قماش ضدآب عملکردی آئروژل: آینده محافظت بیرونی در 2 و 3 لایه

درک ساختار نانومتری و خواص آب‌گریز آئروجل

پارچه ضد آب مبتنی بر آئروژل دارای یک ساختار نانویی از جنس سیلیکا با تخلخل حدود ۹۰ درصد است که تشکیل‌دهنده‌ای از حفره‌های ریز هوا با اندازه کمتر از ۱۰۰ نانومتر می‌باشد. آنچه این ماده را ویژه می‌کند، خاصیت دافعه طبیعی آن نسبت به آب است. هنگام آزمایش، قطرات آب زاویه تماسی بالای ۱۵۰ درجه ایجاد می‌کنند که مطابق تحقیقات منتشر شده در مجله علوم مواد در سال گذشته است. این منافذ بسیار ریز از نفوذ مایعات حتی پس از قرار گرفتن مکرر در معرض آب جلوگیری می‌کنند. روکش‌های ضد آب سنتی تمایل دارند در اثر سایش یا خراشیده شدن با گذشت زمان از بین بروند، اما آئروژل خواص مقاوم در برابر آب خود را در ده‌ها تست شست‌وشوی صنعتی مطابق استاندارد ASTM D4966 حفظ می‌کند. این بدین معناست که پارچه برای مدت‌های طولانی‌تری در برابر رطوبت محافظت می‌شود و همین امر باعث شده تولیدکنندگان بسیاری از تجهیزات فعالیت‌های آزاد از این ماده به‌طور گسترده در محصولاتی که در شرایط سخت به کار می‌روند استفاده کنند.

چگونه پارچه عملکردی ضد آب آئروژل قابلیت نفوذپذیری رطوبت را به دست می‌آورد

مدیریت رطوبت توسط یک مکانیسم دو فازی فعال می‌شود:

1. عمل مویینگی از طریق منافذ به هم پیوسته ۲ تا ۳ نانومتری، مولکول‌های بخار منتقل می‌شوند
2. انتشار ترموفورتیک , که توسط اختلاف دمای گرمای بدن به وجود می‌آید
   این هماهنگی نرخ انتقال بخار رطوبت (MVTR) را در حد 8,000 تا 12,000 گرم بر مترمربع در 24 ساعت – 40٪ بالاتر از غشاهای استاندارد پلی‌اورتان دوستدار آب – فراهم می‌کند (مجله تحقیقات نساجی 2024). در محیط‌های مرطوب، آزمایش‌های میدانی کاهش 30٪‌ای در تشکیل میعان داخلی نسبت به لايه‌های سه‌گانه متداول را نشان می‌دهند.

عملکرد حرارتی پارچه‌های تیمارشده با آئروژل در شرایط سخت

آئروژل عملکرد بسیار بهتری نسبت به مواد عایق سنتی دارد:

عملکرد حرارتی استثنایی ناشی از توانایی ماده برای سرکوب انتقال حرارتی کنوکتوی از طریق ساختار نانوپور پیچیده آن است، در حالی که تابش مادون قرمز را برای به حداقل رساندن از دست دادن گرما تابش می کند.

مقایسه با غشا های ضد آب سنتی

در حالی که گور تکس بر روی منافذ مکانیکی کشیده شده (0.25 μm) متکی است ، پارچه ضد آب عملکردی هواگرل از طریق مهندسی نانو مقیاس عملکرد برتر را به دست می آورد:

• مقاومت هیدروستاتیک : 28000mm در مقابل 25000mm (ISO 811)
• تنفس پذیری : 18 درصد بالاتر MVTR در دمای زیر صفر
• پایداری شیمیایی : بدون مهاجرت پلاستیسایزر یا تخریب ناشی از هیدرولیز

در آزمایش‌های کوهنوردی در منطقه پاتاگونیا، ورقه‌های آئروژل پس از 120 روز قرارگیری مداوم در معرض عوامل محیطی، همچنان 98 درصد از مقاومت در برابر آب را حفظ کردند، در حالی که غشاهای استاندارد صنعت این مقدار را 82 درصد داشتند.

