Wir brauchen sowohl Anmut als auch Wärme! Eilmeldung aus der Wissenschaft: Der „Polar Bear Sweater“ ist so warm wie eine Daunenjacke, aber nur ein Fünftel so dick!

Der vom Fell eines Eisbären inspirierte „schwarze Technologiepullover“, der dünner als herkömmliche Daunenjacken, aber genauso warm ist, wurde heute in der maßgeblichen wissenschaftlichen Zeitschrift Science veröffentlicht.

Berichten zufolge wird der „Eisbärpullover“ vom Team um Professor Bai Hao an der Zhejiang-Universität aus gekapselten Aerogelfasern (EAFs) aus Eisbärfell gewebt. Es verfügt über eine hervorragende Wärmeisolierung, Flexibilität, Waschbarkeit und Färbbarkeit und ist bei gleicher Wärmeleistung nur ein Fünftel so dick wie eine Daunenjacke .

Das Forschungsteam sagte, dass solche Textilien großes Potenzial in Bereichen wie Militäruniformen und Raumanzügen hätten und für eine Vielzahl neuer Anwendungen wie tragbare Elektronik und persönliches Wärmemanagement notwendig seien.

Die entsprechende Forschungsarbeit mit dem Titel „Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile“ wurde in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

In einem gleichzeitig veröffentlichten Übersichtsartikel schrieben Zhang Xuetong, ein Forscher am Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und Sheng Zhizhi, ein assoziierter Forscher: „Wu et al. haben eine praktikable Strategie zur Herstellung biomimetischer, webbarer Aerogelfasern mit hervorragender Wärmeisolierung und mechanischer Belastbarkeit gefunden, aus denen luftdurchlässige Textilgewebe hergestellt werden können und die die Entwicklung moderner warmer Thermotextilien fördern könnte .“

Übertrifft Textilien aus Wolle, Nylon und Polyester

In letzter Zeit sind in einigen Live-Übertragungsräumen, in denen Winterkleidung verkauft wird, Wörter mit einem Black-Tech-Touch aufgetaucht. Einige Marken haben „kältebeständige Kleidung aus Aerogel“ auf den Markt gebracht und behaupten, dass diese leichter und wärmer als Daunenjacken sei. Hält Aerogel wirklich so gut warm und wirkt kälteabweisend?

Li Zhaoling, Forscher an der Textilschule der Donghua-Universität, erklärte kürzlich in einem Interview mit der Chengdu Association for Science and Technology: „Grundsätzlich ist es möglich, Aerogele zum Warmhalten zu verwenden, und dies hat gute Aussichten für die zukünftige Entwicklung. Derzeit sind die mechanischen Eigenschaften der Aerogel-Strukturmaterialien selbst jedoch sehr schlecht. Sie brechen und zerfallen leicht, sind nicht flexibel und fallen nicht gut, und sie sind nicht für den direkten Einsatz in alltäglichen Textilien und Kleidung geeignet.“

In dieser Studie entwickelte das Team von Professor Bai Hao einen in eine Polymerhülle gekapselten EAF, indem es die Kern-Hülle-Struktur von Eisbärhaar nachahmte und so die Hindernisse überwand, die die praktische Anwendung fragiler Aerogele in stark isolierenden Textilien lange Zeit verhinderten.

In der Studie wurde eine einfache zweistufige Methode zur kontinuierlichen Herstellung von EAFs angewendet, bei der durch Gefrierspinnen geordnet angeordnete poröse Aerogelfasern erhalten werden, gefolgt von einer einstufigen Beschichtung und Trocknung. Aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit und Dehnbarkeit (1000 % Zugspannung) entschieden sich die Forscher für thermoplastisches Polyurethan (TPU)**** als Verkapselungsschicht .

Abbildung ｜Entwurf und Herstellung von eingekapselten Aerogelfasern (Quelle: dieses Dokument)

EAFs können Luft in zahlreichen Lufteinschlüssen einschließen (über 90 % Porosität) und sorgen so für eine ausreichende Wärmeisolierung. Die Wärmeleitfähigkeit des aus EAFs hergestellten Pullovers beträgt 26,9 ± 1,8 mW/(m·K) und ist damit besser als bei Textilien aus Wolle, Nylon und Polyester. Der Pullover ist nur ein Fünftel so dick wie Daunenkleidung, verfügt aber über eine vergleichbare Wärmeisolationsleistung und eine ausgezeichnete Wasch- und Färbebarkeit .

Abbildung | Gewebte und gestrickte Aerogeltextilien mit hervorragenden Wärmedämmeigenschaften (Quelle: Dieses Dokument)

Sheng Zhizhi sagte jedoch, dass wir bei der Anwendung von Aerogelfasern in der Praxis noch vor einigen Herausforderungen stünden .

