氣凝膠在保暖服裝上應用及進展研究
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摘 要：氣凝膠是一種納米多孔固體材料，具有孔隙率高、導熱系數低、密度低等特點，具有優異的保溫隔熱性能，是保溫服飾理想的材料，在宇航服、消防服、極地帳篷、保溫鞋靴、保溫服飾等領域都有廣泛的應用。介紹了氣凝膠在宇航服、消防服以及在保溫服飾領域的應用現狀、性能特點以及研究的進展。
關鍵詞：氣凝膠;宇航服;消防服;保溫服飾
中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.18.092
1 引言
隨著人類在地球和宇宙活動空間的逐漸擴大，人類所面臨的生存環境差異化逐漸顯現，外太空、極地、高山、海洋、火災現場等，溫度與人類所能承受的溫度差異極大，如何保溫隔熱，是保證人身安全的重要課題。氣凝膠作為一種納米多孔固體材料，具有導熱系數低、孔隙率高、密度低等特點，在常溫下熱導率僅為0.013W/（m·K），在所有固體材料中具有最好的保溫性能，是首選的保溫隔熱材料。
1931年，斯坦福大學的S.S.Kistler 教授，采用溶膠凝膠法、超臨界干燥法制備SiO2氣凝膠，并驗證氣凝膠在保溫隔熱等領域具有巨大的應用潛力，但是，由于當時所制備氣凝膠存在干燥周期長、易碎裂、成本高等問題，該氣凝膠一直未得到人們的關注。直到1960年，美國NASA所發射的火星探測器“流浪者”號中，使用SiO2氣凝膠的隔熱復合材料作為保溫層，其可以抵擋太空中-100℃以下的超低溫，表現出優異的保溫隔熱性能，逐漸得到的各國的重視。目前，氣凝膠保溫隔熱材料在軍事、航空航天、工業、服飾等領域都有廣泛的應用。如：英國的美洲豹戰斗機的機艙隔熱層采用的就是SiO2氣凝膠隔熱復合材料，飛機上記錄飛行數據的黑匣子，也用氣凝膠材料作為隔熱層;在軍事方面，在核潛艇、導彈、驅逐艦核反應堆、鍋爐以及復雜的高溫蒸汽管道系統中，采用SiO2氣凝膠隔熱復合材料可有效降低隔熱材料用量，增大艙內的使用空間，同時降低艙內溫度，有效改善各種工作環境;Supield素湃科技上市多款氣凝膠防寒服，經過液氮噴射實驗對比，在-196℃環境下，人類仍可保持正常體溫。
作為保溫服飾的材料，氣凝膠必須適應各種形狀和各種面積的保溫隔熱的需求，將氣凝膠涂覆在柔軟的基材上，做成柔性可折疊的保溫隔熱面料非常有必要。這時，不僅要考慮氣凝膠的形態以及其保溫新更能，還要能將氣凝膠與基材進行匹配，實現良好的粘結性能;此外，對于特種服飾如消防服，氣凝膠服飾還需要考慮紅外輻射的影響，這是由于普通是氣凝膠對近紅外頻段 （λ=3～8μm）的光沒有阻隔能力，因此溫度升高會導致熱導率極度增大。
本文將探討如何提高氣凝膠的保溫隔熱性能，尤其是近紅外輻射條件下的保溫隔熱性能;其次，進一步探討如何提高氣凝膠的韌性以及與柔性面料的結合能力，為進一步研究氣凝膠服飾面料提供一定的理論指導。
2 氣凝膠在航空航天服飾上的應用
當前，我國航空航天事業飛速發展，取得了突出的成果，我國的探月工程、火星計劃在近幾年逐一登場。中國人的太空探索的空間由近地軌道太空環境到深空太空環境以及外星球環境擴展，外太空獨特的真空特點和環境特點，不同外太空環境所承受的熱傳導方式不僅與地球有極大的差異，不同太空環境之間也有明顯差異。在近地軌道空間和月球表面，由于具有高真空的環境，宇航服與外界環境的傳熱方式主要是輻射的方式;在火星等星球表面，由于具有星球大氣的保護，輻射成為次要的傳熱方式，宇航服與外界環境的主要傳熱方式是熱對流和熱傳導。由于月球表面的熱流不能通過大氣層得到緩和，因此晝夜溫差極大，月球表面白天受太陽直射表面溫度可達111℃，夜晚月球表面溫度可低至-171℃;火星的環境特點與月球不同，火星的溫度變化具有季節循環性，夏季溫度處于-83℃～-33攝氏度，冬季溫度處于-123℃～CO2冰點之間。因此，宇航服需具備良好的熱阻能力以及抗熱輻射能力，以維持宇航員始終處于一個相對穩定和舒適的溫度環境中。
