氣凝膠材料在紡織品上的應(yīng)用研究進(jìn)展

趙倫玉，隋曉鋒，毛志平，李衛(wèi)東，馮雪凌

(1.東華大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；3.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

氣凝膠是一種由聚合物分子或連續(xù)的無(wú)機(jī)納米粒子重復(fù)堆疊形成的具有三維開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔材料，孔徑范圍在1～100 nm之間，孔隙率高達(dá)80.0%～99.8%。由于其兼?zhèn)浼{米級(jí)的孔洞結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)的物質(zhì)屬性，因而整體呈現(xiàn)出多種寬范圍可調(diào)的物理性質(zhì)。例如，氣凝膠材料的密度可高達(dá)1 g/cm3，與固體塑料密度相當(dāng)，而最低也僅有0.16 mg/cm3，為空氣密度(1.29 mg/cm3)的1/6。與密度密切相關(guān)的聲阻抗參數(shù)同樣有著1×103～1×107kg/(m2·s)的巨大跨度。除此之外，氣凝膠材料還擁有極低熱導(dǎo)率(最低可達(dá)0.013 W/(m·K))、超大比表面積(500～1 200 m2/g)、超低介電常數(shù)(最低可達(dá)1.008)，以及可調(diào)折射率(最低可達(dá)1.025)等物理特性[1]。憑借這些性質(zhì)，氣凝膠在保溫隔熱、吸附催化、分離過(guò)濾、消聲隔聲、組織工程等各領(lǐng)域皆有廣泛的應(yīng)用。尤其在紡織領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種氣凝膠基紡織品的制備工藝，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化制造與生產(chǎn)。

本文首先梳理了氣凝膠材料的定義演變歷史，明晰其日益模糊的概念。然后重點(diǎn)圍繞應(yīng)用方法和應(yīng)用形式，闡述了氣凝膠在不同應(yīng)用中的作用機(jī)制及目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展。最后指出在氣凝膠基紡織品的應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題，并展望了未來(lái)紡織領(lǐng)域中氣凝膠材料的發(fā)展趨勢(shì)。

1 氣凝膠的定義演變

1931年，美國(guó)斯坦福大學(xué)Kistler教授首次將氣凝膠材料引入公眾視野，以水玻璃為原料，通過(guò)鹽酸催化、氯離子洗除、溶劑交換、乙醇超臨界干燥等工序，獲得了第1塊SiO2氣凝膠，并創(chuàng)造了“aerogel”這一概念——濕凝膠中固體骨架基本不收縮的情況下，將液體連續(xù)相轉(zhuǎn)換為氣體連續(xù)相后的一種固體材料[2-3]。隨著氣凝膠種類(lèi)和制備方法的不斷創(chuàng)新，氣凝膠的定義也在逐步更新，至今為止對(duì)氣凝膠的定義還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，對(duì)其概念進(jìn)行重新梳理對(duì)于了解這種材料的本質(zhì)具有重要意義。

1998年，Hüsing教授在其綜述中羅列出了氣凝膠的2種定義：一種是不管結(jié)構(gòu)性能如何，濕凝膠經(jīng)過(guò)特殊的干燥過(guò)程——超臨界干燥處理后獲得的材料，皆被稱(chēng)為氣凝膠；二是當(dāng)一種凝膠孔隙中的液體被空氣代替時(shí)，其孔洞和網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)可很大程度上被保留的材料叫作氣凝膠[4]。2001年，卡伯特公司在其專(zhuān)利中提出了類(lèi)似的概念，認(rèn)為氣凝膠在狹義上指的是“在高于臨界溫度和臨界壓力條件下，除去濕凝膠中的流體得到的干燥凝膠”，而廣義上指的是“用空氣作為分散劑的凝膠”，將狹義上的氣凝膠、干凝膠和低溫凝膠都囊括在內(nèi)[5]。然而隨著冷凍干燥、常壓干燥等其他干燥技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，氣凝膠狹義上的概念逐漸被拋棄。國(guó)際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)將氣凝膠定義為一種由微孔固體構(gòu)成且其中分散相是氣體的凝膠[6]。2011年，Aegerter等[7]在“Aerogel Handbook”中重新沿用了Kistler教授的定義，認(rèn)為氣凝膠是濕凝膠中的液體被空氣取代，同時(shí)固體網(wǎng)絡(luò)僅存在極小收縮的材料，但對(duì)于“極小”這種程度副詞并沒(méi)有做出明確限定。