سیستم‌های دو لایه در مقابل سه لایه از بافت عایق ضدآب عملکردی آئروژل

مزایای ساختاری و قابلیت تنفس‌پذیری پیکربندی‌های دو لایه

سیستم‌های دو لایه، پارچه بیرونی را با یک ممبران آب‌گریز هوآژل خاص ترکیب می‌کنند و همچنین یک لایه روکش داخلی جداگانه دارند که به حرکت بهتر هوا کمک می‌کند. آنچه این طراحی‌ها را متمایز می‌کند، قابلیت تنفس بالای آنهاست. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که این مواد بر اساس تحقیقات منتشر شده در مجله مواد آутدور سال گذشته، حدود ۳۰ درصد سریع‌تر از مواد لایه‌ای معمولی، رطوبت را از خود خارج می‌کنند. وقتی فردی در حال انجام فعالیت‌های شدید جسمی مانند اسکی کردن تمام روز در ارتفاعات است، این رویکرد لایه‌ای عملکرد بسیار خوبی در مدیریت گرمای بدن دارد. فضای بین لایه‌ها به تبخیر عرق به‌صورت کارآمد کمک می‌کند، در حالی که همچنان برف و باران را بیرون نگه می‌دارد، بنابراین افراد حتی هنگام فعالیت شدید نیز خشک باقی می‌مانند.

دوام و مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی در ساختارهای سه لایه

طراحی‌های سه‌لایه باعث می‌شوند که غشای آئروژل به‌طور محکم بین پارچه خارجی و لایه داخلی قرار گیرد، که این امر مناطق ناخوشایند اصطکاک را از بین می‌برد و از سایش زودهنگام با گذشت زمان جلوگیری می‌کند. بر اساس آزمایش‌های آزمایشگاهی که سال گذشته در گزارش‌های مهندسی نساجی منتشر شده است، این مواد حدود دو و نیم برابر بیشتر می‌توانند در برابر سایش مقاومت کنند قبل از اینکه شروع به عبور دادن آب کنند. نحوه قرارگیری همه اجزا دفاع بسیار قابل اعتمادی در برابر شرایط جوی سخت مانند باران شدید و سطوح یخی ایجاد می‌کند. این ویژگی آن‌ها را به گزینه‌ای عالی برای پیاده‌روی‌های طولانی تبدیل می‌کند که در آن تجهیزات به‌طور مداوم با صخره‌ها تماس پیدا می‌کنند و در ماجراجویی‌های طولانی در فضای باز در برابر برف در معرض ضربه قرار می‌گیرند.

مزایا و معایب وزن، انعطاف‌پذیری و راحتی بین سیستم‌های 2L و 3L

سیستم‌های سه لایه ممکن است حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد از معادل دو لایه‌شان سبک‌تر باشند، اما تمایل به سفتی بیشتری دارند که واقعاً حرکت را هنگام انجام فعالیت‌هایی مانند صخره‌نوردی یا عبور از زمین‌های ناهموار محدود می‌کند. در مقابل، پارچه‌های دو لایه دارای خاصیت تن شدیداً بهتری هستند و برای سفر کوچک‌تر جمع می‌شوند، حتی اگر آن لایه‌های اضافی به معنای حمل ۸ تا ۱۲ اونس اضافی به ازای هر یارد مربع باشد. طبق تحقیقات میدانی منتشر شده سال گذشته، بیشتر کوهنورداها در سفرهایی که شدت فعالیت در طول روز به طور مداوم در حال تغییر است، حدود ۲۷ درصد ترجیح می‌دهند از وسایل دو لایه استفاده کنند، زیرا از نظر راحتی کلی عملکرد بهتری دارند.

مطالعه موردی: آزمون عملکرد لايه‌هاي آروژل دو لايه در برابر سه لايه در محیط‌های آلپاین