針對這種復雜的熱環境特點，多層隔熱組件多被應用于太空探索領域保溫隔熱防護系統。美國和俄羅斯當前的艙外宇航服使用鍍鋁薄膜作為隔熱反射膜;NASA從隔熱效果、材料柔順性、質量、厚度、力學強度等方面，對泡沫材料、相變材料、多孔材料等類型進行對比，發現氣凝膠具有優異的保溫隔熱性能，對氣凝膠在航空服中的應用展開了系統的研究。Aspen Technology 與JSC公司合作，在無紡纖維基材基礎上，開發柔性纖維加固硅氣凝膠合成織物材料，發現該氣凝膠合成物的隔熱效果遠遠優于現有的多層隔熱組件。
同濟大學倪星元等以柔性耐溫隔熱的聚酰亞胺材料為骨架、多孔SiO2為保溫材料并真空鍍金屬鋁膜，制備出SiO2 氣凝膠、聚酰亞胺和鍍鋁層（SiO2/PI/Al）復合成保溫隔熱薄膜。為了提高SiO2氣凝膠的保溫性能，倪等人通過特殊的兩步溶膠凝膠法對SiO2的孔隙率和孔徑線度進行調控。倪等人以正硅酸乙酯為硅源，以乙醇為溶劑，先以HCl為酸性催化劑進行水解反應，再以NH4OH為堿性催化劑進行縮聚反應。水解和縮聚均是酸堿催化反應，反應式如下（1）-（3）：
水解反應：
MOR+H2O→MOH+HOR（1）
縮聚反應：
MOR+HOM→MOM+HOR（2）
MOH+HOM→H2O+MOM（3）
在第一步，以HCl為催化劑，酸性條件下水解反應速度較快，縮聚反應相對緩慢，硅單體的慢縮聚反應形成硅氧鍵，得到低密度網絡聚合物狀的凝膠;在第二步，以NH4OH為催化劑，堿性條件下，水解反應速度較慢，縮聚反應速度相對快，硅單體水解后迅速縮聚，形成相對致密的膠質顆粒。水解和縮聚的相對速率決定了所制備的濕凝膠的三維組織結構，兩步法制備的硅氣凝膠的網絡線密度在4nm左右，孔洞尺寸1～30nm之間，遠優于一步法制備的氣凝膠線密度10～50nm，孔洞尺寸1～100nm。倪等人進一步設計了SiO2/PI/Al多層膜保溫體系，研究發現，薄膜疊加到10層時，保溫效果最佳，但是，氣凝膠復合材料也存在一些缺陷，主要是其脆性、機械耐久性、粉塵性、封裝整合性等，材料多次使用后，硅氣凝膠容易從纖維基材等脫出。目前，國際上已經對多種基材如酚醛、聚酰亞胺、聚氨酯、聚脲等展開研究，后期還需要對氣凝膠復合材料的隔熱性能和使用耐久性進行進一步評估。 3 氣凝膠在消防服飾上的應用
消防服作為消防員與外界火源隔絕的屏障，可以避免外界高溫的灼傷。消防服是一種多層織物系統，包括阻燃防火層、防水透氣層和隔熱層。隔熱層可以有效阻擋外界的熱量向人體傳遞，常用的隔熱材料包括相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠等。
Qi等將氣凝膠應用于消防服，結果發現，消防服重量不僅降低了24.3%，而且使用氣凝膠后，消防服的背面溫度與原樣相比降低了100℃，氣凝膠應用于消防服可以顯著提高熱防護性能，但是，暴露在熱輻射下，會有一個短暫的溫度跳躍;Shaid等同時使用相變材料和氣凝膠應用于消防服，將相變材料和氣凝膠粉末的混合材料涂覆在靠近皮膚的面料一側，將硅氣凝膠粉末涂敷在隔熱層面料一側，這種復合可以有效避免靠近皮膚側的溫度躍遷，提高消防服的舒適性。但是，相變材料存在易燃的風險，如何對相變材料進行很好的封裝并進行阻燃處理，是相變材料/氣凝膠消防服研究的一個重點。