事實(shí)上氣凝膠目前已被公認(rèn)為是一種具有三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及類(lèi)似于泡沫的超高孔隙率、超低導(dǎo)熱率等特征的物質(zhì)，而不再?gòu)?qiáng)調(diào)其制備或干燥的方法，因此，在部分文章中即使制備的多孔材料既不源于濕凝膠，也未經(jīng)溶膠-凝膠過(guò)程，同樣也被稱(chēng)為氣凝膠。最初定義為干凝膠(xerogel)和冷凍凝膠(cryogel)的多孔材料也逐漸被認(rèn)為是氣凝膠，例如：2009 年Aliev等[8]通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備的碳納米管基氣凝膠；Jin等[9]通過(guò)冷凍干燥技術(shù)得到的納米纖維基氣凝膠。2013年，上海同濟(jì)大學(xué)杜艾教授在綜述中重新定義了氣凝膠，認(rèn)為物質(zhì)的3種常見(jiàn)狀態(tài)中，氣態(tài)與固/液態(tài)間在密度、自由焓等特征值上具有較大差別，而“氣凝膠態(tài)”介于二者之間，且這種物質(zhì)與其他物質(zhì)狀態(tài)皆具有相似的廣泛化學(xué)組成，所以氣凝膠應(yīng)被歸類(lèi)為一種新的物質(zhì)狀態(tài)[1]。為凸顯氣凝膠材料有別于其他多孔材料的結(jié)構(gòu)特殊性，Ziegler等[10]對(duì)氣凝膠材料的孔徑和孔隙率等物理參數(shù)進(jìn)行限制，認(rèn)為氣凝膠是一種具有高達(dá)幾百納米的中孔和大孔，孔隙率超過(guò)95%，且分散相是氣體的固體。

2 氣凝膠在紡織品上的應(yīng)用

目前，氣凝膠的生產(chǎn)早已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，經(jīng)由各種加工手段開(kāi)發(fā)出的不同類(lèi)型的氣凝膠原料已應(yīng)用于不同場(chǎng)景(見(jiàn)圖1[11])。作為一種新的物質(zhì)狀態(tài)，氣凝膠類(lèi)材料在眾多領(lǐng)域皆體現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力，尤其是紡織領(lǐng)域。超低熱導(dǎo)率、超高孔隙率以及寬范圍可調(diào)的密度和聲阻抗等特性，使其成為隔熱隔音、防寒保暖紡織品的理想材料，因此，氣凝膠基紡織品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用具有極大的商業(yè)價(jià)值。

圖1 氣凝膠材料

2.1 氣凝膠在紡織品上的應(yīng)用方法

如何將氣凝膠應(yīng)用在紡織品上，是其真正走入大眾市場(chǎng)的關(guān)鍵。氣凝膠材料的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入極低熱導(dǎo)率的同時(shí)，也帶來(lái)了很多問(wèn)題，包括高度脆性、易碎和較差的形狀可塑性等，因而直接將氣凝膠加工成紡織品的應(yīng)用方式并不現(xiàn)實(shí)。目前主要采用的手段是將其與傳統(tǒng)面料或增強(qiáng)材料結(jié)合，制備紡織品復(fù)合材料。按有無(wú)凝膠過(guò)程可將這些方法大體分為2種：一種是凝膠整體成型法；另一種是物理?yè)诫s法。后者包括熱黏合法、涂層法等[12-14]。本文針對(duì)幾種常用的應(yīng)用方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1.1 凝膠整體成型法

凝膠整體成型法，顧名思義，就是在前驅(qū)體溶液中加入纖維等增強(qiáng)材料或其他功能材料，然后進(jìn)行溶膠-凝膠以原位制備氣凝膠基復(fù)合材料，工藝流程如圖2所示。此種方法制備的大都為毛毯、毛氈類(lèi)整料，可應(yīng)用于汽車(chē)坐墊、地毯等隔熱隔音用品。Oh等[15]將滌綸非織造布浸入正硅酸乙酯(TEOS)/乙醇混合物中，通過(guò)溶膠-凝膠后制備了具有超多孔且柔軟的滌綸/SiO2氣凝膠毯，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察到SiO2氣凝膠團(tuán)簇有效地圍繞著聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合材料具有良好的吸聲和隔熱效果。Li等[16]將TEOS作為前驅(qū)體，倒入模具后逐層疊加芳綸，再經(jīng)溶膠-凝膠、溶劑置換、表面改性以及常壓干燥等步驟，獲得了力學(xué)性能增強(qiáng)的SiO2氣凝膠材料。力學(xué)性能和熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明，添加5%芳綸時(shí)效果最佳，此條件下復(fù)合材料的彈性模量低且熱導(dǎo)率可降至0.022 W/(m·K)。Xu等[17]將碳化硅遮光劑改性后的莫來(lái)石纖維置于Al2O3-SiO2溶膠中，經(jīng)老化和干燥后成功制備了基于Al2O3-SiO2氣凝膠的隔熱復(fù)合材料，熱導(dǎo)率僅為0.049 W/(m·K)。類(lèi)似地，羅佳妮等[18]分別采用聚丙烯(PP)針刺織物和PET吸聲棉作為增強(qiáng)材料，將其浸入SiO2溶膠中，整體成型制備了具有良好彎曲性和韌性的PP/SiO2和 PET/SiO2復(fù)合氣凝膠材料，且相較純非織造布，其具有更高的吸聲系數(shù)。

