水凝膠在服裝美學設計中的應用研究

臧文寧 李靜

摘 要：以SiO2作為交聯劑生產水凝膠服裝，并分別從力學角度和微觀性能研究水凝膠在服裝美學設計中的應用潛力。結果表明，AAM-SiO2水凝膠水溶液可以主動擴散到服裝紡織品結構中，便于線條及圖案在服裝上的應用。由于PAAM-SiO2納米復合水凝膠被填充到服裝紡織品中，在界面上形成了半穿透結構，服裝界面韌性達到272 J/m2。化學交聯劑（PEGDA）和物理交聯劑（SiO2）的存在限制了水凝膠的體積膨脹。

關鍵詞：水凝膠；服裝美學設計；SiO2；力學性能；

中圖分類號：TQ427.2+6

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0014-04

Research on the application of hydrogels in the aesthetic design of clothing

ZANG Wenning，LI Jing

（North University of China，Taiyuan 030000，China）

Abstract：Using SiO2 as a crosslinking agent to produce hydrogel garments，the potential of hydrogels in the aesthetic design of garments is investigated from the perspective of mechanical and microscopic properties respectively.The results show that the aqueous solution of AAM-SiO2 hydrogel can actively diffuse into the structure of garment textiles，facilitating the application of lines and patterns on garments.As the PAAM-SiO2 nanocomposite hydrogel is filled into the garment textile，a semi-penetrating structure can be formed at the interface，resulting in a garment interfacial toughness of 272 J/m2.The presence of a chemical crosslinking agent （PEGDA） and a physical cross-linking agent （SiO2） limits the volume expansion of the hydrogel.

Key words：hydrogel;aesthetic design of clothing;SiO2;mechanical properties.

氣凝膠的獨特性能在化工、材料等方面得到了大量應用研究，其主要特點為具有高比表面積、高孔隙率、低密度和極低的導熱系數。這些特性歸功于氣凝膠的三維結構，其由具有間隙介孔的納米顆粒固體網絡組成 。氣凝膠還具有許多其他特性，如較好的力學和低介電常數，這些特性可用于服裝美學設計中。但目前針對氣凝膠在服裝美學中的應用研究較少［1］。且單純的使用氣凝膠在服裝中，可能無法達到較好的效果［2］。

為了克服這些缺點，需要用無機納米-微米顆粒作為交聯劑制備復合水凝膠服裝。除了利用有機-無機混合水凝膠提高材料的力學性能，無機顆粒也可以用作典型的阻燃劑。由于其高比熱容、高熔點和燒結后的阻隔性，在耐火材料如纖維和塑料中顯示出廣泛的應用［3］。且由親水性多糖和SiO2微粒組成的商用水凝膠系列材料，由于其固有的粘膠性，能夠使服裝美學中的圖案和線條更好的應用在服裝中。基于此，本研究以SiO2作為交聯劑生產水凝膠服裝（FR-GT），從微觀特性和力學角度評判水凝膠及SiO2作為交聯劑在服裝美學中的應用。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA，Mn=700）、聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA，Mw= 360）和N，N，N′，N′-四甲基乙二胺（TEMED）均購自埃克森美孚公司；丙烯酰胺（AAM）和過硫酸鉀（KPS）由國藥集團提供；直徑約為1 μm的SiO2顆粒和黏土由浙江通達偉鵬電氣有限公司公司提供；粘膠無紡布為金旭環保產品；超純水由凈水系統自制。

1.2 水凝膠服裝設計

將丙烯酰胺（AAM）和SiO2添加到黏土水分散體中（通過磁力儀，黏土可在水中剝離而獲得）。在劇烈的10 min振動動下（15 000 r/min），獲得均勻的AAM-SiO2-黏土分散體。通過高速攪拌（15 000 r/min）將聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）混合10 min，直到得到水凝膠溶液。在水凝膠溶液中加入質量分數5%的過硫酸鉀和N，N，N′，N′-四甲基乙二胺（TEMED）后，立即將該溶液轉移到底部有粘膠無紡布的模具中。在溫度30 ℃條件下聚合1 h后［4］，可以成功獲得水凝膠服裝復合材料（FR-GT）。由于粘膠無紡布的參數是恒定的，水凝膠紡織物復合材料表示為FR-GTX，其中X是水凝膠溶液中SiO2的質量百分比。作為對照組，還制作了沒有無紡布層的純水凝膠（FR-G），進行形態、拉伸性能、膨脹行為、隔熱和熱重測試。純水凝膠被稱為FR-GX（GX），其中X是預凝膠溶液中SiO2的質量百分比；表1為樣品成分。

