氣凝膠在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

趙國(guó)樑 李光武 薛蓉 楊中開 劉偉昆 梁日輝

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，人們工作和日常生活的活動(dòng)領(lǐng)域逐漸拓寬。為了適應(yīng)各類環(huán)境，特別是極端環(huán)境，人們對(duì)在相應(yīng)環(huán)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(lái)，各國(guó)航空航天、國(guó)防、冶煉、體育等領(lǐng)域?qū)υ诟邷睾蜆O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(huì)的申辦成功，我國(guó)有近3億人參加冬季冰雪運(yùn)動(dòng)，因此，使得民用市場(chǎng)對(duì)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(rèn)的質(zhì)量最輕、導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料。因此，在進(jìn)行高效防寒保暖和高溫防護(hù)服裝開發(fā)時(shí)，人們自然將其作為重要選材。

1 氣凝膠簡(jiǎn)介

氣凝膠是一種三維網(wǎng)狀納米多孔材料，其孔隙率可達(dá)90%以上，比表面積可達(dá)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(shù)，在最大限度保持凝膠三維框架結(jié)構(gòu)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(guó)斯坦福大學(xué)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(wú)機(jī)、有機(jī)和高分子物質(zhì)制備。由于制備技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低，目前應(yīng)用最廣的是SiO2氣凝膠。

氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)0.013～0.018W/（m·K），低于聚氨酯硬泡體〔約0.025W/（m·K）〕[1]，這主要因?yàn)闅饽z的低密度和多納米微孔結(jié)構(gòu)極大降低了熱的傳導(dǎo)和對(duì)流，且通過(guò)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(yōu)良的隔熱保溫材料。此外，在光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域，氣凝膠也具有其獨(dú)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(yè)上應(yīng)用。

2 氣凝膠改性紡織服裝材料的主要技術(shù)

目前，應(yīng)用于紡織服裝領(lǐng)域氣凝膠材料的制備技術(shù)主要有以下5種。

2.1 纖維增強(qiáng)技術(shù)

該技術(shù)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(qū)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(qiáng)的氣凝膠毯片（圖1）。

由于絮狀纖維的存在，有效保護(hù)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(wèn)題。2002年，Aspen Aerogel公司就上述氣凝膠毯制備技術(shù)申請(qǐng)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(yù)水解SiO2為前驅(qū)體，加入變性乙醇和催化劑后，注入預(yù)先放置有蓬松絮棉的容器，經(jīng)凝膠化和亞臨界、超臨界二氧化碳（CO2）萃取，得到纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料。該復(fù)合材料密度約為0.1g/cm3，導(dǎo)熱率為16.6mW/（m·K），采用同樣條件制備的氣凝膠純料的導(dǎo)熱率為17.4mW/（m·K）。

如欲更進(jìn)一步提高纖維增強(qiáng)效果，也可采用2種，甚至多種纖維材料對(duì)氣凝膠進(jìn)行增強(qiáng)。即先將一種或多種纖度小，長(zhǎng)徑比大的短纖維分散于氣凝膠反應(yīng)液中，然后將其注入蓬松纖維絮片，使短纖維隨機(jī)分布于溶液和蓬松絮片中，經(jīng)反應(yīng)和溶劑脫除后，形成兩組分或多組分纖維增強(qiáng)氣凝膠。通過(guò)對(duì)上述方法中氣凝膠原料、蓬松絮棉及短纖維種類等的調(diào)整，Aspen Aerogels公司獲得了纖維增強(qiáng)氣凝膠毯系列產(chǎn)品，并為之注冊(cè)了Spaceloft商標(biāo)。

2.2 表面粘附技術(shù)

該技術(shù)利用粘合劑或紡織材料自身對(duì)氣凝膠的粘著作用，將密度低、易粉化揚(yáng)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(duì)氣凝膠附著織物隔熱保溫性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，粘合劑和去離子水質(zhì)量比為2∶8時(shí)，織物隔熱性能最好。

