氣凝膠在防護服中的應用進展

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　　摘要： 為提高防護服的綜合性能，平衡功能性需求和舒適性要求之間的關系，將密度小、導熱率低的氣凝膠材料合理有效地應用于防護服裝領域，在爆炸和火災等高溫環境中減少物理、化學等外界因素對人體造成的熱損傷，降低儲存熱，緩解熱應激。文章回顧了國內外關于氣凝膠材料的相關研究文獻，總結了氣凝膠材料在隔熱保溫、防寒隔熱產品和熱防護服中的應用進展，重點從力學、舒適性和高溫下結構穩定性等方面分析其在使用過程中存在的瓶頸和缺陷，并從氣凝膠種類、材料配伍、熱源、服用性能、生理舒適性、低成本等角度凝練了氣凝膠在防護服中的研究方向，展望了氣凝膠在防護服裝應用領域中的創新發展。
　　關鍵詞： 氣凝膠;防護服;隔熱;防護性能;服用性能
　　中圖分類號： TS941.73   文獻標志碼： A   文章編號： 1001-7003（2019）04-0044-06   引用頁碼： 041108
　　Abstract： To improve comprehensive performance of protective clothing and balance the relationship between function requirements and comfort needs， the aerogel material with low density and thermal conductivity was effectively applied in protective clothing field. It can reduce skin burn injury caused by external physical and chemical factors in high temperature environment such as explosion and flash fire， lower heat storage and relieve heat stress. This paper reviewed current domestic and foreign research literatures on the application of aerogel materials in protective clothing， and summarized the application progress of aerogel materials in thermal insulating and cold protection products as well as thermal protective clothing. It also analyzed the application bottleneck and drawbacks of aerogel materials in terms of mechanical， comfort and structure stability under high temperature. The specific directions for the application of aerogel materials in protective clothing were highlighted from the perspectives of aerogel type， material combination， heat source， wear property， waring property， physiological comfort and low cost. Finally， the innovative development trends of aerogel materials in protective clothing field were proposed.
　　Key words： aerogels; protective clothing; thermal insulating; protective performance; wearing property
　　
