氣凝膠在紡織服裝領域的應用技術現狀

趙國樑 李光武 薛蓉 楊中開 劉偉昆 梁日輝

隨著我國現代化進程的推進，人們工作和日常生活的活動領域逐漸拓寬。為了適應各類環境，特別是極端環境，人們對在相應環境條件下所穿著的服裝性能和功能提出了更高的要求。近年來，各國航空航天、國防、冶煉、體育等領域對在高溫和極寒條件下具有高效隔熱保溫性能紡織品和服裝的需求不斷提高。由于2022年冬奧會的申辦成功，我國有近3億人參加冬季冰雪運動，因此，使得民用市場對高效保暖輕便冬季服裝的需求量激增。氣凝膠（Aerogel）是材料界公認的質量最輕、導熱系數最低的固體材料。因此，在進行高效防寒保暖和高溫防護服裝開發時，人們自然將其作為重要選材。

1 氣凝膠簡介

氣凝膠是一種三維網狀納米多孔材料，其孔隙率可達90%以上，比表面積可達900m2/g，密度可低至 0.002g/cm3，是迄今為止密度最低的固體。氣凝膠一般采用溶膠-凝膠工藝制備，采用超臨界萃取等干燥技術，在最大限度保持凝膠三維框架結構條件下將溶劑提出，完成空氣與溶劑的置換。世界上第一塊氣凝膠是1931年由美國斯坦福大學的Kistler教授以水玻璃為原料制備的二氧化硅（SiO2）氣凝膠。氣凝膠也可由氧化鈦、氧化鋁、碳以及聚酰亞胺等多種無機、有機和高分子物質制備。由于制備技術成熟，成本相對較低，目前應用最廣的是SiO2氣凝膠。

氣凝膠的導熱系數可達0.013～0.018W/（m·K），低于聚氨酯硬泡體〔約0.025W/（m·K）〕[1]，這主要因為氣凝膠的低密度和多納米微孔結構極大降低了熱的傳導和對流，且通過添加紅外抑制劑也可有效降低熱輻射，因此氣凝膠是一種優良的隔熱保溫材料。此外，在光學、聲學、電學等領域，氣凝膠也具有其獨特性能。雖然SiO2氣凝膠可在550℃甚至更高溫度下工作，但由于塊狀氣凝膠脆弱易碎，因此很難直接作為隔熱保溫等材料在工業上應用。

2 氣凝膠改性紡織服裝材料的主要技術

目前，應用于紡織服裝領域氣凝膠材料的制備技術主要有以下5種。

2.1 纖維增強技術

該技術首先將一種蓬松的纖維絮棉片材浸入用以制備氣凝膠的前驅體中，然后在一定壓力下，采用超臨界流體去除凝膠中的溶劑，形成纖維增強的氣凝膠毯片（圖1）。

由于絮狀纖維的存在，有效保護了易碎的氣凝膠，一定程度上改善了氣凝膠的粉化和析出問題。2002年，Aspen Aerogel公司就上述氣凝膠毯制備技術申請了專利[2]。該公司選用3M公司Thinsulate絮棉為基材，采用市售Silbond H-5預水解SiO2為前驅體，加入變性乙醇和催化劑后，注入預先放置有蓬松絮棉的容器，經凝膠化和亞臨界、超臨界二氧化碳（CO2）萃取，得到纖維增強氣凝膠復合材料。該復合材料密度約為0.1g/cm3，導熱率為16.6mW/（m·K），采用同樣條件制備的氣凝膠純料的導熱率為17.4mW/（m·K）。

如欲更進一步提高纖維增強效果，也可采用2種，甚至多種纖維材料對氣凝膠進行增強。即先將一種或多種纖度小，長徑比大的短纖維分散于氣凝膠反應液中，然后將其注入蓬松纖維絮片，使短纖維隨機分布于溶液和蓬松絮片中，經反應和溶劑脫除后，形成兩組分或多組分纖維增強氣凝膠。通過對上述方法中氣凝膠原料、蓬松絮棉及短纖維種類等的調整，Aspen Aerogels公司獲得了纖維增強氣凝膠毯系列產品，并為之注冊了Spaceloft商標。

