氣凝膠在防護(hù)服中的應(yīng)用進(jìn)展

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活和軍事反恐活動(dòng)中可能發(fā)生的爆炸、火災(zāi)、高壓蒸汽、高溫液體飛濺等災(zāi)難性事故呈上升趨勢(shì)。在這些環(huán)境下工作的員工需要穿特定的防護(hù)服，以確保生命安全和任務(wù)的有效執(zhí)行。然而，傳統(tǒng)的熱防護(hù)服主要通過多層組合提高熱防護(hù)性能，其組成結(jié)構(gòu)一般分為阻燃層、防水透氣層、絕緣層、舒適層，導(dǎo)致人體散熱、代謝率、生理熱負(fù)荷和熱應(yīng)激[1]，然后影響服裝的工作效率和決策能力，甚至生命危險(xiǎn)[2-3]。因此，為了更好地保證員工的工作安全，現(xiàn)代防護(hù)服的必然趨勢(shì)是開發(fā)具有優(yōu)良熱濕舒適性和保護(hù)性的輕熱防護(hù)服。氣凝膠是世界上密度較低、導(dǎo)熱性較低的多孔固體材料，具有特殊的連續(xù)性，可應(yīng)用于保護(hù)孔結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新趨勢(shì)。本文總結(jié)了保護(hù)孔結(jié)構(gòu)的特殊應(yīng)用。

1 氣凝膠性能

氣凝膠是一種具有超高孔隙率的三維納米多孔材料[4]。1931年斯坦福大學(xué)Kistler教授成功地用水玻璃制備了世界上第一個(gè)SiO2.經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，氣凝膠材料的優(yōu)異性能逐漸被發(fā)現(xiàn)。氣凝膠中大量納米孔賦予氣凝膠低密度、低折射率、小孔徑、高比表面積、高孔隙率的特點(diǎn)，使氣凝膠具有良好的透光性、環(huán)保性和隔音性能。由于氣凝膠材料的孔隙率高達(dá)90%，主要用于氣體傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)，固體熱傳導(dǎo)率僅為氣凝膠均質(zhì)材料的0.約2%[5]。多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了材料中空氣分子的對(duì)流，抑制了材料的對(duì)流熱，有效地阻擋了覆蓋熱源的熱輻射。通過與增強(qiáng)體和遮光劑的結(jié)合，廣泛應(yīng)用于航空航天、光聲電氣設(shè)備等領(lǐng)域。

2 氣凝膠的應(yīng)用

2.1 氣凝膠作為保溫材料的應(yīng)用

氣凝膠作為一種保溫材料，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。1999年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)氣凝膠材料被用作星塵號(hào)太空探測(cè)器的收集裝置[10]。俄羅斯和平空間站和美國(guó)勇氣火星探測(cè)器[11]都使用它作為熱絕緣材料來保護(hù)探測(cè)器。寶馬[12]采用氣凝膠材料建立保溫儲(chǔ)存裝置，可收集發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，冬季加熱發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1顯示，2016年中國(guó)使用的納米氣凝膠保溫氈產(chǎn)品有效保溫，維護(hù)了長(zhǎng)征5號(hào)火箭燃?xì)夤艿老到y(tǒng)。2017年，氣凝膠已成為天舟1號(hào)貨運(yùn)船上低溫鎖柜的設(shè)計(jì)材料。在光能建筑中，氣凝膠的高透明度和低折射率也于光能建筑，減少陽光和環(huán)境中的紅外輻射。是理想的太陽能加熱材料。SiO屋面采光保溫材料采用氣凝膠材料，可有效減少熱損失，提高太陽能熱轉(zhuǎn)換效率[13]。Xiong[14]觀察到氣凝膠包裝結(jié)構(gòu)對(duì)隔熱增強(qiáng)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 氣凝膠在防寒保溫產(chǎn)品中的應(yīng)用

