Инновации меняют мир
В области теплоизоляции аэрогель уже давно считается одним из твёрдых материалов с наиболее низкой теплопроводностью. Его часто называют «твёрдым дымом», и он заслужил репутацию эталона высокоэффективной теплоизоляции.
Однако у аэрогеля есть существенный недостаток — хрупкость.
Чрезвычайно высокая пористость обеспечивает аэрогелю исключительно низкую теплопроводность, но одновременно ограничивает его механическую прочность. Традиционные аэрогели могут разрушаться при изгибе или под воздействием давления, что создаёт значительные трудности при резке, сшивании и других видах обработки.
Поэтому на протяжении почти столетия исследователи и специалисты отрасли стремились создать теплоизоляционный материал, способный обеспечивать тепловые характеристики, сопоставимые с аэрогелем, но при этом сохранять гибкость и технологичность, характерные для текстильных материалов.
Разработка Y-Warm позволила воплотить эту идею в жизнь.
I. Что такое Y-Warm?
Y-Warm — это гибкий теплоизоляционный материал с наноструктурированной системой закрытых ячеек, разработанный компанией Y-Warm Technologies Co., Ltd.
История его создания началась в 2013 году, когда был запущен исследовательский проект.
В 2017 году исследовательская группа компании успешно разработала материал, который сама компания характеризует как первый в мире гибкий теплоизоляционный материал с наноразмерной структурой закрытых ячеек.
В 2019 году была завершена техническая валидация разработки, а в 2021 году начались производство в промышленных масштабах и вывод материала на рынок.
С точки зрения материаловедения ключевой технологический прорыв Y-Warm заключается в его внутренней структуре.
Благодаря применению технологии гибких полимерных структур с закрытыми ячейками и наномасштабными элементами исследователям удалось преодолеть проблему хрупкости, характерную для традиционных материалов на гелевой основе.
Сохраняя чрезвычайно низкую теплопроводность на уровне, сопоставимом с аэрогелем, Y-Warm сочетает гибкость с практической технологичностью. Материал допускает сшивание и машинную стирку.
Исследовательская команда характеризует достигнутые результаты как три «первых в мире» технологических достижения.
1. Преодоление хрупкости нанопористых материалов
Первое достижение связано с преодолением хрупкости — одного из давних механических ограничений нанопористых материалов.
2. Сочетание закрытопористой структуры с паропроницаемостью и быстрым высыханием
Второе достижение заключается в объединении теплоизоляционной структуры с закрытыми ячейками и таких функциональных свойств, как паропроницаемость и быстрое высыхание.
3. Применение низкотеплопроводной теплоизоляции в изделиях для холодной погоды
Третье достижение позволило использовать теплоизоляционную технологию с низкой теплопроводностью в изделиях, предназначенных для эксплуатации в холодных условиях, включая зимнюю одежду и обувь.
II. Как работает теплоизоляция Y-Warm: научные основы технологии
Теплоизоляционные свойства пористых материалов в значительной степени определяются их способностью ограничивать передачу тепла через газ, заключённый внутри пор.
Именно этот принцип является одним из ключевых факторов, позволяющих аэрогелям достигать исключительно низкой теплопроводности.
Y-Warm основан на схожем физическом принципе, однако его внутренняя структура существенно отличается от структуры аэрогеля.
1. Ячеистая структура с наномасштабными стенками
Исследования методом нанокомпьютерной томографии (Nano-CT) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показывают, что внутренняя структура Y-Warm напоминает пчелиные соты.
Стенки ячеек толщиной приблизительно 20–280 нанометров образуют отдельные закрытые ячейки диаметром около 30–190 микрометров.
Таким образом, структура материала сочетает стенки нанометровой толщины с изолированными закрытыми ячейками микрометрового размера.
2. Ограничение движения газа и конвективной теплопередачи
В пористых теплоизоляционных материалах ограничение движения газа внутри пор играет важную роль в уменьшении теплопередачи.
Структура Y-Warm, состоящая из отдельных закрытых ячеек, ограничивает перемещение газа внутри материала и подавляет конвективные процессы.
Благодаря этому снижается передача тепла через теплоизоляционный слой.
3. Снижение теплопроводности твёрдой матрицы
Одновременно тонкие стенки ячеек способствуют уменьшению плотности материала.
