氣凝膠在服飾鞋被紡織品中的應(yīng)用

崔海云 何婷婷

隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)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(guān)注，服裝領(lǐng)域一直在尋找一種新型的保溫材料，其中，氣凝膠因其導(dǎo)熱系數(shù)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(shí)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(xué)家馬克·克拉杰沃斯基說，宇航服中加入一個(gè)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(duì)有卓越保溫性能的氣凝膠在服飾鞋被等紡織品上的技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)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(shù)發(fā)展趨勢，以期為該行業(yè)的發(fā)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(jié)構(gòu)的超輕固體材料，1931年由美國科學(xué)家S.Kistler發(fā)明。氣凝膠是將濕凝膠經(jīng)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(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)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(dǎo)率、不燃、耐高溫、拒水性極好等優(yōu)越性能，尤其是氣凝膠能大量鎖定微小空間內(nèi)的靜止空氣、熱導(dǎo)率極低、質(zhì)量極輕且不易吸水，作為保溫隔熱材料性能極優(yōu)。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(yīng)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(yīng)用的技術(shù)進(jìn)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(yīng)用到服飾鞋被這類在使用和/或收納時(shí)需要彎折的產(chǎn)品上，因此必須將氣凝膠先制成顆?；蚍勰钤偈蛊涓街虮话狡渌闹惺褂?。目前，氣凝膠與織物之間的結(jié)合方式，主要是涂層結(jié)構(gòu)、夾心結(jié)構(gòu)及氣凝膠薄膜等形式。

氣凝膠自身難以與織物結(jié)合，因而需要將氣凝膠制成保溫涂料，然后通過涂層達(dá)到目的。例如，廈門安踏體育用品有限公司張偉強(qiáng)等人[1]研發(fā)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(lián)劑和發(fā)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(yōu)良的延伸性能，使整個(gè)涂層面料具有柔軟舒適的手感且不出現(xiàn)SiO2氣凝膠脫落現(xiàn)象。陜西盟創(chuàng)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(fù)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(jìn)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(diào)節(jié)壓力容器內(nèi)的溫度、壓力進(jìn)行干燥后，即得所述復(fù)合織物。

但是，由于傳統(tǒng)的氣凝膠難以在溶劑中均勻分散，即使加入穩(wěn)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行填充。南通旺而盛紡織有限公司王海軍[3]發(fā)明一種在外層布及襯里布之間設(shè)有羽絨內(nèi)芯層和碳?xì)饽z襯里層的保溫羽絨服，外層布、襯里布及羽絨內(nèi)芯層和碳?xì)饽z襯里層通過絎縫線固定定型。山東源根化學(xué)技術(shù)研發(fā)有限公司王士平等[4]發(fā)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(shè)置在柔軟層上下2面粘結(jié)層，所述柔軟層上面的粘結(jié)層的上方設(shè)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(nèi)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(zhì)；該氣凝膠顆粒為硅氣凝膠、碳?xì)饽z中的任意一種物質(zhì)。該填充材料本體上還設(shè)置有均勻分布并貫穿柔軟層、粘結(jié)層的通氣孔。

還有以將氣凝膠形成氣凝膠膜的方式應(yīng)用于服裝被褥類紡織用品中的應(yīng)用方式。廈門大學(xué)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(jìn)而形成柔性復(fù)合氣凝膠膜，該納米纖維復(fù)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(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，孔徑在20～30nm之間，可以作為復(fù)合材料，應(yīng)用于隔熱保溫領(lǐng)域。武漢大學(xué)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(qū)體溶液中，進(jìn)行溶膠凝膠化，在纖維素骨架上原位生成SiO2納米顆粒，SiO2負(fù)載量高達(dá)60%，最終得到比表面積高達(dá)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(shù)方案，氣凝膠粉末的附著效果差、容易掉粉、且力學(xué)性能差、可紡性差。東華大學(xué)朱美芳[6，7]公開了一種將SiO2前驅(qū)體和纖維素溶液的混合液注入酸性凝固浴中，再進(jìn)行濕法紡絲制備出SiO2/纖維素復(fù)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(xué)腐蝕，同時(shí)纖維比表面積可調(diào)，有一定的韌性，明顯改善了其力學(xué)性能，可紡性好。東華大學(xué)陳文萍等人[8]以有機(jī)硅氧烷為前驅(qū)體，以纖維素纖維為骨架，通過溶膠-凝膠法及一步熱反應(yīng)法在纖維表面原位生長硅凝膠制備出復(fù)合濕凝膠纖維，經(jīng)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(fù)合氣凝膠材料，該復(fù)合氣凝膠材料具備良好的保溫性能、力學(xué)性能滿足服用要求，表面疏水、透濕透氣，較之于傳統(tǒng)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(nèi)蒙古科技大學(xué)賽華征等人[9]研究了一種高強(qiáng)度纖維素/ SiO2復(fù)合氣凝膠長纖維，該復(fù)合氣凝膠長纖維由纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)和SiO2凝膠骨架復(fù)合而成，其宏觀形態(tài)呈長纖維狀，該復(fù)合氣凝膠長纖維的抗拉強(qiáng)度為2～20MPa，比表面積為300～900m2/g，熱導(dǎo)率為0.018～0.037W/（m·K），可以被加工成高強(qiáng)度、優(yōu)性能、可編織型氣凝膠長纖維。