2.2 表面粘附技術

該技術利用粘合劑或紡織材料自身對氣凝膠的粘著作用，將密度低、易粉化揚塵的氣凝膠粘附于紡織材料表面，以提高紡織服裝材料的隔熱保溫性能。例如，賀香梅等[3]采用聚丙烯酸酯和聚氨酯類粘合劑，將SiO2氣凝膠粘著在棉織物上，得到SiO2氣凝膠改性織物；研究了氣凝膠、粘合劑和水用量對氣凝膠附著織物隔熱保溫性能的影響。研究發現，棉織物表面粘附氣凝膠后保溫性能明顯提高，涂附劑中氣凝膠質量分數為10%，粘合劑和去離子水質量比為2∶8時，織物隔熱性能最好。

表面粘附的另一種形式是采用低熔點纖維作為粘附介質。低熔點纖維是一種皮芯復合纖維，芯層為具有較高熔點的聚合物，皮層為具有較低熔點的聚合物。當處理溫度處于皮芯2種聚合物熔點之間時，低熔點的皮層軟化、熔融，提供粘附功能，而高熔點的芯層不發生熔融，可為復合纖維提供強度。利用低熔點皮芯復合纖維的這一特點，張凌云等[4]制備了SiO2氣凝膠/聚酯-聚乙烯雙組分纖維復合保暖材料。

研究者選用了線密度分別為1dtex和3dtex的2種PET-PE皮芯復合纖維（其中PET的熔點為260℃，PE的熔點為140℃），將其分別梳理鋪網形成纖維網（如圖2），網簾上設置了一個網篩裝置，其中裝有一定量的SiO2氣凝膠粉體，粉體直徑5～10μm，比表面積500～1 000m2/g。通過篩網抖動，使氣凝膠粉末在重力的作用下，自然沉降到PET-PE纖維網表面，并通過篩網抖動頻率控制纖維網上氣凝膠粉末的質量分數。附著有SiO2氣凝膠的纖維網進入熱風裝置，使纖維的低熔點皮層熔融，從而使纖維間相互粘接形成穩定的網狀結構，同時使氣凝膠粉體粘合在纖維網表面，制成SiO2氣凝膠/PET-PE纖維復合保暖材料。觀察發現，SiO2氣凝膠粉末以粉粒狀粘附在PET-PE纖維表面，對纖維起支撐作用，使纖維間靜止空氣增多，從而使復合材料的保暖性能、壓縮回彈性能和拉伸性能提升；研究發現，在PET-PE纖維線密度小的非織造布中，SiO2氣凝膠粉末與纖維結合更加致密，對復合保暖材料的壓縮回彈性能和拉伸性能提升更多，進而提升了復合保暖材料的透氣性能；在纖維線密度大的非織造布中，SiO2氣凝膠粉末的加入取代了纖維中的空氣空間，提升了復合材料的壓縮回彈性能和拉伸性能，但復合材料透氣性能反呈下降。上述方法具有簡單易行的優點。

2.3 氣凝膠涂層技術

涂層技術是指將含有氣凝膠的涂層整理劑均勻涂覆在織物上，使織物具有某種特殊功能的一種方法。由于氣凝膠的結構性能特點，該技術被較多的用于提高紡織服裝材料的隔熱保溫性能[5-11]。目前，常見的隔熱涂料有有機硅樹脂、酚醛、聚苯乙烯等，質量重且不耐燃，而選擇輕質高效的SiO2氣凝膠作為隔熱涂層添加劑可有效解決上述問題。氣凝膠涂層技術結合Kevlar、玻璃纖維等耐高溫面料的使用，可明顯提高消防服等特種服裝的隔熱性能，并顯著減小消防服厚度，減輕質量[12，13]。

除了單純的隔熱功能改性外，近年來，研究人員也在嘗試單獨或與其他添加劑結合使用，改善織物的其他性能。例如，M.A.Rahman Bhuiyan等[14]在水性聚氨酯涂料中加入SiO2氣凝膠對棉織物進行涂層處理，有效改善了棉織物防護服的化學防護功能。研究者首先將不同氣凝膠含量的水性聚氨酯刮涂到棉織物上，經干燥和固化制得氣凝膠涂層改性棉織物。研究發現，水性聚氨酯-氣凝膠涂層處理后，化學防護服面料的化學污染阻隔、隔熱、透氣和防水性等性能均得到提高，氣凝膠粒子無規附著于面料表面，且大量的化學有害物質被氣凝膠中的納米多孔吸附。上述研究為水性聚氨酯-SiO2氣凝膠涂層處理技術在化學防護服領域應用提供了基礎。