1.3 試驗方法

用環境掃描電子顯微鏡（ESEM，Quanta-250，FEI）觀察FR-G和FR-GT的形態。在觀察之前，樣品被凍干并在表面噴上金。通過能量色散光譜（EDS，AZtec X-Max）分析了分別屬于SiO2、黏土和PAAM的Si、Mg和N的元素分布。

用萬用試驗機測定了該水凝膠的抗張特性。在室溫20 ℃的情況下進行試驗。在回復試驗中，伸展速度為4 cm/min，恢復速度為2 cm/min。對各試件分別進行了4個循環的試驗。

水凝膠服裝的界面粘合性能是通過將水凝膠從無紡布上180°剝離來實現。在這個測量中，水凝膠層用氰基丙烯酸酯粘合劑粘在聚對苯二甲酸乙二醇酯的背板上，以防止在測試中伸長［5］。用于剝離測量的水凝膠層的寬度為1 cm，厚度為1 mm；測量長度和剝離速度分別為5 mm和0.5 mm/s。

水凝膠服裝的熱穩定性是通過熱重分析進行評估。用于TG分析的樣品的質量約為5～8 mg。在空氣條件下，測量溫度從30～310 ℃，熱速率為10 K/min。

用質量分數大于95%酒精作為燃料的噴燈火源來評估水凝膠服裝的耐火性能。火焰溫度約為1 000 ℃。耐火性實驗的樣品大小為4 cm×4 cm×5 mm，夾在噴燈上方5 cm處。試驗進行了5 min，并在1、3和5 min后用照相機記錄了樣品的數字圖像。

2 結果和討論

2.1 SEM微觀分析

用SEM對不同SiO2含量的水凝膠服裝進行了微觀分析，無SiO2填充的水凝膠具有典型的孔隙特征，且多孔結構易導致服裝美學設計時，產生較差的服裝質量；含有SiO2顆粒的水凝膠服裝表現出緊密的包裹結構。此外，即使SiO2顆粒的質量分數達到61%（FR-G61），SiO2仍均勻地分散在水凝膠服裝中。凝膠網絡中SiO2的低含量（FR-G15和FR-G26）有利于提高水凝膠服裝力學性能。隨著SiO2含量的進一步增加，相鄰SiO2顆粒的空隙被聚合物填滿，形成一個緊密的結構［6-8］。這種緊密的結構使得剛性微粒子能夠起到良好的填充作用，這有助于提高水凝膠織物的力學剛度，以及對促進服裝美學設計過程中較高的服裝質量至關重要。

同時利用能譜分析技術驗證SiO2在水凝膠服裝中的分布。PAAM和黏土的N和Mg分別在FR-G0和FR-G61中分布良好。因此，無論SiO2含量如何，聚合物和黏土都能很好地分散在水凝膠服裝中，有利于在服裝形成更優美的線條。同時可觀察到，與FR-G0相比，FR-G61中來自黏土和SiO2的Si含量更高。Si的密集分布以及N和Mg的零星分布意味著SiO2在水凝膠中的均勻分散，有助于FR-G61的致密結構的形成［9］。與FR-G0相比，FR-G61中的Si元素含量從8.9%增到43.1%，而Mg和N的含量分別從5.7%減到0.8%和從9.3%減到1.3%。

2.2 水凝膠服裝復合材料膨脹性能

由于水凝膠在其服裝美學設計應用過程中具有散熱作用，且水凝膠中的膨脹性能對于服裝美學設計中的應用不可缺少，若水凝膠膨脹性能過大，易導致服裝產生褶皺，從而影響服裝美學設計。因此本節討論了水凝膠服裝復合材料的膨脹行為，結果如圖1所示。

從圖1（a）可以看出，隨著SiO2含量的增加，膨脹率都在下降;對于FR-G0，膨脹率達到（529.9±14）%。相反，FR-G61表現出較差的膨脹性能，膨脹率僅達到（103.0±20）%［10］。這是因為SiO2含量的提高，使其成為了水凝膠中的一個“交聯”的節點，并充分地充滿了它的多孔結構，抑制了水凝膠在膨脹時的延伸。因此，在服裝美學設計中可以防止水凝膠服裝復合材料在制作過程中產生褶皺，平衡溶脹比（DSR）在水凝膠服裝設計過程中也很重要。在水凝膠層發生了大量的體積變化，產生了表面張力，從而在微觀上影響到了水凝膠涂層復合材料的形態，進而破壞服裝設計本身的線性。

