氣凝膠材料在消防服中的應(yīng)用研究進(jìn)展

蔣璐璐，鄧 夢(mèng)，王云儀,2，李 俊,2

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

對(duì)于消防員而言，其常規(guī)個(gè)人防護(hù)裝備——消防服至關(guān)重要，消防服性能的優(yōu)劣直接影響消防員的人身安全和救援活動(dòng)效率。通常，消防服的織物組合越厚，其熱防護(hù)性能越好[1]，但是增加織物組合的厚度和質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重限制消防員的行動(dòng)能力，增加負(fù)荷也會(huì)導(dǎo)致著裝人體熱應(yīng)激上升；因此，僅靠傳統(tǒng)隔熱材料的性能改進(jìn)來提升消防服熱防護(hù)性能具有一定的局限性，輕質(zhì)且低導(dǎo)熱率的新型材料的開發(fā)和應(yīng)用受到研究人員的關(guān)注，氣凝膠是其中的研究熱點(diǎn)之一。

1931年，Kistler等首次以水玻璃為前驅(qū)體制備出SiO2氣凝膠[2]。目前，已發(fā)展出硅系、碳系、硫系和金屬氧化物系等多種類型氣凝膠，其中，二氧化硅氣凝膠在服裝領(lǐng)域的研究與應(yīng)用最為成熟。早期，為探索新型高性能隔熱材料來使得消防服更輕薄且滿足消防員的工效需求，張興娟等[3]發(fā)現(xiàn)氣凝膠適合用于防火隔熱材料。有研究發(fā)現(xiàn)，采用SiO2氣凝膠復(fù)合材料可在保證相同熱防護(hù)效果的前提下，使消防服的厚度與質(zhì)量降低70%以上[3]。隨后，學(xué)者們進(jìn)一步探討了SiO2氣凝膠含量、添加位置等因素對(duì)多層織物組合熱防護(hù)性能的影響[4-6]。隨著對(duì)氣凝膠材料研究的深入，學(xué)者發(fā)現(xiàn)其存在熱穩(wěn)定性不佳、舒適性降低等問題。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為進(jìn)一步提高氣凝膠型消防服的熱防護(hù)性和熱舒適性，嘗試將諸如玄武巖纖維或相變材料與氣凝膠材料組合使用[7-9]，以提升其在消防服中應(yīng)用的可行性。

本文在介紹氣凝膠材料熱學(xué)性能的基礎(chǔ)上，梳理和總結(jié)了當(dāng)前氣凝膠材料在消防服中的應(yīng)用途徑及相關(guān)研究現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用的局限性和研究趨勢(shì)進(jìn)行了探討與展望。

1 氣凝膠材料的熱學(xué)性能

氣凝膠是由納米粒子或高聚物分子相互聚結(jié)組成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一類固體納米多孔性材料，它是由濕凝膠在保持其孔隙和空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不被破壞的基礎(chǔ)上將其孔隙中的液體用空氣取代后所得到的產(chǎn)物[10]。氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)賦予其高比表面積、低導(dǎo)熱系數(shù)、優(yōu)異的絕緣性和隔熱性等特征[11]，能夠有效降低熱量的傳遞，具有優(yōu)異的隔熱性能,但是，這種特殊結(jié)構(gòu)也存在熱穩(wěn)定性不強(qiáng)的缺陷。由于氣凝膠表面粒子具有高的表面能，使得其在高溫環(huán)境下容易發(fā)生燒結(jié)，從而導(dǎo)致比表面積下降，甚至發(fā)生多孔結(jié)構(gòu)坍塌。