2.4 原位聚合改性技術

這種方法是在聚合物合成的過程中將氣凝膠粉體加入聚合體系，聚合反應完成后即得到含有氣凝膠的聚合物。如果上述氣凝膠改性聚合物可用于制備纖維，如聚酯（PET），則上述聚合物經紡絲便可制成含有氣凝膠的纖維材料。在聚合物制備過程添加氣凝膠的實驗，在無機-有機納米復合材料制備的基礎研究中曾有報道[15，16]，研究者通過在聚苯乙烯原子轉移自由基聚合體系中添加一定比例的SiO2氣凝膠來研究該反應的動力學和聚合物的熱性能。上述研究為氣凝膠改性紡織服裝材料提供了方法上的借鑒。針對服用纖維原料，李光武[17-20]開展了氣凝膠改性系統研究。采用具有自主知識產權的自制氣凝膠[21]，研究了縮合聚合及自由基聚合過程中氣凝膠及其他改性劑的添加時機、添加量等因素對聚合過程和聚合物結構性能的影響，設計了氣凝膠改性纖維聚合物制備的專用反應器，獲得了具有可紡性的氣凝膠改性纖維原料。經熔融紡絲和濕法紡絲，得到了原位改性纖維及其織物，在提高紡織品隔熱保溫性能的同時，也一定程度降低了纖維密度和織物重量。

2.5 氣凝膠纖維制備技術

氣凝膠纖維是以制備氣凝膠的溶液為紡絲液，采用濕法紡絲、靜電紡絲或凝膠紡絲的方法進行纖維成型，再經特殊的干燥方法去除溶劑所形成的纖維狀態的氣凝膠材料。按照原料種類不同，氣凝膠纖維可分為無機氣凝膠纖維，如石墨烯氣凝膠纖維、SiO2氣凝膠纖維，和有機氣凝膠纖維，如纖維素基氣凝膠纖維和絲素蛋白基氣凝膠纖維等。雖然呈現纖維狀態，但由于力學性能較差，因此絕大多數氣凝膠纖維難以承受紡織加工過程所施加的張力。目前，研究者們正在進行著各種探索，試圖克服氣凝膠纖維的這一弱點。

Zengwei Liu等[22]采用獨特的“自上而下”的方法成功制備了具有較高強度的氣凝膠纖維。與從單體制備納米纖維的“自下而上”方法不同，該研究采用二甲基亞砜（DMSO）為溶劑，將聚對苯二甲酰對苯二胺纖維（Kevlar）溶解成納米纖維，通過濕法紡絲制備出柔性好、可編織的Kevlar氣凝膠纖維（見圖3）。

濃度為0.1%～2.0%（質量分數）的Kevlar納米纖維溶液從直徑為 200～600μm的針筒紡絲口擠出，進入DM S O和去離子水形成的凝固浴，通過調節凝固浴中組成，控制凝膠形成的速率，通過溶劑置換獲得K e v l a r納米纖維水凝膠纖維，最后采用冷凍干燥或C O2超臨界流體干燥，制得Kevlar氣凝膠纖維。據報道，采用2%（質量分數）濃度的Kevlar納米微纖分散液制備的直徑約300μm的上述氣凝膠單纖維可承受20g砝碼的拉力，可打結，可編織成織物。氣凝膠纖維內部為納米多孔結構，比表面積約為240m2/g，密度為23kg/m3，孔隙率達98%，在室溫，氣凝膠纖維絮片的導熱系數約為0.037W/（m·K），且在-196℃和300℃等極端溫度條件下仍保持極佳的隔熱性能，在特種服裝開發方面具有極大潛在應用前景。

