氣凝膠在服飾鞋被紡織品中的應用

崔海云 何婷婷

隨著生活水平的日益提高，人們對服裝、被裝的舒適性和美觀性要求越來越高，保溫、舒適、輕盈的功能紡織品備受關注，服裝領域一直在尋找一種新型的保溫材料，其中，氣凝膠因其導熱系數低、耐高溫、密度小等特性使其具備了制作保溫服的潛力。英國登山家安尼·帕爾門特2011年登珠峰時所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料，他的睡袋里也有一層這種新材料。美國宇航局的資深科學家馬克·克拉杰沃斯基說，宇航服中加入一個18mm厚的氣凝膠層，就能幫助宇航員扛住1 300℃的高溫和-130℃的超低溫。本文針對有卓越保溫性能的氣凝膠在服飾鞋被等紡織品上的技術發展情況進行梳理，旨在初步探討其未來在服飾鞋被等紡織品上的技術發展趨勢，以期為該行業的發展提供一定的參考。

1 氣凝膠簡介

氣凝膠（Aerogel）是一種具有納米多孔結構的超輕固體材料，1931年由美國科學家S.Kistler發明。氣凝膠是將濕凝膠經特殊的干燥處理使得凝膠骨架間的液相被氣相所取代，而凝膠骨架完好地保留下來所得到的一種超多孔三維納米材料，其獨特的微觀結構賦予該材料以超低的密度、超大的比表面積、超高的孔隙率、超低的熱導率、不燃、耐高溫、拒水性極好等優越性能，尤其是氣凝膠能大量鎖定微小空間內的靜止空氣、熱導率極低、質量極輕且不易吸水，作為保溫隔熱材料性能極優。氣凝膠的種類很多，有硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系、金屬系等等，應用于服飾鞋被等紡織品上常見的是硅系、碳系氣凝膠。

2 氣凝膠在紡織品中應用的技術進展

氣凝膠為目前已知的所有天然和人造固體中密度最低的固體，其保溫隔熱性能比作為天然的羽絨還要好很多。但氣凝膠為脆性材料，無法直接整塊或整體地應用到服飾鞋被這類在使用和/或收納時需要彎折的產品上，因此必須將氣凝膠先制成顆粒或粉末狀再使其附著或被包裹到其他基材中使用。目前，氣凝膠與織物之間的結合方式，主要是涂層結構、夾心結構及氣凝膠薄膜等形式。

氣凝膠自身難以與織物結合，因而需要將氣凝膠制成保溫涂料，然后通過涂層達到目的。例如，廈門安踏體育用品有限公司張偉強等人[1]研發了一種氣凝膠保暖隔熱涂層面料，將包括二氧化硅（SiO2）氣凝膠粉體、聚氨酯乳液、交聯劑和發泡劑的漿料在織物上通過涂層工藝制得，氣凝膠保暖隔熱涂層面料上主要有聚氨酯包裹的氣凝膠粉體，既保持氣凝膠的隔熱保溫特性，又具備聚氨酯材料本身優良的延伸性能，使整個涂層面料具有柔軟舒適的手感且不出現SiO2氣凝膠脫落現象。陜西盟創納米新型材料股份有限公司陳國等人[2]將SiO2凝膠浸潤于纖維中，再采用超臨界干燥，得到SiO2氣凝膠復合織物，將錦綸、腈綸、丙綸、維綸或滌綸等紡織纖維制品浸入配制的SiO2溶膠中，待所述紡織纖維制品完全浸透后進行凝膠老化形成凝膠成型體，再將凝膠成型體置于壓力容器中，通入二氧化碳調節壓力容器內的溫度、壓力進行干燥后，即得所述復合織物。

但是，由于傳統的氣凝膠難以在溶劑中均勻分散，即使加入穩定劑或分散劑等助劑制成的涂層也還是存在易掉粉、柔韌度差等問題，于是有人采用將SiO2氣凝膠填充于2層布料間做成夾層結構，將氣凝膠顆粒作為填充材料，并通過各種方式固定在2層材料之間，或者將氣凝膠顆粒與其他的纖維等柔軟多空隙的材料混合后再作為填充材料進行填充。南通旺而盛紡織有限公司王海軍[3]發明一種在外層布及襯里布之間設有羽絨內芯層和碳氣凝膠襯里層的保溫羽絨服，外層布、襯里布及羽絨內芯層和碳氣凝膠襯里層通過絎縫線固定定型。山東源根化學技術研發有限公司王士平等[4]發明一種服裝被褥用柔軟輕薄超保暖填充材料，包括填充材料本體，該填充材料本體包括柔軟層以及設置在柔軟層上下2面粘結層，所述柔軟層上面的粘結層的上方設置有防水層，所述柔軟層包括柔軟多空隙材料以及填充在柔軟多空隙材料內氣凝膠顆粒。該柔軟多空隙材料為毛氈、棉氈、毛棉混合氈、太空棉氈、絲綿、絨布中的至少一種物質；該氣凝膠顆粒為硅氣凝膠、碳氣凝膠中的任意一種物質。該填充材料本體上還設置有均勻分布并貫穿柔軟層、粘結層的通氣孔。