محققان در سال 2023 آزمایش‌هایی را در یخچال طبیعی معروف یونگفرائویوک در سوئیس انجام دادند که در آن سیستم‌های مختلف پارچه‌ای را در شرایط سختی قرار دادند که شامل بادهای سرد تا دمای 22- درجه فارنهایت و هوای تقریباً اشباع‌شده با رطوبت 98 درصد به مدت سه روز متوالی بود. پارچه‌های سه‌لایه در طول آزمایش حرارت خود را نسبتاً ثابت نگه داشتند و تنها نوسانات جزئی در حدود 5/1 درجه بالا یا پایین را نشان دادند، حتی زمانی که یخ شروع به تشکیل روی سطوح کرد. در مقابل، نمونه‌های دو لایه‌ای در همان لبه‌های اتصال لایه‌ها حدود چهار درجه کاهش گرما را تجربه کردند. اما داستان اینجا به همین جا ختم نمی‌شود. هنگام شبیه‌سازی شرایط واقعی صعود کوه، سیستم سبک‌تر دو لایه‌ای در واقع رطوبت را 18 درصد بهتر از گزینه‌های سنگین‌تر دفع کرد. این امر نشان می‌دهد که این نوع پارچه‌ها ممکن است برای سفرهای واقعی کوهستانی مناسب‌تر باشند که در آن صاحبان صعود اغلب بین فعالیت‌های بدنی شدید و دوره‌های استراحت در نوسان هستند.

گسترش کاربردها: از تجهیزات بیرون از خانه تا پوشاک محافظ

پارچه ضدآب عملکردی آئروجل در لباس هجوم آتشنشانان

آتشنشانان شروع به تجربه فواید واقعی فناوری آئروجل در تجهیزات محافظ خود کرده‌اند، زیرا این فناوری حفاظت حرارتی عالی را با کنترل هوشمند رطوبت ترکیب می‌کند. این ماده به دلیل منافذ بسیار ریزی که هوا را در جای خود نگه می‌دارند اما همچنان اجازه می‌دهند عرق خارج شود، کار می‌کند؛ بدین معنا که آتشنشانان حتی پس از ساعتها کار نیز خنک‌تر باقی می‌مانند. برخی آزمون‌های اخیر نشان داده‌اند که لباس هجوم ساخته‌شده با آئروجل طبق گزارش تجهیزات پاسخگوی اول ۲۰۲۳، حدود ۲۵٪ رطوبت بیشتری نسبت به تجهیزات لایه‌ای معمولی دفع می‌کند. این امر تفاوت بزرگی در موقعیت‌های خطرناک ایجاد می‌کند که در آن تغییرات ناگهانی دما می‌تواند برای پاسخگویان درون ساختمان‌های در حال سوختن کشنده باشد.

استفاده در صنایع هوافضا و پوشاک محافظ نظامی

با چگالی تنها ۰٫۱۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب و پایداری عملیاتی از ۵۰- درجه سلسیوس تا ۳۰۰ درجه سلسیوس، منسوجات مجهز به آئروژل در لباس‌های نجات فضایی و تجهیزات نظامی برای هوای سرد استفاده می‌شوند. مطالعات اخیر روی منسوجات نظامی نشان می‌دهند که با کاهش ۴۰ درصدی لایه‌بندی مورد نیاز بدون قربانی کردن محافظت حرارتی، چابکی در شرایط تاکتیکی بهبود یافته است.

درسهایی از بخش‌های کاربردی شدید برای نوآوری عملکرد در فضای باز

این پیشرفت‌ها در بخش‌های مختلف، باعث تولید پوشاک بیرونی سبک‌تر و مقاوم‌تر شده‌اند و نقش آئروجل را فراتر از ضدآب بودن اساسی نشان می‌دهند.

چالش‌های تولید و امکان‌پذیری تجاری پارچه‌های آئروجلی

مقیاس‌پذیری تولید پارچه‌های آئروجلی ضدآب و نفوذپذیر برای رطوبت

این ماده خواص ضد آب بسیار خوبی دارد که جذب آب آن کمتر از ۰٫۰۱٪ است و نرخ انتقال قابل توجهی از بخار را با بیش از ۱۵۰۰۰ گرم در هر متر مربع در ۲۴ ساعت فراهم می‌کند. با این حال، تولید انبوه این ماده همچنان چالش‌برانگیز است. روش استاندارد خشک‌کردن فوق بحرانی بین ۱۸ تا ۳۶ ساعت برای هر بار تولید طول می‌کشد که واقعاً مقدار تولید همزمان را محدود می‌کند. برخی از تکنیک‌های جدید مبتنی بر پلاسما ممکن است زمان فرآوری را حدود ۴۰٪ کاهش دهند بدون آنکه به ویژگی‌های مهم آب‌گریزی که با زوایای تماس بیش از ۱۵۰ درجه مشاهده می‌شود، لطمه بزند. تحلیل‌گران بازار در بخش عایق‌های حرارتی این پیشرفت‌ها را به دقت دنبال می‌کنند، زیرا ممکن است نقطه عطفی بزرگ برای تولیدکنندگانی باشد که به دنبال گسترش مقیاس تولید هستند.

