Инновации меняют мир
Каждую зиму в мире моды разворачивается «негласное соревнование». С одной стороны — объёмные пуховики, в которых главное — защита от холода. С другой — лёгкая одежда, призванная сочетать стиль, комфорт и тепло. Инженеры-материаловеды тем временем задаются более фундаментальным вопросом:
Почему сохранение тепла должно зависеть от толщины?
В последние годы новый теплоизоляционный материал Y-Warm предложил иной подход. При толщине всего 0,7 мм он может в определённых условиях испытаний повышать ощущаемую температуру примерно на 10 °C, при этом его коэффициент теплопроводности сопоставим с показателями аэрогеля.
Чтобы понять, как настолько тонкий материал может обеспечивать эффективную теплоизоляцию, сначала нужно рассмотреть, как человеческое тело теряет тепло.
Тепло передаётся от тела в окружающую среду тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Задача теплоизоляции в одежде — по возможности снизить интенсивность теплопотерь по всем трём направлениям.
На протяжении веков одним из наиболее эффективных способов было простое решение: удерживать неподвижный воздух.
1. Теплопроводность: тепло передаётся при непосредственном контакте. Например, при прикосновении к холодному металлическому ограждению оно переходит от более тёплой руки к более холодному материалу. Интенсивность такой передачи во многом зависит от коэффициента теплопроводности: чем он ниже, тем медленнее передаётся тепло.
2. Конвекция: движущийся воздух уносит тепло с поверхности тела. Поэтому при холодном ветре температура ощущается значительно ниже: он постоянно нарушает и удаляет тонкий слой тёплого воздуха вокруг кожи.
3. Излучение: тело непрерывно испускает тепловое излучение, преимущественно в инфракрасном диапазоне. Даже в неподвижном воздухе, когда конвективные теплопотери малы или практически отсутствуют, передача тепла излучением продолжается.
В типичных условиях коэффициент теплопроводности воздуха составляет примерно 0,025 Вт/(м·К). Поэтому неподвижный воздух эффективно работает как теплоизолятор. На этом основано действие многих традиционных утеплителей: пуха, хлопка, шерсти и синтетических волокнистых наполнителей. Их структура образует множество небольших полостей, удерживающих воздух и ограничивающих передачу тепла.
Однако такой подход создаёт давнюю задачу для разработчиков теплоизоляции:
Чтобы удерживать больше воздуха, традиционным материалам обычно нужен больший объём внутренних пустот. Увеличение этого объёма, как правило, требует большей толщины и объёмности материала.
I Почему правило «чем толще, тем теплее» стало привычным
В производстве одежды для выражения теплоизоляции часто используют единицу кло (clo). 1 clo соответствует примерно 0,155 м²·К/Вт. Традиционно эту величину связывают с уровнем теплоизоляции, необходимым для теплового комфорта человека в состоянии покоя в стандартизированных условиях помещения.
У традиционных волокнистых утеплителей тепловое сопротивление обычно увеличивается с толщиной, если материал сохраняет объёмность и структуру, удерживающую воздух.
Этим объясняется, почему зимняя одежда для экстремально низких температур часто бывает объёмной. Например, высокоэффективный пуховик использует значительный объём расправленного пуха, чтобы сформировать вокруг тела толстый слой удерживаемого воздуха.
Если требуется более высокая теплоизоляция, привычное решение — увеличить количество материала и толщину утепляющего слоя. Поэтому на протяжении многих поколений сохранение тепла в сильный мороз часто означало необходимость мириться с дополнительным объёмом и весом.
Но обязательно ли теплоизоляция должна работать именно так?
II Аэрогель сочетает высокую теплоизоляцию с практическими ограничениями
Впервые разработанный в 1931 году, аэрогель представляет собой один из наиболее известных классов нанопористых теплоизоляционных материалов.
Кремнезёмные аэрогели могут обладать чрезвычайно высокой пористостью и очень низким коэффициентом теплопроводности. В зависимости от состава, структуры, плотности и условий испытаний значения для некоторых аэрогелей могут составлять примерно 0,012–0,018 Вт/(м·К).
Такие тепловые характеристики привели к их применению в аэрокосмической отрасли, промышленной теплоизоляции и специализированном защитном снаряжении.
Принцип заключается в том, чтобы не полагаться только на толстый волокнистый слой, удерживающий воздух. Аэрогель формирует очень тонкую пористую сеть, которая ограничивает перенос тепла на значительно меньшем структурном уровне.
При этом у традиционного кремнезёмного аэрогеля есть важное ограничение — хрупкость.
Его жёсткая неорганическая сеть может разрушаться при изгибе, сжатии или повторяющихся механических нагрузках. Чистый аэрогель может растрескиваться или образовывать частицы. Это затрудняет его непосредственное использование в гибких изделиях, которые многократно деформируются, например в повседневной одежде.
Возникает ещё одна задача материаловедения: можно ли сохранить тепловые преимущества нанопористых структур и одновременно преодолеть присущие им механические ограничения?
III Y-Warm использует гибкую пористую структуру с закрытыми порами
В основе Y-Warm лежит другой структурный подход: функциональные полимеры используются для создания гибкой теплоизоляционной структуры с закрытыми порами, спроектированной на наноуровне.
Вместо жёсткой неорганической основы материал сочетает чрезвычайно тонкие стенки пор с не сообщающимися между собой ячейками в гибком полимерном каркасе. Благодаря этому Y-Warm сохраняет ультратонкую форму и остаётся достаточно мягким для включения в текстильные изделия.
Для его тепловых характеристик особенно важны три структурные особенности.
1 Структура с закрытыми порами
Пористые материалы обычно подразделяют на материалы с открытоячеистой и закрытоячеистой структурой.