圖2 整體成型法工藝流程圖

凝膠整體成型法的特點(diǎn)是，在前驅(qū)體溶液進(jìn)行溶膠-凝膠之前摻入纖維等增強(qiáng)材料，制成混合濕凝膠，最后通過(guò)干燥制得氣凝膠基復(fù)合材料。由于纖維等添加物對(duì)成型氣凝膠起到了交聯(lián)和支撐的作用，而成型氣凝膠反過(guò)來(lái)對(duì)纖維起到了纏結(jié)和固定的作用，二者相輔相成，使復(fù)合材料的力學(xué)性能較純氣凝膠材料有了極大改善。該方法很好地解決了氣凝膠在制備過(guò)程中易收縮、開(kāi)裂的問(wèn)題，材料整體隔熱性能也很穩(wěn)定[19]。缺點(diǎn)在于纖維等功能材料在溶膠中的分散性差，導(dǎo)致其與氣凝膠基體的結(jié)合牢度低，顯著影響材料的隔熱性能。另外，制備出的復(fù)合材料通常也面臨著嚴(yán)重的掉渣問(wèn)題。

2.1.2 熱黏合法

岳曉華[20]按照一定比例將SiO2氣凝膠顆粒、陶瓷纖維、黏合樹(shù)脂材料、催化劑和結(jié)構(gòu)控制劑在室溫下均勻混合成漿料，再將其倒入底層覆有非織造布的模具中，在上層也覆蓋一層非織造布后熱壓制備了導(dǎo)熱系數(shù)僅有0.023 6 W/(m·K)的SiO2氣凝膠絕熱氈墊。該方法工藝簡(jiǎn)單，流程少，制得的氣凝膠氈墊柔韌性好，且掉渣問(wèn)題也得到了很好的解決。Xiong等[21]借助層壓技術(shù)，使用低熔點(diǎn)黏合劑充當(dāng)熱黏合材料，在非織造布基材上逐層涂覆氣凝膠顆粒和黏合劑，并在頂部放置靜電紡納米纖維網(wǎng)，最后將層狀體系在給定的預(yù)張力和連續(xù)壓力下熱壓，制得具有良好透氣性與隔熱性的層狀織物。類(lèi)似地，Bhuiyan等[22]通過(guò)將粘膠纖維與聚酯纖維共混熱壓制造非織造布，然后將SiO2氣凝膠粉末填充到2層非織造布中進(jìn)一步熱壓制備了氣凝膠非織造布，該非織造布具有耐熱性、抗液體滲透性和透氣性等優(yōu)異性能，能夠作為防護(hù)服夾層實(shí)現(xiàn)化學(xué)防護(hù)和熱防護(hù)。

熱黏合法的特點(diǎn)在于漿料的制備，一般做法是將氣凝膠整料粉碎、研磨成氣凝膠顆?；蚍勰?，直接或溶解分散到溶劑中后，按一定比例與功能材料、黏合劑均勻共混成漿料，再通過(guò)高溫黏合制得氣凝膠基復(fù)合材料，工藝流程如圖3所示。總的來(lái)說(shuō)，此種加工方法操作簡(jiǎn)單，適合規(guī)?；褂茫渥畲蟮娜秉c(diǎn)在于黏結(jié)壓模過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大孔洞，且高比例黏合劑的引入也會(huì)使復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高，消音隔熱能力大打折扣。

圖3 熱黏合法工藝流程圖

2.1.3 涂層法

與熱黏合法類(lèi)似，涂層法同樣需要制備氣凝膠漿料，基本工藝流程如圖4所示。賀香梅等[23]以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)作為硅源，通過(guò)溶膠-凝膠和常壓干燥工藝開(kāi)發(fā)了導(dǎo)熱系數(shù)在0.03～0.04 W/(m·K)之間的SiO2氣凝膠，并將此氣凝膠碾碎成粉料，與聚氨酯(PU)類(lèi)黏合劑共混制備漿料，最后將其涂覆在棉織物上得到隔熱織物，該復(fù)合織物的導(dǎo)熱系數(shù)最低可達(dá)0.101 W/(m·K)。類(lèi)似地，張明明等[24]采用傳統(tǒng)的水玻璃作為硅源，通過(guò)溶膠-凝膠和超臨界干燥工藝制備了SiO2氣凝膠，而后將其研磨成粉與聚丙烯酸酯黏合劑共混制漿，最后利用涂層的方式將其與織物結(jié)合，得到復(fù)合隔熱紡織品，探索了氣凝膠與黏合劑質(zhì)量比對(duì)復(fù)合織物隔熱參數(shù)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其比值為12∶15時(shí)效果最好，在相同熱通量條件下，涂層織物與空白樣間的溫差高達(dá)9.1 ℃。Jabbari等[25]對(duì)滌綸機(jī)織物進(jìn)行SiO2氣凝膠/聚氯乙烯漿料的雙面涂層整理，熱導(dǎo)率測(cè)試證明含4%氣凝膠的涂層織物其絕熱性能最好，熱導(dǎo)率值僅為0.152 W/(m·K)，而當(dāng)SiO2氣凝膠含量超過(guò)4%時(shí)漿料的黏度會(huì)受到影響，不利于涂層成型。Bhuiyan等[26]將SiO2氣凝膠粉料與PU黏合劑共混制備涂層漿料，利用刀涂法將其均勻涂覆在棉織物上形成疏水表面層，最終制備的復(fù)合材料具有良好的防水和防化學(xué)試劑滲透作用，且隨著SiO2氣凝膠含量的提高，復(fù)合織物的透氣透濕性也有所改善，熱舒適性進(jìn)一步提高。

