Eine dünne Schicht ist wärmer als Daunen? Ist Kälteschutzkleidung aus Aerogel Geldverschwendung?

Der Winter ist da, die Temperaturen sind stark gesunken und jeder kauft dickere und wärmere Winterkleidung. Immer häufiger findet man auf einigen warmen Winterkleidungsstücken den Slogan „aus Material in Raumfahrtqualität – Aerogel“ und behauptet, dass diese super wärmende Eigenschaften haben und nicht gerade billig sind.

Was also ist Aerogel für ein Material? Hat Aerogel-Kleidung wirklich eine wundersame Wirkung, wenn es darum geht, Kälte abzuhalten und warm zu halten?

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Beginnen wir mit der Frage, was Aerogel ist.

Was ist Aerogel?

Aerogel ist eine Art Material mit dreidimensionaler Netzwerkstruktur, das eine große Anzahl geschlossener Mikroporen einkapselt. Es kann aus anorganischen Materialien oder Polymermakromolekülen durch einen Sol-Gel-Transformationsprozess und einen anschließenden speziellen Trocknungsprozess hergestellt werden.

Nach dieser Definition wissen wir, dass sich der Begriff Aerogel tatsächlich auf eine feste Struktur (und nicht auf eine chemische Substanz) bezieht. Das Besondere an dieser Struktur ist ihre sehr hohe Porosität, die bei 80,0 bis 99,8 % liegt, und die Porengröße im Bereich von 1 bis 100 Nanometern liegt.

In den geschlossenen Mikroporen der Aerogelstruktur befindet sich dispergierte statische Luft, was dazu führt, dass das Material mit Aerogelstruktur die Leistungsmerkmale einer geringen Dichte und einer geringen Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zu den Aerogelmaterialien zählen im Allgemeinen anorganische und organische Aerogele. Zu den anorganischen Aerogelen zählen Silica-Aerogele, Titandioxid-Aerogele usw., und zu den organischen Aerogelen zählen Polyimid-Aerogele, Polyurethan-Aerogele usw.

Ein Aerogelmaterial. Foto vom Autor zur Verfügung gestellt

Aufgrund ihrer hohen Wärmedämmeigenschaften werden Aerogelmaterialien häufig in der Luft- und Raumfahrt, der elektronischen Kommunikation, als Flammschutzmittel und zur Wärmedämmung eingesetzt. In der Luft- und Raumfahrt werden Aerogelmaterialien beispielsweise in Hitzeschilden von Flugzeugen, flexiblen Wärmeschutzsystemen für Reduzierstücke, Wärmedämmschichten für Kryoröhrchen in Raumfahrtantriebssystemen, Raumanzügen und anderen Szenarien verwendet. Aus dieser Perspektive ist Aerogel tatsächlich ein wahres „Weltraummaterial“.

Wie stellt man Kleidung aus Aerogel her?

Da Aerogel über so gute Wärmedämmeigenschaften verfügt, stellt sich die Frage, ob dieses Material in unseren alltäglichen Szenarien zum Schutz des menschlichen Körpers vor Wärme und Kälte eingesetzt werden kann. Tatsächlich wird in der Textilwissenschaft auf diesem Gebiet geforscht und wir können einen Blick auf die aktuellen Forschungsergebnisse werfen.

Wenn wir im Alltag Kleidung tragen, wird diese zwangsläufig gedehnt, gezogen und gerieben, was bei herkömmlichen Textilstoffen ein Kinderspiel ist. Allerdings sind die mechanischen Eigenschaften der Aerogel-Strukturmaterialien selbst sehr schlecht. Sie brechen und pulverisieren leicht, haben keine Flexibilität und fallen nicht gut und sind nicht für den direkten Einsatz in Alltagstextilien und Kleidung geeignet.

Gebogenes Aerogel-Material. Foto vom Autor zur Verfügung gestellt

Auch Textilwissenschaftler haben über viele Möglichkeiten nachgedacht, diese Situation zu verbessern. Sie hoffen, durch den Einsatz von Aerogelen in Textilien und Kleidung die Kältebeständigkeit und Wärmeleistung zu verbessern.