張慧將SiO2氣凝膠、微膠囊相變材料和水性聚氨酯樹脂結合，制備出新型輕薄熱防護面料系統，并研究不同配置對消防服熱防護性能的影響。研究表明，SiO2氣凝膠/微膠囊相變材料與傳統的消防服面料相比，具有更優的防護性能。張比較了不同的厚度的隔熱層（4mm和15mm）和不同隔熱層的組合（包括傳統隔熱層、氣凝膠隔熱層、氣凝膠+傳統隔熱層、含有MPCM隔熱層、氣凝膠+MPCM隔熱層以及氣凝膠+MPCM隔熱層+傳統隔熱層），發現氣凝膠和MPCM具有很好的協同作用，能有效提高傳統隔熱層的熱防護性能。氣凝膠和相變材料不僅有很好的隔熱性能，而且具有較好的儲熱能力，當消防服內儲存一部分熱量時，如果消防服受到擠壓或者執行任務不能及時脫掉消防服，儲存的熱量就有可能燒傷皮膚。張等進一步研究了不同配置的氣凝膠/膠囊相變材料對儲熱能力的影響，研究發現，膠囊相變材料的相變溫度以及它與氣凝膠的相對位置，是影響消防服防護能力的重要因素。
當前，氣凝膠/膠囊相變材料類消防服的研究還較少，研究多層氣凝膠/膠囊相變材料的傳熱機理是開發此類消防服的重要理論基礎，此外，開發出透氣性優異、隔熱性能好、安全等級高、舒適度佳的消防服仍是目前研究和應用領域的重點。
4 氣凝膠復合面料在保溫服飾上的應用
張明明以硅酸鈉為硅源、稀硫酸為催化劑，采用溶膠凝膠法、常壓分段升溫干燥法制備輕質疏水SiO2氣凝膠，研究發現，硫酸濃度為1.5mol/L、PH為9、硅酸鈉/乙醇質量比1：6時，制備的 氣凝膠性能最佳，其孔徑、堆積密度、導熱系數分別是：25nm、0.046g/cm3、0.01987W/（m·k）。受夾層棉服的啟發，張將所制備的SiO2氣凝膠粉末作為填充材料填充在兩層透氣性布料之間做成夾層結構，與原布料相比，SiO2氣凝膠的夾層結構上下表面的溫差降低了13℃，顯示出SiO2氣凝膠的夾層結構良好的保溫隔熱性能，但是，夾層結構的氣凝膠粉末布料，氣凝膠粉末非常容易線縫縫隙泄露，并不適合制作形狀結構復雜的服裝，采用顆粒稍大的氣凝膠配合致密的透氣布料，可以用于睡墊、保溫壺內膽等;為解決氣凝膠粉末容易逸出的問題，張將光滑的滌棉纖維表面進行堿處理改性，使原本光滑的纖維表面變得粗糙，并產生大量的凹槽等，為氣凝膠粉體與纖維的復合提供附著力點。研究發現，當氣凝膠比棉絮纖維為1：4時，與原布料相比，氣凝膠布料上下表面溫差降低5.5℃，但是所制備的復合面料在彎折時，仍有大量的粉末脫落。簡單的物理結合無法得到結合力強的氣凝膠復合面料，張將SiO2粉末與粘結劑、分散劑、增稠劑混合制備復合涂料，采用刮涂法在布料表面制備織物涂層，所采用的粘結劑分別是硅改性聚丙烯酸酯PA-5341、聚四氟乙烯乳液PTFE、水性聚氨酯乳液PU-2591以及PVDF-HFP的DMF溶液。經涂布后的氣凝膠面料粘合牢固，耐磨性良好，其中，以PTFE基粘結劑制備的材料性能最佳，導熱系數僅有0.027W/（m·K），內外側溫差可達11.9℃且具有較為柔軟的手感。除無機氣凝膠用作保溫面料，武漢紡織大學的錢晶晶以BPDA和ODA為單體、TAB為交聯劑制備聚酰亞胺溶膠，并通過CO2超臨界干燥制備聚酰亞胺氣凝膠。該研究以滌綸面料為外襯布、棉綸面料為內襯布、聚酰亞胺氣凝膠為填充物設計戶外帳篷，具有優異的保溫隔熱性能。
5 結論
氣凝膠具有優異的保溫隔熱性能，本文介紹了多種氣凝膠面料及其應用。為適應太空的輻射傳導和巨大溫差，不僅需要合適載體制備氣凝膠復合材料，而且通過金屬鍍膜的方法可以有效阻礙輻射傳導;在消防服應用領域，相變材料/氣凝膠復合材料不僅可以提供良好的隔熱性能，而且可以避免受熱初期的溫度躍遷;在保溫服飾領域，如何實現氣凝膠與織物的良好結合，是發展氣凝膠保溫服飾的關鍵，氣凝膠粉末與粘結劑復合涂料涂覆織物表面是理想的解決方案。
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