圖4 涂層法工藝流程圖

涂層法與熱黏合法的相同點(diǎn)在于皆需將成品氣凝膠粉末與黏合劑混合制備漿料，不同點(diǎn)是涂層法的漿料中無(wú)需加入纖維等增強(qiáng)劑，而是通過(guò)后續(xù)的涂層工藝將氣凝膠材料與織物基材復(fù)合。此種方法由于工藝簡(jiǎn)單流程少，是目前氣凝膠材料與紡織品結(jié)合最為通用的策略。復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于基材原料，因而有效避免了純氣凝膠材料力學(xué)性能差的問(wèn)題，且涂層工藝較好地規(guī)避了氣凝膠材料在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的掉渣現(xiàn)象。但由于氣凝膠材料在最終制備的復(fù)合材料中占比少，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)受到抑制，使復(fù)合材料的隔熱性能普遍低于其他方法制得的復(fù)合材料。

2.2 氣凝膠在紡織品上的應(yīng)用形式

2.2.1 熱防護(hù)紡織品

熱量的傳遞主要有3種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。嚴(yán)格意義上熱傳導(dǎo)的介質(zhì)是固體，而熱對(duì)流主要發(fā)生在液相與氣相中，熱輻射指的是輻射電磁波放熱，因而在任何介質(zhì)中都存在。對(duì)于具有納米級(jí)三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料，熱傳導(dǎo)需經(jīng)過(guò)復(fù)雜曲折且纖細(xì)的網(wǎng)絡(luò)骨架，其固相傳熱效果遠(yuǎn)低于其他固體材料；一般情況下氣凝膠的孔徑(1～50 nm)小于氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程(69 nm)，氣體分子相互碰撞傳熱概率大大下降，所以氣相傳熱受限，在氣凝膠材料中熱對(duì)流引起的熱傳遞可忽略不計(jì)；另外，氣凝膠的高比表面積意味著其內(nèi)部具有大量反射面和反射顆粒，可反射輻射熱量，使得輻射傳熱也處于較低水平，因此，氣凝膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)通常很低，甚至可低于空氣(0.023 W/(m·K))[27-28]。因而氣凝膠材料具有絕佳的隔熱能力，若將其用于制備熱防護(hù)紡織品將具有突出優(yōu)勢(shì)。

消防服是消防員進(jìn)行滅火救援時(shí)穿著的專(zhuān)用服飾，是保護(hù)消防隊(duì)員免受高溫傷害的重要防護(hù)用具，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到消防員的人身安全以及工作效率。據(jù)GA 10—2002《消防員滅火防護(hù)服》所述，消防服是一種多層織物系統(tǒng)，包括外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。其中，隔熱層作為主要的功能單元，需要兼具高耐火性、耐熱性和隔熱性，能夠有效地阻隔外界熱量向人體傳遞[29]。而氣凝膠材料因其出色的隔熱、不燃和質(zhì)輕等特性成為消防服隔熱層的理想材料[30]。

Jin等[31]用含5%氣凝膠的丙酮分散液處理芳族聚酰胺非織造布，制備了不同氣凝膠含量的消防服隔熱層，并通過(guò)火焰?zhèn)鳠釡y(cè)試和人體模型測(cè)試，對(duì)消防員服裝的熱防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估，實(shí)驗(yàn)表明其防護(hù)性能隨隔熱層中氣凝膠含量的增加而線性增加，且總灼傷程度顯著降低，由原始服裝的25.1%降至12.7%，證明了氣凝膠在消防服中的巨大應(yīng)用潛力。Qi等[32]對(duì)比了傳統(tǒng)芳綸針刺織物和氣凝膠分別作為消防服隔熱層的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)暴露在同樣的熱通量下，含有氣凝膠隔熱層的消防服，其背面溫度比傳統(tǒng)芳綸隔熱層要低100 ℃左右，且由于氣凝膠材料固有的低密度，制備的消防服其總密度減少約24.3%，說(shuō)明使用氣凝膠充當(dāng)隔熱層不僅可改善熱防護(hù)性能，且對(duì)減輕衣物質(zhì)量、提高消防人員動(dòng)作靈活性也至關(guān)重要。有別于常用的SiO2類(lèi)氣凝膠材料，高珊等[33]制備了石墨烯基氣凝膠并用其開(kāi)發(fā)了復(fù)合防火織物，可將人體產(chǎn)生熱損傷的時(shí)間延長(zhǎng)約 203%。除熱防護(hù)性能，消防服的生理舒適性等指標(biāo)也備受關(guān)注。Shaid等[34]將超疏水SiO2氣凝膠納米顆粒摻入羊毛/芳綸混紡織物中開(kāi)發(fā)了一種新型防護(hù)服發(fā)現(xiàn)，僅用2%的氣凝膠顆粒涂層就能將耐熱性提高68.64%，且證實(shí)了氣凝膠涂層對(duì)水蒸氣傳輸具有積極作用；另外，還系統(tǒng)地比較了氣凝膠基非織造材料與其他商用材料在充當(dāng)消防服的增強(qiáng)材料和隔熱材料方面的優(yōu)劣，證實(shí)氣凝膠基非織造材料比現(xiàn)有的商業(yè)增強(qiáng)材料和熱棉絮材料的耐熱性高8倍[35]。