氣凝膠在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用也非常突出，其中SiO氣凝膠的研究和應(yīng)用較為成熟。早在2002年，NASA部署下的開發(fā)了更耐用、更靈活的氣凝膠[15]，并應(yīng)用于太空服裝保溫襯里。研究人員認(rèn)為，18 mm厚氣凝膠襯里可以幫助宇航員抵抗-130 ℃的低溫。Corpo Nove公司氣凝膠材料設(shè)計(jì)能力-25 ℃～1 500 ℃極溫防寒服。美國(guó)海軍開發(fā)的氣凝膠內(nèi)衣可以提高潛水服的保護(hù)性能，有效降低體溫，延長(zhǎng)潛水時(shí)間[16]。Corpo Nove、Hugo Boss、McFarlane生產(chǎn)適合冬季穿著的氣凝膠夾克。2009年，阿斯彭和加拿大高爾夫球裝備制造商21(Element 21)合作開發(fā)了一種氣凝膠纖維，稱為零夾層，制成超薄夾克，然后開發(fā)了室外防寒[17]氣凝膠鞋墊和氣凝膠睡袋墊。SNAFELwidth=13,height=11,dpi=110項(xiàng)目產(chǎn)品經(jīng)受住了溫場(chǎng)試驗(yàn)、人體感知試驗(yàn)等綜合試驗(yàn)，充分發(fā)揮了納米氣凝膠材料優(yōu)異的疏水性和保溫性。

2.3 氣凝膠在熱防護(hù)服中的應(yīng)用

張興娟等[18]發(fā)現(xiàn)SiO2.氣凝膠保護(hù)面料的熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)保護(hù)面料的1/4。在相同的熱保護(hù)效果下，以氣凝膠為保溫層的消防服可以降低70%以上的質(zhì)量和體積，大大降低消防隊(duì)員的勞動(dòng)強(qiáng)度。玻璃纖維二氧化硅氣凝膠防火保溫織物TPP(熱防護(hù)性能)高于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(≥28 kW·s/m2)二次燒傷延遲超過27%，使消防隊(duì)員有足夠的時(shí)間進(jìn)行救援和疏散。合成胡銀[20]SiO2.結(jié)合改性氣凝膠材料和消防服織物，對(duì)不同厚度氣凝膠氈及其低輻射環(huán)境的保溫性能進(jìn)行了，研究了氣凝膠層數(shù)與防護(hù)服內(nèi)部舒適性的關(guān)系。Shaid等[21]用氣凝膠解決消防服相變材料不穩(wěn)定的問題，發(fā)現(xiàn)普通PCM保溫層的平均點(diǎn)火時(shí)間約為3.3 s，使用氣凝膠和PCM當(dāng)組合材料時(shí)，值顯示增加到5.5秒，含量減慢PCM織物中的火焰擴(kuò)散。Zhang氣凝膠材料等[22]MPCM熱防護(hù)服系統(tǒng)采用微膠囊相變材料，厚度為4 mm與含氣凝膠的保溫層相比，二次燒傷時(shí)間增加了51.4%，大大提高了織物系統(tǒng)的熱保護(hù)值。發(fā)現(xiàn)不同厚度的氣凝膠層及其分布位置對(duì)模擬皮膚的熱通量有不同的影響。

3 氣凝膠用于防護(hù)服的主要問題及解決方案

3.1 氣凝膠材料的力學(xué)性能

在高溫救援作業(yè)環(huán)境下，氣凝膠防護(hù)服必須具有一定的抗撕裂性、抗刺穿性和耐磨性。超低密度、高孔隙率和獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其模量小、強(qiáng)度低、脆性大，不能滿足保溫材料的力學(xué)性能承載要求。因此，氣凝膠難以單獨(dú)作為保溫材料使用，需要與其它材料復(fù)合或組合，以達(dá)到有效的使用效果。雖然該材料可以提高服裝的保溫性能，但如何提高氣凝膠復(fù)合材料的強(qiáng)度、拉伸性和彈性仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。目前，氣凝膠的強(qiáng)度[23]主要過提高氣凝膠密度、高溫?zé)崽幚砗驮鰪?qiáng)顆粒骨架結(jié)構(gòu)來提高。氣凝膠復(fù)合材料引入增強(qiáng)劑和遮光劑，以提高材料的力學(xué)性能和高溫保溫性能。Katti等待[27]用聚尿素包覆胺修改氣凝膠骨架，增加顆粒頸接觸面積，保持氣凝膠介孔結(jié)構(gòu)，提高氣凝膠材料強(qiáng)度。在高溫高壓下加入二次凝膠，將酯鹽水解并嫁接到濕凝膠網(wǎng)骨架中，加強(qiáng)骨架結(jié)構(gòu)，提高氣凝膠材料的強(qiáng)度。通過在氣凝膠中添加有機(jī)聚合物(聚二甲基硅氧烷衍生物等)，[20]制造了柔性氣凝膠復(fù)合材料。與純硅氣凝膠相比，增加了材料的彈性，顯著提高了氣凝膠的耐久性。王宇等[28]通過在硅氣凝膠過程中添加玻璃纖維和無機(jī)粘合劑，提高了氣凝膠材料的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。