1.1 隔熱性能

相比普通紡織材料，氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)較低，具有優(yōu)異的隔熱保溫性能。已知20 ℃時(shí)靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.027 W/(m·K)，而SiO2氣凝膠在常溫常壓下的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.012 5 W/(m·K)[12]，典型氣凝膠納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.021 5 W/(m·K)[13]。文獻(xiàn)[14-16]基于氣凝膠的納米孔隙結(jié)構(gòu)研究其隔熱機(jī)制。魏高升等[17]通過建立導(dǎo)熱模型計(jì)算氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)現(xiàn)，氣凝膠極低的導(dǎo)熱系數(shù)主要?dú)w因于其高比表面積、納米孔結(jié)構(gòu)及固體顆粒納米尺寸效應(yīng)。有研究[18]發(fā)現(xiàn)，影響SiO2氣凝膠固相結(jié)構(gòu)單元熱導(dǎo)率的主要因素是固相結(jié)構(gòu)單元的直徑和接觸界面的直徑，影響SiO2氣凝膠內(nèi)氣體導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素是氣體平均分子自由程、分子之間及分子與壁面間的相互作用。此外，氣凝膠納米固體網(wǎng)格對(duì)其氣相導(dǎo)熱系數(shù)有重要影響[19]。

在氣凝膠材料中，熱量的傳遞方式包括固相傳熱、氣相傳熱和輻射傳熱[20]，通過這3種途徑傳遞的熱量均比較小。首先，氣凝膠密度極低(約3 mg/cm3)，具有復(fù)雜的納米三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了熱量通過固體基質(zhì)傳導(dǎo)的路徑，從而降低了材料中的固相導(dǎo)熱[21]。其次，氣凝膠的平均孔徑約25 nm，嚴(yán)重限制了氣體分子的自由運(yùn)動(dòng)，常溫常壓下氣體分子的平均自由程約70 nm，氣體分子難以發(fā)生相互碰撞，只能與孔壁發(fā)生彈性碰撞，因此氣相傳熱很小[17,22]。最后，氣凝膠納米量級(jí)的固體骨架在其內(nèi)部形成了大量反射顆粒和反射面，輻射熱量能被有效地反射回去，即通過輻射散失的熱量較小[23]。

1.2 熱穩(wěn)定性

劉國(guó)熠等[24]研究發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠涂層材料的高溫?zé)岱€(wěn)定性能因氣凝膠的加入而有所下降。在高溫下，SiO2氣凝膠顆粒的結(jié)構(gòu)隨溫度的升高被逐漸破壞[25]。在180 ℃時(shí)，氣凝膠的質(zhì)量損失約為2%，而在350 ℃時(shí)，達(dá)到約7%，且表面的疏水性甲基基團(tuán)被氧化成親水的羥基基團(tuán)[26]，疏水性變?nèi)酰M(jìn)一步影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。溫度過高時(shí)，SiO2氣凝膠會(huì)發(fā)生聚集燒結(jié)，比表面積下降[27]，當(dāng)其密度達(dá)到原密度的50%左右時(shí)，氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)塌陷[28]。

在高溫環(huán)境下，氣凝膠材料因熱穩(wěn)定性不強(qiáng)發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化，會(huì)顯著降低其自身的隔熱性能，進(jìn)而嚴(yán)重削弱防護(hù)效果。文獻(xiàn)[29]表明，在400～900 ℃時(shí)，SiO2氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)未被破壞，仍具有較低的固相傳導(dǎo)率；但在1 000～1 100 ℃時(shí)，SiO2氣凝膠中二次堆積顆粒逐漸增大且互相融合，其固相傳導(dǎo)率顯著上升；超過1 200 ℃時(shí)，SiO2氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)被明顯破壞，其隔熱性能失效。

2 氣凝膠在消防服中的應(yīng)用現(xiàn)狀

氣凝膠材料應(yīng)用于紡織品的方法有多種，包括將不定型纖維材料添加到氣凝膠中，制備成氣凝膠基復(fù)合材料[30]；通過涂層[31-33]、浸軋[34]、物理填充[4,35-36]等方法，將氣凝膠添加到成形的紡織纖維材料中，制備成紡織基氣凝膠復(fù)合材料。其中，在消防服中的應(yīng)用方式主要包括兩大類，分別是將氣凝膠作為涂層材料和嵌入多層織物系統(tǒng)。將氣凝膠材料應(yīng)用于消防服的初衷在于改進(jìn)服裝的熱防護(hù)性能，但在實(shí)際的應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致服裝舒適性能或服用性能下降等問題。