表面粘附的另一種形式是采用低熔點(diǎn)纖維作為粘附介質(zhì)。低熔點(diǎn)纖維是一種皮芯復(fù)合纖維，芯層為具有較高熔點(diǎn)的聚合物，皮層為具有較低熔點(diǎn)的聚合物。當(dāng)處理溫度處于皮芯2種聚合物熔點(diǎn)之間時(shí)，低熔點(diǎn)的皮層軟化、熔融，提供粘附功能，而高熔點(diǎn)的芯層不發(fā)生熔融，可為復(fù)合纖維提供強(qiáng)度。利用低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維的這一特點(diǎn)，張凌云等[4]制備了SiO2氣凝膠/聚酯-聚乙烯雙組分纖維復(fù)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(fù)合纖維（其中PET的熔點(diǎn)為260℃，PE的熔點(diǎn)為140℃），將其分別梳理鋪網(wǎng)形成纖維網(wǎng)（如圖2），網(wǎng)簾上設(shè)置了一個(gè)網(wǎng)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(guò)篩網(wǎng)抖動(dòng)，使氣凝膠粉末在重力的作用下，自然沉降到PET-PE纖維網(wǎng)表面，并通過(guò)篩網(wǎng)抖動(dòng)頻率控制纖維網(wǎng)上氣凝膠粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。附著有SiO2氣凝膠的纖維網(wǎng)進(jìn)入熱風(fēng)裝置，使纖維的低熔點(diǎn)皮層熔融，從而使纖維間相互粘接形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)使氣凝膠粉體粘合在纖維網(wǎng)表面，制成SiO2氣凝膠/PET-PE纖維復(fù)合保暖材料。觀察發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠粉末以粉粒狀粘附在PET-PE纖維表面，對(duì)纖維起支撐作用，使纖維間靜止空氣增多，從而使復(fù)合材料的保暖性能、壓縮回彈性能和拉伸性能提升；研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)合更加致密，對(duì)復(fù)合保暖材料的壓縮回彈性能和拉伸性能提升更多，進(jìn)而提升了復(fù)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(fù)合材料的壓縮回彈性能和拉伸性能，但復(fù)合材料透氣性能反呈下降。上述方法具有簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 氣凝膠涂層技術(shù)

涂層技術(shù)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(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，該技術(shù)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(jī)硅樹脂、酚醛、聚苯乙烯等，質(zhì)量重且不耐燃，而選擇輕質(zhì)高效的SiO2氣凝膠作為隔熱涂層添加劑可有效解決上述問(wèn)題。氣凝膠涂層技術(shù)結(jié)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(zhì)量[12，13]。

除了單純的隔熱功能改性外，近年來(lái)，研究人員也在嘗試單獨(dú)或與其他添加劑結(jié)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(duì)棉織物進(jìn)行涂層處理，有效改善了棉織物防護(hù)服的化學(xué)防護(hù)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(jīng)干燥和固化制得氣凝膠涂層改性棉織物。研究發(fā)現(xiàn)，水性聚氨酯-氣凝膠涂層處理后，化學(xué)防護(hù)服面料的化學(xué)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(wú)規(guī)附著于面料表面，且大量的化學(xué)有害物質(zhì)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(shù)在化學(xué)防護(hù)服領(lǐng)域應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2.4 原位聚合改性技術(shù)

這種方法是在聚合物合成的過(guò)程中將氣凝膠粉體加入聚合體系，聚合反應(yīng)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(jīng)紡絲便可制成含有氣凝膠的纖維材料。在聚合物制備過(guò)程添加氣凝膠的實(shí)驗(yàn)，在無(wú)機(jī)-有機(jī)納米復(fù)合材料制備的基礎(chǔ)研究中曾有報(bào)道[15，16]，研究者通過(guò)在聚苯乙烯原子轉(zhuǎn)移自由基聚合體系中添加一定比例的SiO2氣凝膠來(lái)研究該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)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(duì)服用纖維原料，李光武[17-20]開展了氣凝膠改性系統(tǒng)研究。采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自制氣凝膠[21]，研究了縮合聚合及自由基聚合過(guò)程中氣凝膠及其他改性劑的添加時(shí)機(jī)、添加量等因素對(duì)聚合過(guò)程和聚合物結(jié)構(gòu)性能的影響，設(shè)計(jì)了氣凝膠改性纖維聚合物制備的專用反應(yīng)器，獲得了具有可紡性的氣凝膠改性纖維原料。經(jīng)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(shí)，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(shù)

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(jìn)行纖維成型，再經(jīng)特殊的干燥方法去除溶劑所形成的纖維狀態(tài)的氣凝膠材料。按照原料種類不同，氣凝膠纖維可分為無(wú)機(jī)氣凝膠纖維，如石墨烯氣凝膠纖維、SiO2氣凝膠纖維，和有機(jī)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(xiàn)纖維狀態(tài)，但由于力學(xué)性能較差，因此絕大多數(shù)氣凝膠纖維難以承受紡織加工過(guò)程所施加的張力。目前，研究者們正在進(jìn)行著各種探索，試圖克服氣凝膠纖維的這一弱點(diǎn)。