從圖1（b）可以看出，FR-G61的平衡溶脹比隨著PEGDA含量的增加而降低［11］，這主要是因為以聚乙二醇 DA為基體，其化學交聯結構得到了強化。與對應的原始樣品相比，這種水凝膠表現出較低的DSR。相反，它們的平衡溶脹比隨著SiO2含量的增加表現出“遞減-遞增-遞減”的趨勢。在第1個下降階段（G0～G26），SiO2填充到水凝膠的孔隙中，并作為物理交聯點限制了水凝膠服裝膨脹時的體積膨脹。當進一步增加SiO2的含量（G26～G34）時，阻止了PEGDA和其他單體之間的交聯作用，導致水凝膠服裝膨脹時體積膨脹的增加［12］。且可觀察到超過質量分數34%的SiO2（G34～G61），由于水凝膠填補了SiO2間的空隙，促成水凝膠服裝體積膨脹行為，該現象會進一步破壞原先服裝美學設計中的線條和圖案。

2.3 力學性能

服裝美學設計的基礎是服裝具有較好的強度，從而保證在服裝設計時，服裝不因其他機械設備影響而發生服裝破壞現象。通過反復拉伸和擠壓實驗，對水凝膠布料的力學性質進行了檢驗。如圖2（a）、（b）所示，水凝膠的拉伸性能隨著SiO2的增加而增強［13］。不含SiO2的水凝膠（FR-G0）的拉伸強度和斷裂伸長率分別為（80.6±4.7）kPa和（129.7±9.2）%。相比之下，高SiO2含量的水凝膠（FR-G51）表現出更好的拉伸強度和伸長率，分別為（135.3±10.0）kPa和（402.7±23.6）%，比FR-G0分別高出2.9、3.9倍。原因可能是由于納米復合水凝膠中的納米顆粒強化機制所致。然而，對于FR-G61，當SiO2的含量增加時，其抗拉強度和斷裂伸長率都會降低，這是由于在聚合物基質中過量的SiO2會造成應力缺陷點的產生。在服裝美學設計中，常使用各種機械對服裝中的圖案及裝飾品進行加工，而較低的拉伸強度和斷裂伸長率易導致服裝在設計過程中，發生服裝扯斷的現象，極大阻礙服裝制作。

2.4 水凝膠服裝界面力

服裝美學設計中界面力對于實現水凝膠和服裝紡織品的組成至關重要，且出現在衣服上的線條、圖案、顏色通常需要設備進行二次加工，需要較好的界面力滿足服裝線條、圖案的設計。本文進行了水凝膠與粘膠無紡布的180° 剝離測試，以評價水凝膠服裝的界面粘接性能。SiO2含量對界面韌性的影響，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，SiO2增強了界面韌性，FR-G0為（56.0 ± 7.2） J/m2，FR-G61為（320.0 ± 50.7） J/m2［14］。結果顯示，SiO2粒子的確能改善膠體與非織造織物的結合強度。另外，將水凝膠膜脫去后，纖維膜的表層為粗大的水凝膠膜。類似地，在水凝膠的表層也有殘留的纖維。這說明，在水凝膠與紡織品的交界面上，會出現一種纖維加強的構造，從而使水凝膠衣服的交界部粘著力得到了更大的加強，易使圖案和顏色輕易與服裝融合，可為服裝美學設計提供更好的應用基礎。且水凝膠服裝的剝離過程導致2種類型的斷裂［15］，包括水凝膠與織物的分離和水凝膠的自我斷裂。對于FR-GT，水凝膠通過非共價交聯粘附在紡織品上，形成一個半穿透結構。所以，FR-GT的表面增韌作用，很大程度上是由于大分子鏈段的破壞所引起的無彈性的能量耗散所致。