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所劉韜等[10]提出一種聚酰亞胺氣凝膠復(fù)合材料，將聚酰胺酸溶液與交聯(lián)劑快速混合后噴涂到有機(jī)布料或有機(jī)薄氈上浸漬并凝膠，得聚酰胺酸濕凝膠復(fù)合材料，低溫浸泡亞胺化試劑，進(jìn)行亞胺化反應(yīng)，得聚酰亞胺濕凝膠復(fù)合材料，再溶劑置換、超臨界干燥，得聚酰亞胺氣凝膠復(fù)合材料，使聚酰亞胺氣凝膠均勻分散在有機(jī)布料或有機(jī)薄氈內(nèi)。該方案將有機(jī)纖維布或薄氈與聚酰亞胺氣凝膠進(jìn)行原位復(fù)合，制備了聚酰亞胺氣凝膠復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低，拉伸性能、加工性和使用可靠性好，實(shí)現(xiàn)了聚酰亞胺氣凝膠增強(qiáng)增韌，解決了現(xiàn)有技術(shù)中聚酰亞胺氣凝膠在加工和使用中易破損的問題，斷裂應(yīng)變可達(dá)22%以上，遠(yuǎn)大于商品化聚酰亞胺氣凝膠（斷裂應(yīng)變?yōu)?%），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(zhì)量輕、保溫性能好和韌性好的特點(diǎn)。

羽絨是質(zhì)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(fù)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(jié)構(gòu)包裹或黏附在氣凝膠粉末單體顆粒外，防掉粉結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(xué)丁彬等人[12]研究了一種

具有防水透濕功能的超輕質(zhì)氣凝膠保暖材料，包括仿羽絨結(jié)構(gòu)纖維氣凝膠以及復(fù)合于仿羽絨結(jié)構(gòu)纖維氣凝膠之上的防水透濕膜。該仿羽絨結(jié)構(gòu)纖維氣凝膠是采用靜電紡絲技術(shù)，用聚合物紡絲液在無紡布基材上形成細(xì)纖維與粗纖維相互纏繞的仿羽絨結(jié)構(gòu)的纖維氈，再形成仿羽絨纖維漿液，最后進(jìn)行成型處理-溶劑干燥-固化處理，獲得仿羽絨結(jié)構(gòu)纖維氣凝膠。該氣凝膠保暖材料的體積密度為1～300mg/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)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(yīng)用。

3 氣凝膠在紡織品應(yīng)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(shí)需要彎折，而氣凝膠為脆性材料，且以夾心結(jié)構(gòu)或者與其他材料混合填充時(shí)，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(chǎn)生粉塵，并且導(dǎo)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(fù)合材料的技術(shù)方案，氣凝膠的附著效果差、容易掉粉，無法進(jìn)行正常的水洗或者持久性差，且力學(xué)性能差、可紡性差；以氣凝膠膜形成復(fù)合材料應(yīng)用于紡織產(chǎn)品的技術(shù)方案，其透氣性相對(duì)較差，從而降低了服飾鞋被等紡織品的舒適性，而且現(xiàn)有氣凝膠紡織用品中多用化學(xué)合成纖維，其在服用舒適性方面也有一定的局限性。

針對(duì)上述現(xiàn)有氣凝膠應(yīng)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(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

加強(qiáng)氣凝膠與纖維或織物的結(jié)合，以減少紡織產(chǎn)品中由于氣凝膠的脫落而產(chǎn)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(shí)提供產(chǎn)品的輕薄性；提升氣凝膠復(fù)合纖維的力學(xué)性能，改善氣凝膠復(fù)合纖維的可紡性能，以滿足其引用于服飾鞋被等紡織品時(shí)的加工工藝需求，提升紡織品的外觀；改善氣凝膠復(fù)合紡織品的柔韌性，提升復(fù)合紡織品的手感，增強(qiáng)氣凝膠復(fù)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(fù)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(fù)合材料的應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品的附加值；將氣凝膠與天然纖維的復(fù)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(fā)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(duì)本文的貢獻(xiàn)等同于第一作者。

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