　　隨著中國經濟的高速發展，在工業生產、社會生活及軍事反恐等活動中可能發生的爆炸、火災、高壓蒸汽、高溫液體噴濺等災難性事故呈上升趨勢。在這些環境下工作的從業人員需要穿著特定的防護服裝，來保障生命安全和任務的有效執行。但傳統熱防護服主要通過多層組合來提高熱防護性能，其構成結構一般分為阻燃層、防水透氣層、隔熱層、舒適層四層，致使服裝厚重，從人體散熱、代謝率、活動性能三個方面對人體產生生理熱負荷和熱應激[1]，進而對著裝者的工作效率及決策能力造成影響，甚至會出現生命危險[2-3]。因此為了更好地保障從業人員的工作安全，開發具有優異的熱濕舒適性和防護性的輕質熱防護服是現代防護服裝的必然趨勢。氣凝膠是目前世界上密度最小、熱導率最低的高度多孔固體材料，具有特殊的連續網絡連接孔洞結構，隔熱性能優異，可應用于熱防護服裝，提高服裝的熱防護性能。本文將概括氣凝膠在防護服中的創新應用現狀，分析其應用的局限性，并提出未來的發展趨勢。
　　1 氣凝膠的性能
　　氣凝膠是一種具有超高孔隙率的三維納米多孔材料[4]。1931年美國斯坦福大學的Kistler教授利用水玻璃成功制備了世界上第一塊SiO2氣凝膠，經過近半個世紀的發展，氣凝膠材料的優異性能逐漸被發掘。氣凝膠中的大量納米級細小氣孔，賦予氣凝膠低密度、低折射率、小孔徑、高比表面積、高孔隙率的特性，使氣凝膠具有良好的透光性、環保性、隔聲性等性能。由于氣凝膠材料擁有高達90%的孔隙率，主要進行以氣態傳導為主的熱傳導，使固態熱的傳導率僅為氣凝膠均質材料的0.2%左右[5]，隔熱性能優異。多孔網絡結構限制了空氣分子在材料內部的對流，抑制材料的對流熱，并對覆蓋熱源體的熱輻射進行有效高遮擋。氣凝膠的熱學、光學[6]、聲學[7]、電學[8-9]等優異性能及密度和孔隙率等參數通過與增強體和遮光劑的復合，在航空航天及光聲電學器件等領域作為超級隔熱材料廣泛應用。 　　
　　2 氣凝膠的應用
　　2.1 氣凝膠作為隔熱保溫材料的應用
　　氣凝膠作為隔熱材料在航空航天領域得到廣泛的應用。1999年，美國國家航空航天局（NASA）利用氣凝膠材料為“星塵”號太空探測器制作搜集裝置[10]。俄羅斯“和平”號空間站和美國“勇氣”號火星探測車[11]都用它作為隔熱材料，進行熱絕緣以保護探測機體。寶馬公司[12]利用氣凝膠材料建立了絕熱儲熱裝置，可以收集發動機的余熱，在冬季為發動機取暖。圖1為中國在2016年使用的納米氣凝膠隔熱氈產品，對“長征五號”火箭燃氣管路系統進行了有效的隔熱保溫維護，2017年氣凝膠又成為了“天舟一號”貨運飛船上的低溫鎖柜設計材料。氣凝膠的高透明度和低折射率還賦予其光能源建筑上的良好應用，能減少來自太陽及環境中的紅外輻射，是一種理想的太陽能采暖材料。SiO2氣凝膠材料制成的屋頂采光保溫材料，在有效降低熱損失的同時，增益了太陽能的熱轉換效率[13]。Xiong等[14]觀察到氣凝膠包裹結構對隔熱增強有顯著影響，氣凝膠填充樣品與普通樣品之間的溫差為1～1.5℃。
　　
　　2.2 氣凝膠在防寒隔熱產品上的應用
　　氣凝膠在服裝領域上的應用也十分突出，其中以SiO2氣凝膠的研究與應用最為成熟。早在2002年，NASA部署下的阿斯彭氣凝膠公司就研制出更具耐受性和柔韌強度的氣凝膠[15]，并應用于太空服隔熱保溫襯里。研究人員認為18mm厚的氣凝膠襯里能幫助宇航員抵抗-130℃的低溫。Corpo Nove公司用氣凝膠材料設計出能耐-25℃～1500℃極端氣溫的防寒服。美國海軍研制出的氣凝膠內衣能提高潛水服的防護性能，有效降低人體溫度下降速度，延長潛水時間[16]。Corpo Nove、Hugo Boss、McFarlane等生產了適用于冬季穿著的氣凝膠夾克。2009年阿斯彭公司與加拿大高爾夫球裝備商21元素公司（Element 21）合作研發了一種名為“零夾層”的氣凝膠纖維，并制成超薄夾克，隨后氣凝膠鞋墊和氣凝膠睡袋護墊也相繼被開發用于戶外防寒[17]。中國SNAFEL ○ a項目產品經受住了包括溫場測試、人體體感測試等在內的全方位考驗，充分發揮了納米氣凝膠材料極佳的疏水性和保暖性。
　　2.3 氣凝膠在熱防護服中的應用