眾多研究已證明了氣凝膠材料在消防服中的應(yīng)用潛能，但值得注意的是氣凝膠作為一種高隔熱材料不僅會(huì)抵抗外界熱量的傳入，也會(huì)阻擋人體向外界散熱。在高溫環(huán)境中，隨著穿戴者體溫的升高，其會(huì)不斷放熱導(dǎo)致消防服內(nèi)部熱量積聚，使穿著體驗(yàn)感變差，甚至?xí)l(fā)中暑、脫水、呼吸困難等緊急情況。為解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們嘗試將相變材料引入氣凝膠基消防服中，利用相變材料在相變點(diǎn)吸收熱量而溫度不變的特性，提高消防服的服用性能。例如，Shaid等[36]在保溫襯布外側(cè)涂覆SiO2氣凝膠顆粒，而在與皮膚接觸的內(nèi)側(cè)涂覆相變材料和氣凝膠復(fù)合粉料，實(shí)驗(yàn)表明這種組合能夠避免皮膚溫度躍遷，延長(zhǎng)了達(dá)到疼痛閾值的時(shí)間，且高溫下復(fù)合材料也很穩(wěn)定，證明了其高服用安全性和實(shí)用性。Zhang等[37]將氣凝膠和微囊化相變材料(MPCM)摻入襯里，并利用熱防護(hù)性能測(cè)試儀研究了不同的分層構(gòu)型(傳統(tǒng)熱襯里、相變層和氣凝膠層)對(duì)熱防護(hù)性能的影響，結(jié)果表明氣凝膠和MPCM的結(jié)合體現(xiàn)出巨大的協(xié)同效應(yīng)，改善了傳統(tǒng)襯里的性能。張慧等[38]將傳統(tǒng)熱防護(hù)面料系統(tǒng)中的隔熱層(芳綸)，用氣凝膠層、相變微膠囊層以及3種復(fù)配層替代，對(duì)比了6種不同的面料組合配置對(duì)隔熱性能的影響，證明當(dāng)隔熱層為傳統(tǒng)隔熱層、相變微膠囊層和氣凝膠層的三者組合，且放置順序(距離火源)為傳統(tǒng)隔熱層、氣凝膠層和相變微膠囊層時(shí)，系統(tǒng)的熱防護(hù)性能最好，其二級(jí)燒傷時(shí)間為218.3 s，與僅有傳統(tǒng)芳綸隔熱層相比提高了90%。

這些研究不僅進(jìn)一步證明了氣凝膠材料在消防服上應(yīng)用的可行性，同時(shí)針對(duì)氣凝膠引起的散熱性差問(wèn)題給出了有效的解決策略，例如復(fù)合使用相變材料實(shí)現(xiàn)體表溫度的可控可調(diào)。絕大多數(shù)的有機(jī)相變材料易燃且價(jià)格高，如何對(duì)其進(jìn)行阻燃處理或者有效封裝是這種熱防護(hù)面料亟待解決的問(wèn)題；且相變材料的結(jié)合并不是提高消防服服用性能的唯一手段，需要進(jìn)一步探索調(diào)溫效果更好、成本更低的解決辦法。除消防服這類(lèi)特種熱防護(hù)紡織品外，氣凝膠材料也被廣泛用于隔熱涂層帳篷[39]、絕熱毯[20]等商用領(lǐng)域，進(jìn)一步彰顯了其在熱防護(hù)紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

2.2.2 保暖防寒紡織品

氣凝膠材料極低的熱導(dǎo)率不僅意味著其具有良好的隔熱能力，可阻止外界熱量輸入，同時(shí)也表明其能夠防止內(nèi)部熱量輸出，具有優(yōu)異的保暖性能，因此，在保暖防寒紡織品領(lǐng)域同樣具有很高的商業(yè)價(jià)值[40]。

