Американские химики обнаружили, что если в поры неопрена ввести молекулы инертных газов, например криптона, аргона или ксенона, то его теплопроводность можно уменьшить примерно в два раза. Гидрокостюм из такого материала в три раза увеличивает возможное время пребывания в воде при температуре ниже 10 градусов Цельсия по сравнению с обычными неопреновыми костюмами, пишут ученые в RSC Advances.

Неопрен — хлорсодержащий каучук, который используется, в первую очередь, для создания гидро- и теплоизолирующих материалов. Основной объем неопрена — до 85 процентов — составляют замкнутые несвязанные между собой поры, наполненные газом, благодаря чему неопрен очень плохо проводит тепло и может быть использован, например, в качестве материала для гидрокостюмов, в которых можно долго находиться в холодной воде без переохлаждения. По теплопроводности неопрен немного уступает некоторым другим материалам, в частности полистиролу или полиуретану, однако из-за своих механических свойств именно он чаще всего используется для создания одежды с высокими теплоизолирующими характеристиками. Однако, и неопрен не лишен недостатков: во-первых, даже в таком гидрокостюме находиться в холодной воде дольше одного часа не удастся, а во-вторых, эти костюмы приходится делать достаточно толстыми, что ограничивает свободу движения.

Американские исследователи под руководством Якопо Буонджорно (Jacopo Buongiorno) из Массачусетского технологического института предложили способ повысить эффективность неопрена за счет введения внутрь пористого материала молекул инертных газов. Сразу после изготовления в порах неопрена размером около 100–200 микрометров заключен азот или воздух. Однако если пористый материал поместить в атмосферу другого газа повышенного давления, то химический состав газовой смеси в порах можно поменять. Молекулы азота и кислорода способны покидать поры материала, просачиваясь сквозь полимерные стенки, а их место при этом занимают молекулы другого газа.

В данном случае ученые помещали неопреновый материал в атмосферу инертных газов: ксенона, аргона или криптона — с давлением, примерно в 2,5 раза больше атмосферного. В результате воздух покидал поры, а его место занимал инертный газ. В каждом из трех случаев такая замена приводила к заметному снижению теплопроводности, что связано с разницей в теплопроводности самих газов (коэффициент теплопроводности воздуха при комнатной температуре составляет 0,026 ватт на метр при разнице температур в один градус, аргона — 0,018 ватт на метр, криптона — до 0,0095 ватт на метр, а ксенона — 0,0055 ватт на метр). Эффект от введения газа становится заметным уже через два часа обработки, а постоянного значения коэффициент теплопроводности достигает через пять дней после начала процедуры. По сравнению с обычным неопреном теплопроводность удается таким образом снизить на 25–40 процентов. Самый низкий коэффициент теплопроводности оказался у неопрена с ксеноном — он достигал значения 0,027 ватт на метр при разнице температур в один градус.

Микрофотография пористой структуры неопрена (слева) и схема замены газа в порах с воздуха на аргон, криптон или ксенон (справа). J. L. Moran et al./ RSC Advances, 2018

Теплопроводность неопрена с различными газами внутри пор (слева): синим цветом обозначены экспериментальные данные, красным — данные теоретической модели. Слева представлена зависимость коэффициента теплопроводности неопрена с различным составом газа в зависимости от времени на воздухе. J. L. Moran et al./ RSC Advances, 2018

Основной недостаток такого материала — то, что на воздухе инертные газы с течением времени постепенно покидают поры, что приводит к увеличению теплопроводности и, соответственно, понижению теплоизолирующих свойств. Однако свойств обычного неопрена этот материал достигает лишь через несколько десятков часов, в течение которых его можно использовать как значительно более эффективный материал.

Работоспособность полученных неопреновых материалов ученые проверили и в условиях холодной воды с температурой ниже 10 градусов. Для получения нужного состояния неопрен подвергался многостадийной обработке инертными газами в стечение семи дней. Оказалось, что гидрокостюмы из такого материала позволяют увеличить время максимального пребывания в холодной воде (до тех пор, пока не наступит переохлаждение) с менее чем одного часа до 2–3 часов. Кроме того, ученые отмечают, что использование инертных газов позволяет примерно в два раза уменьшить толщину материала без потери его свойств.

По словам авторов работы, одно из достоинств предложенного метода — это возможность внедрения его в промышленные технологии прямо сейчас. Довольно простая обработка уже готового неопренового материала или аналогичного ему позволит получать значительно более эффективные гидрокостюмы. Кроме того, подобный подход может использоваться и для других задач, связанных с необходимостью запасать энергию в условиях возможных тепловых потерь.

Автор: Александр Дубов