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Technologie: Textilien aus neuer Thermofaser halten warm wie Eisbärenfell

Technologie

Textilien aus neuer Thermofaser halten warm wie Eisbärenfell

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    Ein dickes Fell schützt Eisbären bei eisigen Temperaturen. Die Haare haben einen porösen Kern und eine stabile Umhüllung.
    Ein dickes Fell schützt Eisbären bei eisigen Temperaturen. Die Haare haben einen porösen Kern und eine stabile Umhüllung. Foto: Adobe Stock

    Das Fell von Eisbären als Inspirationsquelle für extrem wärmeisolierende Textilien: Chinesische Forschende haben eine Faser entwickelt, die aufgebaut ist wie das Haar der arktischen Tiere, nämlich mit einem porösen Kern und einer Umhüllung. Das poröse Innere schließt viel Luft ein, was den Wärmeverlust minimiert. Die Umhüllung verleiht der Struktur Stabilität. 

    Die Gruppe um Mingrui Wu von der Zhejiang University in Hangzhou ließ aus diesen Fasern ein Sweatshirt stricken. Die Textilie hielt bei –20 Grad Celsius genauso viel Wärme am Körper wie eine fünfmal so dicke Daunenjacke, schreiben die Forschenden in der Fachzeitschrift Science. Für den luftigen Kern der Faser verwendeten Wu und sein Team ein sogenanntes Aerogel. Aerogele wurden vor mehr als 90 Jahren entwickelt, sie bilden einen hochporösen Feststoff, der sich gut als Isolationsmaterial eignet.

    Textilien aus der Faser halten auch bei –20 Grad Celsius warm

    „Leider ist ihre Anwendung in Textilien aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit und schlechten Verarbeitbarkeit stark eingeschränkt“, schreiben die Forschenden über Aerogele. Dieses Hindernis überwanden sie, indem sie die Aerogelfaser mit einem thermoplastischen Polyurethan, einem dehnbaren Kunststoff, umhüllten. Um eine in Längsrichtung ausgerichtete Mikrostruktur zu erhalten, nutzte das Team um Wu die Technik des Gefrierspinnens: Ein flüssiger Aerogelstrang wird durch einen kalten Kupferring geführt, um ein Eiskristallwachstum zu erzeugen. So entstehen lamellenartige feste Strukturen mit Luftzwischenräumen. Nach einer Gefriertrocknung ist die Struktur stabil. 

    Anschließend durchläuft die Aerogelfaser eine Polyurethanlösung. Je nach Zähflüssigkeit der Lösung gerät die Faserhülle unterschiedlich dick. Versuche ergaben, dass eine 0,08 Millimeter dicke Polyurethan-Schicht um einen Kern mit einem Durchmesser von 0,6 Millimetern den besten Kompromiss zwischen Isolierung und Stabilität darstellt. Dann testeten die Forschenden die Eigenschaften der neuen Faser. Sie dehnten die Faser auf das Zehnfache ihrer Länge, was sie schadlos überstand. Auch 10.000 Zyklen der Dehnung auf die doppelte Länge bewirkten keine Veränderung der Wärmeisolierung. „Diese stabile Wärmedämmleistung führen wir auf die robuste Kapselschicht zurück, die die Unversehrtheit der Faser gewährleistet“, schreiben die Studienautoren. 

    Bei –20 Grad Celsius wiesen ein Baumwoll-Sweatshirt eine äußere Temperatur von 10,8 Grad, ein Woll-Sweatshirt 7,2 Grad, eine Daunenjacke 3,8 Grad und ein Sweatshirt aus den neuen Fasern 3,5 Grad auf. Je niedriger die Gradzahl, desto besser isoliert das Kleidungsstück. Das änderte sich auch nicht nach dem Waschen – ein weiterer Vorteil der Fasern, denn die meisten Aerogele büßen bei der Berührung mit Wasser an Funktionsfähigkeit ein.

    Für die industrielle Herstellung dauert das Spinnen der Faser noch zu lange

    Außerdem zeigten die Forschenden, dass die Fasern gefärbt werden können. Sie mixten Farbstoffe in die Aerogellösung. Weil die Hülle durchsichtig ist, sind die Farben des Aerogelkerns zu sehen. Die Umkapselung schützt sowohl die Farbe als auch das Aerogel vor Abrieb. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Strategien zur Dotierung oder Beschichtung von Textilien mit Aerogel verwendeten wir einen biomimetischen Ansatz, bei dem die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Aerogelfaser getrennt entworfen wurden“, fasst das Team zusammen.

    In einem Kommentar, ebenfalls in Science, schreiben Zhizhi Sheng und Xuetong Zhang vom Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics im chinesischen Suzhou: „Dies könnte die Entwicklung fortschrittlicher Thermotextilien für den persönlichen Gebrauch anstoßen.“ Sie merken jedoch an, dass das Faserspinnen noch zu langsam ist für einen industriellen Prozess. Beim Nassspinnen wird in derselben Zeit etwa zehnmal so viel Faser produziert. Aber sie bemerken: “Durch die gleichzeitige Weiterentwicklung von Materialien und Herstellung könnten Aerogelfasern viele potenzielle Anwendungen haben.“

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