研究初期，純SiO2氣凝膠由于力學(xué)性能差、強(qiáng)度低、易破碎、加工成本高，在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用十分受限，面向市場(chǎng)的民用氣凝膠保暖服更為少見(jiàn)。直到2002年，Aspen Aerogel公司開(kāi)發(fā)出基于氣凝膠材料的增韌改性技術(shù)，將SiO2氣凝膠與柔性纖維結(jié)合，制備了易于加工成型的氣凝膠柔性材料，開(kāi)啟了氣凝膠材料走向紡織服裝領(lǐng)域的步伐[41]。研究人員發(fā)現(xiàn)將這種柔性氣凝膠材料應(yīng)用到宇航服的隔熱襯里時(shí)，當(dāng)氣凝膠層厚度為18 mm時(shí)，可抵御-130 ℃的超低溫。隨后，氣凝膠基保暖防寒紡織品不斷涌現(xiàn)，由柔性纖維增強(qiáng)的SiO2氣凝膠基復(fù)合織物制成的鞋墊于2005年在美國(guó)上市發(fā)售[42]；意大利Corpo Nove公司開(kāi)發(fā)的氣凝膠夾克，可經(jīng)受-25～1 500 ℃的極端溫度環(huán)境[43]；美國(guó)海軍研發(fā)的氣凝膠基保暖衣具有優(yōu)異的保溫功能，大大減緩了體表溫度的下降速率，有效延長(zhǎng)了水下作業(yè)時(shí)間[44]。另外，2009年Aspen公司與Element 21公司一起開(kāi)發(fā)了“零夾層”氣凝膠纖維，并成功將其應(yīng)用于服用夾克內(nèi)，證明了厚度僅為0.3 cm的這種超薄夾克就具有與4 cm厚的羽絨服同等的保暖效果[45]。而最近，中國(guó)素湃科技有限公司推出了一款宇航防寒服，其將氣凝膠材料與傳統(tǒng)的有機(jī)發(fā)泡材料結(jié)合，充當(dāng)防寒服的保暖層，此保暖層密度小于0.4 g/cm3，導(dǎo)熱率小于0.026 W/(m·K)，且由于氣凝膠粉料被限制在發(fā)泡PU的孔壁中，不存在掉渣現(xiàn)象[46]。為更直觀地表明氣凝膠材料在保暖服裝上的優(yōu)越性，蘇文楨等[47]進(jìn)行了真人在模擬低溫環(huán)境中的穿著實(shí)驗(yàn)，通過(guò)人體各部位的皮膚溫度監(jiān)測(cè)以及主觀冷暖感判斷，將氣凝膠防寒服與沖鋒衣(傳統(tǒng)抓絨內(nèi)膽)做對(duì)比，證明了氣凝膠防寒服擁有更為優(yōu)異的保暖效果，也進(jìn)一步揭示了其較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

為將氣凝膠材料進(jìn)一步推向民用市場(chǎng)，研究者們正致力于豐富氣凝膠材料的應(yīng)用方式。例如：曹明貴等[48]將SiO2氣凝膠粉末、有機(jī)溶劑、沾黏劑等原料共混制備紡絲熔液，而后對(duì)其進(jìn)行加熱干燥、黏貼、壓制等工序，制得SiO2氣凝膠復(fù)合纖維非織造布，該非織造布擁有良好的保溫隔熱、防水防風(fēng)性，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.05 W/(m·K)，比羽絨羊毛導(dǎo)熱系數(shù)還要低；Shi等[49]通過(guò)將SiO2氣凝膠顆粒加至熱-濕敏感型熱塑性PU中，制備了可量產(chǎn)的氣凝膠基智能復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的防水性、自適應(yīng)透氣性和保暖性，能夠在不斷變化的環(huán)境件下保持人體皮膚干燥，提高穿著舒適度，推動(dòng)了智能服裝的進(jìn)一步發(fā)展；韓健健等[50]從服飾結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了3層貼合結(jié)構(gòu)(面料層、黏結(jié)層、氣凝膠層)，并利用T形插具固定住氣凝膠層與面料層的對(duì)應(yīng)位置，使黏結(jié)層不易開(kāi)膠，提高了氣凝膠層的貼合效果。

從這些成功的應(yīng)用實(shí)例和日漸豐富的應(yīng)用方式可以看出，氣凝膠材料在保溫服飾上有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，也有著廣闊的市場(chǎng)前景。但同樣也存在許多制約條件，例如制造成本高、目標(biāo)商品受眾小、品牌效應(yīng)大過(guò)產(chǎn)品性能等，因此，仍需致力于降低原料和工藝成本，縮短制備流程，開(kāi)發(fā)氣凝膠與紡織品復(fù)合的更有效、方便的應(yīng)用方式，最大化發(fā)揮材料本身性能優(yōu)勢(shì)，以真正實(shí)現(xiàn)氣凝膠材料的普及應(yīng)用。