3.2 氣凝膠材料的舒適性

目前，氣凝膠在防護(hù)服中的應(yīng)用主要集中在其優(yōu)異的隔熱性能上，而忽視了穿著者的主觀穿著感受。氣凝膠材料的舒適性是防護(hù)服應(yīng)用中需要考慮的另一個(gè)問題。氣凝膠不僅能防止外界熱量的引入，還能防止人體服裝微氣候下的熱量輸出[29]。目前還沒有很好的方法來解決與人體熱應(yīng)激相關(guān)的問題，只有通過PCM將氣凝膠涂在面料上，提高人體舒適度。Shaid2%的氣凝膠納米顆粒涂層將熱阻增加到68. 當(dāng)材料的透氣性降低45.46%時(shí)，4%的氣凝膠涂層將降低61%.透氣性76%。氣凝膠涂層織物的熱阻與透氣性成反比。隨著熱保護(hù)的提高，服裝的舒適性和透氣性會(huì)降低。Trifu[31]在研究氣凝膠鞋帽組裝過程中，發(fā)現(xiàn)不可避免的氣凝膠粉塵嚴(yán)重影響了氣凝膠墊帽和靴子的試穿舒適性。Jin等[32]采用氣凝膠涂層整理技術(shù)制備新型防護(hù)服面料PTFE膜層壓在氣凝膠處理的非織造織物上作為隔熱層，發(fā)現(xiàn)可以改善織物TPP并消除氣凝膠粉塵，但會(huì)降低保溫層水蒸氣的滲透性。

3.3 氣凝膠材料在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

氣凝膠防護(hù)服經(jīng)常受到高溫?zé)峤佑|和熱輻射的傷害。目前應(yīng)用較多SiO氣凝膠使用溫度高時(shí)，由于細(xì)顆粒表面能量高，在高溫環(huán)境下容易積聚燒結(jié)，導(dǎo)致氣凝膠比表面積下降。SiO當(dāng)氣凝膠密度達(dá)到原氣凝膠密度的50%時(shí)，氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)因坍塌而損壞[33]SiO降低氣凝膠的隔熱性。SiO氣凝膠的長(zhǎng)期使用溫度為650 ℃以下[34]、李雄威等[35]對(duì)不同溫度進(jìn)行熱處理SiO2.氣凝膠分析發(fā)現(xiàn)，隨著密度的增加，當(dāng)模擬火場(chǎng)燃燒一小時(shí)后達(dá)到實(shí)驗(yàn)熱處理溫度時(shí)，氣凝膠顆粒之間的接觸面積因顆粒膨脹而增加(925) ℃)[36]由于間壁塌陷，氣凝膠層結(jié)構(gòu)的隔熱性能失效，保護(hù)效果大大降低。目前國(guó)內(nèi)外主要通過SiO2.氣凝膠用于修飾和調(diào)節(jié)纖維增強(qiáng)體，如顆粒和晶須SiO2氣凝膠顆粒的燒結(jié)增強(qiáng)SiO氣凝膠的耐高溫性[37-38]。

3.4 氣凝膠材料對(duì)輻射的透射性

氣凝膠對(duì)波長(zhǎng)為3~8 μm紅外輻射能力差，導(dǎo)熱性增加，材料保溫性能受損。Qi[40]發(fā)現(xiàn)入射波長(zhǎng)約為3~5 μm當(dāng)氣凝膠的熱吸收系數(shù)急劇上升時(shí)，提出了紅外光通過添加劑吸收或散射溫度跳躍的解決方案。Kwon等[41]在800 K在溫度下，將TiO2.發(fā)現(xiàn)作為紅外遮光劑，SiO氣凝膠的總熱導(dǎo)率分別降低到0.013 W/(m·K)和0.038 W/(m·K)，提高高溫下的使用性能。陳澤等[42]發(fā)現(xiàn)混合氣凝膠/NC814 復(fù)合材料μm當(dāng)氣凝膠復(fù)合材料的摻雜量為7%時(shí)，對(duì)紅外線的干擾效果較好。趙越等[43]在理論研究中采用蒙特卡羅數(shù)值法(MCM)與Mie散射理論發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化參數(shù)后的碳黑顆粒混合氣凝膠能有效阻擋輻射傳熱，提高材料的隔熱性能。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 氣凝膠多種復(fù)合發(fā)展