2.1 作為涂層材料

Qi等[39]將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氣凝膠涂覆在消防服外層，以探究氣凝膠含量對(duì)輻射防護(hù)性能的影響，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，達(dá)到皮膚二級(jí)燒傷的時(shí)間最長(zhǎng)，可為消防員爭(zhēng)取更多寶貴時(shí)間進(jìn)行救援工作。劉國(guó)熠等[37]運(yùn)用傳熱模型研究發(fā)現(xiàn)，增大氣凝膠涂層厚度、比熱、密度或降低導(dǎo)熱系數(shù)，均能有效提高消防服外層織物的熱防護(hù)性能。此外，劉越等[34]在探究氣凝膠對(duì)非織造布性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠涂層能在一定程度上改善非織造布的阻燃效果，且面料阻燃性隨氣凝膠含量的增加而增強(qiáng)，非織造布的力學(xué)性能也有所改善，這為消防服阻燃性的改進(jìn)提供了啟發(fā)。

氣凝膠含量的增加可明顯提升涂層復(fù)合材料的隔熱性能，但同時(shí)降低了材料的高溫?zé)岱€(wěn)定性[24]。此外，Shaid等[38]研究發(fā)現(xiàn)，氣凝膠納米顆粒涂層會(huì)顯著降低羊毛/芳綸混紡織物的透氣性，8%的氣凝膠涂層可使透氣性降低91.36%。這意味著氣凝膠在阻止外界環(huán)境熱量輸入的同時(shí)，也阻擋了服裝微環(huán)境內(nèi)熱量的輸出，從而降低服裝的熱濕舒適性。

2.2 嵌入多層織物系統(tǒng)

2.2.1 氣凝膠作為隔熱層材料

氣凝膠具有優(yōu)異的隔熱性能，為了改善消防服的熱防護(hù)性能，將其作為隔熱層材料加以應(yīng)用[39]。張興娟等[40]研究發(fā)現(xiàn)，隔熱層為SiO2氣凝膠的消防服織物組合的熱防護(hù)性能得到提升，其熱導(dǎo)率僅為傳統(tǒng)織物組合的1/4。與常見的消防服織物組合相比，隔熱層為SiO2氣凝膠的織物組合在穩(wěn)定燃燒階段的舒適層表面溫度最大可降低20 ℃[6]。氣凝膠Nomex復(fù)合材料作為隔熱層，可使織物組合的熱防護(hù)時(shí)間提高100%以上[41]。由含氣凝膠隔熱層制成的3層消防服，燃燒假人實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示假人表面皮膚總燒傷面積百分比僅為12.7%，低于現(xiàn)有消防服的25.1%[4]，極大地改善了消防服的熱防護(hù)性能。此外，胡銀[5]進(jìn)一步研究嵌入織物層間的氣凝膠材料的隔熱能力與其層數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣凝膠材料的總厚度相同但層數(shù)不同時(shí)，單層的隔熱效果優(yōu)于多層疊加的。

另一方面，有研究[42-43]發(fā)現(xiàn)，氣凝膠材料作為隔熱層嵌入多層織物時(shí)，會(huì)降低織物組合的透濕率，導(dǎo)致服裝舒適性能下降。

2.2.2 與玄武巖纖維的組合使用

通過燃燒假人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有氣凝膠隔熱層消防服的外層被嚴(yán)重破壞[4]，啟發(fā)學(xué)者轉(zhuǎn)而研究可與氣凝膠材料配套使用的外層織物，玄武巖纖維因其耐高溫、阻燃、高強(qiáng)度以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性而受到關(guān)注。有研究[44-45]發(fā)現(xiàn)，氣凝膠與玄武巖纖維組合使用能夠增強(qiáng)消防服織物系統(tǒng)應(yīng)對(duì)瞬時(shí)高溫火焰場(chǎng)景的抵抗能力。

有研究[44-45]發(fā)現(xiàn)，在高溫火焰暴露下，玄武巖織物和氣凝膠氈組合織物系統(tǒng)的隔熱性能大幅增強(qiáng)。此外，對(duì)于外層和隔熱層分別采用玄武巖織物和SiO2氣凝膠氈的3層織物組合，其熱防護(hù)能力(TPP值)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)GA 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》規(guī)定的最小值117 J/cm2，消防服的熱防護(hù)性能明顯增強(qiáng)。

