, выращенной при 45°C. Ее максимальная теплопроводность составляет 2,2 В/ (К×м). У пленки, выращенной при 85°C (красные квадраты), теплопроводность на уровне обычных полимеров. Каждое значение получено усреднением двадцати измерений. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

В планах ученых дальнейшее изучение фундаментальных физических процессов, лежащих в основе переноса тепла в полимерных материалах, а также попытки применения метода химического осаждения паров для получения образцов других полимеров с сопряженными кратными связями, способных выступать проводниками тепла. Они надеются, что этот метод получится масштабировать и внедрить в производство.

Ссылка на основную публикацию
Тент для прицепа на легковой автомобиль как сшить своими руками — Журнал Alumdevelop
Как пошить и установить тент на легковой прицеп Современные материалы, из которых сегодня производятся тенты, отличаются высокой прочностью и, если...
Сцепление автомобиля виды, устройство и принцип работы
Как работает сцепление, каковы его типичные неисправности, и как их избежать - – автомобильный журна Важным элементом механической трансмиссии является...
Сцепление автомобиля назначение и устройство
Основные неисправности автомобиля Главная Ремонт квартиры Евроремонт Советы сантехнику Работа с плиткой Мелкий ремонт в квартире Дачный вопрос Работа с...
Теория музыки построение аккордов, изменение тональности
Теория музыки построение аккордов, изменение тональности В прошлых уроках мы с вами уже изучили достаточно материала для того, чтобы приступить...
Adblock detector