From Fibers to 3D Architectures : How Structural Hierarchies Affect Heat Transport

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Klein, Ina:
From Fibers to 3D Architectures : How Structural Hierarchies Affect Heat Transport.
Bayreuth , 2026 . - xiii, 137 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The transport of heat is part of our everyday life, whether we warm our hands at a bonfire, blow dry our hair, or fry an egg for breakfast. However, in many cases heat does not voluntarily go where it is needed. Instead, thermal energy is often even a harmful byproduct. Considering current trends, such as global warming and miniaturization of electronic devices, it is evident that we must expand our knowledge of thermal transport and improve our skills in controlling it. Excess heat must be efficiently dissipated, for example from the human body or from localized hot spots in electronics. The analysis of hierarchically structured materials is of great interest in this context, as the different size scales of structural features decouple the heat transport from the overarching macroscopic architecture. Therefore, this thesis focuses on harnessing such structural hierarchies to better understand and better tune heat transport. While the sample geometries in the four projects comprising this work vary from one-dimensional fibers to two-dimensional membranes and films to three dimensional architectures, they are all linked by establishing a relationship between the structural hierarchies and thermal transport properties. In the first of the four projects, self-assembled fibers of benzene-1,3,5-tricarboxamide (BTA) molecules were investigated. By successfully determining their thermal diffusivity along the fiber axis, this work provided an excellent opportunity to examine how heat propagates through purely non-covalent interactions. Based on the systematic study of a series of BTAs with varying side groups, the thermal transport properties were set into context of the BTA molecular structures. Moreover, an initial assessment of the intermolecular bonding strengths within the fibers provided valuable insight into the factors that govern supramolecular thermal transport. The second project transitions from individual fibers to fiber networks, examining the effects of anisotropy, post-processing treatments, and functionalization on thermal transport in nonwovens. By comparing the thermal diffusivity of cold-pressed and annealed membranes with different degrees of fiber alignment, we determined that increasing structural anisotropy enhances thermal anisotropy only to a certain extent. Our results highlight the crucial role of the size and quality of fiber–fiber contacts. Furthermore, we demonstrated that incorporating highly conductive fillers is ineffective when other conduction bottlenecks remain, and uncovered an intriguing contrast in the response of electrical and thermal transport to structural anisotropy. Shifting from the fundamentally oriented studies to more applied systems, the third project investigates thermal transport in a copolymer of propylene and ethylene (racoPP), a material widely used in industry. The influence of injection- and compression-molding, as well as BTA additives, on the structural and thermal transport properties was analyzed. During processing, the BTA molecules self-assemble, and the resulting fibrils can align with the flow direction, providing oriented nucleation sites for anisotropic crystal growth of the polymer. Despite these structural dependencies, the thermal transport properties proved highly resilient to both nucleating agents and processing conditions. In contrast to this resilience, the fourth project explores a system where thermal transport is deliberately governed by structure. We achieved macroscopic control of crystallite orientation in a fully recyclable all-PE material, enabling tunable, directional thermal transport. During extrusion-based 3D printing, extended-chain nanocrystals were formed. These fiber-like shish structures enable continuous thermal transport along the print direction. We found that the resulting anisotropy in thermal diffusivity depends on the printing parameters and can be used to control temperature distributions in two- and three-dimensional specimens by defining the print directions accordingly. This project therefore offers a promising contribution to sustainable thermal management applications. Overall, this thesis examines thermal transport from multiple perspectives. While the projects span different sample geometries and range in focus from fundamental questions to application-oriented investigations, they consistently center on the crucial role of structural hierarchies in governing heat transport.