2.2.3 與相變材料的組合使用

氣凝膠的低導(dǎo)熱特性決定了其在有效抵抗外界熱量的同時(shí)，也會(huì)帶來人體代謝熱難以釋放的問題，使得人體熱負(fù)荷上升[46]。有學(xué)者嘗試將氣凝膠和相變材料同時(shí)應(yīng)用于消防服織物組合中，以期在提高熱防護(hù)性能的同時(shí)改善其熱濕舒適性[7-8,46]。

Shaid等[8]研究發(fā)現(xiàn)，以氣凝膠或相變材料(PCM)為涂料的隔熱層，不僅增強(qiáng)了織物組合的輻射防護(hù)性能，而且氣凝膠涂層織物質(zhì)量更小，PCM涂層織物厚度更薄，而消防服質(zhì)量與體積的降低可大幅降低消防員的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。張慧[7,47]制備了含有SiO2氣凝膠和相變微膠囊材料(MPCM)的薄膜材料并測(cè)試其性能，發(fā)現(xiàn)MPCM的加入能明顯提高薄膜的透濕性能。Pause[48]將PCM應(yīng)用到防護(hù)服織物系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)，研究發(fā)現(xiàn)，受試者穿著不含PCM的防護(hù)服時(shí)，在45 min后，出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng),而穿著含有PCM的防護(hù)服時(shí)，受試者在1 h試驗(yàn)期間無熱應(yīng)激反應(yīng)，PCM在防護(hù)服中的應(yīng)用能夠提高人體熱舒適性。

3 存在問題及解決方法

3.1 熱防護(hù)與熱舒適的平衡

將氣凝膠應(yīng)用于消防服能有效提高織物組合的熱防護(hù)性能，但通常采用的涂層處理方式會(huì)顯著降低織物的透氣性，且氣凝膠的疏水性會(huì)降低服裝的透濕性，這意味著服裝的熱舒適性會(huì)有所削減。

已有學(xué)者嘗試從不同角度來改善氣凝膠型消防服的熱舒適性。例如，Shaid等[38]通過選擇合適的涂層增稠劑，以降低氣凝膠和基布的疏水性，從而提高織物組合的水分傳遞能力，而水分傳遞的過程也將伴隨著更多的熱量傳遞。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，氣凝膠涂覆位置會(huì)影響服裝的熱濕舒適性，將氣凝膠涂覆在服裝的皮膚側(cè)比環(huán)境側(cè)的舒適性更優(yōu)[38]。此外，Shaid等[49]嘗試將氣凝膠與透氣性較優(yōu)的織物相結(jié)合，以提升氣凝膠材料的熱舒適性，研究表明，氣凝膠非織造布與本文間位芳綸(Nomex)織物相結(jié)合后的透濕指數(shù)比現(xiàn)有的單一隔熱層、防水透氣層及組合的情況均要高。

然而，氣凝膠材料應(yīng)用中的熱防護(hù)與熱舒適的矛盾問題仍然有很大的研究空間。例如，盡管Shaid等[8,46]發(fā)現(xiàn)將氣凝膠和相變材料共同應(yīng)用能較好地平衡織物組合的熱防護(hù)性能和熱舒適性能，但相變材料重新凝固所釋放的儲(chǔ)蓄熱會(huì)給消防員帶來二次傷害風(fēng)險(xiǎn)。從氣凝膠結(jié)構(gòu)本身分析，氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的透氣性與納米孔隙率成正比[50]，如要解決其熱防護(hù)和舒適性的平衡問題，改進(jìn)氣凝膠的納米結(jié)構(gòu)可成為突破口之一。

3.2 氣凝膠力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的提升

消防服對(duì)面料拉伸撕破強(qiáng)度存在一定要求，但SiO2氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)度低、韌性差、脆性大的問題，這嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。

