Innovative Aerogel-Fasern: Diese Pullover imitieren das Fell von Eisbären
Aerogele verfügen über eine herausragende Wärmedämmung. Diese Art Werkstoffe wurden bereits 1931 entwickelt und erhielten ihren Namen, weil bei ihrer Herstellung die Flüssigkeit in Gelen durch Gase ausgetauscht wird. Das Ergebnis ist ein sehr poröses Material, das nur extrem wenig Wärme ableitet. Aerogele kommen daher etwa bei der Konstruktion von Raumschiffen zum Einsatz. Forscher:innen haben nun aus einem speziellen Aerogel Fasern hergestellt, die extrem wärmeisolierend, aber gleichzeitig auch strapazierfähig und dehnbar sind. Aus solchem Garn können Kleidungsstücke hergestellt werden, die extrem wärmeisolierend sind.
Wärmeisolierende Fasern aus Aerogel
Die Wissenschaft versucht schon seit einer ganzen Weile, Stoffe aus Aerogelen herzustellen. Allerdings eigneten sich diese Materialien bisher nicht für die Verwendung in Textilien. Denn aus ihnen gewonnene Fasern sind nicht stabil und dehnbar genug um in Stoffen für Kleidungsstücke eingesetzt werden. Sie sind außerdem nicht maschinenwaschbar, und ihre isolierende Wirkung geht bei Feuchte verloren. Bisher gelang es nur, Textilien mit relativ schlechter Wärmedämmung aus Aerogelen herzustellen.
Eine Forschungsgruppe rund um Mingrui Wu von der Zhejiang-Universität in Hangzhou hat sich der Problematik angenommen und suchte dabei nach Vorbildern aus der Natur. Tiere, die in kalten Gegenden leben, wie etwa Eisbären, verfügen über ein spezielles Fell, das sie gegen die Kälte schützt und trocken hält.
Das Fell von Eisbären besteht aus Haaren, die einen porösen und weitgehend hohlen Kern und eine dichte Schale haben. Diese Haare sind daher flexibel und gleichzeitig robust. Sie schließen effektiv Luft ein und halten Feuchtigkeit ab, was sie zu einem idealen Dämmmaterial macht.
Die Forscher:innen haben den Aufbau des Eisbärenfells im Labor nachgebaut. Dafür stellten sie Aerogelen aus Polymeren her, ie im Inneren winzige lamellenförmige Hohlräume enthalten. Dabei kam eine Gefrierspinn-Methode zum Einsatz, mit der die Polymer-Flüssigkeit zu langen, gefrorenen Stangen gepresst wurden, die dan getrocknet und mit einer dünnen, dehnbaren Gummischicht umschlossen wurden. Die Kernfasern bestehen aus verschiedenfarbigen Aerogelen aus Chitosan. Dabei handelt es sich um ein Biopolymer, das unter anderem aus Krebsschalen gewonnen wird. Die Hülle wiederum besteht aus einem transparenten thermoplastischen Polyurethan. So stellten die Forscher:innen eingekapselte Aerogelfasern (EAF) in verschiedenen Farben her, deren Aufbau den Haaren von Eisbären ähneln.
Pullover aus den neuen Fasern
Anschließend testeten die Forscher:innen ihre Fasern in Hinblick auf ihre Isolationsfähigkeiten. Es zeigte sich, dass sie hervorragend gegen Kälte Isolieren und wärmedämmend sind. Außerdem sind sie sehr wasserabweisend und bleiben dabei robust und flexibel. Bei einer Gummi-Schutzschicht mit einer Dicke von 80 Mikrometern und einem Durchmesser der inneren Faser von 600 Mikrometern waren diese Eigenschaften am besten ausgeprägt.
Anders als bei vorherigen Ansätzen ist die Faser auch sehr dehnbar. Sie kann auf das Tausendfache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden ohne zu reißen oder auszuleiern. Auch die isolierende Wirkung bleibt erhalten. Bei vorherigen Ansätzen war die Dehnbarkeit auf etwa zwei Prozent limitiert.
Die neuartigen Fasern können zu dünner, stark wärmender Thermokleidung für den täglichen Gebrauch verarbeitet werden. Die Forscher:innen webten aus ihren Fasern einen dünnen Pullover, um dies zu demonstrieren. Diesen verglichen sie dann mit Pullovern aus anderen Materialien.
Dabei stellte sich heraus, dass der Aerogel-Pullover ähnlich wärmeisolierend ist wie eine fünfmal so dicke Daunenjacke. Er wärmte zudem deutlich besser als ähnlich dicke Kleidungsstücke aus Wolle oder Baumwolle. Zudem ist der Pullover maschinenwaschbar und verliert dabei weder seine Struktur noch seine Funktion.
Geeignet für viele Anwendungen
Die Herstellung der Aerogelfasern ist zudem günstiger als die vieler anderer Garne. Daher sind sie von großem Interesse für die Textilindustrie, aber auch für andere Industriezweige.
Dank ihrer porösen Struktur und den damit verbundenen Eigenschaften eignen sich die eingekapselten Aerogelfasern für zahlreiche Anwendungen, etwa für die Adsorption oder die Trennung von Stoffen durch Membranen. Vorher müssen die EAFs jedoch für die Produktion in großen Massen optimiert werden. „Durch die gleichzeitige Weiterentwicklung der Materialien und ihrer Herstellung könnten Aerogelfasern viele potenzielle Anwendungen haben„, schreiben die Forscher:innen.
via AAAS via EurekAlert!