محدودیت‌های هزینه‌ای و ضایعات مواد در روش‌های تولید فعلی

متون آئروژل در حال حاضر ۸۵ تا ۱۲۰ دلار در متر مربع هزینه دارند که ۷ تا ۱۰ برابر بیشتر از غشاهای معمولی است. حدود ۳۵ درصد از آئروژل سیلیکا خام در طول فرآیند لاکه‌کردن به دلیل شکنندگی از بین می‌رود، هرچند ابتکارات بازیافت هدف دار کاهش ضایعات به کمتر از ۱۵ درصد تا سال ۲۰۲۶ را دنبال می‌کنند. علاوه بر این، مواد اولیه پیش‌ساز مانند تترا متیل اورتوسیلیکات (TMOS) باعث نوسان سالانه ۲۰ تا ۲۵ درصدی در هزینه‌ها شده و برنامه‌ریزی قیمت‌گذاری بلندمدت را پیچیده می‌کنند.

نگرانی‌های مربوط به دوام در مقابل عملکرد بلندمدت: تحلیل اختلاف نظر صنعت

آزمایش‌های آزمایشگاهی که در شرایط سرعت انجام شده‌اند، نشان می‌دهند که پس از ۵۰ هزار چرخه روش خمشی، مقاومت در برابر فشار آب حدود ۲۲ درصد کاهش می‌یابد که قطعاً باعث می‌شود مردم در مورد عملکرد این مواد در شرایط واقعی زندگی شک کنند. از سوی دیگر، هنگام بررسی آنچه در محیط‌های کوهستانی اتفاق می‌افتد، پارچه‌های آئروجل سه لایه همچنان پس از ۱۸ ماه قرار گرفتن در آن شرایط، تقریباً ۹۸٫۷ درصد از قابلیت ضدآب بودن خود را حفظ کرده‌اند. این عملکرد در واقع ۳۴ درصد بهتر از لایه‌های معمولی است که امروزه در بازار مشاهده می‌شوند. تفاوت بین این نتایج، دلیل این موضوع را نشان می‌دهد که چرا واقعاً به آزمون‌های استاندارد بهتری نیاز داریم که به نحوی روش‌های شبیه‌سازی سریع را با داده‌های فرسودگی واقعی از شرایط طبیعی ترکیب کنند.

نوآوری‌ها در پوشش‌های ترکیبی و تأمین پایدار آئروجل

سیستم‌های ترکیبی که از ائروژل‌های سیلیکا با موادی مانند کیتوسان استفاده می‌کنند، طبق گزارش منتشر شده در سال ۲۰۲۵ توسط مواد پیشرفته حفاظت در برابر آتش، نشان داده‌اند که سطوح به‌مراتب مقاوم‌تر در برابر آب نسبت به پوشش‌های معمولی هستند و توانایی آن‌ها در دفع آب را حدود ۲۳٪ افزایش می‌دهند. بسیاری از تحقیقات فعلی در حال بررسی تولید این ائروژل‌ها از موادی هستند که معمولاً پس از عملیات کشاورزی دور ریخته می‌شوند و نتایج اولیه نشان می‌دهد که این رویکرد در مقایسه با روش‌های سنتی مبتنی بر مواد نفتی، منجر به کاهش انتشار کربن می‌شود و شاید حتی تا ۴۰٪ نیز برسد. خبر خوب این است که این گزینه‌های سازگار با محیط زیست در عین حال عملکرد خوبی در برابر نفوذ آب نیز دارند. آزمایش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه‌ها نشان می‌دهند که این مواد تا حدود ۹۸٫۷٪ در جلوگیری از نفوذ آب مؤثر هستند که برای ماده‌ای ساخته‌شده از مواد بازیافتی قابل توجه است.