3.3 氣凝膠復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用

除了研究較多的二氧化硅氣凝膠，同時(shí)也開發(fā)了各種新型氣凝膠材料，如石墨烯氣凝膠、纖維素氣凝膠等。有研究發(fā)現(xiàn)：石墨烯氣凝膠復(fù)合織物能明顯延長(zhǎng)使人體產(chǎn)生熱損傷的時(shí)間，具有較好的熱防護(hù)性能[53-55]；氫氧化鋁氣凝膠/聚酰胺織物復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和垂直燃燒損毀長(zhǎng)度均明顯小于原聚酰胺織物，具有良好的隔熱性和阻燃性[56]。

當(dāng)前氣凝膠產(chǎn)品主要有氣凝膠氈、涂料、粉末、顆粒等形態(tài)。其中，氣凝膠氈的彎折性不佳，應(yīng)用于服裝會(huì)導(dǎo)致穿著不適；氣凝膠涂層材料的透氣性差，不適合應(yīng)用于服裝開發(fā)。任洪雨等[57]開發(fā)了具有雙面格柵結(jié)構(gòu)的氣凝膠隔熱氈，將氣凝膠涂層乳液涂覆于無紡隔熱層的上下表面，相鄰錯(cuò)位排列，發(fā)現(xiàn)經(jīng)添加氣凝膠與面料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，能在提高防護(hù)性能的同時(shí)減弱透氣性的降低，但涂層處理方式仍存在難以均勻涂覆的問題。研究人員采用“夾心式”的方法，即氣凝膠作為中間層結(jié)合在2層服裝面料之中，但這種處理方式使得氣凝膠粉末易沿布料纖維和針縫間隙溢出，服用性能較差且難以制作款式結(jié)構(gòu)復(fù)雜的服裝，不適合直接應(yīng)用于消防服中[4,22]。由于其正常粉末狀不能單獨(dú)使用，通常需與其他材料結(jié)合，以增強(qiáng)力學(xué)性能，有學(xué)者制備出用于充填消防服隔熱內(nèi)襯的氣凝膠球粒，并研究了其充填方式，發(fā)現(xiàn)氣凝膠球粒的耐熱性和熱穩(wěn)定性較強(qiáng)，且多個(gè)氣凝膠球粒的整體彈性、韌性和抗壓性較好[58-59]。

此外，在聚合物泡沫體材料中加入氣凝膠制成的氣凝膠發(fā)泡材料，具有優(yōu)異熱絕緣特性[60]，目前已經(jīng)被成功應(yīng)用于防寒服中，未來有望將氣凝膠發(fā)泡材料引入熱防護(hù)服裝，提高消防服的基本服用性能。為改善氣凝膠復(fù)合材料的服用性能，研究人員不斷開發(fā)新制備技術(shù)，而氣凝膠復(fù)合材料本身制備技術(shù)的革新和改進(jìn)，是未來提升其在服裝中應(yīng)用可行性的必由之路。

4 結(jié)束語

氣凝膠因具有高孔隙率和極低的熱導(dǎo)率，能顯著增強(qiáng)織物的熱防護(hù)效果，使其在消防服中的應(yīng)用具有廣闊的前景。已有不少研究探討了氣凝膠在消防服用織物上的應(yīng)用方法和作用機(jī)制，但是氣凝膠材料的高隔熱性能同時(shí)可能帶來人體熱應(yīng)激增加的問題，及其熱穩(wěn)定性不高的弱點(diǎn)，均會(huì)影響其在熱防護(hù)織物上的應(yīng)用；因此，將氣凝膠與包括玄武巖纖維或相變材料在內(nèi)的其他功能材料組合應(yīng)用于消防服，以綜合提高氣凝膠型消防服的熱防護(hù)性和舒適性，也是當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

未來針對(duì)氣凝膠材料的應(yīng)用研究，可更多關(guān)注其熱防護(hù)性和熱舒適性的功能平衡設(shè)計(jì)，結(jié)合其他新型功能織物，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，尋求優(yōu)化的織物組合方案；探索氣凝膠材料本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)以及與其他功能纖維的結(jié)合，努力提升其力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性；積極探索新型制備技術(shù)，提升氣凝膠材料的綜合服用性能，進(jìn)一步為氣凝膠材料在消防服中的應(yīng)用提供可行性并拓展應(yīng)用空間。

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