Study of the thermal conductivity of bulk and micronized nanocellular polymers

Abstract

The lack of knowledge regarding the thermal conductivity of nanocellular polymers has motivated this thesis. The main objective is the study of the thermal conductivity of nanocellular polymers. To achieve this goal, the following secondary objectives are fixed: Measuring the thermal conductivity of nanocellular polymers with steady-state methods. To achieve this goal, two routes will be followed; understanding the heat transfer mechanisms taking place in nanocellular polymers, evaluating their potential and limitations; and enhancing the thermal insulation behavior of nanocellular polymers by means of a new route based on micronization.

To achieve these goals, the thermal conductivity of microcellular and nanocellular poly (methyl methacrylate) (PMMA) has been investigated. PMMA has been chosen as the polymer matrix due to its high ability to produce low-density nanocellular materials. First, the method for measuring the thermal conductivity in steady-state conditions is established. Second, the thermal conductivity is studied for bulk nanocellular polymers based on PMMA, both experimentally and theoretically, to understand the heat transfer mechanisms. Then, the material will be micronized to generate a new material: a micronized nanocelullar powder, which is studied in detail. The analysis of this novel material will also include a detailed characterization of the thermal conductivity of the powder and the possibility of compacting the material to generate vacuum insulation panel’s (VIP) core prototypes, as well as the optimization of the thermal conductivity by adding infrared blockers.

Taking into account the general objectives and the methodology of this work, the following activities have been carried out: 1-Preparing low-density nanocellular polymers with large dimensions suitable to be measured in conventional steady-state machines. 2-Characterizing the thermal conductivity of insulating samples with small dimensions. 3-Analyzing the thermal conductivity of bulk microcellular and nanocellular PMMA- 4-Producing and characterizing micronized microcellular and nanocellular PMMA. 5-Fabricating and analyzing self-standing compacted panels based on micronized microcellular and nanocellular PMMA. 6-Evaluating the performance of the compacted panels as VIP core materials. 7-Optimizing the performance of the panels by adding IR blockers.

Thus, it was possible to measure the thermal conductivity of nanocellular polymers using reliable techniques and use the results to understand in detail the heat transfer mechanisms in the bulk materials and model their thermal conductivity. Then, the thermal insulation behavior was enhanced using the main novelty of this thesis: the micronization of nanocellular polymers to give rise to a new material, that can be compacted in self-standing panels too. The micronized and compacted materials were studied in detail to understand the heat transfer mechanisms and develop models to predict their behavior. Quite promising results were obtained in the compacted panels, with minimum conductivities of 10.7 mW/(m·K) under vacuum and as low as 9.6 mW/(m·K) when infrared blockers were added.

La falta de conocimiento sobre la conductividad térmica de los polímeros nanocelulares ha motivado esta tesis. El objetivo principal de esta tesis ha sido el estudio de la conductividad térmica de polímeros nanocelulares. Para lograr este fin, se han fijado los siguientes objetivos secundarios: medición de la conductividad térmica de polímeros nanocelulares con métodos de estado estacionario; análisis de los mecanismos de transferencia de calor que tienen lugar en polímeros nanocelulares, evaluando su potencial y limitaciones; y mejora del aislamiento térmico proporcionado por los polímeros nanocelulares mediante una nueva ruta basada en la micronización.

Para lograr estos objetivos, se ha investigado la conductividad térmica de polimetilmetacrilato (PMMA) microcelular y nanocelular. Se ha elegido PMMA como matriz polimérica debido a su alta capacidad para producir materiales nanocelulares de baja densidad. En primer lugar, se ha establecido el método para medir la conductividad térmica en condiciones estacionarias. En segundo lugar, se ha estudiado la conductividad térmica de polímeros nanocelulares en forma de placa basados en PMMA tanto experimental como teóricamente para comprender los mecanismos de transferencia de calor. Luego, el material ha sido micronizado para generar un nuevo material: un polvo nanocelular micronizado, que ha sido estudiado en detalle. El análisis de este novedoso material también incluye una caracterización detallada de la conductividad térmica del polvo y la posibilidad de compactar el material para generar prototipos para su uso como core de paneles de aislamiento de vacío (VIP), así como la optimización de la conductividad térmica mediante la adición de bloqueadores de infrarrojos.

Teniendo en cuenta los objetivos generales y la metodología de este trabajo, se han llevado a cabo las siguientes actividades: 1-Preparación de polímeros nanocelulares de baja densidad con grandes dimensiones adecuados para ser medidos en equipos de estado estacionario comerciales. 2-Caracterización de la conductividad térmica de muestras aislantes de pequeñas dimensiones. 3-Análisis de la conductividad térmica del PMMA microcelular y nanocelular en forma de placa. 4-Producción y caracterización de PMMA microcelular y nanocelular micronizado. 5-Fabricación y análisis de paneles compactados basados en PMMA microcelular y nanocelular micronizado. 6-Evaluación del potencial de los paneles compactados como core de VIPs. 7-Optimización de los sistemas basados en PMMA microcelular y nanocelular micronizado mediante la adición de bloqueadores de infrarrojos

Así, ha sido posible medir la conductividad térmica de polímeros nanocelulares utilizando técnicas confiables y usar los resultados para comprender en detalle los mecanismos de transferencia de calor en los materiales en forma de placa y modelar su conductividad térmica. Luego, se ha mejorado el aislamiento térmico proporcionado por los polímeros nanocelulares gracias a la principal novedad de esta tesis: la micronización de polímeros nanocelulares para dar lugar a un nuevo material, a partir del cual se pueden producir paneles compactados. Los materiales micronizados y compactados fueron estudiados en detalle para comprender también los mecanismos de transferencia de calor y desarrollar modelos para predecir su conductividad térmica. Se han obtenido resultados bastante prometedores en los paneles compactados, con conductividades mínimas de 10.7 mW/(m·K) en vacío y tan bajas como 9.6 mW/(m·K) cuando se añadieron bloqueadores de infrarrojos.