Такая структура также ограничивает передачу тепла посредством теплопроводности через твёрдую полимерную матрицу, способствуя повышению эффективности теплоизоляции.
4. Тепловое излучение в дальнем инфракрасном диапазоне
Поверхность Y-Warm имеет микротекстуру, значительно увеличивающую удельную площадь поверхности материала.
Это способствует высокой излучательной способности и придаёт материалу дополнительные характеристики теплового излучения в дальнем инфракрасном диапазоне.
III. Технические характеристики и эксплуатационные свойства Y-Warm
1. Толщина и теплоизоляционные характеристики
Рассмотрим материал YW-01.
Его толщина составляет всего 0,7 мм, однако при включении в конструкцию готового изделия он способен обеспечить повышение ощущаемой температуры приблизительно на 10 °C при определённых условиях испытаний.
Этот показатель относится к конкретным условиям испытаний и не означает гарантированного повышения ощущаемой температуры на 10 °C при любом способе применения.
2. Диапазон рабочих температур
Y-Warm может использоваться в диапазоне температур приблизительно от −50 °C до 150 °C.
При этом для некоторых спецификаций материала верхний предел рабочей температуры составляет 120 °C.
Таким образом, допустимый температурный диапазон зависит от конкретной спецификации материала.
3. Влагопоглощение и быстрое высыхание
Способность Y-Warm управлять влагой является одной из важных функциональных характеристик материала.
Его водопоглощающая способность приблизительно в два раза выше, чем у стандартной эталонной ткани.
Скорость испарения влаги также примерно в два раза выше, чем у эталонного образца.
Даже после полного насыщения влагой материал способен высохнуть естественным образом при комнатной температуре приблизительно за один час.
4. Антибактериальные свойства и безопасность материала
В состав Y-Warm входит антибактериальный компонент, разработанный с учётом экологических аспектов и предназначенный для сохранения эффективности после многократных стирок.
Материал также успешно прошёл испытания в отношении веществ, вызывающих особую обеспокоенность (SVHC, Substances of Very High Concern), в рамках регламента Европейского союза REACH.
5. Низкая поверхностная плотность и снижение массы
Поверхностная плотность Y-Warm составляет приблизительно 38–70 г/м².
Благодаря небольшой массе материал удобен в обращении: даже рулон шириной 150 см может легко обрабатываться одним человеком.
В зависимости от области применения и системы материалов, которую заменяет Y-Warm, снижение массы может достигать приблизительно 75 %.
6. Особенности измерения теплопроводности
Поскольку Y-Warm представляет собой ультратонкий материал с микротекстурированной поверхностью, точное определение его абсолютной теплопроводности с помощью стандартных методов измерения, разработанных для традиционных материалов, может представлять определённые сложности.
Поэтому полученные значения могут различаться в зависимости от используемого метода и условий испытаний.
В связи с этим низкая теплопроводность и высокие теплоизоляционные характеристики Y-Warm в настоящее время оцениваются на основе сочетания нескольких методов испытаний и сравнительных значений, а не только по результатам одного измерения.
IV. Y-Warm и аэрогель: альтернатива или дополнение?
Называя Y-Warm «альтернативой аэрогелю», необходимо учитывать конкретную область применения.
Это определение не означает, что Y-Warm превосходит аэрогель по всем характеристикам и во всех условиях эксплуатации.
Два материала существенно различаются по химическому составу, внутренней структуре, механическим свойствам и целевым направлениям использования.
1. Аэрогель: высокоэффективная теплоизоляция для требовательных условий эксплуатации
Традиционные кремнезёмные аэрогели состоят преимущественно из неорганического диоксида кремния и обладают трёхмерной нанопористой структурой.
Они обеспечивают исключительно высокие теплоизоляционные характеристики, однако в монолитной форме, как правило, отличаются хрупкостью.
Поэтому теплоизоляционные технологии на основе аэрогеля широко применяются в технически сложных областях, где особенно важна высокая эффективность теплоизоляции.
К таким областям относятся:
Аэрокосмическая промышленность;
Нефте- и газопроводы;
Системы терморегулирования аккумуляторных батарей.
2. Y-Warm: гибкая полимерная структура для более широкого спектра применений
В отличие от традиционных кремнезёмных аэрогелей, Y-Warm создаётся на основе органических полимеров.
Его внутренняя структура состоит из стенок нанометровой толщины, окружающих отдельные закрытые ячейки микрометрового размера.
