Kas daro aerogelio funkcinią vandens neatstojamą audinį unikaliu?

Mokslas, stovintis už aerogelio vandeniui atsparaus ir kvėpuojančio veikimo

Aerogelio pagrindu sukurtų audinių nuostabi vandens atsparumo savybė kyla dėl šiuolaikinės nanotechnologijos sujungimo su tradiciniais tekstilės metodais. Pagrindinis procesas čia yra taip vadinamas sol-gel paruošimas, kai skystis iš esmės pakeičiamas dujomis, sukuriant nepaprastą 3D struktūrą, kuri pagal 2025 m. žurnale „Nature“ publikuotus tyrimus apie 95 % sudaryta iš oro. Šią medžiagą daro tokį ypatingą jos mikroskopinė struktūra. Paviršius turi mažyčius poras, kurių dydis svyruoja nuo 5 iki 50 nanometrų. Šios mažos angos vienu metu atlieka dvi svarbias funkcijas: atstumia įprastus vandens lašelius, kurių dydis paprastai siekia apie 200 mikrometrus arba daugiau, bet vis tiek leidžia praeiti vandens garų molekulėms, nes jų dydis tik 0,3–1 nanometras. Apibendrinant, tai sukuria audinį, kuris gali atlaikyti slėgį, atitinkantį beveik 8 500 milimetrų aukščio vandens stulpelį, ir kartu leidžia praeiti prakaitui greičiu, viršijančiu 15 000 gramų per kvadratinį metrą kas 24 valandas.

Veiksmingo drėgmės valdymo paslaptis slypi medžiagų gebėjime tvarkytis su skirtingo dydžio poromis. Nano lygio poros padeda išlaikyti paviršius natūraliai atsparius vandeniui, tuo tarpu didesni tarpai tarp aerogelio dalelių leidžia drėgmei išeiti žymiai greičiau nei įprastos medžiagos, tokios kaip Gore-Tex. Pastarųjų metų audinių technologijos pasiekimai padarė įmanomą kurti itin plonas apsaugines dangas naudojant plazmos technologijas. Šios dengimo sluoksniai yra apie 0,3 milimetro storio ir vis dar leidžia audiniams lenktis bei judėti beveik taip pat gerai kaip ir prieš apdorojimą, kaip nurodyta pernai paskelbtoje Inspenet studijoje. Tikrai įspūdinga tai, kad šios naujos kompozitinės medžiagos toliau tinkamai veikia net po dešimtis kartų jas išplovus. Testai rodo, kad jos atstumia vandenį žymiai geriau nei senesni metodai – iš tikrųjų apie 87 % geriau. Be to, jos taip pat ilgiau išlaiko šilumą. Kai temperatūra nukrenta iki minus 20 laipsnių Celsijaus, šios pažangios tekstilės kūno šilumą išlaiko apie 34 laipsnius, tuo tarpu tradicinės vandeniui atsparios dangos tokiomis sąlygomis išlaiko tik apie 28 laipsnius.

Aukštesnė šiluminė izoliacija: kodėl aerogelis pranašesnis už tradicinius medžiagų tipus

Kodėl aerogelio šiluminės izoliacijos savybės pranašesnės už tradicinių medžiagų savybes

Aerogelio išskirtinį šiluminį našumą lemia jo nanoporėta struktūra, kurioje daugiau nei 90 % tūrio sudaro oro kišenės, mažesnės nei 70 nanometrų. Ši struktūra labai apriboja šilumos perdavimą laidumo ir konvekcijos būdu, pasiekiant šilumos laidumo koeficientą nuo 0,015 iki 0,025 W/m·K – beveik 40 % žemesnį nei stiklo vatos. Skirtingai nuo įprastų izoliatorių, kurie priklauso nuo storio, aerogelis siūlo įspūdingą R-reikšmę – 10,3 vienam coliui, leidžiant aukšto našumo izoliaciją ultraploniuose formatais, kaip patvirtino 2023 m. tyrimas apie pažangias šilumines sistemas.

Palyginamoji analizė: aerogelis prieškovo plunksną ir sintetinius izoliatorius

Duomenų šaltinis: Rmax techniniai specifikacijos (2024)

Atvejo analizė: aerogeliu modifikuotos audinys ekstremaliuose šalčio aplinkose

Antarkties lauko bandymuose (-50 °C) 3 mm storio aerogeliu izoliuotos pirštinės išlaikė pirštų vikrumą, viršydamos 15 mm plunksnos šilumos išlaikymą. Svarbiausia, medžiaga išlaikė savo savybes esant 98 % drėgmei dėl savo drėgmę atstumiančių savybių – tai sprendžia pagrindinį tradicinių izoliatorių trūkumą, kurie drėgni praranda veiksmingumą.

