Thermal Properties of Colloidal Structured Materials

Titelangaben

Neuhöfer, Anna M.:
Thermal Properties of Colloidal Structured Materials.
Bayreuth , 2022 . - xxii, 266 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Thermal management plays a huge role in our everyday life. It is crucial in a wide range of applications, e.g., for developing insulating materials for buildings or aerospace components, and more sophisticated materials that can direct the heat flow for energy storage technologies. The requirements for the materials are increasing steadily, and new materials have to be developed. An important parameter is the size range of the device. Since electronic devices are getting smaller, the thermal management material needs to be functional at nano- and microscales. Therefore, it is necessary to develop a detailed understanding of the structure-property relationships of the thermal management material. In this thesis, the thermal properties of different nanoscopic materials and their superstructures have been examined. The main target was to understand and control the thermal transport of colloidal structures, focusing on their insulating properties. Solid and hollow silica and hollow titania particles have been used as colloidal building bricks. The first achievement of this thesis was the synthesis of titania hollow particles in the sub-micrometer size range. Three necessary steps have been elaborated: synthesis and functionalization of polystyrene template particles , growth of the shells - including an aging step , and the calcination parameters. Following these steps, it was possible to fabricate titania hollow particles in a simple, scalable, and reproducible way. Titania material is known for its optical properties since it strongly absorbs light in the wavelength region between 1-8 µm. Therefore, it is used in thermal insulation applications to suppress thermal radiation at elevated temperatures. In contrast, silica material is optically transparent in the region between 1-5 µm and consequently strongly affected by thermal radiation. Colloidal superstructures from solid and hollow silica particles in the sub-micrometer size range have been characterized using light-flash analysis. The transition from conduction-dominated to radiation-dominated thermal transport mechanism was observed and described in the temperature range from 25 to 925°C, using an extended existing analytical framework. The results provide a better understanding of the challenges of fabricating and analyzing efficient high-temperature insulation materials. At room temperature, silica hollow particle materials are highly insulating. To extend pre-existing knowledge about the structure-property relationship, the thermal properties of binary colloidal assemblies of 500 and 900 nm of solid and hollow silica particles have been studied. It was found that especially for hollow particles, the influence of the particle size exceeds the effect of binary mixtures, and a thermal conductivity of 20 mW/mK in vacuum was achieved. Thermal characterization often requires information about the material specific heat coefficient. Especially when new materials are thermally characterized, characterization via DSC is essential. With my knowledge about this technique, I contributed to several further projects. While the former projects were based on inorganic materials, also organic and organic-inorganic composite materials are characterized in the second part of this thesis. The first project was on ampholytic polymers. This unique class of polymers exhibits a hydrogen bond donor and acceptor group per repetition unit and therefore has a high functional group density. Four different ampholytic polymers have been investigated using infrared spectroscopy and the photoacoustic method. It was proven that the thermal conductivity increased with increasing hydrogen bond strength in the polymer. I supported this project by applying modulated DSC measurements to determine the glass transition temperatures of the polymers in the humid state. In the remaining two projects, the anisotropic thermal properties of two-dimensional Bragg stacks were investigated. Bragg stacks consist of aligned nanoplatelets with in-plane dimensions in the micrometer regime, while the thickness in cross-plane direction is only a few nanometers. As platelets, hectorite and graphene oxide have been used. The in-plane thermal conductivity was significantly higher than the cross-plane thermal conductivity for both materials. The in-plane thermal conductivity of the hectorite stacks was found to be higher as in the graphene oxide stacks. Consequently, the overall anisotropy ratio was 2- to 3-fold higher. In a more advanced study, hectorite platelets have been layered with polyvinylpyrrolidone (PVP) with extreme polymer confinement and perfect periodicity. Increasing PVP volume fractions led to basal spacing in the range from 1.9 to 3.8 nm. The dominating influence of the PVP-hectorite interfaces led to a drastic drop of the cross-plane thermal conductivity of 0.09 W/mK compared to the pure materials 0.17 W/mK for PVP and 5.71 W/mK for hectorite. Overall, the structural perfection of these samples led to an exceptionally high thermal conductivity anisotropy. I provided both projects with all necessary DSC measurements to determine the specific heat of all materials and composites. This thesis shows the beauty of “playing” with colloidal building bricks, extending the number of accessible materials and structures. Understanding the thermal structure-property relationship helps create tailored thermal management materials. In the future, this research may help solve thermal challenges, such as insulation applications and heat sinks in electronic devices.

