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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Антиотражающий слой сделал мутную среду прозрачной

Европейские физики придумали, как сделать мутную рассеивающую среду полностью прозрачной для волн, установив перед ней особенным образом сконструированный антиотражающий слой. Они продемонстрировали работоспособность метода численно и экспериментально с помощью радиоволн. Исследование опубликовано в Nature.