Zengwei Liu等[22]采用獨(dú)特的“自上而下”的方法成功制備了具有較高強(qiáng)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(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維（Kevlar）溶解成納米纖維，通過(guò)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Kevlar納米纖維溶液從直徑為 200～600μm的針筒紡絲口擠出，進(jìn)入DM S O和去離子水形成的凝固浴，通過(guò)調(diào)節(jié)凝固浴中組成，控制凝膠形成的速率，通過(guò)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(jù)報(bào)道，采用2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(jié)，可編織成織物。氣凝膠纖維內(nèi)部為納米多孔結(jié)構(gòu)，比表面積約為240m2/g，密度為23kg/m3，孔隙率達(dá)98%，在室溫，氣凝膠纖維絮片的導(dǎo)熱系數(shù)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(fā)方面具有極大潛在應(yīng)用前景。

為了制備具有高強(qiáng)度氣凝膠纖維，朱美芳團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了另一種嘗試，選用純度高、聚合度高、強(qiáng)度大、結(jié)晶度高，且具有較好生物相容性的細(xì)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(jīng)水洗、溶劑置換和冷凍干燥，成功制備出細(xì)菌纖維素氣凝膠纖維[23]，并為該技術(shù)申請(qǐng)了專利[24]。上述纖維內(nèi)部呈多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖4），孔隙率達(dá)86%，比表面積達(dá)192m2/ g，氣凝膠纖維斷裂強(qiáng)度和楊氏模量高達(dá)（9.36±1.68）MPa和（176±17.55） MPa，可承受5×104倍于本身質(zhì)量的重物而不發(fā)生斷裂。以上述方法制備的氣凝膠纖維有望應(yīng)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(lǐng)域。

3 工業(yè)應(yīng)用及其問(wèn)題

目前，國(guó)際上氣凝膠改性紡織服裝原材料供應(yīng)商主要有阿斯彭（Aspen）Aerogels和Cabot Corp.等少數(shù)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(qiáng)等技術(shù)應(yīng)用，上述材料具有較好的可彎曲性和柔性。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)人體工效學(xué)設(shè)計(jì)，可將氣凝膠復(fù)合材料嵌接到服裝或鞋靴特定位置，以最大限度的發(fā)揮上述材料的隔熱保溫功能，同時(shí)盡可能減少其用量。如OROS公司（原Lukla Inc.公司）[25]采用美國(guó)航空航天局（NASA）宇航服制備時(shí)所用聚酰亞胺（PI）氣凝膠及其復(fù)合材料為原料，開發(fā)了上述隔熱保溫材料與服裝的附著方法，根據(jù)人體熱分布，設(shè)計(jì)出氣凝膠隔熱保溫材料在服裝上的分布位置，開發(fā)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?。▓D5）。

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(shí)較好的保持其隔熱保溫性能，當(dāng)鞋墊下為-77℃時(shí)，鞋墊上的溫度為22℃。

氣凝膠在服裝領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)遇到的主要問(wèn)題是其力學(xué)性能過(guò)差。雖然研究者嘗試了多種方法，但迄今為止這一問(wèn)題尚未根本解決。在服裝裁剪、制作和使用過(guò)程中，脆弱的氣凝膠往往從氣凝膠毯等復(fù)合材料中析出，造成污染，并逐漸降低產(chǎn)品的隔熱保溫等功能。為了防止上述現(xiàn)象出現(xiàn)，有些企業(yè)將氣凝膠毯等封閉在一層膜材內(nèi)，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(shù)雖較徹底地克服了氣凝膠的揚(yáng)塵，但在聚合物的制備和紡絲加工過(guò)程中，如不對(duì)設(shè)備進(jìn)行專門改造，很難避免造成氣凝膠一定程度的破壞，進(jìn)而削弱改性效果。由于氣凝膠纖維本身即為紡織纖維狀態(tài)，因此，如果強(qiáng)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(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)揚(yáng)塵問(wèn)題，但目前該方法制備氣凝膠的速度極低，且強(qiáng)度遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)要求，除特殊領(lǐng)域外，短時(shí)間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，Aspen Aerogels Inc.公司近期制備了一種強(qiáng)度很高的聚酰亞胺氣凝膠，其強(qiáng)度是SiO2氣凝膠的500倍，不易破碎和揚(yáng)塵，已用于NASA航天服中[26]。上述氣凝膠制備端的技術(shù)突破，為其在紡織服裝領(lǐng)域更廣泛應(yīng)用展現(xiàn)了希望。除外，目前紡織服裝領(lǐng)域?qū)饽z在除隔熱保溫性能以外其他功能的研究也很欠缺。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)氣凝膠結(jié)構(gòu)與性能認(rèn)識(shí)的逐步深化，其在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究也日益加強(qiáng)，許多具有原始創(chuàng)新性的發(fā)明逐漸向著具有實(shí)用性的方向推進(jìn)，并取得了一些實(shí)質(zhì)性的成果。然而，以現(xiàn)有技術(shù)制備的氣凝膠在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍有很多局限性。突破氣凝膠制備及應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，克服氣凝膠的弱點(diǎn)，是材料領(lǐng)域研究者必須面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。

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

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