2.2.3 超疏水紡織品

當(dāng)材料表面與水的穩(wěn)定接觸角大于150°且滾動(dòng)接觸角小于10°時(shí)，該表面即為超疏水表面。超疏水紡織品在戶(hù)外運(yùn)動(dòng)服、防水帳篷、雨傘、雨衣以及汽車(chē)內(nèi)飾等領(lǐng)域皆有廣泛應(yīng)用。基于荷葉效應(yīng)的啟發(fā)，超疏水表面一般具有2個(gè)特性：一是具有微納米粗糙結(jié)構(gòu)；二是具有較低的表面能。氣凝膠材料由連續(xù)的納米三維骨架和納米級(jí)孔洞組成，將其應(yīng)用在基體表面可直接提供微納米結(jié)構(gòu)，且氣凝膠的孔洞內(nèi)有著大量靜態(tài)空氣，能夠有效阻止固體表面與水的接觸，因此，利用氣凝膠材料構(gòu)筑超疏水紡織品具有天然的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

張旋宇等[51]將疏水SiO2氣凝膠與聚二甲基硅氧烷(PDMS)共混，通過(guò)浸-軋-焙工藝將其整理到棉織物上制備了超疏水棉織物，接觸角由原來(lái)的0°變成155.6°，經(jīng)過(guò)25次皂洗后接觸角為137.9°，具有優(yōu)異的超疏水性和耐洗性。類(lèi)似地，盛宇等[52]將PDMS與SiO2/TiO2復(fù)合氣凝膠混合后制備 PDMS/SiO2-TiO2漿料，同樣采用浸-軋-焙工藝處理到棉織物表面得到了超疏水且具有防紫外線功能的織物，其表面存在微納米粗糙結(jié)構(gòu)，接觸角為 157.7°，紫外線防護(hù)系數(shù)值(UPF)為122.47。Lang等[53]采用熱誘導(dǎo)相分離技術(shù)首先制備了花瓣?duì)疃嗫譖P氣凝膠，后將其涂覆在PU海綿和PP非織造布材料上，開(kāi)發(fā)了具有氣凝膠表面特性的混合材料，測(cè)量發(fā)現(xiàn)涂層表面在不同酸堿條件下的接觸角皆大于150°，因此，被成功用于油水分離應(yīng)用。靳懿等[54]在溶膠-凝膠過(guò)程中加入了具有獨(dú)特光學(xué)特性的納米CuS，并利用含氟硅烷偶聯(lián)劑對(duì)氣凝膠進(jìn)行表面改性，最終制備了超疏水的CuS/SiO2復(fù)合氣凝膠，將其與PDMS混合處理到棉織物上后得到了超雙疏且防紫外線的功能紡織品，水接觸角可達(dá)159.4°，油接觸角可達(dá)151.8°，UPF值高達(dá)237.43。除借助PDMS作為黏結(jié)劑輔助氣凝膠材料改性織物表面之外，丁嬌娥等[55]預(yù)先用殼聚糖溶液處理棉織物使其帶有大量氨基，同時(shí)使用γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和氨丙基三甲氧基硅烷對(duì) SiO2凝膠顆粒進(jìn)行表面改性，引入環(huán)氧基和氨基，最后通過(guò)浸軋手段將改性后的氣凝膠共價(jià)交聯(lián)到棉織物上，顯著提升了二者間的結(jié)合牢度。

這些成功案例揭示了氣凝膠材料在超疏水、自清潔紡織品制備上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)一步研究和探討，但同樣也存在改進(jìn)空間，如多數(shù)情況下，氣凝膠基超疏水紡織品的制備需經(jīng)過(guò)浸涂工藝，而溶液中疏水氣凝膠的分散穩(wěn)定性差，短時(shí)間內(nèi)易團(tuán)簇，很大程度上限制了這種方法的實(shí)施。如何以簡(jiǎn)單高效的方式實(shí)現(xiàn)氣凝膠材料在織物表面的牢固結(jié)合仍是研究的重點(diǎn)。此外，整理過(guò)程以及氣凝膠整理層對(duì)織物原本性能的影響是不可忽視的，需要在整理的同時(shí)盡量避免對(duì)原材料結(jié)構(gòu)的破壞或是輔助加入其他增強(qiáng)材料。

2.2.4 消聲隔聲紡織品

多孔材料一直以來(lái)都是制備消聲隔聲產(chǎn)品的主要原材料，當(dāng)聲波進(jìn)入材料內(nèi)部相互貫通的孔洞時(shí)，空氣分子受到摩擦和黏滯力的作用，產(chǎn)生振動(dòng)使聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后因摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙缓纳ⅲ_(dá)到隔音消音的目的。所以若材料中開(kāi)放的、互相連通的、孔徑小的孔洞越多，其吸聲性能越好，而氣凝膠的高孔隙率和大比表面積的特點(diǎn)使其天然具有極好的吸聲性能，成為消聲隔聲領(lǐng)域的理想材料。