Abstract in weiterer Sprache

Der Transport von Wärme ist Teil unseres Alltags, ob wir uns an einem Lagerfeuer die Hände wärmen, uns die Haare föhnen oder ein Ei zum Frühstück braten. Jedoch gelangt Wärme in vielen Fällen nicht freiwillig dorthin, wo sie benötigt wird. Vielmehr stellt thermische Energie oft sogar ein schädliches Nebenprodukt dar. Angesichts aktueller Entwicklungen wie der globalen Erderwärmung und der Miniaturisierung elektronischer Geräte ist es offensichtlich, dass wir unser Wissen über den Wärmetransport erweitern und unsere Fähigkeiten zu dessen Steuerung verbessern müssen. Überschüssige Wärme muss effizient abgeführt werden, etwa aus dem menschlichen Körper oder aus lokalisierten Hot Spots in elektronischen Geräten. Die Analyse hierarchisch aufgebauter Materialien ist in diesem Kontext von großem Interesse, da die unterschiedlichen Größenskalen der strukturellen Einheiten den Wärmetransport von der übergeordneten makroskopischen Architektur entkoppeln. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Arbeit darauf, solche strukturellen Hierarchien zu nutzen, um den Wärmetransport besser zu verstehen und gezielter zu steuern. Während die Probengeometrien in den vier Projekte dieser Arbeit von eindimensionalen Fasern über zweidimensionale Membranen und Folien bis hin zu dreidimensionalen Architekturen variieren, sind sie alle miteinander verbunden, indem sie die strukturellen Hierarchien mit den Eigenschaften des Wärmetransports in Beziehung setzen. Im ersten der vier Projekte wurden selbstassemblierte Fasern aus Benzol-1,3,5-tricarboxamid (BTA) Molekülen untersucht. Durch die erfolgreiche Bestimmung ihrer thermischen Diffusivität entlang der Faserachse bot diese Arbeit eine ausgezeichnete Gelegenheit, zu untersuchen, wie sich Wärme durch rein nicht-kovalente Wechselwirkungen ausbreitet. Basierend auf der systematischen Untersuchung einer Reihe von BTAs mit unterschiedlichen Seitengruppen wurden die Wärmetransporteigenschaften in den Kontext der molekularen BTA-Strukturen gesetzt. Darüber hinaus lieferte eine erste Einschätzung der intermolekularen Bindungsstärken innerhalb der Fasern wertvolle Einblicke in die Faktoren, die den supramolekularen Wärmetransport bestimmen. Das zweite Projekt geht vom Studium einzelner Fasern zu Fasernetzwerken über und untersucht die Auswirkungen von Anisotropie, Nachbehandlungen und Funktionalisierung auf den Wärmetransport in Vliesstoffen. Durch den Vergleich der thermischen Diffusivität von kaltgepressten und getemperten Membranen mit unterschiedlichen Faserorientierungen stellten wir fest, dass eine zunehmende strukturelle Anisotropie die thermische Anisotropie nur bis zu einem gewissen Grad verstärkt. Unsere Ergebnisse betonen die entscheidende Rolle der Größe und Qualität der Faser-Faser-Kontakte. Des Weiteren zeigten wir, dass die Einarbeitung von hochleitfähigen Füllstoffen ineffektiv ist, solange andere Limitierungen für die Wärmeleitung bestehen und deckten einen interessanten Kontrast im Verhalten des elektrischen und thermischen Transports bei struktureller Anisotropie auf. Der Transport von Wärme ist Teil unseres Alltags, ob wir uns an einem Lagerfeuer die Hände wärmen, uns die Haare föhnen oder ein Ei zum Frühstück braten. Jedoch gelangt Wärme in vielen Fällen nicht freiwillig dorthin, wo sie benötigt wird. Vielmehr stellt thermische Energie oft sogar ein schädliches Nebenprodukt dar. Angesichts aktueller Entwicklungen wie der globalen Erderwärmung und der Miniaturisierung elektronischer Geräte ist es offensichtlich, dass wir unser Wissen über den Wärmetransport erweitern und unsere Fähigkeiten zu dessen Steuerung verbessern müssen. Überschüssige Wärme muss effizient abgeführt werden, etwa aus dem menschlichen Körper oder aus lokalisierten Hot Spots in elektronischen Geräten. Die Analyse hierarchisch aufgebauter Materialien ist in diesem Kontext von großem Interesse, da die unterschiedlichen Größenskalen der strukturellen Einheiten den Wärmetransport von der übergeordneten makroskopischen Architektur entkoppeln. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Arbeit darauf, solche strukturellen Hierarchien zu nutzen, um den Wärmetransport besser zu verstehen und gezielter zu steuern. Während die Probengeometrien in den vier Projekte dieser Arbeit von eindimensionalen Fasern über zweidimensionale Membranen und Folien bis hin zu dreidimensionalen Architekturen variieren, sind sie alle miteinander verbunden, indem sie die strukturellen Hierarchien mit den Eigenschaften des Wärmetransports in Beziehung setzen. Im ersten der vier Projekte wurden selbstassemblierte Fasern aus Benzol-1,3,5-tricarboxamid (BTA) Molekülen untersucht. Durch die erfolgreiche Bestimmung ihrer thermischen Diffusivität entlang der Faserachse bot diese Arbeit eine ausgezeichnete Gelegenheit, zu untersuchen, wie sich Wärme durch rein nicht-kovalente Wechselwirkungen ausbreitet. Basierend auf der systematischen Untersuchung einer Reihe von BTAs mit unterschiedlichen Seitengruppen wurden die Wärmetransporteigenschaften in den Kontext der molekularen BTA-Strukturen gesetzt. Darüber hinaus lieferte eine erste Einschätzung der intermolekularen Bindungsstärken innerhalb der Fasern wertvolle Einblicke in die Faktoren, die den supramolekularen Wärmetransport bestimmen. Das zweite Projekt geht vom Studium einzelner Fasern zu Fasernetzwerken über und untersucht die Auswirkungen von Anisotropie, Nachbehandlungen und Funktionalisierung auf den Wärmetransport in Vliesstoffen. Durch den Vergleich der thermischen Diffusivität von kaltgepressten und getemperten Membranen mit unterschiedlichen Faserorientierungen stellten wir fest, dass eine zunehmende strukturelle Anisotropie die thermische Anisotropie nur bis zu einem gewissen Grad verstärkt. Unsere Ergebnisse betonen die entscheidende Rolle der Größe und Qualität der Faser-Faser-Kontakte. Des Weiteren zeigten wir, dass die Einarbeitung von hochleitfähigen Füllstoffen ineffektiv ist, solange andere Limitierungen für die Wärmeleitung bestehen und deckten einen interessanten Kontrast im Verhalten des elektrischen und thermischen Transports bei struktureller Anisotropie auf. Übergehend von den grundlagenorientierten Studien zu stärker anwendungsorientierten Systemen, untersucht das dritte Projekt den Wärmetransport in einem Copolymer aus Propylen und Ethylen (racoPP), einem Material, das in der Industrie weit verbreitet ist. Die Einflüsse von Spritzguss- und Formpress-Prozessen sowie von BTA-Additiven auf die strukturellen Eigenschaften und die thermischen Transporteigenschaften wurden analysiert. Während der Verarbeitung assemblieren sich die BTA-Moleküle, und die entstehenden Fibrillen können sich mit der Flussrichtung ausrichten, was orientierte Keime für das anisotrope Kristallwachstum des Polymers liefert. Trotz dieser strukturellen Abhängigkeiten erwiesen sich die Wärmetransporteigenschaften als sehr widerstandsfähig sowohl gegenüber den Keimbildnern, als auch gegenüber den Verarbeitungsbedingungen. Im Gegensatz zu dieser Widerstandsfähigkeit untersucht das vierte Projekt ein System, in dem der Wärmetransport gezielt durch die Struktur gesteuert wird. Wir erreichten makroskopische Kontrolle der Kristallitorientierung in einem vollständig recycelbaren PE-Material und konnten so einen gerichteten, steuerbaren Wärmetransport realisieren. Während des extrusionsbasierten 3D-Drucks entstanden Nanokristalle aus gestreckten Polymerketten. Diese faserähnlichen Shish-Strukturen ermöglichen einen kontinuierlichen Wärmetransport entlang der Druckrichtung. Wir stellten fest, dass die resultierende Anisotropie der thermischen Diffusivität von den Druckparametern abhängt und zur Steuerung von Temperaturverteilungen in zwei- und dreidimensionalen Proben genutzt werden kann, indem die Druckrichtungen entsprechend festgelegt werden. Dieses Projekt leistet somit einen vielversprechenden Beitrag zu nachhaltigen Wärmemanagement-Anwendungen. Insgesamt untersucht diese Arbeit den Wärmetransport aus verschiedenen Blickwinkeln. Während die Projekte unterschiedliche Probengeometrien umfassen und sich im Fokus von grundlegenden Fragen bis hin zu anwendungsorientierten Untersuchungen erstrecken, stellen sie konsequent die entscheidende Rolle von strukturellen Hierarchien für den Wärmetransport in den Mittelpunkt.