Plonumo, šilumos išlaikymo ir ilgaamžiškumo subalansavimas nešiojamose programose

Šiuolaikinė gamyba įterpia aerogelio daleles į lanksčias polimerines matricas, sukuriant dengimo sluoksnius, kurie išlaiko savo savybes po daugiau nei 50 skalbimų ciklų. Ši inovacija leidžia sporto aprangai pasiekti 2,5 karto didesnį šilumos ir storio santykį lyginant su neoprenu, išlaikant vėjo nepraleidžiamumą (oro pralaidumas <0,5 CFM) – šis proveržis patvirtintas neseniai vykdytuose karinių šaltųjų klimatų aprangos vertinimuose.

Lengvas komfortas ir lankstumas šiuolaikinėje audinių kūrimo koncepcijoje

Aerogelio pluošto lengvo svorio tyrinėjimas drabužiuose

Naujausias audinių klasės aerogelis turi nepaprastai mažą tankį – apie 3 kg kubiniam metrui, dėl ko jis yra apie 98 procentais lengvesnis nei įprasti izoliacijos medžiagų tipai. Tai reiškia, kad gamintojai gali kurti žiemos striukes, sveriančias mažiau nei 400 gramų, nesumažindami šilumos palyginti su tradiciniais plunksnomis pripildytais variantais, kurie dažnai sveria apie 800 gramų. Tai, kas juos skiria nuo pramoninių atitikmenų, yra tai, kaip jie išlaiko lankstumą net po intensyvios naudojimo. Tyrimai parodė, kad šios pluoštinės išlaiko apie 94 % savo pradinio lankstumo net po 5 000 lenkimo ciklų, kaip paskelbta „Textile Research Journal“ 2023 m. Toks ilgaamžiškumas kartu su tokia maža mase daro juos idealiais kūną glaudžiai apglėbiančiai sportinei aprangai, kuri vis dar turi judėti kartu su kūnu aktyviai veikiant.

Inžinerinis lankstumas, nesumažinant konstrukcinio vientisumo

Kai poliesteris ir nilonas susijungia molekulinio lygio, aerogeliais sustiprintos medžiagos gali išlaikyti apie 12 MPa tempiamąjį įtempį, tačiau vis tiek lieka gana lankstios. Esminis dalykas yra tinkamai parinkti porų dydį – tarp 10 ir 50 nanometrų – bei pridėti specialius elastingus rišamuosius. Tokiu būdu gamintojams pavyko sukurti medžiagas, kurios nutrūksta tik pastyrėjus apie 28 % pailgėjimo. Tai yra didelis proveržis, nes tradiciniai silicio dioksido pagrindu pagaminti aerogeliai dažnai būna labai trapūs. Dabar šios naujos medžiagos puikiai veikia trikotažėje ir kitose formuotose konstrukcijose, nepamestant savo struktūrinio vientisumo. Tekstilės pramonė ilgai laukė kažko panašaus, kad būtų galima išspręsti realias praktines problemas, su kuriomis susiduria naudojant esamus aerogelius.

Aerogelių taikymas funkciniuose sportinės aprangos dengtuose

Šiuolaikiniai sportiniai drabužiai dabar naudoja šias specialias aerogelio danga, kad sukurtų labai plonas apsaugines sluoksnius, storesnius nei pusė milimetro. Šios medžiagos atlieka gana įspūdingus dalykus – jos sulaiko vandenį net esant 20 000 mm slėgiui, leidžia praeiti prakaitui maždaug 15 000 gramų per kvadratinį metrą per 24 valandas ir reguliuoja temperatūrą iki vos 0,03 vatų vienam metrui kelvinui. Lauko tyrimai parodė ir kai ką įdomaus. Maratonų bėgikai, dėvėję aprangą su integruotais aerogeliais, lenkimo metu patyrė apie 37 procentais mažesnį kūno šilumos kaupimąsi. Tai daro tikrą skirtumą, kai ilgą laiką išstumi fizinio krūvio ribas. Ne stebina, kad rezultatyvumo marškinės taip entuziazuoja šia technologija.

Drėgmės valdymas ir ilgalaikis nešiojimas

Drėgmę atstumiančių aerogeliu padengtų audinių veikimo mechanizmai

Komforto palaikymas per garų pralaidumą ir skysčių atstūmimą

Vandens atstumiantys apdorojimai neleidžia skysčiams prasiskverbti (jie gali atlaikyti vandens stulpelius iki maždaug 0,01 mm storio), tačiau vis tiek praleidžia 40 % daugiau drėgmės garų nei su silikonu padengti. Pagal 2024 m. paskelbtus tyrimus iš naujausio „Advanced Fabric Testing Report“, toks drėgmės valdymas visą dieną sulaiko žmones sausai, nesukeldamas lipnumo jausmo, kurį paprastai sukelia medžiagos, blogai pralaidžios orui. Atsižvelgiant į realaus naudojimo rodiklius, darbuotojams dėvint aprangą su šiais hidrofobiniais danga, o ne įprastais vandeniui atspariais daiktais, buvo pranešta apie maždaug 80 procentų mažiau karščio streso atvejų.