Abstract in weiterer Sprache

Thermische Eigenschaften von kolloidal strukturierten Materialien Wärmemanagement spielt in unserem täglichen Leben eine große Rolle. Es ist für eine Vielzahl von Anwendungen von entscheidender Bedeutung, z. B. für die Entwicklung von Isoliermaterialien für Gebäude oder Bauteile in der Luft- und Raumfahrt, wärmeleitende Materialien für Wärmesenken und anspruchsvollere Materialien, die den Wärmestrom für Energiespeichertechnologien lenken können. Die Anforderungen an die Materialien steigen stetig, weshalb neue Materialien entwickelt werden müssen. Dabei ist ein wichtiger Parameter der Größenbereich der Geräte. Da die elektronischen Geräte immer kleiner werden, muss das Material für das Wärmemanagement auf Nano- und Mikroebene anwendbar sein. Daher ist es notwendig, ein detailliertes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen des Wärmemanagementmaterials zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden die thermischen Eigenschaften verschiedener nanoskopischer Materialien und ihrer Überstrukturen untersucht. Das Hauptziel bestand darin, den Wärmetransport von kolloidalen Strukturen zu verstehen und zu kontrollieren, wobei der Schwerpunkt auf ihren isolierenden Eigenschaften lag. Siliziumdioxid Voll- und Hohlkugeln und Titandioxid Hohlkugeln wurden als kolloidale Bausteine verwendet. Das erste Ergebnis dieser Arbeit war die Synthese von hohlen Titandioxid Hohlkugeln im Submikrometerbereich. Drei notwendige Schritte wurden ausgearbeitet: Synthese und Funktionalisierung von Polystyrol-Templatpartikeln (1), das Wachstum der Schalen - einschließlich eines Alterungsschritts (2) - und die Kalzinierungsparameter (3). Nach diesen Schritten war es möglich, Titandioxid-Hohlkugeln auf einfache, skalierbare und reproduzierbare Weise herzustellen. Titandioxid ist für seine optischen Eigenschaften bekannt, da es Licht im Wellenlängenbereich zwischen 1 und 8 µm stark absorbiert. Daher wird es eingesetzt, um radiativen Wärmetransport in Dämmmaterialien bei hohen Temperaturen zu unterdrücken. Im Gegensatz dazu ist Siliziumdioxid im Wellenlängenbereich von 1 – 5 µm optisch transparent und daher stark von radiativem Wärmetransport betroffen. Kolloidale Überstrukturen aus Siliziumdioxid Voll- und Hohlkugeln im Submikrometerbereich wurden mit Hilfe der Laser Flash Analyse charakterisiert. Der Übergang vom leitungsdominierten zum strahlungsdominierten Wärmetransportmechanismus wurde im Temperaturbereich von 25 bis 925 °C. beobachtet und beschrieben, wobei eine erweiterte bestehende analytische Methode verwendet wurde. Die Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der Herausforderungen bei der Herstellung und Analyse von effizienten Hochtemperaturisolationsmaterialien. Bei Raumtemperatur sind Siliziumdioxid-Hohlkörpermaterialien hoch isolierend. Um das bereits vorhandene Wissen über die Struktur-Eigenschafts-Beziehung zu erweitern, wurden die thermischen Eigenschaften von binären kolloidalen Anordnungen von 500 und 900 nm festen und hohlen Siliziumdioxidpartikeln untersucht. Es wurde festgestellt, dass insbesondere bei Hohlpartikel der Einfluss der Partikelgröße die Wirkung von binären Mischungen übertrifft und eine Wärmeleitfähigkeit von 20 mW/mK im Vakuum erreicht wurde. Für die thermische Charakterisierung sind häufig Informationen über den spezifischen Wärmekoeffizienten erforderlich. Insbesondere