В открытоячеистом материале соседние поры соединены между собой, поэтому газы или жидкости могут перемещаться по внутренней структуре. В закрытоячеистом материале отдельные поры в значительной степени изолированы друг от друга.
В Y-Warm воздух удерживается в многочисленных независимых микроскопических камерах. Ограничение внутреннего движения воздуха помогает подавлять конвективный перенос тепла внутри материала.
Иными словами, Y-Warm не опирается на толстую объёмную сеть волокон для удержания больших объёмов воздуха. Более мелкая ячеистая структура удерживает воздух в чрезвычайно тонком слое.
2 Ультратонкие стенки пор
Данные сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и нано-КТ показывают следующие размеры:
Толщина стенок пор Y-Warm составляет примерно 20–280 нм, а диаметр пор — примерно 30–190 мкм.
Такая высокопористая архитектура уменьшает количество твёрдого вещества, способного проводить тепло.
Перенос тепла по твёрдой фазе отчасти зависит от непрерывности и геометрии твёрдого каркаса. Поэтому уменьшение размеров стенок пор может помочь снизить передачу тепла через твёрдую фазу, сохраняя при этом структурную целостность материала.
В результате материал сочетает очень малую общую толщину с высокой внутренней пористостью.
3 Гибкий полимерный каркас
Это одно из наиболее важных отличий Y-Warm от традиционного кремнезёмного аэрогеля.
Кремнезёмный аэрогель опирается на жёсткую неорганическую сеть, а Y-Warm использует гибкий полимерный каркас, рассчитанный на изгиб и деформацию. Такой подход направлен на преодоление проблемы хрупкости на уровне самого материала.
Y-Warm можно раскраивать, сшивать и простёгивать для включения в одежду и другие текстильные изделия. При соблюдении подходящих условий ухода он также выдерживает машинную стирку при комнатной температуре.
Помимо теплоизоляции, Y-Warm содержит гидрофильные функциональные группы, способствующие поглощению влаги и управлению переносом водяного пара. Особенности структуры и поверхности также поддерживают быстрое испарение влаги и высокую излучательную способность в инфракрасном диапазоне. Это придаёт материалу дополнительные свойства, связанные с управлением влажностью и дальним инфракрасным диапазоном.
В совокупности эти характеристики помогают решать давнюю задачу термоодежды: как объединить в одном материале высокую тепловую эффективность, небольшую толщину, гибкость и управление влажностью?
IV От объёма к проектированию микроструктуры
От использования натуральных волокон тысячи лет назад до современной возможности проектировать пористые структуры в микроскопическом и нанометровом масштабах основной принцип теплоизоляции остаётся прежним: уменьшать количество тепла, передаваемого в единицу времени.
Изменился масштаб, на котором инженеры могут управлять этим процессом.
Традиционные утеплители в первую очередь используют толщину и объёмность для удержания неподвижного воздуха. Аэрогель показал, что целенаправленно спроектированные нанопористые структуры могут обеспечивать выдающиеся тепловые характеристики при значительно меньшей толщине материала. Однако его хрупкость ограничила применение там, где необходимы гибкость и многократная деформация.
Y-Warm представляет другой подход: управление переносом тепла внутри ультратонкого материала с помощью гибкой пористой структуры с закрытыми порами.
Значение структуры толщиной 0,7 мм не сводится только к уменьшению толщины теплоизоляции. Она указывает на более широкий сдвиг в проектировании теплоизоляционных материалов: от преимущественной опоры на габариты и объёмность к управлению структурой и тепловой эффективностью на всё меньших масштабах.
Для производителей одежды это может открыть новые возможности: лучше сочетать защиту от холода с лёгкостью, тепловые характеристики с гибкостью, а теплоизоляцию — с комфортом в зимней одежде.
Часто задаваемые вопросы
1. Какое улучшение теплового ощущения может дать Y-Warm толщиной 0,7 мм?
В определённых условиях испытаний Y-Warm толщиной 0,7 мм может повышать ощущаемую температуру примерно на 10 °C. Это значение связано с условиями конкретного испытания.
2. Как Y-Warm ограничивает перенос тепла в настолько тонком слое?
Закрытые поры удерживают воздух в независимых микроскопических камерах, помогая ограничить внутреннюю конвекцию. Ультратонкие стенки и высокая пористость уменьшают количество твёрдого вещества, участвующего в теплопередаче, и могут снижать перенос тепла через твёрдую фазу. Гибкий полимерный каркас позволяет включать такую тонкую структуру в текстильные изделия.
3. И диаметр пор, и толщина их стенок у Y-Warm относятся к нанометровому масштабу?
Нет. По данным сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и нано-КТ толщина стенок составляет примерно 20–280 нм, то есть относится к нанометровому масштабу. Диаметр пор составляет примерно 30–190 мкм и относится к микрометровому масштабу. Это разные структурные параметры.
4. Чем структура Y-Warm отличается от структуры традиционного кремнезёмного аэрогеля?
Традиционный кремнезёмный аэрогель основан на жёсткой неорганической сети, которая может растрескиваться или образовывать частицы при изгибе, сжатии и повторяющихся нагрузках. Y-Warm использует гибкий полимерный каркас с закрытыми порами, рассчитанный на изгиб и деформацию и подходящий для включения в одежду и другие текстильные изделия.
5. Можно ли раскраивать, сшивать и стирать Y-Warm в машине?
Да. Y-Warm можно раскраивать, сшивать и простёгивать для включения в одежду и другие текстильные изделия. При соблюдении подходящих условий ухода он также выдерживает машинную стирку при комнатной температуре.
