Mengatasi Lingkungan Ekstrem dengan Komposit Aramid-Keramik

Material tahan aus dan isolasi termal yang dirancang untuk lingkungan yang keras sering menghadapi tantangan tak terduga selama pengembangan dan pembuatannya. Di satu sisi, material tersebut harus mempertahankan sifat-sifat tertentu—seperti ketahanan terhadap benturan—namun kinerjanya sering menurun (khususnya, ketahanan terhadap panas menurun) pada suhu tinggi. Akibatnya, pembuatan tekstil pelindung termal yang tahan lama seringkali membutuhkan proses manufaktur yang kompleks yang melibatkan kombinasi beberapa material.

Aramid serat Banyak digunakan dalam aplikasi pelindung—seperti perlengkapan untuk petugas pemadam kebakaran dan petugas tanggap darurat—karena sifat mekaniknya yang sangat baik. Namun, karakteristik termalnya membatasi kegunaannya; konduktivitas termalnya yang relatif tinggi dan sifat polimer yang sensitif terhadap suhu menyulitkan untuk memberikan perlindungan termal yang memadai di berbagai rentang suhu sambil tetap mempertahankan kekuatan mekanik yang kuat.

Sebaliknya, aerogel keramik menawarkan kemampuan isolasi yang luar biasa berkat struktur mesoporinya, yang memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi dan densitas rendah. Namun, material ultraringan ini memiliki kelemahan berupa kerapuhan mekanis dan kinerja mekanis yang buruk.

Para peneliti di Universitas Buffalo telah menggabungkan kekuatan kedua material tersebut untuk mengembangkan nanokomposit aerogel aramid/keramik tahan aus yang menunjukkan sifat mekanik dan termal yang luar biasa.


Sampel nanokomposit aerogel aramid baru ditunjukkan diletakkan di atas kuncup bunga, memperlihatkan sifat material yang ringan. Karakteristik ini menjadikan nanokomposit baru ini kandidat yang menjanjikan untuk produksi tekstil yang dapat dikenakan dengan biaya rendah yang ditujukan untuk digunakan di lingkungan yang keras, termasuk industri kedirgantaraan, elektronik, dan alat pelindung diri.

Sebuah tim yang dipimpin oleh seorang profesor dari University at Buffalo melaporkan temuan mereka tentang komposit aerogel aramid-keramik canggih ini, yang menunjukkan material dengan kepadatan rendah (0,08 g cm⁻³), konduktivitas termal rendah (0,034 W m⁻¹ K⁻¹), dan kompresibilitas tinggi, serta kekuatan tekan sebesar 1,1 MPa. Proses ini melibatkan pembuatan kain aerogel aramid melalui reaksi ikatan silang in-situ antara serat aramid dan prekursor aerogel silika (HCl, misel CTAB, urea, dan natrium silikat). Nanowerk menjelaskan proses pembuatannya: "Kami menggunakan strategi fabrikasi yang sederhana dan terukur untuk menghasilkan nanokomposit melalui reaksi ikatan silang in-situ antara aerogel silika nanopori dan serat aramid; serat nanokomposit yang dihasilkan membentuk jaringan 3D yang saling terhubung dengan matriks silika mesopori berongga." Struktur serat aerogel memiliki jaringan berpori yang saling terhubung dan kandungan udara terperangkap yang tinggi, sehingga komposit serat aramid-aerogel memiliki kinerja isolasi termal yang luar biasa, bahkan di lingkungan ekstrem mulai dari -196°C hingga 400°C.

Kunci dari metode fabrikasi ini adalah ikatan silang in-situ yang terjadi antara prekursor aerogel silika dan serat aramid. Selama proses pengeringan tekanan ambien, prekursor berubah menjadi aerogel silika nanopori dan mengendap pada serat aramid. Serat aramid membentuk jaringan perkolasi, sementara aerogel silika berikatan silang dan mengendap pada jaringan serat ini. Ikatan antarmuka antara serat aramid dan aerogel, yang terbentuk selama gelasi, selanjutnya mencegah runtuhnya jaringan serat.

Setelah berhasil menunjukkan sifat unggul dari material isolasi nanokomposit ini, tim tersebut kini sedang menyelidiki aplikasi spesifik, termasuk isolasi termal dan sistem tahan aus, pelindung tahan benturan, dan komponen struktural untuk aplikasi yang sensitif terhadap suhu.