Пористый пара-арамид оказался хорошей теплозащитой

Американские инженеры разработали пара-арамидное волокно с высокой пористостью и аморфностью. При комбинировании слоев с другим пара-арамидом новый материал показывает немного ухудшенные механические свойства, но оказывается в двадцать раз лучше по теплоизоляционным свойствам. В будущем его планируют применять для защиты от теплового и механического воздействия. Статья опубликована в журнале Matter.

Чтобы защитить людей от экстремальных внешних условий и механического воздействия, ученые разрабатывают арамидные ткани. На сегодняшний день существует два принципиальных семейства таких полимеров: пара-арамиды и метаарамиды. Среди пара-арамидов широко известен кевлар — очень прочный материал, используемый в бронежилетах, однако у него есть проблемы с теплоизоляцией. С другой стороны, метаарамиды обеспечивают высокую теплоизоляцию (например, волокно «Номекс» используется в костюмах пожарных), но значительно проигрывают по механическим свойствам.

Чтобы совместить все свойства, специалисты создают многослойные ткани, что соответственно увеличивает вес одежды. Есть и другой подход — ученые ищут способ получения материала с промежуточными свойствами, но пока их практически нет (из редких примеров можно привести пара-арамид «Тварон») и до сих пор теплоизоляция и прочность считаются практически несовместимыми характеристиками таких материалов. Пара-арамидные аэрогели — один из подходов к совмещению таких характеристик — используют пористую сеть тонких ниточек для обеспечения теплоизоляции, в то время как жесткий каркас крупных нитей придает жесткость и прочность, которые, однако, в тысячу раз хуже кевларовых.

Гарвардские инженеры под руководством Кевина Паркера (Kevin Kit Parker) совместно с учеными из военной академии США получили новый материал из пара-арамидного волокна с высокими теплоизоляционными и механическими свойствами. Полученный материал спас желатиновую модель астронавта от плавления под лучами мощного фонаря, при этом баллистическая прочность волокна уменьшилась всего в два раза относительно «Тварона».

Ученые предположили, что направленная протяженная сеть нетканых пара-арамидных волокон сможет выдержать высокие механические нагрузки, а ее пористая структура ограничит диффузию тепла. Чтобы получить такой материал, инженеры загружали жидкую смесь полипарафенилен-терефталамида с серной кислотой во вращающийся экструдер, после выдавливания через отверстие за счет центробежной силы струя пролетала через воздушную прослойку и направленно выстраивалась. Затем она погружалась в воронку из воды и закручивалась по направлению ее вращения, что придавало дополнительную сонаправленность нитей пара-арамида. При попадании в воду серная кислота смешивалась с водой, а полимер затвердевал. 

Материал заморозили до температуры жидкого азота и подвергли лиофилизации в течение трех дней для замещения воды в порах на воздух для обеспечения большей термоизоляции. Таким образом инженеры получили листы пара-арамидных волокон с площадью в 100 квадратных сантиметров и весом в пять грамм. Ученые подобрали оптимальные условия, чтобы во время вылета из отверстия раствор был вязким, а во время наматывания на катушку коллектора эластичным для предотвращения деформации до отвердения.

Соотношение между кристаллической и аморфной фазами материала влияет на теплоизоляцию и механическую прочность. С помощью рентгеновской дифракции ученые оценили кристалличность материала в 10 процентов (для сравнения, в «Твароне» — 80 процентов). За счет высокого содержания аморфной фазы новое пара-арамидное волокно должно уменьшить теплопроводность, а также увеличить величину критического растяжения.

Одну нить такого волокна подвергли механическим испытаниям: оказалось, что упругость и прочность уменьшились в десять и пять раз относительно «Тварона», но при пересчете в эффективную скорость снаряда, при котором половина образцов разрывается, снижение оказалось всего в 2,4 раза. Чтобы проверить реальные баллистические свойства пара-арамидного волокна, ученые провели выстрелы пулеподобными 5,6-миллиметровыми снарядами. 

Чтобы аккуратно сравнивать однонаправленный нетканый лист пара-арамида с двунаправленным тканым листом «Тварона», инженеры сравнивали слоистые структуры, поместив новый материал между двумя листами «Тварона». Такой выбор они обосновали тем, что нетканый материал в одежде используется в качестве наполнителя между ткаными материалами, а не для ее основы. В экспериментах оказалось, что эффективная скорость разрыва половины образцов, статистически незначительно меняется при замене слоев «Тварона» на слои нетканого поли-арамида c 205 до 240 метров в секунду.

Для проверки теплоизоляционных свойств ученые измеряли температуру до материала и после при облучении источником тепла с мощностью в 600 ватт. Теплопроводность волокон пара-арамида оказалась равной 1,6 ватт на милликельвин, при этом теплопроводность «Тварона» была в три с половиной раза больше. Коэффициент изоляции нового материала при этом получился в двадцать раз лучше. Для подтверждения этого инженеры проследили за желатиновыми модельками астронавтов при облучении источником тепла. Желатиновые астронавты расплавились за пять минут без защиты, за 17 минут с защитой из «Тварона» и не расплавились за полчаса с защитой из нового пористого пара-арамидного волокна.

Авторы статьи считают, что в будущем прочность можно будет увеличить за счет образования нитей из жидкокристаллических, а не разбавленных изотропных растворов. Более того, такой подход может уменьшить размеры нитей, что еще больше повысит его теплоизоляционные свойства за счет большего количества пор.

Пара-арамид используется не только в бронежилетах и защитных костюмах. Например, три года назад американские ученые предложили использовать гидрогель из пара-арамида и поливинилового спирта в качестве хрящей.

Артем Моськин