Onderweg opladen: innovatieve kleding die warmte omzet in elektriciteit
Naarmate draagbare apparaten en het internet der dingen groeien, wordt een duurzame oplossing voor het voeden van draadloze apparaten en sensoren steeds belangrijker. Er kunnen thermo-elektrische generatoren worden gebruikt die afvalwarmte omzetten in elektriciteit. Een onderzoeksteam onder leiding van Masakazu Nakamura van het Nara Institute of Science and Technology (NAIST) in Japan werkt aan flexibele, draagbare thermo-elektrische generatoren. Dit wordt gedaan met behulp van koolstofnanobuisjes (CNT’s) die in de stof zijn genaaid.
Effectieve thermo-elektrische materialen creëren een spanning door temperatuurverschillen. Koolstofnanobuizen voldoen aan de meeste eisen. Hun flexibiliteit en hoge mechanische sterkte maken ze ook tot een veelbelovende toepassing. De hoge thermische geleidbaarheid van CNTs beperkt echter hun thermo-elektrische prestaties. Om de thermische geleidbaarheid te verminderen, worden de buisjes gedispergeerd in een oplossing en gecombineerd met andere materialen. Het resulterende materiaal wordt gebruikt om garens te maken door middel van het natspinproces. Bij conventionele dispersiemethoden raken nanometerdikke filamenten echter vaak verstrikt, waardoor hun elektrische geleidbaarheid en thermo-elektrische prestaties afnemen.
In een onderzoek gepubliceerd in ACS Applied Nano Materials heeft Nakamura, samen met promovendus An N. Nguyen en andere NAIST-vertegenwoordigers ontwikkelden een nieuwe methode om CNT’s te dispergeren. Door gebruik te maken van glycerine als dispergeermiddel en polyoxyethyleen(50) stearylether als oppervlakte-actieve stof (gebruikt om de spreidende en bevochtigende eigenschappen van de vloeistof te verbeteren), hebben de onderzoekers een stof geproduceerd die acceptabel is voor gebruik.
“We introduceren een goedkope, snelle en milieuvriendelijke methode voor het ontwikkelen van flexibele, draagbare thermo-elektrische apparaten van stof,” zegt Nakamura.
Glycerine heeft een hoge viscositeit, waardoor het een uitstekend medium is voor uniforme dispersie, en de oppervlakteactieve stof voorkomt de ophoping van CNT’s in de dispersie. Oppervlakteactieve stoffen met oxyethyleengroepen voorkomen ook warmteoverdracht.
De concentratie van de oppervlakteactieve stof is cruciaal omdat deze zowel de thermische als de elektrische geleiding van de dispersie beïnvloedt. Het proces, dat slechts drie uur duurde en waarbij milieuvriendelijke chemicaliën werden gebruikt, produceerde een CNT-garen met goed uitgelijnde bundels van 8 nm diameter met een oppervlakteactieve stof ertussen. Het uitlijnen van CNTs verhoogt zowel de elektrische als de thermische geleidbaarheid. Door echter oppervlakte-actieve moleculen tussen de stralen te plaatsen, konden de onderzoekers de warmteoverdracht onderdrukken. De voorgestelde nieuwe benadering is dus veelbelovend voor het verbeteren van de thermo-elektrische eigenschappen van koolstofnanobuizen en materialen die ervan gemaakt zijn, van filamenten tot films en bulkstructuren.