ادغام با پارچه‌های هوشمند و سیستم‌های کنترل آب‌وهوای قابل پوشیدن

جدیدترین پارچه‌های ضدآب آئروژل اکنون به عنوان بستری برای افزودن اجزای گرمایشی گرافنی استفاده می‌شوند و امکان تولید جلیقه‌های بسیار نازک با ضخامت حدود 0.8 میلی‌متر را فراهم می‌کنند که می‌توانند دما را در مناطق مختلف تنظیم کنند. ما نمونه‌های اولیه‌ای را آزمایش کرده‌ایم که حتی در دمای منفی 20 درجه سانتی‌گراد نیز حدود 8 ساعت بدون وقفه کار می‌کنند و همه این‌ها با تغذیه از منابع ولتاژ پایین انجام می‌شود. این عملکرد تقریباً سه برابر بهتر از اکثر لباس‌های گرمایشی معمولی امروزی است. هنگامی که این مواد با سنسورهایی که سطح رطوبت و حرکت بدن را تشخیص می‌دهند ترکیب شوند، سیستم‌های پوشاک هوشمندی ایجاد می‌شوند که به طور خودکار خود را با توجه به شرایط محیطی و فعالیت پوشیده‌کننده تنظیم می‌کنند.

رشد پیش‌بینی‌شده بازار پارچه ضدآب عملکردی آئروژل در پوشاک محافظ

بازارهای جهانی منسوجات آئروژل شاهد رشد قابل توجهی هستند و تحلیلگران رشد سالانه مرکب حدود ۲۲ درصدی را تا سال ۲۰۳۵ پیش‌بینی می‌کنند. این رشد عمدتاً ناشی از تمایل افراد به تجهیزات محافظتی سبک‌تر است که از ۵۰۰ گرم فراتر نروند. بر اساس آخرین گزارش آستوت آنالیتیکا از سال ۲۰۲۵، ارزش بازار تا سال ۲۰۳۳ به ۵٫۸۸ میلیارد دلار خواهد رسید و تقریباً دو سوم این رشد از لباس‌های محافظ چندلایه‌ای ناشی می‌شود که الزامات جدید مقررات حفاظت فردی اتحادیه اروپا (PPE) را برآورده می‌کنند. آزمایش‌های عملی نیز نتایج بسیار قابل توجهی نشان می‌دهند؛ آتشنشانانی که از این کلاه‌ها و لباس‌های پیشرفته آئروژلی استفاده می‌کنند، تقریباً ۶۰ درصد مشکل کمتری ناشی از حرارت نسبت به همتایان قبلی خود که از مواد قدیمی‌تر استفاده می‌کردند، تجربه می‌کنند. این موضوع زمانی منطقی به نظر می‌رسد که به اهمیت مدیریت دما در عملیات اضطراری فکر کنیم.

سوالات متداول

پارچه ضد آب مبتنی بر آئروژل چیست؟

پارچه ضد آب مبتنی بر ائروژل، مادهای است که دارای ساختار نانویی سیلیکا با تخلخل بالا بوده و آب را دفع می‌کند در حالی که قابلیت نفوذ رطوبت را حفظ می‌کند و بنابراین برای تجهیزات بیرونی که در معرض شرایط سخت محیطی قرار دارند ایده‌آل است.

پارچه ائروژل چگونه قابلیت نفوذ رطوبت و تنفس‌پذیری را به دست می‌آورد؟

پارچه ائروژل از طریق دو مکانیسم عمل مویینگی و انتشار حرارتی، قابلیت نفوذ رطوبت و تنفس‌پذیری را فراهم می‌کند که منجر به نرخ بالای انتقال بخار رطوبت می‌شود.

برخی از کاربردهای پارچه ضد آب ائروژل چیست؟

پارچه ضد آب ائروژل در تجهیزات بیرونی، لباس‌های اطفاء حریق، مجموعه‌های بقا در هوافضا و پوشاک نظامی برای شرایط سرمایشی به دلیل خواص استثنایی محافظت حرارتی و مدیریت رطوبت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چه چالش‌هایی در تولید نساجی‌های ائروژل وجود دارد؟

چالش های تولید شامل مقیاس پذیری فرآیندهای تولید، موانع هزینه و اتلاف مواد به دلیل شکننده بودن هواپیمای سیلیک خام است. تحقیقات در مورد روش های تولید کارآمدتر ادامه دارد.