還有以將氣凝膠形成氣凝膠膜的方式應用于服裝被褥類紡織用品中的應用方式。廈門大學余煜璽等人[5]將SiO2氣凝膠粉體分散于聚合物溶液中，再通過靜電紡絲的方法噴出納米纖維，進而形成柔性復合氣凝膠膜，該納米纖維復合膜既具有納米纖維所特有的柔性，又兼具SiO2氣凝膠所具有的高比表面積、低導熱系數等優點，孔徑在20～30nm之間，可以作為復合材料，應用于隔熱保溫領域。武漢大學張俐娜課題組把纖維素溶解在低溫堿體系中，再生后得纖維素水凝膠薄膜，把水凝膠薄膜浸入TEOS（正硅酸乙酯）前驅體溶液中，進行溶膠凝膠化，在纖維素骨架上原位生成SiO2納米顆粒，SiO2負載量高達60%，最終得到比表面積高達600m2/g的纖維素-SiO2氣凝膠膜。

而上述將氣凝膠簡單附著在纖維或織物的外表面的各種技術方案，氣凝膠粉末的附著效果差、容易掉粉、且力學性能差、可紡性差。東華大學朱美芳[6，7]公開了一種將SiO2前驅體和纖維素溶液的混合液注入酸性凝固浴中，再進行濕法紡絲制備出SiO2/纖維素復合氣凝膠纖維，具有豐富的孔洞、高的比表面積、耐高溫、耐化學腐蝕，同時纖維比表面積可調，有一定的韌性，明顯改善了其力學性能，可紡性好。東華大學陳文萍等人[8]以有機硅氧烷為前驅體，以纖維素纖維為骨架，通過溶膠-凝膠法及一步熱反應法在纖維表面原位生長硅凝膠制備出復合濕凝膠纖維，經溶劑置換后再通過常溫常壓干燥制得纖維素纖維/ S i O2復合氣凝膠材料，該復合氣凝膠材料具備良好的保溫性能、力學性能滿足服用要求，表面疏水、透濕透氣，較之于傳統的保溫材料受潮濕影響小，適用于各類低溫防寒保暖衣物用。內蒙古科技大學賽華征等人[9]研究了一種高強度纖維素/ SiO2復合氣凝膠長纖維，該復合氣凝膠長纖維由纖維素納米纖維網絡和SiO2凝膠骨架復合而成，其宏觀形態呈長纖維狀，該復合氣凝膠長纖維的抗拉強度為2～20MPa，比表面積為300～900m2/g，熱導率為0.018～0.037W/（m·K），可以被加工成高強度、優性能、可編織型氣凝膠長纖維。

航天特種材料及工藝技術研究所劉韜等[10]提出一種聚酰亞胺氣凝膠復合材料，將聚酰胺酸溶液與交聯劑快速混合后噴涂到有機布料或有機薄氈上浸漬并凝膠，得聚酰胺酸濕凝膠復合材料，低溫浸泡亞胺化試劑，進行亞胺化反應，得聚酰亞胺濕凝膠復合材料，再溶劑置換、超臨界干燥，得聚酰亞胺氣凝膠復合材料，使聚酰亞胺氣凝膠均勻分散在有機布料或有機薄氈內。該方案將有機纖維布或薄氈與聚酰亞胺氣凝膠進行原位復合，制備了聚酰亞胺氣凝膠復合材料，其導熱系數低，拉伸性能、加工性和使用可靠性好，實現了聚酰亞胺氣凝膠增強增韌，解決了現有技術中聚酰亞胺氣凝膠在加工和使用中易破損的問題，斷裂應變可達22%以上，遠大于商品化聚酰亞胺氣凝膠（斷裂應變為9%），能完全滿足氣凝膠帳篷、氣凝膠服裝保溫的使用要求，還具有不掉粉、質量輕、保溫性能好和韌性好的特點。

羽絨是質量較輕、保溫性能較好的保溫材料，為了充分利用羽絨的保溫隔熱性能，有人考慮將羽絨和氣凝膠粉末復合起來，制得性能更好的服飾鞋被用保溫隔熱材料。翁文灝[11]研究一種氣凝膠改性羽絨材料，采用防掉粉結構包裹或黏附在氣凝膠粉末單體顆粒外，防掉粉結構包裹或黏附在填充了氣凝膠粉末單體顆粒的絨朵之外，或者防掉粉結構包裹或黏附在包裹或黏附了氣凝膠粉末單體顆粒的絨朵之外。該材料充分利用了羽絨優異的保溫隔熱性能，又能利用氣凝膠更加卓越的保溫隔熱性能，密度和厚度均極小且具有拒水性等性能，也能夠防止氣凝膠粉末從羽絨制品中脫落或滲出。

