ダウンよりも薄いほうが暖かいですか？エアロゲル耐寒衣類はお金の無駄ですか？

冬が到来し、気温が急激に下がり、誰もがより厚くて暖かい冬服を買い求めています。 「航空宇宙グレードの素材、エアロゲルで作られています」というスローガンが、冬用の防寒着によく見られるようになり、超保温性があると主張していますが、値段も安くはありません。

ではエアロゲルとはどのような材料なのでしょうか？エアロゲル衣類は本当に寒さを防ぎ、保温する奇跡的な効果があるのでしょうか？

この写真は電子商取引プラットフォームから撮影されたものである

まず、エアロゲルとは何かから始めましょう。

エアロゲルとは何ですか?

エアロゲルは、多数の閉じた微細孔を内包した三次元ネットワーク構造材料の一種です。ゾルゲル変換プロセスとその後の特殊な乾燥プロセスを経て、無機材料またはポリマー高分子から製造できます。

この定義によれば、エアロゲルの概念は実際には（化学物質ではなく）固体構造を指していることがわかります。この構造の特徴は、多孔率が80.0%～99.8%と非常に高く、孔径が1～100ナノメートルの範囲にあることです。

エアロゲル構造の閉じた微細孔内には静的空気が分散しており、これによりエアロゲル構造の材料は低密度、低熱伝導率という性能特性を持つことになります。エアロゲル材料には、一般的に無機エアロゲルと有機エアロゲルが含まれます。無機エアロゲルにはシリカエアロゲル、二酸化チタンエアロゲル等が含まれ、有機エアロゲルにはポリイミドエアロゲル、ポリウレタンエアロゲル等が含まれます。

エアロゲル素材。著者提供の写真

エアロゲル材料は断熱性が高いため、航空宇宙、電子通信、難燃性、断熱性の分野で広く使用されています。例えば、航空宇宙分野では、エアロゲル材料は、航空機の熱シールド、減速機の柔軟な熱保護システム、宇宙推進システムのクライオチューブの断熱層、宇宙服などに使用されています。したがって、この観点から見ると、エアロゲルはまさに正真正銘の「宇宙グレードの材料」です。

エアロゲルで服を作るには？

では、エアロゲルは断熱性に優れているので、この材料を日常の人体の保温や防寒の場面で使用できるのでしょうか?繊維科学では実際にこの分野の研究を行っており、現在の研究結果を見ることができます。

私たちが日常生活で衣服を着るとき、衣料は必然的に伸びたり、引っ張られたり、擦れたりしますが、これは一般的な織物にとっては簡単なことです。しかしながら、エアロゲル構造材料自体の機械的特性は非常に劣っています。これらは簡単に壊れて粉になり、柔軟性とドレープ性に欠けるため、日常の繊維製品や衣類に直接使用するのに適していません。

曲がったエアロゲル素材。著者提供の写真

繊維科学者もこの状況を改善するためにさまざまな方法を考えており、繊維や衣類にエアロゲルを使用して防寒性と保温性を向上させることを望んでいます。

例えば、エアロゲル粉末は、接着剤または繊維材料自体のエアロゲルへの接着性を利用して、繊維材料の表面に付着することができる。エアロゲルを含んだコーティング仕上げを布地の表面に均一に塗布することができます。エアロゲル繊維は、特定の処理技術によりエアロゲル調製溶液から直接調製することができる。または、エアロゲル粒子を紡糸溶液に添加して、エアロゲルを含む化学繊維を製造することもできる。

エアロゲルの衣料への応用には期待が持てそうですが、実際に導入するにはまだ多くの課題があります。

現在の「エアロゲル衣料」は信頼できるのか？

エアロゲル素材を衣類に使用するための多くの試みがなされてきましたが、残念ながら、これらの技術とプロセスにはまだいくつかの問題が残っています。

例えば、エアロゲル繊維の製造プロセスは非常に遅く、機械的特性も比較的劣るため、その後の紡糸および製織プロセスで必要な張力に耐えることが困難です。表面接着技術やエアロゲルコーティング技術により、加工した生地の断熱性や保温性は向上しますが、生地が気密性や透湿性を失いやすくなります。エアロゲル粒子が剥がれてしまうケースもあります。

混乱する友達もいるかもしれません。以前、宇宙服にはエアロゲル素材が使われていると言いましたよね?なぜ服を作れないのか？実際、宇宙服に使用されているエアロゲル素材は、強度が高く柔らかさに優れたポリイミドエアロゲルです。この素材は現在、宇宙服や防護服など一部の特殊な分野でのみ使用されています。

宇宙服や防護服は「衣類」とも呼ばれますが、単なる衣類ではなく、特殊な個人装備システムの一種に属します。断熱材としてのエアロゲル素材は、システムの一部にすぎません。人体と外部環境の間の水分と熱のバランスを保つためには、他の材料や設備も必要です。普段着とは全く違うシステムです。

画像ソース: pixabay

要約すると、現在の技術状況では、防寒や断熱を目的とした日常の衣類におけるエアロゲル素材の使用には依然としてかなりの制限があり、工業的な大規模生産や商品化はまれである。消費者は、関連製品に使用されているエアロゲルの材質と実際の効果に注意し、盲目的に注文しないようにすることをお勧めします。

参考文献

[1] Zhao Guoliang、Li Guangwu、Xue Rong、他。繊維・衣料分野におけるエアロゲルの応用状況[J]新素材産業、2021年、(02):48-53。 DOI: 10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.009

[2] Ma Xiaoyi、Hu Yanping、Wang Kai 他。ポリイミドエアロゲルの製造、構造および特性に関する研究の進歩 [J/OL]。ポリマー材料科学と工学、1-12 [2023-11-13] https://doi.org/10.16865/j.cnki.1000-7555.2023.0221.

[3]NASA: 超薄型で柔軟性のあるエアロゲルが超断熱衣類の製造に使用可能https://inhabitat.com/nasa-new-ultra-thin-flexible-aerogels-could-be-used-to-make-super-insulated-clothing/

[4]耐久性ポリイミドエアロゲル（LEW-TOPS-133）https://technology.nasa.gov/patent/LEW-TOPS-133

この記事は科学普及中国-星空プロジェクトの作品です

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作｜中国科学技術出版有限公司、北京中科星和文化メディア有限公司

著者: 宋立丹 中国紡織建設計画研究所

レビュー丨中国紡織建設計画研究所主任エンジニア張傑氏