Yang等[56]利用熱黏合工藝將疏水SiO2氣凝膠與PET/PE非織造布復(fù)合制備柔性消音材料，結(jié)果證明了氣凝膠材料對(duì)吸聲效果的正向促進(jìn)作用。Ramamoorthy等[57]通過(guò)整體成型法制備了SiO2氣凝膠/PET非織造布復(fù)合材料，測(cè)試了其在 50～6 300 Hz的1/3倍頻程頻率下的吸聲系數(shù)(SAC)，結(jié)果表明氣凝膠/PET 非織造布復(fù)合材料的 SAC 比未處理PET 非織造布高約37%。類(lèi)似地，Talebi等[58]采用相同方法制備了疏水SiO2氣凝膠/PET非織造材料，從氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)的角度評(píng)估了其對(duì)吸聲行為的影響，證明氣凝膠的密度越低、孔隙率越高、孔徑越大，SAC就越高。向文藝[59]利用物理填充手段，將層疊設(shè)置的多個(gè)氣凝膠層和吸聲棉復(fù)合纖維層作為芯層，填入包裹層中制備了一種隔聲隔熱氈，其保溫隔熱隔聲性能優(yōu)異，且不易脆裂粉化。

氣凝膠材料的優(yōu)越特性使得其在消聲隔聲紡織品上發(fā)揮著重要作用，但值得注意的是吸聲效果受很多因素的影響，包括氣凝膠的孔隙率、密度、孔徑以及材料本身種類(lèi)和厚度等，而文獻(xiàn)結(jié)論總結(jié)的規(guī)律性往往不甚相同，因此，消聲隔聲效果優(yōu)化顯得尤為困難。另外，雖然氣凝膠本身作為填充材料用于吸聲領(lǐng)域的研究有很多，但關(guān)于消聲隔聲紡織品的相關(guān)報(bào)道卻仍在少數(shù)，如何拓展其應(yīng)用將是研發(fā)該材料的重中之重。

3 結(jié)束語(yǔ)

氣凝膠材料因其特殊的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而具有一些獨(dú)特的物理特性，比如孔隙率高、比表面積大、熱導(dǎo)率低、聲阻抗低、介電常數(shù)低等，這些性質(zhì)使其在隔熱隔聲、吸附催化、儲(chǔ)能保溫、分離過(guò)濾、組織工程等領(lǐng)域皆獨(dú)具優(yōu)勢(shì)；但是強(qiáng)度低、脆性大等缺陷也始終是其走向千家萬(wàn)戶(hù)的攔路虎。雖然相關(guān)研究人員已經(jīng)提出了一些針對(duì)性的策略以改善氣凝膠材料的力學(xué)性能，但這些方法通常也引入了一些新問(wèn)題。例如：當(dāng)采用整體成型法制備氣凝膠基復(fù)合材料時(shí)，存在掉渣現(xiàn)象，另外氣凝膠粉料也極易從縫線處脫落；而將氣凝膠粉末與一些有機(jī)黏合劑復(fù)合又會(huì)限制氣凝膠本身作用的發(fā)揮，保溫隔熱等性能大打折扣，因此，如何在不折損氣凝膠結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其力學(xué)性能的提升是氣凝膠材料真正走向大眾市場(chǎng)的關(guān)鍵。

在氣凝膠基紡織品的應(yīng)用上，氣凝膠材料極低的熱導(dǎo)率雖然使其具有了替代傳統(tǒng)保溫隔熱面料的可能性，但這一點(diǎn)被過(guò)分看重，導(dǎo)致現(xiàn)有的氣凝膠基紡織品的應(yīng)用探索過(guò)于聚焦于材料的保溫隔熱性能，缺少對(duì)整體服用性能的考量，如壓縮回彈性、透濕透氣性、柔軟性、耐洗滌性等，而這些都是服裝行業(yè)必須考慮的問(wèn)題。為使氣凝膠材料更具市場(chǎng)價(jià)值，必須優(yōu)化其材料配伍，通過(guò)組合多種功能性面料、優(yōu)化排列方式等具體手段，提高氣凝膠紡織品的服用性能。其次，無(wú)論在哪方面的應(yīng)用，氣凝膠材料都存在著制備周期長(zhǎng)、制造成本高的問(wèn)題，大大限制了其走向民用市場(chǎng)的步伐。為解決這一問(wèn)題，需要探索更加低廉易得的前驅(qū)體原料，聚焦低成本的常壓干燥方式，拓展溶劑選項(xiàng)，優(yōu)化凝膠改性工藝，力求獲得更快的溶劑揮發(fā)速率和更穩(wěn)固的納米骨架結(jié)構(gòu)，從而在維持結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)氣凝膠生產(chǎn)成本的再降低。最后，氣凝膠材料在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用形式仍然太過(guò)單一，目前大多研究仍聚焦在保暖服飾和熱防護(hù)用具上，缺乏創(chuàng)新性。面向先進(jìn)制造和未來(lái)智能社會(huì)的發(fā)展要求，功能智能一體化的高附加值紡織品才是新材料領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。所以為跟上時(shí)代的腳步，氣凝膠紡織品也必須向更智能、更全面、多功能的新型材料靠攏，實(shí)現(xiàn)老樹(shù)開(kāi)新花。