Wie entwickelt man beispielsweise eine Schnellspinntechnologie? Derzeit liegt die Nassspinngeschwindigkeit von Aerogelfasern bei etwa 20 m/min und damit noch weit hinter der Nassspinngeschwindigkeit (200 m/min), der Trockenspinngeschwindigkeit (1500 m/min) und der Schmelzspinngeschwindigkeit (5000 m/min) herkömmlicher Fasern in Industriequalität.

Und wie lässt sich darüber hinaus die vollkontinuierliche Herstellungstechnologie mit integriertem Schleudern und Trocknen lösen? Obwohl kontinuierliches Schleudern und intermittierendes Trocknen erreicht wurden, ist es immer noch schwierig, eine vollständig kontinuierliche Herstellungstechnologie zu verwirklichen, die diese beiden Prozesse organisch kombiniert. Um den gesamten Prozess der kontinuierlichen Herstellungstechnologie für Aerogelfasern zu realisieren, ist es notwendig, das Prinzip der schnellen Vakuumtrocknung und Lösungsmittelentfernung gründlich zu verstehen und die Entwicklung einer kontinuierlichen Ausrüstung zu lösen.

Mit der Entwicklung moderner Materialien und der Entwicklung moderner Herstellungstechnologien ist jedoch in Zukunft mit der Anwendung von Aerogelfasern zu rechnen.

Wärmedämmstoffe, vielversprechende Zukunft

Aerogelfasern sind vielversprechende Materialien für die nächste Generation von Wärmedämmtextilien und haben in der bisherigen Forschung große Fortschritte erzielt. Gleichzeitig wurden in den letzten Jahren neben Aerogelfasern auch in der Forschung zu Wärmedämmstoffen kontinuierliche Durchbrüche erzielt .

Im Februar dieses Jahres gelang es einem Forschungsteam der University of Science and Technology of China, ein völlig natürliches, holzähnliches Aerogel zu entwickeln. Das Material besteht aus natürlicher Biomasse und natürlichen Mineralien und verfügt über hervorragende Wärmedämm- und Feuerbeständigkeitseigenschaften. Berichten zufolge dürfte dieses völlig natürliche, holzähnliche Aerogel eine ideale Alternative zu kommerziellen Dämmstoffen werden. Darüber hinaus ist dieses Aerogel aufgrund seiner natürlichen Rohstoffquelle und des energie- und emissionsarmen Herstellungsprozesses gut biologisch abbaubar und nachhaltig, wodurch die negativen Auswirkungen von Dämmstoffen auf die Umwelt während der Herstellung, Verwendung und Entsorgung verringert werden dürften.

Darüber hinaus gelang es einem Team der School of Mechanical Science and Engineering der Huazhong University of Science and Technology im August dieses Jahres, ein thermisches Stealth-Metamaterial zu entwickeln, das eine Vielzahl freier Formen aufweist, unabhängig von der Hintergrundtemperatur ist und über omnidirektionale Funktionalität verfügt. Diese Metamaterialien können die Interferenzen externer Temperaturfelder auf Objekte im Inneren des Geräts wirksam abschirmen, eine aktive Wärmeisolierung erreichen und können breitflächig zum Wärmeschutz hitzeempfindlicher Komponenten eingesetzt werden.

Insgesamt hat die Forschung im Bereich der Wärmedämmstoffe in den letzten Jahren immer wieder bemerkenswerte innovative Ergebnisse hervorgebracht. Von Aerogelfasern über völlig natürliche holzähnliche Aerogele bis hin zu thermisch unauffälligen Metamaterialien erweitern Wissenschaftler ständig den Anwendungsbereich und die Leistungsfähigkeit von Materialien. Diese Reihe von Durchbrüchen bietet den Menschen nicht nur ein komfortableres und sichereres Wohnerlebnis, sondern stellt auch einen wichtigen Schritt in Richtung nachhaltiger Entwicklung dar.

Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt wird auch die Nachfrage der Menschen nach Wärmedämmstoffen steigen. Durch die Entwicklung neuer Materialien wird nicht nur die Wärmedämmwirkung verbessert, sondern auch der Schwerpunkt auf Umweltschutz und Nachhaltigkeit gelegt, wodurch ein gangbarer Weg für die zukünftige Entwicklung grüner Technologien geboten wird.

Wir hoffen, dass diese innovativen Materialien in einem breiteren Spektrum von Bereichen eingesetzt werden und einen positiveren Einfluss auf die nachhaltige Entwicklung der Gesellschaft und die Lebensqualität der Menschen haben.

Referenzlinks:

www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013

www.science.org/doi/10.1126/science.adm8388

https://www.nature.com/articles/d41586-023-04145-5

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211099

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302387