　　張興娟等[18]發現SiO2氣凝膠防護面料的熱傳導率為傳統防護面料的1/4，且在同樣的熱防護效果下，使用氣凝膠為隔熱層材料的消防服能減輕70%以上的質量及體積，可大幅降低消防員的勞動強度。任乾乾[19]設計的玻璃纖維二氧化硅氣凝膠防火隔熱面料的TPP（熱防護性能）值高于中國標準規定值（≥28kW·s/m2）的27%以上，延遲了造成二級燒傷的時間，使消防員有足夠的時間進行救援作業與撤離。胡銀[20]合成了SiO2氣凝膠連續多孔隔熱材料，并將改性后的氣凝膠材料與消防服織物結合，測試在低輻射環境下不同厚度氣凝膠氈及其組合方式的隔熱性能，研究了氣凝膠層數與防護服內層舒適性的關系。Shaid等[21]使用氣凝膠來解決消防服中相變材料不穩定的問題，發現普通PCM（相變材料）隔熱層的平均點火時間大約為3.3s，而當使用氣凝膠和PCM的組合材料時，該值顯示增加到5.5秒，減緩了含PCM織物中火焰擴散的情況。Zhang等[22]將氣凝膠材料和MPCM（微膠囊相變材料）結合應用于熱防護服系統，發現與厚度為4mm的對照樣品相比，包含氣凝膠的隔熱層產生二級燒傷的時間增加了51.4%，極大地改善了面料系統的熱防護值，并且發現不同厚度的氣凝膠層及其不同的分布位置對模擬皮膚的熱通量有不同的影響。
　　3 氣凝膠應用于防護服的主要問題及解決方法
　　3.1 氣凝膠材料的力學性能
　　高溫救援作業環境下，要求氣凝膠防護服具有一定的抗撕裂、抗刺穿和耐磨性。氣凝膠的超低密度、高孔隙率及獨特的網絡結構致使其模量小、強度低、脆性大，無法達到隔熱防護材料所需的力學性能承載要求。因此，氣凝膠很難作為隔熱材料單獨使用，需要與其他材料進行復合或組合才能達到有效的使用效果。該材料雖然可提高服裝的隔熱性能，但如何增加氣凝膠復合材料的強度、拉伸性和彈性仍是具有挑戰性的難題。目前主要通過提高氣凝膠密度，進行高溫熱處理及增強顆粒骨架結構等方法來提高氣凝膠的強度[23]。一般通過在氣凝膠中引入增強體及遮光劑制備氣凝膠復合材料，以提高材料的力學性能和高溫隔熱性能[25-26]。Katti等[27]通過使用聚尿素包覆胺修飾氣凝膠骨架，增大了顆粒頸部接觸面積，在保持了氣凝膠介孔結構的同時，提高了氣凝膠材料的強度。艾素芬等[11]通過加入老化液在高溫高壓下的二次凝膠，利用溶解-沉降原理將酯鹽水解后嫁接在濕凝膠網絡骨架處，強化骨架結構，從而提高氣凝膠材料強度。阿斯彭公司[20]通過在氣凝膠中加入有機聚合物（聚二甲基硅氧烷衍生物等）制得新的柔性氣凝膠復合材料，相比于純硅氣凝膠增加了材料的彈性，氣凝膠耐久性明顯提高。王鈺等[28]通過在硅氣凝膠過程中添加玻璃纖維和無機黏合劑，提高氣凝膠材料的熱穩定性和機械強度。
　　3.2 氣凝膠材料的舒適性
　　目前關于氣凝膠應用于防護服的研究多圍繞其優異的隔熱性能展開，卻忽視了著裝者的主觀穿著感受，氣凝膠材料的舒適性是應用于防護服的另一需要考慮的問題。氣凝膠不僅阻止外界熱量的傳入，還阻止人體服裝微氣候環境下的熱量輸出[29]，目前仍沒有很好的方法解決與人體熱應激有關的問題，僅通過將PCM與氣凝膠一起涂覆到面料上來改善人體舒適度。Shaid等[30]發現含有2%的氣凝膠納米粒子涂層將熱阻增加至68.64%時，材料透氣性會降低45.46%，而4%的氣凝膠涂層將降低6176%的透氣性。氣凝膠涂層織物的熱阻與透氣性成反比，服裝的舒適透氣性會隨熱防護程度的提高而降低。Trifu[31]等在研究氣凝膠鞋帽裝配過程中發現無法避免的氣凝膠粉塵，嚴重影響了氣凝膠制成的襯墊帽和靴子的試穿舒適性。Jin等[32]利用氣凝膠涂層整理技術制備了新型的防護服面料，將PTFE膜層壓在經氣凝膠處理的非織造織物上作為隔熱層，發現能改善織物的TPP值并消除氣凝膠粉塵，但會降低隔熱層的水蒸汽透過率。 　　3.3 氣凝膠材料高溫環境下的結構穩定性
　　在火場高溫環境下，氣凝膠防護服經常會受到高溫熱接觸和熱輻射的傷害。目前應用較多的SiO2氣凝膠在使用溫度較高時，由于表面細膩的粒子具有高的表面能，使其在高溫環境下容易聚集燒結，引起氣凝膠的比表面積下降。當燒結的SiO2氣凝膠密度達到原氣凝膠密度的50%時，氣凝膠的多孔結構會因坍塌遭到破壞[33]，導致SiO2氣凝膠隔熱性降低。SiO2氣凝膠的長期使用溫度在650℃以下[34]，李雄威等[35]對不同溫度熱處理后的SiO2氣凝膠經分析發現，氣凝膠的導熱率隨密度增大而增大這一理論預測成立，高溫導致氣凝膠顆粒間的接觸面積因顆粒膨脹增大，使氣凝膠形成以固相導熱為主的熱傳遞方式，而當模擬火場燃燒一個小時后到達的實驗熱處理溫度時（925℃）[36]，氣凝膠層結構因間壁塌縮使其隔熱性能失效，防護效果大大降低。目前，國內外主要通過對SiO2氣凝膠進行元素摻雜和引入顆粒、晶須等纖維增強體來修飾和調控氣凝膠結構，抑制SiO2氣凝膠顆粒的燒結情況，從而增強SiO2氣凝膠的耐高溫性能[37-38]。