為了制備具有高強度氣凝膠纖維，朱美芳團隊進行了另一種嘗試，選用純度高、聚合度高、強度大、結晶度高，且具有較好生物相容性的細菌纖維素（BC）作為材料，采用氫氧化鈉/尿素/硫脲水溶液為溶劑，采用0.25mol/L的稀硫酸溶液作為凝固浴，采用濕法紡絲工藝制備得到BC凝膠纖維，經水洗、溶劑置換和冷凍干燥，成功制備出細菌纖維素氣凝膠纖維[23]，并為該技術申請了專利[24]。上述纖維內部呈多孔網絡結構（圖4），孔隙率達86%，比表面積達192m2/ g，氣凝膠纖維斷裂強度和楊氏模量高達（9.36±1.68）MPa和（176±17.55） MPa，可承受5×104倍于本身質量的重物而不發生斷裂。以上述方法制備的氣凝膠纖維有望應用于高性能隔熱織物、生物吸附劑、柔性支架和生物載藥等領域。

3 工業應用及其問題

目前，國際上氣凝膠改性紡織服裝原材料供應商主要有阿斯彭（Aspen）Aerogels和Cabot Corp.等少數公司，且多以氣凝膠毯及其組合材料形式提供。由于纖維增強等技術應用，上述材料具有較好的可彎曲性和柔性。以實驗數據為基礎，經人體工效學設計，可將氣凝膠復合材料嵌接到服裝或鞋靴特定位置，以最大限度的發揮上述材料的隔熱保溫功能，同時盡可能減少其用量。如OROS公司（原Lukla Inc.公司）[25]采用美國航空航天局（NASA）宇航服制備時所用聚酰亞胺（PI）氣凝膠及其復合材料為原料，開發了上述隔熱保溫材料與服裝的附著方法，根據人體熱分布，設計出氣凝膠隔熱保溫材料在服裝上的分布位置，開發了多款氣凝膠防寒服，含有氣凝膠的隔熱保溫層材料柔軟，富有彈性，服裝保暖性能好，且輕薄（圖5）。

圖6是一款采用Aspen Aerogels Inc.的Spaceloft 隔熱片為中間層制作的鞋墊，該鞋墊具有很好的抗壓能力，并可在受壓時較好的保持其隔熱保溫性能，當鞋墊下為-77℃時，鞋墊上的溫度為22℃。

氣凝膠在服裝領域應用時遇到的主要問題是其力學性能過差。雖然研究者嘗試了多種方法，但迄今為止這一問題尚未根本解決。在服裝裁剪、制作和使用過程中，脆弱的氣凝膠往往從氣凝膠毯等復合材料中析出，造成污染，并逐漸降低產品的隔熱保溫等功能。為了防止上述現象出現，有些企業將氣凝膠毯等封閉在一層膜材內，這雖然一定程度改善了氣凝膠粉塵的外溢，但極大地影響了服裝的透濕透氣性。原位聚合改性技術雖較徹底地克服了氣凝膠的揚塵，但在聚合物的制備和紡絲加工過程中，如不對設備進行專門改造，很難避免造成氣凝膠一定程度的破壞，進而削弱改性效果。由于氣凝膠纖維本身即為紡織纖維狀態，因此，如果強度滿足紡織加工要求，則以其為原料制成的紡織品在使用過程中不會出現揚塵問題，但目前該方法制備氣凝膠的速度極低，且強度遠未達到工業要求，除特殊領域外，短時間內很難實現工業化應用。據報道，Aspen Aerogels Inc.公司近期制備了一種強度很高的聚酰亞胺氣凝膠，其強度是SiO2氣凝膠的500倍，不易破碎和揚塵，已用于NASA航天服中[26]。上述氣凝膠制備端的技術突破，為其在紡織服裝領域更廣泛應用展現了希望。除外，目前紡織服裝領域對氣凝膠在除隔熱保溫性能以外其他功能的研究也很欠缺。

4 結語

隨著人們對氣凝膠結構與性能認識的逐步深化，其在紡織服裝領域的應用技術研究也日益加強，許多具有原始創新性的發明逐漸向著具有實用性的方向推進，并取得了一些實質性的成果。然而，以現有技術制備的氣凝膠在實際應用時仍有很多局限性。突破氣凝膠制備及應用過程中的關鍵技術，克服氣凝膠的弱點，是材料領域研究者必須面對的重大挑戰。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.009

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