東華大學丁彬等人[12]研究了一種

具有防水透濕功能的超輕質氣凝膠保暖材料，包括仿羽絨結構纖維氣凝膠以及復合于仿羽絨結構纖維氣凝膠之上的防水透濕膜。該仿羽絨結構纖維氣凝膠是采用靜電紡絲技術，用聚合物紡絲液在無紡布基材上形成細纖維與粗纖維相互纏繞的仿羽絨結構的纖維氈，再形成仿羽絨纖維漿液，最后進行成型處理-溶劑干燥-固化處理，獲得仿羽絨結構纖維氣凝膠。該氣凝膠保暖材料的體積密度為1～300mg/cm3，導熱系數為0.015～0.023W/（m·K），具有良好的防水透濕功能，且超輕，能夠很好地滿足在服飾鞋被等紡織用品上的應用。

3 氣凝膠在紡織品應用中存在的問題及未來研究方向

服飾鞋被等紡織用品在使用和/或收納時需要彎折，而氣凝膠為脆性材料，且以夾心結構或者與其他材料混合填充時，由于氣凝膠粉體粒徑小，其容易沿著縫線針眼或者纖維的孔隙漏出而產生粉塵，并且導致其在紡織用品中的用量受限；氣凝膠以涂層或者浸潤紡織品等方式而形成氣凝膠復合材料的技術方案，氣凝膠的附著效果差、容易掉粉，無法進行正常的水洗或者持久性差，且力學性能差、可紡性差；以氣凝膠膜形成復合材料應用于紡織產品的技術方案，其透氣性相對較差，從而降低了服飾鞋被等紡織品的舒適性，而且現有氣凝膠紡織用品中多用化學合成纖維，其在服用舒適性方面也有一定的局限性。

針對上述現有氣凝膠應用于服飾鞋被類紡織用品中存在的問題，在未來可以考慮對以下幾個方面進行研究：

加強氣凝膠與纖維或織物的結合，以減少紡織產品中由于氣凝膠的脫落而產生的粉塵，并增加氣凝膠在紡織品中的用量，提高用品的保暖性能，同時提供產品的輕薄性；提升氣凝膠復合纖維的力學性能，改善氣凝膠復合纖維的可紡性能，以滿足其引用于服飾鞋被等紡織品時的加工工藝需求，提升紡織品的外觀；改善氣凝膠復合紡織品的柔韌性，提升復合紡織品的手感，增強氣凝膠復合紡織品的服用性能；服飾鞋被類紡織用品的透氣、透濕性能也是提升用品舒適性的重要性能，提高服飾鞋被類紡織品用氣凝膠復合材料的透氣、透濕性能，更有利于拓寬服飾鞋被類紡織品用氣凝膠復合材料的應用范圍，提高產品的附加值；將氣凝膠與天然纖維的復合制成服飾鞋被類紡織品，既利用氣凝膠的保溫性能，又能利用天然纖維的親膚、吸濕透氣性，提升紡織品的觸膚性、保溫性，從而開發出保暖、輕薄的服飾鞋被類紡織品。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.010

注：第二作者對本文的貢獻等同于第一作者。

參考文獻

[1] 廈門安踏體育用品有限公司.一種氣凝膠保暖隔熱涂層面料及其制備方法：CN110983795A[P].2020—04—10.

[2] 陜西盟創納米新型材料股份有限公司.復合織物的制造方法、復合織物及設有該復合織物的鞋：CN103352363A[P].2013-10-16.

[3] 南通旺而盛紡織有限公司.一種新型保溫羽絨服：CN203058351U[P].2013—07—17.

[4] 山東源根化學技術研發有限公司.服裝被褥用柔軟輕薄超保暖填充材料及其制造方法：CN105366620A[P].2016-03-02.

[5] 廈門大學.一種二氧化硅氣凝膠納米纖維復合膜的制備方法：CN108035074 A[P].2018—05—15.

[6] 東華大學.一種SiO2/纖維素韌性氣凝膠纖維的制備方法：CN105463603 A[P].2016—04—06.

[7] 東華大學.一種后負載SiO2制備高比表面積連續纖維素/SiO2氣凝膠纖維的方法：CN106435798A[P].2017—02—22.

[8] 東華大學.一種纖維素纖維/SiO2復合氣凝膠材料及其制備和應用：CN109516763A[P].2019—01—07.

[9] 內蒙古科技大學.一種高強度纖維素/SiO2復合氣凝膠長纖維及其制備方法：CN109487537A[P].2019—03—19.

[10] 航天特種材料及工藝技術研究所.一種聚酰亞胺氣凝膠復合材料及其制備方法：CN111253742 A[P].2020—06—09.

[11] 翁文灝.一種氣凝膠改性羽絨制品：CN109853250A[P].2019—06—07.

[12] 東華大學.具有防水透濕功能的超輕質氣凝膠保暖材料及其制備方法：CN107097492A[P].2017—08—29.