Beispielsweise kann Aerogelpulver auf der Oberfläche von Textilmaterial haften, indem der Klebstoff oder die Eigenhaftung des Textilmaterials an Aerogel ausgenutzt wird. Eine Beschichtung mit Aerogel kann gleichmäßig auf die Oberfläche des Gewebes aufgetragen werden. Aerogelfasern können durch eine spezielle Verarbeitungstechnik direkt aus der Aerogel-Herstellungslösung hergestellt werden; oder es können Aerogelpartikel zur Spinnlösung hinzugefügt werden, um aerogelhaltige Chemiefasern herzustellen.

Es klingt, als gäbe es eine gewisse Hoffnung für die Anwendung von Aerogel in Kleidung, aber bei der tatsächlichen Umsetzung sind noch viele Probleme zu bewältigen.

Ist die aktuelle „Aerogel-Kleidung“ zuverlässig?

Es wurden viele Versuche unternommen, Aerogelmaterialien in Kleidung zu verwenden, aber leider gibt es bei diesen Technologien und Verfahren immer noch einige Probleme.

Beispielsweise ist der Herstellungsprozess von Aerogelfasern sehr langsam und ihre mechanischen Eigenschaften sind relativ schlecht, sodass sie der erforderlichen Spannung in den nachfolgenden Spinn- und Webprozessen nur schwer standhalten können. Obwohl die Wärmedämmung und die Wärmespeichereigenschaften behandelter Stoffe durch Oberflächenhaftungstechnologie oder Aerogel-Beschichtungstechnologie verbessert werden können, können die Stoffe leicht luftdicht und feuchtigkeitsundurchlässig werden. Es gibt auch Fälle, in denen sich Aerogelpartikel ablösen.

Einige Freunde sind möglicherweise verwirrt. Haben wir nicht schon erwähnt, dass Aerogel-Materialien in Raumanzügen verwendet werden? Warum kann ich keine Kleidung herstellen? Tatsächlich ist das in Raumanzügen verwendete Aerogelmaterial ein Polyimid-Aerogel mit hoher Festigkeit und guter Weichheit. Dieses Material wird derzeit nur in einigen Spezialbereichen wie Raumanzügen und Schutzkleidung verwendet.

Obwohl sie auch als „Kleidung“ bezeichnet werden, handelt es sich bei Raumanzügen und Schutzkleidung nicht um einfache Kleidungsstücke, sondern um eine Art spezielles persönliches Ausrüstungssystem. Aerogelmaterial ist als Wärmedämmstoff nur ein Teil des Systems. Darüber hinaus sind weitere Materialien und Geräte erforderlich, um den Feuchtigkeits- und Wärmehaushalt zwischen dem menschlichen Körper und der äußeren Umgebung zu gewährleisten. Es handelt sich um ein völlig anderes System als bei Alltagskleidung.

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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von Aerogel-Materialien in Alltagskleidung zum Kälteschutz und zur Wärmeisolierung unter den gegenwärtigen technologischen Bedingungen noch erheblichen Einschränkungen unterliegt und eine industrielle Produktion und Kommerzialisierung im großen Maßstab selten ist. Verbrauchern wird geraten, auf die Materialien und die tatsächliche Wirkung des in den entsprechenden Produkten verwendeten Aerogels zu achten und nicht blind zu bestellen.

Verweise

[1] Zhao Guoliang, Li Guangwu, Xue Rong et al. Anwendungsstatus von Aerogel im Textil- und Bekleidungsbereich[J]. Neue Werkstoffindustrie, 2021, (02): 48-53. DOI: 10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.009

[2] Ma Xiaoyi, Hu Yanping, Wang Kai et al. Forschungsfortschritte zur Herstellung, Struktur und Eigenschaften von Polyimid-Aerogelen [J/OL]. Polymermaterialwissenschaft und -technik, 1-12 [2023-11-13] https://doi.org/10.16865/j.cnki.1000-7555.2023.0221.

[3]NASA: Neue ultradünne, flexible Aerogele könnten zur Herstellung superisolierter Kleidung verwendet werden https://inhabitat.com/nasa-new-ultra-thin-flexible-aerogels-could-be-used-to-make-super-insulated-clothing/

[4]Langlebige Polyimid-Aerogele (LEW-TOPS-133)https://technology.nasa.gov/patent/LEW-TOPS-133

Dieser Artikel ist ein Werk des Science Popularization China-Starry Sky Project

Produziert von: Abteilung für Wissenschaftspopularisierung der Chinesischen Vereinigung für Wissenschaft und Technologie

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

Autor: Song Lidan China Textile Construction Planning Institute

Rezension von Zhang Jie, Chefingenieur des China Textile Construction Planning Institute