wenn neue Materialien thermisch charakterisiert werden, ist die Charakterisierung mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (eng. differential scanning calorimetry, DSC) unerlässlich. Mit meinem Wissen über diese Technik habe ich zu mehreren weiteren Projekten beigetragen. Während sich die ersten Projekte auf anorganische Materialien bezogen, werden im zweiten Teil dieser Arbeit auch organische und organisch-anorganische Verbundmaterialien charakterisiert. Das erste Projekt befasste sich mit ampholytischen Polymeren. Diese einzigartige Klasse von Polymeren weist eine Wasserstoffbrückenbindungs-Donor- und -Akzeptorgruppe pro Wiederholungseinheit auf und verfügt daher über eine hohe Dichte an funktionellen Gruppen. Vier verschiedene ampholytische Polymere wurden mittels Infrarotspektroskopie und der photoakustischen Methode untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen im Polymer zunimmt. Aufgrund der funktionellen Gruppen wurden die Eigenschaften der Polymere durch Feuchtigkeit beeinflusst. Die resultierenden Eigenschaften konnten durch Mischungsmodelle gut erklärt werden. Ich unterstützte dieses Projekt, indem ich modulierte DSC-Messungen durchführte, um die Glasübergangstemperaturen der Polymere im feuchten Zustand zu bestimmen. In den beiden anderen Projekten wurden die anisotropen thermischen Eigenschaften von zweidimensionalen Bragg-Stapeln untersucht. Bragg-Stapel bestehen aus ausgerichteten Nanoplättchen, deren Abmessungen in der Ebene im Mikrometerbereich liegen, während die Dicke in Richtung der Querebene nur wenige Nanometer beträgt. Als Plättchen wurden Hectorit und Graphenoxid verwendet. Die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene war bei beiden Materialien deutlich höher als die Wärmeleitfähigkeit in der Querebene. Die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene der Hektoritstapel war höher als die der Graphenoxidstapel. Folglich war das Gesamtanisotropieverhältnis um das 2- bis 3-fache höher. In einer weiterführenden Studie wurden Hektoritplättchen mit Polyvinylpyrrolidon (PVP) mit extremem Polymereinschluss und perfekter Periodizität geschichtet. Zunehmende PVP-Volumenanteile führten zu Basalabständen im Bereich von 1.9 bis 3.8 nm. Der dominierende Einfluss der PVP-Hektorit-Grenzflächen führte zu einem drastischen Rückgang der Wärmeleitfähigkeit über die Ebene von 0.09 W/mK im Vergleich zu den reinen Materialien 0.17 W/mK für PVP und 5.71 W/mK für Hektorit. Ein klassisches paralleles Mischmodell konnte die thermischen Eigenschaften in der Ebene beschreiben, einschließlich Dichte, spezifischer Wärme und Wärmeleitfähigkeit. Insgesamt führte die strukturelle Perfektion dieser Proben zu einer außergewöhnlich hohen Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit. Für beide Projekte habe ich alle erforderlichen DSC-Messungen durchgeführt, um die spezifische Wärmekapazität aller Materialien und Verbundstoffe zu bestimmen. Diese Arbeit zeigt, wie schön es ist, mit kolloidalen Bausteinen zu „spielen“ und so die Zahl der zugänglichen Materialien und Strukturen zu erweitern. Das Verständnis der thermischen Struktur-Eigenschafts-Beziehung hilft bei der Entwicklung maßgeschneiderter Materialien für das Wärmemanagement. In Zukunft könnte diese Forschung dazu beitragen, thermische Herausforderungen zu lösen, z. B. bei Isolationsanwendungen und Wärmesenken in elektronischen Geräten.