Affrontare ambienti ostili con compositi aramidici-ceramici

I materiali resistenti all'usura e termoisolanti, progettati per ambienti ostili, spesso incontrano sfide inaspettate durante le fasi di sviluppo e produzione. Da un lato, il materiale deve mantenere proprietà specifiche, come la resistenza agli urti, ma dall'altro le sue prestazioni spesso si degradano (in particolare, la resistenza al calore diminuisce) ad alte temperature. Di conseguenza, la creazione di tessuti termoprotettivi durevoli richiede spesso processi produttivi complessi che prevedono la combinazione di più materiali.

Aramido fibre Sono ampiamente utilizzati in applicazioni di protezione, come ad esempio negli equipaggiamenti per vigili del fuoco e soccorritori, grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche. Tuttavia, le loro caratteristiche termiche ne limitano l'utilità; la loro conduttività termica relativamente elevata e la natura polimerica termosensibile rendono difficile fornire un'adeguata protezione termica in un ampio intervallo di temperature, mantenendo al contempo una robusta resistenza meccanica.

Al contrario, gli aerogel ceramici offrono eccezionali capacità di isolamento grazie alla loro struttura mesoporosa, caratterizzata da un'elevata superficie specifica e una bassa densità. Tuttavia, questi materiali ultraleggeri soffrono di fragilità meccanica e scarse prestazioni meccaniche.

I ricercatori dell'Università di Buffalo hanno combinato i punti di forza di entrambi i materiali per sviluppare un nanocomposito di aerogel aramidico/ceramico resistente all'usura, che presenta eccezionali proprietà meccaniche e termiche.


Un campione del nuovo nanocomposito di aerogel aramidico è mostrato appoggiato su un bocciolo di fiore, a dimostrazione della leggerezza del materiale. Queste caratteristiche rendono il nuovo nanocomposito un candidato promettente per la produzione a basso costo di tessuti indossabili destinati all'uso in ambienti difficili, tra cui il settore aerospaziale, l'elettronica e i dispositivi di protezione individuale.

Un team guidato da un professore dell'Università di Buffalo ha riportato i risultati ottenuti su questo composito aerogel aramidico-ceramico avanzato, che presenta un materiale con bassa densità (0,08 g cm⁻³), bassa conduttività termica (0,034 W m⁻¹ K⁻¹) e alta comprimibilità, insieme a una resistenza alla compressione di 1,1 MPa. Il processo prevede la preparazione di un tessuto aerogel aramidico attraverso una reazione di reticolazione in situ tra fibre aramidiche e precursori di aerogel di silice (HCl, micelle di CTAB, urea e silicato di sodio). Nanowerk descrive il processo di produzione: "Abbiamo impiegato una strategia di fabbricazione semplice e scalabile per produrre il nanocomposito tramite una reazione di reticolazione in situ tra aerogel di silice nanoporoso e fibre aramidiche; le fibre nanocomposite risultanti formano una rete 3D interconnessa con una matrice di silice cava e mesoporosa". La struttura delle fibre di aerogel presenta una rete porosa interconnessa e un elevato contenuto di aria intrappolata, conferendo al composito fibra aramidica-aerogel eccezionali prestazioni di isolamento termico, anche in ambienti estremi che vanno da -196 °C a 400 °C.

La chiave di questo metodo di fabbricazione risiede nella reticolazione in situ che avviene tra i precursori di aerogel di silice e le fibre aramidiche. Durante il processo di essiccazione a pressione ambiente, i precursori si trasformano in aerogel di silice nanoporoso e si depositano sulle fibre aramidiche. Le fibre aramidiche formano una rete di percolazione, mentre l'aerogel di silice si reticola e si deposita su questa rete di fibre. Il legame interfacciale tra le fibre aramidiche e l'aerogel, che si instaura durante la gelificazione, impedisce ulteriormente il collasso della rete di fibre.

Dopo aver dimostrato con successo le proprietà superiori di questo materiale isolante nanocomposito, il team sta ora studiando applicazioni specifiche, tra cui sistemi di isolamento termico e resistenti all'usura, armature antiurto e componenti strutturali per applicazioni termosensibili.