除硅、碳、硫等外，氣凝膠的種類不斷分化。由于其機(jī)械性能缺陷，出現(xiàn)了多種復(fù)合氣凝膠產(chǎn)品。石墨烯氣凝膠是一種具有連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型三維材料。裝配結(jié)構(gòu)可調(diào)，高于表面積，機(jī)械性能優(yōu)異；彈性好，形狀可根據(jù)需要任意調(diào)整。電、熱、機(jī)械性能優(yōu)異，壓縮率高達(dá)80%。目前，多結(jié)構(gòu)3已經(jīng)實(shí)現(xiàn)D[44]印刷技術(shù)。石墨烯氣凝膠材料有望在未來引入更廣泛的防護(hù)服應(yīng)用領(lǐng)域，提高服裝的綜合性能。

4.22 優(yōu)化氣凝膠材料配伍

目前，氣凝膠材料主要用于取代傳統(tǒng)的無紡布保溫氈或保溫涂料，以提高織物系統(tǒng)的保護(hù)性能。大量研究表明，多層織物組合的織物兼容性影響其保溫性能，目前還不清楚外層是否有更好的保護(hù)效果。氣凝膠的排列方法對(duì)保溫層的保護(hù)和舒適性也有重要影響。探索較佳的排列方法，以獲得性能較好的保護(hù)織物。黃仁達(dá)等[45]從增強(qiáng)氣凝膠材料的幾何特性、含量、排列方法等方面總結(jié)了二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性規(guī)律，提出了優(yōu)化二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱性的方法。但上述影響因素的具體作用尚不清楚，需要深入探索。

4.3 注意氣凝膠的性能

氣凝膠材料優(yōu)異的隔熱性能使其能夠取代傳統(tǒng)的熱保護(hù)織物組合，但現(xiàn)有的探索和應(yīng)用實(shí)踐只關(guān)注其隔熱性能，沒有充分考慮其彎曲性能、壓縮性能、濕度性能等使用性能，這些都是防護(hù)服必須考慮的問題。在實(shí)際穿著和使用過程中，人體運(yùn)動(dòng)會(huì)擠壓材料，壓縮后的彈性恢復(fù)也會(huì)對(duì)其保護(hù)性能產(chǎn)生一定的影響。特別是氣凝膠材料在關(guān)鍵保護(hù)部位的應(yīng)用必須保證四肢的靈活性。在高溫環(huán)境下，半透明氣凝膠材料難以抵抗良好的輻射導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱與隔熱性能的矛盾也成為氣凝膠防護(hù)服材料發(fā)展的應(yīng)用障礙。市場(chǎng)上銷售的氣凝膠不能直接用于服裝面料，因?yàn)槟z容易脫落，防護(hù)服舒適性差。氣凝膠的組合應(yīng)用可以有效地解決這個(gè)問題。氣凝膠的疏水性導(dǎo)致服裝透氣性和透濕性低，容易產(chǎn)生熱應(yīng)激，必須解決。Venkatara n[46]研究了柔性納米結(jié)構(gòu)氣凝膠復(fù)合材料的熱性能、空氣和水蒸氣滲透性，發(fā)現(xiàn)材料和舒適性隨著纖維組裝和柔性氣凝膠結(jié)構(gòu)的增加而提高。

4.4 氣凝膠工業(yè)化成本低

制約氣凝膠市場(chǎng)發(fā)展的另一個(gè)關(guān)鍵是制造成本高，因此有必要制備低成本的工業(yè)氣凝膠。美國(guó)表示，2020年全球氣凝膠市場(chǎng)價(jià)值將上升到18.966億元，將導(dǎo)致市場(chǎng)需求、產(chǎn)品銷售和產(chǎn)品銷售大幅增長(zhǎng)，市場(chǎng)增值空間大，預(yù)計(jì)將革命性地取代傳統(tǒng)保溫材料，成為紡織服裝領(lǐng)域的新一代保護(hù)服裝面料。

5 結(jié) 語

目前，氣凝膠廣泛應(yīng)用于保溫、防寒保溫產(chǎn)品，在防護(hù)服上也有一定的應(yīng)用。現(xiàn)代防護(hù)服裝發(fā)展的必然趨勢(shì)是開發(fā)氣凝膠防護(hù)服，平衡熱濕舒適性和防護(hù)性。與傳統(tǒng)的保溫服裝材料相比，氣凝膠作為一種保護(hù)服裝材料，其脆弱的質(zhì)地、較差的舒適性和不穩(wěn)定的服裝性能是一個(gè)亟待解決的問題。未來，氣凝膠防護(hù)服將朝著復(fù)合、組合、易用、舒適、低成本的方向發(fā)展，有效改善防護(hù)服的防護(hù)護(hù)性能，降低熱應(yīng)激。