Radzenie sobie z trudnymi środowiskami dzięki kompozytom aramidowo-ceramicznym

Materiały odporne na zużycie i termoizolacyjne, przeznaczone do pracy w trudnych warunkach, często napotykają nieoczekiwane trudności na etapie rozwoju i produkcji. Z jednej strony materiał musi zachować określone właściwości – takie jak odporność na uderzenia – ale jego wydajność często spada (w szczególności spada odporność termiczna) w wysokich temperaturach. W związku z tym, tworzenie trwałych tekstyliów termoizolacyjnych często wymaga złożonych procesów produkcyjnych, obejmujących łączenie wielu materiałów.

Aramid włókna są szeroko stosowane w zastosowaniach ochronnych – takich jak sprzęt strażacki i ratownik – ze względu na doskonałe właściwości mechaniczne. Jednak ich właściwości termiczne ograniczają ich użyteczność; stosunkowo wysoka przewodność cieplna i wrażliwość na temperaturę polimeru utrudniają zapewnienie odpowiedniej ochrony termicznej w szerokim zakresie temperatur przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wytrzymałości mechanicznej.

Z kolei ceramiczne aerożele oferują wyjątkowe właściwości izolacyjne dzięki swojej mezoporowatej strukturze, charakteryzującej się dużą powierzchnią właściwą i niską gęstością. Jednak te ultralekkie materiały charakteryzują się kruchością mechaniczną i niską wydajnością.

Naukowcy z Uniwersytetu w Buffalo połączyli zalety obu materiałów, aby opracować odporny na zużycie kompozyt nanoaerożelu aramidowo-ceramicznego, który charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi i termicznymi.


Próbka nowego nanokompozytu aramidowo-aerożelowego przedstawiona jest na pąku kwiatu, co dowodzi lekkości tego materiału. Te cechy sprawiają, że nowy nanokompozyt jest obiecującym kandydatem do taniej produkcji tekstyliów przeznaczonych do noszenia w trudnych warunkach, w tym w przemyśle lotniczym, elektronicznym i środkach ochrony osobistej.

Zespół kierowany przez profesora z Uniwersytetu w Buffalo przedstawił wyniki swoich badań nad tym zaawansowanym kompozytem aerożelu aramidowo-ceramicznego, prezentując materiał o niskiej gęstości (0,08 g cm⁻³), niskim przewodnictwie cieplnym (0,034 W m⁻¹ K⁻¹) i wysokiej ściśliwości, a także wytrzymałości na ściskanie 1,1 MPa. Proces ten polega na przygotowaniu tkaniny z aerożelu aramidowego poprzez reakcję sieciowania in situ pomiędzy włókna aramidowe oraz prekursory aerożelu krzemionkowego (HCl, micele CTAB, mocznik i krzemian sodu). Nanowerk opisuje proces produkcji: „Zastosowaliśmy prostą i skalowalną strategię produkcji, aby wytworzyć nanokompozyt poprzez reakcję sieciowania in situ między nanoporowatym aerożelem krzemionkowym a włóknami aramidowymi; powstałe włókna nanokompozytowe tworzą trójwymiarową sieć połączoną z pustą, mezoporowatą matrycą krzemionkową”. Struktura włókien aerożelu charakteryzuje się połączoną porowatą siecią i wysoką zawartością uwięzionego powietrza, co nadaje kompozytowi włókno aramidowe-aerożel wyjątkowe właściwości termoizolacyjne, nawet w ekstremalnych warunkach, od -196°C do 400°C.

Kluczem do tej metody wytwarzania jest sieciowanie in-situ, które zachodzi między prekursorami aerożelu krzemionkowego a włóknami aramidowymi. Podczas procesu suszenia w warunkach ciśnienia otoczenia prekursory przekształcają się w nanoporowaty aerożel krzemionkowy i osadzają się na włóknach aramidowych. Włókna aramidowe tworzą sieć perkolacyjną, podczas gdy aerożel krzemionkowy sieciuje się i osadza na tej sieci włókien. Wiązanie międzyfazowe między włóknami aramidowymi a aerożelem, utworzone podczas żelowania, dodatkowo zapobiega rozpadowi sieci włókien.

Po pomyślnym wykazaniu doskonałych właściwości tego nanokompozytowego materiału izolacyjnego zespół bada obecnie jego konkretne zastosowania, w tym izolację termiczną i systemy odporne na zużycie, pancerze odporne na uderzenia oraz elementy konstrukcyjne do zastosowań wrażliwych na temperaturę.