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Las fibras de aerogel superan a las fibras naturales y sintéticas en términos de aislamiento térmico.
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Estudio: Fibras de aerogel de cristal líquido Kevlar a nanoescala. Crédito: Composite_Carbonman/Shutterstock.com
En un artículo publicado en la revista ACS Nano, se fabricaron fibras de aerogel de cristal líquido (LC) de Kevlar a nanoescala con diferentes grados de ensamblaje de los componentes básicos a partir de nanofibras de Kevlar. Se siguió un enfoque secuencial de hilado por CL, procesamiento dinámico sol-gel, criosecado e hidrofobización con plasma frío.
Aislamiento térmico con fibras de aerogel
El aislamiento térmico en condiciones extremas es esencial para la supervivencia humana. El mercado de fibras aislantes térmicas altamente eficaces continúa creciendo rápidamente. Para el aislamiento térmico, las fibras deben ser muy porosas, con una densidad aparente muy baja.
Las fibras de aerogel se consideran el futuro de la protección térmica de alto rendimiento para los humanos. Estas fibras tienen las ventajas de densidades muy bajas, porosidades súper altas y áreas específicas significativas. Las fibras de aerogel han demostrado grandes ventajas sobre las fibras sintéticas y naturales para la protección térmica.
Desarrollos recientes
Se han hecho esfuerzos significativos en los últimos años para producir varias fibras de aerogel.
El hilado por reacción ya ha creado fibras de aerogel de sílice con buen aislamiento térmico y amplia estabilidad de temperatura, que se muestran prometedoras para aplicaciones portátiles.
Se fabricaron fibras de aerogel de poliimida con baja conductividad térmica y un amplio rango de temperatura de funcionamiento utilizando una técnica de transición sol-gel. Estas fibras de aerogel se pueden utilizar como componentes de aislamiento térmico en condiciones adversas, incluida la resistencia al fuego y la protección contra el frío.
Varias fibras conductoras de aerogel basadas en nanopartículas metálicas o láminas de grafeno se han desarrollado a lo largo de los años y tienen aplicaciones en electrónica, administración de energía y calefacción Joule.
Producción de fibras de aerogel
Las fibras de aerogel difieren de los aerogeles monolíticos no solo en la forma sino también en la técnica de fabricación.
Los aerogeles se fabrican tradicionalmente mediante una técnica de transición sol-gel y un proceso de secado criogénico o supercrítico.
El proceso de transición sol-gel estático para crear monolitos de aerogel se puede utilizar para fabricar cualquier aerogel, incluidos los aerogeles metálicos. El hilado en húmedo o el hilado por reacción se utilizan a menudo para producir fibras de aerogel, lo que da como resultado un mecanismo dinámico de transición sol-gel.
Esta técnica dinámica impone limitaciones en los tamaños de bloques de construcción de aerogel. Los bloques de construcción a nivel molecular son demasiado pequeños para pasar por el proceso sol-gel una vez arrojados al baño de precipitación. Aún así, los bloques de construcción de tamaño micrométrico son demasiado grandes para lograr las fibras de aerogel de área alta deseadas.
¿Qué hicieron los investigadores?
Las estructuras de tamaño nanométrico, como las nanofibras, las nanoláminas y las nanopartículas, son los únicos bloques de construcción adecuados para la fabricación de fibras de aerogel. El equipo diseñó y fabricó fibras de aerogel Kevlar LC de tamaño nanométrico en este estudio.
Las ventajas inherentes del Kevlar de tamaño nanométrico permitieron que se utilizara como bloque de construcción para la construcción de fibras de aerogel estampadas.
El Kevlar LC de tamaño nanométrico se sometió a hilado húmedo de cristal líquido, transición dinámica sol-gel, secado criogénico y tratamiento con plasma frío para crear fibras de aerogel con microestructuras ordenadas y controladas.
Las fibras de aerogel del Kevlar LC a nanoescala aseguran un aislamiento térmico significativo. Las fibras de aerogel de Kevlar LC con diferentes grados de disposición de bloques de construcción se convirtieron en fibras de gel correspondientes después de remojarlas en un solvente adecuado.
La fibra de aerogel Kevlar LC a nanoescala mostró una doble funcionalidad. Estas funciones incluían el aislamiento térmico, así como el cifrado de la información.
Hallazgos importantes
Las fibras de aerogel Kevlar LC a nanoescala con ensamblaje de bloques de construcción ajustables se desarrollaron mediante el hilado LC apropiado en un baño de coagulación con solvente donante de protones.
Las fibras de aerogel de Kevlar LC a nanoescala con orientaciones de bloques de construcción variables mostraron un brillo claro bajo luz polarizada y se produjeron variando la cantidad de nanofibras de Kevlar y la relación de estiramiento en el proceso dinámico de transición sol-gel.
Las fibras de aerogel Kevlar LC de tamaño nanométrico relacionadas mostraron una resistencia mecánica excepcionalmente alta, un excelente aislamiento térmico y propiedades superhidrofóbicas.
Al absorber alcohol etílico y secarse a presión atmosférica, la tela tejida a partir de estas fibras de aerogel Kevlar LC a nanoescala se puede intercambiar cíclicamente entre aerogel y gel.
Al tejer o bordar las fibras de aerogel Kevlar LC de tamaño nanométrico fabricadas con diferentes orientaciones de los bloques de construcción, el equipo pudo obtener tejidos digitales con datos encriptados, como códigos de barras.
El tejido desarrollado mostró una excelente seguridad de la información. Los datos cifrados solo se podían descifrar cuando el tejido digital se sumergió en alcohol etílico y luego se vio bajo luz polarizada.
Este estudio destacó el potencial de las fibras de aerogel nano-Kevlar LC para aplicaciones en aislamiento térmico, cifrado de datos y decodificación bajo demanda.
Relación
Liu Z, Lyu J, Ding Y, Bao Y, Sheng Z, Shi N y Zhang X (2022). Fibras de aerogel de cristal líquido Kevlar a nanoescala. ACS nano. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06591
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