2.5 水凝膠服裝耐燃性能

通過對水凝膠的表面溫度及對應的近紅外成像來評價其保溫性能，水凝膠服裝耐燃性能結果如圖4所示。純凈的紡織品在25 s內達到了約135 ℃的平衡溫度，這表明純凈紡織品的熱絕緣性很差。然而，水凝膠由于含有大量的水，具有較高的比熱容和蒸發量，在熱絕緣方面有明顯的改善。這種含有SiO2的水凝膠的表面溫度在15 s內達到約50 ℃，然后在100 s內緩慢上升到約90 ℃的平衡溫度。另外，SiO2加入量越大，其受熱速度越慢，受熱狀態越穩定。該效應在FR-G51纖維上得到了顯著的體現，其在75 ℃左右的平衡點只有純紡纖維的50%左右。可以發現，SiO2的高質量含量有利于水凝膠的絕熱特性，且在受熱時會產生一致密且厚度很大的殘余膜。但隨著SiO2含量達到61%，FR-G61的隔熱特性將發生翻天覆地的變化。研究表明，SiO2膜對于隔熱是必不可少的，但其高的SiO2的高質量和高水分的有機組分相比，提高了材料的導熱性。結果表明，FR-G51是最佳的阻燃劑。

3 結語

本文建立了一種簡單而有效的設計方法，用于制造水凝膠服裝材料，以SiO2填充的水凝膠作為基體。由于水凝膠界面上的半穿透性聚合物網絡和纖維加固，水凝膠服裝具有良好的界面粘合性，方便服裝美學設計中圖案及裝飾品附著在服裝上。同時，物理交聯劑SiO2和化學交聯的聚乙烯醇（PEGDA）能夠有效抑制其體積膨化，避免了衣服膨化而降低了造型效果。同時，SiO2還可以作為物理交聯劑和無機填充材料，從而提高了水凝膠織物的機械強度和界面結合能力。且作為涂層，水凝膠改善了無紡布的隔熱性能，進一步提高了服裝美學設計的應用范圍。且作為涂層，水凝膠改善了無紡布的隔熱性能，進一步提高了服裝美學設計的應用范圍。

【參考文獻】

［1］ 陶少行，潘虹，唐俊杰.聚乙烯醇/γ-聚谷氨酸多孔水凝膠構建研究［J］.廣東化工，2023，50（2）：40-45.

［2］ 李維浩，劉杰，孫治斌，等.GO/CNC/PVA復合水凝膠制備與性能［J］.紡織高校基礎科學學報，2022，35（4）：45-51.

［3］ 陳婉瑩，高建平，馬晶軍.海藻酸鈉復合水凝膠研究進展［J］.北京服裝學院學報（自然科學版），2022，42（4）：101-108.

［4］ 盧沛.工藝參數對織物性能的影響及結合國畫的應用［J］.粘接，2022，49（2）：88-91.

［5］ 黃天龍，杜寒威，魏端麗，等.多功能聚吡咯復合水凝膠傳感器的制備與性能研究［J］.武漢工程大學學報，2022，44（6）：629-635.

［6］ 沈月，欒鳳蘭，邢桂紅，等.聚氨酯/BSP復合水凝膠的制備及傷口應用［J］.粘接，2022，49（12）：41-44.

［7］ 秦輝.變色纖維材料在服裝設計中的應用研究［J］.粘接，2020，44（11）：67-69.

［8］ 朱東勇，李重，馬利莊.纖維可控的質感布料三維建模與服裝仿真［J］.軟件學報，2016，27（10）：2587-2599.

［9］ 牛澤.超薄輕型綿羊服裝革濕態染整工藝研究［J］.中國皮革，2022，51（9）：7-11.

［10］ 劉玉蒙，馬業梅，蘇毅，等.黃磷爐渣制SiO2：Tb3+熒光材料及其發光性能研究［J］.功能材料，2023，54（1）：1104-1109.

［11］ 余帆，陳縣萍，程詩強.膠粘劑在紡織與服裝行業中的應用研究進展［J］.粘接，2018，39（9）：56-60.

［12］ 常玉，夏峰偉，戴志彬，等.PET/片狀二氧化硅復合材料的原位聚合及性能表征［J］.合成技術及應用，2022，37（4）：7-11.

［13］ 謝志輝，張躍，梁智明，等.二氧化硅/氧化石墨烯雜化改性對環氧樹脂固化動力學的影響［J］.塑料工業，2022，50（12）：46-51.

［14］ 馮鵬飛.高功能新型復合材料泳衣壓力舒適性能研究［J］.粘接，2022，49（5）：76-79.

［15］ 劉志，王辰偉，周建偉，等.STI CMP中SiO2/CeO2混合磨料對SiO2介質層CMP性能的影響［J］.半導體技術，2022，47（11）：865-872.

［16］ 王晶.基于紡織與服裝行業的膠粘劑有效應用研究［J］.粘接，2019，40（6）：28-30.