Našumo testavimas aukštos drėgmės sąlygomis

Esant drėgnumui žemiau nei 95 % per 12 valandų, aerogeliu apdoroti audiniai sugeria 78 % mažiau drėgmės nei pramonoje standartinių membranų. Tai patvirtinta karinio lygio protokolais, kurie išlaiko vandens pašalinimo efektyvumą ir mikroorganizmų atsparumą po daugiau nei 200 skalbimų. Medžiaga yra stabilus nuo -40 °C iki 120 °C, todėl tinka naudoti visus metus ir įvairiose aplinkose.

Aerogelio funkcinių vandeniui atsparių audinių gamybos pažangos ir būsimas taikymas

Sol-gel technologijos mastelio didinimas komercinėms tekstilės integracijoms

Pramoninio masto sol-gel apdorojimas dabar naudojasi aplinkos slėgio džiovinimo sistemomis, kurios pagreitina kietinimą 15 %. Automatizuota tirpiklių atkūrimo sistema sumažino atliekas 40 %, palaikydama mastelio gamybą. Rinkos analitikai prognozuoja, kad aerogelio tekstilės sektorius išaugs nuo 5,08 mlrd. jenų (2022 m.) iki 8,58 mlrd. jenų iki 2028 m., ką skatins šie efektyvumo padidėjimai.

Trapumo įveikimas: inovacijos lankstaus aerogelio dangose

Aerogelio dalelių įterpimas į poliuretano matricas padidina lenkimo atsparumą 300 %, išlaikant žemą šilumos laidumą (<0,021 W/m·K). Šios ilgaamžės dangos išlaiko daugiau nei 85 000 lenkimo ciklų be įtrūkimų – todėl jos tinka dinaminėms aplikacijoms, tokioms kaip sujungtos lauko įrangos ir medicininės atramos.

Tvarumas ir tirpiklių perdirbimas didelių mastų gamyboje

Uždaro ciklo sistemos atkuria 92 % etilo alkoholio tirpiklių, sumažindamos VOC emisijas 67 % (Tekstilės tvarumo institutas, 2023 m.). Gamintojai taip pat pereina prie celiuliozės kilmės pirmtakų, kad sumažintų priklausomybę nuo silicio dioksido, dėl ko aerogelio audinio gamybos anglies pėdsakas mažėja 29 % vienam kvadratiniam metrui.

Naujos panaudojimo sritys lauko įrangoje, aviacijoje, medicinoje ir protinguose audiniuose

Dėl aerogelio universalumo jis vis plačiau naudojamas įvairiose srityse:

• Šiaurės ašigalyje skirtos ekspedicijų striukės su 2 mm storio aerogelio sluoksniu palaiko pagrindinę kūno temperatūrą esant -50 °C
• Palydovų izoliacinės antklodės išlaiko 200 °C temperatūros svyravimus žemoje Žemės orbitoje
• Biomedicinos komandos kuria antibakterinius aerogelio žaizdų tvarstinius su pH reaktyvia vaistų tiekimo sistema

Šios inovacijos patvirtina, kad funkcionalus vandeniui atsparus aerogelio audinys yra pagrindinė platforma techninėms tekstilėms naujos kartos

Dažniausiai užduodami klausimai

Kas yra aerogelis ir kodėl jis naudojamas audiniuose?

Aerogelis yra lengvas, poringas medžiaga, turinti puikias šilumos izoliacijos savybes, todėl ji idealiai tinka vandeniui atspariems ir kvėpuojantiems audiniams

Kaip aerogelis lyginamas su kitomis izoliacinėmis medžiagomis?

Aerogelis turi daug mažesnę šiluminę laidumą ir aukštesnę R vertę lyginant su įprastomis izoliacinėmis medžiagomis, todėl gali užtikrinti geresnę izoliaciją plonesniuose ir lengvesniuose formatai

Ar aerogelio audinys ilgainiui yra patvarus?

Taip, šiuolaikiniai aerogelio audiniai išlaiko daugybę skalbimo ciklų ir išlaiko savo drėgmę valančias bei izoliacines savybes net po intensyvios naudojimo

Kas daro aerogelio audinį tinkamą įvairioms aplikacijoms?

Aerogelio universalumas, derinamas su pažangiomis šilumos ir drėgmės reguliavimo savybėmis, daro jį tinkamą naudoti nuo lauko įrangos iki medicininių taikymų.