Помимо гибкости и упругости, материал обладает паропроницаемостью и способностью к быстрому высыханию.
Эти свойства делают Y-Warm пригодным для использования более чем в 20 областях применения при низких и средних температурах, включая:
Одежду;
Палатки;
Обувь;
Постельные принадлежности;
Отделку автомобильных салонов;
Строительство.
3. В каких случаях Y-Warm может стать альтернативой аэрогелю?
В областях применения при низких и средних температурах, где важнейшими требованиями являются гибкость, паропроницаемость и технологичность обработки, Y-Warm может служить практичной альтернативой аэрогелю.
Однако в высокотемпературной теплоизоляции аэрогель по-прежнему играет важную роль и во многих случаях остаётся труднозаменимым материалом.
Поэтому выбор между Y-Warm и аэрогелем должен учитывать условия эксплуатации и требования конкретного применения.
4. Новый подход к теплоизоляции: высокая эффективность при минимальной толщине
Y-Warm представляет собой не просто ещё один теплоизоляционный материал, а иной подход к созданию теплоизоляции — достижение высокой эффективности при минимальной толщине.
Традиционные материалы для защиты от холода обычно используют толщину и объёмную структуру для удержания воздуха и уменьшения теплопотерь.
Y-Warm, напротив, ограничивает теплопередачу благодаря своей тонкой структуре с закрытыми ячейками, не полагаясь преимущественно на объём материала.
Такой подход позволяет выйти за рамки традиционного принципа «чем толще материал, тем лучше он сохраняет тепло».
Он предлагает новый вариант теплоизоляции, который может быть легче, тоньше и потенциально более эффективным с точки зрения использования ресурсов.
Подобная технология открывает дополнительные возможности для широкого спектра применений — от одежды и строительных конструкций до транспортных средств и решений для мобильности.
Часто задаваемые вопросы о Y-Warm и аэрогеле
1. Является ли Y-Warm разновидностью аэрогеля?
Нет. Y-Warm — это гибкий теплоизоляционный материал на основе органических полимеров, тогда как традиционные кремнезёмные аэрогели состоят преимущественно из диоксида кремния.
Оба материала используют пористую структуру для ограничения теплопередачи, но отличаются по составу, внутреннему строению и механическим характеристикам.
В определённых условиях Y-Warm может выступать альтернативой аэрогелю, однако не является его универсальной заменой.
2. Как закрытопористая структура Y-Warm снижает теплопередачу?
Y-Warm имеет отдельные закрытые ячейки диаметром приблизительно 30–190 микрометров, разделённые стенками толщиной около 20–280 нанометров.
Такая структура ограничивает движение газа внутри материала и снижает конвективную теплопередачу.
Тонкие стенки ячеек также способствуют ограничению теплопроводности твёрдой матрицы, повышая эффективность теплоизоляции.
3. Всегда ли материал YW-01 толщиной 0,7 мм повышает ощущаемую температуру на 10 °C?
Нет. Материал YW-01 толщиной 0,7 мм может обеспечивать повышение ощущаемой температуры приблизительно на 10 °C при использовании в составе готового изделия в определённых условиях испытаний.
Этот показатель не является универсальным результатом для всех изделий и условий эксплуатации.
4. Как Y-Warm сочетает закрытопористую структуру с управлением влагой и быстрым высыханием?
Несмотря на наличие закрытых ячеек, Y-Warm обладает паропроницаемостью и способностью к быстрому высыханию.
В указанных условиях сравнения его водопоглощающая способность приблизительно вдвое выше, чем у стандартной эталонной ткани, а скорость испарения влаги — примерно вдвое выше, чем у эталонного образца.
После полного насыщения влагой материал способен естественным образом высохнуть при комнатной температуре приблизительно за один час.
5. Может ли Y-Warm полностью заменить аэрогель, включая высокотемпературные применения?
Не во всех случаях.
Y-Warm рассчитан на использование в диапазоне температур приблизительно от −50 °C до 150 °C, при этом для отдельных спецификаций верхний предел составляет 120 °C.
В низко- и среднетемпературных применениях, где необходимы гибкость, паропроницаемость и технологичность, Y-Warm может служить практичной альтернативой аэрогелю.
Однако в высокотемпературной теплоизоляции аэрогель сохраняет важные преимущества и во многих областях остаётся труднозаменимым.