　　3.4 氣凝膠材料對輻射的透射性
　　高溫熱輻射環境下，氣凝膠對波長為3～8μm的近紅外具有較強的透射性[39]，導致氣凝膠防護服在高溫下抵抗紅外輻射能力差，且高溫紅外熱輻射的環境下，導熱率增大，材料的隔熱性能受損。Qi等[40]發現當入射波長約為3～5μm時，氣凝膠的熱吸收系數急劇升高，提出通過添加劑來吸收或散射引起溫度跳躍的紅外光線的解決方案。Kwon等[41]在800K的溫度下，將TiO2作為紅外遮光劑，發現SiO2氣凝膠的總熱導率分別降低至0.013W/（m·K）和0.038W/（m·K），提高了在高溫下的使用性能。陳澤等[42]發現摻雜氣凝膠/NC復合材料在814μm波段紅外透過率低至3.37%，當氣凝膠復合材料的摻雜量為7%時，對紅外的干擾效果最佳。理論研究方面，趙越等[43]利用蒙特卡羅數值方法（MCM）與Mie散射理論發現，優化參數后的碳黑顆粒摻雜氣凝膠可以有效阻隔輻射傳熱，并且提高材料的隔熱性能。
　　4 發展趨勢
　　4.1 氣凝膠多種類復合化發展
　　氣凝膠的種類不斷被分化，除了硅系，還有碳系、硫系等。由于其力學性能的缺陷，出現了多種復合化的氣凝膠產物。其中，屬于碳系氣凝膠的石墨烯氣凝膠是一種新型的具有連續多孔網絡結構的三維材料，組裝結構可調控，具有極高的比表面積及優異的機械性能;具有優異的彈性，形狀可根據需要任意調節，壓縮率高達80%，還具有優異的電學、熱學、力學等性能，目前已經實現了多結構的3D[44]打印技術。未來有望將石墨烯氣凝膠材料引入更廣范圍的防護服應用領域，提高服裝的綜合性能。
　　4.2 優化氣凝膠材料配伍
　　氣凝膠材料目前主要用于隔熱層替代傳統的無紡布隔熱氈或用于隔熱層涂層整理，從而提高面料系統的防護性能。大量的研究表明，多層面料組合的面料配伍影響其隔熱性能，若將其應用在防護外層是否具有更好的防護效果尚不明確。氣凝膠的排列方式對隔熱層的防護性和舒適性也具有重要的影響，需要探索最優的排列方式以獲得性能最優的防護面料。黃仁達等[45]從增強氣凝膠材料的幾何特征、含量、排列方式等方面，概述了二氧化硅氣凝膠復合材料熱導率的規律，提出了優化二氧化硅氣凝膠復合材料熱導率的方法。但在不同的熱源條件下，上述影響因素的具體作用仍不明晰，需要深入探索。
　　4.3 關注氣凝膠服用性能
　　氣凝膠材料優異的隔熱性能使其可以替代傳統的熱防護面料組合，但氣凝膠現有的探索和應用實踐僅關注其隔熱性能，并沒有充分考慮其服用性能，如彎曲性能、壓縮性能、透濕性能等，這都是防護服裝必須考慮的問題。在實際穿著使用過程中，人體運動會擠壓材料，壓縮后的彈性回復程度對其防護性能也具有一定的影響，特別是關鍵防護部位的應用對氣凝膠材料的彈性恢復性能具有較高的要求，必須保證肢體的靈活性。在較高的溫度環境中，半透明的氣凝膠材料由于良好的通透性很難抵抗輻射熱導率的影響，導熱和隔熱性能的矛盾問題也成為氣凝膠防護服材料發展的應用壁壘。市售的氣凝膠由于凝膠易粉末化脫落等問題不能直接用于服裝面料，且應用于防護服的舒適性較差，氣凝膠的組合應用可以有效解決該問題。氣凝膠的疏水性導致服裝的透氣、透濕性較低，容易產生熱應激，必須加以解決。Venkataraman等[46]研究了柔性納米結構氣凝膠復合材料的熱性能、空氣和水蒸氣滲透性，發現相對水氣滲透率隨著纖維組裝和柔性氣凝膠結構的增加而增加，材料和舒適性得到改善。
　　4.4 氣凝膠低成本產業化
　　目前制約氣凝膠市場發展的另一大關鍵是其較高的制造成本，所以低成本產業化制備氣凝膠是十分必要的。美國聯合市場研究公司發布消息稱，全球氣凝膠的市場價值在2020年將增長到18.966億元，其生產成本的降低將導致市場需求和產品銷量大幅提升，市場增值空間大，有望革命性地取代傳統隔熱材料，在紡織服裝領域成為新一代的防護服裝面料。
　　5 結 語
　　氣凝膠目前廣泛應用于隔熱保溫、防寒隔熱產品，在防護服裝上也有一定的應用。開發氣凝膠防護服，并能夠平衡防護服裝熱濕舒適性和防護性，是現代防護服裝發展的必然趨勢。相比于傳統的隔熱服裝材料，氣凝膠作為防護服裝材料其脆弱的質地、較差的舒適性和不穩定的服用性能是實現廣泛應用亟需解決的問題。未來的氣凝膠防護服將朝著復合化、組合式、易服用、舒適化、低成本的方向發展，有效提高防護服裝的防護性能，降低熱應激。
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