Fibras vegetales para dispositivos sostenibles: la investigación sobre las propiedades térmicas de las nanofibras de celulosa arroja resultados sorprendentes

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El aparato para crear CNF termoconductor utilizando CNF desorganizado, agua y ácido clorhídrico (izquierda). Un gráfico que muestra cómo cambia la conductividad térmica de la muestra con su diámetro. (Correcto).

CRÉDITO
©2022 Shiomi et al.

Abstracto:
Los materiales derivados de plantas, como la celulosa, a menudo exhiben 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 basados en celulosa tienen beneficios ambientales sobre los polímeros, por lo que la investigación sobre esto podría conducir a aplicaciones tecnológicas más ecológicas donde se necesita 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 4 de noviembre de 2022

La celulosa es un componente estructural clave de las paredes celulares de las plantas y es la razón por la cual los árboles pueden crecer hasta tales alturas. 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 un buen reemplazo de los materiales basados en polímeros, como los plásticos, que pueden ser perjudiciales 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 hallazgos muestran que estos materiales podrían ser aún más útiles.

“Si ve materiales derivados de plantas como la celulosa o la biomasa leñosa que se utilizan en las aplicaciones, lo que se emplea normalmente son propiedades mecánicas o de aislamiento térmico”, dijo Shiomi. “Sin embargo, cuando exploramos las propiedades térmicas de un hilo hecho de CNF, encontramos que muestran un tipo diferente de comportamiento térmico, conducción térmica, y es muy significativo, alrededor de 100 veces mayor que la típica biomasa leñosa o papel de celulosa. ”

La razón por la cual el hilo hecho de CNF puede conducir el calor tan bien se debe a la forma en que está hecho. Las fibras de celulosa en la naturaleza están muy desorganizadas, pero un proceso llamado método de enfoque de flujo combina fibras de celulosa, orientándolas de la misma manera, para crear CNF. Es este haz de fibras en forma de varilla estrechamente unido y alineado lo que permite que el calor se transfiera a lo largo del haz, mientras que en una estructura más caótica disiparía el calor más fácilmente.

“Nuestro principal desafío era cómo medir la conductividad térmica de muestras físicas tan pequeñas y con gran precisión”, dijo Shiomi. “Para esto, recurrimos a una técnica llamada medición de conductividad térmica tipo T. Nos permitió medir la conductividad térmica de las muestras de hilo CNF en forma de varilla que tienen solo micrómetros (un micrómetro que equivale a una milésima de milímetro) de diámetro. Pero el siguiente paso para nosotros es realizar pruebas térmicas precisas en muestras bidimensionales similares a textiles”.

Shiomi y su equipo esperan que su investigación y futuras exploraciones sobre el uso de CNF como material térmicamente conductor puedan brindar a los ingenieros una alternativa a algunos polímeros dañinos para el medio ambiente. En aplicaciones donde la transferencia de calor es importante, como ciertos componentes electrónicos o informáticos, podría reducir en gran medida las consecuencias de los equipos electrónicos desechados o desechos electrónicos, gracias a la naturaleza biodegradable de CNF y otros materiales de origen vegetal.

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